Алматинский институт энергетики и связи

Кафедра электроники и компьютерных технологий

Аналоговые электронные устройства

Методические указания к выполнению курсовой работы

(для студентов всех форм обучения специальностей 350140

– Промышленная электроника и 370340 – Организация и

технология защиты информации)

Алматы 2004

СОСТАВИТЕЛЬ: Б.Б. Ордабаев. Аналоговые электронные устройства.Методические указания по выполнению курсовой работы (для студентов всех форм обучения специальностей 350340 – Промышленная электрони- ка и 370340 – Организация и технология защиты информации). - Алматы: АИЭС, 2004. - 15 с.

Методические указания содержат индивидуальные задания на курсо- вые работы, рекомендации по их выполнению, требования к содержанию и оформлению, а также список литературы. Курсовая работа включает в себя составление функциональной схемы устройства, производящего обработку входных сигналов в соответствии с заданной формулой, выбор и электри- ческий расчёт функциональных узлов, разработку печатной платы одного из узлов, тестирование электрической схемы с помощью программных продуктов.

Методические указания предназначены для студентов всех форм обуче- ния специальностей 350140 и 370340.

Работа может быть полезна при выполнении УИР и дипломного про- ектирования всех специальностей факультета радиотехники и связи.

Табл. 2 , библиогр. – 55 назв.

Рецензент: доц. каф.

Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2004 г.

Алматинский институт энергетики и связи , 2004 г.

Содержание

Введение…………………………………………………………….4

1 Задание на курсовую работу…………………………………….4

2 Содержание курсовой работы и требования к оформлению….5

3 Методические рекомендации по выполнению работы………..6

Приложение А..……...……….………………………………….10

Приложение Б...………………………………………………….11

Список литературы……………………………………………....12

Введение

Курсовая работа по дисциплине «Аналоговые электронные устрой- ства» завершает базовую схемотехническую подготовку студентов специ- альнстей 350140 и 370340 по аналоговой электронной схемотехнике. За- дачей проектирования является углубление знаний, полученных при изу- чении курса, а также развитие навыков самостоятельной работы с техни- ческой и справочной литературой. Задания на курсовые работы индиви- дуальны и выполнение их заключается в разработке функционально-зако- нченного устройства, содержащего аналоговые и аналогово-цифровые узлы с элементами индикации.

В методических указаниях даётся перечень индивидуальных заданий на проектирование, изложены требования к оформлению, приведены реко- мендации по выполнению работы и список литературы. Знания, приобре- тённые студентами при выполнении курсовой работы, могут оказаться полезными в УИР, а также при дипломном проектировании всех специаль- ностей факультета радиотехники и связи.

1 Задание на курсовую работу

В качестве задания предлагается проектирование аналогового элек- тронного устройства, осуществляющего обработку входных сигналов по заданному математическому выражению. Подобного рода устройства находят широкое применение в различных отраслях науки и техники.

В качестве входных сигналов присутствуют сообщения различного рода: постоянные и переменные напряжения и токи, сигналы в виде им- пульсов уровня ТТЛ с изменяемой частотой, сигналы, выраженные изме- нениями активного сопротивления. После обработки сигналов в соответ- ствии с формулой устройство должно представить результат на выходе. Выходной сигнал также имеет различные виды в зависимости от варианта задания: ток, напряжение, частотно-модулированные (ЧМ) импульсы.

Проектирование устройства включает в себя:

- выбор функциональной схемы устройства;

- выбор типов отдельных функциональных узлов;

- согласование отдельных узлов друг с другом как по уровням сигналов, так и по входным и выходным сопротивлениям;

- выбор режимов работы отдельных узлов, обеспечивающих

условия согласования;

- электрический расчёт узлов устройства;

- вычерчивание полной электрической схемы устройства;

- тестирование устройства с помощью программных продуктов

(напр., Electronics Workbench);

- разработка печатной платы одного из узлов;

- составление спецификации выбранных и расчитанных компонентов.

2 Содержание курсовой работы и требования к оформлению

2.1 Содержание пояснительной записки и графической части

2.1.1 Курсовая работа должна содержать расчётно-пояснительную записку объёмом 20 – 25 листов рукописного или машинописного текста и 2 листа графического материала формата А4 , А3.

2.1.2 Расчётно-пояснительная записка включает: титульный лист; техническое задание; содержание; введение; основную часть с подробным описанием выбора функциональной схемы устройства, принципиальных схем отдельных узлов с описаниями их работы, справочными данными и харак- теристиками применяемых компонентов; расчёты, в том числе и резуль- таты машинных расчётов; заключение; список использованной литературы; приложения.

