Принципиальная схема ультразвукового отпугивателя собак

11
Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции
и ордена Трудового Красного Знамени.
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. Н. Э. БАУМАНА
Факультет: Информатики и систем управления
Кафедра: Проектирование и технология производства электронной аппаратуры (ИУ4)
______________________________________________________________________________
Расчётно-пояснительная записка
к курсовой работе по дисциплине
«Микросхемотехника» на тему:
«Ультразвуковой отпугиватель собак»
Студент:
Руководитель:
Антохин А.И.
(фамилия, инициалы)
ИУ4-73
(индекс группы)
Макарчук В.В.
(фамилия, инициалы)
Москва
2010
1
АННОТАЦИЯ
В работе проводится разработка ультразвукового отпугивателя собак. В
рамках работы обосновывается выбор элементной базы, проведен расчет
временных зависимостей напряжений в различных точках схемы. Основное
внимание уделено моделированию работы схемы ультразвукового отпугивателя
собак с помощью программного пакета MicroSim 8. Полученные временные
зависимости напряжений в характерных точках показали совпадения характеров
поведения с зависимостями, полученными практически посредством измерения с
помощью
осциллографа.
В
результате
работы
разработана
полностью
работоспособная принципиальная схема устройства, собран макетный образец,
проведены экспериментальные исследования его функциональных параметров.
ANNOTATION
The paper deals with the development of an ultrasonic dog deterrent. As part of
the substantiated selection of the element base, we calculated the time dependence of
stresses at various points in the circuit. Emphasis is placed on the modeling of the
circuit ultrasonic dog deterrent with a software package MicroSim 8. The obtained time
dependence of stresses at characteristic points of the coincidence behavior of characters
with dependencies obtained practically by measuring with an oscilloscope. As a result,
work has been developed fully functional schematic diagram of the device, assembled
model sample, experimental studies of its functional parameters.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ
УЛЬТРАЗВУКОВОГО ОТПУГИВАТЕЛЯ СОБАК
1.2 Анализ структурной схемы устройства
1.2 Анализ функциональной схемы устройства
1.3 Анализ принципиальной схемы устройства
1.4 Анализ элементной базы
2 МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА
2.1 Программное обеспечение
2.2 Результаты моделирования
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВА
3.1 Оборудование
3.2 Результаты экспериментов
ЗАКЛЮЧЕНИИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Спецификация
Перечень элементов
Схема электрическая структурная
Схема электрическая функциональная
Схема электрическая принципиальная
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Описание микросхемы 74HC132
4
5
5
6
7
9
10
10
11
14
14
15
19
20
21
23
24
25
26
27
ВВЕДЕНИЕ
Устройство представляет собой ультразвуковой отпугиватель собак.
Внешний вид устройства показан на рис. 1.
Рисунок 1 – Внешний вид устройства
Ультразвуковой отпугиватель собак является эффективным устройством
против собак. Область применения отпугивателя собак довольно обширна:
начиная с защиты гуляющих людей, детей по дороге в школу и домой, людей,
занимающихся спортом (велосипедистов, бегунов), работников социальной сферы
(почтальонов, милиции) и многих других.
Принцип действия устройства заключается в излучении ультразвука,
частотой порядка 25 кГц. Диапазон звуковых частот
воспринимаемых
человеком составляет около 20 Гц - 20 кГц. У животных же этот диапазон
намного шире. Поэтому, излучение вырабатываемое устройством не
слышно человеку, однако вызывает дискомфорт животным.
1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ
УЛЬТРАЗВУКОВОГО ОТПУГИВАТЕЛЯ СОБАК
1.1 Анализ структурной схемы устройства
Устройство можно разделить на несколько основных частей:

генератор;

усилитель;

излучатель.
Структурная схема устройства представлена на рис.2.
Рисунок 2 – Структурная схема ультразвукового отпугивателя собак
Генератор – формирует импульсы заданной частоты с равными
длительностями положительных и отрицательных полупериодов.
