Устройство предварительной обработки аналогового сигнала

Министерство образования Российской Федерации

Пензенский государственный университет

Кафедра «Вычислительная техника»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

по курсу «Электроника и электротехника и схемотехника»

на тему «Устройство предварительной обработки аналогового сигнала»

Пенза 2015

Введение

В задании требуется самостоятельно разработать устройство предварительной обработки аналогового сигнала с датчика, которое обладает рядом функциональных возможностей и требует знания при проектировании принципов функционирования и схемных решений таких узлов, как усилители переменного и постояноого тока, стабилизаторы напряжения, генераторы, одновибраторы, триггеры Шмидта, компараторы, логические элементы и транзисторные ключи, а также требует умения самостоятельно работать со справочной и учебной литературой. Более точные требования изложены в бланке задания.

1 Разработка структурной схемы устройства

1.1 Постановка задачи

Разрабатываемое в рамках курсовой работы устройство предназначено для контроля температуры окружающей среды. В качестве датчика предполагается применение двухвыводной микросхемы, которая выдает ток разной величины в зависимости от температуры.

В результате курсового проектирования необходимо осуществить преобразование сигнала с датчика в выходное напряжение, лежащее в диапазоне от -5 до 5 В. Кроме преобразования температуры в соответствующее напряжение устройство должно выполнять некоторые функции. Для определения этих функций используется два порога.

Если температура окажется выше верхнего порога, то первый светодиод должен мигать с периодом 2 сек по два раза с момента превышения порога, первое рыле должно включиться на время преодоления порога, динамик должен гудеть с частотой 1200Гц периодически с периодом 1 сек 4 раза.

Если температура окажется ниже нижнего порога, то второй светодиод должен включаться на время превышения порога, второе рыле должно включаться спустя 5 сек с момента превышения порога, если превышение сохраняется динамик должен гудеть с частотой 1200Гц.

1.2 Описание структурной схемы устройства

С учётом постановки задачи разработана структурная схема устройства. Она представлена на рисунке 1. Устройство содержит: датчик, усилитель, первый и второй компараторы, триггер, счетчик, блоки управления светодиодами, динамиком и реле. Согласно предложенной схеме при срабатывании первого компаратора в случае превышения верхнего порога блок управления динамиком обеспечивает необходимое управление согласно заданию. Блок управления первым светодиодом включает определенным образом первый светодиод. А блок управления первым реле заставляет реле сработать.

Если будет преодолен нижний порог, то второй компаратор на своем выходе сформирует активный сигнал. Благодаря блоку управления динамиком, вторым реле и вторым светодиодом будут выполняться необходимые функции, которые соответствуют интервалу преодоления сигналом нижнего порога.

Рис. 1. Схема электрическая структурная

2 Разработка функциональной схемы устройства

2.1 Описание работы устройства по временным диаграммам

Учитывая задание можно представить функционирование устройства с помощью временных диаграмм. Эти временные диаграммы показаны на рисунке 2.

Из этих диаграмм видно, что при превышении верхнего порога,  т.е. величины 2,05В, первый компаратор сформирует на своём выходе активный сигнал, представляемый в данном случае в виде уровня логической единицы. Под действием этого сигнала светодиод VD1 будет мигать во время преодоления порога с периодом 2 сек по 2 раза, первое реле К1 включится на время преодоления порога, активный сигнал сбрасывает счетчик СТ и переводит триггер в активное состояние, далее идет сигнал на счетчик генератор, который начинает подавать импульсы с периодом 1 сек. Импульсы проходят на динамик, который гудит с частотой 1200Гц. После 4 импульса с счетчик переводит триггер в неактивное состояние.

Если произойдёт преодоление нижнего порога, то есть величина тока через терморезистор окажется ниже -3,83В, то на выходе компаратора 2 сформируется активный сигнал в виде уровня единицы. По этому сигналу светодиод VD2 будет светиться все время преодоления порога, реле К2 включится на время преодоления порога, а динамик будет гудеть после 5 секунд преодоления порога, если преодоление сохраняется с частотой 1200 Гц. На временных диаграммах это показано.

