Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РФ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЛУЖБА ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

МОСКОВСИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

Кафедра “Электронно-вычислительные машины, комплексы, системы и сети”

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине “Электротехника и электроника”

Вариант №7

Тема: Разработка и исследование в среде Multisim 10 формирователя электрического сигнала трапецеидальной формы

Выполнил:

студент группы ЭВМ 2-1

Иванов Г.М.

Руководитель Резников Б. Л.

МОСКВА-2009

Содержание

1. Цель и задачи курсового проекта

2. Навыки работы в автоматизированной среде Multisim10

3. Техническое задание на курсовой проект

4. Блок-схемы

4.1 Разработка и исследование мультивибратора на биполярных транзисторах одной проводимости

4.2 Разработка и исследование триггера на биполярных транзисторах

4.3 Разработка и исследование RC-фильтра

4.4 Разработка и расчет одновибратора в интегральном исполнении

4.5 Разработка и исследование ключа в интегральном исполнении

4.6 Разработка и исследование интегратора на основе операционного усилителя

4.7 Разработка и исследование компаратора на основе операционного усилителя

5. Результаты курсового проекта

6. Результаты проведенной работы

Заключение

Список используемой литературы

1. Цель и задачи курсового проекта

Целью курсового проекта является овладение навыками проектирования различных электронных схем, используемых в аппаратуре вычислительной техники и развитие навыков работы с технической и справочной литературой.

В курсовом проекте по заданной функциональной схеме составляется принципиальная схема на указанной элементной основе. В этой части проекта используются основные принципы работы базовых элементов электронных схем: диодов, транзисторов, аналоговых и цифровых схем, усилителей, генераторов, мультивибраторов и умение согласовать их между собой (по величине и полярности напряжения питания, по полярности и уровню сигналов и т.п.).

В расчетной части студент проводит электрический расчет одной из электронных схем устройства.

Математическое моделирование в данной работе проводиться с помощью компьютерной программы Multisim 10,которая является удобным и ориентированным на конечного пользователя инструментом для проектирования и изучения различных электронных схем. Использование программы объясняется ее особенностями (достоинствами):

наличие гибкой системы приборов, по внешнему виду и характеристикам приближенных к промышленным аналогам;

наличие обширной библиотеки электронных компонентов + большое количество дополнительных библиотек, что позволяющей собрать практически любую схему;

наличие простого и легко осваиваемого интерфейса и системы отката на несколько шагов назад или вперёд соответственно (Ctrl +Z), благодаря которым сборка и анализ исследуемой схемы могут происходить намного быстрее, что экономит время.

2. Навыки работы в автоматизированной среде Multisim10

МS10-автоматизированная среда проектирования схем с возможностью обмена всеми необходимыми данными с другими компьютерами.

Основные характеристики приложения:

· многостраничный графический редактор принципиальных схем, поддерживающий иерархические структуры;

· моделирование динамических систем, заданных функциональными схемами;

· макромодели компонентов могут быть представлены в виде принципиальных электрических схем или в текстовом виде;

· большая библиотека компонентов (начиная резисторами и кончая линиями передачи с потерями, макромодели ОУ, кварцевых резонаторов, датчиков Холла и т.п.)

· графики результатов выводятся в процессе моделирования и после его окончания по выбору пользователя, имеются сервисные возможности обработки графиков;

· многовариантный анализ при вариации параметров и статистический анализ по методу Монте-Карло;

· имеются встроенные средства помощи.

В системе МS10 используется многооконный интерфейс с ниспадающими и разворачивающимися меню. На рисунке, приведенном ниже показано стандартное окно МS10. Теперь поясним назначение компонентов «панели компонентов»:

1. Источники

2. Пассивные компоненты( резисторы, конденсаторы, ключи… )

3. Диоды

4. Транзисторы

5. Аналоговые компоненты

6. Логические микросхемы

7. Цифровые микросхемы

8. Аналого-цифровые компоненты

9. Индикаторы

10. Компоненты питания

11. Периферийные устройства…

Основное окно программы

В основном окне программы производится расстановка всех элементов схемы, выбор их параметров, и соединение по заданной схеме.

