Разработка измерительного преобразователя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

усилитель устройство схема погрешность структурный

Введение

1. Обзор

2. Разработка структурной схемы устройства и описание работы его по структурной схеме

3. Разработка и расчет принципиальной схемы

3.1 Дифференциальный усилитель на трех ОУ

3.2 Разработка и расчёт фазочувствительного выпрямителя

3.3 Разработка и расчёт фильтра I нижних частот

3.4 Разработка и расчёт входного усилителя

3.5 Разработка и расчёт прецизионного выпрямителя

3.6 Разработка и расчёт фильтра II нижних частот

3.7 Разработка и расчёт усилителя ограничителя

3.8 Разработка и расчёт компаратора с положительной обратной связью

3.9 Разработка и расчёт аналого-цифрового преобразователя

3.10 Разработка и расчет выходного преобразователя

3.11 Разработка и расчет блока питания

4. Анализ погрешностей устройств и способов их уменьшения

4.1 Основные составляющие погрешности

4.2 Погрешность от Uсм ОУ

4.3 Ошибка, вносимая входными токами ОУ

4.4 Погрешность Kус обусловленная разбросом номиналов резисторов

4.5 Анализ погрешности перемножителя

4.6 Анализ погрешности АЦП

4.7 Определение общей погрешности

Заключение

Литература

Введение

Большинство устройств в наше время очень сложны в своём управлении из-за таких физических процессов, как температура, перемещение и напряженность магнитного поля, являются аналоговыми. А большинство практических методов обработки, вычисления и визуального представления информации - цифровыми.

Несмотря на широко распространенное применение преобразователей, стандартизации в этой области почти нет. Также отсутствуют производственные линии, в которых производство преобразователей доминирует настолько, чтобы обеспечить практическую основу для стандартизации. К тому же изготовители оговаривают определенные допустимые условия для своих приборов. При анализе табличных данных следует уделять большое, внимание выявлению условий, при которых определяется каждый параметр. Разные фирмы - изготовители преобразователей определяют и проверяют одни и те же параметры различными способами. В этом случае разработчик систем должен быть сам убежден в том, что преобразователь будет согласован и совместим с системой.

Эти трудности дополнительно усугубляются многообразием в терминологии и неточностью определений. Изменение технологии производства, разработка новых полупроводниковых элементов м изменяющиеся требования, продиктованные условиями минимальной стандартизации, приводят к возрастающему разнообразию имеющихся преобразователей. К тому же, поскольку методы преобразования различны, одинаково названные приборы могут проявлять едва заметные, но существенные для эксплуатации отличия. В результате выбор наилучшего преобразователя для конкретного применения требует высокой степени мастерства.

Данное устройство способно измерять входное напряжение, которое поступает из датчиков, и сообщать об его изменении, а также хранить предыдущие результаты. Полученные результаты измерения в дальнейшем могут быть поданы на систему управления, что позволит облегчить контроль над устройством.

Использование интегральных микросхем в данном курсовом проекте позволяет миниатюризировать устройство, уменьшить его себестоимость, а так же увеличить точность измерения и его надежность.

1. Обзор

Компараторы можно отнести к специализированным ОУ, в которых нормальным является нелинейный режим работы каскадов. Компараторы предназначены для сравнения входного сигнала с опорным. При этом в зависимости от того, больше входной сигнал опорного или меньше (на доли милливольта), на выходе компаратора за минимальное время должно установиться напряжение лог.0 или лог.1. Приемниками выходных сигналов компараторов обычно являются логические схемы. Поэтому выходные напряжения каждого компаратора согласуется с ТТЛ, ТЛЭС или КМОП схемами.

Подобно ОУ в компараторе обычно три каскада: входной дифференциальный усилитель, промежуточный усилитель и выходной формирователь ВФ.

Основные схемотехнические различия современных компараторов заключены в ВФ. Последний может быть эмиттерным повторителем (К521СА2, К521СА1, К521СА5), одновходовым (К521СА3) или дифференциальным (К597СА1) усилителем, логическим элементом (К597СА2, К521СА4) и т.д. Однако независимо от конструкции ВФ должен быть усилителем мощности, формирующим на выходе компаратора соответствующие уровни напряжений U0 или U1.

Основные отличия схемотехники компараторов от ОУ:

Т.к. компараторы не предназначены для работы с обратной связью, то в них отсутствует частотная коррекция.

В отличие от ОУ, которые являются линейными элементами, в компараторах может использоваться дозированная положительная обратная связь для повышения быстродействия и в этом случае на выходе компаратора при любом входном напряжении может быть только одно из двух напряжений, соответствующих высокому и низкому уровню.

В компараторах применены специальные методы по повышению быстродействия (например, транзисторы Шотки и др.).