Рис. 2. Временные диаграммы работы устройства

2.2 Разработка функциональных схем блоков управления

2.2.1 Блоки управления светодиодами

Схема управления первым светодиодом.

Согласно заданию первый светодиод должен непрерывно мигать с периодом 2 секунды по 2 раза во время превышения верхнего порога. Для управления первым светодиодом необходимо генератором формировать импульсы с периодом 2секунды и 1 секунда. Схема управления первым светодиодом предложена на рисунке 3.

Рис. 3. Схема управления первым светодиодом

Схема работает следующим образом. В момент превышения верхнего порога с выхода компаратора COMP1 формируется единица, и генераторы импульсов начинают вырабатывать импульсы. Эти импульсы поступают на дизъюнктер &1, который пропускает на диод лишь наложенные сигналы.

Схема управления вторым светодиодом.

Согласно заданию второй светодиод должен включиться на время преодоления порога. Это можно осуществить, проведя активный сигнал со второго компоратора COMO2 на светодиод. Схема управления вторым светодиодом предложена на рисунке 4.

Рис. 4.  Схема управления вторым светодиодом

Схема работает следующим образом. Когда температура окажется ниже нижнего порога с выхода второго компаратора формируется единица, она поступает на светодиод, который начинает светиться до тех пор, пока с компоратора не перестанет поступать сигнал.

2.2.2 Блоки управления реле

При преодолении нижнего порога второе реле должно включиться на время преодоления порога. Схема управления реле предложена на рисунке 5.

Рис. 5. Схема управления первым реле

Согласно заданию первое реле К1 должно включиться через 5 секунд, если превышение сохраняется. Поэтому целесообразно для управления первым реле использовать одновибратор, у которого инвертный выход подключен к дизъюнктеру, к которому также идет сигнал от компоратора. Тогда после 5 секунд работы второго компоратора на инвертном выходе одновибратора сфотрируется 1 и дизъюнктер пропустит сигнал.

. Схема управления реле предложена на рисунке 6.

Рис. 6. Схема управления вторым реле

2.2.3 Блоки управления динамиком

        Предлагается использовать для управления динамиком схему, предложенную на рисунке 7.

Рис. 7. Схема управления динамиком

Схема работает следующим образом. Если происходит превышение верхнего порога, сбрасывается счетчик СТ и триггер Т переходит в активное состояние. После него сигнал проходит на генератор, который генерирует импульсы длительностью 1 сек. Импульсы поступают на счетчик и генератор. Счетчик после 4 раза подает сигнал на вход R триггера и он прекращает работу. Динамик гудит с частотой 1200Гц во время прохождения импульсов.

При превышении второго порога сигнал сразу проходит на динамик, который начинает пищать с частотой 1200Гц на всем времени преодоления.

2.3 Описание работы устройства по функциональной схеме

Устройство содержит: датчик, измерительный усилитель, линейно усиливающий сигнал с датчика, усилители мощности, которые управляют реле, светодиодами и динамиком, компараторы, одновибраторы, конъюнкторы, дизъюнктор, генераторы импульсов, счетчик, триггер.

Устройство работает следующим образом.

Если компаратор COMP1 формирует уровень логической единицы на выходе при превышении выходного сигнала усилителя уровня верхнего порога, то срабатывает генераторы GN_1 и GN_2 формирующие импульсы продолжительностью 2 и 1 секунды, выходы с них соединенные на дизъюнктере заставляют светодиод мигать в нужной последовательности. Также единица попадет в реле K1, которое работает на протяжении преодоления порога. Еще единица попадает в счетчик и сбрасывает его, и в триггер. Триггер передает сигнал на генератор GN_3, который формирует импульсы длительностью 1 сек. Импульсы идут на динамик, заставляя его пищать с нужной частотой, за счет генератора GN_4. Помимо этого импульсы попадают на счетчик, который после 4 раза сбрасывает триггер и прекращает работу генератора GN_3.

