Некоммерческое акционерное общество
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра «Электроника»
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ
Методические указания по выполнению расчетно-графических работ
для студентов специальности 5В071600 – Приборостроение

Алматы 2014

СОСТАВИТЕЛИ: Б.С.Байкенов. Компьютерные технологии. Методические указания по выполнению расчетно-графических работ для студентов специальности 5В071600 – Приборостроение. – Алматы: АУЭС, 2014. – 19 с.

Методические указания предназначены для приобретения практических навыков моделирования в среде Electronic Workbench и методов разработки печатных плат и узлов в программе Diptrace.

В методических указаниях изложены методы определения параметров чувствительности и настройки схем генераторов сигналов на основе типового операционного усилителя и аналогового таймера NE555. Кроме того, показан пример получения печатной платы мультивибратора на основе микросхемы NE555 с помощью программы-трассировщика Diptrace.

         Методическая разработка составлена в целях закрепления лекционного материала и предназначена для студентов специальности 5В071600 –Приборостроение.  

Ил. 20, табл. 4, библиогр. – 5 назв.

Рецензент: доцент кафедры РТ  А.А. Куликов                  

Печатается по плану издания Некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2013 г.

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2014 г.

Введение

Дисциплина «Компьютерные технологии» посвящена основному этапу проектирования приборов и систем - созданию электрических, тепловых и механических моделей. В данном методическом указании будут рассмотрены только моделирование электрических схем для определения функции параметрической чувствительности и получения печатных плат и узлов.    

Основной целью методических указаний является закрепление теоретических знаний и приобретение студентами практических навыков моделирования схем приборов и систем для анализа их частотных и временных характеристик. Кроме того, в методических указаниях приведен простой пример разработки печатной платы мультивибратора на основе таймера NE555 с помощью программы-трассировщика Diptrace.

РГР1 связана с моделированием схем таймера для определения параметров чувствительности в различных режимах работы.

РГР2 посвящена моделированию активного фильтра высокой частоты  Чебышева 2-го порядка для анализа его частотных характеристик.

В РГР3 рассмотрены основные этапы разработки печатной платы мультивибратора на основе таймера NE555 с помощью программы-трассировщика Diptrace.

Методические указания разработаны в строгом соответствии с требованиями Государственного стандарта образования для бакалавриата по специальности «5В071600 –Приборостроение».

1 РГР№1. Моделирование схем на основе NE 555

1.1 Задание

1. Собрать схему таймера в ждущем режиме (см. рисунок 1.5). По данным таблицы 1.1, определить длительность выходного импульса Ти.

Таблица 1.1 - Значения параметров схемы

№ вар

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

R2, МOм

0,5

0,8

1

1,2

1,5

1,8

2

2,2

2,5

3

С, мкФ

3

4

1,5

1,5

1,8

3

1

2

1,5

0,8

№ вар

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

R2, МOм

3

3,2

3,4

3,6

3,8

4

4,2

4,4

4,6

4,8

С, мкФ

1,5

1,2

1

0,8

0,5

1,5

1,2

1

0,8

0,5

Ти , с

2. Собрать схему мультивибратора (см. рисунок 1.7). По данным таблицы 1.2, определить длительность выходного импульса Ти, скважность γ и частоту импульсов f.  Результаты занести в таблицу 1.2.

Таблица 1.2 - Значения параметров схемы  (C=1мкФ )

№ вар

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

R1, МОм

0,2

0,4

0,6

0,5

0,7

1,0

0,2

0,4

0,6

0,8

R2, МOм

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,5

2

№ вар

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

R1, МОм

1

1,2

1,4

1,2

1,4

0,5

0,4

0,6

0,8

0,5

R2, МOм

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

2

1,5

0,5

0,7

0,8

Ти, c

γ

f,Гц

1.2 Общие сведения

Микросхема таймера NE555 приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Обозначения выводов (8-Pin) NE555

Схема таймера содержит 3 резистора по 5кОм, поэтому микросхема получила название NE555. Питание от 4,5 до 18 В. Таймер NE555 имеет три режима работы: ждущий,  генераторный и триггерный.

1.2.1 Ждущий режим.