Усилитель – усиливает входной сигнал от генератора и обеспечивает
необходимый ток подаваемый на излучатель.
Излучатель – преобразует электрические импульсы в ультразвук.
1.2 Анализ функциональной схемы устройства
Функциональная схема устройства представлена на рис.3.
Рисунок 3 – Функциональная схема ультразвукового отпугивателя собак
Генератор формирует импульсы с частотой около 25 кГц и выдает сигнал
по двум линиям - прямой и инвертированной. В результате, транзисторы
усилителя, собранные по схеме Н-моста никогда не бывают открыты все
одновременно.
Н-мост
питается
от
схемы
питания
усилителя,
которая
обеспечивает ограничение тока во время работы схемы. Усиленный сигнал
подается на ультразвуковой излучатель.
1.3 Анализ принципиальной схемы устройства
Принципиальная схема устройства приведена на рис. 4.
Рисунок 4 – Принципиальная схема ультразвукового отпугивателя собак
Генератор частоты в схеме реализован на логических элементах И-НЕ
КМОП типа. Элементы C1, R1 и R2 задают частоту генератора. Резистор R1
выбран подстроечным, для возможности регулировки частоты вырабатываемой
генератором. Резистор R2 обеспечивает защиту элемента DD1.1 от короткого
замыкания входа и выхода при установке подстроечного резистора R1 в нулевое
положение.
В момент включения схемы конденсатор С1 разряжен, на входе DD1.1
низкий уровень напряжения, а на выходе высокий. Сразу после включения
конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R1 и R2. В какой-то момент
напряжение на нем превышает пороговое напряжение срабатывания элемента
DD1.1. При этом переходит переключение выхода элемента DD1.1 и на нем
устанавливается низкий уровень напряжения. Таким образом конденсатор С1
начинает разряжаться через резистор R1 и R2.
Таким образом, процесс постоянно повторяется и на выходе элемента
DD1.1 образуется меандр. Элемент DD1.2 является буферным и обеспечивает
необходимый уровень сигнала, независящий от сопротивления R1.
Частота выходного сигнала может быть вычислена по формуле (1).
𝑓≈
Элементы
DD1.3
и
1.5
(1)
𝐶1∙(𝑅1+𝑅2)
DD1.4
формируют
сигнал
для
управления
транзисторами Н-моста VT1..VT4. Сигнал управления транзисторами VT1 и VT3
сдвинут по фазе относительно сигнала управления транзисторами VT2 и VT4 на
180 градусов. Таким образом, всегда открыты только два транзистора, либо VT1 и
VT3, либо VT2 и VT4.
Транзисторы обеспечивают протекание тока через
излучатель в обоих направлениях, что позволяет получить наибольшую мощность
излучения.
Схема питается от четырех элементов АА. Н-мост подключен к схеме
источнику питания через резистор R3, ограничивающий ток через излучатель, а
также через транзисторы, в момент их одновременного переключения.
Параллельно
источнику
питания
подключен
конденсатор
С2,
обеспечивающий защиту от помех по питанию, как из-за внешних факторов, так и
из-за работы самой схемы.
1.4 Анализ элементной базы
Перечень элементов приведён в табл. 1.
Таблица 1 – Перечень элементов
Обозн.
BF1
C1
C2
DD1
Наименование
Кол.
Излучатели
AT-41 ф. «Projects unlimited» (Тайвань)
1
Конденсаторы
CC0805ZPY5V6ZB303 3000 пф +20% -20% 10 В
ф. «YAGEO» (Китай)
CC0805ZKY5V6BB106 10 мкф +80% -20% 10 В
ф. «YAGEO» (Китай)
Микросхемы цифровые
74HC132M ф. «Fairchild Semiconductor Corporation»
(США)
1
1
1
GB1
Элементы питания
AA ф. «Golden Power» (Китай)
4
R1
R2
R3
R4..R5
Резисторы
PVZ3A203 20 КОм ф. «Murata»(США)
RC1206JR-07103R 10 кОм ф. «Murata»(США)
RC1206JR-07047R 47 Ом ф. «Murata»(США)
RC0805JR-07022R 22 Ом ф. «Murata»(США)
1
1
1
4
VT1..VT4
Транзисторы
2N7002 ф. «International Rectifier» (США)
4
Примечание
2 МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА
2.1 Программное обеспечение
Моделирование работы устройства проводено в программном пакете
MicroSim 8. Рабочее поле программы представлено на рис. 5.
