Разработка измерительного преобразователя, который представляет результаты в цифровом виде

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Аналитический обзор

1.1 Общие сведения

1.2 Основные методы перемножения сигналов

1.3 Аналоговые перемножители сигналов на дифференциальных транзисторных парах

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

3. Разработка и расчет схемы электрической принципиальной

3.1 Разработка и расчёт измерительного усилителя на AD620

3.2 Разработка и расчет фазочувствительного выпрямителя

3.3 Разработка и расчёт фильтра нижних частот I-го порядка (I)

3.4 Расчёт входного усилителя

3.5 Расчёт прецизионного выпрямителя

3.6 Разработка и расчёт фильтра нижних частот I-го порядка (II)

3.7 Разработка и расчёт усилителя-ограничителя

3.8 Разработка и расчёт компаратора с положительной обратной связью

3.9 Разработка и расчёт АЦП

3.10 Расчёт выходного преобразователя

4. Расчёт блока питания

5. Анализ погрешностей устройства и способов их уменьшения

5.1 Основные составляющие погрешности

5.2 Погрешность от Uсм ОУ

5.3 Ошибка, вносимая входными токами ОУ

5.4 Расчет погрешности ФВС от Uсм

5.5 Погрешность Kус обусловленная разбросом номиналов резисторов

5.6 Анализ погрешности перемножителя

5.7 Анализ погрешности АЦП

5.8 Определение общей погрешности

Список использованных источников



ВВЕДЕНИЕ

Темой данного курсового проекта является разработка измерительного преобразователя, который представляет результаты в цифровом виде.

В настоящее время широко применяются различные измерительные преобразователи. Измерительный преобразователь (ИП) - средство измерений, преобразующее измеряемую физическую величину в сигнал для последующей передачи, обработки или регистрации. В отличие от измерительного прибора, сигнал на выходе ИП (выходная величина) не поддаётся непосредственному восприятию наблюдателя. Обязательное условие измерительного преобразования - сохранение в выходной величине информации о количественном значении измеряемой величины. Измерительное преобразование - единственный способ построения любых измерительных устройств. Отличие ИП от других видов преобразователей - способность осуществлять преобразования с установленной точностью. Измерительное преобразование одного и того же вида (например, температуры в механическое перемещение) может осуществляться различными ИП (ртутным термометром, биметаллическим элементом, термопарой с милливольтметром и т. п.).

Классификация измерительных преобразователей:

По характеру преобразования:

аналоговый измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, преобразующий одну аналоговую величину (аналоговый измерительный сигнал) в другую аналоговую величину (измерительный сигнал);

аналого-цифровой измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;

цифро-аналоговый измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования числового кода в аналоговую величину.

По месту в измерительной цепи:

первичный измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина. Первичный измерительный преобразователь является первым в преобразователем в измерительной цепи измерительного прибора;

датчик -- конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь;

детектор -- датчик в области измерений ионизирующих излучений;

промежуточный измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, занимающий место в измерительной цепи после первичного преобразователя.

По другим признакам:

передающий измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации;

масштабный измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, предназначенный для изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз.

Принцип действия ИП может быть основан на использовании практически любых физических явлений.



1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Далее рассмотрим одну из микросхем, которая используется в курсовом проекте, а именно: Аналоговый перемножитель сигналов (АПС).

1.1 Общие сведения

Аналоговый перемножитель сигналов (АПС) в интегральном исполнении - универсальный элемент в ряду линейных схем, находящий широкое применение в устройствах аналоговой обработки и преобразования сигналов. Аналоговый перемножитель сигналов является вторым по массовости применения после ОУ универсальным функциональным элементом, используемым для обработки аналоговых сигналов. К операции умножения сводятся различные нелинейные и параметрические преобразования аналоговых сигналов, такие как модуляция, управление параметрами фильтров, усилителей, генераторов, вычисление и многие другие. Это устройство с двумя входами ( зачастую дифференциальными ); его выходное напряжение пропорционально произведению входных напряжений UX и UY

В общем случае аналоговое умножение двух сигналов можно осуществить тремя способами. В зависимости от этого различают косвенное умножение, квазиумножение и прямое умножение.