Рисунок 1.2 - Схема NE555 в ждущем режиме

В схему таймера входит два компаратора КН1, КН2, и RS-триггер, фиксирующий состояние выхода. Один из входов каждого компаратора под­ключен к делителю напряжения, образованному 3 резисторами R = 5 кОм - отсюда и название NE555. Напряжения на плечах делителя составляют 2Vs/3 и Vs/3 соответственно. Триггер управляет двухтактным, симмет­ричным выходным каскадом на транзисторах VT1, VT2, обеспечивающим выходной ток до 200 мА. Кроме того, инверсный выход триггера  управляет раз­рядным ключом на транзисторе VT3. Триггер имеет вход разрешения Е - 4Pin, при подаче на который сигнала низкого уровня на выходе таймера также устанавлива­ется низкий уровень независимо от уровня сигнала на входе VIN.

На неинвертирующий вход компаратора KH1 (5Pin), соединенный с верхней ступенью делителя, при необходимости может быть подано опорное напряжение от внешнего источника. Этот вывод на практике не используется, поэтому между этим выводом и землей включается конденсатор С = 0,1пФ, сглаживающий помехи, приходящие по цепи источника питания Vs.

В режиме ожидания входной сигнал VIN на 2Pin «Пуск» имеет высокий уровень (больше, чем Vs/3). При этом выходное напряжение компаратора соответствует лог. 1. Для инверсного входа  триггера этот уровень является не­активным. Напряжение Vc на времязадающем конден­саторе Сt, близко к нулю, и выходное напряжение ком­паратора КН1, приложенное к инверсному входу  триггера, также имеет уровень лог. 1. Триггер находится в режиме хранения в состоянии Q = 0,  = 1.   Транзи­стор VT1 закрыт, a VT2 - открыт. На выходе таймера - низкий уровень 0.  Ключ   VТ3 замкнут и поддерживает конденсатор Сt, в разряженном состоянии.

При отрицательном кратковременном перепаде входного сигнала VIN < Vs/3 (см. рисунок 1.3) на выходе компаратора КН2 на время перепада установится логиче­ский нуль (активный уровень для -входа триггера) и триггер переключится в состояние Q = 1,  = 0.

Рисунок 1.3 – Временные диаграммы работы ждущего мультивибратора

на таймере

Ключ VT3 при этом размыкается, и конденсатор Сt, начинает заряжаться че­рез резистор Rt от источника питания Vs. Уравнение заряда конденсатора Ct имеет вид

                                                                                     (1.1)

Решение этого уравнения при нулевых начальных условиях

Импульс заканчивается по достижении напряжения Vc величины опорного напряжения VREF. При этом компаратор КН1 переключится и переведет триггер в первоначальное состояние. Ключ VT3 замкнется и разрядит конденсатор Ct. Длительность импульса Ти на выходе определится из уравнения:

                                                                        (1.2)

из которого следует, что

                                                                                  (1.3)

Если в течение этого времени на вход придет еще один запускающий импульс, то триггер останется в единичном состоянии, т.е. повторный запуск во время заряда t3 конденсатора Сt игнорируется. Разряд времязадающего конденсатора Ct происходит очень быстро, хотя и не мгновенно. Если следующий запускающий  импульс придет во время разряда конденсатора tp, то длительность импульса таймера сократится.

Время разряда tp времязадающего конденсатора Ct, называемое временем релаксации, во всяком случае, значительно меньше аналогичного времени ждущего мультивибратора на ОУ.

Принципиальная электрическая схема таймера NE555 в ждущем режиме имеет вид

Рисунок 1.4 - Схема NE555 в ждущем режиме

Схема таймера в ждущем режиме широко применяется в железнодорожной автоматике, в частности, в переездной сигнализации.

Эта схема (см. рисунок 1.5) моделирует работу заграждающего светофора автоматической переездной сигнализации. При въезде состава на контролируемый участок, срабатывает путевое реле (кнопка S), контакт которого запускает схему таймера, выход которого соединен со светодиодными лампами светофора. Чтобы дать возможность освободить переезд автотранспорту, таймер выключает зеленый свет светофора не сразу, а с выдержкой времени. В качестве модели светофора предусмотрен светодиод. При двукратном нажатии кнопки S формируется запускающий импульс, который поступает на вход 2.

Рисунок 1.5 - Модель схемы заграждающего светофора

1.2.2 Генераторный режим работы NE555.

Схема   простейшего   мультивибратора с коэффициент заполнения  на   таймере  приведена на рисунке 1.6.

Когда потенциал на конденсаторе С достигнет нижнего порога срабатывания таймера, на входе  триггера установится низкий (активный) уровень. Триг­гер переключится в состояние лог.1, и ключ VT3 разомкнётся. Начнется заряд конденсатора C через резистор R1 и  открытый диод VD1, а разряжается, как и в базовой схеме, через R2. Напряжение на конденсаторе достигнет верхнего порога срабатывания за время

  t1 = R1C ln2 = 0,693R1C.                                                                             (1.4)

При этом компаратор KH1 переключится, на входе  триггера установится низкий (активный) уровень, триггер переключится в состояние Q = 0,  и ключ VТ3 откроется. Конденсатор будет разряжаться через резистор R2 до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет нижнего порога срабатывания тай­мера. Это произойдет за время

    t2 = R2C ln2 = 0,693R2C.                                                                           (1.5)

Затем все процессы будут повторяться. Частота выходного напряжения мульти­вибратора составит

                                                                                 (1.6)

Чтобы уменьшить влияние диода VD1 на точность формирования временных интервалов, последовательно с резистором R2 включен диод VD2. Скважность импульсов γ этой схемы определяется соотношением

                                                                                            (1.7)

Рисунок 1.6 - Схема мультивибратора на NE555

Данная схема используется для питания светодиодных и импульсных ламп. На рисунке 1.7 приведена модель схемы мультивибратора, генерирующего импульсы с γ=0.5, называемые меандр.

Рисунок 1.7 - Модель схемы мультивибратора при γ=0,5 (меандр)

1.3 Содержание отчета

Цель работы.

Схемы таймера в 2-х режимах работы.

Выводы.

2 РГР№2. Моделирование активного ВЧ-фильтра

2.1 Задание

По требуемым характеристикам ФВЧ Чебышева (см. таблицу 2.1) рассчитать параметры схемы. Собрать схему фильтра и снять АФЧХ (см. рисунки 2.3 и 2.4).

Таблица 2.1 – Требуемые характеристики ФВЧ

№ варианта

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Порядок фильтра, n

4

2

4

6

4

2

4

6

4

6

Коэффициент усиления, К

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

Граничная

fЗ кГц

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Граничная

fП кГц       

6,1

7,1

8,1

9,1

10,1

11,1

12,1

13,1

14,1

15,1

№ варианта

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

Порядок фильтра, n

2

4

6

4

6

4

6

4

2

4

Коэффициент усиления, К

200

210

220

230

240

250

110

130

150

170

Граничная

fЗ кГц

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Граничная

fП кГц       

6,1

7,1

8,1

9,1

10,1

11,1

12,1

13,1

14,1

15,1

2.2 Пример расчета параметров ФВЧ 2-го порядка

Например, заданы характеристики фильтра: К = 5, f3 = 5 кГц, fп = 5,1 кГц, AP MIN = 0,5 дБ; тип операционного усилителя LM741.

Требуется:

1) Рассчитать параметры схемы активного ФВЧ Чебышева 6-го порядка.

2) Определить амплитудные и частотные характеристики расчетного фильтра.

Некоторые данные из справочника по активным фильтрам приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Коэффициенты полиномов ПФ для фильтров 2, 4 и 6 порядков

Фильтр Чебышева,

AP MIN = 0,5 дБ

Порядок фильтра n

2

4

6

Номер и количество звеньев m

1

1

2

1

2

3

a

1,3614

2,6282

0,3648

3,8645

0,7528

0,1589

b

1,3827

3,4341

1,1509

6,9797

1,8573

1,0711

    

Тогда коэффициенты полиномов передаточной функции фильтра Чебышева 2-го порядка равны

а1 = 1,3614;  b1 = 1,3827.

Рисунок 2.1 – Схема активного ФВЧ 2-го порядка

    

ПФ активного ВЧ-фильтра n-го порядка имеет вид

                  (2.1)

где m – количество звеньев 2-го порядка;

К – коэффициент усиления фильтра n-го порядка;

ai , bi – коэффициенты полиномов ПФ фильтра.

Коэффициент усиления К фильтра, состоящий из нескольких фильтров, раскладывается равномерно на сомножители:

где Кi – коэффициент усиления i-звена;

n – количество звеньев.

Например, К = 100 для фильтра 4-го порядка, тогда К1 = К2 = 10.

Эмпирическим путем установлено, что для приемлемых величин сопротивлений и постоянных времени фильтра, емкость С выбирается близким отношению:

                                             

где fЗ – граничная частота задержки.

Вычислим круговую частоту среза, которая определяется через граничную частоту пропускания fп и равна:

ωс = 2π ∙ fп = 6,28 ∙ 5100 ≈ 32 ∙ 103  1/с.