2.1.3 На листах графической части приводятся: функциональная и прин- ципиальная схемы устройства, временные диаграммы, поясняющие работу устройства и его отдельных узлов.

2.2 Требования к оформлению

2.2.1 Пояснительная записка выполняется на листах формата А4

(210 х 297) и должна быть переплетена. Текст разбивается на разделы, снабжённые заголовками, и иллюстрируется необходимыми для расчёта схемами и характеристиками, выполненными на миллиметровой бумаге в соответствии с требованиями ГОСТ. Описание должно сопровождаться ссылками, страницы должны быть пронумерованы, начиная со второй, сни- зу посредине без точки. На странице 1 (титульный лист) номер страницы не ставится.

2.2.2 Графический материал выполняется с соблюдением требова-

ний ЕСКД . Спецификация на элементы оформляется на стандартном листе бумаги формата А4 и представляется в расчётно-пояснительной записке. При выборе номиналов элементов следует использовать ГОСТ на шкалы номинальных значений резисторов и конденсаторов.

2.2.3 Расчётные формулы должны быть приведены полностью с поя-

снениями буквенных обозначений и ссылками на соответствующую литературу.

2.2.4 Блок-схемы алгоритмов машинного анализа и расчёта, а так- же распечатки программ выносятся в приложения.

2.2.5 В заключении необходимо отразить особенности разрабатыва-

емого устройства и его основных узлов на уровне функциональной и принципиальной схем. Привести результаты сравнительного анализа расчётных значений основных параметров устройства с требованиями технического задания, а также результаты ручного и машинного анализа. Дать краткое сравнение возможных альтернативных вариантов схемотехнических решений, обеспечивающих выполнение требований технического задания. Указать возможные области применения разработанного устройства.

3 Методические указания по выполнению курсовой работы

При выполнении курсовой работы следует пользоваться следующи- ми рекомендациями.

3.1 Выбор варианта задания

Исходными данными для начала работы над проектом являются : выбранная тема задания ( табл.1), характеристики и параметры входных и

выходных сигналов (табл.2), а также могущие возникнуть дополнитель-

ные условия, которые согласуются с преподавателем.

3.2 Разработка функциональной схемы устройства

3.2.1 Данный этап проектирования является наиболее ответствен-ной и творческой частью работы. Для начала необходимо по рекомен- дованным и подобранным самостоятельно литературным источникам ознакомиться с назначением, принципом действия и схемотехническими особенностями устройств аналоговой обработки сигналов, которые могут быть применены в устройстве, преобразующем входные сигналы в соответствии с заданным выражением зависимости выходного сигнала от входных (сумматоры, вычитатели, умножители, делители, квадраторы и т. д.). При выборе и обосновании технических решений, учитывая современные тенденции развития электроники, следует отдавать предпочтение схемным решениям на базе интегральных микросхем.

3.2.2 При разработке функциональной схемы следует начертить временные диаграммы входных сигналов с тем, чтобы проверить, возможно ли тот или иной входной сигнал подать непосредственно на вход схемы, выполняющей некоторую математическую операцию. Среди входных сигналов имеются не только постоянные напряжения, но и переменные напряжения и токи, ЧМ-сигналы в виде синусоидальных и импульсных напряжений, а также сигналы, выраженные в виде изменений активного сопротивления. Очевидно, что подобного рода сигналы необходимо сначала преобразовать в форму постоянного напря- жения при помощи соотвестствующих схем: прецизионные выпрямители, преобразователи тока в напряжение (ПТН), частоты в напряжение (ПЧН), сопротивления в напряжение (ПСН).

Выходные сигналы тоже могут быть заданы не только в форме посто- янного напряжения, но и в форме тока или в виде импульсов с изменяе- мой частотой. В подобных случаях выходными узлами должны служить соответственно усилитель с токовым выходом и преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ).

Необходимо согласование выходного каскада устройства с нагрузкой, при этом нужно иметь в виду, что микросхемы операционных усилите- лей (ОУ) обеспечивают максимальную амплитуду выходного апряжения до 10 В на активной нагрузке сопротивлением не менее 1,5…2 кОм, т.е. дают максимальный выходной ток 2…5 мА. Если же по техничес- кому заданию требуется обеспечить большую величину тока в нагруз- ке, то необходимо использовать буферный каскад в виде схемы повтори- теля, а если техническое задание требует большего значения выходного напряжения, то на выходе следует применить транзисторный усилитель- ный каскад с более высоким напряжением питания.

