Файл: 3371. 202109. 000 Пз (обозначение документа) Группа Фамилия, И., О. Подпись Дата Оценка эн412 Студент Загитуллин А. А. Консультант Мирина Т. В. Принял Мирина Т. В. Уфа 2022.pdf

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего образования
Уфимский государственный авиационный технический университет
Кафедра электронной инженерии
100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 90 80 70 60 50 40 30 20 10
Разработка электронно-измерительного устройства
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
3371.202109.000 ПЗ
(обозначение документа)
Группа
Фамилия, И., О.
Подпись
Дата
Оценка
ЭН-412
Студент
Загитуллин А.А.
Консультант
Мирина Т.В.
Принял
Мирина Т.В.
Уфа 2022
к курсовому проекту по дисциплине
«Схемотехника»

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
2 3371.202109.000 ПЗ
Разраб
.
Загитуллин
А.А.
Провер.
Мирина
Т.В.
Реценз
Н. Контр.
Утверд.
Проектирование электронно- измерительного устройства
Лит.
Листов
УУНиТ ЭН-412
СОДЕРЖАНИЕ
1
Введение ............................................................................................................ 4
2
Описание
структурной
схемы
разработанного
электронного
устройства ............................................................................................................... 6
3
Разработка блока измерительного усилителя напряжения ................... 8
3.1
Проектирование и расчет входной части .............................................. 8 3.2
Проектирование и расчет промежуточной части ............................... 12 3.3
Проектирование и расчет выходной части измерительного усилителя
………………………………………………………………………….17 3.4
Расчет фильтров высоких частот и нижних частот ........................... 20
4
Проектирование логического блока устройства коммутации ............ 22
4.1
Проектирование и расчет логического блока устройства коммутации
………………………………………………………………………….22
5
Проектирование электронного аналогового ключа .............................. 24
5.1
Преобразователь формы сигнала ......................................................... 26 5.2
Проектирование генератора импульсов образцовой частоты .......... 28 5.3
Проектирование схемы управления циклом счета ............................ 28 5.4
Проектирование блока индикации ...................................................... 31
6
Проектирование блока питания ................................................................ 31
7
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................. 36
8
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................... 37
Приложение 1 Операционный усилитель ...................................................... 38
Приложение 2 Логический элемент 2И .......................................................... 40
Приложение 3 Логический элемент 2ИЛИ .................................................... 42
Приложение 4 Логический элемент НЕ .......................................................... 44
Приложение 5 Аналоговый ключ DG444 ....................................................... 46
Приложение 6 Триггер Шмитта ....................................................................... 47
Приложение 7 Диод 1N4001 ............................................................................... 49
Приложение 8 Кварцевый генератор .............................................................. 50

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
3 3371.202109.000 ПЗ
Приложение 9 Двоично-десятичный счетчик К555ИЕ5 ............................. 52
Приложение 10 Логический элемент 3ИЛИ-НЕ ........................................... 54
Приложение 11 Счетчик-дешифратор ............................................................ 55
Приложение 12 Цифровой семисегментный индикатор ............................. 57
Приложение 13 Трансформатор ....................................................................... 58
Приложение 14 Плавкий предохранитель ..................................................... 60
Приложение 15 Стабилизатор напряжения КР142ЕН9Ж........................... 61
Приложение 16 Стабилизатор напряжения AMSR-7805Z .......................... 62
Приложение 17 Стабилизатор напряжения KIA7815API-U/PF ................. 63
Приложение 18 Диодный мост.......................................................................... 64
Приложение 19 Кнопка с фиксацией .............................................................. 65
Приложение 20 Разъем DPBS-9F-BRJ ............................................................. 66
Приложение 21 Разъем DS1033-06M ................................................................ 67
Приложение 22 Логический элемент 2 И-Не ................................................. 68

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
4 3371.202109.000 ПЗ
1 Введение
Операционный усилитель (ОУ) — это усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью.
При проектировании различных аналоговых электронных устройств возможно применение разнообразных подходов к конструированию и расчету узлов. При этом требуемые по заданию технические и точностные характеристики могут быть получены при использовании различных структурных схем и аналогичных элементов в разных схемах.
Основной тенденцией в проектировании современных электронных устройств является широкое использование типовых электронных функциональных микроузлов - интегральных микросхем. Когда заданные в технических условиях параметры и характеристики невозможно обеспечить с помощью интегральных микросхем, следует дополнить их схемами, выполненными на дискретных компонентах.

