Сквозное проектирование усилителя звуковой частоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Проектирование электронных приборов (ЭП)

1.1 Уровни аспекта проектирования

1.2 Задачи схемотехнического уровня и конструкторского аспекта

1.3 Системы моделирования принципиальной схемы

1.4 Системы конструирования печатных плат

1.5 Постановка задачи курсовой работы

2. Проектирование УЗЧ

2.1 Требования к УЗЧ

2.1.1 Измерение параметров УЗЧ

2.2 Структурная схема УЗЧ

2.3 Принципиальная схема УЗЧ

3. Описание применяемых автоматизированных систем проектирования УЗЧ

3.1 Micro-Cap 7

3.2 PSpice

3.3 Layout

4. Результаты технического моделирования

4.1 Micro-Cap 7

4.2 PSpice

4.3 Layout

Вывод

Список литературы

Введение

Интегральная микросхема - микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) накапливания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов и (или) кристаллов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое.

Элемент интегральной микросхемы - это часть интегральной микросхемы, реализующая функцию какого-либо радиоэлемента (например, транзистора, диода, резистора, конденсатора), которая выполнена нераздельно от кристалла или подложки.

Большая роль отводится радиоэлектронике в обеспечении высоких скоростей управления при высокой точности. В космонавтике, ядерной физике, вычислительной технике, кибернетики, электроэнергетике, на транспорте и во многих других отраслях широко применяют средства радиоэлектроники для управления и контроля самых различных процессов.

Основными задачами, которые должна решать радиоэлектроника, являются разработка и совершенствование ее элементной базы, особенно в области микроэлектроники (микросхемы, микропроцессоры и др.), внедрение последних достижений электроники в народное хозяйство, совершенствование технологии производства электронных изделий и систем, повышение качества и надежности этих изделий и т.д.

Операционный усилитель (ОУ) -- усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

В данной курсовой работе будет рассмотрены проектирование усилителя звуковой частоты на ОУ и комплексы программ, с помощью которых можно спроектировать данное устройство.

1. Проектирование электронных приборов (ЭП)

1.1 Уровни аспекта проектирования

Проектирование - это комплекс работ с целью получения описания нового или модернизируемого технического объекта, достаточных для реализации или изготовления объекта в заданных условиях.

В связи со сложностью современных проектируемых технических объектов процесс проектирования разбивается на уровни, соответствующие уровням сложности объекта. Каждому уровню проектирования соответствует решение определенных задач, характерных для этого уровня. При проектировании изделий электронной техники (ИЭТ) уровни разделяются на:

- Системный - взаимодействие проектируемого объекта с окружающей средой.

- Структурный - определяются типы функциональных блоков, и структура связей между ними, обеспечивающая заданные характеристики системы.

- Функциональный (для цифровых устройств его называют функционально-логическим) - обеспечивается выполнение функциональными блоками своего функционального назначения (например, выдача заданной последовательности выходных сигналов и временных соотношений между ними) на основе знания приближенной или идеализированной формы входных и внутренних сигналов.

- Схемотехнический - прорабатывается форма сигналов для отдельных модулей и элементов функциональных блоков, а также рассчитываются уточненные значения их внутренних и выходных параметров.

- Компонентный - определяются типы серийно выпускаемых компонентов обеспечивающих заданные значения параметров выходных сигналов.

Группы родственных задач, встречающихся на нескольких уровнях проектирования, объединяются в аспекты. Таких аспектов - десятки, например, конструкторский, технологический, оптический, функционирования, контроля.

1.2 Задачи схемотехнического уровня и конструкторского аспекта

В курсовой работе решаются задачи аспектов функционирования и конструирования на схемотехническом уровне.

- при решении задачи функционирования прорабатывается форма сигналов для отдельных модулей и элементов функциональных блоков, также рассчитываются уточненные значения их внутренних и выходных параметров,

- при решении конструкторской задачи создаются чертежи общего вида и шаблонов печатных плат (ПП).

Аспект функционирования отражает физические и информационные процессы, протекающие в объекте в процессе его работы.

Конструкторский - характеризует структуру, расположение в пространстве и форму составных частей объекта.

Основной задачей схемотехнического моделирования является расчет токов в ветвях и напряжений в узлах схемы в зависимости от параметров компонентов, способов их соединений в схеме и параметров входных сигналов.

Задача проектирования ПП разбивается на задачи компоновки, размещения, трассировки. Так как УЗЧ представляет единый блок, то эта первая из трех перечисленных задач пропускается.

1.3 Системы моделирования принципиальной схемы

Большинство программ машинного моделирования общего назначения имеют базовые подпрограммы для анализа по постоянному току, переменному току и переходного анализа. Автоматическое проектирование электронных схем, являющееся в настоящее время предметом широких исследований, требует хорошей программы анализа и хорошей стратегии оптимизации.

Уже издано довольно много книг по теоретическим аспектам систем автоматизированного проектирования (САПР). Однако сведений о практической работе с конкретными пакетами программ в литературе недостаточно, а данные о параметрах математических моделей отечественных компонентов вообще отсутствуют.

Современные программы САПР работают в диалоговом режиме и имеют большой набор сервисных модулей, упрощающих работу на ЭВМ и делающих их «дружественными» по отношению к пользователям. В частности, предусмотрен ввод принципиальной схемы моделируемого устройства в графическом виде.

Топология печатной платы или кристалла интегральной схемы синтезируется после завершения разработки принципиальной схемы. На этом этапе проектирования решается задача размещения элементов и трассировки соединений.

Ниже приведен краткий обзор наиболее известных комплексов программ и отдельных программ автоматизированного проектирования электронной аппаратуры.