3.3 Принципиальная схема

После окончательного выбора функциональной схемы разрабаты- вается принципиальная электрическая схема устройства. Поскольку в за- даниях не оговариваются требования к точности устройства, то при выборе узлов следует ориентироваться на более простые схемы, работу которых проанализировать легче.

3.3.1 На основаниии сведений из просмотренной литературы, конс-

пектов лекций и справочного материала следует провести сравнитель- ный анализ схемотехнических решений отдельных узлов функциона- льной схемы и выбрать из них такое, которое более полно отвечает тре- бованиям технического задания и удовлетворяет заданным электрическим параметрам.

Необходимо не упускать из виду соблюдение фазовых соотношений между входными сигналами с одной стороны и выходными сигналами узлов с тем, чтобы были соблюдены знаковые соотношения между вход- ными сигналами и выходным сигналом устройства в целом.

3.3.2 Особого внимания заслуживает вопрос согласования уровней

входных и выходных напряжений отдельных каскадов друг с другом, при этом главным условием согласования является обеспечение режимов работы ОУ, при которых их выходные сигналы пребывают в линейной области. В целях упрощения расчётов согласования уровней принимаем равными 1 все масштабные коэффициенты при входных сигналах. В тех случаях, когда значения входных сигналов согласно техническому зада- нию велики для работы ОУ в линейном режиме, то их следует уменьшить с помощью делителей напряжения. Если же выходной сигнал какого- либо узла не дотягивает до нужного уровня входного сигнала следу- ющего узла, то следует использовать активный буферный каскад.

3.3.3 Электропитание всех узлов устройства желательно осущест-вить от одного источника, используя схемы развязывающих фильтров типа RC и параметрических стабилизаторов напряжения. Расчёт источ- ика питания в курсовую работу не входит, но нужно определить обо- бщённые данные по его выходу: напряжение, ток, коэффициент стаби- лизации.

3.4 Электрический расчёт схемы

3.4.1 Расчёт производится с целью получения требуемых техни- ческим заданием параметров устройства: форма и значение выходного сигнала на заданном нагрузочном сопротивлении; выбора элементной базы, определения номиналов пассивных элементов. Для выбора элемен- тной базы можно пользоваться справочниками стран СНГ, а также и ли- тературой стран дальнего зарубежья. В любом случае необходимо при- водить в пояснительной записке сведения об основных параметрах вы- бранных элементов.

3.4.2 Задания на проектирование индивидуальны, в то же время следует придерживаться общих для всех рекомендаций. В соответствии с рабочей формулой устройства необходимо установить, при каких граничных значениях входных сигналов выходной сигнал будет иметь минимальное и максимальное значения. Это даст возможность определить или выбрать граничные величины входного сигнала оконечного узла. Затем нужно вычислить требуемые величины сигналов на выходах промежуточных узлов с тем, чтобы подобрать подходящие значения масштабных коэффициентов для каждого из них. При согласовании уровней сигналов на входах и выходах узлов нужно помнить о величине максимального значения выходного сигнала ОУ, которое берётся из справочника.

3.4.3 По окончании расчёта электрической схемы необходимо прове- сти испытания устройства с помощью программных продуктов, например, Electronics Workbench . Тестирование следует вести, подавая на входы несколько значений каждого из сигналов в пределах их диапазонов, и регистрировать соответствующие изменения выходного сигнала. При этом выходной сигнал должен изменяться в соответствии с заданной формулой.

3.5 Разработка печатной платы

3.5.1 При разработке печатной платы под монтаж одного из узлов, а также правильного выполнения чертежа печатной платы необходимо предварительно ознакомиться с требованиями стандарта.

3.5.2 Учитывая доминирующий в настоящее время функциональ- номодульный принцип компоновки аппаратуры, необходимо обеспе- чить возможность сопряжения устройства, выполненного по печатной технологии, через стандартный разъём с источником питания, нагрузкой, схемами коммутации и внешними регулировками. Последнее требование должно быть учтено и при разработке принципиальной схемы устройства.