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
5 3371.202109.000 ПЗ
Технические характеристики
Входное напряжение, мВ
3.2
Входное сопротивление в полосе рабочих частот, кОм
80
Погрешность входного сопротивления, не более, %
4
Нижняя граница диапазона частот усилителя, Гц
600
Верхняя граница диапазона частот усилителя, Гц
9000
Выходное напряжение, В
17.6
Погрешность коэффициента усиления в полосе рабочих частот, не более, %
4
Максимально допустимое выходное сопротивление усилителя, Ом
10
Напряжения смещения ОУ, не более, мВ
1.6
Минимальное сопротивление нагрузки, кОм
30
Рабочий диапазон температур, °С
10-50
Разрядность цифрового индикатора частоты
4
Время измерения частоты, с
1
Время индикации частоты, с
8
Логическое уравнение
a*(b+c)*(b+a)*d
Уровни напряжений a, b, c, d, В
5,14,27,15

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
6 3371.202109.000 ПЗ
2 Описание структурной схемы разработанного электронного
устройства
Проектируемый прибор состоит из основных частей:
-Блок измерительного усилителя, состоящий из:
1) Входной части
2) Промежуточной части фильтров
3) Выходной части
-Электронный аналоговый ключ;
-Логический блок;
-Частотомер;
-Устройство управления и индикации;
-Блок питания;
Рисунок 1 - Структурная схема электронно-измерительного устройства
На вход устройства подается аналоговый сигнал синусоидального вида, напряжение которого усиливается в 5500 раз в определенном диапазоне частот. Далее этот сигнал с выхода блока измерительного усилителя поступает на вход электронного ключа.

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
7 3371.202109.000 ПЗ
Электронный аналоговый ключ коммутирует сигнал на выход «Вых. 1» или выход «Вых. 2» в зависимости от состояния выхода логического блока: при выполнении логического уравнения напряжение, поступаемое с выхода измерительного усилителя, через устройство коммутации должно подключаться к выходу «Вых. 1», а при невыполнении – к выходу «Вых. 2».
На вход логического блока подаются сигналы: a; b; c; d; в зависимости, от которых решается логическое уравнение и на выходе логического блока формируется уровень лог. 0 или лог. 1.
Частотомер, подключенный к выходу блока измерительного усилителя, измеряет частоту усиливаемого сигнала, преобразуя синусоидальный сигнал в прямоугольные импульсы. Далее этот сигнал поступает на блок индикации.
Блок питания обеспечивает проектируемое электронное устройство необходимыми напряжениями питания.

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
8 3371.202109.000 ПЗ
3 Разработка блока измерительного усилителя напряжения
Рисунок 3 – полная схема аналоговой части устройства
Блок измерительного усилителя состоит из трех частей: входной каскад, который будет обеспечивать требуемые входные характеристики, необходимое усиление, и согласовывать с источником сигнала.
Промежуточной часть, которая будет обеспечивать пропускание сигнала в определенной полосе частот. Выходной каскад, который будет задавать требуемые выходные характеристики, и согласовывать с нагрузкой.
Каждая из частей имеет свой коэффициент усиления (с погрешностью, не больше указанной в ТЗ).
Общий коэффициент усиления блока измерительного усилителя определяется согласно формуле:
????
????
= ????
вх
∙ ????
пр1
∙ ????
пр2
∙ ????
пр3
∙ ????
вых
=
????
вых
????
вх
=
17.6 3.2 ∙ 10
−3
= 5500
Выберем следующие значения коэффициента усиления для различных частей усилителя:
????
вх
= 5; ????
пр1
= 10; ????
пр2
= 2; ????
пр3
= 11; ????
вых
= 5
3.1 Проектирование и расчет входной части
Для реализации входной части измерительного усилителя в соответствии с техническим заданием был выбран усилитель DA1 OPA37
(Приложение 1). Используем неинвертирующее включение ОУ т.к по

