Моделирование и анализ электронных схем на ЭВМ
Моделирование и анализ электронных схем на ЭВМ
_PAGE _1_ 4 Министерство образования Российской Федерации Уральский государственный технический университет - УПИ Кафедра РЭИС УМЗЧ для автомобильного радиокомплексаПояснительная записка к курсовой работе"МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ НА ЭВМ"по курсу "Автоматизированное проектирование РЭС"2301 000 0ИЗ 50 ПЗЕкатеринбург 2005СодержаниеСодержаниеСписок условных обозначенийВведение1. Техническое задание2. Основная часть 2.1 Анализ технического задания 2.2Выбор проектных процедур анализа2.3 Анализ схемы по постоянному току2.4 Анализ схемы по переменному току2.5 Анализ переходных процессов2.6 Анализ частотных свойств2.7 Анализ спектральной плотности внутренего шума2.8 Анализ Фурье - гармоник 2.9 Анализ характеристик на влияния температуры 2.10 Анализ характеристик при применении процедуры WCASEЗаключениеСписок литературыПриложение 1: Принципиальная схема усилителя мощностиПриложение 2: Амплитудно-частотная характеристикаПриложение 3: Шумовая характеристика Приложение 4: Амплитудно-шумовая характеристика Приложение 5: График скорости нарастания выходного напряжения Приложение 6: График выходного напряжения при процедуре WCASE Приложение 7: Выходной файл Список условных обозначений В ходе выполнения данной работы в пояснительной записке использованы следующие условные обозначения и сокращения: ПК - персональный компьютер; ЭВМ - электронная вычислительная машина; ТЗ - техническое задание. ПО - программное обеспечение; РЭА - радиоэлектронная аппаратура; РЭУ - радиоэлектронное устройство; РЭС - радиоэлектронная схема; ООС - отрицательная обратная связь; ЗЧ - звуковая частота; УМЗЧ - усилитель мощности звуковой частоты АЧХ - амплитудно-частотная характеристика ВведениеВнедpение в инженеpную пpактику методов автоматизированного пpоектиpования позволило пеpейти от тpадиционного макетиpования pазpабатываемой аппаpатуpы к ее моделиpованию с помощью ПК. И более того, с помощью ПК возможно осуществить цикл сквозного проектиpования, включающий в себя:синтез структуры и принципиальной схемы устройства;анализ его характеристик в различных режимах с учетом разброса параметров компонентов, наличия дестабилизиpующих факторов и паметрическую оптимизацию;синтез топологии, включая размещение элементов на плате или кристалле и pазводку межсоединений;выпуск конструкторской документации.В настоящее время для схемотехнического проектирования аналоговой радиоаппаратуры наиболее распространены в мире программы семейства PSpice фирмы "MicroSim Corp". Они имеют наиболее полную библиотеку математических моделей полупроводниковых компонентов. Описание схемы вводится в программу двояко: в списочном виде с помощью любого текстового pедактоpа для OrCad или в виде пpинципиальной электpической схемы с помощью гpафических pедактоpов систем P-CAD, Micro-Cap.1. Техническое заданиеПри выполнении работы предполагается:ознакомление с современным на сегодняшний день ПО, предназначенным для схемотехнического моделирования и анализа аналоговой и аналого-цифровой РЭА;ознакомление и изучение основных проектных процедур схемотехнического этапа проектирования РЭА;закрепление и углубление знаний методов расчета РЭУ и элементной базы РЭА;оценка возможностей исследованного ПО по анализу РЭС;Необходимо смоделировать УМЗЧ с целью проверить соответствие его характеристик техническим требованиям, предъявляемым к данному типу устройств, а также получить, по возможности, дополнительные сведения об этом устройстве. Основные технические характеристики усилителяНоминальный