Выходной каскад спроектирован таким образом, чтобы согласовываться как по уровню, так и по току с цифровыми микросхемами.

2. Разработка структурной схемы устройства и описание работы его по структурной схеме

ДУ - дифференциальный усилитель.

ФЧВ - фазо-частотный выпрямитель.

УО - усилитель ограничитель.

ФНЧ - Фильтр нижних частот.

АЦП - аналого-цифровой преобразователь.

К - Компаратор.

Выпрямитель - выпрямитель канала Uоп.

Ф - фильтр канала Uоп .

ВП- выходной преобразователь.

Описание работы схемы.

В преобразователе можно выделить два измерительных канала: канал измерения напряжения на резисторе Rx (блоки ДУ, ФЧВ, Ф) и канал измерения тока (блоки ВУ, В и Ф).

Дифференциальный усилитель предназначен для усиления входного напряжения до максимально допустимого. Входное напряжение определятся как произведение входного тока I и полного сопротивления катушки индуктивности. Выход ДУ подключается к фазочувствительному выпрямителю (ФЧВ). ФЧВ служит для выделения полезного сигнала пропорционального напряжению на активном сопротивлении. Для работы ФЧВ необходимы управляющие импульсы, которые формируются из сигнала, пропорционального току, блоками УО (усилитель-ограничитель) и К (компаратор с положительной обратной связью). Фильтр нижних частот ФI предназначен для выделения постоянной составляющей из сигнала после выпрямления для последующей подачи на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

На входной усилитель (ВУ) подается напряжение, равное произведению входного тока I и сопротивления резистора Rш. Усилитель предназначен для усиления входного напряжения до максимально допустимого. Выходное напряжение усилителя подается на выпрямитель (В), который выполнен по схеме прецизионного выпрямителя. Сигнал с выхода выпрямителя подается на фильтр нижних частот ФII, предназначенный для выделения постоянной составляющей из сигнала после выпрямления для формирования опорного напряжения для АЦП.

АЦП предназначен для преобразования аналогового сигнала в цифровой код. Некоторые типы АЦП в качестве опорного напряжения используют фиксированное напряжение, и, таким образом, невозможно осуществить деление двух изменяемых сигналов. Для получения аналогового сигнала, пропорционального измеряемому сопротивлению используется ДН, сигнал с которого поступает на вход АЦП и на вход ФВС.

Формирователь выходного сигнала (ФВС) предназначен для формирования унифицированного сигнала (0-5мА, 4-20мА или 0-100мВ в зависимости от варианта задания) пропорционального измеряемому сопротивлению. Для получения такого необходимо перед ФВС поставить делитель напряжения ДН, на входы которого подать сигнал пропорциональный напряжению на резисторе и сигнал пропорциональный току через резистор.

Блок питания предназначен для подачи необходимых питающих напряжений на схему.

3. Разработка и расчет принципиальной схемы

На основе структурной схемы разрабатывается электрическая принципиальная схема отдельных узлов и устройства в целом. При этом должна быть использована современная элементная база. Типы активных и пассивных элементов выбираются так, чтобы обеспечить требуемые параметры разрабатываемого устройства. В этом разделе должен быть произведен расчет всех элементов структурной схемы, включая блок питания устройства, с обоснованием выбранного схемного решения и развернутым пояснением принципа работы устройства в целом.

3.1 Дифференциальный усилитель на трех ОУ

Зачастую, для предварительного усиления слабого дифференциального сигнала в высокоточных системах от усилителя требуются высокие параметры точности коэффициента усиления, а так же большое входное сопротивление. Точность коэффициента усиления обычно обеспечивают применением глубокой отрицательной обратной связи (ООС), охватывая ею операционный усилитель(ОУ). Однако дифференциальный усилитель на базе одного ОУ не обеспечивает высокого входного сопротивления порядка нескольких МОм, поэтому зачастую применяют сборку, аналогичную изображённой на схеме (рисунок 1). Здесь входное дифференциальное напряжение (U2-U1) подаётся на неинвертирующий вход ОУ, который не используется для создания ОС, а собственное входное сопротивление прецизионных ОУ составляет значения порядка нескольких сотен МОм. Инструментальные дифференциальные усилители применяются для точного съёма напряжений с плеч электронного моста и других датчиков с большим выходным импедансом.