OrCAD. Большими функциональными возможностями обладает пакет OrCAD фирмы «OrCAD System Corp.». В марте 2000 году была выпущена очередная версия OrCAD 9.2. В нее включили второй редактор принципиальных схем PSpice Schematics. OrCAD разрабатывал ПП, как систему сквозного проектирования, и уже в ранних версиях предусматривал возможность наращивания системы с помощью специализированных пакетов моделирования (PSpice) фирмы MicroSim, (BetaSoft) фирмы Dynamic Soft Analisysjnc, представляющую собой наиболее современную, мощную и удобную систему теплового анализа электронных устройств, и анализа целостности проекта (т.е. оценки влияния конструктивных особенностей ПП на их электрические характеристики) и моделирования электромагнитной совместимости Omega PLUS фирмы Quantic EMC.

Итак, OrCAD 9.2 - это интегрированное программное обеспечение, предназначенное для сквозного проектирования радиоэлектронных устройств, и состоит из следующих пакетов программ:

OrCAD Capture - программа создания принципиальных схем проектов всех типов: синтез ПЛИС (программирование логических интегральных схем) и моделирование цифровых устройств с помощью OrCAD Express, моделирование смешанных аналого-цифровых устройств и их параметрическая оптимизация с помощью OrCAD PSpice и PSpice Optimizer, разработка ПП с помощью OrCAD Layout;

OrCAD Capture CIS (Component Information System) - программа создания принципиальных схем, имеющая доступ к базам данных ведущих фирм-производителей электронных компонентов через Интернет с помощью службы ICA (Internet Component Assistant). Зарегистрированные пользователи получают доступ к каталогу, содержащему более 200 тыс. компонентов, либо к локальным или корпоративным базам данных радиоэлементов предприятия;

PSpice - моделирование аналоговых устройств. Обеспечивает стандартные методы анализа:

- расчет режима по постоянному току,

- расчет частотных характеристик и переходных процессов,

- многовариантный расчет,

- статистический анализ по методу Монте-Карло,

- расчет чувствительности схемы к разбросу параметров компонентов,

- проверку работоспособности дли наихудшей комбинации отклонений от номинала,

- анализ производительности по результатам моделирования.

Также эта программа предоставляет следующие возможности разработчику, которые существенно упрощают работы с программой:

- графический анализ формы сигнала,

- графическое редактирование входных сигналов,

- аналитическое задание входных воздействий,

- полуавтоматическое описание полупроводниковых устройств на основе данных производителя.

Библиотеки аналоговых моделей содержат более 12 тыс. устройств (диоды, биполярные и полевые транзисторы, мощные МОП-транзисторы, операционные усилители (ОУ), стабилизаторы, регуляторы и компараторы напряжения, нелинейные магнитные устройства, тиристоры, оптроны, кварцевые резонаторы и др.). Новый интерфейс программы PSpice имеет окно для просмотра графиков результатов моделирования, параметры всех директив моделирования, значения глобальных параметров, список подключенных библиотек математических моделей и другие параметры заносятся в отдельный текстовый файл *.sim;

PSpice A/D - моделирование аналоговых и смешанных аналого-цифровых устройств. Алгоритмы аналогового и цифрового моделирования взаимоувязаны в рамках одной программы, которая автоматически распознает и oобрабатывает аналого-цифровые и цифро-аналоговые интерфейсы. Библиотеки цифровых компонентов включают в себя ИС серии 7400, ИС на КМОП-структурах, ТТЛ ИС с диодами Шотки, программируемые логические матрицы (ПЛМ) и многое другое.

PSpice A/D Basics - упрощенные версии пакета PSpice A/D;

PSpice Optimizer - оптимизация параметров для достижения заданных характеристик смешанных устройств. Обеспечивает оптимизацию на основе градиентных методов при наличии линейных и нелинейных ограничений. Оптимизация проводится автоматически или интерактивно до полного удовлетворения условий, заданных пользователем. Поддерживается оптимизация с нелинейными целевыми функциями. Запускается из оболочки программы Capture.

Так же в пакет OrCAD 9.2 входят:

- графический редактор принципиальных схем и печатных плат (OrCAD Layout Engineer's Edition);

- графический редактор фирмы Numera Software (Visual CADD);

- программа создания и доработки управляющих файлов для фотоплоттеров (OrCAD GerbTool).

Особую привлекательность этому пакету придают удобство работы с графическим редактором и возможность перекодирования списка соединений схемы в форматы других программ, таких как P-CAD, PSpice и др.

P-CAD. Одна из самых мощных систем автоматизированного проектирования - система P-CAD фирмы «Personal CAD Systems, Inc.» . В нее входят редакторы принципиальных схем и печатных плат, программы моделирования цифровых устройств, автоматического размещения компонентов на печатной плате и трассировки соединений, выдачи чертежей на принтер, графопостроитель, фотопостроитель, а также вспомогательные сервисные программы.

Micro-Cap. Наиболее доступны для пользователей, малознакомых с вычислительной техникой, программы моделирования на ЭВМ семейства Micro-Cap фирмы «Spectrum Software». Программа Micro-Cap обладает удобным графическим вводом принципиальной схемы и обеспечивает проведение простейших видов анализа характеристик схемы во временной и частотной областях.

1.4 Системы конструирования печатных плат

Печатная плата -- пластина, выполненная из диэлектрика, на которой сформирована (обычно печатным методом) хотя бы одна электропроводящая цепь. Печатная плата (ПП) предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов или соединения отдельных электронных узлов. Электронные компоненты на ПП соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка, обычно пайкой, или накруткой, или склёпкой, или впрессовыванием, в результате чего собирается электронный модуль (или смонтированная печатная плата).