диапазон частот, Гц 20...20000Номинальная выходная мощность , Вт ,при напряжении питания 13,2В, и сопротивлении нагрузки, Ом 44 6Коэффициент гармоник, %, не более , при номинальной выходной мощности, на частоте, Гц:0,055 1000 0,0510000 0,05520000 0,08Входное сопротивление, кОм 47Cкорость нарастания выходного напряжения , В/мкс, не менее 3Отношение сигнал/шум (невзвешенное), дБ 80Отношение сигнал/фон , дБ 70Ток покоя , мА , при напряжении источника питания ,13,2B 50Коэффициент полезного действия при номинальнойВыходной мощности , % 472. Основная часть2.1 Анализ технического заданияПри разработке данного усилителя мощности ЗЧ для автомобильных и переносных радиокомплексов было проанализировано и проверено экспериментально большое число схемотехнических решений усилителей аналогичного назначения. Цель исследований - определение схемотехнического решения усилителя ЗЧ ,позволяющего получить наилучшие технические характеристики при наименьшем числе деталей , небольшой трудоемкости изготовления и простоте настройки.Как выяснилось , полнее всего этим требованиям удовлетворяет усилитель мощности на базе “параллельного” усилителя. Однако двуполярное питание и относительно большой уровень нелинейных искажений вследствие использования диодного коммутатора не позволили воспользоваться этой оригинальной схемой применительно к автомобильной радиоаппаратуре с низковольтным питанием. Поэтому была проведена соответствующая доработка данного усилителя, в результате которой удалось создать УМЗЧ, питающийся от однополярного низковольтного источника и обладающий высокой линейностью.Работоспособность усилителя сохраняется при изменении напряжения источника питания от 6 до 16В и колебаниях температуры окружающей среды от -40 до +60 оС.Принципиальная схема усилителя приведена в приложении 1. Он состоит из фазоинверторного каскада на транзисторе VT1 и двухканального усилителя мощности на ОУ DA1,DA2 и транзисторах VT3,VT5,VT7,VT8 и VT4,VT6,VT9,VT10, включенных по мостовой схеме. Входной сигнал поступает на инвертирующие входы ОУ, неинвертирующие же входы подключены к делителю напряжения, образованному переменным резистором R8, в результате чего мост оказывается сбалансированным по постоянному току в широком диапазоне напряжений источника питания. В среднем положении движка резистора R8 постоянное напряжение на эмиттерах транзисторов VT7,VT8,VT9 и VT10 примерно равно половине напряжения источника питания.Идентичность каналов УМЗЧ, а также наличие возможности регулирования напряжения смещения на выходе ОУ DA2 резистором R14, позволили ограничить постоянное напряжение на выходе усилителя очень небольшой величиной (единицы милливольт), которое к тому же практически не меняется в широком диапазоне температуры окружающей среды и питающего напряжения. Включенный в цепь ООС R15C7R9C3 подстроечный резистор R13 обеспечивает возможность установки одинаковых уровней противофазных напряжений на выходах каналов и получение максимально возможной при данном напряжении питания выходной мощности УМЗЧ.Отсутствие в усилителе разделительных электролитических конденсаторов большой емкости исключает перегрузку громкоговорителя, вследствие переходных процессов в момент включения и выключения питания, а также подключения к аккумулятору мощных потребителей электроэнергии (стартера, указателей поворотов, электродвигателя вентилятора системы охлаждения) в случае эксплуатации конструкции в работающем автомобиле.2.2 Выбор проектных процедур анализаИсходя из ТЗ будем выполнять следующие процедуры: анализ режима цепи по постоянному току; анализ режима цепи по переменному