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

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
17 3371.202109.000 ПЗ
????
упр3ниж
= −
????
вхдиф
∙
????
2 1 + ????
уо
????
вхдиф
+
????
2 1 + К
уо
????
1
+
????
вхдиф
∙
????
2 1 + ????
уо
????
вхдиф
+
????
2 1 + ????
уо
= 10,986
Коэффициент усиления на верхней частоте:
????
упр3ниж
= −
????
вхдиф
∙
????
2 1 + ????
уо
????
вхдиф
+
????
2 1 + К
уо
????
1
+
????
вхдиф
∙
????
2 1 + ????
уо
????
вхдиф
+
????
2 1 + ????
уо
= 10,98
Вычислим погрешность коэффициента усиления:
∆????
????
=
????
упр3ниж
− ????
упр3ниж
????
упр3
∙ 100% =
| 10,986 − 10,98|
11
∙ 100% = 0,054 %
Данная погрешность коэффициента усиления входит в допустимую погрешность (∆????
????
< 4%).
3.3 Проектирование и расчет выходной части измерительного
усилителя
Для реализации выходной части измерительного усилителя выбран так же усилитель DA5 OPA37. Используем инвертирующее включение ОУ.

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
18 3371.202109.000 ПЗ
Рисунок 10 – схема выходного усилиетеля
Коэффициент усиления для инвертирующего включения:
К
????
= −
????
15
????
14
= −5;
????
15
= ????
14
∗ 5 = 100 кОм по ряду Е96.
????
14
= 20 кОм по ряду Е96.
По формуле параллельного соединения находим R
16
=
R
14
∙R
15
R
14
+R
15
=
15800м
,из ряда Е96
Рассчитаем коэффициент усиления на разных частотах
Коэффициент усиления на нижней частоте:

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
19 3371.202109.000 ПЗ
????
упр3ниж
= −
????
вхдиф
∙
????
2 1 + ????
уо
????
вхдиф
+
????
2 1 + К
уо
????
1
+
????
вхдиф
∙
????
2 1 + ????
уо
????
вхдиф
+
????
2 1 + ????
уо
= 4,99
Коэффициент усиления на верхней частоте:
????
упр3ниж
= −
????
вхдиф
∙
????
2 1 + ????
уо
????
вхдиф
+
????
2 1 + К
уо
????
1
+
????
вхдиф
∙
????
2 1 + ????
уо
????
вхдиф
+
????
2 1 + ????
уо
= 4,996
Вычислим погрешность коэффициента усиления:
∆????
????
=
????
упр3ниж
− ????
упр3ниж
????
упр3
∙ 100% =
| 4,99 − 4,996|
5
∙ 100% = 0,12 %
Данная погрешность коэффициента усиления входит в допустимую погрешность (∆????
????
< 4%).
Вычислим выходное сопротивление по формуле:
????
вых
=
????
выхОУ
(1 + К
уи
????)
где ????
выхОУ
= 70 Ом
Рассчитаем выходное сопротивление на нижней частоте

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
20 3371.202109.000 ПЗ
????
вых.????н
=
70
(1 + 12600 ∙ 0,195)
== 0,0284 Ом
Рассчитаем выходное сопротивление на верхней частоте
????
вых.????в
=
70
(1 + 7940 ∙ 0.195)
= 0.045 Ом
По ТЗ максимально допустимое выходное сопротивление ОУ не должно превышать 10 Ом.
Просуммируем все погрешности усиления:
∆????
????
= ∆????
вх
+ ∆????
пр1
+ ∆????
пр2
+ ∆????
пр3
+ ∆????
вых
= 0.039% + 0% + 0.054% + 0,12% + 0.1% = 0,313 %
Отсюда видно, что все погрешности коэффициента усиления не превышают заданного значения (∆????
????
< 4%).
Выходной ток:
????
вых
=
????
вых
????
н
=
17,6 45 ∙ 10 3
= 0,39 мА
3.4 Расчет фильтров высоких частот и нижних частот
Для формирования заданного диапазона частот после входного каскада устанавливаются разделительные фильтры высокой и низкой частоты.
Частоты среза фильтров выбираются равными для фильтра высокой частоты
(ФВЧ) – нижняя граница диапазона - 600Гц, а для фильтра низкой частоты
(ФНЧ) – верхняя граница диапазона 9000 Гц.
В качестве фильтра высокой частоты с частотой среза 600Гц и фильтра низких частот с частотой среза 9000 Гц используем пассивные RC- фильтры первого порядка (рисунок 4):

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
21 3371.202109.000 ПЗ
Рисунок 11 – Фильтр высоких частот
Рассчитаем номиналы конденсатора и резистора из соотношения
????
верх
=
1 2????????
1
????
17
Пусть С
1
=10 мкФ из ряда Е6, тогда R
17
????
17
=
1 2????????
1
????
верх
=
1 2????∙10
−6
∙600
= 1740 Ом из ряда Е96
Рисунок 12 – Фильтр нижних частот
Рассчитаем номиналы конденсатора и резистора из соотношения
????
ниж
=
1 2????
2
????
18
Пусть С
1
=27 нФ из ряда Е6, тогда R
18
????
18
=
1 2????????
2
????
ниж
=
1 2????∙27∙10
−9
∙9000
= 10 кОм из ряда Е96

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
22 3371.202109.000 ПЗ
4 Проектирование логического блока устройства коммутации
Логический блок устройства коммутации будет состоять из логического блока, делителей напряжения и аналогового ключа. С помощью этого блока сигнал с блока усилителя будет подключаться к выходу 1 при выполнении заданного уравнения, и к выходу 2 − при невыполнении.
4.1 Проектирование и расчет логического блока устройства
коммутации
Логический блок устройства должен решать логическое уравнение a*(b+c)*(b+a)*d
Рисунок 11 – Схема логического блока
В качестве элемента И будем использовать микросхему с 4 логическими элементами 2И внутри (DD2.1-DD2.3) серии КМОП - IN74AC08
(Приложение 2). В качестве элемента ИЛИ будем использовать микросхему с
4 логическими элементами 2ИЛИ внутри (DD1.1-DD1.2) серии КМОП -
К555ЛЛ1 (Приложение 3).

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
23 3371.202109.000 ПЗ
Расчет делителя напряжения:
Так как по техническому заданию уровни напряжений a=5B, b=14B, c=27B, d=15B, а для правильной работы микросхемы КМОП логики необходимо входное напряжение не более 5В, то на входе логических элементов стоит поставить резистивные делители напряжений.
Сигнал «а» равен 5В, поэтому можно подавать его сразу на вход логического элемента.
1) Делитель напряжения для сигнала (b):
????
????????????
????
????????????????
=
????
22
+ ????
22
????
21 5
14
=
????
22
+ ????
22
????
21 0.357????
21
+ 0.357????
22
= ????
21
????
22
= 1.801????
21
Отсюда ????
21
= 10 кОм, ????
22
= 18200 Ом, из ряда E96
Рисунок 12 – Делитель напряжения сигнала (b)
2) Делитель напряжения для сигнала (c):
????
????????????
????
????????????????
=
????
20
+ ????
19
????
19 5
27
=
????
23
????
23
+ ????
24 0.185????
24
= 0.8148????
23
Отсюда
????
23
= 10000 Ом и ????
24
= 44200 Ом, из ряда Е96

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
24 3371.202109.000 ПЗ
Рисунок 13 – Делитель напряжения сигнала (c)
3) Делитель напряжения для сигнала (d):
????
????????????
????
????????????????
=
????
25
????
25
+ ????
26 5
15
=
????
25
????
25
+ ????
26 0.33????
25
+ 0.33????
26
= ????
25 0.33????
26
= 0.67????
25
????
26
= 2.03????
25
Отсюда ????
26
= 20500 Ом и ????
25
= 10000 Ом
Рисунок 14 – Делитель напряжения
5 Проектирование электронного аналогового ключа

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
25 3371.202109.000 ПЗ
Электронный аналоговый ключ используется для передачи аналоговой информации от одного блока к другому. Для нашего задания была выбрана микросхема (DA6) аналогового ключа DG211B (Приложение 5). Этот ключ совместим как с ТТЛ логикой, так и с КМОП логикой. Этот ключ замыкается
(т.е. один из его входов соединен с соответствующим ему выходом) при условии, что на его управляющий вход подан сигнал низкого уровня. Сигнал поступает с измерительного усилителя напряжения через делитель напряжения на входы S1 и S2 аналогового ключа.
Соответственно
, при выполнении логического уравнения и благодаря инвертору 74AC04(DD7.1 приложение 4) на управляющий вход IN2 поступит сигнал низкого уровня, ключ будет замыкаться и сигнал от усилителя будет поступать на выход D2. При невыполнении логического уравнения на входе
IN1 благодаря инвертору будет сигнал уже высокого уровня, а на управляющем входе IN1 будет сигнал низкого уровня, соответственно, будет замыкаться второй ключ. В этом случае сигнал от усилителя будет поступать на выход D1.
Рисунок 15 – Схема включения электронного аналогового ключа

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
26 3371.202109.000 ПЗ
Делитель аналогового напряжения:
????
вхан.кл.
=
????
вх
⋅????
29
????
29
+????
30
,
????
29
????
29
+????
30
=
????
вхан.кл.
????
вх
=
15 17,6
, тогда
????
29
= 5.6????
30
;
Пусть ????
30
=10 кОм из ряда резисторов Е96, тогда
????
29
= 56200 кОм по ряду
Е96.
Рисунок 16 – Схема делителя напряжения перед аналоговым ключом
5.1 Преобразователь формы сигнала
По ТЗ входным сигналом является сигнал синусоидальной формы. В связи с этим, прежде чем подать её на вход частотомера необходимо из неё сформировать последовательность прямоугольных импульсов. В цифровой электронике функции преобразователя в прямоугольные импульсы выполняет триггер Шмитта (DD8.1) 564ТЛ1 (Приложение 6).
Так как триггер Шмитта не функционирует при отрицательном фронте, перед ним установили ограничитель уровня сигнала, то есть диод (VD1)
2С119А (Приложение 7), который убирает отрицательный полупериод синусоиды, сохраняя при этом ее частоту. Так же поставлен делитель напряжения на 5 В, так как триггер питается напряжением +5 В. Триггера
Шмитта преобразует сигнал в прямоугольные импульсы, используется в

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
27 3371.202109.000 ПЗ качестве порогового устройства, реагирующего на определенный уровень входного сигнала вне зависимости от скорости его изменения.
Рисунок 17 - Структура преобразователя формы сигналов
Делитель напряжения:
????
28
????
27
+ ????
28
=
????
вх л.э.
????
вых ????????????
=
5 17,6
????
25
= 2,2 ∗ ????
26
;
Пусть ????
26
= 1 кОм (из ряда Е96), тогда ????
25
= 2,21 кОм (из ряда Е96).
Далее с выхода инвертора сигнал поступает на логический элемент 2И DD5.4 микросхемы IN74AC08.
Рисунок 18 – логический элемент 2И, соединяющий выходы с преобразователя формы сигнала и фаза счет счетчика

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
28 3371.202109.000 ПЗ
5.2 Проектирование генератора импульсов образцовой
частоты
В качестве генератора импульсов образцовой частоты DD3 был выбран генератор с частотой 1 Гц микросхема SiT1534 (Приложение 8). Это программируемый МЭМС-генератор способный выдавать частоты в диапазоне от 1 Гц до 32,768 кГц. Необходимая частота, в нашем случае 1 Гц, настраивается на заводе изготовителе данного МЭМС-генератора и только там.
Рисунок 19 - Кварцевый генератор импульсов
Так как генератор питается напряжением 3,63В, поставим делитель напряжения перед его входом питания:
????
19
????
20
+ ????
19
=
????
вх л.э.
????
вых ????????????
=
3,63 5
2.65????
20
= ????
19
;
Пусть ????
20
= 10 кОм (из ряда Е96), тогда ????
19
= 26700 Ом (из ряда Е96).
5.3 Проектирование схемы управления циклом счета
Цикл работы частотомера складывается из длительности сброса, длительности счета и длительности индикации:
инд
счета
сброса
цикл
T
T
T
T
+
+
=
,

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
29 3371.202109.000 ПЗ где ????
счета
=1 с, ????
инд
=8с,
????
сброса
− это кратковременный импульс, который может быть сформирован обычной RC-цепочкой перед фазой счета.
Схема управления реализована на микросхеме К555ИЕ 5 (DD4), которая состоит из двух частей: один триггер (одноразрядный счетчик) со входом С1 и выходом 0 Q и три триггера (трехразрядный счетчик) со входом
С2 и выходами Q1, Q2, Q3 (Приложение 9). Оба счетчика двоичные, первый из них считает до двух, а второй до 8. При объединении выхода 0 Q микросхемы со входом С2 получается 4-разрядный двоичный счетчик, считающий до 16. Счет производится по отрицательному фронту входного сигнала С1 и С2. Сбрасывается счетчик в нуль по сигналам R1 и R2, объединенным по функции И.
Для реализации схемы счета и схемы индикации необходимо подобрать логические элементы так, чтобы на их выходе был уровень лог 1 только в одном случае (т.е. когда отсчитывается 1 секунда и 11 секунда). Для этого воспользуемся таблицей работы счетчика К555ИЕ5
Таблица 1 – Работа счетчика К555ИЕ5 по модулю счета 16