Рис. 1. Схема измерительного усилителя на трех ОУ

Как видно из рисунка 1, напряжение на резисторе R1 составляет U1 - U2. Отсюда следует, что

(3.9)

Эта разность преобразуется дифференциальным усилителем на ОУ3 в напряжение Uвых относительно земли. Обычно выбирается R2 = R3 и R4 = R6 и R5 = R7. В таком случае дифференциальный коэффициент усиления:

(3.10)

Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за разбаланса резисторов):

(3.11)

Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за конечного значения КОСС ОУ3):

 (3.12)

Общий КОСС измерительного усилителя определяется соотношением 3.4. А выходное напряжение равняется

(3.13)

R1: МЛТ - 0,125 - 1 кОм±5%;

R2: МЛТ - 0,125 - 50 кОм±5%;

R3: МЛТ - 0,125 - 50 кОм±5%;

R4: МЛТ - 0,125 - 20 кОм±5%.

R5: МЛТ - 0,125 - 27 кОм±5%;

R6: МЛТ - 0,125 - 20 кОм±5%;

R7: МЛТ - 0,125 - 27 кОм±5%;

3.2 Разработка и расчет фазочувствительного выпрямителя

ФЧВ на аналоговом перемножителе сигналов

В качестве фазочувствительного выпрямителя можно так же использовать аналоговый перемножитель сигналов на основе микросхемы К525ПС2.

Существует большое количество схем включения аналоговых перемножителей. Нам необходима схема включения аналогового перемножителя сигналов в режиме умножения (см. рисунок 2)



Рис. 2. Схема включения К525ПС2 в режиме умножения

Резисторы R7-R9 необходимы для настройки перемножителя на минимальную погрешность.

Резисторы:

R7-R9 - СП5-39-0,5Вт -22кОм10%;

Если на вход X подать измеряемый сигнал, а на вход Y подать прямоугольные импульсы амплитудой UУПР, то данная схема будет работать аналогично схеме, рассмотренной в п. 3.2. Единственное отличие, что коэффициент передачи данной схемы будет равен не 1, а определяться соотношением:

,

где k - коэффициент передачи АПС (k = 0.1); UУПР - амплитуда управляющих импульсов.

Т.к. управляющие импульсы, подаваемые на вход Y перемножителя не должны превышать ±10В, а компаратор выдает двухполярные импульсы амплитудой ±15В, то для преобразования импульсов необходимо установить цепочку, состоящую из R1 и VD1.

Порядок расчета параметрического стабилизатора:

1. Выбираем прецизионный двуханодный стабилитрон с напряжением стабилизации UСТ в диапазоне 5-10В;

Стабилитрон КС170А
Uст = 7 В.
Uст max = 7.35 В.
Uст min = 6.65 В.
P = 300 мВт.
Iст min = 3 мА.
Iст max = 20 мА.
Тпmax =1250С.

2. Задаемся током стабилизации IСТ, который должен быть больше минимально допустимого тока стабилизации IСТ.МИН (из справочных данных стабилитрона) и меньше максимально допустимого тока стабилизации IСТ.МАХ (из справочных данных стабилитрона). Кроме того, ток стабилизации не должен превышать максимальный выходной ток ОУ (из справочных данных ОУ).

3. Рассчитываем сопротивление балластного резистора R1 по формуле:

(3.21)

Резистор:

R1 : МЛТ - 0,125 - 300 Ом ± 5%;

3.3 Разработка и расчет фильтра I нижних частот

ФНЧ предназначен для выделения постоянной составляющей и подавления переменной составляющей в сигнале.

В качестве фильтра используем активный фильтр первого порядка, схема которого представлена на рисунке 3:

Рис. 3. ФНЧ первого порядка

Данный фильтр имеет ЛАЧХ со спадом сигнала 20 дБ/дек (см. рисунок 4).

Рис. 4 ЛАЧХ ФНЧ первого порядка

Частота среза данного фильтра определяется выражением

(3.22)

Коэффициент усиления на постоянном токе определяется отношением Rос/R1.

На выходе ФЧВ сигнал, совпадающий по фазе с управляющим, имеет вид как на выходе двухполупериодного выпрямителя. Разложение в ряд Фурье для этого сигнала имеет вид:

(3.21)

где UR-амплитуда полезного входного сигнала

.

Как видно из этого выражения, величина постоянной составляющей равна:

(3.22)

амплитуда пульсаций (основной гармоники) для выпрямленного сигнала равна:

(3.23)

частота пульсаций увеличивается в 2 раза и будет равна:

=2500*2=5000 Гц. (3.24)

Но на выходе ФЧВ также присутствуют пульсации от сигнала, отличающегося по фазе от управляющего на 90 градусов.

Частота пульсаций в 2 раза больше частоты входного сигнала, и амплитуда которых равна:

,

где UL-амплитуда паразитного сигнала

.

Таким образом, для ФНЧ, который ставится после ФЧВ, расчет будем вести по сумме пульсаций на входе фильтра, формируемых полезным и паразитным сигналом:

(3.25)

Для обеспечения погрешности, например, д=1%, необходимо, чтобы амплитуда пульсаций на выходе фильтра составляла 0.01 от полезного сигнала:

(3.26)

Где, К- коэффициент ослабления основной гармоники.