Рассмотрим типичный процесс разработки 1-2-х слойной платы.

- Определение габаритов (не принципиально для макетной платы).

- Выбор толщины материала платы из ряда стандартных. Наиболее часто используется материал толщиной 1,55 мм.

- Вычерчивание в CAD-программе в слое BOARD габаритов (краёв) платы.

- Расположение крупных радиодеталей: разъёмов и др. Обычно это происходит в верхнем слое (TOP). Считается, что уже были определены чертежи каждого компонента, расположение и количество выводов и др. (или используются готовые библиотеки компонентов).

- "Разбрасывание" остальных компонентов по верхнему слою, или, реже, по обоим слоям для 2-сторонних плат.

- Запуск трассировщика. При неудовлетворительном результате - перерасположение компонентов. Эти два шага зачастую выполняются десятки или сотни раз подряд. В некоторых случаях трассировка печатных плат (отрисовка дорожек) производится вручную полностью или частично.

- Проверка платы на ошибки (DRC, Design Rules Check): проверка на зазоры, замыкания, наложения компонентов и др.

- Экспорт файла в формат, принимаемый изготовителем ПП.

Перечислим пакты САПР для проектирования печатных плат. Любая система проектирования печатных плат представляет собой сложный комплекс программ, обеспечивающий сквозной цикл, начиная с прорисовки принципиальной схемы и заканчивая генерацией управляющих файлов для оборудования изготовления фотошаблонов, сверления отверстий, сборки и электроконтроля. Однако условия современного рынка накладывают дополнительные требования на эти системы.

Здесь следует отметить следующие фирмы и их продукты:

Пакет Expedition PCB, продукт компании Mentor Graphics , представляет сейчас наиболее мощное решение в области проектирования плат. Основу системы составляет среда Auto Active, позволяющая реализовать такие функции, как предтопологический анализ целостности сигналов, интерактивная и автоматическая трассировка с учётом требований высокочастотных плат и специальных технологических ограничений, накладываемых использованием современной элементной базы (BGA). Единая среда позволяет с помощью модуля ICX моделировать наводки в проводниках непосредственно при прокладке трассы или шины и контролировать превышение ими заданного уровня. У данного продукта можно отметить только один недостаток - его высокую стоимость, что является немаловажным препятствием для проникновения на российский рынок.

Другой продукт компании Mentor, система PADS PowerPCB предлагает более дешёвое решение. Эта система может похвастаться лучшим автотрассировщиком BlaseRouter, поддерживающим все необходимые при трассировке высокочастотных плат функции. Пакет имеет модули предтопологичекого (HyperLinks LineSim) и посттопологического (HyperLinks BoardSim) анализа, тесно взаимодействующих с системой контроля ограничений. Сейчас эти модули значительно улучшены за счёт внедрения в них оригинальных алгоритмов моделирования, ранее применявшихся в продукте XTK компании Innoveda.

Далее по мощности предлагаемых решений идёт компания Cadence. Для верхнего уровня проектирования предлагается пакет PCB Design Studio. В качестве редактора печатных плат здесь используется программа Allegro, позволяющая разрабатывать многослойные и высокоскоростные платы с высокой плотностью размещения компонентов. В качестве штатного модуля авторазмещения и автотрассировки здесь используется программа SPECCTRA , управляемая обширным набором правил проектирования и технологических ограничений. Анализ электромагнитной совместимости топологии платы выполняется с помощью специального модуля SPECCTRAQuest SI Expert, для предварительного анализа проекта и подготовки наборов правил проектирования используется модуль SigXplorer.

Другой продукт компании Cadence, пакет OrCAD (www. orcad. com) рекомендуется как более лёгкое и дешёвое решение для проектирования печатных плат. В последнее время продукт почти не развивается. Данный пакет рассматривается фирмой Cadence как приоритетная система ввода проектов и моделирования: модули Capture CIS и PSpice сейчас поставляются в составе пакета PCB Design Studio. В самую последнюю версию системы OrCAD вошли новые возможности синтеза и моделирования цифровых логических схем NC Sim.

Редактор печатных плат OrCAD Layout - графический редактор ПП OrCAD Layout без автотрассировщика, и предназначен для совместной работы над проектом ПП группы разработчиков. Программа для просмотра ПП, созданных с помощью Layout или Layout Plus, средство общей расстановки компонентов на плате и прокладки наиболее критических, цепей, выполняемых инженером-схемотехником перед выдачей задания на проектирование ПП конструктору (аналог программы ACCEL Relay).

OrCAD GerbTool - программа создания и доработки управляющих файлов для фотоплоттеров (разработка фирмы WISE Software Solutions специально для OrCAD, аналог программы САМ-350);

Visual CADD - графический редактор фирмы Numera Software (упрощенный аналог AutoCAD).

В проекте платы здесь может присутствовать до 30 слоёв, 16 из которых могут быть сигнальными. Имеются встроенные средства авторазмещения и автотрассировки, а также интерфейс с программой SPECCTRA.

Третьим производителем САПР печатных плат можно назвать австралийскую компанию Altium . В августе 2002 года компания выпустила в свет пакет Protel DXP, представляющий собой продолжение собственной оригинальной линий продуктов Protel. Этот пакет обеспечивает сквозной цикл проектирования смешанных аналого-цифровых печатных плат с использованием программируемой логики фирм Xilinx и Altera. Весь инструментарий реализован на базе интегрированной среды проектирования Design Explorer, работающей под управлением операционной системы Windows XP. К имевшимся ранее средствам посттопологического анализа целостности сигналов (Signal Integrity) добавилась возможность выполнять предтопологический анализ. Но главным новшеством системы Protel DXP должен был стать топологический автотрассировщик Situs, призванный реализовать новый подход к автоматической разводке плат.