Рисунок 5 – Рабочее поле программы
2.2 Результаты моделирования
В результате моделирования были получены временные диаграммы
напряжений на конденсаторе С1, задающем частоту, выходе элемента DD1.1,
затворах транзисторов VT1, VT2, а также на одном из выводов излучателя.
Временные диаграммы напряжений на конденсаторе С1 и выходе элемента
DD1.1 показаны на рис. 6.
Рисунок 6 – Диаграмма напряжений на конденсаторе С1 (серым) и выходе
элемента DD1.1 (черным)
Из диаграммы видно, что напряжение на конденсаторе представляет собой
последовательность экспонент зарядки/разрядки, причем верхние и нижние точки
экспонент соответствуют напряжениям переключения элемента DD1.1.
На выходе элемента DD1.1 - прямоугольный сигнал с размахом
практически равным напряжению питания, что характерно для элементов КМОП.
Временные диаграммы напряжений на затворах транзисторов VT1, VT2
показаны на рис.7.
Рисунок 7 – Диаграмма напряжений на затворах транзисторов VT1, VT2
Как видно из диаграммы напряжения на затворы транзисторов подаются в
противофазе, что исключает их одновременного открытия, однако в момент
переключения токопотребление может возрастать, так как транзисторы
переключаются не мгновенно.
Диаграмма изменения напряжения на одном из выводов излучателя
показана на рис.8.
Рисунок 8 – Диаграмма изменения напряжения на выводе излучателя
Так как излучатель является низкоомной нагрузкой (сопротивление около
8Ом), то размах напряжений на нем небольшой (несколько десятых вольт), однако
ток при этом достигает десятков миллиампер. Также наблюдаются резкие
всплески напряжения, возникающие вследствие ЭДС самоиндукции катушки
излучателя.
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВА
3.1 Оборудование
Экспериментальное исследование устройства проводилось на двухлучевом
двухканальном осциллографе С1-55, который изображен на рис. 9.
Рисунок 9 – Осциллограф С1-55
3.2 Результаты экспериментов
В результате моделирования были получены временные диаграммы
напряжений на конденсаторе С1, задающем частоту, выходе элемента DD1.1,
затворах транзисторов VT1, VT2, а также на одном из выводов излучателя.
На рис. 10 показаны нулевые уровни, установленные на осциллографе и
используемые при снятии характеристик.
Рисунок 10 – Нулевые уровни первого (верхний луч) и второго (нижний
луч) каналов.
Временные диаграммы напряжений на конденсаторе С1 и выходе элемента
DD1.1 показаны на рис. 11.
Рисунок 11 – Диаграмма напряжений на выходе элемента DD1.1 (верхний
луч) и конденсаторе С1 (нижний луч)
При снятии характеристик были выставлены следующие настройки:
горизонтальная развертка - 10 мкс/дел, усиление - 2В/дел (верхний луч), 0,5В/дел
и режим фильтрации постоянной составляющей (нижний луч).
Временные диаграммы напряжений на затворах транзисторов VT1, VT2
показаны на рис.12.
Рисунок 12 – Диаграмма напряжений на затворах транзисторов VT1, VT2
При снятии характеристик были выставлены следующие настройки:
горизонтальная развертка - 10 мкс/дел, усиление - 2В/дел (оба луча).
Диаграмма изменения напряжения на одном из выводов излучателя
показана на рис.13.
