Проектирование избирательного усилителя

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Техническое задание

Разработать и спроектировать избирательный усилитель (ИУ) в соответствии с индивидуальным кодом: 3 369 536 103 434 295 999 971

Параметры избирательного усилителя

Параметр

Значение

Максимальная мощность на нагрузке, Pн max

8 Вт

Максимальное напряжение на нагрузке, Uн max

25 В

Сопротивление нагрузки, Rн

-

Минимальная частота полосы пропускания, fmin

500 Гц

Максимальная частота полосы пропускания, fmax

7500 Гц

Коэффициент частотных искажений, М

±1,5 дБ

Форма АЧХ при огибающей спектра генерируемого сигнала

Плоская

Величина подавления сигнала на частотах 1/3 fmin и 3 fmax, b

10 дБ

Коэффициент нелинейных искажений, Кf

0,5%

Выходное сопротивление устройства, Rвых

0,5 Ом

Входное сопротивление устройства, Rвх

0,5 МОм

ЭДС генератора входного сигнала, eг

40 мВ

Выходное сопротивление генератора входного сигнала, Rг

0,1 МОм

Выходная емкость генератора входного сигнала, Сг

-

Диапазон регулирования выходной величины в % от макс. значения

-50%

Диапазон изменения температуры среды, ?t

+10?C … +40?C

Вид питающего напряжения

220 В, +10%, -15%, 50 Гц

Введение

В настоящее время широко используется для радиосвязи частотный диапазон. Для построения приемопередающих устройств систем связи необходимы избирательные усилители.

Избирательными называются усилители, полоса пропускания которых сужена для отделения сигналов в нужной полосе частот от сигналов, помех или шумов других частот.

Наиболее используемые избирательные усилители должны быть недорогими и в то же время обеспечивать все предъявляемые к ним требования по параметрам: полосе пропускания, устойчивости, коэффициенту передачи в полосе, собственным шумам, чувствительности, потребляемой мощности, выходной мощности и т. д.

При расчете схем избирательных усилителей исходные данные могут варьироваться в зависимости от назначения и особенностей применения усилителя. В данной работе проведен расчет избирательного усилителя в соответствии с техническим заданием.

1. Выбор функциональной схемы устройства

Рисунок 1 — Функциональная схема избирательного усилителя.

ВУ — входной усилитель, служит для повышения напряжения сигнала до уровня, обеспечивающего нормальную работу усилителя мощности (УМ).

ПФ — полосовой фильтр, предназначен для выделения из сложного сигнала монохромной составляющей.

УМ — усилитель мощности, предназначен для создания в нагрузке сигналов с требуемыми параметрами по мощности, напряжению и току.

РУ — регулятор уровня сигнала

Разделительный конденсатор (Ср) -применение конденсаторов связано с возможностью наличия постоянной составляющей у входного сигнала и с наличием напряжения смещения нуля.

2. Расчет основных узлов устройства

2. 1 Входной усилитель

Для входного усилителя выберем схему неинвертирующего усилителя (рис. 2).

Рисунок 2 — схема неинвертирующего усилителя

Выберем операционный усилитель исходя из данных технического задания:

Параметр

Значение

Максимальное напряжение на нагрузке, Uн max

25 В

Минимальная частота полосы пропускания, fmin

500 Гц

Максимальная частота полосы пропускания, fmax

7500 Гц

Входное сопротивление устройства, Rвх

0,5 МОм

ЭДС генератора входного сигнала, eг

40 мВ

Выходное сопротивление генератора входного сигнала, Rг

0,1 МОм

Вид питающего напряжения

220 В, +10%,

-15%, 50 Гц

Согласно имеющимся данным наиболее подходящим является усилитель LMV821.

Данные по усилителю:

Коэффициент усиления

Напряжение смещения нуля

Входной ток

Выходный ток

Частота единичного усиления

Скорость нарастания выходного напряжения Коэффициент ослабления синфазного сигнала

Потребляемый ток

Напряжение питания

К=100 В/мВ;

Uсм = 3,5 мВ;

IВХ=30 нА;

ДIвх= 10 нА;

f1= 6,5 МГц;

Vu вых = 2,0 B/мкс;

Коссф = 85дБ;

1пот = 0,30 мА

U = 5 В

Принципиальная схема неинвертирующего усилителя представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 — Принципиальная схема неинвертирующего усилителя

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя при идеальном ОУ рассчитывается по формуле:

