Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Б.Л. Геллер
Судовая электроника
Методические указания по выполнению курсовой работы
Для студентов специальности «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики»
Калининград
Издательство ФГБОУ ВПО «КГТУ»
УДК 629.12 (075)
Геллер Б.Л. Судовая электроника. Методические указания по выполнению курсовой работы для студентов специальности «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики». – Калининград: ФГБОУ ВПО «КГТУ», 2014. – 35 с.
Даны методические указания по объёму, структуре и содержанию курсовой работы, порядку её выполнения. Приведены варианты заданий, даны примеры выполнения. Рассмотрены правила оформления курсовой работы.
Методические указания предназначены для студентов вузов, обучающихся по специальности «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики».
Ил. 17, список лит. – 15 наименований, приложений 6.
Методические указания обсуждены и одобрены на заседании кафедры электрооборудования судов и электроэнергетики ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет» 16 июня 2014 г., протокол № 15.
©ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», 2014 г.
© Геллер Б.Л., 2014 г.
Борис Львович ГЕЛЛЕР
Выпускная квалификационная работа
Редактор _____________. Корректор ___________________
Подписано в печать??.??.201? г. Заказ. Тираж __ экз. Формат 60х84(1/16).
Объем ___ п. л.; ____ уч.- изд. л. Цена договорная
Издательство ФГБОУ ВПО «КГТУ», 236022, г. Калининград, Советский проспект, 1
содержание
| Стр. | ||
| 1. | Общие положения............................................. | |
| 2. | Задание на курсовую работу.................................... | |
| 3. | Методические указания по выполнению курсовой работы........... | |
| 4. | Примеры выполнения заданий................................... | |
| 5. | Указания к оформлению курсовой работы......................... | |
| 6. | Список литературы............................................. | |
| Приложение А. Схемы к заданию 1............................... | ||
| Приложение Б. Параметры элементов к заданию 1.................. | ||
| Приложение В. Таблицы истинности к заданию 2................... | ||
| Приложение Г. Варианты к заданию 3............................. | ||
| Приложение Д. Пример выполнения принципиальной электрической схемы........................................................ |
Общие положения
Курсовая работа является важнейшим элементом самостоятельной работы студента. Основными целями курсовой работы являются:
─ углубление знаний в области электроники;
─ совершенствование техники анализа электронных схем;
─ развитие навыков исследовательской и проектной работы, умения работать с источниками технической информации, применения полученных знаний для решения практических задач.
Задание на курсовую работу
Курсовая работа включает три задания.
Задание 1
Выполнить анализ линейного динамического звена на основе ОУ. Для заданной схемы необходимо выполнить следующее:
1. Вывести передаточную функцию схемы, считая ОУ идеальным.
2. Рассчитать и построить ее АЧХ.
3. На основании пп. 1 и 2 сделать вывод о характере динамического звена.
4. Определить погрешность схемы, вызванную, если известна величина напряжения смещения Uсм ОУ.
5. Определить необходимые сопротивления резисторов, обеспечивающие минимум влияния входных токов ОУ.
Схемы к заданию приведены в приложении А, параметры элементов – в приложении Б. Сопротивления резисторов, не указанные в таблице приложения Б, следует определить при выполнении пункта 5.
Задание 2
Выполнить синтез логической функции, заданной таблицей истинности. Для заданной таблицы необходимо выполнить следующее:
1. Выполнить минимизацию логической функции с помощью карты Карно.
2. Реализовать функцию в базисах И-НЕ, ИЛИ-НЕ, а также при помощи мультиплексора.
Таблицы истинности по вариантам приведены в приложении В.
Задание 3
Разработать устройство, выполняющее заданную функцию формирования или преобразования сигнала.
Варианты для задания 3 приведены в приложении Г.
Методические указания по выполнению курсовой работы
Указания к выполнению задания 1
Передаточную функцию схемы рекомендуется выводить в следующем порядке:
1. Изобразить схему с указанием операторных сопротивлений реактивных элементов.