Рисунок 13 – Диаграмма изменения напряжения на выводе излучателя
При снятии характеристик были выставлены следующие настройки:
горизонтальная развертка - 10 мкс/дел, усиление - 0,5В/дел.
ЗАКЛЮЧЕНИИЕ
В результате работы была проанализирована схема устройства, выявлены
основные функциональные блоки. Подробно проанализирована принципиальная
схема.
Было проведено моделирование устройства в программном пакете
Microsim 8, в котором были получены характеристики в ключевых точках схемы.
Измерение проводилось с помощью осциллографа С1-55.
Результаты измерений показали результат практически идентичный
результату моделирования. Различия между результатами не превышают
погрешности измерительного оборудования и методики проведения измерений.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. – 5-е изд, перераб _ М.: Мир,
1998. – 704 с., ил.
2. Б. Ю. Семенов. Силовая электроника: от простого к сложному. _ М.: СОЛОН-Пресс, 2005. –
416 с.: ил.
3. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учебник для
Вузов/ К.И.Билибин, А.И.Власов, Л.В.Журавлева и др. Под общей редакцией В.А.Шахнова. –
М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2002. – 528 с.: ил.
Поз.
Зона
Форма
т
Кол Примечан
.
ие
Наименование
Обозначение
Документация
А4
ИУ4.001.000.000 СБ Сборочный чертёж
1
А4
Перечень Элементов
1
А4
ИУ4.001.000.001
ПЭЗ
ИУ4.001.000.001
Чертёж печатной платы
1
А4
ИУ4.001.000.002 Э1
1
А4
ИУ4.001.000.002 Э2
Схема
электрическая
структурная
Схема электрическая
1
функциональная
ИУ4.001.000.002 Э3
А4
Схема электрическая
1
принципиальная
Детали
1
ИУ4.001.000.001
Печатная плата
1
Прочие изделия
Излучатели
AT-41 ф. «Projects unlimited»
2
1
(Тайвань)
BF1
D1
Конденсаторы
3
CC0805ZPY5V6ZB303 3000 пф
4
+20% -20% 10 В ф. «YAGEO»
(Китай)
CC0805ZKY5V6BB106 10 мкф
+80% -20% 10 В ф. «YAGEO»
(Китай)
5
С1
1
1
C2
1
C2
ИУ4.001.000.000 СП
Изм. Лист
№ докум.
Разраб.
Антохин А.И.
Провер.
Макарчук В.В.
Реценз.
Н. Контр.
Утверд.
Подпись Дата
Ультразвуковой
отпугиватель собак
Спецификация
Литера
Лист
Листов
1
2
МГТУ им. Баумана
Поз.
Зона
Форма
т
Кол Примечан
.
ие
Наименование
Обозначение
Микросхемы цифровые
74HC132M ф. «Fairchild
6
1
DD1
1
R1
1
R2
1
R3
4
R4..R7
4
VT1..VT4
4
GB1
Semiconductor Corporation» (США)
Резисторы
PVZ3A203 20 КОм
7
ф. «Murata»(США)
RC1206JR-07103R 10 кОм
8
ф. «Murata»(США)
RC1206JR-07047R 47 Ом
9
ф. «Murata»(США)
RC0805JR-07022R 22 Ом
10
ф. «Murata»(США)
Транзисторы
2N7002 ф. «International Rectifier»
11
(США)
Элементы питания
AA ф. «Golden Power» (Китай)
12
ИУ4.001.000.000 СП
Изм. Лист
№ докум.
Разраб.
Антохин А.И.
Провер.
Макарчук В.В.
Реценз.
Н. Контр.
Утверд.
Подпись Дата
Ультразвуковой
отпугиватель собак
Спецификация
Литера
Лист
Листов
2
2
МГТУ им. Баумана
Поз.
Обозн.
обозн.
обозн.
Кол
.