На фоне полной мобилизации усилий на разработку пакета Protel DXP компания Altium продолжает развивать свой второй пакет проектирования печатных плат P-CAD 2002. Эта система остаётся достаточно популярной в России, что скорее определяется привязанностью наших разработчиков к названию P-CAD (в своё время фирма Altium сделала умелый маркетинговый ход, переименовав пакет ACCEL EDA в P-CAD). Самая последняя версия P-CAD 2002 вышла в декабре 2002 года. Основные изменения затронули пользовательский интерфейс, который стал больше походить на Protel.

1.5 Постановка задачи курсовой работы

Спроектировать усилитель звуковой частоты (УЗЧ). Электрическая принципиальная схема устройства представлена ниже и в разделе 2.4. Для выполнения моделирования и синтезированного УЗЧ использовать программу Micro-Cap 9 и пакет прикладной программы OrCAD 9.2 PSpice. Конструирование печатной платы произвести в OrCAD 9.2 Layout.

Рис. 1.1 Схема усилителя мощности низкой частоты на ОУ

ВФ1 - ЩЗФ544ж МВ1б МВ2 - 1Т4148ж К1 - 22 кОмб К3 - 11 кОмж

К2 - 820 Омж К4-1 Омж

RН - 4 Ом;C1 - 1 мкФ; C2 - 22 мкФ; C3, C4 - 0,01 мкФ; C5 - 0,22 мкФ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.2 Каскад предварительного усиления на ОУ

DA1- uA741; R1 - 51 кОм; R2 - 10 кОм, R3 - 200 кОм; C1 - 50 мкФ;

C2 - 25 мкФ



2. Проектирование УЗЧ

В курсовой работе рассматриваются усилители звуковых частот (УЗЧ) предназначенные для повышения мощности недетерминированных электрических сигналов при обработке звуковой информации. Усилители этой группы входят в состав аппаратуры вещания, а также звукового кино.

Особенностью этой группы усилителей является работа в широком спектральном и динамическом диапазоне и зависимость энергетических показателей усилителей от свойств звуковых сигналов. Это приводит к необходимости применения специальных методик определения искажений, учитывающих субъективную различимость в условиях усиления реальных звуковых передач. Однако ввиду сложности этих методов расчета в инженерной практике они практически не применяются.

2.1 Требования к УЗЧ

Свойства УЗЧ определяются следующими основными характеристиками:

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - K(f) показывает способность устройства одинаково усиливать составляющие сигнала различных частей спектра. Требования к АЧХ задают двумя параметрами: допустимым отклонением АЧХ относительно коэффициента передачи на частоте 1 кГц и диапазоном эффективно воспроизводимых частот, в котором отклонение АЧХ от заданного значения не превышает допустимого.

Поскольку нелинейность АЧХ приводит к появлению в выходном сигнале новых спектральных составляющих по сравнению с входным сигналом, то она может быть описана и задана коэффициентом гармоник - K_Г и коэффициентом интермодуляционных искажений - K_ИМ. Нелинейность АЧХ обычно увеличивается с повышением уровня сигнала и поэтому ограничивает динамический диапазон сверху таким значением, при котором K_Г и K_ИМ достигают предельно допустимого значения.

Отношение сигнал - взвешенный шум усилителя - N_Ш характеризует тот минимальный уровень сигнала, который еще может различить слушатель, и таким образом ограничивают динамический диапазон снизу. Уровень шума определяют относительно номинального выходного сигнала и измеряют в дБ. Так как чувствительность слуха для низших и для высших частот значительно ниже, чем для средних, то для согласования объективных значений и субъективных ощущений напряжение шумов подвергают частотной коррекции псофометрическим взвешивающим фильтром. АЧХ такого фильтра обратна частотной зависимости порогового уровня заметности шумов.

Коэффициент демпфирования - K_Д описывает оптимальность согласования УЗЧ и акустической системы (АС), являющейся нагрузкой усилителя. Он определяется как отношение сопротивления нагрузки - АС к выходному сопротивлению УЗЧ.

Нормы на параметры АС заданы ГОСТ 23262-83, поэтому при проектировании их значения следует выбирать из рядов:

- для сопротивлений АС (Ом): 4, 8, 16;

- для номинальной электрической мощности АС (Вт): 3, 6, 10, 15, 25, 35, 50, 75, 100 .

По ГОСТ 24388-83 УЗЧ по электрическим параметрам разделяются на две группы сложности: высшую (0) и первую (1). В зависимости от класса аппаратуры и вида усилителя эффективно воспроизводимая частота может лежать в диапазоне от 20 Гц до 25 кГц, максимальное значение отклонения АЧХ от? ±0,3 до ±1,5 дБ, максимальное значение K_Г от 0,05 до 0,7, максимальное значение K_ИМ от 0,2 до 3, минимальное значение N_Ш от 100 до 60 дБ, минимальное значение K_Д от 20 до 3. В таблице 1 приведены соответствующие нормы на основные параметры, там же приведены минимальные требования к усилителям высокой верности воспроизведения категории Hi-Fi.