Устройство, в котором выходная величина математически представляется произведением входных величин X и Y, в виде суммы постоянных и изменяющихся величин с постоянными коэффициентами, а также в виде функций таких сумм, реализует косвенное умножение.

Устройство, в котором выходная величина изменяется пропорционально произведению двух непрерывных, сильно монотонных функций, каждые из которых есть независимо изменяющиеся входные величины X и Y, реализует квазиумножение.

Устройство, в котором выходная величина изменяется пропорционально произведению входных величин X и Y, каждая из которых изменяется независимо под воздействием внешних факторов, реализует прямое умножение.

Параболические ( квадратичные ) и логарифмические перемножители являются наиболее типичными функциональными преобразователями, которые используют косвенное умножение. К квазиперемножителям относятся АПС с амплитудно-частотной модуляцией, с мостом Уитсона (с изменяющимися сопротивлениями в ветвях), с управляемым делителем напряжений и т.д.

Прямое умножение возможно осуществить различными методами, например, на основе использования преобразователей Холла, электронно-лучевых трубок, усилителей элементов с двойным управлением, управляемых сопротивлений, управляемых делителей тока и др. Широко используется при прямом умножении амплитудно - широтная импульсная модуляция (АШИМ).

В зависимости от разрешаемой полярности входных сигналов различают одно-, двух- и четырехквадрантные перемножители. Если разрешается подача на вход сигналов UX ,UY только одной полярности, то реализуется одноквадрантное перемножение. Если один из входных сигналов может иметь различную полярность, то мы имеем двухквадрантный перемножитель. И если UX и UY могут быть любой полярности то имеем четыpёхквадрантный перемножитель.

1.2 Основные методы перемножения сигналов

Параболические перемножители

К параболическим перемножителям ( или иначе к перемножителям на квадраторах ) относятся такие схемы, в которых произведение XY образуется как сумма (разность) входных сигналов X и Y, возведенных в квадрат. Известны различные формулы параболических АПС, например двухчленные:

Или

и трехчленные:

Или

Т.к. при технической реализации этих уравнений конечная точность АПС в основном определяется точностью квадраторов, то наибольшее применение нашли двухчленные параболические АПС.

В настоящее время члены содержащие квадраты переменных, получают при помощи диодных функциональных преобразователей, работающих в режиме кусочно-линейной аппроксимации. Достоинства: достаточно широкая полоса пропускания. Недостатки: реализующие схемы достаточно сложны и имеют высокую себестоимость; велика погрешность при малых сигналах; высокие требования к точности генераторов параболических функций;

Логарифмические преобразователи

Логарифмические перемножители основаны на следующей математической зависимости:

В качестве логарифматоров-антилогарифматоров используют логарифмические свойства диодов и р-н переходов кремниевых транзисторов.

Достоинства: широкий динамический диапазон входных сигналов (60-80 дб.); высокая точность (приведенная погрешность не превышает 0.25%); хорошая температурная стабильность (температурная погрешность не превышает 0.01%/C в случае интегрального исполнения);

Недостатки: входные сигналы могут быть только одной полярности, т.е. перемножитель работает только в одном квадранте; полоса пропускания пропорциональна величине входных сигналов ( 100кГц при 10В и 1кГц при 0.1 В)

Перемножители на основе амлитудно-широтной импульсной модуляции

При прямом умножении широко используется амплитудно-широтная импульсная модуляция (АШИМ). Способ, основанный на одновременной модуляции амплитуды и длительности (ширины) линейного импульса, заключается в том что в случае линейных зависимостей:

площадь импульса равна

(Рисунок 1.1) Для выделения сигнала пропорционального площади импульса S достаточно пропустить эти импульсы через фильтр низкой частоты ( ФНЧ ).

Рисунок 1.1 Временные диаграммы к АШИМ

Достоинства: наиболее высокая точность (погрешность не более 0.1%, нелинейность 0.02%);

Недостатки: из-за ограниченной скорости переключение ключей применимо только на низких частотах.

1.3 Аналоговые перемножители сигналов на дифференциальных транзисторных парах

Перемножители на основе управляемого напряжением дифференциального делителя тока.

Наибольшее распространение получили перемножители построенные на дифференциальных транзисторных парах с перекрестными коллекторными связями.

Рисунок 1.2 Управляемый напряжением дифференциальный делитель тока

В основе этого метода лежит основное соотношение для транзисторной структуры:

,

Где

.

Дифференциальная транзисторная пара. Для коллекторных токов выполняется следующее соотношение:

,

Где

тогда выражение для токов коллектора можно записать в виде:

При этом выходное напряжение UZ определяется следующим образом:

Разложим гиперболический тангенс th(x) в степенной ряд и возьмем 0 и 1 члены этого ряда:

тогда получим:

в случае если

UX<< T

получаем:

Таким образом, выходное напряжение UZ пропорционально произведению входного напряжения UX и тока IY. Если сделать ток IY пропорциональный напряжению UY, то мы имеем перемножитель двух сигналов. Т.е. для построения перемножителя необходимо иметь высокоточный преобразователь напряжение - ток.

Основные недостатки:

1. Большая нелинейность по отношению к параметру UX: если UX изменяется от 0 до T то нелинейность по X составит 8%

Имеем двухквандрантный перемножитель, т.к. IY только одной полярности

Масштабный коэффициент K сильно зависит от t;

Для построения четырехквадрантных перемножителей была использована схема с 3-мя дифференциальными транзисторными. парами с перекрестными коллекторными связями (рис. 1.3)



Рисунок 1.3 Четырехквадрантный перемножитель на управляемых напряжением дифференциальных делителях токов

Как и в случае с предыдущей схемой при использовании такого перемножителя возникает две трудности:

1. Масштабный коэффициент перемножения зависит от квадрата значения абсолютной температуры.

2. Линейность из-за гиперболической зависимости ограничена малым уровнем входных сигналов UX и UY (для обеспечения погрешности перемножения менее 1% уровни входных сигналов соизмеримы с напряжением смещения нуля дифференциального усилителя)

Основное преимущество схемы - перемножитель умножает во всех 4-х квадрантах. Несмотря на недостатки эта схема находит широкое распространение там, где не нужны высокие требования к точности перемножения, либо схема работает в ключевом режиме.

Данная схема лежит в основе схемотехники интегральных балансных модуляторов 140MA1, К526ПС1 и К174ПС1. Эти микросхемы используются в преобразователях частоты.



2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА И ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ЕГО ПО СТРУКТУРНОЙ СХЕМЕ

В ходе курсового проекта была разработана схема измерительного преобразователя, структурная схема которого представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 Структурная схема измерительного преобразователя

перемножитель сигнал устройство

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. Выходной цифровой код АЦП в общем случае определяется выражением:

,

где Uвх- входное напряжение АЦП, Uоп - опорное напряжение АЦП,

n - разрядность АЦП.

Таким образом, если на вход АЦП подать сигнал пропорциональный напряжению на резисторе, а в качестве опорного напряжения использовать сигнал пропорциональный току через резистор, то после деления на АЦП, выходной цифровой код будет пропорционален измеряемому сопротивлению.

Формирователь выходного сигнала (ФВС) предназначен для формирования унифицированного сигнала 4-20 мА 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. Измерительный преобразователь - техническое средство, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи. В отличие от измерительного прибора, сигнал на выходе измерительного преобразователя (выходная величина) не поддаётся непосредственному восприятию наблюдателя.



