Измерение электронно-лучевым осциллографом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный университет»

Филиал ЮУрГУ в г. Усть-Катаве

Кафедра «Электромеханика»

Специальность «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»

Реферат:

По дисциплине: «Элементы систем автоматики»

Тема: Измерение электронно-лучевым осциллографом

Группа: №523

Выполнил: Свирский В.И.

Проверил: Константинов В.Д.

Усть-Катав 2013



Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

В данном курсовом проекте разработана функциональная схема измерительного усилителя (ИУ) с целью контроля состояния объекта. Выполнено построение и расчёт схем измерительных усилителей ИУ_Т, ИУ_P, построение и расчёт схемы измерительного усилителя ИУ_F,построение и расчёт схемы усилителя-сумматора ИУ_?, построение и расчет схемы активного фильтра низких частот, построение и расчет схемы источников питания, построение и расчет схемы источника питания ОУ, построение и расчет схемы источника питания измерительных мостов. Графическая часть включает в себя схему электрическую принципиальную ИУ, схему электрическую принципиальную блока питания ИУ, выполненные на листе формата А2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Аннотация

Задание для выполнения курсовой работы

Введение

1. Построение и расчёт схем измерительных усилителей ИУ_Т, ИУ_P

2. Построение и расчёт схемы измерительного усилителя ИУ_F

3. Построение и расчёт схемы усилителя-сумматора ИУ_?

4. Построение и расчет схемы активного фильтра низких частот

5. Построение и расчет схемы источников питания

5.1 Построение и расчет схемы источника питания ОУ

5.2 Построение и расчет схемы источника питания измерительных мостов

Заключение

Приложение 1

Приложение 2

Список использованной литературы

Задание для выполнения курсовой работы

Вариант 6

Параметры измерительного моста	Диапазон изменения вых. сигнала ИУ, В	Макс. ток фотодиода при макс. освещенности IF, мА
Eпит., В	R1=Rx0, Ом	R2=R3, кОм	Макс. разбаланс , %
6	68	4.7	3	0.5-1	0.2

Значение К для алгебраического сложения	Тип активного фильтра	Тип схемы выпрямления источника питания
KT	KP	KF
0.5	-0.5	0.5	ПФ	НУЛЕВАЯ



Введение

Измерительный усилитель (ИУ) обычно служит для измерения малых разностей напряжения полезного сигнала на фоне значительных помех. Характеристики измерительного усилителя, подходящие для использования в измерениях и тестирующем оборудовании, включают: очень малое смещение постоянного тока, малый дрейф, малый шум, очень высокий коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи, очень высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала, и очень высокие входные сопротивления. Такие усилители применяются, когда требуются большая точность и высокая стабильность схемы, как кратковременно, так и долговременно.

Цель курсовой работы - построение и расчет схемы ИУ из типовых функциональных блоков, выборе из справочной литературы компонентов схемы, расчете и проверке основных параметров ИУ и, благодаря этому, закрепление материала по дисциплине «Электрические измерения».

Для построения схемы измерительного усилителя выбираем ОУ общего применения с «полевым выходом», который имеет малые входные токи - К140УД8. Технические параметры представлены в Приложении 1.



1. Построение и расчёт схем измерительных усилителей ИУ_Т, ИУ_P

Рисунок 1 Измерительные усилители ИУ_Т, ИУ_P

Измерительный выходной сигнал датчиков технологических параметров часто представляет собой напряжение, снимаемое с мостовой схемы. Поэтому в качестве датчиков Дт, Др можно использовать схему балансного моста, в одном из плеч которого включен первичный резистивный измерительный преобразователь (термо- или тензорезистор).

Выходное напряжение U такой схемы равно нулю при условии равенства всех плеч моста или их попарного равенства: R₃=R₄=68 Ом и R₁=R₂=4.7 кОм. В качестве R3 используется сопротивление первичного резистивного измерительного преобразователя до рассогласования, задающего разбаланс моста.

