Разработка измерительного усилителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Проектирование входной части измерительного усилителя

На входе измерительного усилителя (ИУ) поставил преобразователь ток - напряжение, так как согласно техническому заданию усиление производится по току. В качестве преобразователя применил операционный усилитель.

По техническому заданию входное сопротивление в полосе рабочих частот равно 5Ом (R = 5Ом), поэтому, в качестве преобразователя, применил инвертирующий операционный усилитель (ИОУ) КР1434УД1, схема которого приведена на рис.1; схема включения и технические характеристики (ТХ) приведены в приложении 4.

Рис.1

Принял коэффициент преобразования во входной части - К= 500 , чтобы получить требуемые характеристики измерительного усилителя. Из условия К= -, подобрал сопротивление R= 2,5 кОм , где R- сопротивление нагрузки ИОУ.

По характеристикам ОУ КР1434УД1, в частности, К = 15•10, ѓ = 100 МГц и параметрам ТЗ: ѓ= 8000Гц, ѓ= 150Гц построил ЛАЧХ и ЛФЧХ, где К - коэффициент усиления, ѓ- частота единичного усиления ОУ КР1434УД1, ѓ и ѓ- верхняя и нижняя границы диапазона частот. Графики ЛАЧХ и ЛФЧХ приведены в приложении 1.

По ЛАЧХ определил: К(ѓ) = 12119,92 ; К(ѓ) = 15•10, где К(ѓ) и К(ѓ) - коэффициенты усиления ОУ на верхней и нижней границах диапазона частот соответственно.

ѓ не попала на горизонтальную часть ЛФЧХ, поэтому наблюдается фазовый сдвиг Дц= 5?.

1. Рассчитал U: расчет производил по формуле

U= IR

где I= 2мА, получил значение U= 10мВ.

Так как выбранный коэффициент преобразования входной части К= 500 большой, учел влияние напряжения смещения «нуля» (НС) ОУ на выходной сигнал:

где - реальное НС; - НС ОУ КР1434УД1, приведенное в технических характеристиках данного усилителя; К= К= 500.

Получил значение = 2500мВ, что много больше напряжения на выходе U= 400мВ (см. «Расчет выходной части»), поэтому необходимо убрал реальное НС, т.к. оно будет влиять на выходной сигнал.

Исходя из того, что постоянное, для его снятия использовал R-C цепочку (фильтр высоких частот), расчет фильтра приведен в пункте 3.3. (см. «Расчет ФВЧ»)

2. Рассчитал R:



R= (1) , получил R= 4,99 Ом.

3. При значении R= 6МОм, рассчитал входное сопротивление Z на нижней и верхней границах диапазона частот:

Z= R+ (2), получил Z= 5,1666 Ом;

Z= R+ (3), получил Z= 5,2062 Ом.

В формулах (2), (3) К и К - коэффициенты усиления ОУ на нижней и верхней границах частот.

4. Рассчитал погрешности Z и Z:

д= ()100% (4), получил д= 3,33%;

д= ()100% (5), получил д= 4,125%.

Рассчитал суммарную погрешность Z и Z: д = д+ д; д = 7,455%. В соответствии с требованиями технического задания (ТЗ), погрешность входного сопротивления не должна превышать 10%. (д?10%) Получившееся значение д = 7,455% <10%, что удовлетворяет требованиям ТЗ.

5. Рассчитал глубину обратной связи (ОС):

г = (6), получил г = 0,001996



6. Рассчитал м :

м = (7), получил м = 0,998

7. Рассчитал коэффициент частотных искажений:

М= (8), получил М=1,0076.

В формуле (8):

(9), (10).

Полученное значение коэффициента частотных искажений М=1,0076 ?1 говорит о наличии незначительных частотных искажений.

8. По полученному значению коэффициента частотных искажений определил погрешность коэффициента преобразования в полосе рабочих частот:

= 0,76%.

2. Проектирование выходной части измерительного усилителя

На выходе ИУ поставил преобразователь напряжение - ток. В качестве преобразователя применил операционный усилитель. По техническому заданию минимальное сопротивление нагрузки равно 20 Ом (R = 20Ом), поэтому, в качестве преобразователя, применил ИОУ К157УД1, так как данный усилитель способен выдержать максимальный выходной ток измерительного усилителя (I> I), где I- максимальный выходной ток операционного усилителя, I- максимальный выходной ток измерительного усилителя. Схема ИОУ К157УД1 приведена на рис.2; схема включения и ТХ приведены в приложении 5.

Рис.2

Коэффициент преобразования в выходной части подбирал из условия К= .