Из этой формулы можно выразить необходимое значение К:

 (3.27)

Для того, чтобы амплитуду пульсаций уменьшить в К раз, необходимо, чтобы желаемая частота среза фильтра также была в K раз меньше частоты пульсаций:

(3.28)

Задаемся емкостью

Тогда рассчитывается исходя из (3.22):

(3.11)

Номинал R1 выбираем равным Roc.

Значения резисторов и конденсаторов выбираем из ряда E24 [2]:

R1: МЛТ-0,125- 1МОм ± 5%;

Roc: МЛТ-0,125- 1МОм ± 5%;

C1: К53-14-16В- 4,3 нФ ±5%.

3.4 Разработка и расчёт входного усилителя

В качестве входного усилителя для измерения сигнала, пропорционального току в цепи, будем использовать схему неинвертирующего усилителя.



Рис. 5. Схема принципиальная неинвертирующего усилителя на ОУ

Коэффициент усиления данной схемы определяется выражением:

(3.29)

Усилитель выполнен на микросхеме КР140УД17А и предназначен для усиления входного напряжения до 10В.

Определяем максимальное напряжение, действующее на входе:

(3.30)

Где I - значение тока в цепи по заданию;

RШ- значение сопротивления шунта для измерения тока по заданию;

Определяем требуемый коэффициент усиления

; (3.31)

Для получения требуемого коэффициента усиления будем использовать два каскада. Выберем K1=40, K2=250.



Рис. 6. Двухкаскадная схема принципиальная неинвертирующего усилителя на ОУ

Зададимся резисторами R2, R4 10 кОм и рассчитаем R1 и R3:

(3.12)

(3.12)

По ряду Е24 и справочнику выбираем:

R1: МЛТ - 0,125 - 270 Ом±5%;

R2: МЛТ - 0,125 - 10 кОм±5%;

R3: МЛТ - 0,125 - 3,9 Ом±5%;

R4: МЛТ - 0,125 - 10 кОм±5%.

3.5 Разработка и расчёт прецизионного выпрямителя

Прецизионный выпрямитель предназначен для выпрямления сигнала, который будет подан на фильтр II нижних частот I-го порядка. Он состоит из инвертирующего усилителя DA1 и сумматора DA2 (смотри рисунок 7), которые выполнены на микросхемах КР140УД17А [5].



Рисунок 7. Принципиальная схема прецизионного выпрямителя

Резисторы на рисунке 7:

R1, R2, R3, R5, R6 = 10 кОм

R4 = R1/2 = 5 кОм

Диоды VD1 и VD2 в цепи отрицательной обратной связи неинвертирующего усилителя выбираем КД521А [3].

Таблица 1. Параметры диодов КД521А:

Uпост.обр.,В	Iпр.ср.,мА	Uпр,В
75	50	<1

Выберем резисторы из ряда E24 [2]:

R1, R2, R3, R5, R6: МЛТ-0,125-10кОм 5%;

R4: МЛТ-0,125-5.1 кОм 5%.

Принцип работы прецизионного выпрямителя представлен на временных диаграммах сигналов в разных точках выпрямителя Uвх, Uа, Uвых, полученных в MicroCAP 8 (рисунок 8).



Рисунок 8. Временные диаграммы сигналов

3.6 Разработка и расчет фильтра II нижних частот

ФНЧ предназначен для выделения постоянной составляющей и подавления переменной составляющей в сигнале после двухполупериодного выпрямителя.

В качестве фильтра используем активный фильтр первого порядка аналогичный фильтру в п.3.3 имеющий частоту среза:

(3.32)

Расчет будем осуществлять по основной гармонике.

На выходе двухполупериодного выпрямителя постоянная составляющая равна , а амплитуда основной гармоники, частота которой в 2 раза больше частоты входного сигнала, равна (см. также п. 3.3).

Для того, чтобы амплитуду пульсаций уменьшить в К раз, необходимо, чтобы желаемая частота среза фильтра также была в K раз меньше частоты пульсаций:

(3.33)

Рассчитаем номиналы элементов:

1. Задаемся коэффициентом подавления основной гармоники К 100 и по формуле 3.33 определяем необходимую частоту среза:

2. Задаемся емкостью C1=3мкФ и по формуле 3.32 рассчитываем Rос. Номинал R1 выбирается равный Rос.

Rос: МЛТ-0,125-1 кОм 5%

R1: МЛТ-0,125-1 кОм 5%

3.7 Разработка и расчет усилителя ограничителя

Усилитель-ограничитель предназначен для формирования прямоугольных импульсов из исходного сигнала с частотой импульсов равной частоте исходного сигнала. В нашем случае амплитуда импульсов равна 10 В. Резистор R1 предназначен для ограничения тока через диоды и берется равным 10 кОм.

