4. Разработка и расчет электрической принципиальной схемы абонентского устройства
4.1 Выбор микроконтроллера
Для повышения технико-экономических показателей (стоимости, надёжности, потребляемой мощности, габаритных размеров) при разработке используются микроконтроллеры в качестве устройства управления.
В настоящее время существует множество фирм, выпускающих широкий ассортимент микроконтроллеров, такие как Motorola, Microchip, SGS-Thompson, National, ALCATEC. Они различаются электрическими характеристиками и насыщенностью периферийными устройствами. Хорошо зарекомендовала себя в плане быстродействия, экономичности, простоты схемы разрабатываемого устройства продукция фирмы Microchip.
В таблице 4.1 приведены параметры PIC-контроллеров фирмы Microchip. В управляющем микроконтроллере должны присутствовать как минимум один внешний вход прерываний (для моноканала), две линии для управления режимами работы абонентского устройства, одна линия подачи несущей на соответствующий вход ШИМ, шесть линий для обслуживания клавиатуры и индикаторов. Особые требования предъявляются к потребляемой мощности и стабильности работы. Данными свойствами обладает PIC- контроллер PIC16F84.
Этот микроконтроллер построен по RISC архитектуре. Набор его команд содержит всего 35 простых команд, которые выполняются за один машинный цикл, кроме команд пересылки. Он выгодно отличается низкой ценой и высокой производительностью. Важным достоинством является малое энергопотребление (2 мА на частоте 4 МГц и 5 В питании и менее 1 мкА в режиме SLEEP) и широкие диапазоны напряжения питания (2,5-6В) и тактовой частоты (до 20 МГц).
4.2 Принципиальная электрическая схема
Рассмотрим детально работу абонентского устройства (см. чертеж «электрическая принципиальная схема абонентского устройства»).
В режиме «передача» сигнал с динамика поступает на вход предварительного усилителя, собранного на транзисторе VT1, через разделительный конденсатор C2. Этот каскад построен на транзисторе типа n-p-n, охваченный параллельной обратной связью по входу и по выходу (резистор R1), которая предназначена для температурной стабилизации рабочей точки транзистора. Для защиты транзистора VT1 от большого сигнала при работе приемной ветви в цепь базы включается диод VD3. Далее сигнал поступает на следующий усилительный каскад через разделительную емкость C4 и на вход цепи АРУ звука, состоящей из пикового детектора на диоде VD5, транзисторе VT4 и нелинейного сопротивления на транзисторе VT1. Величина этого сопротивления зависит от напряжения, снимаемого с пикового детектора и влияет на коэффициент усиления каскада на транзисторе VT3. Диод VD6 нужен для быстрого перезаряда емкости C7.
Следующий усилительный каскад представляет собой инвертор (DD3.1), охваченный отрицательной обратной связью R7, C6. Сопротивление R7 выводит рабочую точку инвертора на середину проходной характеристики элемента. Конденсатор C6 предназначен для ограничения полосы звукового сигнала на частоте 3400Гц. Диод VD4 предназначен для уменьшения потребления тока при работе абонентского устройства в режиме «воспроизведение». Затем сигнал через резистор R10 поступает на вход компаратора напряжения, который построен на трех инверторах DD3.3 DD3.5, порог срабатывания которого равен 0,5 напряжения питания. К сигналу звука подмешиваются импульсы треугольной формы, полученные из прямоугольных, путем пропускания их через цепочку C11, R11, C12, которая является фильтром низких частот. Сигнал звука меняет положение постоянной составляющей последовательности треугольных импульсов и на выходе образуется ШИМ-сигнал, длительность импульсов которого зависит от уровня сигнала звука на входе компаратора. Далее сигнал через транзисторный ключ (выполняет функцию выходного усилителя) построенный на транзисторе VT6 поступает в канал связи. Передающая ветвь может быть отключена подачей уровня логического нуля с линии микроконтроллера RB1 на резистор R3 (см. чертеж «электрическая принципиальная схема абонентского устройства»).