3. РАЗРАБОТКА И РАСЧЁТ ВХОДНОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

3.1 Разработка и расчёт измерительного усилителя на AD620

Измерительные усилители на трех ОУ выпускаются в виде ИМС с внутренними согласованными резисторами (AD620, LM363, ICL7605 и др.). Обычно они имеют выводы для подключения внешнего резистора R1, которым задается дифференциальный коэффициент усиления. Например, измерительный усилитель INA118 фирмы Burr-Brown имеет низкое смещение нуля Uсм = 50 мкВ, широкий диапазон напряжений питания (+/-1,35 ... +/-18 В) и входных напряжений (до +/-40 В), малый потребляемый ток - 0,35 мА и широкий диапазон коэффициентов усиления (1 - 10000), устанавливаемых одним внешним резистором.

Рис. 3.1 Схема измерительного усилителя на AD620

Определяем UВХ по формуле:

Где

I - значение тока в цепи по заданию;

RX- максимальное значение измеряемого активного сопротивления по заданию;

f - частота питающего напряжения;

Lх-значение индуктивности;

Рассчитываем коэффициент усиления:

K_ду=Uвых/Uвх=10/4,481=2,232

Рассчитываю резистор R1 по формуле:

R_1=(49.4•?10?^3)/(K_УС-1)=(49.4•?10?^3)/(4,481-1)=4,011*?10?^4=40,11•?10?^3 (Ом) (3.1.3)

Таблица 3.1 - Предельно-допустимые и электрические параметры AD620

Параметры	Uсм, мкВ	Iсм, нА	Kус	Uпит, В	Iпит, мА
Значение	50	1	1..10000	±2.3…±18	1,3

Значения резисторов выбираем из ряду Е24 [2]:

R1: МЛТ 0,125- 40 кОм±5%

3.2 Разработка и расчет фазочувствительного выпрямителя

В качестве выпрямителя используется ФЧВ, выполненный на микросхеме К140УД17A. ФЧВ на аналоговых ключах:

Рис. 3.2 ФЧВ на аналоговых ключах

Если К2 замкнут и К1 разомкнут, то получаем схему инвертирующего усилителя с коэффициентом передачи К= -1.

Если К2 разомкнут, К1 замкнут, то для анализа схемы необходимо воспользоваться методом наложения. Сигнал, который подается на резистор, подключенный к инвертирующему входу, усиливается с коэффициентом К= -1,т.е.

Uвых' =-Uвх.

Сигнал, который подается на неинвертирующий вход ОУ усиливается в 2 раза,

,

т.е

Uвых''=2Uвх.

Резисторы равны между собой и равны 10 кОм.

Значения резисторов выбираем по ряду Е24 [2]:

R: МЛТ-0,125-10кОм± 5%.

Ниже приведены временные диаграммы сигналов, объясняющие принцип работы:

Рисунок 3.3 - Временные диаграммы сигналов

В курсовом проекте в качестве микросхемы АК использую K590КН4 [11]. Т.к. управляющие импульсы, подаваемые на вход микросхемы должны иметь логические уровни, а компаратор выдает двухполярные импульсы, то для преобразования импульсов необходимо установить цепочку, состоящую из R1 и VD1.

Рисунок 3.4 Схема ФЧВ с использованием ИМС К590КН4

В качестве АК используем микросхему K590КН4[11].

Возьмём что

R7=R8=10 кОм

Порядок расчета прецизионный стабилитрон КС211Г

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

2. Задаемся током стабилизации IСТ=6 мА, который должен быть больше минимально допустимого тока стабилизации IСТ.МИН=5 мА(из справочных данных стабилитрона) и меньше максимально допустимого тока стабилизации IСТ.МАХ=33 мА(из справочных данных стабилитрона). Кроме того, ток стабилизации не должен превышать максимальный выходной ток ОУ Iвых.max=6 мА (из справочных данных ОУ).