Если компаратор COMP2 формирует уровень логической единицы на выходе, то срабатывает одновибратор G1_1, который формирует импульс продолжительностью 5 секунд, с инвертного выхода сигнал идет на конъюнктер, на нем так же входной сигнал с компоратора. За счет такой схемы активный сингал будет формироваться после 5 секунд преодоления порога, если преодоление сохраняется, активный сигнал от сюда идет на рыле K2. Также горит на всем протяжении преодоления порога второй диод. Также активный сигнал идет на динамик, который пищит с частотой 1200 Гц на протяжении всего порога.

3. Разработка принципиальной схемы устройства

3.1. Расчёт усилителя

Определим соотношение между значениями физической величины и параметрами цепи:

Наименьшей температуре соответствует ток I₁ = 253,2 мкА через фоторезистор и напряжение на выходе U_out1 = 5 В.

Наибольшей температуре соответствует ток I₂ = 168,2 мкА через фоторезистор и напряжение на выходе U_out2 = 0 В.

Питать усилитель будем напряжением разной полярности, например:

E1 = -E = -12 B, E2 = E = 12 B.

U_- = U₊ = 0 B;

Определим граничные значения сопротивления фоторезистора:

Обозначим резистор, подключенный к источнику положительного питания за R₂, а резистор в цепи обратной связи за R₃.

По известному соотношению составим систему уравнений:

 

Отсюда: R₂ = 71 кОм, R3 = 58 кОм.

3.2. Расчёт схем формирования порогов

Верхнему порогу соответствует напряжение U₁ = 2,05 В.

Нижнему порогу соответствует напряжение U2 = -3,83 В.

Рассчитаем сопротивления резисторных делителей. Для того чтобы уменьшить количество потенциометров и максимально задействовать доступные в продаже сопротивления, выберем ток через делитель равным I_д = 2 мА.

R0+R1= E/I=5*1000/2=2500Ом

Rв1=2,05*1000/2=1025Ом

Rв2=2500-Rв1=1475Ом

Rн1=3,83*1000/2=1950Ом

Rн2=2500-350=1950Ом

 

3.3. Расчёт схем управления светодиодами

Используем светодиод L52ID. Требуемый для индикации ток I = 20 мА. Тогда дополнительное сопротивление в ветви со светодиодом должно составить

.

3.4. Расчёт схем управления реле

В устройстве, согласно заданию, используется реле РЭС-15 с сопротивлением обмотки R_p = 330 Ом и током срабатывания I_cp = 21 мА. Реле будет включаться с помощью транзисторного ключа на полевом транзисторе 2N6902. Его сопротивлением в открытом состоянии можно пренебречь, так как оно составляет десятые доли Ома.

Чтобы реле включилось, на нём должно падать напряжение срабатывания (или большая величина напряжения):

 

Очевидно, что для функционирования реле можно подключить его к источнику питания +7 В, тогда реле будет включаться при открывании транзистора.

3.5. Расчёт схем управления динамиком

Для звукового оповещения потребуются одновибраторы и управляемые генераторы импульсов. В качестве микросхемы генератора будем использовать К531ГГ1. Частота этого генератора определяется внешней емкостью из соотношения:

.

Требуется также с помощью одновибратора сформировать импульсы длительностью 5 сек. Справедливо приблизительное соотношение . Выберем значения емкости и сопротивления, удовлетворяющие требованиям:

R = 1 МОм

С = 7.1 мкФ

3.6 Описание работы устройства по принципиальной схеме

Устройство содержит: датчик, генераторы импульсов GN_1 GN_2 GN_3 GN_4, компараторы COMP1 COMP2, измерительный усилитель DA, одновибраторы G1_1 G1_2, конъюнкторы &1, коньюнктор &2, дизъюнктор 1, триггер, счетчик СТ2, транзисторные ключи для управления реле и динамиком VT1 VT2. Резисторные делители R1…R4 формируют пороговые напряжения для компараторов.

Устройство работает следующим образом.