Таблица 1

Основные параметры УЗЧ

	Норма ГОСТ 24388-83 по группам сложности	Минимальные требования по категории
Характеристика	0	1	Hi-Fi
Диапазон эффективно воспроизводимых частот, Гц:
нижняя предельная частота, fН	20	31,5	40
верхняя предельная частота, fВ	25 000	20 000	16 00
Допускаемые отклонения АЧХ, K, дБ, не более, для:
линейных выходов предварительных усилителей	±0,3	±0,4	±1,5
усилителей мощности	±0,4	±0,6	±1,5
полных усилителей	±0,7	±1,0	±1,5
усилителей - корректоров (относительно нормированной АЧХ)	±0,7	±1,5	±2,0
Рассогласование каналов по усилению в диапазоне частот 250 6300 Гц, дБ, не более	2	4	4
Коэффициент гармоник, KГ, в диапазоне частот 40 16000 Гц, %, не более, для:
предварительных усилителей	0,05	0,3	0,5
усилителей мощности	0,1	0,3	0,5
полных усилителей	0,15	0,5	0,7
Коэффициент интермодуляционных искажений, KИМ, %, не более, для:
предварительных усилителей	0,2	1,5	2,0
усилителей мощности	0,3	1,5	2,0
полных усилителей	0,4	2,0	3,0
Переходное затухание между стереоканалами, дБ, не менее, на частоте:
1000 Гц	48	40	40
от 250 до 10000 Гц	38	30	30
Отношение сигнал - взвешенный шум, NШ, дБ, не менее, для:
предварительных усилителей	80	66	63
усилителей мощности	100	86	86
полных усилителей	80	66	60
Коэффициент демпфирования в диапазоне воспроизводимых частот, не менее	20	10	3
Номинальная выходная мощность для усилителей мощности и полных усилителей, Вт, не менее	10	10	10



2.1.1 Измерение параметров УЗЧ

Диапазон эффективно воспроизводимых частот f измеряют при установке регуляторов в положение линейной АЧХ. Сигнал на вход подают через резистор, сопротивление которого равно выходному сопротивлению источника сигнала, а к выходу усилителя подключают резистор с сопротивлением, равным номинальному сопротивлению нагрузки. Установив на частоте 1 кГц входное напряжения на 10 дБ ниже номинального уровня, его поддерживают постоянным, а частоту сигнала изменяют до тех пор, пока выходное напряжение не выйдет за пределы поля допустимых отклонений АЧХ.

Коэффициент гармоник, K_Г измеряют при номинальной выходной мощности (для предварительных усилителей --при максимальном выходном напряжении). На вход подается сигнал частоты 1 кГц и определяется напряжение не менее чем пяти низших гармоник выходного сигнала. Коэффициент гармоник вычисляется по формуле, справедливой для K_Г 10%,

,

где

U_i - амплитуда i - ой гармоники;

U₁ - амплитуда основной гармоники.

Применение этой формулы допустимо, так как для рассматриваемых приборов K_Г 1%.



Рис. 2.1 Резистивный сумматор для измерения K_ИМ

Коэффициент интермодуляционных искажений, К_им измеряют, подавая на вход усилителя сигнал через сумматор, схема которого изображена на рис.2.1.

Частоты сигналов равны: f₁= 250 Гц, f₂ = 8 кГц. Амплитуда первого сигнала выбирается такой, чтобы при выключенном втором сигнале выходное напряжение равнялось 0,8 от номинального. Амплитуда второго сигнала выбирается такой, чтобы при выключенном первом сигнале выходное напряжение равнялось 0,2 от номинального. После этого при подаче обоих сигналов снимается спектр выходного сигнала на частотах:

f₊₁ = f₂ + f₁; f_-1 = f₂ - f₁;

f₊₂ = f₂ + 2f₁; f_-2 = f₂ - 2f₁;

f₊₃ = f₂ + 3f₁; f_-3 = f₂ - 3f₁;

,

где индексы амплитуд соответствуют индексам частот составляющих спектра выходного сигнала.

Отношение сигнал - взвешенный шум, N_Ш измеряют с помощью подключенного к выходу усилителя специального взвешивающего фильтра, приближающего результат измерений к субъективной оценке уровня шума. АЧХ взвешивающего фильтра стандартизована международной электротехнической комиссией, соответствует, примерно, кривой равной громкости 30 фон и носит название «МЭК_А». Схема взвешивающего фильтра приведена на рис.2.2. В фильтре можно использовать практически любой ОУ, АЧХ которого скорректирована для обеспечения устойчивости при коэффициенте усиления, равном 1. Если номиналы элементов отличаются от указанных в схеме не более чем на 5%, то налаживание устройства состоит в установке резистором R5 коэффициент передачи, равного 1, на частоте 1кГц.

Рис. 2.2 Взвешивающий фильтр для определения N_Ш

Для измерения уровня шумов к выходу фильтра МЭК_А подключают среднеквадратичный милливольтметр (не допускается использовать милливольтметр средневыпрямленных значений), а вход усилителя соединяют с общим проводом через эквивалент внутреннего сопротивления источника сигнала. При испытании усилителей-корректоров для магнитной головки звукоснимателя вход заземляют через резистор сопротивлением 2,2 кОм, а при испытании усилителей для пьезоэлектрических головок -- через конденсатор емкостью 1000 пФ.



Отношение сигнал - взвешенный шум вычисляют в децибелах по формуле:

,

где

U_ВЫХ - номинальное выходное напряжение,

U_Ш - взвешенное среднеквадратичное значение напряжения шумов.

При испытаниях усилителей мощности регулятор громкости устанавливают в положение, обеспечивающее номинальную выходную мощность при минимально допустимом входном напряжении. При испытании усилителей-корректоров для магнитных головок звукоснимателей за номинальное принимают выходное напряжение, соответствующее входному сигналу 5 мВ на частоте 1 кГц.