2. Ввести необходимые обозначения напряжений в узлах схемы и составить систему уравнений по первому закону Кирхгофа в операторной форме для выбранных узлов. При этом обязательно следует учитывать три свойства идеального ОУ: бесконечно большое входное сопротивление, бесконечно малое выходное сопротивление и бесконечно большой коэффициент усиления. Следствием этих свойств является принцип "мнимой земли" и отсутствие ответвления тока во входную цепь ОУ.
Очень важно определиться с количеством обозначенных напряжений и с количеством уравнений. Здесь действует общее правило: количество уравнений должно быть на единицу меньше количества обозначенных напряжений (переменных в уравнениях). Не следует вводить лишних обозначений напряжений узлов, так как это приведет к усложнению системы и к неизбежной путанице. Например, поскольку в силу принципа "мнимой земли" напряжения на обоих входах ОУ одинаковы, то они должны обозначаться одинаково. Если по схеме видно, что напряжение в какой-либо точке равно нулю, то и обозначения для этой точки вводить не следует.
Большое значение имеет правильный выбор узлов, для которых составляются уравнения. Во всех ветвях, подходящих к выбранному узлу, должны находиться какие-либо сопротивления (в том числе это может быть бесконечно большое сопротивление входа ОУ). Поэтому нельзя составлять уравнения для точек входа схемы и выхода ОУ.
При составлении уравнений рекомендуется не вводить обозначения для токов, а записывать токи в соответствии с законом Ома сразу через падения напряжений и сопротивления.
Обратите внимание, что в ряде схем напряжение на неинвертирующий вход ОУ поступает через делитель напряжения; тогда для этого узла рациональнее вместо уравнения по первому закону Кирхгофа использовать формулу для делителя напряжения.
3. Исключить из системы уравнений промежуточные напряжения узлов и получить уравнение, связывающее входное и выходное напряжения.
4. Получить выражение для передаточной функции 
в виде отношения двух полиномов от р. В окончательном выражении слагаемые должны быть сгруппированы по степеням р в порядке возрастания или убывания степени. При этом следует иметь в виду, что полученное выражение как правило будет более наглядным, если коэффициенты при старшей степени р или свободные члены сделать равными единице.
АЧХ представляет собой зависимость модуля коэффициента передачи схемы от частоты K (ω) = | W (j ω)|. Из этого выражения следует, что в полученной передаточной функции W (р) следует заменить р на j ω и взять модуль от полученного комплексного выражения по правилам обращения с комплексными числами. Вывод выражения для АЧХ следует проделать в общем виде, и только после получения окончательного выражения подставить числовые данные из приложения Б. При построении АЧХ ось частот следует представить в логарифмическом масштабе и проградуировать в Гц. Диапазон частот должен быть выбран с таким расчетом, чтобы отобразить все существенные особенности характеристик.
При определении характера динамического звена в первую очередь важен вид передаточной функции. Все звенья, приведенные в задании – второго порядка. Наиболее часто используются следующие разновидности звеньев: апериодическое звено второго порядка, фильтр нижних частот, полосовой фильтр, фильтр верхних частот, заграждающий фильтр, интегрирующее звено с замедлением, ПИД-звено. Возможно, что заданный вариант не принадлежит к типовым звеньям, что и следует указать в работе (так будет, например, если в знаменателе полином второго порядка, а в числителе полином вида ap + b).
Для определения погрешности схемы, вызванной напряжение смещения, необходимо найти напряжение на выходе схемы при нулевом входном сигнале. Входную точку схемы следует заземлить. За счет огромного коэффициента усиления ОУ на его выходе установится именно такое напряжение, которое обеспечит напряжение между входами ОУ, равное Uсм. Поэтому постановка вопроса должна быть следующей: какое напряжение должно появиться на выходе ОУ, чтобы разность напряжений между входами ОУ установилась равной Uсм? При выполнении этого пункта следует иметь в виду, что если имеется цепь резистивной отрицательной обратной связи, то существует установившийся режим, при рассмотрении которого емкости следует исключить. В противном случае звено приобретает свойства интегратора, и следует рассматривать переходный процесс.
Для минимизации влияния входных токов ОУ необходимо определить сопротивления резисторов, не заданных в приложении Б, таким образом, чтобы эквивалентные сопротивления постоянному току, подсоединенные к входам ОУ, были одинаковы.