Для того, чтобы построить графики входных и выходных сигналов, необходимо включить в схему осциллограф.

Далее запускаем работу схемы и дважды “кликаем” по осциллографу. Открывается новое окно в котором будет изображен график зависимости U от t. Масштаб графиков по оси X указывается в ячейке “РАЗВЕРТКА-ШКАЛА” (1), по оси Y в ячейке “КАНАЛ A-ШКАЛА” (2) для первого сигнала и “КАНАЛ B-ШКАЛА”(3) для второго. Масштабирование для каждой шкалы производится в соответствующих ячейках.



В системе МS используются следующие обозначения производных единиц:

Обозначение	Наименование	Значение	Обозначение	Наименование	Значение
10-3	м (милли)	m или M	103	к (кило)	k или К
10-6	мк (микро)	u или U	106	М (мега)	meg,Меg
10-9	н (нано)	n или N	109	Г (гига)	g или G
10-12	п (пико)	p или P	1012	Т (тера)	t или T

3. Техническое задание на курсовой проект

импульс трапецеидальный компаратор транзистор

С помощью компьютерной программы Multisim 10 выполнить следующие действия:

собрать следующие схемы:

ь мультивибратор на биполярных транзисторах одной проводимости;

ь триггер на биполярных транзисторах;

ь RC-цепочка (RC);

ь одновибратор;

ь ключ в интегральном исполнении;

ь триггер;

ь интегратор на основе операционного усилителя;

ь компаратор на основе операционного усилителя;

ь стабилизированный 5-вольтовый источник питания с импульсным регулированием (стабилизатор в интегральном исполнении);

провести анализ полученных схем, и графиков работы этих схем;

3) собрать из полученных схем функциональную схему, приведенную на рис.1 (блок-схема) и получить на выходе трапецеидальный сигнал.

Здесь:1 - задающий генератор;

2 - делитель частоты на 2 (триггер);

3 - дифференцирующая цепь;

4 - одновибратор;

5 и 5' - ключевые схемы;

6 - триггер с раздельными входами

7 - интегратор;

8 - компаратор;

9 - источник питания.

4. Блок - схемы

4.1 Разработка и исследование мультивибратора на биполярных транзисторах

Импульсными генераторами называют электронные устройства, преобразующие энергию источников постоянного напряжения в энергию электрических импульсов. Они могут работать в одном из трех режимов: автоколебательном, ждущем или синхронизации.

В автоколебательном режиме генераторы непрерывно формируют импульсные сигналы без внешнего воздействия. В ждущем режиме генераторы формируют импульсный сигнал лишь по приходе внешнего (запускающего) сигнала. В режиме синхронизации генераторы вырабатывают импульсы напряжения, частота которых равна или кратна частоте синхронизирующего сигнала.

Одним из наиболее распространенных импульсных генераторов является мультивибратор. Мультивибраторы - это импульсные генераторы с положительной обратной связью, в которых усилительные элементы работают в ключевом режиме. Мультивибраторы не имеют ни одного состояния устойчивого равновесия, поэтому относятся к классу автоколебательных генераторов.

Мультивибратор работает без подачи входного сигнала.

Классическая схема мультивибратора на биполярных транзистрорах, разработанная в среде Multisim, представлена на рис.2 и содержит два ключа на транзисторах VT1, VT2 и времязадающие (хронирующие) R1C1-, R2C2-цепи.



Рис.2 Схема мультивибратора на биполярных транзисторах.

При дальнейшем незначительном уменьшении напряжения транзистор Q2 закрывается, после чего на его коллекторе начинает формироваться передний фронт выходного импульса.Этот фронт имеет экспоненциальную форму, поскольку при этом происходит заряд конденсатора C2 по цепи R4-C2-база Q1, приводящий к открытию транзистора Q1 и, следовательно, к подключению к базе Q2 отрицательной обкладкой конденсатора C1, разряжающегося через открытый Q1 и резистор R2. Разряд конденсатора C1 происходит до какого-то напряжения, после чего транзистор Q2 закрывается и аналогичным образом начинается формирование паузы.