Коэффициент демпфирования, K_Д определяют при входном синусоидальном сигнале частотой 1 кГц, обеспечивающем номинальную выходную мощность, путем измерения выходного напряжения при номинальном сопротивлении нагрузки и в режиме холостого хода. Коэффициент демпфирования определяют по формуле:

,

где

U_ВЫХ - выходное напряжение на номинальном сопротивлении нагрузки,

U_ХХ - выходное напряжение холостого хода.

Номинальную выходную мощность, P измеряют при установке регулятора громкости в положение максимальной громкости. Плавно изменяя амплитуду синусоидального напряжения частотой 1 кГц на входе усилителя, устанавливают такое выходное напряжение на эквиваленте нагрузки, при котором коэффициент гармоник достигает предельно допустимого значения. Выходную мощность вычисляют по формуле

где

U_ВЫХ - выходное напряжение на частоте 1 кГц, соответствующее заданному значению коэффициента гармоник,

R_ном -- номинальное сопротивление нагрузки.

Входное сопротивление, R_ВХ определяют методом замещения. Для этого на вход усилителя через добавочный резистор, сопротивление которого по крайней мере в 10 раз больше ожидаемого входного, подают синусоидальное напряжение заданной частоты (1 кГц, если она не указана особо). Напряжение на входе усилителя устанавливают по электронному вольтметру равным номинальному. После этого вместо усилителя к добавочному резистору подключают переменный резистор и изменяют его сопротивление так, чтобы вольтметр показал номинальное входное напряжение усилителя. Измеренное омметром сопротивление этого переменного резистора будет соответствовать модулю полного входного сопротивления усилителя.

2.2 Структурная схема УЗЧ

На Рис. 2.3 приведена общая структурная схема УЗЧ. Источник сигналов (ИС) является входом усилителя, которым может тюнер, магнитофон, электрофон, микрофон. Усиленный сигнал поступает в нагрузку усилителя (Н), которой является электродинамическая головка АС. Оконечный усилительный каскад (ОК), предназначен для выделения в цепь нагрузки полезной (выходной) мощности. Предоконечный каскад (ПОК), управляет транзисторами ОК. Если ОК является двухтактным с транзисторами одинакового типа проводимости, ПОК выполняет одновременно инверсию фазы напряжения сигнала. Каскады предварительного усиления (ПРК), увеличивают уровень сигнала источника до величины, необходимой для управления транзисторами ПОК. Выходное устройство (ВыУ), служит для согласования сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением ОК, а также для изоляции цепи нагрузки от постоянных напряжений и токов, действующих в цепях усилителя. Входное устройство (ВУ), служит для согласования внутреннего сопротивления источника сигналов с входным сопротивлением первого каскада усилителя, симметрирования входной цепи усилителя, а также для изоляции цепи источника сигналов от постоянных напряжений и токов, действующих в цепях усилителя. Цепь общей отрицательной обратной связи (ООС), выполняет функции снижения искажений и шумов, стабилизации усиления, а также стабилизации исходных режимов работы транзисторов. Цепи ООС могут быть разделены по переменному и постоянному току, охватывать или не охватывать выходное устройство, все или часть ПРК. С помощью устройства регулировки (УР) выполняется ручная или автоматическая регулировка усиления и тембра. Устройство безинерционной защиты (УБЗ) предотвращает перегрузки усилителя по выходу. Устройство инерционной защиты (УИЗ) предохраняет усилитель от перевозбуждения по входу и перегрузки по выходу. Цепь управления (ЦУ) вырабатывает управляющие сигналы для работы УИЗ. Устройство электропитания (УЭП) и фильтры в цепях питания каскадов (ФП) обеспечивают необходимое качество питающих напряжений.

звуковой усилитель автоматизированный моделирование



Рис. 2.3 Общая структурная схема УЗЧ

ИС - источник сигналов,

ВУ - входное устройство,

УИЗ - устройство инерционной защиты,

УР - устройство регулировки,

ПРК - каскады предварительного усиления,

ПОК - предоконечный каскад,

ОК - оконечный усилительный каскад,

ВыУ - выходное устройство,

Н - нагрузка усилителя,

ООС - цепь общей отрицательной обратной связи,

УБЗ - устройство безинерционной защиты,

ЦУ - цепь управления УИЗ,

УЭП - устройство электропитания,

ФП - фильтры в цепях питания каскадов.

При использовании для построения ПОК и ОК операционного усилителя мощности (УМ) эти каскады объединяются в единый каскад - УМ

При выполнении курсовой работы усилительные каскады разрабатываются на ОУ.



2.3 Принципиальная схема УЗЧ

Выполняя курсовую работу создаём УЗЧ, состоящий из следующих блоков: ОК, ПОК, ПРК. Поэтому далее приведены принципиальные схемы этих каскадов.

Для создания УМ применяется ОУ OPA544/BB, типовая схема включения которого приведена на Рис. 2.4 а. Для создания ПРК применяется ОУ uA741, типовая схема включения которого приведена на Рис. 2.4 б.

Перечень элементов принципиальной электрической схемы приводится в таблице 2.

