МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Омский государственный технический университет (ОмГТУ)

Кафедра «Автоматизированные системы обработки информации и управления»

Пояснительная записка

к курсовому проекту

по дисциплине “Электротехника и электроника”

на тему ”Аналоговый коммутатор”

Руководитель проекта

Никонов А.В.

Разработал

студент гр. АС-322

Матуся Р.А.

Омск - 2004

Содержание

Содержание 4

Реферат 7

Введение 8

Аналоговый коммутатор представляет собой коммутируемый ключ, предназначенный для подключения некоторого входного источника. В условиях данного проекта предусматривается обеспечение самокалибровки от внешней ЭВМ. Самокалибровка позволяет определить погрешность выходного сигнала. 8

Выходной сигнал устройства, так же как и входной, является аналоговым. С ЭВМ устройство сообщается по средствам импульсов, то есть результатом самокалибровки является либо 0 либо 1. В данном случае 0 будет являться положительным результатом самокалибровки (рисунок 1 а), а 1 отрицательным (рисунок 1 б). 8

Рисунок 1 – Процесс передачи сигнала от устройства на внешнюю ЭВМ 8

Устройство не обязательно должно быть подключено ко внешней ЭВМ, но при этом будет исключена возможность использования калибровки. 8

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 9

В основе устройства коммутатора будет находиться аналоговый ключ. 9

По определению аналоговый ключ представляет собой устройство, которое либо полностью передает аналоговый сигнал, либо блокирует его. На рисунке 2 изображена схема аналогового ключа на полевом транзисторе с изолированным затвором для больших напряжений. 9

9

Рисунок 2 – Аналоговый ключ на полевом транзисторе и изолированным затвором для больших напряжений 9

В данном случае не возникает такой проблемы, как в ключах на полевом транзисторе с управляющим переходом, связанной с p-n-переходом, поскольку затвор в полевом транзисторе изолирован от подложки. При этом нет необходимости в диоде, который подключается к затвору. Однако существуют p-n-переходы подложка – исток и подложка – сток. Эти p-n-переходы ни в коем случае не должны получать смещение в полярном направлении. Один из способов достижения этого заключается в том, чтобы разомкнуть подходящий к подложке проводник и оставить его в свободном состоянии. Однако поскольку подложка обычно соединена с корпусом транзистора, это приводит к повышенной чувствительности схемы к шумам. Здесь связь между подложкой и истоком производится через диод. В свою очередь подложка подключается к земляной шине через резистор 100 кОм [5]. 9

На основе подобных схем основываются интегральные микросхемы, выполняющие роль аналогового ключа, например КР590КН1, КР590КН3, КР590КТ1 (ИС на МОП транзисторах). Таким образом, экономичнее, в плане габаритов, будет использовать интегральную микросхему (со схемой управления) в качестве аналогового ключа. 10

РАСЧЕТ НА СТРУКТУРНОМ УРОВНЕ 11

Источник опорного напряжения подает сигнал на коммутатор. На выходе с коммутатора необходимо определить величину погрешности сигнала, которая не должна превышать 1,5 %. Для этого устанавливается некоторое устройство самокалибровки, которое будет проверять погрешность. В устройстве самокалибровки, предположительно, следует использовать два аналоговых компаратора, которые будут определять коридор допустимого значения для выходного сигнала (рисунок 3), компараторы должны получать сигнал от ИОН с предельной погрешностью в 1,5 %, это можно осуществить с помощью нескольких делителей напряжения. 11

Рисунок 3 – Коридор выходного напряжения 11

Далее следует определить, где находится сигнал, в коридоре или вне его, данную задачу осуществит логический элемент, проанализировав выходные данные компараторов. Сообщение от логического элемента, в виде одного бита передается на регистр и сохраняется там в регистровой памяти. Запись в регистр организуется импульсом который создает RS-триггер. 11

ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ 12

1.1.1 Аналоговый ключ 12

3.2 Источник опорного напряжения 13

Источник опорного напряжения состоит из стабилитрона и резистора. В качестве стабилитрона используется модель 2С210Ж (Iстmin=0,5 мА, Iстmax=15 мА, Icтнорм=10 мА, Uст=10 В). Схема ИОН показана на рисунке 5. 13

13

Рисунок 5 – Источник опорного напряжения 13

Определение наминала R1. 13

U=15 B 13

Uст=10 В 13

UR1=15-10=5 В (1) 13

R1=5/Iстнорм=1250 Ом (2) 13

R1=1250 Ом 13

Отсюда найдем ток цепи (I): 13

I=U/R1=15/1250=12 мА (3) 13

IRi=U/Ri (7) 14

Сопротивления R2, R3, R4, R5, R6, R7 используются в делителях напряжения. На каждый делитель подается 10 В. 14