Учитывая, что ЭДС генератора входного сигнала eг=40 мВ, а максимальное напряжение на нагрузке Uн max = 25 В, найдем общий коэффициент усиления К:

Так как оптимальный коэффициент усиления полосового фильтра kф=10, то примем коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

С учетом найденного Кос найдем следующие номиналы резисторов:

Из стандартного ряда Е24 выберем наиболее близкие значения резисторов:

R1=0. 51 МОм

R2=0. 51 МОм

R3=30 кОм

Вычислим номинал разделительного конденсатора исходя из ограничений на коэффициент частотных искажений, появляющихся на низких частотах (общий коэффициент частотных искажений не должен превышать 1,5 дБ, т. е. каждый конденсатор не должен вносить искажения больше, чем на 1,5 дБ):

фильтр избирательный усилитель схема

Из стандартного ряда Е24 выберем наиболее близкие значения резисторов: Ср = 0. 68 нФ.

Таким образом, в качестве входного усилителя был выбран неинвертирующий усилитель, удовлетворяющий требованиям, предъявленным в техническом задании.

2. 2 Полосовой фильтр

Для проектирования ПФ будем использовать фильтр Баттерворта, т.к. он имеет максимально плоскую АЧХ, умеренную фазовую нелинейность, приемлемую переходную характеристику и достаточно крутой спад АЧХ вне полосы пропускания. АЧХ фильтра представляется формулой:

T (s) = ,

Для создания полосового фильтра необходимо провести масштабирование по коэффициенту передачи и по частоте. Проведём подстановку, где — центральная частота полосы пропускания, определяемая нижним и верхним порогом полосы пропускания, — ширина полосы пропускания, а также умножим выражение на коэффициент передачи k=10. В результате вышеописанных преобразований в программе MathCad получаем пронормированное выражение, определяющее требуемую передаточную функцию:

Для синтеза ПФ в ключе передаточной функции необходимо применим 2 звена ФНЧ и 2 звена ФВЧ с многопетлевой обратной связью. В свете вышеизложенного, принципиальная схема ПФ будет иметь вид:

Рисунок 4 — Принципиальная схема ПФ

Передаточная функция этой принципиальной схемы запишется:

Сопоставляя вид требуемой передаточной функции и функции принципиальной схемы можно прийти к следующему выражению:

Решим эту систему с помощью программы MathCad:

Выберем номиналы конденсаторов и резисторов с помощью стандартных рядов Е6, Е12 и Е24:

Стандартные ряды номиналов элементов.

E6: 1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8.

E12: 1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2.

E24: 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,7; 3,0; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 3,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1.

Значения номиналов резисторов были выбраны в соответствии с рядом E24. При выборе номиналов конденсаторов была использована следующая таблица:

Диапазон емкостей

Стандартный ряд номиналов

1 пФ … 1 нФ

E24

1 нФ … 100 нФ

E12

100 нФ … 10 мкФ

E6

В результате подбора получим следующие номиналы:

По полученным номиналам была синтезирована схема ПФ в программе Electronics Workbench (рисунок 5).

Рисунок 5 — Схема П Ф, построенного в программе Electronics Workbench

На рисунке 6 приведены частотные характеристики полученного фильтра:

Амплитудная характеристика

f=fmin

Амплитудная характеристика

f=fmax

Фазовая характеристика

Рисунок 6 — АЧХ и ФЧХ ПФ, построенного в программе Electronics Workbench

Судя по полученным частотным характеристикам, приходим к выводу, что данный полосовой фильтр удовлетворяет техническому заданию.

2.3 Усилитель мощности

Для минимизации расчетов выберем готовый прибор с подходящими параметрами.

Рассмотрим мощный одноканальный усилитель низкой частоты 100 Вт (TDA7294).

УНЧ выполнен на интегральной микросхеме TDA7294. Эта ИМС представляет собой УНЧ класса АВ. Благодаря широкому диапазону питающих напряжений и возможности отдавать ток в нагрузку до 10 А, микросхема обеспечивает одинаковую максимальную выходную мощность на нагрузках от 4 Ом до 8 Ом. Одной из основных особенностей этой микросхемы является применение полевых транзисторов в предварительных и выходных каскадах усиления.