По известным коэффициентам а1 = 1,3614,  b1 = 1,3827 определим сопротивления на неинвертирующем входе ОУ звена:

                             (2.2)                    

                                             (2.3)

Отрицательная обратная связь ОУ, образованная делителем напряжения

R3 и R4, обеспечивает коэффициент усиления, равным К1.

Сопротивления делителя связаны соотношением:

R4 = (K1 – 1)R3.                                                                                     (2.4)

Если принять R3 = 1кОм, то тогда

R3 = 1кОм;     R4 = (5 – 1) ∙1 = 4 кОм.

В соответствии с ГОСТ 2825-67 выбираются R1=2,7 кОм, R2=68 кОм, R4 = 3,9 кОм.

Параметры схемы ФВЧ Чебышева второго и третьего звеньев определяются аналогично по формулам (2.2-2.4), величины сопротивлений делителя напряжения в ООС будут одинаковые.

2.2.1 Моделирование ФВЧ 2-го порядка.

 

Рисунок 2.2 – Модель схемы ВЧ-фильтра Чебышева 2-го порядка

Программа EWb позволяет получить АФЧХ фильтра быстро и наглядно, для чего необходимо осуществить следующие действия:

- открыть окно Shematic Options в меню Circuit и в закладке Show/Hide отметить опции Show reference ID и Show nodes (узлы схемы);

- открыть окно AC Frequency в меню Analysis и установить частотный диапазон входного сигнала от 1 kHz до 1 MHz; в опции Sweep time (горизонтальная ось времени) – Decade; Number of points – 100; Vertical scale (масштаб по вертикали) – Linear;

- выделить номер узла, с которого снимается АФЧХ (в данной схеме №3), в опции Nodes in circuit (общий список узлов), автоматически переходящий в опцию Nodes for analysis;

- запуск моделирования осуществляется нажатием кнопки Simulate в этом же окне.

Копировать в Word можно только через команду Copy as Bitmap в меню Edit. В результате получаются диаграммы, приведенные на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – АЧХ ВЧ-фильтра Чебышева 2-го порядка

Рисунок 2.4 – ФЧХ ВЧ-фильтра Чебышева 2-го порядка

2.3 Содержание отчета

Цель работы.

Схема ФВЧ.

АФЧХ.

Выводы.

3 РГР№3. Разработка печатной платы в Diptrace

Цель работы: разработка печатной платы мультивибратора на основе аналогового таймера NE555 в режиме со светодиодной нагрузкой. 

 

3.1 Задание

Разработать печатную плату схемы таймера NE555 в ждущем режиме (см. рисунок 3.1). Параметры схемы берутся из таблицы 3.1.

Таблица 3.1 - Значения параметров схемы (R1=1МОм)

№ вар

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

R2, МOм

0,5

0,8

1

1,2

1,5

1,8

2

2,2

2,5

3

С, мкФ

3

4

1,5

1,5

1,8

3

1

2

1,5

0,8

№ вар

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

R2, МOм

3

3,2

3,4

3,6

3,8

4

4,2

4,4

4,6

4,8

С, мкФ

1,5

1,2

1

0,8

0,5

1,5

1,2

1

0,8

0,5

Рисунок 3.1 - Схема таймера в ждущем режиме

3.2 Пример разработки печатной платы

Для разработки монтажной схемы необходимо знать выводы микросхемы NE555 (см. рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Обозначения выводов (8-Pin) NE555

На рисунке 3.3 показан таймер NE555 в режиме мультивибратора, в нагрузку которого включен резистор и светодиод VD3. Резистор R3 служит для ограничения выходного тока таймера, т.к. светодиод VD3 рассчитан только на токи до 0,014А. По закону Ома нетрудно убедиться, что при питании 5В сопротивление резистора будет равно 350 Ом.

Рисунок 3.3 - Монтажная схема мультивибратора на NE555

Рекомендуется сначала выполнить эскизный проект платы вручную.     На основе монтажной схемы выполняется чертеж односторонней печатной платы мультивибратора, обратная сторона которого переносится на проводящую, медную поверхность стеклотекстолита с выбранной шириной сетки 1 мм (см. рисунок 3.4). Затем проделываются отверстия в местах крепления компонентов схемы, специальным лаком обводится рисунок проводников, и плата опускается в ванну с раствором хлорного железа FeCl3 на несколько часов для травления медного слоя. Для защиты от внешних факторов (влага, пыль и т.д.) провода платы покрываются защитным лаком.