Наименование
Примечание
Излучатели
BF1
AT-41 ф. «Projects unlimited» (Тайвань)
1
Конденсаторы
C1
10B
CC0805ZPY5V6ZB303 3000 пф +20% -20%
C2
В
CC0805ZKY5V6BB106 10 мкф +80% -20% 10
1
ф. «YAGEO» (Китай)
1
ф. «YAGEO» (Китай)
Микросхемы цифровые
DD1
74HC132M ф. «Fairchild Semiconductor
1
Corporation» (США)
Элементы питания
GB1
AA ф. «Golden Power» (Китай)
1
Резисторы
R1
PVZ3A203 20 КОм
1
ф. «Murata»(США)
R2
RC1206JR-07103R 10 кОм
1
ф. «Murata»(США)
R3
RC1206JR-07047R 47 Ом
1
ф. «Murata»(США)
RC0805JR-07022R 22 Ом
R4..R7
4
ф. «Murata»(США)
Транзисторы
VT1..VT4 2N7002 ф. «International Rectifier» (США )
4
ИУ4.001.000.001 ПЭЗ
Изм. Лист
№ докум.
Разраб.
Антохин А.И.
Провер.
Макарчук В.В.
Реценз.
Н. Контр.
Утверд.
Подпись Дата
Ультразвуковой
отпугиватель собак
Перечень элементов
Литера
Лист
Листов
1
2
МГТУ им. Баумана
Перв. Примен.
Справ. №
Подп. И дата
Инв. № дубл.
Взаим. инв. №
Подп. И дата
Инв. № подл.
ИУ4.001.000.002 Э1
Изм. Лист
№ докум.
Разраб.
Антохин А.И.
Провер.
Макарчук В.В.
Т. Контр.
А.А.
Подпись Дата
Ультразвуковой
отпугиватель собак
Схема электрическая
структурная
Реценз.
Масса
Литера
Лис
т
1
Листов
Масштаб
1
МГТУ им. Баумана
Н. Контр.
Утверд.
Копирова
л
Формат А4
Перв. Примен.
Справ. №
Подп. И дата
Инв. № дубл.
Взаим. инв. №
Подп. И дата
Инв. № подл.
ИУ4.001.000.002 Э2
Изм. Лист
№ докум.
Разраб.
Антохин А.И.
Провер.
Макарчук В.В.
Т. Контр.
А.А.
Подпись Дата
Ультразвуковой
отпугиватель собак
Схема электрическая
функциональная
Реценз.
Масса
Литера
Лис
т
1
Листов
Масштаб
1
МГТУ им. Баумана
Н. Контр.
Утверд.
Копирова
л
Формат А4
Перв. Примен.
Справ. №
Подп. И дата
Инв. № дубл.
Взаим. инв. №
Подп. И дата
Инв. № подл.
ИУ4.001.000.002 Э3
Изм. Лист
№ докум.
Разраб.
Антохин А.И.
Провер.
Макарчук В.В.
Т. Контр.
А.А.
Подпись Дата
Ультразвуковой
отпугиватель собак
Схема электрическая
принципиальная
Реценз.
Масса
Литера
Лис
т
1
Листов
Масштаб
1
МГТУ им. Баумана
Н. Контр.
Утверд.
Копирова
л
Формат А4
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Описание микросхемы 74HC132
Основные особенности:
 Типовая задержка: 12 нс
 Широкий диапозон напряжений питания: 2В-6В
 Низкий ток потребления: не более 20 мкА
 Низкий входной ток: не более 10 мкА
 Возможность подключить до 10 нагрузок ТТЛ типа
Описание
Микросхема 74HC132 изготовленна по улучшенной КМОП технологии,
что
позволяет
уменьшить
рассеиваемую
мощность
и
повысить
помехозащищенность в сравнении с обычным КМОП, а также позволить
подключать до 10 нагрузок ТТЛ типа. Серия 74HC функционально и повыводно
совместима со стандартной серией 74LS. Все входы защищены от повреждения
статическим электричеством защитными диодами на землю и питание.
На рис. 1 показана диаграмма соединений.
Рисунок 1 – Диаграмма изменения соединений микросхемы 74HC132