По условиям задания разбаланс моста

Из этого выражения по известным значениям n -3% и Ом можно определить отклонение сопротивления резистивного преобразователя при рассогласовании

Ом

и после рассогласования

Ом.

Выходное напряжение рассогласования моста: , где

и .

При В

В,

В,

В

Для усиления сигнала датчика напряжение подается на вход схемы, построенной на операционных усилителях. Это стандартная схема двухкаскадного измерительного усилителя на базе ОУ. Первый каскад, состоящий из усилителей DA1 и DA2, усиливает дифференциальный сигнал в раз, и коэффициент передачи для синфазного напряжения равен единице. Следовательно, дифференциальный сигнал увеличивается на выходах DA1 и DA2 без увеличения синфазного сигнала. Второй каскад, выполненный на ОУ DA6 в дифференциальном включении,и усиливает дифференциальный сигнал в раз. Такая схема имеет более высокий входной импеданс и обеспечивает больше усиление и лучший KOСC по сравнению со схемой на одном ОУ [1].

Коэффициент усиления:

,

где К - коэффициент переменного резистора R₁₆ и резистора R₁₇, m - дифференциальный коэффициент усиления схемы

.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала схемы:

,

где - изменение m, зависящее от выбранной точности k резисторов схемы , %.

Коэффициент передачи синфазного сигнала

По известным значениям и диапазону изменения выходного сигнала ИУ определяем пределы изменения коэффициента усиления схемы ИУ от до :

; .

Выходное смещение и дрейф выходного смещения в этой схеме больше из-за того, что используется три ОУ. Для борьбы с этим входные ОУ DA₁, DA₂, DA₃, DA₄ следует подбирать так, чтобы дрейфы смещений DA₁, DA₂, DA₃, DA₄ были бы одинаковыми.

В качестве DA₁ - DA₉ лучше использовать ОУ с «полевым выходом», которые имеют малые входные токи. Поэтому в качестве DA₁ - DA₉ выбираем операционный усилитель К140УД8.

Применение внешней балансировки позволяет уменьшить напряжение смещения. Выбираем сопротивления подстроечных резисторов, подключенных между 2 и 6 выводами ОУ К140УД8 (балансировка), R₉- R₁₃, R₃₀, R₃₁, R₃₈, R₄₃ равными 10 кОм по ряду Е24, типа СП5-2В-10 кОм±5%.

Номиналы резисторов следует брать небольшими, чтобы уменьшить влияние колебаний входных токов смещения ОУ. Обычно значения сопротивлений входных резисторов схемы R₂₃ и R₂₄ берут высокими в пределах десятка кОм, чтобы не нагружать входы ОУ. Значения сопротивлений обратной связи R₃₂ и R₂₈ на порядок выше. Для обеспечения высокого значения КОСС сопротивления резисторов R₁₅, R₁₈, R₂₃ и R₂₄, а также резисторов R₃₂ и R₂₈ выбирают равными с точностью k=5 % (из ряда номиналов сопротивлений резисторов Е24).

Выбираем R₂₃= R₂₄= R₂₅= R₂₆= R₁₅= R₁₈= R₁₉= R₂₂=10 кОм, типа С2-33-0,25-10 кОм±5%.

Выбираем R₂₈= R₃₂= R₂₉= R₃₃=51 кОм по ряду Е24, типа С2-33-0,25-51 кОм±5%.

По заданной точности находим .

Затем определяем пределы изменения коэффициента К (от до ) переменного резистора R₁₆, исходя из требуемой глубины регулирования коэффициента усиления схемы ИУ от до .

, .

Далее определяем пределы изменения сопротивления переменного резистора R₁₆:

R₁₆мин< R₁₆< R₁₆макс.

Резистор построим из двух частей. Одна из них - постоянный резистор с сопротивлением R₁₆мин (R₁₇), а другая - переменным сопротивлением R₁₆макс- R₁₆мин. Выбираем номиналы сопротивлений из ряда Е12 R₁₇=680 Ом типа С2-33-0,25-680 Ом±5%, R₁₆=820 Ом типа СП5-2В-820 Ом±5%.