Рис.3 выходные сигналы мультивибратора

4.2 Разработка и исследование триггера на биполярных транзисторах

Триггеры представляют собой простейшие последовательные устройства, общим свойством которых является способность длительно оставаться в одном из двух возможных устойчивых состояний, которые распознаются по значению их выходных сигналов.

В простейшем исполнении триггер представляет собой симметричную структуру из двух логических элементов ИЛИ-НЕ или И-НЕ, охваченных перекрестной положительной обратной связью. Свободные входы служат для управления и называются информационными или логическими. Один из выходов триггера называют прямым, а другой - инверсным. Смена состояний триггера производится внешними сигналами. Начало процесса переключения происходит с приходом положительного перепада напряжения на вход закрытого элемента. Входные сигналы в зависимости от выполняемой роли подразделяются на цифровые (логические), подготовительные (разрешающие) и исполнительные (командные). Сигналы на информационных входах определяют информацию, которая будет записана в триггер. Роль подготовительных и исполнительных сигналов - вспомогательная; с их помощью можно в нужный момент прервать действие триггера, сохранив информацию на выходе. Исполнительные сигналы задают момент приема входной информации триггером и служат для синхронизации работы ряда устройств, образующих функциональный узел.

По способу ввода информации триггеры делятся на асинхронные и синхронные. У асинхронных имеются только информационные входы, а у синхронных еще и синхронизирующий сигнал.



Рис.4 Схема триггера на биполярных транзисторах

Рис 5. Входные и выходные сигналы триггера

4.3 Разработка и исследование RC-фильтра

Фильтром называется четырехполюсник, содержащий реактивные компоненты, которые либо задерживают, либо пропускают к нагрузке токи (напряжения) одного или нескольких заданных диапазонов частот.

В основе принципа действия фильтра лежит зависимость полного эквивалентного сопротивления от частоты. Наибольшее распространение в маломощных выпрямителях нашли сглаживающие фильтры: L, LC, C и RC (рис.6). Важнейшим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания (S), который показывает, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации (, для фильтра L: , для LC-фильтра: ,

где -частота сигнала на выходе выпрямителя). На выходе фильтра напряжение оказывается хорошо сглаженным.

L-фильтр LC-фильтр С-фильр RC-фильтр

Рис.6 Схемы фильтров

4.4 Разработка и расчет одновибратора на основе операционного усилителя

Одновибратором называется генератор одиночных прямоугольных импульсов любой длины. Генератор имеет одно устойчивое состояние равновесия. Схема такого устройства (рис.6) может быть реализована путем затормаживания мультивибратора. В схеме автоколебания заторможены с помощью источника напряжения смещения V1. При этом в исходном состоянии на выходе операционного усилителя (ОУ) напряжение насыщения имеет отрицательную полярность. Т.к. при о/n<1 напряжение на инвертирующем входе V1(1-о)-U_o больше напряжения на инвертирующем входе U_n, где о=R1/(R1+R2)=1/(1+1)=1/2=0.5; n=R3/(R3+R4)=10/11=0.909. При поступлении входного импульса положительной полярности от источника запуска V2, длительность которого меньше длительности выходного импульса, а амплитуда больше [U+nR3/R4], на выходе одновибратора формируется напряжение положительной полярности U. При этом конденсатор С будет перезаряжаться через резистор R2 от исходного напряжения V2(1-о)-U_о до напряжения U_n, после чего на выходе ОУ вновь установится исходное напряжение U_. Длительность сформированного при этом импульса (рис.8) определяется выражением:

Т=oR2Cln{o(U_+U)/[oU+(1-o)V1-nU ]}.

Для рассматриваемого случая U_=U=U и Т=2oR2Cln[1-n/o-(V1/U)(1-1/o)].

Рис.7 Схема одновибратора

Рис 8. Входные и выходные сигналы одновибратора.

4.5 Разработка и исследование аналогового ключа на биполярном транзисторе

Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники и очень многих устройств силовой электроники. Параметры и характеристики транзисторного ключа в очень большой степени определяют свойства соответствующих схем.