току; анализ переходных процессов при воздействии синусоидального сигнала; анализ частотных характеристик; анализ спектральной плотности внутреннего шума; анализ Фурье гармоник отклика цепи на синусоидальный сигнал; анализ характеристик на влияния температуры; анализ характеристик при применении процедуры WCASE 2.3 Анализ схемы по постоянному току При анализе режима цепи по постоянному току настраивается рабочая точка УМЗЧ. При расширенном анализе на постоянном токе проводится исследование чувствительности рабочей точки. Анализ переходных процессов при воздействии различных сигналов, а также анализ Фурье гармоник отклика цепи на синусоидальный сигнал проводится для определения уровня номинальной и максимальной выходной мощности, а также уровня нелинейных искажений при номинальном входном напряжении. 2.4 Анализ схемы по переменному току В данной части работы проводился анализ изменения токов и напряжений во времени, прослеживалось прохождение полезного сигнала от входа до выхода при подаче на вход синусоидального сигнала с частотой 1кГц. По виду выходного напряжения и тока видно, что сигнал подаваемый на вход проходит через усилитель без искажений. Коэффициент нелинейных искажений составил 0,023%.2.5 Анализ переходных процессовВ данной части работы проводился анализ переходных процессов при воздействии прямоугольного импульса с целью измерения скорости нарастания выходного напряжения. Для этого на вход схемы подавался импульсный сигнал и строилась зависимость производной напряжения на выходе от времени в режиме Transient анализа. Из полученных результатов видно, что скорость нарастания выходного напряжения составляет около 0,5 В/мкс. 2.6 Анализ частотных свойств В данной части работы проводилась проверка удовлетворения требований УМ по номинальному диапазону частот и необходимой равномерности АЧХ в рабочей полосе частот. Кроме того, проводился анализ спектральной плотности внутреннего шума УМ, при котором определяется относительный уровень шумов. По АЧХ видно, что полоса пропускания получилась больше, чем в описании. 2.7 Анализ спектральной плотности внутреннего шумаАнализ спектральной плотности внутреннего шума позволяет оценить относительный уровень внутренних шумов усилителя. Резисторы и объёмные сопротивления транзисторов являются источниками теплового шума; кроме того, полупроводниковые приборы имеют дробовый шум и Фликкер-шум.2.8 Анализ Фурье гармоникВ данной части работы проводились исследования, целью которых была оценка уровня нелинейных искажений, методом анализа Фурье гармоник отклика цепи на синусоидальный сигнал. 2.9 Анализ влияния температуры на характеристикиВ данной части работы проводились исследования, целью которых была оценка влияния температуры и разброса параметров применяемых элементов на основные характеристики УМЗЧ.Анализ работы схемы при различных значениях температуры окружающей среды показал, что усилитель сохраняет работоспособность при повышенных и пониженных температурах. 2.10 Анализ характеристик при применении процедуры WCASEАнализ характеристик для наихудшего случая проводится с помощью процедуры WCASE. В этой процедуре можно изменять выбранный параметр в наихудшую сторону с заданным процентом изменения. ЗаключениеВ ходе выполнения данной работы был смоделирован УМЗЧ для автомобильного радиокомплекса. Основной целью была проверка соответствия технических характеристик данного УМЗЧ характеристикам, описанным в исходной статье, их исправление и дополнение.