«Анализ работы и проектирование электронного компаратора на основе оу»

РОССИЙСКИЙ ЗАОЧНЫЙ ИНСТИТУТ

ТЕКСТИЛЬНОЙ И ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Кафедра электротехники

и автоматизированных промышленных установок

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Электроника»

Тема: «Анализ работы и проектирование электронного компаратора на основе ОУ»

Исполнитель:

студент III курса ЭМФ

специальность 220301

шифр 204062-С

Калугин М.В.

г. Серпухов

2007 г.

Содержание.

ВВЕДЕНИЕ

Полупроводниковые электронные устройства делятся на два больших класса: аналоговые и цифровые (дискретные). В основе классификации лежит возможность изменения в устройстве элек­трического сигнала, несущего информацию. Если информацион­ный сигнал изменяется непрерывно и может принимать произвольные значения в широком диапазоне, устройство являет­ся аналоговым, если же сигнал изменяется дискретно и может принимать только два фиксированных значения, соответствую­щих двум цифрам двоичной системы счисления — нулю и едини­це, то устройство относится к цифровым или дискретным. В аналоговых устройствах сам электрический сигнал и его парамет­ры — уровень, частота и фаза электрического колебания несут информацию о физической величине. В цифровых устройствах информация о величине закодирована цифровым кодом, состоя­щим из множества двоичных разрядов, каждый из которых может принимать только одно из двух фиксированных значений, кото­рым соответствуют два уровня напряжения (обычно они обеспе­чиваются открытым либо закрытым состоянием транзистора, работающего в ключевом режиме).

Информацию о различных физических величинах и контроли­руемых процессах получают с помощью датчиков, называемых также измерительными преобразователями. Эти устройства осу­ществляют преобразование измеряемой величины в пропорцио­нальный ей электрический сигнал.

В современных системах управления различ­ными процессами, в том числе и технологическими, присутствуют устройства обоих типов. Аналоговые устройства обычно обеспечи­вают съем первичной информации с датчиков системы управле­ния приводами исполнительных устройств и механизмов, управление же самим процессом в соответствии с заданной алго­ритмом программой выполняют цифровые устройства. Взаимо­действие между аналоговой частью системы и цифровой (преобразование информации из аналоговой формы в цифровую и обратно) обеспечивают цифроаналоговые (ЦАП) и аналого-циф­ровые преобразователи (АЦП).

Очень важную роль при аналого-цифровом преобразовании играют компараторы. Компараторомназывают устройство, пред­назначенное для сравнения изменяющегося аналогового входного сиг­нала с опорным напряжением. При этом в зависимости от того, больше входной сигнал опорного или меньше (на доли милли­вольт), на выходе компаратора должно установиться напряжение «логический нуль» (лог. 0) или «логическая единица» (лог. 1). Так как выходной сигнал компаратора подается обычно на логические схемы, его выходное напряжение согласуется с цифровыми логи­ческими схемами.

Функцию сравнения двух напряжений может выполнить и операционный усилитель, если на один из его входов подать опор­ное напряжение, а на другой — входной сигнал. Однако специализированные устройства – компараторы - имеют преимущество в быстродействии, которое получают, предотвращая режим насыщения его транзисторов, а, следовательно, и длительное рассасывание неосновных носителей.

Компаратором называется устройство, предназначенное для сравнения двух однородных физических величин (электрических токов, электрических напряжений, сил и т.д.) и выработке сигнала о том, какая из них оказывается больше другой. Схематично это устройство показано на рис. 1.

Рис.1

Работу компаратора можно представить в виде следующих логических соотношений: А1 ≥ А2 → А3 >0

А1 < А2 → А3 <0

Входные, а также выходные величины А1 , А2 , А3 могут представ­ляться в аналоговом и дискретном виде. Широко распространенными ком­параторами, использующими дискретное преобразование входных величин, являются устройства отмера длины продукта, например датчики наработ­ки куска на ткацких станках (рис. 2).

Рис.2

Фрикционный датчик текущей длины Д (мерный валик с устройством формирования электронных импульсов) вырабатывает сигнал после поворо­та на некоторый угол (это соответствует наработанной малой длине ма­териала), эти сигналы подаются на счетчик, который ведет подсчет им­пульсов в двоичном коде. Код счетчика подается на одну группу входов компаратора, на другую группу входов которого подается код установки заданной длины. При совпадении этих кодов на выходе цифрового компаратора вырабатывается сигнал, который приводит к остановке ткацкого станка. Роль узла "датчик-счетчик-компаратор" часто выполняет электроконтактный механический счетчик с установлением длины куска (установ­ки) в обычном десятичном коде в погонных метрах.

Работу компаратора аналогового типа можно рассмотреть на примере работы конкретного термометра, схема которого представлена на рис.3.

Рис.3

Первоначально задается положение штока эадатчика, который определяет установку (температуру, которую нужно поддерживать). Шток, так­же как и ртуть термометра, имеет электрические контакты с внешними клеммами В1 , В2 .

С ростом температуры ртуть, расширяясь, поднимается по трубке и электрически замыкает клеммы В1 и В2 . Это событие является выходным сигналом и используется для управления нагревом, то есть текущей темпе­ратурой в системе авторегулирования.

Широкое распространение на практике получило сравнение аналоговых электрических сигналов (чаще всего электрических напряжений), которые получаются на выходе преобразователей неэлектрических величин в электрические с помощью электронных компараторов. Это существенно повыша­ет чувствительность компаратора. В этом случае схема рис.1 может быть приведена к виду, представленному на рис.4, где на входах компаратора символами V1 , V2 , V3 обозначены электрические напряже­ния.

Рис.4

Компараторы электрических сигналов могут выполняться по различным схемам и на основе использования многообразной элементной базы.

Наиболее выгодно использование для этих целей специальных интегральных электронных компараторов, выполненных в виде одной микросхемы, которая практически идентична широко известным операционным усилите­лям, но отличается от них существенно большим коэффициентом усиления.

Электронный компаратор наиболее широко применяется в системах широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Которые в свою очередь, используются для управления двигателями постоянного и переменного тока (измерение частоты вращения - рис.5а). Такие узлы (ШИМ-двигатель) применяются, в частности, в разрыхлительно-трепальных агрегатах вместо коноидов, а также на других участках агрегата.

Генератор линейно измеряющегося напряжения ( ГЛИН) вырабатывает пилообразные импульсы фиксированной частоты (рис. 5б). Эти импульсы подаются на не инвертирующий вход компаратора, на инвертирующий вход которого подается напряжение уставки V0 . В моменты, когдаVглин ≥0 , компаратор по выходу устанавливается в состояние логической единицы (высокий уровень напряжения), когда Vглин <V0 в состояние нуля (низкий уровень напряжения). Ширина импульсов τ зависит от величины напряжения V0 .

Импульсы компаратора управляют электронным ключом, который в свою очередь подает напряжение питания Vп , на двигатель. При этом чем шире импульсы, тем больше величина Vср - среднее напряжение на двигатель, и он вращается быстрее.

Требуется рассчитать компаратор на базе микросхемы, работаю­щий в системе двухпозиционного регулятора температуры. Схема регу­лятора приведена на рис. 6,

Рис.6

Где,

V0 - опорное напряжение (уставка);

V2 - текущее напряжение;

V3 - выходное напряжение микросхемы;

I3 - выходной ток микросхемы;

Vн - напряжение управления нагревателя;

Iн - ток управления нагревателем.

Назначение устройства состоит в поддержании температуры муфель­ной печи. Датчик температуры (термопара) вырабатывает напряжениеV1 , пропорциональное текущей температуре, оно усиливается до определенной величины V2 усилителем и подается на инвертирующий вход компа­ратора, на не инвертирующий вход которого подается опорное напряжение V0 , соответствующее эталонной температуре t0’ , которую нужно поддерживать. При понижении температуры ниже величины t0’ на выходе компаратора вырабатывается напряжение V3> 0, которое, пройдя че­рез делитель, вызывает включение нагревателя.

Температура в печи, а следовательно и величина V2 , начинает расти и по достижении величины t0’ компаратор вырабатывает V3 =0 , нагреватель выключается и т.д. Процесс работы компаратора представ­лен на рис. 7.

Рис.7

Исходные данные для расчета:

1. По результатам расчета установлено, что соответствует

.

2. выходное сопротивление усилителя =10 Ом.

3. напряжение управления нагревателем =2 В.

4. ток управления нагревателем =4 мА.

На рис.8 представлена схема электрического принципиального устройства – компаратор, выполненного на базе микросхемы.

Рис.8

Подходящую микросхему-компаратор можно выбрать из большого числа серий микросхем, например К554, К521, К597, а также других. Микросхема-компаратор в своем обозначении содержит символ СА, например К597 СА3.

Возможно в качестве микросхем-компаратора использование микросхем-операционных усилителей практически всех серий – К140, К 153, К 561, К 553, например К 140 УД 8Б.

Микросхема-компаратор выбирается из условий:

По справочнику (6) микросхема К554 СА1 подходит по всем параметрам, но для нее Iвых =0,5 мА < Iн = 4 мА, следовательно она нас не удовлетворит.

По справочнику (6) подходящей является микросхема К521 СА3,

для которой:

= +15 В > 2V0 =8 B

Iвх= 0,1 мкА < I2 = V0 /Rу=400 мА

= + 15 B > V3 =2 B

Iвых = 50 мА > Iн =4 мА

Кроме того, Iпм+ =6 мА - ток потребления микросхемы от положительного источника питания ; Iпм- =5 мА - ток потребления микросхемы от отрицательного источника питания.

Величина уставки V0 задается делителем R1 , R2 . при этом желательно, чтобы приведенные сопротивления по обоим входам были равны, т.е.:

Rу = R1 || R2 = но

значит R1 = 2,75R2

Отсюда Rу =

Поэтому R2 =3,75Rу /2,75=13,6 Ом, R1 =37,5 Ом

Ориентируясь на ряд Е 24 ГОСТ 2825-87, определяем ближайшие номиналы: R1 =39 Ом

R2 = 13 Ом

Мощности, рассеиваемые резисторами, определяем как:

3,1 Вт; 1,2 Вт

По каталогу (8) выбираем к установке резисторы:

R1 → ОМЛТ-5-39 Ом ± 20%;

R2 → ОМЛТ-2-13 Ом ± 20%

При срабатывании компаратора имеет место V3 = Vп =15 В, однако по заданию необходимо напряжение Vн =2 В, следовательно необходим делитель R3 , R4 . величины сопротивлений определим, исходя из максимального выходного тока микросхемы Iвых =50 мА.

Рассеиваемые ими мощности определим как:

По каталогу (8) к установке принимаем:

R3 → ОМЛТ-1-270 Ом ±20%;

R4 → ОМЛТ-0,125-43 Ом±20%.

Общий ток потребления устройства складывается из потребления делителя R1 , R2 и микросхемы:

Iпотр =Iд +Iпм+ +Iпм- =288+6+5=299 мА

Iд = Еп / (R1 +R2 )= 15/52 = 288 мА

Номиналы цепи балансировки нуля R5 , R6 выбираем из рекомендованных справочником на микросхему.

Рассчитанные элементы компаратора сведены в табл.1.

Таблица 1

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам расчета определены типы и номиналы элементов компаратора, который отвечает решению поставленной задачи.

Определен ток потребления, который в свою очередь определяет потребляемую мощность.

Определенная потребляемая мощность является отправной точкой для расчета параметров источника питания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1977.

Жеребцов И.П. Основы электроники. Л.: Энергия, 1974.

Основы промышленной электроники. /Под ред. В.Г.Герасимова. М.: Высшая школа, 1986.

Проектирование РЭА на интегральных микросхемах /Под ред. С.В.Якубовского. М.: Радио и связь, 1986.

Т.М.Агаханян. Интегральные микросхемы. М.: Энергоатомиздат, 1983.

Справочник по интегральным микросхемам. /Под ред. Б.В.Тарабрина. М.: Энергия, 1984.

О.В.Миловзоров, И.Г.Панков. Электроника. М.: Высшая школа, 2005.

Резисторы. Каталог Элорг. М., 1983.