Нижняя граница входного сопротивления ИУ (при )

Ом

Нижняя граница КОСС ИУ (при )

Наибольший уровень синфазной помехи на выводе ИУ (выходная синфазная ошибка при )

,

где - синфазное напряжение на входе ИУ_Т, ИУ_Р определяется как

В.



2. Построение и расчёт схемы измерительного усилителя ИУ_F

Рисунок 2 Измерительный усилитель ИУ_F

Измерительный усилитель светового потока ИУ_F построен на ОУ по схеме преобразователя тока фотодиода в напряжение.

Фотодиод, подключённый обратно к низковольтному источнику напряжения служит датчиком светового потока Д_F и представляет для входной цепи ОУ источник тока, управляемый световым потоком. Для идеального усилителя .

Определяем :

, где - максимальное напряжение на выходе ИУ_F, равное 1 В по заданию, а - ток фотодиода при максимальной освещённости, по заданию мА.

Ом.

Выбираем =5,1 кОм по ряду Е24, типа С2-33-0,25-5,1 кОм±5%.

В качестве диода VD₁ выбираем диод типа КД221.

3. Построение и расчёт схемы усилителя-сумматора ИУ_?

Рисунок 3 Усилитель-сумматор ИУ_?

ИУ_? осуществляет операцию алгебраического сложения выходных напряжений ИУ_Т, ИУ_P, ИУ_F. Схема ИУ_? реализована на ОУ с суммированием трех входных напряжений.

Напряжение U₁ подается на инвертирующий вход ОУ, а U₂ и U₃ - на неинвертирующий. Схема выполняет операцию алгебраического сложения при соблюдении условия баланса коэффициентов усиления на инвертирующем и неинвертирующем входах. Сумма коэффициентов усиления на инвертирующем входе равна сумме коэффициентов усиления на неинвертирующем входе:

, где , ,.

Выбираем резистор по ряду Е24.

Тогда , по ряду Е24 , типа С2-33-0,25-200кОм±5%;

, по ряду Е24 , типа С2-33-0,25-200 кОм±5%;

, по ряду Е24 , типа С2-33-0,25-200кОм±5%.

подключен в схеме для выполнения условия баланса моста. ,

где =0,5-0,5-0,5=0,5.

, по ряду Е24 , типа С2-33-0,25-200 кОм±5%.

Выбираем резистор =80 кОм по ряду Е24, типа С2-33-0,25-80 кОм±5%;

резистор =680 кОм по ряду Е24, типа С2-33-0,25-680 кОм±5%.



4. Построение и расчет схемы активного фильтра низких частот

измерение усилитель сигнал напряжение

Рисунок 4 Фильтр низких частот

Выбираем в качестве фильтра низких частот фильтр второго порядка по структуре Саллен-Ки.

Частота среза такого фильтра [4]:

Частота среза фильтра низких частот будет равна 40 Гц. Исходя из этого, находим =1,584 кОм, =100 Ом, =10 мкФ, =10 мкФ.

Коэффициент передачи схемы:

Коэффициент передачи данного фильтра равен 2. Отсюда находим ==20 кОм.

Выбираем по ряду Е24 =1,6 кОм типа С2-33-0,25-1,6 кОм±5%.,

=100 Ом типа С2-33-0,25-100 Ом±5%, ==20 кОм типа С2-33-0,25-20 кОм±5%; =10 мкФ, =10 мкФ типа К10-17-50В-10 мкФ ±10%.



5. Построение и расчет схемы источников питания

Рисунок 5 Схема источника питания

В схеме ИУ используются два вторичных источника постоянного напряжения (выпрямителя): один - для питания измерительных мостов, а другой - для работы всех операционных усилителей схемы. Отличие их в том, что для питания измерительных мостов используется однополярный источник электроэнергии, а для питания ОУ требуется двухполярный.

5.1 Построение и расчет схемы источника питания ОУ

Напряжение питания аналоговых микросхем ОУ U_пит1 = ±15 В.