Таблица 3.2 Параметры стабилитрона КС211Г

	Uст ном, B при (Iст=10мА)	Iст min мА	Iст max мА
КС211Г	9,9…12,1	5	33

3. Рассчитываем сопротивление балластного резистора R1 по формуле:

(3.5)

Значения резисторов выбираем из ряда E24 [4].

R1: МЛТ-0.125-360 Ом±5%

R7: МЛТ-0.125-10 кОм±5%

R8: МЛТ-0.125-10 кОм±5%

3.3 Разработка и расчёт фильтра нижних частот I-го порядка (I)

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

В качестве фильтра используем активный фильтр первого порядка на ОУ К140УД17А, схема которого представлена на рисунке 3.5:

Рис. 3.5 ФНЧ первого порядка

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

Рисунок 3.6 - ЛАЧХ ФНЧ первого порядка

Определяем амплитуду полезного входного сигнала:

Определяем амплитуду паразитного сигнала:

Определяем значение постоянного сигнала на входе фильтра:

Определяем значение переменного сигнала на входе фильтра :

Где,UR-амплитуда полезного входного сигнала

.

UL-амплитуда паразитного сигнала

.

Определяем необходимое значение коэффициента ослабления основной гармоники K для заданной погрешности д. Значение погрешности д выбираем в диапазоне 0.01-0.001. Зададимся д=0,01.

Определяем необходимую частоту среза :

Коэффициент усиления на постоянном токе определяется отношением Rос/R1.

Задаемся емкостью C1=1 мкФ и рассчитываем Rос. Номинал R1 выбираем равным Rос:

Значения резисторов и конденсатора выбираем из ряда E24[4]:

R1:МЛТ-0,125-5,1 кОм 5%

Rос:МЛТ-0,125-5,1 кОм 5%

С1: К71-4-160В-1 мкФ ±5%.

3.4 Расчёт входного усилителя

В качестве входного усилителя для измерения сигнала, пропорционального току в цепи, можно использовать как схему инвертирующего, так неинветирующего усилителя. Предпочтительнее использовать схему неинвертирующего усилителя, т.к. в отличии от инвертирующего усилителя, эта схема имеет очень большое входное сопротивление. Схема неинвертирующего усилителя на ОУ приведена на рисунке 3.7.



Рисунок 3.7 - Схема принципиальная неинвертирующего усилителя на ОУ

Коэффициент усиления данной схемы определяется выражением:

Усилитель выполнен на микросхеме К140УД17А[1] и предназначен для усиления входного напряжения до 10В.

Порядок расчета неинвертирующего усилителя:

Определяем максимальное напряжение, действующее на входе

где I - значение тока в цепи по заданию;

RШ- значение сопротивления шунта для измерения тока по заданию;

Определяем требуемый коэффициент усиления

Задаем один резистор R1=1 кОм и рассчитываем второй по формуле

Значения резисторов выбираются по ряда E24 [2].

R2: МЛТ-0,5-100 кОм 5%

R1: МЛТ-0,125-1 кОм 5%

3.5 Расчёт прецизионного выпрямителя

Прецизионный выпрямитель предназначен для выпрямления сигнала, который будет подан на фильтр нижних частот I-го порядка(II). Он состоит из инвертирующего усилителя DA1 и сумматора DA2 (смотри рисунок 3.8.), которые выполнены на микросхемах К140УД17А[11].

Рисунок 3.8 - Принципиальная схема прецизионного выпрямителя

Резисторы на рисунке 3.8:

R1, R2, R3, R5,R6 = 10 кОм

R4 =R1/2=5кОм

Диоды VD4 и VD5 в цепи отрицательной обратной связи неинвертирующего усилителя выбираем КД521А[6].

Выберем резисторы[2]:

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

R4: МЛТ-0,125-5.1 кОм 5%

Значения резисторов выбираются из ряда E24.

