Введение
Целью настоящего курсового проекта является разработка электронного функционального устройства реализующего заданную передаточную функцию.
Разработка устройства включает в себя проектирование принципиальной электрической схемы, разводку печатной платы, расчёт области нормальной работы и расчёт показателей надёжности.
Дополнительно к разработанному устройству составляется инструкция по эксплуатации.
Данные на курсовое проектирование
При курсовом проектировании следует разработать электронное функциональное устройство реализующее переставленный на рисунке 1.1 закон передачи.
Рисунок 1.1 – Структурная схема устройства
Требования к разработке:
1. Разрабатываемое функциональное электронное устройство должно реализовывать заданные передаточные функции с максимально возможной точностью в широком частотном диапазоне (150…510Гц).
2. Устройство должно быть реализовано на элементах отечественного производства, общепромышленного назначения. Входные и выходные сигналы должны соответствовать требованиям ГСП
3. Устройство должно быть выполнено на печатной плате с краевым разъемом. Блок питания находиться вне устройства и не разрабатывается.
4. Каждому элемент у структурной схемы соответствует 1 операционный усилитель. Устройство должно иметь 2 параметра настройки и 2 органа настройки. Органы настройки выполняются на резисторах. Все функциональные конденсаторы принять равными 1 мкФ.
5. Устройство должно иметь выходной каскад - ограничитель выходного напряжения. Уровень напряжения может настраиваться.
6. Рассчитать область нормальной работы устройства.
7. Графическая часть должна содержать:
1. Принципиальную схему устройства
2. Печатная плата.
3. Сборочный чертеж.
Разработка принципиальной схемы
Указанный в задании закон может быть реализован на операционном усилителе по схеме представленной на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Принципиальная схема звена, реализованного на операционных усилителях
Идеальная передаточная функция такого звена имеет вид
 , (2.1)
где
 ;  ; 
Таким образом, при фиксированном значении номинала конденсатора C1 (1 мкФ) функциональное устройство имеет два параметра настройки: коэффициент усиления (R1) и постоянная времени (R3).
Статический и динамический расчет
Формирующее устройство на операционном усилителе показано на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 – Формирующее устройство на операционном усилителе
Идеальная передаточная функция формирующего устройства на операционном усилителе при условиях
 ;
 ;
имеет вид
 .
Реальная передаточная функция формирующего устройства на операционном усилителе
 .
Реальная передаточная функция найдена путем решения системы уравнений, составленных по закону Кирхгофа
 (3.1)
Исключая ненужные переменные токи
 ;
 (3.2)
Если устремить  и  к бесконечности, то мы придем к выводу, что переходная функция совпадает с переходной функцией для идеального варианта.
Следовательно, необходимо выбрать операционный усилитель с как можно большим коэффициентом усиления и входным сопротивлением.
Реальное комплексное сопротивление утечки конденсатора имеет вид
 .
где  .
Для структурной схемы, приведенной на рисунке 1.1, идеальная передаточная функция имеет вид
 .
Реальная передаточная функция реального дифференцирующего звена
 ; (3.3)
 ; (3.4)
 ; (3.5)
Подставив (3.4), (3.5) в (3.2) имеем передаточную функцию реального звена
 . (3.6)
Выбор электронных элементов схемы и конструирование печатной платы
Выбор элементов
Операционный усилитель
В качестве операционного усилителя выбрана микросхема КР1446УД14 обладающая следующими параметрами:
Входное сопротивление () – 1000 мОм.
Напряжение питания – 15 В 10%
Напряжение смещения – 10 мВ.
Тип корпуса – DIP 201.14-2 (19×6,6 мм).
 
Рисунок 4.1 – корпус КР1446УД14
Рисунок 4.2 – распределение выводов
Конденсаторы
В качестве конденсатора C1 выбран металлобумажный конденсатор типа C-K-50-80 обладающий большим сопротивлением утечки ( )1 000 000 Ом;
Резисторы
В качестве переменных резисторов применены резисторы типа СП3-18a.
В качестве постоянного резистора выбран малогабаритный резистор с мощностью рассеивания 0,25 Вт (P1-28).
Описание принципиальной электрической схемы
Принципиальная электрическая схема разработанного электронного функционального устройства приведена на листе КАПП.220201.108.Э3 курсового проекта.
Операционный усилитель DA1,DA2,DA3 совместно с элементами C1,R1,R2,R3,R4,R5 образует смешанное звено с заданным видом передаточной функции. При этом подстроечные резисторы R1 и R3 позволяют настраивать, соответственно, постоянную времени и коэффициент усиления звена.
Подключение разработанного функционального устройства выполняется через концевой разъём XC1.
Печатная плата
Чертёж печатной платы устройства и сборочный чертёж приведены на листах КАПП.220201.108 и КАПП.220201.108.СБ данного курсового проекта.
Расчёт надёжности проектируемого устройства
Расчёт надёжности проектируемого устройства сводится к определению вероятности безотказной, среднего времени безотказной работы и интенсивности отказа. Вероятность безотказной работы устройства за 1000 часов определена при условии, что закон распределения экспоненциальный, а интенсивность отказов элементов, входящих в устройство, соответствует значениям приведённым в таблице 5.1.
 
Среднее время безотказной работы устройства
  На рисунке 5.1 показана плотность вероятности безотказной работы комплекта.
Рисунок 5.1 – График зависимости вероятности безотказной работы от времени
Расчет области нормальной работы устройства
Расчет АЧХ и ФЧХ реальной и идеальной систем с параметрами R1 и R3
Расчет будем вести используя параметры:
R3=10000 Ом
R1=50000 Ом
С= 0,000001 Ф
Rвх= 1000000 Ом
Коу= 30000
Рисунок 6.1 – График амплитудно-частотной характеристики идеального и реального устройства.
Рисунок 6.1 – График фазово-частотной характеристики идеального и реального устройства.
 -область нормальной работы найденная по АЧХ
 -область нормальной работы найденная по ФЧХ
Область нормальной работы устройства начинается с 
Инструкция по эксплуатации
Общие сведения
Разработанное функциональное электронное устройство представляет собой реальное дифференциальное звено.
Прибор предназначен для использования лабораторных и производственных условиях.
Хранение устройства
Длительное хранение устройства должно осуществляться в отапливаемых, хорошо вентилируемых помещениях при температуре от плюс 10 °С до плюс 55 °С, и относительной влажности не более 80%. В воздухе помещений не должно быть пыли, а также газов и паров, вызывающих коррозию.
Условия эксплуатации
Устройство рассчитано на работу при температуре от минус 10 °С до плюс 50 °С и относительной влажности до 80%.
Монтаж устройства
Установка собранного и предварительно отлаженного устройства производится при отключённом напряжении питания. Устройство крепится в требуемом месте на 4-х винтах.
Настройка устройства
Переменным резистором R1 установить требуемый коэффициент усиления устройства, а переменным резистором R3 – постоянную времени дифференцирования.
Заключение
Полученное устройство можно применять в качестве регулятора с настраиваемыми параметрами Т и К.
В данной работе были изучены возможные схемы использования операционных усилителей, а также получение с помощью них стандартных звеньев.
|