Розробка двовходового інвертуючого суматора на ОП

Тернопільський національний економічний університет

Кафедра комп’ютерної інженерії

 

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни «Комп’ютерна електроніка»

на тему: «Розробка двовходового інвертуючого суматора на ОП»

Студентки _ІІ_курсу  групи    КСМ-21

напряму підготовки комп’ютерна інженерія

спеціальності комп’ютерні системи та мережі

Коченко А. О.

Керівник  к.т.н., доцент Трембач Р.Б.

Захищена «____»__________________2013 р.

Національна шкала ________________   

Кількість балів:____________________

Оцінка:  ECTS: ____________________            

 

Члени комісії:   доц., к.т.н. Трембач Ростислав Богданович      (_________)

                                       підпис

                                                                                 (_________)

                                        підпис

                                                                                         (_________)

                                        підпис

 

Зареєстровано на кафедрі

за № _______

від «___»_________2013 р.

__________________

підпис

 

м.Тернопіль – 2013

 

ЗМІСТ

Вcтуп………………………………………………………………………………….3

1 Розробка двоходового  інвертуючого суматора………………………………….5

1.1 Загальні відомості………………………………………………………………..5

1.2 Розробка структурної  схеми…………………………………………………….8

2 Попередній розрахунок  інвертуючого суматора……………………………….10

2.1 Розрахунок інвертуючого  суматора………………………………………...…10

2.2 Розрахунок однофазного  мостового випрямляча з ємнісним  фільтром...….14

3 Моделювання пристрою…………………………………………………………20

3.1 Вибір програмного забезпечення……………………………………………...20

3.2 Розробка моделі………………………………………………………………...20

3.3 Результат моделювання………………………………………………………..21

Висновок……………………………………………………………………………22

Список використаних джерел……………………………………………………..23

 

 

ВСТУП

 

Електроніка — галузь науки, що вивчає фізичні явища в напівпровідникових елементах, електричні характеристики та властивості пристроїв і схем, побудованих на їх базі.

Становлення електроніки  як науки можна віднести до початку XX ст., коли було винайдено електронну лампу — діод (В. Флемінг, 1904 р.). В 50-х роках із винаходом напівпровідникового транзистора (У. Шок-лі, У. Браттейн, Дж. Бардин, 1948 р.) розпочався етап напівпровідникової електроніки. Завдяки своїм перевагам порівняно з вакуумними приладами, транзистори зумовили бурхливий розвиток електроніки, що характеризувався малогабаритністю та відносно малим енергоспоживанням.Новий поштовх розвитку електроніки надали інтегральні схеми (мікросхеми), промисловий випуск яких розпочався у шістдесятих роках й особливо сприяв інформаційній електроніці. Це привело до створення надвеликих інтегральних схем, які стали основними компонентами мікропроцесорів і електронних обчислювальних машин (ЕОМ).

Функціональні елементи, побудовані на базі інтегральних схем, поділяються  за формою оброблюваних сигналів відповідно на аналогові та дискретні.

Аналогові функціональні  елементи працюють з неперервними в  часі електричними сигналами. Основною ознакою таких елементів є  однозначна залежність вихідного сигналу  від вхідного у кожний конкретний момент часу.

Дискретні функціональні  елементи працюють з квантованими сигналами. Особливістю таких елементів  є те, що відтворення вхідної інформації про досліджуваний процес внаслідок  квантування характеризується частковою  її втратою.

Сьогодення електроніки  характеризується широким використанням  цифрових елементів, у яких дискретні  сигнали шляхом їх кодування заміняються  відповідними числами.

 

 Такі елементи оперують  логічними одиницями, що забезпечує  подання будь-якої інформації  у двійковій системі числення.

 

1. Розробка двовходового інвертуючого суматора

 

1. Загальні відомості.

 

Операційний підсилювач (ОП) - це ППС, що має високий коефіцієнт підсилення, два входи (так званий диференційний вхід) і один вихід.

Зазвичай ОП будують як ППС з безпосередніми зв'язками між  каскадами, з диференційним входом і біполярним відносно амплітуди  підсилюваного сигналу виходом. Це забезпечує нульові потенціали на вході і виході ОП за відсутності  вхідного сигналу. Тому такі підсилювачі  легко з'єднувати послідовно, а також  охоплювати зворотними зв'язками.

За своєю структурою ОП бувають три- або двокаскадні.

За трикаскадною схемою будувались ОП у інтегральному виконанні  першого покоління. Перший диференційний  каскад у них працює в режимі мікрострумів, забезпечуючи тим самим високий  вхідний опір. Другий диференційний  каскад забезпечує підсилення напруги. Третій каскад, вихідний, виконується  як двотактний з СК і забезпечує підсилення потужності, а також низький  вихідний опір [1, пп. 3.7.2.]

ОП другого покоління  будуються за двокаскадною схемою. Це стало можливим із зростанням рівня  інтегральної технології. При цьому, перший каскад забезпечує і високий  вхідний опір, і великий коефіцієнт підсилення за напругою. Другий каскад є підсилювачем потужності.

Свою назву ці підсилювачі  одержали у зв'язку з тим, що спочатку вони використовувались для моделювання  математичних операцій (додавання, віднімання, диференціювання, інтегрування та ін.) в аналогових обчислювальних машинах (АОМ).

Із розвитком інтегральної техніки області використання ОП значно розширились. Нині вони використовуються в основному як високоякісні підсилювачі  напруги при побудові будь-яких електронних  пристроїв. А АОМ тим часом  були витіснені цифровими обчислювальними  машинами.