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

Рисунок 3.9 - Временные диаграммы сигналов

3.6 Разработка и расчёт фильтра нижних частот I-го порядка (II)

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

В качестве фильтра используем активный фильтр первого порядка на ОУ К140УД17А, схема которого представлена на рисунке 3.10:

Рисунок 3.10 - фильтр нижних частот первого порядка

Частота среза данного фильтра определяется выражением

Коэффициент усиления на постоянном токе определяется отношением Rос/R1.Задаём С1=1 мкФ,

Выбираем Rос из ряда E24 [2]:

:МЛТ-0,25-40 кОм 5%

Номинал R1 выбираем равнымRос.

R1:МЛТ-0,25-40 кОм 5%

Выбираем С1 [1]:

С1: К53-14 1мкФ 20В 10%

3.7 Разработка и расчёт 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. R1 предназначен для ограничения тока через диоды и берется равным 10 кОм. [10]

По ряду Е24 и справочнику [1] выбираем :

R1= МЛТ 0,125Вт 10кОм±5%.

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

Диоды берем КД521А. [2]

Значения резисторов выбираются из ряда E24.

Рисунок 3.11 - Схема усилителя-ограничителя

Временные диаграммы сигналов, поясняющие принцип работы усилителя ограничителя приведены ниже, получены в MicroCAP 9 (Uвх(t) и U1(t)):

Рисунок 3.12 - Временные диаграммы сигналов на входе и выходе усилителя-ограничителя

3.8 Разработка и расчёт 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 3.11. 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 и ФЧВ на АК ().

Рисунок 3.13 - Компаратор с ПОС.

Для данной схемы порог переключения компаратора определяется по формуле:

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 3.3 примет вид:

Задаемся порогом переключения UПОР=300 мВ.

Задаемся значением резистора R4=520 Ом и рассчитываем по формуле значение резистора R3.

В этой схеме необходимо использование быстродействующего ОУ К544УД2А.[6]

Таблица 3.3 Предельно-допустимые и электрические параметры ОУ

К544УД2А
Uсм30 мВ
Iвх0.1 нА
ДIвх 0.1 нА
f115МГц
Ку,u20 000
Iпот 7 мА
Uвых.max±10В

Значения резисторов выбираем по ряда E24 [2].

R4: МЛТ-0.125-560 Ом±5%.

R3: МЛТ-0.125-27 кОм±5%.



Рисунок 3.14 Временные диаграммы сигналов на входе и выходе компаратора

Первая диаграмма - показан сигнал после прохождения через усилитель ограничитель(Uвх);

Вторая диаграмма - показан сигнал на выходе компаратора (Uвых).

3.9 Разработка и расчёт АЦП

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

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:

напряжение на выводах Uвх и Uоп должно соответствовать допустимым значениям АЦП;

индикатор или выходной цифровой код должен соответствовать значению измеряемой величины;

Значение, которое показывает индикатор, для микросхем 572ПВ2 и 572ПВ5, находится по формуле:

где входное напряжение равно: Uвх=2(В), а опорное напряжение должно равняться Uоп=1(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.

Значение Nвых найдем из таблицы 3.3.

Таблица 3.4 Значение выходного кода АЦП

Rx, Ом	Стр. схема 1	Стр. схема 2	Стр. схема 3
210	210	2100	210

Uu и UI напряжения, которые подаются на следующие входы: Uвх и Uоп соответственно.

Значение UI найдем по формуле:

где:

;

Kву - коэффициент входного усилителя рассчитанный в пункте 3.4;

I - заданный ток по условию;

Rш - заданное сопротивление;

Найденное UI должно быть равно 1В. Для этого внесем поправку в коэффициент усиления ФНЧ (II). Выбираем резисторы в 6,366 раз больше [2]:

R1: МЛТ-0.125-200кОм±5%;

Теперь рассчитываем Uu по следующей формуле:

где:

;

Rx - сопротивление, заданное по условию;

I - заданный ток по условию;

Kду - коэффициент дифференциального усилителя, рассчитанный в пункте 3.1.