Таблица 2

Позиционное обозначение	Наименование	Количество
Операционные усилители
DA1	ОУ OPA544/BB	1
DA2	ОУ uA741	1
Диоды
VD1 - VD2	Диод 1N4007	2
Конденсатор
С1	Конденсатор 1 мкФ	1
C2	Конденсатор 22 мкФ	1
C3 - С4	Конденсатор 0,01 мкФ	2
С5	Конденсатор 0,22 мкФ	1
C1	Конденсатор 100 мкФ 6 В	1
С2	Конденсатор 0,1 мкФ	1
Резистор
R1, R3	Резистор 22 кОм	2
R2	Резистор 680 Ом	1
R4, RН	Резистор 1 Ом	2
R1	Резистор 10 кОм	1
R2, R3	Резистор 51 кОм	2
R4	Резистор 4 Ом	1



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.4 а. Схема усилителя мощности низкой частоты на ОУ

DA1 - OPA544; VD1, VD2 - 1N4007; R1, R3 - 22 кОм; R2 - 680 Ом;

R4-1 Ом; RН - 4Ом;C1 - 1 мкФ; C2 - 22 мкФ; C3,C4 - 0,01 мкФ; C5 -

0,22 мкФ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2.4 б. Каскад предварительного усиления на ОУ

DA1- uA741; R1 - 10 кОм; R2, R3 - 51 кОм; C1 - 100 мкФ 6 В; C2 -

0,1 мкФ

Рис.2.4 в. Принципиальная схема усилителя звуковой частоты (УЗЧ).

3. Описание применяемых автоматизированных систем проектирования УЗЧ

3.1 Micro-Cap 7

Для проектирования УЗЧ используем программу Micro-Cap 7.

Система Micro-Cap 7 состоит из двух программ:

- Micro-Cap 7 - основная программа;

- MODEL - программа расчета параметров математических моделей компонентов по паспортным данным. В данной курсовой работе эта программа не используется.

MCAP.DAT - файл конфигурации программы MC7 (создается автоматически после первого запуска программы, в частности, в нем указываются полные имена подкаталогов, аналогичных подкаталогам \DATA и \LIBRARY).

В процессе работы с программой MC7 используется манипулятор «мышь» и клавиатура. На клавиатуре используются функциональные клавиши, комбинации клавиш и «горячие клавиши». В системе MC7 используется многооконный интерфейс с ниспадающими и разворачивающимися меню, который уже стал стандартным.

При анализе цифровых схем программа сама проверяет правильность составления схемы.

При отсутствии ошибок в схеме составляет ее топологическое описание, выполняет подготовку к численному расчету переходных процессов и открывает окно задания параметров моделирования. Результаты моделирования могут быть выведены в численном или графическом виде. После выполнения моделирования на экран выводятся графики функций.



3.2 PSpice

Пакет программ PSpice состоит из моделирующей программы PSPICE1.EXE, графического постпроцессора (осциллоскопа) PROBE.EXE, редактора входных сигналов STMED.EXE и программы идентификации (определения) spice-параметров полупроводниковых компонентов по справочным и (или) экспериментальным данным PARTS.EXE.

Моделирующая программа PSPICE1.EXE позволяет моделировать электронные схемы, в состав которых могут входить следующие аналоговые электрорадиоэлементы: резисторы (R), конденсаторы (C), индуктивности (L), независимые источники напряжения (V) и тока (I), диоды (D), биполярные транзисторы (Q), МОП - транзисторы (M), полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом (J), взаимосвязанные индуктивности и трансформаторы (K).

Примечание: в скобках даны буквенные обозначения этих элементов на входном языке программы PSpice.

Моделирование производится на электрическом уровне: рассчитываются все токи и напряжения электрической цепи.

PSpice позволяет проводить следующие основные виды анализа (выделенным шрифтом указаны соответствующие директивы входного языка):

OP - расчет рабочей точки с подробной распечаткой в выходном файле <имя (файла)>.out режимов работы на постоянном токе нелинейных элементов;

DC - расчет по постоянному току зависимостей токов и напряжений схемы от величины входных сигналов, параметров моделей, температуры, питающих напряжений и токов;

AC - частотный анализ;

NOISE - анализ шумов;

SENS - анализ чувствительности на постоянном токе;

TRAN - расчет переходных процессов;

TF - расчет передаточных слабосигнальных функций;

FOUR - Фурье-преобразование результатов расчета переходных процессов;

WCASE - расчет схемы на наихудший случай с учетом разброса параметров элементов;

MC - статистический анализ разброса выходных параметров методом Монте-Карло;

STEP - расчет зависимостей характеристик схемы от параметров моделей элементов и от температуры.

Примечания:

1) Каждый вид анализа задается включением соответствующей директивы (карты, строки) во входное описание. Порядок выполнения анализов определяется последовательностью записи во входном файле директив. Если будет две и более карты на выполнение одного и того же анализа, выполняется лишь последняя. Остальные игнорируются.

Признаком директивы является точка вначале строки (слева).

Слабосигнальной функцией называется функция, рассчитанная при малом уровне входных сигналов. Уровень входного сигнала считается малым, если нелинейностью элементов электронной схемы можно пренебречь.

Входной (загрузочный) файл, имеющий обычно для DOS-версий PSpice расширение .cir создается обычно с помощью текстового редактора или трансляцией изображения схемы, сделанного графическим редактором одного из пакетов прикладных программ PCAD, MicroCAP, Electronics Workbench и др.

3.3 Layout

Семейство программ OrCAD Layout решает комплекс задач для обеспечения коллективной работы над топологией печатных плат для электронных устройств, описание которых было создано в одном из графических редакторов и отмоделировано на программном тренажере PSpice.

Кроме того с помощью OrCAD Layout выполняются, в частности, следующие операции:

- размещение элементов схемы на печатной плате;

- общая трассировка проводников (в наиболее критичных местах), устранение взаимовлияния и обеспечение надежности электрических связей;

- настройка и контроль технологических требований и ограничений к элементам, установочным отверстиям, проводникам на печатной плате.

Для создания с помощью OrCAD Capture принципиальной схемы, предназначенной для разработки печатной платы с помощью OrCAD Layout, необходимо выполнить ряд условий, чтобы в будущем не возникало ошибок при попытке перенести схему на ПП.