Приложение А

Таблица 1 – Задания на проектирование устройства

Последняя цифра зачётки	Выражение зависимости выходного сигнала Y от входных сигналов: Х1, Х2, Х3, Х4	Cопротивление нагрузки Rн, ом
0	Y = (X1 + lnX2) * X3 + X4	2000
1	Y = X1*X2 / lnX3 – X4	100
2	Y = ln( X1 + X2) * X3 – X4	10000
3	Y = (X1 + X2) / lnX3 – X4	200
4	Y = X1 * ( X2 + lnX3) + X4	300
5	Y = X1*( X2 + X3) +ln X4	500
6	Y = X1 – X2 / X3 + X4	5000
7	Y = ( X1 + X2 ) * ( X1 + X3 ) + ln X4	150
8	Y = X1 – X2 *( X1 + X3 ) + ln X4	400
9	Y = X1 – ( X2 + X3*X4 )	2000

Приложение Б

Таблица 2 – Параметры входных и выходных сигналов

Предп-ослед-

няя цифра

зачётки

Входные сигналы

Выходной

Сигнал

Х1

Х2

Х3

Х4

Активное соп-

ротивление

200…400 Ом

I пост. =

= - 5…+5мА.

U пост. =

= 2 …10 мВ.

Прямоуг. имп-

ульсы ТТЛ

f = 0…2 кГц.

U пост. =

= - 5…+5 В.

U пост. =

= 0…+10мВ.

I синус. =

=0…+1мА,

f = 2 кГц.

Uсинус =

=1…5 мВ ,

f = 10 кГц

Прямоуг. имп-

ульсы ТТЛ

f = 0…1 кГц.

I пост. =

= 0…+20 мА.

Uпост. =

= - 2…0 В.

I синус. =

= 0…1 мА.

f = 4 кГц.

Прямоуг.им

пульсы ТТЛ

f = 2…5 кГц.

U синус. =

= 1…4 мВ

f = 400 Гц.

U пост. =

= 0…10 В

U синус. =

= 0…5 мВ,

f = 1 кГц.

I пост. =

= -10…0 мА.

Активное соп-

ротивление

200…300 Ом

Прямоуг. им-

пульсы ТТЛ

1…5 кГц.

U пост. =

= - 5…0 В.

U пост. =

= - 5…+ 5 мВ.

U синус =

= 2…10 мВ.

I пост. =

= +10…+20мA,

Синус. сигнал

f = 1…2кГц,

U = 100 мВ.

I пост. =

= - 20…+20мА.

I пост. =

= - 20…0 мА

U синус =

= 10…50 мВ,

f = 10 кГц.

I синус =

= - 4…-1 мА.

U пост. =

= 0…- 20 мВ.

U пост. =

= 0…4 В.

I пост. =

= 0…10 мА.

Uпост. =

= - 10…+10 мВ

Uсинус. =

= 10…20 мВ.

f = 2 кГц.

Прямоуг. им-

пульсы ТТЛ:

10…60 кГц.

Iпост. =

= 0…10 мА.

Активное соп-

ротивление

50…100 Ом

I синус. =

= 0…20 мА,

f = 40 кГц.

U пост. =

= -10…+10 мВ.

I пост. =

= - 5…+ 5 мА.

U пост. =

= - 5…+ 5 В.

I синус =

= 0…10 мА

f = 1 кГц.

U пост. =

= 0…20 мВ,

I пост. =

= - 5…+ 5 мА.

U синус. =

= 0…10 мВ

f = 5 кГц.

Прямоуг. им-

пульсы ТТЛ:

0…10 кГц.

U синус. =

= 10…50 мВ.

f = ! кГц.

I пост. =

= - 40…0 мА.

I синус. =

= 2…10 мА.

F = 400Гц.

Uпост. =

= 0…10 мВ.

Прямоуг. им-

пульсы ТТЛ:

0…40 кГц.

Список литературы

1. Гусев В.Г. , Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высшая школа , 1991.

2. Горошков Б.И. Радиоэлектронные устройства: Справочник.- М. :Радио и связь , 1984.

3. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства: Учебник для ВУЗов. –М. : Радио и связь , 1983.

4. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для ВУЗов. – М. : Радио и связь , 1997.

5. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – М. : Энергоатомиздат , 1998.

6. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. – М. : Радио и связь , 1981.

7. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. – М. : Радио и связь, 1985.

8. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. – М. : Советское радио , 1974.

9. Ленк Дж. Электронные схемы / Практическое руководство. – М. : Мир , 1985.

10. Нестеренко Б.К. Интегральные операционные усилители: справочное пособие по применению. – М. : Энергоатомиздат , 1982.

11. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т. 1,2. – М.: Мир, 1984.

12. Титцке У., Шенк Д. Полупроводниковая схемотехника. – М.: Мир,1982.

13. Проектирование радиоэлектронных устройств на интегральных микросхемах / Под ред. С.Я. Шаца. – М.: Советское радио , 1976.