Для структурной схемы на рисунке 2.1 необходимо преобразовать полученное значение UIдо значения 1В, а полученное значение Uu до уровня, выраженного из формулы

Найденное Uu должно быть равно 0,21B. Для этого внесем поправку в коэффициент усиления ФНЧ (I).Выбираем резисторы в 11,07 раз больше[2]:

R1: МЛТ-0.125-51 кОм±5%;

Обычно АЦП применяются в измерительных системах и измерительно-вычислительных комплексах для согласования аналоговых источников измерительных сигналов с цифровыми устройствами обработки и представления результатов измерения. В качестве АЦП применим К572ПВ2 [2].

Рисунок 3.15 - Стандартная схема включения АЦП 572ПВ2

Выберем навесные элементы при Uоп=1В.[4]

С1: К41-1А-25В-0.1мкФ±5%;

С2: К10-47-25В-0.47мкФ±5%;

С3: К10У-5-25В-0.01мкФ±5%;

С4: К10-49-25В-1мкФ±5%

С5: К10-59-25В-100пФ±5%;

R1: МЛТ-0.25-47кОм±5%;

R2: МЛТ-0.25-1МОм±20%;

R3: МЛТ-0.25-100кОм±5%.



Таблица 3.5 Параметры АЦП К572ПВ2

Рисунок 3.16 - Цоколёвка корпуса



Таблица 3.6 Назначение выводов 572ПВ2

3.10 Расчёт выходного преобразователя

Схема формирователя приведена на рисунке 3.16. Эта схема состоит из резистивного делителя и повторителя на ОУ.

Рис. 3.17 Схема формирователя выходного сигнала 0-100мВ

Необходимо, чтобы при номинальном входном сигнале эта схема обеспечивала напряжение на выходе 100мВ. Рассчитаем необходимый коэффициент деления резистивного делителя по формуле:

Коэффициент деления зависит от используемых резисторов и определяется по формуле:

Задаемся резистором R2 и рассчитываем R1.Резисторы выбираем из ряда E24.

Выбираем резистор из ряда Е24 [2]:

R1: МЛТ-0,125-47 кОм ± 5%.

R2: МЛТ-0,125-1 кОм ± 5%.



4. РАСЧЕТ БЛОКА ПИТАНИЯ

При расчете блока питания необходимо определить требуемые значения напряжения питания, ток потребляемый по каждому источнику питания, выбрать микросхемы ИСН и DC/DC преобразователей, ток потребляемый от аккумуляторной батареи, необходимую емкость аккумуляторной батареи для непрерывной работы в течение 24 часов.

Составим таблицу потребления тока элементами схемы.

Таблица 4.1 Расчет потребления тока элементами схемы

Элемент	Кол-во	Iпот, мА	У Iпот, мА
		±15В	±5В	±15В	±5В
К140УД17А	10	4		40
К590КН4	1	0.2		0.2
К544УД2А	1	7		7
AD620	1	1.3		1.3
К572ПВ2	1		2.5		2.5
Итого	48.5	2.5

Таким образом для формирования напряжения ±15В выбираем DC-DC преобразователь AM3GH-1215DZ со значением Iвых=±0.1А, а для формирования напряжения ±5В выбираем DC-DC преобразователь AM2GH-1205DZ со значением Iвых=±0.2А.

Модель	КПД, %	P,Вт	Uвх,B	Uвых1,B	Uвых2,B	Iвых,A
AM3GH-1215DZ	80%	3	4,5…18	15	-15	±0,1
AM2GH-1205DZ	77%	2	4,5…18	5	-5	±0,2

Ток, потребляемый DC-DC преобразователем от АКБ можно получить из формулы для КПД преобразователя:

Ток при U= ±15В:

Ток при U= ±5В:

Необходимую емкость аккумулятора (А*ч) для непрерывной работы устройства в течение 24ч определяется по формуле:



5. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ УСТРОЙСТВ И СПОСОБОВ ИХ УМЕНЬШЕНИЯ

5.1 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 0-5мВ.