По ряду Е24 и справочнику выбираем:

R1= МЛТ 0,125Вт 10 кОм±5%.

Диод VD1 ограничивает усиленное напряжение на уровне 0,6 В.

VD1, VD2: КД521А

Параметры выбранных диодов:
Iпр.макс = 50 мА.
Uобр.макс = 75 В.

Временные диаграммы сигналов, поясняющие принцип работы усилителя ограничителя приведены ниже, получены в MicroCAP 8 (Uвх(t) и U1(t)):

Рис. 9. Схема усилителя-ограничителя

Рис. 10. Временные диаграммы сигналов на входе и выходе усилителя-ограничителя

3.8 Разработка и расчет компаратора с положительной обратной связью

Компаратор с положительной обратной связью предназначен для формирования прямоугольных импульсов фиксированной амплитуды из выходного сигнала усилителя-ограничителя. Применение ПОС создает гистерезис при переключении компаратора, что приводит к повышению помехозащищенности. Схема компаратора с ПОС приведена на рисунке 11. В данной схеме выходные уровни DA2 имеют напряжение насыщения ОУ, которое близко к напряжению питания ±Uпит и которое может изменяться. Это делает невозможным использования данного сигнала в качестве управляющего для ФЧВ построенном на АПС. Для формирования управляющих импульсов стабильной амплитуды используется параметрический стабилизатор (R-VD3). Кроме стабилизации выходного сигнала, данная цепь приводит уровни этого сигнала к допустимому значению при подаче на вход АПС ().

Рис. 11. Компаратор с ПОС

(3.34)

Для данной схемы порог переключения компаратора определяется по формуле:

(3.35)

С учетом того, что напряжение питания ОУ ±15В, а значение необходимого порога переключения лежит в пределах ±100-300мВ, то будет выполняться условие R3>>R4 и сопротивление резистора R4 в знаменателе можно пренебречь. Тогда формула 3.22 примет вид:

(3.36)

1.Задаемся порогом переключения UПОР=200 мВ;

2.Задаемся значением резистора R4=1 кОм и рассчитываем по формуле (3.36) значение резистора R3. В этой схеме необходимо использование быстродействующего ОУ (например, 544УД2 или аналогичные);

Параметры ОУ 544УД2А
Eсм	30мВ
Iвх	0,1нА
Ксф	70дБ
V	20В/мкс
Eпит	15В
Iп	7мА
Кус	20000

R3: МЛТ - 0,125 - 75 кОм±5%;

Рис. 12. Временные диаграммы сигналов на входе и выходе компаратора

Верхняя диаграмма - показан сигнал после прохождения через усилитель ограничитель (Uвх); нижняя диаграмма - показан сигнал на выходе компаратора (Uвых).

3.9 Разработка и расчёт аналого-цифрового преобразователя

АЦП предназначен для преобразования входного сигнала в цифровой код для последующего отображения на индикаторе измеряемой величины. Выходной код АЦП определяется по формуле:

(3.37)

где Nmax максимальный выходной код АЦП (зависит от разрядности и типа АЦП).

Как видно из последней формулы АЦП фактически осуществляет деление входного сигнала на опорный, что позволяет получить выходной код пропорциональный измеренному сопротивлению Rx. Для этого необходимо на вход Uвх подать сигнал пропорциональный напряжению на Rx, а на вход Uоп подать сигнал пропорциональный току через резистор Rx.

При подключении АЦП необходимо обеспечить следующее:

1) Напряжение на выводах Uвх и Uоп должно соответствовать допустимым значениям АЦП;

2) Индикатор или выходной цифровой код должен соответствовать значению измеряемой величины;

где максимальное входное напряжение равно: Uвх= 10.24(В), а опорное напряжение должно равняться Uоп=10.24(В).

Значение цифрового кода на выходе АЦП 1108ПВ1:

(3.40)

где максимальное входное напряжение равно: Uвх= 2.5(В), а опорное напряжение должно равняться Uоп= 2.5(В).

Исходными данными к расчету являются значение выходного кода -Nвых, напряжение на выходе ФНЧ1, обозначим его Uu, и напряжение на выходе ФНЧ2,обозначим его UI.

Nвых=800 Значение UI найдем по формуле:

(3.41)

где:

Kву - коэффициент входного усилителя рассчитанный в пункте 3.4;

I - заданный ток по условию;

Rш - заданное сопротивление.