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
30 3371.202109.000 ПЗ
То есть, как только пройдет 1 секунда (фаза счета, комбинация 1000), начнется отсчет индикации, в нашем случае после начала отсчета должно пройти 8 секунд, это время пройдет на 9-ом импульсе. И на 10-ом импульсе
(сброс, комбинация 0101) должен произойти сброс.
Схему, формирующую фазу счет, будем выполнять на логических элементах
3ИЛИ-НЕ микросхема 74HC27 (DD6 Приложение 10) и 2И микросхема
IN74AC08(DD5.1). Схему, формирующую фазу индикация, будем выполнять на логических элементах 2И микросхема IN74AC08 (DD5.2;DD5.3), 2И-НЕ микросхема 74AC00 (DD10 Приложение 22) и НЕ микросхема
74AC04(DD7.2)
Чтобы произвести сброс индикатора необходимо на вход R подать кратковременный импульс. Для подачи этого импульса предназначена RC – цепь, время разряда конденсатора которой должно удовлетворять неравенству:
???? ≪
1
????
в
, ???? ≪
1 9000
, ???? ≪ 111 мкс
Пусть С
3
= 10 нФ из ряда Е6, тогда ????
31
= 11 кОм из ряда Е96.
На выходе RC – цепи поставим триггер Шмитта (DD8.2).
Рисунок 20 – схема сброса индикатора

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
31 3371.202109.000 ПЗ
5.4 Проектирование блока индикации
Согласно ТЗ, цифровой индикатор должен быть четырехразрядным. В качестве элемента блока индикации выбрана микросхема CD4026В (DD11-
DD14 Приложение 12) представляющая собой десятичный счетчик с дешифратором для вывода информации на семисегментный индикатор KEM-
5161AG (HG1-HG4 и Приложение 13). Счетчик считает импульсы, поступившие на вход С. По спаду этих импульсов происходит переключение счётчика. С выхода Р - частота в 10 раз меньше тактовой, на нем происходит спад логической единицы при переходе состояния счётчика из «9» в «0».
Вход R служит для обнуления счётчиков, оно происходит при подаче на него логической единицы. Вход DEI нужен чтобы индикатор был в светящемся или выключенном состоянии. На него нужно подать высокий логический уровень чтобы индикатор горел, в нашем случае это +5В.
Выход Р используется для подключения ко входу С следующего счётчика. Таким образом, подключено 4 микросхемы CD4026В (DD10-DD13
Приложение 11), где вход R каждой микросхемы соединен со схемой управления циклом счета для обнуления счетчика.
Рисунок 21 – Схема блока индикации
6 Проектирование блока питания
Блок питания должен содержать трансформатор, рассчитанный на работу от промышленной сети переменного тока 220В и частотой 50 Гц,

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
32 3371.202109.000 ПЗ диодный мост для получения постоянных напряжений, необходимых для работы интегральных стабилизаторов, которые выдают необходимый набор питающих напряжений:
• ±20 В – для ОУ OPА37;
• ±15В – для для аналогового ключа DG444
• +5 В – для частотомера, логического блока и блока индикации
Ниже приведена таблица энергопотребления всех используемых блоков.
Таблица 2. Энергопотребление элементов
Обозначение микросхемы
Тип микросхемы
Количество
I
потр
, мА
U
пит
,
В
P
потр
, мВт
DA1-DA5
OPA37 5
3.3
±20 500
Σ 16.5
Σ 2500
DA6
DG211B
1 0,1
±15 470
DD1.1-DD1.2 74AC32 2
20
+5 500
DD2.1-DD2.3
DD5.1-DD5.4
IN74AC08 5
0,004
+5 410
DD7.1-DD7.2 74AC04,
2 0,004
+5 94,52
DD4.1-DD4.2
SN74LVC2G14 2
0,004
+5 0,05
DD5
SiT1534 1
0,0014
+3,63 0,005082
DD6
К555ИЕ5 1
15
+5 78,75
DD6 74HC27 1
20
+5 500
Σ 55,0134
Σ
1583,325
DD10-DD13
CD4026В
4 0,00004
+5 0,0002
Σ0,00016
Σ0,0008

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
33 3371.202109.000 ПЗ
HG1-HG4
KEM-
5161AG
4 0,5
+5 2,5
Σ2
Σ10
Общая сумма
Σ71.63
Σ
4553,426
Блок питания разрабатываемого прибора должен питаться от сети переменного напряжения 220В, 50Гц. Исходя из этого был подобран трансформатор ТПП-248-127/220-50 (Приложение 13).
Сердечник: ШЛМ20х20
Мощность: 14,5 Вт
Ток первичной обмотки: 0,175/0,1 А
Масса: 0,75 кг
Таблица 3 - Электрические параметры трансформатора ТПП248-127/220-50 и
ТПП248-220-50.
На входе трансформатора для защиты разрабатываемого устройства от превышения напряжения, неправильного включения или отказа трансформатора установлен плавкий предохранитель EKF pvc-10x38-10 на
10А (Приложение 14).