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
9 3371.202109.000 ПЗ техническому заданию задано большое входное сопротивление ????
вх
=
80кОм.
Рисунок 4 - Входной усилитель, схема неинвертирующая
Коэффициент усиления входной части измерительного усилителя равен:
????
????
=
????
4
????
3
+ 1 = 5
Тогда из ряда номиналов Е96 выбираем следующие значения:
????
1
= 24900 Ом
????
2
= 100 кОм
Рассчитаем коэффициент обратной связи:
???? =
????
1
????
2
+ ????
1
=
24900 Ом
10000 Ом + 24900 Ом
= 0.195
Рассчитаем резисторы ????
3
и ????
4
из уравнения
????
вх
= ????
3
+ ????
4
||????
вхдиф
[1 + ????
у????
????]
Тогда из ряда номиналов Е96 выбираем следующие значения:
????
3
= 60400 Ом
????
4
= 20000 Ом

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
10 3371.202109.000 ПЗ
Рисунок 6 – ЛАЧХ ОРА37
Исходя из ЛАЧХ, коэффициент усиления усилителя на нижней и верхней границе частотного диапазона рассчитаем по формуле:
????
????????????н
= 10 102 20
= 126000
????
????????????в
= 10 78 20
= 7940
По техническим характеристикам выбранного ОУ ОРА2182 входное дифференциальное сопротивление:
????
вх диф
= 2.5 ∙ 10 9
Ом
Рассчитаем входное сопротивление на верхней частоте
????
вх ????в
= ????
3
+ ????
4
||????
вх диф
[1 + ????
???????? ????в
∙ ????]
????
вх ????в
= 79999 Ом
Рассчитаем входное сопротивление на нижней частоте

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
11 3371.202109.000 ПЗ
В качестве усилителей для промежуточной части использованы усилители OPA37 DA2, DA3 и DA4
????
вх ????в
= ????
1
+ ????
2
||????
вх диф
[1 + ????
???????? ????н
∙ ????]
????
вх ????в
= 79999 Ом
По ТЗ погрешность входного сопротивления в рабочих частотах должна быть не более 5%.
Рассчитаем коэффициент усиления на нижней и верхней частоте по
точной формуле:
????
у
= (
????
вхдиф
(1 + ????
уо
????)
(????
3
||????
4+????
вхдиф
(1+????
уо
????)
) ∙
????
уо
1 + ????
уо
????
Коэффициент усиления на нижней частоте:
????
???? ????н
= 5,02
Коэффициент усиления на верхней частоте:
????
???? ????н
=5,025
Вычислим погрешность входного сопротивления:
∆????
вх
=
????
вх ????н
− ????
вх ????в
????
вх ????
∙ 100% =
79999 − 79998 80000
∙ 100% = 0,00125%
Видно, что погрешность не превышает заданного значения в 5%.
Вычислим погрешность коэффициента усиления:
∆????
????
=
????
????н
− ????
????в
????
????н
∙ 100% =
|5,02 − 5,025|
5
∙ 100% = 0,1 %
Данная погрешность коэффициента усиления входит в допустимую погрешность (∆????
????
< 4%).