В цифровой электронике и силовой электронике применяются цифровые ключи. Назначение таких ключей состоит в том, чтобы создать на выходе или напряжение, близкое к нулю (когда ключ открыт), или напряжение, близкое к напряжению питания (когда ключ закрыт, ток, потребляемый нагрузкой, подсоединенной к ключу, достаточно мал).

В информативной электронике используются также и ключи, имеющие другое назначение. Оно состоит в том, чтобы соединять или рассоединять источник входного, содержащего информацию аналогового сигнала и приемник этого сигнала. Такие ключи принято называть аналоговыми. Их также называют аналоговыми коммутаторами. При анализе транзисторных ключей рассматривают два режима - статический и динамический.

При статическом режиме анализируется закрытое и открытое состояние ключа. В закрытом состоянии ключа на его входе низкий уровень напряжения (сигнал логического нуля), при котором оба перехода смещены в обратном направлении (режим отсечки). В открытом состоянии ключа на его входе высокий уровень напряжения (сигнал логической единицы). При этом возможны два режима работы открытого транзистора: работа в линейной области выходной характеристики или в области насыщения.

В активной области эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном. В области насыщения оба перехода транзистора смещены в прямом направлении и изменение тока базы не приводит к изменению коллекторного тока. Насыщение ключа достигается увеличением тока базы.

Взаимодействие ключей друг с другом осуществляется через элементы связи. Если уровень напряжения на выходе первого ключа высокий, то на входе другого ключа должен быть уровень, при котором второй ключ открывается и работает в заданном режиме, и, наоборот, если первый ключ открыт, то на входе второго ключа должен быть достаточно низкий уровень, при котором второй ключ закрыт. Цепь связи оказывает существенное влияние на переходные процессы, возникающие при переключении, и, следовательно, на быстродействие ключей. Простейшая схема такого транзисторного ключа, разработанного в среде Multisim10.

Рис.9 Схема аналогового ключа на биполярном транзисторе

4.6 Разработка и исследование интегратора на основе операционного усилителя

Операционный усилитель (ОУ) - это унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока, выполненный на интегральной схеме и удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:

· коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности;

· входное сопротивление стремится к бесконечности;

· выходное сопротивление стремится к нулю;

· если входное напряжение стремится к нулю, то выходное напряжение также равно нулю;

· бесконечная полоса усиливаемых частот стремится к бесконечности.

Операционный усилитель, как и любой другой усилитель, предназначен для усиления мощности входного сигнала. Название “операционный” он получил от аналогов на дискретных компонентах, выполнявших различные математические операции (суммирование, вычитание, логарифмирование и др.) в основном в аналоговых ЭВМ. В настоящее время операционным называют усилитель, выполненный в виде интегральной микросхемы. Операционные усилители в настоящее время используются в самых различных электронных устройствах. Их широко применяют как в аналоговых, так и в импульсных устройствах электроники.

Рассмотрим интегратор на основе ОУ. Интегратор - электронная схема, выходной сигнал которой пропорционален интегралу от входного. На этой схеме конденсатор в цепи обратной связи ОУ подсоединен между суммирующим входом и выходом интегратора.

При воздействии постоянного входного напряжения напряжение на выходе интегратора является линейной функцией времени. Если входное напряжение действует неопределенно долгое время, выходное напряжение будет изменяться до тех пор, пока не достигнет величины напряжения насыщения ОУ. Это происходит потому, что по постоянному току интегратор является усилителем с разомкнутой петлей ОС.



Рис.10 Схема интегратора на основе операционного усилителя

Рис.11 Входные и выходные сигналы интегратора на основе операционного усилителя

4.7 Разработка и исследование компаратора на основе операционного усилителя

Компаратор является одним из важнейших элементов преобразовательной техники, в частности, аналого-цифровых преобразователей, систем предельного контроля и т.п.

Основная функция состоит в сравнении входного сигнала с эталонным (опорным). В компараторах состояние выходного сигнала изменяется при превышении входным сигналом порогового значения. Они могут выполняться на базе различных элементов в том числе и на операционных усилителях (ОУ). При этом усиление входного сигнала значительно лишь в близи порога, в основном работа ОУ происходит в области ограничения выходного напряжения (отрицательной или положительной).