В процессе настройки подбирают параметры усилителя DA так, чтобы в заданном диапазоне изменения тока через датчик выходное напряжение усилителя менялось от -5В до 5В. Этот сигнал принимается прямыми входами компараторов COMP1, COMP2, которые сравнивают его с опорными уровнями. Если превышен верхний порог, то на выходе компаратора формируется нарастающий фронт и устанавливается уровень логической единицы. По нарастающему фронту включится первое реле K1 на все время преодоления порога. Также единица проходит на генераторы GN_1 и GN_2, выходы которых идут на конъюнктер &1, он пропускает только наложение сигналов и заставляет мигать датчик в нужном порядке. Сигнал с компоратора попадает на счетчик и сбрасывает его, а так же активирует триггер. После триггера сигнал попадает на генератор GB_3, формирующий импульсы длительностью 1 секунда. Импульсы попадают на динамик и счетчик, который после 4 импульса деактивирует триггер.

Если при изменении информационного параметра сигнал на выходе усилителя преодолеет нижний порог, то на выходе второго компаратора COMP2 сформируется уровень единицы. Единица попадает в светодиод VD2, заставляя гореть на протяжении всего времени преодоления порога. Также единица попадает в одновибратор G1_1, который задаст время 5 секунд. Выход с одновибратора через инвертор подключен к конъюнктеру &2. К нему так же подключен сигнал с компоратора. Из-за такой схемы рыле K2, подключенное после конъюнктера работает после 5 секунд превышения порога, если сохраняется превышение. Также активный сигнал идет на динамик, заставляя его гудеть с частотой 1200Гц, пока преодолен порог.

4 Результаты электронного моделирования устройства

При моделировании создаётся модель датчика в виде двух источников напряжения, один из которых задаёт постоянную составляющую, а другой – переменную составляющую. Генератор синусоидального сигнала задаёт гармонический сигнал с частотой в единицы Герц. Генераторы подбираются с таким расчётом, чтобы на выходе усилителя сформировался заданный диапазон изменения сигнала (в нашем случае от 0В до 5В). Для этого в резисторе модели датчика необходимо обеспечить изменение тока в том же диапазоне, который наблюдается в рабочем режиме на инвертирующем входе усилителя. Возможно применение генераторов тока в модели датчика.

         На рисунке 7 предлагается схема модели датчика с усилителем.

Рис. 8. Схема модели усилителя с датчиком

С учётом расчётов усилителя, изменения полярности источников напряжения и учитывая, что напряжение отрицательной полярности E3 равно 5В вместо расчётных 12В, R2=71 кОм, R3=58 кОм. Сопротивление датчика, моделью которого является R1, меняется от 47393Ом до 71343Ом. При моделировании выберем максимальное сопротивление R1=71343Ом, при котором на выходе наблюдается напряжение: Uout=5В. Далее рассчитываем остальные параметры:

.

,

.

Из предложенных двух уравнений получим:

E2 – E1max = -1.125B; E2 + E1max = 5B;

Отсюда получим: E2=1.9375В, E1max=3.0625В. При моделировании следует учесть, что в модели генератора гармонического сигнала амплитуда задаётся действующим напряжением, а не максимальной амплитудой. Поэтому действующее значение E1 определится из выражения:

E1 = E1max/1.41 = 2.2.

         В качестве компараторов в модели можно использовать операционные усилители. Зададим пороговые уровни резисторными делителями с теоретическими значениями сопротивлений. Модель с учётом сказанного предложена на рисунке 9.

         Рис. 9. Схема модели измерительной части устройства

На рисунке 9 предложена осциллограмма сигналов в указанных на схеме точках. Из осциллограммы видно, что выходной сигнал усилителя меняется от -4.8225В до 9.771В, что соответствует требуемому диапазону. Вольтметры показывают уровни пороговых напряжений: -1,831В и 2,047В.

         Рис. 10. Осциллограммы сигналов на входе и выходе усилителя

На рисунке 11 показаны сигналы на выходе усилителя и на выходе первого компаратора.

         Рис. 11. Импульс на выходе первого компаратора

На рисунке 12 показаны импульсы на выходе второго компаратора. Активный сигнал при этом формируется в виде нуля. Пороги срабатывания близки к теоретическому значению.

Рис. 12. Импульсы на выходе второго компаратора.

 Заключение

         В результате работы разработаны структурная, функциональная и принципиальная схемы устройства предварительной обработки аналогового сигнала с заданными параметрами, выполнено моделирование измерительной части устройства, что показало справедливость расчётов и выбранного схемного решения. Вопросы оценки погрешностей в работе не рассматривались.