Технические характеристики:

Напряжение питания

Пиковое значение выходного тока

Ток в режиме покоя

Долговременная выходная мощность при коэффициенте гармоник 0,5%

Uп = ±35 В, R = 8 Ом

Uп = ±31 В, R = 6 Ом

Uп = ±27 В, R = 4 Ом

Пиковая музыкальная выходная мощность (в течение 1 сек.) при коэффициенте гармоник = 10%

Uп = ±38 В, R = 8 Ом

Uп = ±33 В, R = 6 Ом

Uп = ±29 В, R = 4 Ом

Коэффициент усиления по напряжению

Диапазон воспроизводимых частот

Входное сопротивление

Входное напряжение

±10…40 В

10 А

20…60 мА

70 Вт

70 Вт

70 Вт

100 Вт

100 Вт

100 Вт

30 дБ

20…20 000 Гц

20 кОм

0,707 В

Принципиальная схема выбранного УНЧ представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 — Принципиальная схема УНЧ

Для усилителя мощности с целью уменьшения расчетов выберем готовый источник питания. Приведем технические характеристики, принципиальную схему на рисунке 8 и принцип работы данного источника питания.

Технические характеристики источника питания

Uвх

Uвых

Макс. выходная мощность на нагрузку 4 Ома при THD 0,5%

Макс. выходная мощность на нагрузку 4 Ома при THD 10%

Макс. выходная мощность на нагрузку 8 Ома при THD 0,5%

Макс. выходная мощность на нагрузку 8 Ома при THD 10%

THD при Pвых от 0,1 до 50 Вт в диапазоне 20…15 000 Гц

Скорость нарастания выходного напряжения

Сопротивление входа не менее

12 В

±38 В

70 Вт

100 Вт

70 Вт

100 Вт

< 0,1%

10 В/мкС

100 кОм

Рисунок 8 — Принципиальная схема источника питания

Принцип работы источника питания:

Импульсы для управления ключами генерирует задающий генератор, построенный на специальном драйвере TL494, частота импульсов управления 30 кГц. Импульсы управления с выходов микросхемы подаются поочередно на транзисторные ключи VT1, VT2 предварительного формирователя импульсов для выходных силовых ключей. Ключи VT1, VT2 нагружены трансформатором управления TR1, который и формирует импульсы управления мощными выходными ключами VT3, VT4. Формирователь необходим для гальванической развязки затворных цепей выходного каскада. ИП построен по полумостовой схеме, средняя точка для полумоста создается конденсаторами СЗ, С4, которые одновременно служат сглаживающим фильтром выпрямленного диодным мостом VDS1 питающего напряжения сети. Цепь R7, С8 обеспечивает кратковременно питание на задающий генератор и формирователь импульсов управления для первичного запуска ИБП, после полного заряда конденсатора С8, питание формирователя осуществляется непосредственно обмоткой 3 трансформатора TR2, с которой снимается переменное напряжение 12 В. Цепочка VD2, С6 служит для выпрямления и сглаживания питающего формирователь напряжения. Стабилитрон VD1 ограничивает напряжение первичного запуска до 12 В. Вторичное напряжение питания для РЭА снимается с обмотки 3 трансформатора TR2, выпрямляется диодами шотки VD3, VD4 и подается на сглаживающий фильтр С9, С10 Если необходимое напряжение питания превышает 35 В, включаются по два диода последовательно.

Заключение

На примере курсового проекта я научилась применять знания, которые я получила при изучении теоретического курса, на практике; решать некоторые инженерные задачи (на примере избирательного усилителя); работать с научно-технической и патентной литературой; осуществлять поиск известных технических решений. Разрабатываемый в данной курсовой работе прибор предназначен для выполнения функции усиления входного напряжения в узкой полосе частот. Применение высокоточного усилителя обеспечивает высокую точность и хорошую стабильность работы.

Избирательный усилитель позволяет существенно исключить влияние шумов и помех на входной сигнал, поэтому позволяет без особых искажений усиливать входящий сигнал.

Список литературы

1. Гудилин, А.Е. «Руководство к курсовому проектированию по электронным устройствам автоматики: Методические указания"/А.Е. Гудилин, О. Н. Казьмин, В. Н. Калин, А. Д. Чесноков. — Челябинск: ЧПИ, 1985. — 82с.

2. Джонсон, Д. «Справочник по активным фильтрам"/Д. Джонсон, Дж. Джонсон, Г. Мур. — М. :Энергоастомиздат, 1983.

3. Гусев, В.Г. «Электроника"/ В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. — М.: Высшая школа, 1991.

4. Хоровиц, П. «Искусство схемотехники"/П. Хоровиц, У. Хилл. — М.: Мир, 2001. — 704 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой