Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный университет»

ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Методические указания

Для выполнения курсовой работы и практических занятий СРС

Омск 2009-02-18

Составитель: А.Д. Артемов

1. Крсовая работа

Целью курсовой работы является применение теоретических знаний, полученных при изучении курса общая электротехника и электроника.

Тематика курсовых работ.

• Расчет схем на биполярных транзисторах ОЭ, ОК, ТК:

• Расчет активных фильтров на ОУ (ФНЧ, ФВЧ, ФП):

• Разработка принципиальных электрических схем на цифровых микросхемах серии ТТЛ.

Содержание работ, выполняемых в курсовой работе:

• Разработка в соответствии с заданием принципиальной электрической схемы;

• Расчёт элементов принципиальной электрической схемы.

Проект состоит из пояснительной записки и графической части принципиальной электрической схемы на цифровых микросхемах ТТЛ КР1533 и перечня элементов.

1. Графическая часть проекта

Графическая часть проекта для принципиальной электрической схемы на цифровых микросхемах выполняется на формате А3, перечень элементов на формате А4.

На листах формата А4 должны быть представлены виртуальная модель разработанной принципиальной электрической схемы ввода – вывода в программе Multisim 8 – 10 и временные диаграммы, полученные на логическом анализаторе программы.

листе должны быть показаны таблица подключения выводов питания микросхем ,пример которой показан на рис. 1, а также низкочастотный и высокочастотный фильтры по питанию (рис. 2).

Перечень элементов принципиальной электрической схемы представляется как отдельный документ в приложении к ПЗ. На рис. приведён пример принципиальной электрической схемы устройства ввода – вывода управляющих сигналов.

Позиционное обозначение микросхем	UCC , 5 В	GND
DD1, DD3, DD5, DD7	14	7
DD2, DD4, DD8 – DD10	20	10

Рис.1

1.2 Расчетная часть проекта.

1.2.1 Примеры расчётов заданий к таблицам 1 – 6.

Задание 1.

Разработка электрических схем усилителей на биполярных транзисторах

Пример1 (таб.1)

Разработать усилитель на биполярном транзисторе в схеме с общим эиттером по схеме рис.2.

Рис. 2

Исходные данные согласно вариантам таб.1.

№ п/п	Ус - ль	Тр - р	FFH, Гц	IK ,mA	H21Э	UП , В
#	ОЭ	2N3905	20	3	150	9

Усилитель имеет входное сопротивление R_g = 3 кОм и обеспечивает эффективное значение выходного напряжения не менее 2 В эфф. на нагрузке 30 кОм.

В цепь эммитера включен резистор R_Э, через который осуществляется отрицательная обратная связь (ООС) по току, обеспечивающая высокую термостабильность.

Для эффективной термостабилизации рабочей точки падение напряжения на резисторе R_Э выбирают 1 – 2 В. Применение базового делителя на резисторах R1, R2 позволяют рассчитать положение рабочей точки транзистора без подбора его h_21Э (при расчете базового делителя ориентируются на минимальное значение h₂₁ (для выбранного транзистора).

• Определяем напряжение на коллекторе U_КЭ: U_КЭ = 0,5U_П.

• Находим R_K = U_КЭ / I_K.

• Задаемся падением напряжения на резисторе R_Э = 2В. Тогда R_Э / I_K.

• Определяем ток базы: I_Б = I_K / h_21Э.

• Выбираем ток делителя напряжения через резисторы R1. R2: I_D = I_Б×10.

• Определяем потенциал на U_Б = U_Э + 0,6.

• Находим R1: R1 = (U_П – U_Б) / I_D.

• Находим R2: R2 = U_Б / I_D.

• Находим R_ВХ : R_ВХ = r_БЭ II R1 II R2. r_БЭ =( h_21Э × U_T) / I_K; U_T = 26 mV.

• Находим R_ВЫХ : R_ВЫХ = R_K II r_CE; r_CE = U_Y / I_K; U_Y = 80 – 200 B.

• Находим коэффициент усиления К_U: K_U = R_K II r_CE.

• Определяем ёмкость конденсаторов С1, С2, С3. Значение определяется по нижней частоте F_FH – минимальной частоте. Поскольку схема содержит 3 фильтра верхних частот, то нужно выбрать частоту среза в пределах до f_МИН. f_МИН = F_FH /.

С1 = 1 / (2πf_МИН(R_g + R_ВХ)).

С2 = I_K×2πf_МИНU_T.

C3 = 1 / 2πf_МИН(R_ВХ + R1).

Перечень элементов

Поз. Обозначе-ние	Наименование	Кол.	Примечание
С1	Конденсатор К10 – 17 – 2Б 0,01 мкФ	1
С2	Конденсатор К50 – 53 – 16 мкФ – 16 В	1
С3	Конденсатор К10 – 17 – 2Б 0, 056 мкФ	1
R1	Резистор С1 – 4 0,125 Вт 27 кОм 5 %	1
VT1	Транзистор 2N3905	1

Пример 2 (таб.2)

Разработать усилитель с общим коллектором (эмиттерный повторитель) по схеме рис.3

Рис. 3

Исходные данные согласно вариантам таб. 2.

Таблица 2

№ п/п	Тип усилителя	Тр - р	IЭ , mA	h21Э	FLH , Гц	UП, В
#	ОК (ЭП)	2N3905	1,5	120	20	12

Усилитель имеет входное сопротивление R_g = 30 кОм.

• Выбираем U_Э. Для получения симметричного сигнала без среза необходимо, чтобы выполнялось условие U_Э = 0,5 U_П.

• Выбор резистора R_Э. Ток покоя составляет I_Э. R_Э = U_Э / I_Э.

• Выбираем I_D = I_Э / 10.

• Находим R1: R1 = (U_П – U_Б) / I_D. U_Б = U_Э + 0,6.

• Находим R2: R2 = U_Б / I_Э.

• Находим R_ВХ: R_ВХ = h_21Э × R_Э.

• Находим R_ВЫХ: R_ВЫХ = U_T / I_Э.

• /Находим коэффициент усиления К_U: K_U = h_21Э / (1 + h_21Э).

• Определяем ёмкости конденсаторов С1, С2. Значение определяется по нижней частоте F_FH – минимальной частоте. Поскольку схема содержит 2 фильтра верхних частот, то нужно выбрать частоту среза в пределах до f_МИН. f_МИН = F_FH / . С1 = 1/ (2πf_МИН(R_g + R_ВХ)).

C2 = 1 / 2πf_МИН(R_ВХ + R1).

Перечень элементов

Поз. Обозначе-ние	Наименование	Кол.	Примечание
С1	Конденсатор К10 – 17 – 2Б 0,01 мкФ	1
С2	Конденсатор К10 – 17 – 2Б 0, 056 мкФ	1
R1	Резистор С1 – 4 0,125 Вт 27 кОм 5 %	1
VT1	Транзистор 2N3905	1

Пример 3 (таб.3)

Рассчитать параметры транзисторного ключа на биполярном транзисторе рис.4, переходную характеристику t_ЗД , t_Ф , t_РАС , t_СП и изобразить переходные процессы при прямоугольном входном сигнале .

Рис. 4

Входное напряжение U_Б = 2,4 В. С_ЭК = С_Э + С_К , С_Э = С_К. Построить переходную характеристику в ключе с ОЭ.

Исходные данные согласно вариантам таб. 3.

Таблица 3

№ п/п	Усилитель	Тип тр – ра	IK , mA	h21Э	fГР , МГц C Э пФ UП В
#	ТК	2N3905	20	150	150 5 10

Найдём параметры входной цепи транзистора, обеспечивающие включенное состояние транзистора.

• Определяем напряжение U_KK: U_KK = 0,5 U_П.

• Определяем R_K : R_K = U_KK / I_K.

• Определяем I_К.НАС: I_К.НАС = U_П / R_KK.

• Определяем I_Б.НАС : I_Б.НАС = (I_К.НАС / h_21Э)q; q – коэффициент насыщения 1,5.

• Находим сопротивление управляющего резистора R_Б, обеспечивающего включение транзистора R_Б.

R_Б = (U_Б – U_БЭ) / I_Б.НАС; U_БЭ = 0,6 В.

• Определяем t_ВКЛ = t_ЗД + t_Ф.

t_ЗД = τ_ЗДln(U_Б /(U_Б –U_Б.Э); τ_ЗД = R_Б(С_К + С_Э).

t_Ф = τln(h_21Э I_БНАС / (h_21Э I_БНАС – I_К.НАС); τ = 1 / 2π×f_ГР

• Определяем t_ВЫК = t_РАС + t_СП.

T_РАС = τ ln((q_НАС + 1) /2).

T_СП = τ ln(I_К.НАС/h_21Э )/I_Б

Перечень элементов

Поз. Обозначе-ние	Наименование	Кол.	Примечание
R1	Резистор С1 – 4 0,125 Вт 22 кОм 5 %	1
R2	Резистор С1 – 4 0,125 Вт 3,3 кОм 5 %	1
VT1	Транзистор 2N3905	1

Рис. 5 Переходные характеристики в ключ

Задание 2

Разработка активных фильтров на ОУ

Пример 4 (таб. 4)

Рассчитать активный фильтр низкой частоты (ФНЧ) по схеме на рис. 6 со следующими параметрами согласно таб. 4: полоса пропускания 0…20 Гц, коэффициент усиления в диапазоне рабочих частот 100.

Рис. 6

Решение.

• Верхняя круговая частота полосы пропускания равна ω_В = 2πf_В = 2π20 = 40π.

• Для реализации решения используем операционный усилитель К140УД22 с параметрами К_UO = 510⁴ , Т_ОУ = !,5910^–3 с. Определим требуемый коэффициент передачи цепи ООС по постоянному току

К_{U OOC} = К_УО / (1+ К _UOК_Ч) или

К_Ч = (К_UO – K_{U OOC})/(K_{U OOC}K_UO) = (510⁴ – 100)/(510⁴ ×100) = 9,98•10^–4

• Найдем требуемую постоянную времени

Т_ООС2 = !/ ω_B = 1/ 40π = 7,96•10^–3 c.

• Согласно передаточной функции (1*. 8.54) для выбранной схемы рис.6 имеем

Т_Ч1>Т_Ч2 и К_UO×К_Ч = 499>1. Тогда с достаточной точностью можно полагать, что Т_ООС2 =R_OC1×C_OC Допустим R_OC1 = 1 кОм. Тогда R_OOC = K_UOR_OC1 = 100 кОм; С_ОС = Т_ООС2/R_OOC = 7,96•10^–3/(100•10³) = 7,96•10^–8Ф = 79,6 нФ.

Принимаем из ряда конденсаторов таб. 75 нФ.

Рис.7 ЛАЧХ ФНЧ

Поз. Обозначе-ние	Наименование	Кол.	Примечание
С1	Конденсатор К10 – 17 – 2Б 0,01 мкФ	1
R1	Резистор С1 – 4 0,125 1 кОм	1
DA1	КР 140 УД 22	1

* № источника литературы

Пример 5 (таб.5)

Рассчитать фильтр высокой частоты (ФВЧ) по схеме рис. 8, используя ОУ К140УД20 с коэффициентом передачи К_U = 50 нижней полосой пропускания f_H =500 Гц, Т_ОУ = 15,9•10^–3с, K_UO = 5•10⁴.

Рис.8

Решение.

• Нижняя круговая частота полосы пропускания ω_Н = 2πf_H = 2π×C500 = 1•10³π.

• Коэффициент передачи цепи ООС по высокой частоте

b_OC = R_OC1/(R_OC1+ R_OC2) = (K_UO – K_U)/(K_UO×K_U) = (3•10⁴ – 50)/(3•10⁴×50) = 19,96•10^–3.

• Для цепи ООС согласно (1*. 8.55) имеем Т_Ч1<Т_Ч2 однако К_UO>1 и можно считать Т_ООС Т_Ч1 = R_OC1 × C_OC. Принимая R_OC1 = 2,4 кОм, тогда

• С_ОС =1/(R_OCC×ω_H) = 1/(2,4•10³×10³π) = 0,13 мкФ.

• Определяем сопротивление резистора R_OCC :

K_U = 1 + R_OCC/R_OC1 или R_OCC = (K_U – 1)R_OC1

R_OCC = (50 –1)×2,4•10³ = 1176 кОм

• ЛАЧХ идеального фильтра высокой частоты после ω = ω_Н должна иметь постоянный коэффициент передачи до частоты ω =. Однако в реальной схеме из – за неидеальности ОУ, начиная с некоторой частоты ЛАЧХ будет иметь асмптоту с наклоном – 20 дБ/дек. Поэтому, строго говоря фильтр на рис.6 является не фильтром высокой частоты, а полосовым фильтром. В рассматриваемом случае Т_В=Т_ОУ/(1+K_UOb_OC) = 1,59•10^–3/(1 + 5•10⁴×19,96•10^–3) = 1,59•10^–5c.

F_B = 1/2πT_B = 1/2π×1,59•10^–5 = 10,0 кГц.

Таким образом, полоса пропускания спроектированного фильтра лежит в диапазоне от 500 Гц до 10 кГц.

Рис. 9 ЛАЧХ ФВЧ

Поз. Обозначе-ние	Наименование	Кол.	Примечание
С1	Конденсатор К10 – 17 – 2Б 0,01 мкФ	1
R1	Резистор С1 – 4 0,125 1 кОм	1
DA1	КР 140 УД 20	1

Пример 6 (таб.6)

Рассчитать фильтр полосовой (ФП) второго порядка по схеме рис. 10, используя ОУ К140УД20 F_МИН 105 Гц, F_МАК 145 Гц, коэффициент передачи на резонансной частоте А_U – 5. r

Рис. 10

Решение.

• Добротность Q = f_P/B = f_P/(F_МАК – F_МИН); f_P = .

• Задаемся произвольным значением емкости конденсатора С = 1мкФ (С = С1 = С2). Тогда из формулы ( 8*13.32) получим R2 = Q/πf_PC =

• Из формулы (8*13.31) R1 = R3/(–2A_U) =

• Значение R3 получим из (8*13.30 R3 = –A_UR1(2Q² + A_U} =

Рис.11 ЛАЧХ ФП

Поз. Обозначе-ние	Наименование	Кол.	Примечание
С1	Конденсатор К10 – 17 – 2Б 0,01 мкФ	1
R1	Резистор С1 – 4 0,125 1 кОм	1
DA1	КР 140 УД 20	1

Задание 3.

Разработка принципиальной электрической схемы на цифровых микросхемах КР1533.

Пример 7

Разработать принципиальную электрическую схему на цифровых элементах серии КР1533 согласно задания таб.1 приложения 1 и произвести моделирование, указанной схемы в виртуальной программе Multisim 8 … 10. Произвести расчет элементов.

Таблица 1

№ задания	Наименование микросхем КР1533					Тип LCD	UПР, В	IПР, mA
#	ЛА3	ТМ8	ИЕ9	ИР8	КП19	АЛ102	1,4	5

Описание функционирования микросхем и их характеристики: I_ПОТ, , , , .

3.1 Произвести электронное моделирование принципиальной электрической схемы ввода – вывода из микросхем таб.1. Изобразить электронную модель в Multisim и временную диаграмму, полученную при помощи логического анализатора - Logic Anaiyzer.

3.2 Изобразить принципиальную электрическую схему ввода – вывода (Э3) в соответствии электронной модели на формате А3, используя при изображении микросхем и элементов условные графические изображения (УГО) по ЕСКД приложение 2. Описать работу схемы ввода – вывода.

3.3 Привести перечень используемых элементов в схеме на отдельном листе формата А4 (перечень элементов ПЭ3).

Приложение 1

Рис. 3.1

Приложение 2

Рис. 3.2

Приложение 3

Рис. 3.3

Примеры расчетов элементов схемы.

3.4 Расчет ограничивающих резисторов.

Рис. 3.4

Рис. 3.5

R_ОГ = , (3.1)

расчет R_ОГ для рис. 3.1 при напряжении U .

R_ОГ = , (3.2)

расчет R_ОГ для рис.3.2 при напряжении U.

Где U_ПИТ -- напряжение питания 5 В; U_ПР – (см. табл.) напряжение падения на светодиоде оптопары; U - напряжение падения на выходном транзисторе «ОК» -- 0,4 В; I_ПР – (см. табл) прямой ток через светодиод. Значение резистора выбирается из ближайшего номинала рядов Е12 , Е24 или Е48 таблица 3.1

3.5 Расчет мощности рассеивания на резисторе

P = I² 10^—3R , Вт; где R – номинал резистора из ряда Е12, Е24.