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
12 3371.202109.000 ПЗ
3.2 Проектирование и расчет промежуточной части
В качестве усилителей для промежуточной части были использованы усилители OPA37 под обозначениями DA2, DA3 и DA4
Рисунок 7 – Схема первого усилителя промежуточного каскада
Рассчитаем первый усилитель промежуточного каскада.
Коэффициент усиления для инвертирующего включения:
К
????
= −
????
6
????
5
= −10;
????
6
= ????
5
∗ 10 = 100 кОм по ряду Е96.
????
5
= 10 кОм по ряду Е96.
По формуле параллельного соединения находим R
7
=
R
6
∙R
5
R
6
+R
5
= 9760 Ом
,из ряда Е96
Рассчитаем коэффициент усиления на разных частотах
Коэффициент усиления на нижней частоте:

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
13 3371.202109.000 ПЗ
????
упр1ниж
= −
????
вхдиф
∙
????
2 1 + ????
уо
????
вхдиф
+
????
2 1 + К
уо
????
1
+
????
вхдиф
∙
????
2 1 + ????
уо
????
вхдиф
+
????
2 1 + ????
уо
= 9,99
Коэффициент усиления на верхней частоте:
????
упр2ниж
= −
????
вхдиф
∙
????
2 1 + ????
уо
????
вхдиф
+
????
2 1 + К
уо
????
1
+
????
вхдиф
∙
????
2 1 + ????
уо
????
вхдиф
+
????
2 1 + ????
уо
= 9,9861
Вычислим погрешность коэффициента усиления:
∆????
у
=
????
упр1ниж
− ????
упр1ниж
????
упр1
∙ 100% =
| 9,99 − 9,9861|
10
∙ 100% = 0,039 %
Данная погрешность коэффициента усиления входит в допустимую погрешность (∆????
у
< 4%).

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
14 3371.202109.000 ПЗ
Рассчитаем второй усилитель промежуточного каскада.
Рисунок 8 - Схема второго усилителя промежуточного каскада
Коэффициент усиления для инвертирующего включения:
К
????
= −
????
9
????
8
= −2;
????
9
= ????
8
∗ 2 = 79,6 кОм по ряду Е96.
????
5
= 40,2 кОм по ряду Е96.
По формуле параллельного соединения находим R
7
=
R
9
∙R
8
R
9
+R
8
=
26700 Ом
,из ряда Е96
Рассчитаем коэффициент усиления на разных частотах
Коэффициент усиления на нижней частоте:
????
упр2ниж
= −
????
вхдиф
∙
????
2 1 + ????
уо
????
вхдиф
+
????
2 1 + К
уо
????
1
+
????
вхдиф
∙
????
2 1 + ????
уо
????
вхдиф
+
????
2 1 + ????
уо
= 1,98

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
15 3371.202109.000 ПЗ
Коэффициент усиления на верхней частоте:
????
упр2ниж
= −
????
вхдиф
∙
????
2 1 + ????
уо
????
вхдиф
+
????
2 1 + К
уо
????
1
+
????
вхдиф
∙
????
2 1 + ????
уо
????
вхдиф
+
????
2 1 + ????
уо
= 1,98
Вычислим погрешность коэффициента усиления:
∆????
у
=
????
упр2ниж
− ????
упр2ниж
????
упр2
∙ 100% =
| 1,98 − 1,98|
2
∙ 100% = 0 %
Данная погрешность коэффициента усиления входит в допустимую погрешность (∆????
у
< 4%).
Найдем нужный нам номинал конденсатора по формуле:
Коэффициент усиления для инвертирующего включения:
К
????
= −
????
6
????
5
= −10;
????
6
= ????
5
∗ 10 = 100 кОм по ряду Е96.
????
5
= 10 кОм по ряду Е96.
По формуле параллельного соединения находим R
7
=
R
6
∙R
5
R
6
+R
5
= 9760 Ом
,из ряда Е96

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
16 3371.202109.000 ПЗ
Рассчитаем третий усилитель промежуточного каскада.
Рисунок 9 - Схема третьего усилителя промежуточного каскада
Коэффициент усиления для инвертирующего включения:
К
????
= −
????
12
????
11
= −11;
????
12
= ????
11
∗ 11 = 110 кОм по ряду Е96.
????
5
= 10 кОм по ряду Е96.
По формуле параллельного соединения находим R
13
=
R
11
∙R
12
R
11
+R
12
=
9090Ом
,из ряда Е96
Рассчитаем коэффициент усиления на разных частотах
Коэффициент усиления на нижней частоте: