Enable Bias Power Display – отображение на схеме рассеиваемой мощности ветви в рабочей точке;

       Toggle Power On Selected Part – показать/ удалить значение рассеиваемой мощности по постоянному  току выбранного компонента. 

     Проведем  сборку схемы. Вызовом  Part производится определение и добавление требуемых элементов схемы. Элементы схемы должны принадлежать PSpise библиотеке. В результате схема исследуемого усилителя в Orcad представлена на рисунке 4. 
 
 
 

       
 
 
 
 
 
 
 

     Рисунок 4 – Схема двухполупериодного выпрямителя

     Для данной схемы в качестве операционного  усилителя использовался ОУ фирмы Analog Devices AD648A, в качестве диода – диод 1N4500. Питание ОУ – двухполярное, собрано из двух источников по 10 В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3 Моделирование работы двухполупериодного выпрямителя

 

     После сборки схемы выполняется её моделирование  с помощью Orcad PSpise A/D – программы моделирования аналоговых и смешанных аналого-цифровых устройств. Формируем новое задание на моделирование ( New Simulation Profile).

     Необходимо провести моделирование следующих характеристик: временной анализ (Time Domain); анализ шумов; анализ Фурье (FFT).

     Начинаем  моделирование с временного анализа. Во вкладке Time Domain задаем параметры моделирования от 0 до 90мс, так как источник сигнала работает с частотой 60 Гц. В результате получена следующая временная зависимость, представленная на рисунке 5. Одновременно проводим анализ Фурье, нажатием кнопки FFT. Данная зависимость представлена на рисунке 6. 

Рисунок 5 – Временная зависимость выходного сигнала

      Как можно заметить, двухполуперидный выпрямитель выполняет свою функцию: на выходе выпрямителя мы имеем выпрямленное значение входного напряжения, то есть положительные входные полуволны проходят без изменения, а отрицательные входные полуволны инвертируются, но с одинаковой амплитудой.

                  

Рисунок 6 – Фурье анализ усилителя мощности.

      На  рисунке 6 видно, что частота выходного  напряжения увеличилась в 2 раза, и  еще добавилась постоянная составляющая порядка 70 мВ. Амплитуда первой гармоники выпрямленного напряжения составляет 40 мВ. Так же можно заметить, что появились гармоники высших порядков. Объяснить это можно тем, что на выходе выпрямителя сигнал не чистой синусоидальной формы, а возросшую частоту до 120 Гц тем, что сигнал на выходе стал повторяться в 2 раза чаще. 

     Проведем  частотный анализ. Полученный график АЧХ приведен на рисунке 7.

     Рисунок 7 – АЧХ двухполупериодного выпрямителя.

     По  полученной форме АЧХ можно сказать  следующее: до частот, примерно, 1 МГц, на выходе выпрямленный сигнал не будет  иметь каких-либо изменений формы  вследствие равномерности АЧХ на этом участке. С частот от 1 МГц до 100 МГц, резко падает форма АЧХ, что  обусловлено частотными свойствами применяемых операционного усилителя  и диода. На этом участке форма  выпрямленного напряжения может значительно исказиться. При частотах более 100 МГц применение данного выпрямителя нецелесообразно. 

     Произведем  параметрический анализ двухполуперодного  выпрямителя. Параметрический анализ заключается в том, чтобы изменением значения параметра какого-либо элемента на схеме получить графики зависимостей от параметра изменяемого элемента. Так как в техническом задании не сказано, какой элемент менять, то выберем его самостоятельно. Для параметрического анализа возьмем элемент R2. Будем изменять его значение в пределах от 5 кОм до 15 кОм, с шагом 2 кОм, и посмотрим, как изменение сопротивления этого элемента скажется на временных и частотных диаграммах.

Рисунок 8 – Временная диаграмма (при различных значениях R2) 

     Как видно, при изменении сопротивления  R2, полуволна выпрямленного напряжения (при отрицательном входном напряжении) изменяет свою амплитуду, а при положительном входном – на выходе повторяет ее форму. Это можно объяснить тем, что в момент положительной полуволны на входе работает диод, а операционный усилитель заперт, и не участвует в работе схемы. При отрицательной входной полуволне диод запирается, и включается в работу ОУ. Путем изменения сопротивления R2, стоящего в цепочке обратной связи, мы изменяем соотношение R1/R2, которое отвечает за усиление. Поэтому амплитуда выходного напряжения на отрицательной полуволне входного изменяет свое сопротивление. 

      Изменение АЧХ усилителя, при изменении  заданного сопротивления, показано на рисунке 9.

Рисунок 9 – АЧХ двухполупериодного выпрямителя.

      По  рисунку 9 можно сказать следующее: при сопротивлении резистора R2 = 5 кОм, АЧХ имеет большую полосу частот, при 15 кОм – меньшую. Разница  между линиями АЧХ незначительная. Полоса изменяется в пределах 1-2 МГц. 

     Необходимо  оценить теперь относительный уровень  шума двухполупериодного выпрямителя. Проводить шумовой анализ следует, как и анализ АЧХ, но с добавлением параметра шума (Noise). Данная характеристика представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 – Анализ уровня шума усилителя мощности 

     Оценивая  уровень собственного шума, видим, что  он равен порядка 18 нВ, на частотах до 1 МГц, и так же, как и АЧХ начинает падать с ростом частоты. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4 Разработка печатной платы

 

     В данном  пункте работы проводится разработка печатной платы. После создания сборки схемы в Capture, исправлении ошибок, создается список соединений для разводки платы. Нажав в менеджере проектов на Page1, появляется в окне команд вкладка Tools, в которой выбираем «Create NetList…», далее вкладка Layout в которой ставим галочку на «Run ECO to Layout», «ОК».

     Теперь  запускаем Layout, создаем новый файл, выбрав форму из папки С:\Program Files\Orcad\Layout\Data любую. Далее открываем свой  файл с расширением *.mnl, после создается файл с расширением *.max, в котором будет хранится информация о соединениях и об ошибках. В случае ошибок необходимо исправить и повторить все заново.

     В результате получена печатная плата представленная на рисунке 11. Плата разведена в одном слое. Такие платы проще и дешевле в изготовлении, чем многослойные, но имеют сложную конфигурацию дорожек. В данном случае плата не представляется сложной для изготовления.

     

     Рисунок 11 – Печатная плата усилителя мощности

     Плата с двумя слоями металлизации показана на рисунке 12.

     

     Рисунок 12 – Печатная плата усилителя  мощности с двумя слоями металлизации

           Платы с двумя  слоями металлизации сложнее в изготовлении, но позволяют получить более короткие длины проводников, что благоприятно сказывается на работе высокочастотных схем. 
 
 
 

Заключение

     В ходе выполнения курсового  проектирования произведена сборка принципиальной схемы в программе пакета Orcad Capture , моделирование в PSpise A/D и разводка на печатной плате в Layout.

     Проанализирована работа двухполупериодного выпрямителя. Исследована временная характеристика, Фурье анализ, уровень собственного шума. Получен опыт работы в среде Orcad и его приложениях .

Список  литературы

 

     1 Методические указания к курсовому проектированию «Проектирование радиоэлектронных средств с помощью ЭВМ» для студентов 4 курса специальности 210302 «Радиотехника» очной формы обучения / Воронежский государственный технический университет; Сост. Ю.Э.Корчагин, С.А.Слинчук, А.И.Кочетков, В.Я.Кнох. Воронеж, 2006, 32с. 

     2 Разевиг. В.Д. Система проектирования OrCad 9.2. – М.: Солон-Р, 2001. 

     3 СТП ВГТУ 005-2007. Курсовое проектирование. Организация, порядок, оформление  расчетно-пояснительной записки  и графической части.