Указания к выполнению задания 2
Задача синтеза заключается в построении комбинационной схемы, реализующей заданную логическую функцию.
Целью минимизации является получение алгебраического выражения, содержащего минимальное количество символов переменных, исходя из того, что при этом и реализующая схема будет наиболее простой.
Минимизация производится при помощи карт Карно (называемых также диаграммами Вейча). Карта Карно представляет собой прямоугольную таблицу, каждой клетке которой ставится в соответствие определенная конъюнкция, причем это делается таким образом, чтобы конъюнкции в соседних клетках отличались не более чем на один сомножитель. При заполнении таблицы в соответствующую клетку ставится 1, если минимизируемая функция при данном наборе аргументов равна единице. В остальные клетки вписываются нули (хотя для упрощения их можно оставить пустыми).
В заполненной таблице покрывают все единицы прямоугольными контурами. Минимизированная функция записывается в виде дизъюнкции конъюнкций, соответствующих контурам.
При проведении контуров придерживаются следующих правил:
─ контур должен быть прямоугольным;
─ внутри контура должны быть только клетки, заполненные единицами;
─ число клеток, покрытых контуром, может быть равно 1, 2, 4, 8; при этом условии каждому контуру соответствует определенная конъюнкция;
─ количество контуров должно быть как можно меньшим, а сами контуры – как можно больше;
─ крайний левый и крайний правый столбцы считаются соседними, как если бы карта была свернута в виде цилиндра, точно так же верхняя и нижняя строки считаются соседними;
─ каждая единица может быть покрыта несколько раз.
После покрытия всех единиц записывается минимизированная функция. При записи конъюнкции, соответствующей некоторому контуру, в нее включают только те аргументы, которые не изменяют своего значения внутри контура.
В ряде случаев может существовать несколько вариантов покрытия единиц прямоугольниками. Это означает, что задача минимизации не обязательно имеет единственное решение: различные по записи функции могут иметь одинаковые таблицы истинности и быть равноправными с точки зрения минимальности ДНФ.
Карта Карно для функции четырех переменных представлена в табл. 1.
| Таблица 1 | ||||||||||||
|
| 
|
| |||||||||
| 
| |||||||||||
|
| |||||||||||
|
| 
| |||||||||||
|
|
| |||||||||||
| 
|
|
| |||||||||
Надо отметить, что существует множество способов разметки строк и столбцов карты; главное требование – чтобы соседние строки, равно как и соседние столбцы, отличались друг от друга значением только одной переменной. Поэтому табл. 1 представляет собой один из возможных вариантов, рекомендуемый для использования при выполнении курсовой работы. Для облегчения заполнения удобно пронумеровать клетки карты так же, как строки таблицы истинности (в левом нижнем углу каждой клетки). В табл. 1 принято для нумерации, что двоичное число имеет вид 
(x 0 – младший разряд).
В результате минимизации получается логическая функция в дизъюнктивной нормальной форме (ДНФ), т.е. в виде дизъюнкции элементарных конъюнкций. В данном случае это минимальная ДНФ.
Дальнейшее преобразование определяется тем, какие логические элементы выбраны для реализации. Для представления функции в заданном базисе (И-НЕ или ИЛИ-НЕ) необходимо преобразовать полученную минимальную ДНФ с помощью правила де Моргана. Далее составляется схема непосредственно по логическому выражению. При этом в дополнение к элементам И-НЕ и ИЛИ-НЕ разрешается использовать элементы НЕ.
| Таблица 2 | ||||
| N | x 3 | x 2 | x 1 | y |
При реализации функции алгебры логики от n переменных с помощью мультиплексора достаточно задать функцию в виде таблицы истинности, и не возникает необходимости в минимизации. На рисунке а) приведена в качестве примера схема реализации логической функции, представленной в табл. 2. Набор значений переменных образует двоичное число N, а значение y определяет, какой уровень подать на информационный вход с соответствующим номером N.