В качестве трансформатора выбирается стандартный трансформатор типа ТПП67-220-50 с сердечником типа ШЛ16х25, мощность N = 26 В·А, ток первичной обмотки I=0,15А со техническими характеристиками, указанными в таблице 1 [6]:

Таблица 1

Параметры трансформатора ТПП67

Напряжение на вторичных обмотках, В	Ток на первичной обмотке, А
11-12	13-14	15-16	17-18	19-20	21-22	0,12
45,0	45,0	45,0	45,0	30,0	30,0

Для обеспечения симметричного напряжения Uпит2 = ±15 В соединим последовательно две секции трансформатора 19-20 и 21-22. В качестве стабилизатора напряжения используем микросхему К142ЕН6 с параметрами, приведенными в приложении 2.

Для выпрямления напряжений, снимаемых со вторичных обмоток, используем диоды VD₁, VD₂ КД221.

Типовая схема включения микросхемы стабилизатора К142ЕН6 представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 Типовая схема включения К142ЕН6

Значения емкостей С5 и С8 определяется типовой схемой включения и выбираются равными С₅=С₈=0,1 мкФ типа К10-17-50В-0,1 мкФ ±10%. Емкости С₂, С₃ образуют сглаживающие фильтры и предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленных напряжений. Их значения обычно лежат в пределах (100 - 1000) мкФ при токах не более 1А. Выбираем С₂=С₃=82 мкФ типа К10-17-50В-82 мкФ ±10%.



5.2 Построение и расчет схемы источника питания измерительных мостов

Напряжение питания измерительного моста U_пит2=+10 В.

Для обеспечения нестабилизированного униполярного напряжения U_пит2 =+ 10 В используем одну секцию трансформатора 15-16. В качестве стабилизатора напряжения используем микросхему КР142ЕН1 с параметрами, приведенными в приложении 2.

Для выпрямления напряжений, снимаемых со вторичных обмоток, используем диоды VD₃, VD₄ КД221.

Типовая схема включения микросхемы стабилизатора К142ЕН1 представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 Типовая схема включения К142ЕН1

Значения емкостей С₄, С₆, С₇ и С₉ определяется типовой схемой включения и выбираются равными С₄=С₆=С₇=С₉ =0,1 мкФ типа К10-17-50В-0,1 мкФ ±10%. Емкость С₁ образует сглаживающий фильтр и предназначена для уменьшения пульсаций выпрямленных напряжений. Выбираем С₁= 43 мкФ типа К10-17-50В-43 мкФ ±10%.

Резисторы R₁, R₂ и R₃ образуют делитель выходного напряжения и выбираются такими, чтобы напряжение на выходе было равно 10В. Выбираем резисторы R₁=R₃ =39 Ом по ряду Е24 типа С2-33-0,25-39 Ом±5% и R₂=15 кОм по ряду Е24 типа СП5-2В-15 кОм±5%

В качестве кнопки SA1 выбираем кнопку КМ1-1. В качестве предохранителей FU₁ и FU₂ выбираем предохранители B1250T.



Заключение

В данной курсовой работе спроектирован измерительный усилитель:

1) преобразующий данные о технологических параметрах - температуре T, давлении P, световом потоке F - с помощью соответствующих датчиков Д_T, Д_P, Д_F в электрические сигналы напряжения U_T, U_P, U_F;

2) усиливающий эти электрические сигналы соответствующими ИУ_T, ИУ_P, ИУ_F с коэффициентами передачи K_T, K_Р, K_F;

3) затем алгебраически суммирующий в измерительном усилителе-сумматоре ИУ_У;

4) Результирующий выходной сигнал ИУ_У фильтруется в диапазоне его частоты до 40 Гц с помощью активного фильтра;

Также для питания измерительных мостов и ОУ необходимо выбрана и рассчитана схема источников питания.

Были выбраны и рассчитаны основные функциональные узлы измерительного усилителя. Благодаря этому закрепили навыки проектирования схем, построенных на ОУ, научились выбирать элементы схем.