При анализе схемы данного усилителя был изучен программный пакет OrCad 9.0, а для иллюстрации схемы использовалась программа Eelctronic Worcbench 5.0. В результате исследования УМЗЧ при помощи пакета OrCad 9.0 были получены его основные технические характеристики :Номинальный диапазон частот, Гц 5...65000Выходная мощность , Вт ,при напряжении питания 13,2 В, сопротивлении нагрузки 4 Ом ,Uвх=1В 3Коэффициент гармоник, %, не более , при номинальной выходной мощности, на частоте 1000 Гц: 0,023Cкорость нарастания выходного напряжения , В/мкс 0,5Отношение сигнал/шум, дБ 100Коэффициент полезного действия при номинальнойВыходной мощности , % 88Список литературы1. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР: Учебник для вузов. М.: Высш. шк., 1990. 335 с. 2. В.П. Корячко, В.М. Курейчик, И.П. Норенков. Теоретические основы САПР: Учебник для вузов М.: Энергоатомиздат, 1987. 400 с. 3. Справочник по САПР/А.П. Буда, А.Е. Копонюк, Г.П. Куценко и др./Под ред. В.И. Скурихина. Киев: Техника, 1988. 375 с. 4. Автоматизация схемотехнического проектирования: Учебное пособие для вузов/ В.Н. Ильин, В.Т. Фролкин, А.И. Бутко и др./ Под ред. В.Н. Ильина. М.: Радио и связь, 1987. 268 с. 5. Системы автоматизированного проектирования: Учеб. пособие для втузов: В 9-ти кн./ Под ред. И.П. Норенкова. Кн.3: В.Г. Федорук, В.М. Черненький. Информационное и прикладное программное обеспечение. М.: Высш. шк. 1986. 159 с. 6. Машинные методы расчета и проектирования систем электросвязи и управления: Учеб. пособие/А.Н. Дмитриев и др. М.: Радио и связь, 1990. 270 с. 7. Системы автоматизированного проектирования электромеханических устройств: Учеб. пособие для вузов/И.Н. Орлов, С.И. Маслов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 296 с. 8. Влах И., Сингхал К. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем. М.: Радио и связь, 1988. 560 с. 9. Кийко В.В. Программное обеспечение курса АПРЭС: Методические указания по курсу "Автоматизированное проектирование радиоэлектронных схем". Екатеринбург, изд. УПИ им. С.М. Кирова, 1992. 40 с. 10. Кийко В.В. Моделирование и анализ электронных схем на ЭВМ: Методические указания к курсовой работе по дисциплине "Автоматизированное проектирование радиоэлектронных схем". Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1994. 40 с. Приложение1Приложение 2-60 27 80Приложение 3-60 27 80Приложение 4 -60 27 80Приложение 5Приложение 6**** 01/25/95 16:33:57 ********* PSpice 9.0 (Nov 1998) ******** ID# 0 ********Chistjakov M.***R-385***UM**** CIRCUIT DESCRIPTION******************************************************************************OPT ACCT LIST NODE OPTS NOPAGE RELTOL=1E-4.WIDTH OUT 80.TEMP -60 27 80 .AC DEC 20 0.1 2000KHZ.TRAN/OP 10uS 2mS.SENS V(4,3).NOISE V(4) VIN .FOUR 1KHZ V(2) V(4,3) .WCase TRAN V(4,3) YMAX DEVICES Q.PROBE**************************************V0 1 0 DC 13.2VIN 2 0 AC 1V SIN(0 1 1000)*VIN 2 0 PULSE(0 1V 0 0 0 50uS 2mS)**************Resistors***************R1 5 6 240KR2 5 0 120K R3 7 6 8.2K R4 8 0 8.2K R5 10 6 470 R6 23 9 120K R7 9 3 300KR8_1 10 15 5K***R8_2 15 0 11K***R9 12 13 120KR10 15 16 120K R11 15 27 120KR12 1 11 4.7KR13_1 14 13 30K***R13_2 13 13 38K*** R15 4 14 270KR16 1 18 1K R17 1 22 1K R18 19 0 1K R19 20 0 1K Rn 4 3 4*****************Capacitors***************C1 2 5 680NC2 6 0 47UC3 7 12 330NC4 8 23 330NC5 9 3 5.1PC6 11 0 47UC7 4 13 5.1PC8 1 0 330NC9 1 0 4700U**************Transistors*************Q1 7 5 8 KT3102BQ2 1 11 10 KT315GXQ3 0 17 18 QKT973AXQ4 0 21 22 QKT973AXQ5 1 17 19 QKT972AXQ6 1 21 20 QKT972AXQ7 1 18 4 QKT972AXQ8 0 19 4 QKT973AXQ9 0 20 3 QKT973AXQ10 1 22 3 QKT972A **************************** Opamps *******************************XDA1 16 13 0 1 0 17 OP544XDA2 27 9 0 1 0 21 OP544
Страницы: 1, 2
|
|