Возможна также реализация функции с помощью более простого мультиплексора с числом адресных входов, на единицу меньшим числа переменных (рис. б). В этом случае вопрос о подключении информационных входов решается следующим образом. Анализируются все наборы значений переменных, поданных на адресные входы (в нашем примере x 1 и x 2). Каждый набор встречается в таблице истинности дважды. Соответствующие этому два значения выходной переменной могут принимать значения либо 0, либо 1, либо x 3, либо 
. Тем самым определяется сигнал, подаваемый на соответствующийнабору x 2 x 1 информационный вход.
Студент может выбрать любой из вариантов мультиплексора. Выбор и правильное построение схемы по варианту б) свидетельствует о более глубоком понимании работы комбинационных схем.
Указания к выполнению задания 3
Это задание является наиболее сложным. В нем студенту предоставляется свобода в выборе принципов и средств построения устройства. Главным требованием является выполнение схемой заданных функций при использовании возможно более простых технических решений и стандартных изделий электронной техники. Студент должен определить принцип работы устройства, выбрать элементную базу с учетом современного уровня развития полупроводниковой схемотехники, реализовать все требуемые функции в виде функциональных узлов, произвести выбор и расчет элементов, выполнить принципиальную электрическую схему устройства в соответствии с ЕСКД и составить описание ее работы, выполнить моделирование устройства в программе Electronics Workbench и убедиться в его правильной работе. Для освоения программы могут быть полезны издания [4, 8].
Рекомендуется в общем случае следующий порядок разработки:
1. На основании задания выбирается принцип работы устройства. Главное на этом этапе – ясно представить себе процесс преобразования сигналов, пока не задаваясь средствами преобразования. При необходимости реализуемая функция детализируется, разбивается на ряд более простых функций, при этом может быть полезно составить вначале функциональную схему устройства. Выполняется поиск примеров выполнения и расчета подобных устройств по учебникам, технической литературе, интернет-ресурсам.
2. Производится выбор элементной базы с учетом современного уровня развития полупроводниковой схемотехники.
3. Производится реализация каждой простой функции в виде схемного узла.
4. Узлы и элементарные цепи объединяются в общую схему, при этом главное внимание уделяется согласованию уровней напряжений и токов, входных и выходных сопротивлений.
5. Производится выбор элементов и электрический расчет параметров отдельных элементов и узлов (выбор рабочих токов и напряжений, согласование сигналов по мощности и уровню, определение параметров времязадающих элементов, выбор типов полупроводниковых приборов и микросхем, определение питающих напряжений, расчет электропотребления схемы и т.д.).
6. Выполняется принципиальная электрическая схема по ЕСКД и составляется ее описание. В качестве литературы по ЕСКД рекомендуются издания [9, 10].
Объем сведений, приведенных в принципиальной схеме, должен быть достаточен для изготовления изделия. Все элементы принципиальной схемы выбираются по каталогам и справочникам, при этом должны использоваться самые последние издания. На принципиальной электрической схеме должны быть однозначно определены все элементы и устройства, входящие в изделие. Данные об элементах должны быть записаны в перечень элементов, помещаемый на схеме либо оформленный в виде отдельного документа. Рекомендуется приводить на схеме характеристики входных и выходных цепей изделия (напряжение, ток, частоту и т.п.). Соединительные элементы для внешних цепей допускается показывать условно в виде клемм или таблицы, не присваивая позиционных обозначений и не внося в перечень элементов.
Номиналы резисторов и конденсаторов выбираются из рядов, выпускаемых промышленностью. Так, для постоянных резисторов общего назначения обычно применяется ряд Е24, для переменных резисторов установлен только ряд Е6. Прецизионные резисторы рекомендуется выбирать из ряда Е192. Ряды номинальных значений емкостей конденсаторов зависят от типа конденсатора и должны уточняться по справочникам. Для резисторов обязательно указание типа, номинальной мощности рассеяния и допуска, например: "Резистор С2-23 – 0,25 Вт – 4,7 кОм ± 10 %". Для конденсатора указывается тип и (в зависимости от типа) номинальное напряжение, допуск и/или температурный коэффициент емкости, например: "Конденсатор К10-17а – М1500 – 27 нФ ± 10 %" или "Конденсатор К73-17 – 63 В – 2,2 мкФ".
Выводы интегральных схем должны быть обозначены. Цепи питания интегральных схем должны быть показаны в виде линий электрической связи или указаны в тексте на свободном поле схемы.