5.2 Погрешности от Uсм ОУ

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

Предположим, что данный усилитель имеет Кус?1000, , а Uвх примем 10мВ,

Uвх=Rш•I=1Ом•10мА=10мВ.

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

Рисунок 5.1 - 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*1000=50мВ

Тогда погрешность, вносимая Uсм определяется следующим образом

д_см=U_(вых.см)/U_(вых.пол) •100%=50мВ/10В•100%=0,5%

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.

Схему дифференциального усилителя на ОУ не будим анализировать по следующим причинам:

- входной сигнал достаточно большой и ошибка от Uсм, при использовании ОУ с напряжение смещения менее 5 мВ, будет мала;

- ФЧВ преобразует постоянный сигнал ошибки в переменный и далее этот сигнал отфильтровывается ФНЧ.

5.3 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, например, в схеме неинвертирующего усилителя (рисунок 5.1) 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.

Рисунок 5.2 - Схема неинвертирующего усилителя

Разность напряжений U2-U1 усилителя подобно напряжению смещения.

Так для параметров схемы приведенной на рисунке 4.2:

Если ошибка от входных токов велика, то для ее уменьшения можно воспользоваться следующим методом: построить схему таким образом, чтобы эквивалентное сопротивление подключенных резисторов к обоим входам было одинаково.

Рисунок 5.3 - Уменьшение ошибки от входных токов

Эта операция носит название симметрирование. Однако полностью устранить ошибку от входных токов этим методом невозможно, так как токи, протекающие по входам ОУ не одинаковы. В справочных материалах приводится параметр ?Iвх, который, как правило, на порядок меньше самих входных токов. После симметрирования ошибку от входных токов можно рассчитать по формуле:

5.4 Расчет погрешности ФВС от Uсм

Для выходного преобразователя 0-5мА погрешность от Uсм зависит от сопротивления нагрузки определяется по формуле:

Для сопротивления нагрузки Rн=1кОм:

5.5 Погрешность Kус обусловленная разбросом номиналов резисторов

Выпускаемые резисторы имеют разброс значений сопротивлений от номинального. 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 5.4

Рисунок 5.4 - Подстройка коэффициента усиления в схеме усилительного каскада

Т.к. мы используем подстройку коэффициента усиления в схеме усилительного каскада (рисунок 5.4), то погрешность Кус, обусловленную разбросом номиналов резисторов, мы не будем учитывать.

5.6 Анализ погрешности перемножителя

АПС характеризуется следующими основными точностными параметрами, приведенными в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - 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%.

5.7 Анализ погрешности АЦП

Используемые АЦП и ЦАП имеют следующие точностные параметры, приведенные в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Основные точностные параметры используемых АЦП и ЦАП

	К572ПВ2А К572ПВ5А
Погрешность полной шкалы	-
Напряжение смещения	-
Нелинейность преобразования	1 ед.счёта

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:

Таким образом, принимаем погрешность преобразователя 0.05% для 572ПВ5.

5.8 Определение общей погрешности

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

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

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



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

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. - 23с.

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, 1988г.

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

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

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 иАЦП. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

14. Булычев А.А., Галкин В.И., Прохоренко В,А. "Аналоговые интегральные схемы. Справочник", Минск, "Беларусь", 1993 г.

15. Бахтиаров Г.Д., Малинин В.В., Школин В.П. " Аналого-цифровые преобразователи", М., "Советское радио", 1980 г.

16. Гнатек Ю.Р. "Справочник по цифро-аналоговым и аналого-цифровым преобразователям", М., "Радио и связь", 1982 г.

17. Шило В.Л. "Линейные интегральные схемы" М., "Советское радио", 1979г.

18. ГОСТ 24736-81. Преобразователи ЦАП и АЦП. Основные параметры

Размещено на Allbest.ru

...