Рассмотрим теперь работу приемной ветви.
В режиме «воспроизведение», как было сказано выше, передающая ветвь отключается подачей сигнала низкого уровня на резистор R3.
Сигнал из канала через цепь R12, C8 поступает на вход инвертора, который выполняет функцию усилителя-ограничителя (резистор R8 выводит рабочую точку на середину проходной характеристики, R12 является токоограничивающим). Затем уже усиленный сигнал поступает на преобразователь уровня, построенный на транзисторе VT3. Это необходимо для нормальной работы следующего каскада поскольку он запитывается напряжением +12 В. Далее сигнал усиливается в импульсном усилителе, представляющим собой цепочку параллельно включенных инверторов DD1.1 DD1.6 и поступает на динамик через цепочку параллельно включенных диодов (в режиме «передача» эта цепочка предотвращает шунтирование входного сопротивления усилительного каскада, построенного на транзисторе VT3).
В режиме «передача» приемная ветвь отключается подачей уровня +5В на эмиттер транзистора VT2 с линии микроконтроллера RB1.
Цифровая часть схемы включает в себя микроконтроллер DD2, дешифратор DD4, клавиатуру S1 S15, блок индикаторов HL1 HL15.
Схема питается напряжением +12 В (импульсный усилитель) и +5 В.
Каскад, построенный на транзисторе VT5, выполняет функцию стабилизатора напряжения. Резистор R13 задает ток, протекающий через стабилитрон VD7.
4.3 Расчет усилителя низкой частоты
Выбираем транзистор КТ3102В так как он имеет высокий коэффициент передачи по току.
==160, (4.1)
где h21min , h21max параметры транзистора (выбираются из справочника).
Задаемся током коллектора I0k, равным 1 мА. Определяем ток базы транзистора.
I0б=I0k/ h21=1 мА/160= 6 мкА (4.2)
Задаемся напряжением Uk VT1 равным 0,5 Eп.
Uk=0,5Eп=0,55 В=2,5 В, (4.3)
Где Eп напряжение питания транзистора VT1.
Определяем сопротивление R3.
R3=( Eп 0,5Eп)/ I0k=2,5 В/0,001 А=2,5 кОм
(принимаем равным 2,4 к) (4.4)
Задаемся сопротивлением R2 (оно влияет на глубину регулировки АРУ звука) величиной порядка 10 кОм. Тогда сопротивление R1 можно определить следующим образом.
R1=( Uk Uбэ I0бR2)/I0б=(2,5 В 0,7 В 610-610000)/ 310-6=
=300 кОм (4.5)
Определяем входное сопротивление каскада.
Rвх=(Rвх.т+R2)R1/( Rвх.т+R2+R1), (4.6)
Где Rвх.т входное сопротивление транзистора (h11э) и определяется по данным справочника (Rвх.т=200 Ом)[ ].
Rвх=(200 Ом+10000 Ом)300000 Ом/( 200 Ом+10000 Ом+300000 Ом)=10 к
Теперь, зная входное сопротивление каскада, можно определить величину разделительной емкости C2.
C2=1/(2fн0,5(Rдин+Rвх)), (4.7)
Где fн нижняя частота спектра передаваемого сигнала (fн=300 Гц),
Rдин сопротивление динамика (Rдин=50 Ом)
C2=1/(23,14300 Гц0,5(50 Ом+10000 Ом))=0,1 мкФ
Определяем выходное сопротивление каскада на транзисторе VT2.
Rвых=(R1Ri)/(R1+Ri), (4.8)
где Ri выходное сопротивление транзистора VT2 (Ri=1/h22э=800 Ом).
h22э справочная величина (h22э=1,25 мСм) [ ].
Rвых=(300000 Ом800 Ом)/(300000 Ом+800 Ом)=800 Ом,
Определяем коэффициент передачи каскада K [ ].
K=R3Iок/t, (4.9)
K=2500 Ом0,001 мА/26 мВ=30
Определим разделительную емкость С4.