IR2R2+IR3R3=10 В (8) 14

IR2=IR3 14

IR2=10/(R2+R3) (9) 14

I=UR2/R2 14

UR2=1 В 14

R2+R3=10R2 (10) 14

9R2=R3 – зависимость между сопротивлениями в делителе 1. 14

8,985R4=R5 – зависимость между сопротивлениями в делителе 2. 14

9,015R6=R7 – зависимость между сопротивлениями в делителе 3. 14

Таким образом: R3=R5=R7=1 кОм; R2=9 кОм; R4=8985 Ом;R6=9015 Ом. 14

IR3=I/R3; IR5=1,015/R5; IR7=0,985/R7 14

Таким образом из формулы 6 получим: 14

Iн max=3 мА 14

I=Iст+Iн max=12 мА (11) 14

Iст=12-3=9 мА (12) 14

Условия выполнены, данный стабилитрон можно использовать. 14

Блок из трех делителей напряжения позволяет использовать только один источник опорного напряжения. Первый делитель служит для подачи напряжения от ИОН на коммутирующий ключ. Второй и третий делители служат для обеспечения напряжения отличного от напряжения ИОН на ± 1,5 %. 14

3.3 Устройство самокалибровки 15

В данной случае, устройство самокалибровки следит за уровнем сигнала и передает результат наблюдения на ЭВМ. Само устройство состоит из двух компараторов и одного логического элемента, рисунок 6. 15

15

Рисунок 6 – Устройство самокалибровки 15

В качестве компараторов была выбрана интегральная микросхема К554СА3 [1]. В качестве логического элемента используется элемент И-НЕ (так же можно использовать элемент И), модель К155ЛА3 [1]. Параметры логического элемента приведены в таблице 15

3.4 Регистровая память 16

Регистровая память построена на базе ИС КР1533ИР33 [4]. Так как нам необходимо хранить 1 бит информации, то возьмем 1 регистр. Сигнал для записи формируется RS-триггером по команде программиста, рисунок 7. 16

Для доступа со стороны внешней ЭВМ используется сигнал чтения, который подается на вход 0E. 16

16

Рисунок 7 – Регистр и RS-триггер 16

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 17

Проведем моделирование коммутирующего ключа с помощью пакета для моделирования Micro-Cap 7.1.0, используя схему, приведенную на рисунке 8. 17

17

Рисунок 8 – Схема для моделирования 17

Параметры синусоидального источника сигнала (V8) приведены на рисунке 9. 17

17

Рисунок 9 – Параметры источника V8 17

Генератор переменного напряжения передает напряжение на ключ. Ключ имеет допустимое сопротивление 200 Ом 17

Под действием импульсного генератора (V1) ключ замыкается на 0,4 секунды, рисунок 10. 17

18

Рисунок 10 – График выходных сигналов узлов 2 и 3 18

Выходной сигнал узла 2 (U(2)=0,985) отличается от сигнала узла 1 (U(1)=0,995) на верхней границе (рисунок 11). 18

18

Рисунок 11 – График выходного напряжения узлов 1 и 2 (увеличенный) 18

Определим погрешность на верхней границе графика выходного напряжения узлов 1 и 2: 18

=(0,995-0,985)100 %=1 %. 18

Таким образом погрешность не превышает допустимого значения в 1,5 % процента. 18

5 АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК 19

Путем моделирования, в разделе 4, была определена погрешность входного сигнала при прохождении его через ключ с переменным током частотой 20 кГц. 19

Для исследования погрешности преобразования проанализируем работу устройства при постоянном и переменном токе. 19

1 При постоянном токе(Rн=20 кОм, Rг=100 Ом, Rкл=200 Ом): 19

K=Rн/(Rг+Rкл+Rн) (13) 19

K=20000/20300=0,98522 19

2 При переменном токе (f=20 кГц, C=10 пФ): 19

Xс=1/2fС (14) 19

Xc=796 кОм 19

Rэкв=RнXс/(Rн+Xc) (15) 19

Rэкв=19510 Ом 19

K=Rэкв/Rэкв+Rг+Rкл (16) 19

K=0,98585 19

При работе в режиме постоянного тока погрешность =1,478 %, при работе в режиме переменного тока с частотой 20 кГц погрешность =1,415 %. Расчеты показали, что устройство соответствует требованиям технического задания задания относительно погрешности (см. подраздел 3.1.10 технического задания). 19

Список использованных источников 20