С учетом того, что К= 500, принял К=0,002. Из условия К= -, подобрал сопротивление R= 10 кОм.

По характеристикам ОУ К157УД1, в частности, К = 50•10, ѓ = 0,5 МГц и параметрам ТЗ: ѓ= 8000Гц, ѓ= 150Гц построил ЛАЧХ и ЛФЧХ, где К - коэффициент усиления, ѓ- частота единичного усиления ОУ К157УД1, ѓ и ѓ- верхняя и нижняя границы диапазона частот. Графики ЛАЧХ и ЛФЧХ приведены в приложении 2.

По ЛАЧХ определил: К( ѓ) = 70,79 ; К( ѓ) = 5623,41, где К( ѓ) и К( ѓ) - коэффициенты усиления ОУ на верхней и нижней границах диапазона частот соответственно.

ѓ и ѓ попали на горизонтальную часть ЛФЧХ, поэтому фазового сдвига не наблюдается Дц= 0?.

1. Рассчитал выходное напряжение ИУ. Расчет производил по формуле:

U= IR,

где I= 20мА , R= 20Ом. Получил значение U= 400мВ.

При выбранном коэффициенте преобразования выходной части К= 0,002 , НС ОУ не повлияет на выходной сигнал, так как = 10 мкВ, а U= 400 мВ.

2. Рассчитал R:

R=

получил R= 19,96 Ом.

3. Рассчитал глубину обратной связи (ОС):

г =

получил г = 0,998

4. Рассчитал м :

м =

получил м = 0,001996

5. Рассчитал коэффициент частотных искажений:



М= ,

получил М=1,00984.

, .

Полученное значение коэффициента частотных искажений М=1,00984 ?1 говорит о наличии незначительных частотных искажений.

6. По полученному значению коэффициента частотных искажений определил погрешность коэффициента преобразования в полосе рабочих частот:

= 0,984%.

После схемы по рис.2 поставил преобразователь уровня ТТЛ - КМОП 564ЛЕ6.

3. Проектирование промежуточной части измерительного усилителя

В промежуточной части поставил каскадное соединение двух ИОУ КР140УД26. Таким образом, с учетом каскадов ОУ входной и выходной частей, в схеме ИУ получилось четное число ИОУ, поэтому полярность сигнала на входе и выходе ИУ будет одинаковой. Последовательно каскаду ОУ поставил фильтр низких частот (ФНЧ) и фильтр высоких частот (ФВЧ). Включение в схему фильтров вызвано необходимостью усиления только рабочих частот, приведенных в ТЗ. Включение в схему ФВЧ вызвано так же необходимостью снятия на выходе ИУ. Схема каскада ОУ с ФНЧ и ФВЧ приведена на рис.3, где У1 и У2 - ИОУ КР140УД26.

Схема включения ОУ КР140УД26 и его ТХ приведены в приложении 6.



Рис.3

Усиление схемы производится по току, то общий коэффициент усиления семы будет равен отношению выходного и входного токов схемы.

(11)

Т.к. ИУ представляет собой многокаскадное соединение ОУ во входной, промежуточной и выходной частях, то

(12).

Из формул (11) и (12), с учетом,

К= ,

получил . , причем , где и - коэффициенты усиления первого и второго каскадов промежуточной части.

На первый каскад подал коэффициент усиления = 5, на второй =2.

Расчет первого каскада.

Т.к. = , подобрал сопротивления , . Большой номинал сопротивления R выбрал исходя из условия предотвращения перегорания ОУ, чтобы обеспечить достаточную нагрузку ОУ.

По характеристикам ОУ КР140УД26, в частности, К = 100•10, ѓ = 20 МГц и параметрам ТЗ: ѓ= 8000Гц, ѓ= 150Гц построил ЛАЧХ и ЛФЧХ, где К - коэффициент усиления, ѓ- частота единичного усиления ОУ КР140УД26, ѓ и ѓ- верхняя и нижняя границы диапазона частот. Графики ЛАЧХ и ЛФЧХ приведены в приложении3.

По ЛАЧХ определил: К( ѓ) = 2138 ; К( ѓ) = 1,14•10, где К( ѓ) и К( ѓ) - коэффициенты усиления ОУ на верхней и нижней границах диапазона частот соответственно.

ѓ и ѓ попали на горизонтальную часть ЛФЧХ, поэтому фазового сдвига не наблюдается Дц= 0?.

При выбранном коэффициенте усиления первого каскада промежуточной части К=5 , НС ОУ не повлияет на выходной сигнал, поэтому в дальнейшем его не учитывал.

1. Рассчитал R:

R= ,

получил R= 1,666 кОм.