Компаратор должен переключаться из одного состояния в другое с максимально возможной скоростью. Время срабатывания - время, необходимое для переключения компаратора из одного состояния в другое. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения показывает, насколько быстро измениться выходной сигнал в процессе переключения.

Если напряжение Ui, поступающее на вход компаратора, содержит помеху, то это приводит к ложным срабатываниям. Для их предотвращения применяют цепь положительной обратной связи, за счет которой часть выходного напряжения подается на не инвертирующий вход. Такой компаратор называется компаратор с гестерезисом, его принципиальная схема, разработанная в среде Multisim.

Рис.12 Схема компаратора на основе операционного усилителя

При введении в схему элементов положительной обратной связи (делитель на резисторах R1, R2) изменяется опорное напряжение. В результате компаратор будет переключаться из состояния с высоким уровнем выходного напряжения. Как только входное напряжение Ui превысит опорное напряжение V1, выходное напряжение компаратора начнет уменьшаться и через резистор R2 передаваться на не инвертирующий вход, стимулируя дальнейшее падение выходного напряжения. За счет положительной обратной связи этот процесс происходит лавинообразно, и компаратор быстро переключается в противоположное состояние.

5. Результаты курсового проекта

Результатом курсового проекта является функциональная схема устройства, которая формирует выходной сигнал в форме трапеции (рис.9).

Рис.13График работы функциональной схемы

Получены следующие значения:

период следования трапецеидальных импульсов, Т=22мс;

длительность переднего линейного участка сигнала, t1=2,022 мс;

длительность заднего линейного участка сигнала, t2=1.994 мс;

максимальное напряжение Umax=60B.

6. Результаты проведенной работы

Период следования трапецеобразных импульсов задается триггером 2, который управляется задающим генератором 1. Длительность переднего линейного участка сигнала (t1) задается одновибратором 4, который на это время подключает на ключ 5 ко входу генератора 7 необходимое постоянное положительное напряжение (+E_ОП). Одновибратор 4 управляется передним фронтом триггера 2. Задний фронт триггера 2 запускает триггер 6, который к входу интегратора 7 подает отрицательное напряжение, формируя задний спадающий линейный участок выходного сигнала.

Для того, чтобы нестабильность длительности интервалов «положительного» и «отрицательного» интегрирований не приводили к накоплению постоянного уровня на выходе интегратора, в конце каждого трапецеобразного импульса осуществляется фиксация нулевого (или близкого к нулю) уровня с помощью компаратора 8, который выдает импульс при пересечении спадающего участка трапецеобразного сигнала заданного (нулевого или близкого к нулевому) порога с этим импульсом, «срабатывает» по второму ходу триггер 6. Источник питания 9 вырабатывает необходимые напряжения для всех узлов схемы.

Заключение

В процессе выполнения данной работы я приобрел навыки проектирования различных электронных схем (используемых в вычислительной техники) в автоматизированной среде Multisim 10.

Был разработан формирователь импульсов трапецеидальной формы. В частности: Мультивибратор на биполярных транзисторах, Триггер на биполярных транзисторах, RC-фильтр, Одновибратор в интегральном исполнении, Ключ в интегральном исполнении, Триггер на логических элементах, Интегратор на основе ОУ, Компаратор на основе ОУ.

Список используемой литературы

1. Разевиг В. Д., Схемотехническое моделирование с помощью MicroCap 7, “Горячая линия-Телеком”, 2003г.

2. MicroCap 7, Electronic Circuit Analysis Program User`s Guide-Sunnvale: Spectrum Software, 2001.

3. Резников Б.Л., Методические указания по курсовому проектированию по дисциплине «Электроника». Москва: МГТУ ГА, 1996.

4. MicroCap 7, Electronic Circuit Analysis Program Reference Manual. -Sunnvale: Spectrum Software, 2001.

5. Харченко В.М. , Основы электроники, М: Энергоиздат, 1982г.

6. Резников Б.Л., Бобылев А.В., Журавлев А.А., Автоматизированная среда MicroCap в учебном процессе, ч1, М: МГТУ ГА, 2003г.

Размещено на Allbest.ru