Теперь рассчитываем Uu по следующей формуле:

 (3.42)

Где Rx - сопротивление, заданное по условию;

I - заданный ток по условию;

Kду - коэффициент ДУ, рассчитанный в пункте 3.1;

Т.к. ФЧВ на АПС принимает значение:

;

Для структурной схемы и используемой ИМС 1108ПВ1,способ формирования входного и опорного сигналов отличается от предыдущих структурных схем. В качестве опорного напряжения используется напряжение встроенного в АЦП источника опорного напряжения, поэтому для формирования входного сигнала ставится делитель напряжения, осуществляющий деление сигнала пропорционального напряжению на сигнал пропорциональный току.

В качестве делителя напряжения следует использовать микросхему АПС К525ПC2 в режиме делителя напряжения (см. рисунок 13). Значение напряжения на выходе делителя напряжения ДН определяется по формуле:

(3.45)



Рис. 13. Микросхема К525ПС2 в режиме делителя напряжения

Для данной схемы условие Uu<UI, выполняется.

Сигнал UДН необходимо преобразовать до уровня, выраженного из формулы (3.40):

3.10 Разработка и расчет выходного преобразователя

В зависимости от варианта необходимо чтобы выходной преобразователь обеспечивал формирование следующего сигнала:

0-100 мВ, для структурной схемы исходными данными для расчета ФВС является выходное напряжение делителя напряжения UДН, рассчитанное в п.3.9.

(3.45)

Расчет выходного преобразователя 4-20мА



Рис. 14. Схема формирователя выходного сигнала 4-20мА

В данной схеме в связи с тем, что ОУ не может выдать ток более 5мА, на выход ОУ подключается двухтактный усилитель мощности, охваченный общей отрицательной обратной связью. Эта схема должна обеспечивать выходной ток 4мА при нулевом входном сигнале и 20 мА при номинальном входном сигнале.

В данной схеме резистор R3 берется равным 100 Ом, а напряжение источника ЭДС Е возьмем, например, равным 5В.

В качестве источника напряжения Е в курсовом проекте рекомендуется использовать микросхему ИОН, но допустимо использование питания 5В.

Рассчитаем номиналы резисторов R1 и R2:

R1: МЛТ-0,125-1,2 кОм 5%.

R2: МЛТ-0,125-43 Ом 5%.

Транзисторы выбираются: KT315 и KT361.

3.11 Разработка и расчет блока питания

При расчете блока питания необходимо определить требуемые значения напряжения питания, ток потребляемый по каждому питанию, выбрать микросхемы ИСН и DC/DCпреобразователей, ток потребляемый от аккумуляторной батареи, необходимую емкость аккумуляторной батареи для непрерывной работы в течение 24 часов. Т.к. питание данной схемы осуществляется от автономного источника питания, то структурная схема блока питания имеет вид, представленный на рисунке 15.

Рис. 15. Структурная схема блока питания

Рисунок 16. Схема блока питания

Напряжение питания микросхемы К140УД7: Uпит.мкс=±15В.

Напряжение питания микросхем К1561КТ3 и К1561ЛА9: Uпит.мкс=15В.

Рассчитаем напряжение и ток вторичной обмотки блока питания, питающего микросхемы:

(3.31)

, (3.32)

где Кп- коэффициент пульсаций, равный 0,1;

Uпр- прямое напряжение на диодах, ;

n- количество питаемых микросхем.

Напряжение питания микросхемы К1108ПВ1: Uпит.АЦП=±6В.

Рассчитаем напряжение и ток вторичной обмотки блока питания, питающего АЦП:

(3.33)

(3.34)

По напряжению и току вторичных обмоток выбираем трансформатор ТПП 304-127/220-50 с параметрами[13]:

- ток первичной обмотки: 1,4/0,79 А,

- ток вторичной обмотки: 3,86 А.

- напряжения вторичных обмоток:

U11-12=4,92 В;

U17-18=4,92 В;

U13-14=10 В;

U19-20=10 В;

U15-16=2,45 В; U21-22=2,45 В.

Рассчитаем диоды VD6-VD9:

Uобр 6-9=2·U'2=24,9 В (3.35)

Iпр.ср 6-9.=0,5·Iпит.мкс·n=16,5 мА (3.36)

Рассчитаем диоды VD10-VD13:

Uобр 10-13=2·U''2=12.16 В (3.37)

Iпр.ср 10-13.=0,5·I”2 =0.75 мА (3.38)

Рассчитаем конденсаторы С7, С8:

, (3.39)

где tр- время разряда конденсаторов, равное 7мс;

(3.40)

Тогда (3.41)

Рассчитаем конденсаторы С9, С10:

(3.42)

(3.43)

Тогда (3.44)

Выберем диоды VD6-VD13[6] и конденсаторы С7-С10[5]:

VD6-VD9: КД522А;

VD10-VD13: КД204Б с параметрами Uобр =50В, Iпр.ср.=1А;

С7,С8: К71-6-25В-82мкФ±10%;

С9,С10: К71-6-25В-18мкФ±10%.