Рисунок 3.4 – Вид печатной платы

Рисунок 3.5 – Обратная сторона печатной платы

В САПР широко используется программа Diptrace, состоящая из 2-х программ - Schematic и PCB Layout.

Schematic (схемотехника) предназначена только для прорисовки монтажной схемы. Единственное затруднение может вызвать поиск самого таймера. Для этого необходимо «прицепить» к программе все библиотеки, хранящиеся на диске С или Д пользователя. В меню Objects нажать на верхнюю опцию Place Component и в появившемся окне нажать на вкладку ADD - появится весь перечень файлов, который надо выделить и открыть. В окне Libraries появится перечень выделенных библиотек. Затем в поле Component набрать NE555 и нажать на Search. Через некоторое время появится список найденных таймеров. Выделить верхний NE555D и нажать на нижнюю вкладку Place. На рабочем поле появится схема таймера - левой кнопкой подвести к центру и правой зафиксировать (см. рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 - Поиск схемы таймера NE555

В соответствии с монтажной схемой, находятся элементы из перечня библиотек нижней панели и устанавливаются на рабочем поле - левой выделяется, а правой фиксируется. Справа в окне Design Manager автоматически фиксируются все элементы схемы (см. рисунок 3.7).

Резисторы R1-R4, конденсатор С и светодиод D3 выбираются в библиотеке Discrete - RES400, RES500, CAP250, LED . Два диода VD1-VD2 типа DIODE_0142 Disc_SMD, а источник питания В1 типа 101 в BAT (battery).  Для удаления участка цепи нужно навести курсов и нажать Delete, например, для переделывания уже имеющейся схемы.

В этой программе моделирование не производится и поэтому конкретные номиналы не важны, а только размеры элементов и правильность набора самой схемы. Обязательно сохранить Save as в формате .dch и только после этого можно переходить к программе-трассировщику PCB Layout.

Для этого в меню File  нажать на Convert PCB и уже на рабочем поле осуществить расстановку элементов, близкую к ручной. Затем в меню Route (трассировка)  нажать на Run Autorouter (автотрассировщик). Размер платы установится автоматически.

Рисунок 3.7 - Схема мультивибратора в Schematic

Рисунок 3.8 - Печатная плата мультивибратора

Копирование схем рекомендуется через программу Paint, предварительно скопировав экран кнопкой Prt Scr клавиатуры.

В действительности, программа очень сложная и с большими функциональными возможностями. Самое главное в данной РГР - знакомство с САПР и программой получения PCB (печатная плата).

Программа Proteus, также состоящая из 2-х программ: ISIS - программа моделирования электронных схем, которая рисует и моделирует (самый мощный «склад» элементов, включая микроконтроллеры) и ARES - программа-трассировщик печатных плат, т.е. два в одном. Но есть и недостатки, главные из которых - сложность и, как следствие, много ошибок.

3.3 Содержание отчета

Цель работы.

Печатная плата ручной трассировки (эскиз).

Схема в Schematic.

Печатная плата в PCB Layout.

Выводы.

Список литературы

1. Васильев А.Н. MATLAB. Практический подход. - СПб.: Наука и Техника, 2012. - 448 с.

2. Влах И.,  Сингхал К. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем. − М.: Радио и связь, 2008. − 560 с.

3. Дьяконов В.П. VisSim+Mathcad+MATLAB. Визуальное математическое моделирование. – М.: СОЛОН-Пресс, 2009. – 384 с.

4. Дьяконов В. П. Справочник по применению системы PC MATLAB. - М.: Физматлит, 2011. - 112 с.

5. Хайнеман  Р.  Моделирование  работы  электронных  схем. - М.: ДМК Пресс, 2005. - 336 с.

Содержание

Введение

3

1 РГР №1. Моделирование схем на основе NE555

3

2 РГР №2. Моделирование активного ВЧ-фильтра

9

3 РГР №3. Разработка печатной платы в Diptrace

13

Список литературы 

18

Св. план 2014 г., поз.203   

Бахытжан Сергеевич Байкенов
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ
Методические указания по выполнению расчетно-графических работ
для студентов специальности 5В071600 – Приборостроение

Редактор Л.Т.Сластихина
Специалист по стандартизации    Н.К. Молдабекова

Подписано в печать  ___________
Тираж  30 экз.
Объем  1,19  уч. изд. л. 
Формат 60х84/16
Бумага типографская  № 1
Заказ_____Цена             тг.

Копировально-множительное бюро
Некоммерческого акционерного общества
«Алматинский университет энергетики и связи»
050013, Алматы, ул. Байтурсынова, 126