14. Коломбет Е.А., Юркович К., Зодл Я. Применение аналоговых микросхем. – М.: Радио и связь , 1990.

15. Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справочное пособие. – М.: Радио и связь , 1989.

16. Кауфман М., Сидман А. Практическое руководство по расчётам схем в электронике: Справочник в 2 томах. - М.: Энергоатомиздат , 1993.

17. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. – М.: Радио и связь , 1991.

18. Воробьёв Н.И. Проектирование электронных устройств. – М.: Радио и связь , 1989.

19. Шило В.Л . Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. – М.: Советское радио , 1979.

20. Шило В.Л. Функциональные аналоговые ИМС. – М.: Радио и связь , 1982.

21. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы / Справочник.-Челябинск: Металлургия , 1989.

22. Тимонтеев В.И., Величко Л.М. Аналоговые перемножители си- гналов в радиоэлектронной аппаратуре. – М.: Радио и связь , 1982.

23. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы АЦП И ЦАП. – М .: Радио и связь , 1991.

24. Современные линейные интегральные микросхемы и их применение: Пер с англ. / Под ред. М.В. Гальперина. – М. : Энергия , 1980.

25. Кофлин У., Дрисколл У. Операционные усилители и линейные интегральные схемы. – М.: Мир , 1980.

26. Гальперин М.В., Злобин Ю.П., Павленко В.А. Усилители постоян- ного тока. – М . : Энергия , 1978.

27. Функциональные устройства на микросхемах / Под ред. В.З. Найдерова. – М.: Радио и связь , 1985.

28. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях : Справочник. – Киев.: Техника , 1983.

29. Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. – М. : Энергоатомиздат , 1983.

30. Пейтон А.Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях : Практическое руководство. – М. : Бином , 1994.

31. Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и линейных ИС. – М. : Мир , 1985.

32. Фролкин В.Т., Попов Л.К. Импульсные и цифровые устройства.-М.: Радио и связь , 1992.

33. Брамер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсная техника. – М. : Высшая школа , 1985.

34. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных схемах : Справочник. – М. : Радио и связь ,1990.

35. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. – М. : ВШ , 1982.

36. Ерофеев Ю.Н. Импульсная техника . – М. : Высшая школа , 1984.

37. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для ВУЗов. – М. : Радио и связь , 1996.

38. Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. – М.: Связь , 1980.

39. Варакин И.В. Бестрансформаторные усилители мощности. М. :Связь , 1978 .

40. Справочная книга радиолюбителя – конструктора / Под ред. Чистякова Н.И. – М. : Радио и связь , 1990.

41. Гольденберг Л.М. Расчёт и проектирование импульсных устройств . М. : Связь , 1975.

42. Аналоговые интегральные микросхемы : Справочник / Кудряшов В.Д. и др. – М .: Радио и связь , 1991.

43. Интегральные микросхемы : Справочник / Б.В. Тарабрин А.Ф.,Лунин и др. Под ред. Б.В. Тарабрина. – М. : Радио и связь , 1984.

44. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы : Справочник /Под ред. Н.Н. Горюнова. – М. : Энергоатомиздат , 1986.

45. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы : Справочник/ Под ред. С.В. Якубовского. – М. : Радио и связь , 1990.

46. Транзисторы для аппаратуры широкого применения : Справочник/ Под ред. В.Л. Перельмана . – М. : Радио и связь , 1982.

47. Атаев Д.И. , Болотников В.А. Аналоговые интегральные микро -схемы для бытовой аппаратуры : Справочник. – М. : Радио и связь , 1991.

48. Булычев А.Л., Галкин В.И., Прохоренко В.А. Аналоговые интегральные схемы : Справочник. – Минск : Беларусь , 1993.

49. Капустян В.И. Проектирование активных RC – фильтров высоко- го порядка. - М.: Радио и связь, 1982.

50. Справочник по расчёту и проектированию ARC – схем. Под ред. А. А. Ланне. – М.: Радио и связь , 1984.

51. Джонсон Дж., Джонсон Д., Мур Г. Справочник по активным фильтрам. – М.: Радио и связь , 1983 .

52. Мошиц Т., Хорн П. Проектирование активных фильтров . – М.: Радио и связь , 1984.

53. Проектирование усилительных устройств / Под ред . Н. В. Тер-пугова. – М.: Радио и связь , 1983.

54. Маклюков М.И. Инженерный синтез активных RC – фильтров низких и инфранизких частот. – М.: Энергия , 1971 .

Сводный план 2003 г., поз. 107