2. Рассчитал глубину обратной связи (ОС):

г = , получил г = 0,1666



3. Рассчитал м :

м = , получил м = 0,8333

4. Рассчитал коэффициент частотных искажений:

М= ,

получил М=1,00633.

, .

Полученное значение коэффициента частотных искажений М=1,00633 ?1 говорит о наличии незначительных частотных искажений.

5. По полученному значению коэффициента частотных искажений определил погрешность коэффициента усиления в полосе рабочих частот:

= 0,633%.

Расчет второго каскада.

Т.к. = , подобрал сопротивления , . Большой номинал сопротивления R выбрал исходя из условия предотвращения перегорания ОУ, чтобы обеспечить достаточную нагрузку ОУ.

По характеристикам ОУ КР140УД26, в частности, К = 100•10, ѓ = 20 МГц и параметрам ТЗ: ѓ= 8000Гц, ѓ= 150Гц построил ЛАЧХ и ЛФЧХ, где К - коэффициент усиления, ѓ- частота единичного усиления ОУ КР140УД26, ѓ и ѓ- верхняя и нижняя границы диапазона частот. Графики ЛАЧХ и ЛФЧХ приведены в приложении3.

По ЛАЧХ определил: К( ѓ) = 2138 ; К( ѓ) = 1,14•10, где К( ѓ) и К( ѓ) - коэффициенты усиления ОУ на верхней и нижней границах диапазона частот соответственно.

ѓ и ѓ попали на горизонтальную часть ЛФЧХ, поэтому фазового сдвига не наблюдается Дц= 0?.

При выбранном коэффициенте усиления второго каскада промежуточной части К=2 , НС ОУ не повлияет на выходной сигнал, поэтому в дальнейшем его не учитывал.

1. Рассчитал R:

R= , получил R= 3,333 кОм.

2. Рассчитал глубину обратной связи (ОС):

г = , получил г = 0,3333

3. Рассчитал м :

м = , получил м = 0,6666

4. Рассчитал коэффициент частотных искажений:

М=

получил М=1,00137.



, .

Полученное значение коэффициента частотных искажений М=1,00137 ?1 говорит о наличии незначительных частотных искажений.

5. По полученному значению коэффициента частотных искажений определил погрешность коэффициента усиления в полосе рабочих частот:

= 0,137%.

6. Рассчитал погрешность коэффициента усиления промежуточной части ИУ:

, получил = 0,77%.

Т.к. у первого и второго каскадов фазовые сдвиги отсутствуют, то суммарный фазовый сдвиг промежуточной части равен нулю. (Дц= 0?)

Рассчитал погрешность коэффициента усиления ИУ в полосе рабочих частот:

,

получил = 2,514%. В соответствии с требованиями ТЗ, погрешность коэффициента усиления ИУ в полосе рабочих частот не должна превышать 3%. (?3%) Получившееся значение = 2,514% < 3%, что удовлетворяет требованиям ТЗ.

Суммарный фазовый сдвиг ИУ определил по формуле

,



получил значение Дц= 5?. В соответствии с требованиями ТЗ, суммарный фазовый сдвиг не должен превышать 100?. (?100?) Получившееся значение = 5? < 100?, что удовлетворяет требованиям ТЗ.

Расчет ФНЧ.

Согласно ТЗ, нижняя граница диапазона частот ѓ= 150Гц. По формуле

ѓ= ѓ,

получил частоту среза низких частот ѓ= 50Гц. Из формул

RC= (ѓ)

определил, что RC= 0,02. Подобрал номиналы сопротивления R= 2кОм и емкости C= 10мкФ. Номинал сопротивления взял из номинального ряда сопротивлений Е192, номинал емкости из номинального ряда емкостей Е192.

Расчет ФВЧ.

Согласно ТЗ, верхняя граница диапазона частот ѓ= 8000Гц. По формуле

ѓ= 3ѓ,

получил частоту среза низких частот ѓ= 24000Гц. Из формулы

RC= (ѓ)



определил, что RC= 4,166•10. Подобрал номиналы сопротивления R= 2кОм и емкости C= 21нФ. Номинал сопротивления взял из номинального ряда сопротивлений Е192. Т.к. в номинальном ряду не оказалось нужной емкости, то вместо конденсатора C, емкостью 21нФ, поставил два параллельно соединенных конденсатора с емкостями C= 20нФ и C= 1нФ. Номиналы эти конденсаторов взял из номинальных рядов емкостей Е24 и Е12.