C4=1/(2fн0,5Rвых)= 1/(23,14300 Гц0,5800 Ом)=1,310-6 Ф
(4.10)
Теперь необходимо определить величину коэффициента усиления следущего каскада, который должен усилить сигнал до уровня 1,5 В (порог срабатывания компаратора).
K1=Uкомп/(Uвхvt3K), (4.11)
Где Uкомп напряжение на входе компаратора;
Uвхvt3 напряжение на входе каскада, построенного на транзисторе VT2.
K1=1,5 В/(0,003 В30)=10
Исходя из этого определяем величину сопротивления R7.
R7=K1R3=102500 Ом=25000 Ом (принимаем 24 кОм) (4.12)
Определяем емкость С6 (ограничивает полосу пропускания до уровня 3400 Гц)
С6=1/(2fвR7)=1/(6,283400 Гц24000 Ом)=1,9 нФ (4.13)
(принимаем 2нФ)
4.2 Расчет ШИМ и цепи АРУ
Определяем величину конденсатора С12 исходя из условия =R11C12=1/fпн. Где
fпн частота следования прямоугольных импульсов, поступающих с вывода микроконтроллера на вход компаратора через цепь C11, R11 (выбирается равной 20 кГц, величиной сопротивления R11задаемся равной 20 кОм ).
С12=1/(2fпнR11)=1/(6,2820000 Гц20000 Ом)=0,39 мкФ (4.14)
Емкость С11 определяется как разделительная по следующей формуле.
С11=10/(2fпнR11)=10/(6,2820000 Гц20000 Ом)=3,9 мкФ (4.15)
Теперь можно перейти к расчету схемы АРУ звука. Поскольку в этой цепи используется нестандартный режим работы транзистора VT3, который используется как нелинейное сопротивление и расчет его затруднен, то определение параметров цепи АРУ проводится путем моделирования в среде Electronics Worcbench 5.0. Необходимо обеспечить минимально возможную постоянную времени цепи АРУ при ее моделировании.
4.3 Расчет импульсного усилителя, входного усилителя, стабилизатора напряжения
Определяем ток в нагрузке, неоходимый для раскачивания мощности 0,5 Вт в нагрузке при напряжении на нагрузке 11 В (полагаем потери порядка 1 В).
Iн=Pн/Uн=0,5 Вт/11 В=45 мА (4.16)
В качестве выходного импульсного усилителя будем использовать цепочку параллельно соединенных инверторов микросхемы КР564ЛН1.
Определяем разделительную емкость С1. При ее расчете не учитывается выходное сопротивление импульсного усилителя, выполненного на микросхеме КР564ЛН1.
С1=1/(2fнRдин)=1/(6,28300 Гц50 Ом)=10 мкФ (4.17)
Рассчитываем сопротивление R4. Для открытого транзистора справедлива следующая формула (Iк=1 мА этой величиной задаемся).
R6=Uп/Iк=11 В/1 мА=11 кОм (4.18)
Определяем сопротивление R 8. Его величина влияет на коэффициент усиления DD2.5 (коэффициент усиления такой схемы не может быть больше 10 и при расчете мы будем полагать его равным 10). Сопротивление R12 нужно выбирать в 5 10 раз больше, чем выходное сопротивление транзисторного ключа на транзисторе VT6. Его можно принять равным 10 кОм.
R12=Kdd2.5R14=1010 кОм=100 кОм (4.19)
Теперь перейдем к расчету стабилизатора напряжения.
Сопротивление R13 задает величину тока, протекающего через стабилитрон (будем использовать КС156Г). Для стабилизации напряжения необходимо протекание тока порядка 1 мА.
Rст=(Uп Uст)/Iст=(11 В 5,6 В)/1 мА=6,4 кОм (принимаем 6,2 кОм),
(4.20)
где Uст напряжение стабилизации.(справочная величина)[ ],
Iст ток стабилизации. (справочная величина) [ ].
Емкость С13 предназначена для фильтрации высокочастотных составляющих. Ее можно выбрать равной 1 мкФ.