Методические_указания_к_КП_МЭП_v1_2

2

Введение

В современном мире необычайно широко применяются достижения электроники – электронные устройства используются и в промышленной автоматике, на производствах, в транспорте, больницах и в быту.

Современную жизнь буквально нельзя представить без компьютера, телефона,

или, например, умной бытовой техники, способной автоматизировать значительную часть хлопот по дому.

Не менее важна электроника и для сферы транспорта, особенно -

железнодорожного и метрополитена. Системы автоматики и телемеханики,

построенные на основе современных микроэлектронных и микропроцессорных устройств, имеют значительно увеличенное удобство обслуживания и надёжность работы в сравнении с прошлыми поколениям.

Что такое современное микроэлектронное устройство? Это печатная плата, изготовленная из стеклотекстолита, покрытого некоторым количеством слоёв медных дорожек, на которой размещён микропроцессор или двоичная логическая схема, генератор тактовых импульсов для них, система питания,

защищающая оборудование от перенапряжений и обеспечивающая им комфортный режим работы и, часто, аналоговая часть – например, измеритель напряжения. Такое сочетание отдельных частей единого устройства встречается достаточно часто и, вместе с тем, позволяет на одном примере изучить как разные части этого устройства, так и их взаимодействие друг с другом.

Настоящее учебное пособие служит цели научить студентов проектированию электронных устройств, имеющих стандартные и неотъемлемые части для аппаратуры автоматики – схемы питания, генератора импульсов, цифровой логической схемы и аналогового блока.

3

Задание на курсовой проект

По исходным данным, приведённым в таблицах 1 – 4, в соответствии с выданным номером варианта требуется разработать электронное устройство,

состоящее из четырёх отдельных функциональных блоков. Это устройство должно состоять из схемы питания, генератора тактовых импульсов,

цифровой части и аналоговой части. Примерная блок-схема устройства изображена на рисунке 1.

Рисунок 1. Блок-схема электронного устройства

На блок-схеме изображены четыре части устройства – схема питания,

генератор тактовых импульсов, цифровая и аналоговая схемы. Они соединены проводниками в одно целостное изделие. На разъём ХР1 подаётся напряжение

(Uвх+ и Uвх -), поступающую затем на схему питания, где оно преобразуется в требуемое (Uпит) и запитывает остальные три блока. Помимо этого, на разъём подаётся входной сигнал для цифровой и аналоговой схемы (выводы 4

и 3 соответственно) и общий вывод 5. Входов и выходов у аналоговой и

4

цифровой схемы условно указано по одному, в реальном устройстве их обычно больше.

Генератор импульсов соединён с цифровой схемой и передаёт на неё тактовые импульсы. Выходы сигналов с цифровой и аналоговой схем идут на разъём XР2.

Общая методика выполнения курсового проекта следующая:

1.Рассчитать сперва схему линейного стабилизатора напряжения, а

затем и схему импульсного преобразователя по исходным данным из таблицы 1. Привести схему и расчёты в пояснительной записке.

2.Выбрать схему генератора импульсов, удовлетворяющего условиям из таблицы 2, и рассчитать номиналы деталей для неё. Привести схему и расчёты в пояснительной записке.

3.По варианту из таблицы 3 составить схему цифрового электронного устройства, используя материал из методических указаний и текущего курса. Цифровое устройство, в зависимости от варианта,

должно представлять собой либо двоичный счётчик, считающий до определённого числа, либо схему на мультиплексоре и счётчике,

выдающую определённую двоичную посылку последовательно на выход.

4.Разработать аналогового электронное устройство, выполняющее с достаточной точностью математическую операцию, указанную в соответствии с вариантом из таблицы 4. Привести в пояснительной записке схему и расчёты номиналов деталей.

5

Таблица 1. Исходные данные для схемы питания

Таблица 2. Генератор тактовых импульсов

6

7

Таблица 4. Аналоговая схема

8

IПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Вустройствах автоматики, связи, измерительной техники и иных,

применяемых в транспортной сфере и в промышленности, как правило,

используются цифровые, аналоговые и силовые электрические схемы для приёма, обработки и передачи данных. Каждое электронное устройство должно иметь схему питания, обеспечивающую преобразование электрической энергии от внешней сети или внутренних автономных источников в питание с требуемыми параметрами: напряжением, током,

максимальной мощностью, КПД, коэффициентом пульсаций и т.п., а также – защищающими устройство от помех и импульсных перенапряжений.

В нашем случае в курсовом проекте предусмотрена разработка схемы электропитания двух типов: линейный стабилизатор и понижающий импульсный преобразователь. Выполняя одну общую функцию – обеспечивать электропитание – эти схемы обладают существенными различиями и имеют разные достоинства и недостатки. Рассмотрим их подробнее:

Понижающий импульсный преобразователь. Так называется преобразователь напряжения, предназначенный для понижения постоянного входного напряжения до требуемого уровня. Он состоит из микросхемы-

контроллера, ответственной за управление и выбор режима работы, катушки индуктивности и конденсатора, запасающих энергию и ключевых полупроводниковых элементов – диода и транзистора.

Предположим, что нужно запитать небольшую электронную плату,

потребляющую 5 В 0.4 А, от источника 12 В. Если подключить её напрямую,

то она выйдет необратимо сгорит, так как напряжение более чем в два раза больше номинального. Именно для такой ситуации применяются повышающие преобразователи – они способны принять напряжение 12 В и

9

преобразовать в 5 В, необходимое для питания платы. При этом мощность,

потребляемая схемой, сохраняется (с учётом КПД преобразования) так что потребляемый ток тоже растёт с 0.4 А до 1 А (дополнительные две десятые ампера потребляются из-за того, что КПД преобразователя не 100%).

Зависимость между входными и выходными параметрами такого преобразователя можно выразить формулой пропорции:

1. При идеальном случае (КПД преобразования равен 100%):

2. Для реального преобразователя

Где n – КПД, выраженный в %

Достоинствами импульсного преобразователя является то, что обычно импульсные преобразователи имеют некоторый диапазон допустимого входного напряжения, так что устройство будет работать даже если вместо 12

В на вход будет подаваться 9 или 15 В, а также – высокий КПД, для мощностей более пары Вт – значительно превышающий КПД линейных стабилизаторов.

Недостатками является сравнительно высокая сложность их схем и производство при работе импульсных помех, отрицательно влияющий на чувствительные аналоговые цепи.

Существует иной преобразователя напряжения – линейный

стабилизатор.

10