4. Анализ погрешностей устройств и способов их уменьшения

4.1 Основные составляющие погрешности

В схеме КП основными составляющими погрешности являются:

- ошибка по постоянному току ОУ, обусловленная наличием напряжения смещения.

- ошибка по постоянному току ОУ, обусловленная протеканием входных токов.

- отличие номиналов применяемых резисторов от расчётных значений.

- погрешность АПС и АЦП.

Ошибки по постоянному току следует анализировать в измерительных схемах, где измеряемый сигнал является сигналом постоянного тока. В данном курсовом проекте измеряются сигналы переменного тока и, в принципе, ошибки по постоянному току дифференциального усилителя можно не анализировать, т.к. ФЧВ преобразуют постоянный сигнал ошибки в переменный и далее этот сигнал отфильтровывается ФНЧ. Но смещение в канале измерения тока приведет к погрешности при определении среднего значения тока и неправильному формированию управляющих импульсов для ФЧВ. Кроме того, наиболее критичными к ошибкам от напряжения смещения и от входных токов являются каскады, где на входе присутствует полезный сигнал малого уровня.

Таким образом, по постоянному току будем анализировать следующие схемы:

- входной усилитель

- формирователь выходного сигнала 0-100мВ.

4.2 Погрешность от Uсм ОУ

Рассмотрим схему неинвертирующего усилителя, которую применяли в качестве входного усилителя в канале измерения тока.

Предположим, что данный усилитель имеет Кус?10000, , а Uвх=1мВ, Uвх=Rш•I=1Ом•1мА=10мВ.

Несимметричность входного дифференциального каскада ОУ характеризуется параметром Uсм. Оценим, какую погрешность внесёт напряжение смещения.

Рис. 17. Схема неинвертирующего усилителя

Для оценки сравнивают сигнал от напряжения смещения с полезным сигналом, приведённым ко входу или выходу усилителя.

Найдём полезный сигнал на выходе ОУ: Uвыхпол=Uвх•Кус?10В

Для схем на ОУ считается, что напряжение смещения усиливается как в схеме неинвертирующего усилителя:

Uвыхсм=Uсм*Kус=50мкВ*10000=0,5В

Тогда погрешность, вносимая Uсм определяется следующим образом

(4.1)

Расчёт следующих каскадов в канале измерения тока по напряжению смещения проводить не целесообразно, так как полезный сигнал уже усилен и погрешность, вносимая Uсм будет очень мала, что позволяет применять более дешёвые ОУ с большим значением Uсм.

Как видно из выше приведённого анализа, наиболее критичными к Uсм являются каскады, где на входе присутствует полезный сигнал малого уровня.

В схемах, где ошибка от Uсм велика, возможны следующие способы уменьшения погрешности:

- балансировка ОУ. По схеме, приведённой в справочнике, подключается переменный резистор и проводится настройка ОУ: при нулевом сигнале на входе добиваются нулевого сигнала на выходе. Данный способ применяется, если устройство работает в ограниченном температурном диапазоне, так как Uсм имеет температурный дрейф.

- применение более дорогих прецизионных ОУ. Этот способ является более предпочтительным.

4.3 Ошибка, вносимая входными токами ОУ

Входными токами ОУ называют токи, протекающие по входным выводам ОУ. Эти токи, протекая, создают падение напряжения, которое подобно напряжения смещения является источником погрешности.

Так в схеме неинвертирующего усилителя (рисунок 18) ток I1,протекая через параллельное соединение резисторов R1 и R2, создает падение напряжения , а ток I2 протекает по нулевому сопротивлению источника сигнала и не создает падение напряжения, т.е. U2=0.



Рис. 18. Схема неинвертирующего усилителя

Разность напряжений U2-U1 усилителя подобно напряжению смещения. Так для параметров схемы приведенной на рисунке 18:

(4.2)

(4.3)

Uвыхпол=Uвх•Кус=12,67В•0,789=10В (4.2.3)

(4.1.3)

4.4 Погрешность Kус обусловленная разбросом номиналов резисторов

Выпускаемые резисторы имеют разброс значений сопротивлений от номинального.

Так например, использование резисторов с 5% разбросом в схеме инвертирующего и неинвертирующего ОУ может привести к 10% отклонению Kус, в наихудшем случае:

 (4.3.1)

(4.3.2)

или (4.3.3)

Рис. 19. Подстройка коэффициента усиления в схеме усилительного каскада

Для устранения этого явления можно применять дорогостоящие прецизионные резисторы (с разбросом 1% или меньше), или же использовать подстройку коэффициента усиления в схеме усилительного каскада как показано на рисунке 19

4.5 Анализ погрешности перемножителя

АПС характеризуется следующими основными точностными параметрами, приведенными в таблице 2.