Поширеному застосуванню ОП сприяють їхні високі параметри. Це великий коефіцієнт підсилення за напругою, що становить  ; високий вхідний опір по кожному з входів - ; низький вихідний опір ; досить широкий частотний діапазон - від нуля до одиниць мегагерц.

За ними ОП для багатьох застосувань наближаються до ідеального підсилювача, що має

1)

2) два симетричних входи  з 

3)

4) безкінечний діапазон  частот підсилюваного сигналу.

При цьому зазначимо, що як лінійні підсилювачі у десятки  тисяч разів реальні ОП не застосовують, бо їх коефіцієнт підсилення (як і інші параметри) - величина вкрай нестабільна (наприклад, під дією температури).

Умовне позначення ОП наведене на рис. 1.1.

 

Рисунок 1.1 - Умовні позначення ОП

 

Вхід, на який подано називається інвертуючим, а - неінвертуючим.

Якщо сигнал подати на неінвертуючий  вхід, то зміни вихідного сигналу  співпадають за знаком (фазою) із змінами  вхідного. Якщо сигнал подати на інвертуючий  вхід, то зміни вихідного сигналу  матимуть протилежний знак (фазу) щодо до змін вхідного. Інвертуючий вхід використовують для охоплення ОП зовнішніми НЗЗ, а неінвертуючий - ПЗЗ.

Схема інвертуючого суматора зображена на рис. 1.2. Він виконаний  за типом інвертуючого підсилювача  з кількістю паралельних гілок  на вході, що дорівнює числу сигналів. Якщо опори всіх резисторів схеми  однакові , то при маємо

 

,

або

 

Рисунок 1.2- Інвертуючий суматор

 

Останнє співвідношення відбиває рівноправну вагову участь доданків у їх сумі. Підсумовування може виконуватись також з різними ваговими коефіцієнтами  для кожного з доданків.

Досягається це використанням  різних значень опорів резисторів у  вхідних гілках

 

 

Тим, що точка з'єднання  резисторів має нульовий потенціал ("віртуальний нуль"), виключається взаємний вплив джерел вхідних напруг.

 

1.2 Розробка структурної  схеми.

 

В структурну схему ми включимо два функціональні блоки:

1. Сам операційний підсилювач, який має два контакти для підключення живлення, один вхід і один вихід;
2. Блок живлення для даного підсилювача, яким потрібно подати живлення з побутової розетки яка має напругу 220В і частоту зміни струму 50Гц і перетворити на двополюсний струм +15В і – 15В для живлення мікросхеми. 

                                                                                                                  

                                                                                               

                                                            

 

                                         

 

                                                                    

 

Рисунок 1.3 – Структурна схема пристрою

 

БЖ – блок живлення

ОП – операційний підсилювач

СН – стабілізатор напруги

 і  - відповідно вхідний і вихідний (підсилений) сигнали

- зворотна напруга  

- струм від розетки

 і  - відповідно плюсова і мінусова напруга живлення мікросхеми

 

2. РОЗРАХУНОК ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ ТА ХАРАКТЕРИСТИК

 

2.1 Попередній розрахунок  інвертуючого суматора.

 

Вихідна схема приведена на рисунку 2.1, а дані для розрахунку - в таблиці 2.1 .

Рисунок 2.1 - Розрахункова схема двовходового інвертуючого суматора на ОП

Параметр	Одиниця виміру	11
R1	кОм	1
R2		1,5
R3		Х
R4		2
U1	В	1,5
U2		-2,5
U3		2,5
I1	мА	X
I2		X
І3		X
І4		X
КU33		-

Таблиця 2.1 – Вихідні дані для розрахунку інвертуючого суматора на ОП

Виходячи з наведеного вище, а саме: вважаючи ОП за ідеальний, при аналізі схем з ОП слід виходити з таких положень:         

1)   коефіцієнт підсилення  ОП нескінченний;

2)   входи ОП струму  не споживають ( );

3)   у вихідних колах  ОП падіння напруги відсутнє ( );

4)   якщо ОП охоплено  НЗЗ і він працює у лінійному  режимі (в режимі підсилення, а  не насичення), різниця потенціалів  між його входами  .

Доведемо останнє положення.

Якщо , то .

Реально нулю не дорівнює. Але це настільки незначна величина, що для більшості схем на ОП нею можна знехтувати. Дійсно, якщо, наприклад, (це майже відповідає насиченню), , то .

Оскільки на неінвертуючий  вхід подана напруга  (він з'єднаний з нульовою точкою), a , то і потенціал інвертуючого входу також дорівнює нулю (віртуальний нуль). У результаті джерелом вхідного сигналу пристрій сприймається як R₁  - вхідний опір підсилювача дорівнює величині опору резистора R₁.

 

Необхідно визначити:

1. Опір резизтора R_3,
2. величину струмів  I₁, I₂; I₃;
3. правильність позначення на рис. 2.1 напрямків протікання струмів;
4. тип та потужність резисторів каскаду.

 

Маючи вихідні дані для  розрахунку обрахуємо величину струмів.

 

 

Оскільки, вхідний опір операційного підсилювача дорівнює нескінченності, то за першим законом Кірхгофа І₁=І₃  То і І₁=0,0015А.

Маючи всі необхідні дані ми обрахували величину І₄ = 0.003А.

Маючи значення напруги і силу струму визначаємо опір R_3.

 

Вибираємо резистор R3 з параметрами 1.6 кОм.

Оскільки, номінали резисторів відповідають таблиці, то наступним кроком буде розрахунок потужностей резисторів для того що встановити потрібну марку і тип.

Всі ці обчислення будуть приведені  за цією формулою.

Тоді,