4. Проектирование логического блока

В соответствии с ТЗ управление ИУ осуществляется от внешнего устройства (в соответствии с логическим уравнением), по которому выход усилителя будет переключаться между двумя независимыми приемниками сигнала (нагрузками).

По приведенному в ТЗ логическому уравнению f = a*(b+c*d) составил логическую схему управления ИУ. Логическая схема приведена на рис.4.

Рис.4

В схемном решении применим элементы ТТЛ. Для решения будут использовал: 2 элемента И с 2-я входами и 1 элемент ИЛИ с 2-я входами.

В качестве элементов выбрал логические элементы:

4 элемента 2И К555ЛИ1;

4 элемента 2 ИЛИ К155ЛЛ1.

У них вывод 7-общий, а 14-напряжение питания. Питаются они от источника напряжения +5 В.

5. Проектирование частотомера

Разработал частотомер, измеряющий частоту в полосе заданных частот (150 … 8000 Гц) с погрешностью в 2 Гц.

Структурная схема построения цифрового частотомера (рис.5):

Рис.5

По рис.5: УО - усилитель - ограничитель; МВ - мультивибратор; СЧ - счетчик.

Проектирование усилителя-ограничителя.

Усилитель-ограничитель (УО) (рис.6). предназначен для преобразования аналогового сигнала в цифровой. Операционный усилитель КР140УД26 с включенными в цепь ОС диодом и стабилитроном. Диод КД522А убирает отрицательную полуволну, а стабилитрон Д808 ограничивает положительную. . Сопротивление R поставлено в качестве дополнительной нагрузки ОУ для предотвращения его перегорания, т.к. параллельное соединение диода и стабилитрона может не обеспечить рабочей нагрузки ОУ. Логический элемент “И” по рис.5 - это элемент микросхемы К561ТЛ1 (приложение ) с передаточной характеристикой триггера Шмитта преобразует сигнал в прямоугольные импульсы.

Рис.6

Временные диаграммы УО представлены на рис.7. На них представлены сигналы на входе, после усилителя и после триггера Шмитта.

После схемы по рис.7 поставил преобразователь уровня ТТЛ - КМОП 564ЛЕ6.

Рис.7

Проектирование мультивибратора.

Мультивибратор предназначен для формирования импульсов, длительностью 1с. измерительный усилитель частота мультивибратор

Проектирование счетчика.

Счетчик со встроенными дешифратором и индикатором - микросхема К490ИП1 (приложение ). В частотомере используется 3 таких микросхемы, так как верхняя частота диапазона - 8000 Гц, а погрешность дискретности по техническому заданию равна 2 Гц.



Технические характеристики ОУ КР1434УД1:

- коэффициент усиления К = 15•10

- напряжение смещения «нуля» U, мВ = 5

- частота единичного усиления ѓ, МГц = 100

- напряжение питания U, В = 15

- потребляемый ток I, мА = 25

- допустимое значение синфазного входного напряжения U, В = 5

- разностный входной ток I, нА = 4000

- коэффициент ослабления синфазного сигнала К, дБ = 74

1 Коррекция #1 2 Вход не инверсный #1 3 Вход инверсный #1 4 Питание Е- 5 Вход инверсный #2 6 Вход не инверсный #2 7 Коррекция #1 8 Коррекция #2 9 Выход #2 10 Свободный 11 Питание Е+ 12 Свободный 13 Выход #1 14 Коррекция #2

1 Коррекция 2 Питание E- 3 Подложка 4 Коррекция 5 Коррекция 6 Выход 7 Питание E+ 8 Вход инвертирующий 9 Вход не инвертирующий

Технические характеристики ОУ К157УД1:

- коэффициент усиления К = 50•10

- напряжение смещения «нуля» U, мВ = 5

- частота единичного усиления ѓ, МГц = 0,5

- напряжение питания U, В = 2х(3…20)

- потребляемый ток I, мА = 9

- допустимое значение синфазного входного напряжения U, В = 20

- разностный входной ток I, мА = 150

- коэффициент ослабления синфазного сигнала К, дБ = 70

1 Баланс 2 Вход инверсный 3 Вход не инверсный 4 Питание -15 5 Свободный 6 Выход 7 Питание +15 8 Баланс



Технические характеристики ОУ КР140УД26:

- коэффициент усиления К = 100•10

- напряжение смещения «нуля» U, мВ = 0,025

- частота единичного усиления ѓ, МГц = 20

- напряжение питания U, В = 15

- потребляемый ток I, мА = 5

- допустимое значение синфазного входного напряжения U, В = 10

- разностный входной ток I, нА = 50

- коэффициент ослабления синфазного сигнала К, дБ = 114

Размещено на Allbest.ru

...