Приложение 1

К140УД8

Микросхемы представляют собой операционые усилители средней точности, имеющие на выходе полевые транзисторы с p-n переходом и p-каналом, с внутренней частотной коррекцией и малыми входными токами. Корпус К140УД8 типа 301.8-2, масса не более 1,5 г., КР140УД8 типа 2101.8-1, масса не более 1 г.

Корпус К140УД8		Схемы балансировки
Назначение выводов К140УД8: 1 - корпус; 2,6 - балансировка; 3 - вход инвертирующий; 4 - вход неинвертирующий; 5 - напряжение питания -Uп; 7 - выход; 8 - напряжение питания +Uп;



Электрические параметры

1	Напряжение питания	15 В 5%
2	Максимальное выходное напряжение при Uп= 15 В, Rн = 10 кОм	12 В
3	Напряжение смещения нуля при Uп= 15 В, Rн более 50 кОм	30 мВ
4	Входной ток при Uп= 15 В, Rн более 50 кОм	не более 2 нА
5	Разность входных токов при Uп= 15 В, Rн более 50 кОм	не более 0,15 нА
6	Ток потребления при Uп= 15 В	не более 5 мА
7	Коэффициент усиления напряжения К140УД8А, КР140УД8А К140УД8(Б,В), КР140УД8(Б,В)	не менее 50000 не менее 20000
8	Максимальная скорость нарастания выходного напряжения при Uп= 15 В, Uвх= 5 В, Rн не менее 10 кОм, Cн не более 100 пФ К140УД8(А,В), КР140УД8(А,В) К140УД8Б, КР140УД8Б	не менее 2 В/мкс не менее 5 В/мкс
9	Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений при Uп= 15 В, Uвх= 5 В	не менее 64 дБ
10	Температурный дрейф напряжения смещения при Uп= 15 В, Rн не менее 50 кОм К140УД8А, КР140УД8А К140УД8Б, КР140УД8Б К140УД8В, КР140УД8В	не более 50 мкВ/ ° C не более 100 мкВ/ ° C не более 150 мкВ/ ° C
11	Частота единичного усиления при Uп= 15 В, Rн не менее 50 кОм	3 МГц

Предельно допустимые режимы эксплуатации

1	Напряжение питания	(13,5...16,5) В
2	Входное синфазное напряжение	не более 5 В
3	Входное напряжение	не более 10 В
4	Сопротивление нагрузки	не менее 2 кОм
5	Емкость нагрузки	не более 100 пФ
6	Температура окружающей среды	-45...+70 ° C

Рекомендации по применению

Питание К140УД8 можно осуществлять ассиметричными напряжениями или от одного источника напряжения при условии: 12 В |+U_п1|+|-U_п2| 36 В. При этом не допускается заземление вывода 1. Нормы на электрические параметры при этом не регламентируются.



Приложение 2

К142ЕН1

Тип	КстU, %/В Нестабильность по напряжению	ТК Uст, %/С Относительный температурный коэффициент напряжения	Uвх(min), В Мин. входное напряжение	Uвх(max),В Макс. входное напряжение	Uвых,В Максимальное входное напряжение	Iнагр(max), А Максимальный ток нагрузки	КстI, %/А Нестабильность по току
К142ЕН1	0,2	0,05	9	20	3-12	0,15	4,4

К142ЕН6



Тип	Кст, %/В	ТК Uст, %/К	Uвх-Uвых, В	Uвх,В	Uвых,В	Iпотр, мА
К142ЕН6	0,0015	0,02	2,2	±20	±15	7,5



Список использованной литературы

1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника / Справочное руководство. М.: Мир, 1982.

2. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем / Справочник. М.: Радио и связь, 1985.

3. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем / Справочник. М.: Радио и связь, 1985.

4. Достал И. Операционные усилители / Справочник. М.: Мир, 1982.

5. Акимов Н.Н., Ващуков Е.П., Прохоренко В.А., Ходоренко Ю.П. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник. Мн.: Белорусь, 1994. 591 с.

Размещено на Allbest.ru

...