3.6 Расчет фильтров НЧ и ВЧ

Рис. 3.6

3.7 Расчет конденсаторов фильтра питания

Расчёт фильтра питания НЧ и ВЧ производится по уравнению резонанса

U_П R_Н = , (3.3)

где U_П – напряжение питания 5 В (U_CC), R_H – сопротивление нагрузки Ом.

R_H = , (3.4)

I_ПОТ A ( 10^—3 mA ) суммарный ток потребления микросхем и излучающих LCD (оптоэлектронных или твердотельных реле).

F_ВЧ - частота 210⁴ Гц для фильтра высокой частоты (ВЧ), f _НЧ 510 Гц для фильтра низкой частоты (НЧ).

С_ВЧ = нФ, (3.5)

С_НЧ = мкФ. (3.6)

Перечень элементов ПЭ3

Поз. Обозначе-ние	Наименование	Кол.	Примечание
С1 – С3	Конденсатор К10 – 17 – 2Б 0,01 мкФ	1
С4	Конденсатор К50 – 35 – 33 мкФ 16 В	1
R1	Резистор С1 – 4 0,125 Вт 27 кОм 5 %	1
DD1	Микросхема КР1533 ЛА3	1
DD2	Микросхема КР 1533 КП2	1

Номинальные значения резисторов и конденсаторов выбираются по коэффициентам рядов; резисторы ряды Е12, Е24, Е48 таблица 3.1; конденсаторы ряд Е12 таблица 3.2.

Номинальные ряды коэффициентов значений сопротивлений резисторов

Таблица 3.1

1				1,2				1,5				Е12 ± 10%
1,0		1,1		1,2		1,3		1,5		1,6		Е24 ± 5%
100	105	110	115	121	127	133	140	147	154	162	169	Е48 ± 2%
1,8				2,2				2,7				Е12 ± 10%
1,8		2,0		2,2		2,4		2,7		3,0		Е24 ± 5%
178	187	196	205	215	226	237	249	261	274	287	301	Е48 ± 2%
3,3				3,9				4,7				Е12 ± 10%
3,3		3,6		3,9		4,3		4,7		5,1		Е24 ± 5%
316	332	348	365	383	402	422	442	464	487	511	536	Е48 ± 2%
5,6				6,8				8,2				Е12 ± 10%
5,6		6,2		6,8		7,2		8,2		9,1		Е24 ± 5%
562	590	619	649	681	715	750	787	825	866	909	953	Е48 ± 2%

Сопротивление резистора получают умножением числа из стандартного ряда на 10ⁿ , где n – целое положительное или отрицательное число.

Ряд Е12 номинальных значений коэффициентов конденсаторов

Таблица 3.2

1,0	1,2	1,5	1,8	2,0	2,7	нФ (1*10 – 9) Ф
3,3	3,9	4,7	5,6	6,8	8,2
10	12	15	18	20	27
33	39	47	56	68	82
0,1	0,12	0,15	0,18	0,2	0,27	мкФ (1*10 – 6) Ф
0,33	0,39	0,47	0,56	0,68	0,82
1,0	1.2	1,5	1,8	2,0	2,7
3,3	3,9	4,7	5,6	6,8	8,2

Список используемой литературы

1. Ю.Ф. Опадчий и др. Аналоговая и цифровая электроника. М. «Горячая Линия – Телеком» 2002 г.

2. ГОСТ 71 – 84. Библиографическое описание документа. М. Издательство стандартов 2000 г.

3. С.Т. Усаченко. Выполнение электрических схем по ЕСКД. Издательство стандартов. М. 1989 г.

4. В.Л. 19ило. Популярные цифровые микросхемы. Изд – во «Радио и связь» М. 1987 г.

5. Логические интегральные микросхемы КР1533. Справочник. И.И. Петровский.

М. 1993 г.

6. С.А. Бирюков. Применение цифровых микросхем серий ТТЛ и КМОП. ДМК М. 2000 г.

7. Ю.А. Быстров, И.Г. Мироненко. Электронные цепи и устройства. М. «Высшая школа» 1989 г.

8. У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М. «Мир» 1982 г.

9. П.Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М. «Мир» 1993 г.

10. В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. Электроника и микропроцессорная техника. М. «Высшая школа» 2006 г.

Содержание