Всем компонентам схемы необходимо поставить в соответствие их корпуса с помощью атрибута Footprint (из числа тех, которые имеются в библиотеках OrCAD Layout); С помощью атрибутов компонентов, цепей и выводов компонентов. Можно задать дополнительные данные на печатную плату (в атрибутах разрешается использовать только заглавные буквы). Атрибуты задаются либо вручную, либо заполняя стандартные формы, которые вызываются по командам Macro>Configure.

Для создания новой печатной платы в OrCAD Layout выполняется команда File>New и в диалоговых окнах указывается имя файла шаблона печатной платы (*.tch), имя файла списка соединений (*.mnl) и имя файла создаваемой печатной платы (*.mах).

4. Результаты технического моделирования

4.1 Micro-Cap 9

В соответствии с заданными параметрами была разработана и введена, с применением графического редактора MC9, схема усилителя мощности низкой частоты на ОУ рис.4.1. В режиме Analysis/Transient Analysis... были рассчитаны временные зависимости входных и выходных сигналов от времени. В качестве входного выбран синусоидальный сигнал, который формируется источником G1 на рис.4.1 . В качестве источника сигнала выбрана стандартная модель GENERAL, которая была отредактирована в окне текста.

Рис. 4.1 Схема усилителя звуковой частоты на ОУ

На рис.4.2 приведены кривые зависимости напряжения источника сигнала и сигнала на выходе УЗЧ от времени.

Рис. 4.2 Зависимости напряжения источника сигнала и сигнала на выходе от времени

Далее переходим к модуляции АЧХ, который осуществляется в меню Analysis/AC Analysis... В режиме Stepping исследуется линейность АЧХ в звуковом диапазоне от 50 кГц до 100 МГц. Результат модуляции приведён на рис.4.3.

Рис. 4.3 АЧХ

4.2 PSpice

В соответствии с заданными параметрами была разработана и введена, с применением графического редактора OrCad Capture CIS, схема усилителя мощности низкой частоты на ОУ и каскада предварительного усиления на ОУ рис.4.4.

После создания чертежа принципиальной схемы проводится моделирование. Для этого открывается меню PSpice, в котором запускается команда Create Netlist. По этой команде создается список соединений и выполняется проверка отсутствия ошибок в схеме. Сообщения об ошибках можно увидеть, вызвав команду View Output File. После устранения ошибок вызывается команда Edit Simulation Profile. В открывающемся окне Simulation Settings выбирается страничка Analysis, на которой производится выбор Time Domain (Transient) - расчет временных зависимостей,

На рис.4.5 а, приведены кривые зависимости напряжения источника сигнала от времени для предварительного каскада, а на рис.4.5 б, изображена АЧХ усилителя. По этим графикам можно судить о том, что схемы работоспособны, и сигнал увеличивается.

Рис.4.4 Схема усилителя



Рис.4.5 а. Кривые зависимости напряжения источника сигнала от времени для схемы усилителя мощности низкой частоты на ОУ.

Рис.4.5 б. АЧХ усилителя

4.3 Layout

В соответствии с заданными параметрами была разработана в OrCad Layout печатная плата усилителя мощности низкой частоты на ОУ и каскада предварительного усиления на ОУ рис.4.6.

Для этого в редакторе OrCAD Capture в окне Project Manager выделяется значок проекта *DSN и выбирается команда Tools/Create Netlist… Во всплывающем окне Create Netlist открывается страничка Layout. Устанавливается переключатель User Properties are in millimeters, а в панели Netlist File задается папка, где будет сохранен файл и его имя. После щелчка на OK создается файл соединений с расширением *.MNL.

Затем редактор OrCAD Capture закрывается и запускается программа OrCAD Layout. После запуска выбирается команда File/New и открывается шаблон ПП. Следует открыть шаблон metric.tch, хранящийся в папке Data. Этот шаблон предназначен для создания двусторонних ПП в метрической системе единиц для компонентов со штыревыми или планарными выводами.

Затем следует открыть созданный ранее список соединений схемы. Программа предложит сохранить схему соединений в файле с расширением *.MAX. Следует нажать OK.

Далее решается задача размещения. Для этого используется команда Auto/Place. Предварительно выбирается стратегии размещения, окно настройки которых выводится командой Options/Placement Strategy… Если программа не смогла произвести автоматическое размещение, то следует с помощью перетаскивания, вращения, отражения разместить элементы "в ручную" и повторить автоматическое размещение. Эта процедура повторяется, пока все элементы не будут размещены на экране так, что отсутствуют пересечения связей одного и того же элемента.

После решения задачи размещения производится трассировка командой Auto/Autorout. Изображение различных элементов ПП проводится в различных слоях, которых в системе 28. Каждому слою присвоен свой цвет, который может быть изменен. Командой View/Visible<>Invisible любой слой может быть сделан невидимым. Таким способом может быть выведено на экран или твердую копия изображение различных конструктивных слоев.

ПП для УЗЧ разрабатывается как двусторонняя, с расположением компонентов на верхнее стороне ПП - Top, а проводники - на верхней Top и нижней Bottom сторонах платы. Редактирование различных элементов ПП осуществляется в меню Tools.



Рис.4.6 Печатная плата усилителя мощности низкой частоты на ОУ и каскада предварительного усиления на ОУ.

Вывод

В данной курсовой работе было произведено проектирование усилителя звуковой частоты на ОУ. Для этого использовались: программа Micro-Cap 9 и пакет прикладных программ OrCad 9.2.

Размещено на Allbest.ru