Таблица 2. Основные точностные параметры К525ПС2

Напряжение смещения	По Х ± 10 мВ По Y ± 10 мВ
Погрешность перемножения	±1%
Нелинейность перемножения	±0,5%
Погрешность масштабного коэффициента не нормируется	-
Остаточное напряжение по входу Х	80 мВ
Остаточное напряжение по входу Y	60 мВ

Ошибка перемножения от Uсм убирается настройкой АПС на минимальную погрешность и регулировкой «0» всего усилительного каскада.

Ошибка перемножителя от разброса значения масштабного коэффициента от номинального убирается подстройкой крутизны усилительного каскада.

Погрешность перемножителя характеризует возможности перемножителя после настройки его на минимальную погрешность для любой пары входных сигналов, а нелинейность перемножителя - это не уменьшаемая составляющая погрешности и определяется при подаче на один вход max постоянного сигнала, а на второй sin сигнала. Таким образом, погрешность перемножителя принимаем равной 1%.

4.6 Анализ погрешности АЦП

Используемые АЦП и ЦАП имеют следующие точностные параметры, приведенные в таблице 3.

Таблица 3. Основные точностные параметры используемых АЦП и ЦАП

	К572ПВ2А К572ПВ5А	К572ПВ1А	К1108ПВ1А	К572ПА2А
Погрешность полной шкалы	-	±122 МЗР	±4 МЗР	-
Напряжение смещения	-	-	±10 мВ	-
Нелинейность преобразования	1 ед.счёта	±4 МЗР	±1 МЗР	±0.025%

Погрешность от напряжения смещения АЦП, так как и для ОУ и АПС можно убрать настройкой «0» всего усилительного каскада.

Погрешность полной шкалы характеризует разброс коэффициента преобразования и эта погрешность убирается настройкой Кус.

Нелинейность преобразователя является не уменьшаемой составляющей погрешности.

Для перехода от единиц счёта к процентам воспользуемся следующей формулой:

Для 572ПВ2, 572ПВ5

Для 572ПВ1А

Для 1108ПВ1

Таким образом, принимаем погрешность преобразователя 0.05% для 572ПВ2, 572ПВ5 и 0.1% для 572ПВ1А и 1108ПВ1.

4.7 Определение общей погрешности

Так как погрешность является величиной случайной, то общая погрешность определяется по формуле:

(4.11)

где д1,д2,д3 и т. д. - погрешности присутствующие в схеме.

(4.5.3)

Разработанное устройство имеет два типа выхода: цифровой код (индикатор) и унифицированный выходной сигнал. Поэтому необходимо определить погрешность измерения по каждому выходу.

Заключение

В данном курсовом проекте был разработана схема преобразователя сигнала. Величина погрешностей не превышает 10% и может быть при необходимости уменьшена практически до нуля.

Навыки, полученные в результате выполнения курсового проекта, пригодятся в дальнейшем проектировании, что очень важно для инженера.

Список литературы

1. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник/ Н.Н. Амиков и др. Мн.: Беларусь, 1994.

2. Резисторы: Справочник/ В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и др.; Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1991. -528с.: ил.

3. Конденсаторы: Справочник / И.И. Четвертков, М.Н. Дьяконов, В.И. Присняков и др.: Под ред. И.И. Четверткова, М.Н. Дьяконова. - М.: Радио и связь, 1993. -392с.: ил.

4. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам/ Горюнов Н.Н., Клейман А.Ю. Комков Н.Н. и др.; Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. - 5-е изд., стереотипное. - М.: Энергия, 1979. 744с., ил.

5. Новаченко И.В., Телец В.А. - Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры: Справочник: Доп. 2-е изд. М.: Радио и связь, 1992. - 235с.

6. Зельдин Е.А. - Цифровые микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1986. - 280с.: ил.

7. Аналоговые перемножители сигналов: лаб. практикум по курсу «Микроэлектроника и микросхемотехника» для студентов специальности 1-36 04 02 «Промышленная электроника» / Л.А. Захаренко. - Гомель: ГГТУ им. П. О. Сухого, 2008. - 23 с.

8. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. - М.: Радио и связь,1991.Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. - Л., Энергоиздат, 1988 г.

9. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л., Энергоиздат, 1988 г.

10. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 3-х томах. Пер. с англ. - М.: Мир, 2003 г.

11. Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь, 1982.

12. Якубовский Цифровые и аналоговые интегральные схемы. Справочник М.: Радио и связь, 1988.

13. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

Размещено на Allbest.ru

...