Разработка измерительного преобразователя

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.



2. 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.

схемотехнический компаратор выпрямитель



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 Разработка и расчёт входного дифференциального усилителя

3.1.1 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 3.2). 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. 3.2. Схема измерительного усилителя на трех ОУ

Как видно из рисунка 3.2, 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 К_ОСС ОУ3):



(3.12)

Общий К_ОСС измерительного усилителя определяетсясоотношением3.4.

А выходное напряжение равняется

(3.13)

Зададимся R1= 10 кОм, R2 = R3, R4 = R6 = R7 = 10 кОм. Сопротивление резистора R5 отличается от номинального значения 10 кОм на 1% и составляет 9,9 кОм. Тогда дифференциальный коэффициент усиления схемы равен 101, а К_ОСС - 20200, что выше, чем в предыдущем примере.

Порядок расчета:

1. Определяется U_ВХ по формуле:

(3.14)

где I - значение тока в цепи по заданию;

R_X- максимальное значение измеряемого активного сопротивления по заданию;

f - частота питающего напряжения;

L_х -значение индуктивности;

2. Определяется необходимый коэффициент усиления по формуле:

(3.15)

3.Задаемся резистором и рассчитываем по формуле:

R1: МЛТ - 0,125 - 1 кОм±5%;

R2: МЛТ - 0,125 - 8.2 кОм±5%;

R3: МЛТ - 0,125 - 8.2 кОм±5%;

R4-7: МЛТ - 0,125 - 10 кОм±5%.

3.2 Разработка и расчет фазочувствительного выпрямителя

Как было сказано в разделе 2, 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). ФЧВ может быть построен на аналоговом перемножителе сигналов или же на ОУ с применением аналоговых ключей.

3.2.1 Разработка и расчет фазочувствительного выпрямителя ФЧВ на ОУ с применением аналоговых ключей

Схема ФЧВ на ОУ приведена на рисунке 3.2.

Рассмотрим работу данной схемы. Резисторы равны между собой и имеют номинал 10 кОм.

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

Рисунок 3.2. ФЧВ на аналоговых ключах

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.

Просуммировав Uвых' и Uвых'' получим Uвых =Uвх, т.е коэффициент передачи при таком положении ключей равен K=1.

Ниже приведены временные диаграммы сигналов, поясняющие принцип работы ФЧВ на ОУ.

Рисунок 3.2.1 Временные диаграммы сигналов



Как видно из диаграмм, сигнал, совпадающий по фазе с управляющими импульсами по фазе имеет на выходе постоянную составляющую, а сигнал сдвинутый на 90 град. не имеет на выходе постоянной составляющей. Т.о, если в качестве управляющих импульсов мы будем использовать прямоугольные импульсы, совпадающие по фазе с током, то на выходе ФЧВ будет присутствовать постоянная составляющая пропорциональная напряжению на активном сопротивлении катушки индуктивности. Для выделения постоянной составляющей на выходе ФЧВ необходимо установить фильтр нижних частот.

В курсовом проекте в качестве микросхемы АК будем использовать ИМС K590КН4. Т.к. управляющие импульсы, подаваемые на вход микросхемы должны иметь логические уровни, а компаратор выдает двухполярныеимпульсы, то для преобразования импульсов необходимо установить цепочку, состоящую из R5 и VD1.

Рисунок 3.2.2. Схема ФЧВ с использованием ИМС К590КН4

1.Выбираем прецизионный стабилитрон с напряжением стабилизации U_СT =9,1В;

2.Задаемся током стабилизации I_СТ = 10 мА, который должен быть больше минимально допустимого тока стабилизации I_СТ.МИН (из справочных данных стабилитрона) и меньше максимально допустимого тока стабилизации I_СТ.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 R5 по формуле:

(3.8)

Значения резисторов выбираются из ряда E24.

R8,R9:МЛТ - 0,125 - 10 кОм 5%.

R10: МЛТ - 0,125 - 91 Ом 5%.

Характеристика прецизионного стабилитрона КС191Ф.



3.3 Разработка и расчет фильтра 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 3.8:

Рис. 3.8. ФНЧ первого порядка

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

Рис. 3.9 ЛАЧХ ФНЧ первого порядка



Частота среза данного фильтра определяется выражением

(3.2)

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 U_R-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:

(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 U_L-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:

(Гц)(3.28)



Рассчитаем номиналы элементов:

Порядок расчета:

1.По формуле 3.22 определяем значение постоянного сигнала на входе фильтра U_RПОСТ.

2.По формуле 3.25 определяем значение переменного сигнала на входе фильтра U_~.

3.По формуле 3.27 определяем необходимое значение коэффициента ослабления основной гармоникиK для заданной погрешности д. Значение погрешности д выбрать в диапазоне 0.01-0.001.

4.По формуле 3.28 определяемнеобходимую частоту среза щ_ср;

5.Задаемся емкостью C1 и по формуле 3.2 рассчитываем Rос. Номинал R1 выбирается равный Rос.

Значения резисторов и конденсаторов выбираются из ряда E24.

R1-Roc: МЛТ-0,125- 1.3 кОм ± 5%;

C1: К53-14-16В- 4,3 мкФ ±5%.

3.4 Расчет входного усилителя

В качестве входного усилителя для измерения сигнала, пропорционального току в цепи, можно использовать как схему инвертирующего, так неинвертирующего 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 3.10.

Рис. 3.10. Схема принципиальная неинвертирующего усилителя на ОУ

Коэффициент усиления данной схемы определяется выражением:

(3.29)

Усилитель выполнен на микросхеме КР140УД17А[6] и предназначен для усиления входного напряжения до 10В.

Порядок расчета неинвертирующего усилителя:

Определяем максимальное напряжение, действующее на входе

(3.30)

Где I - значение тока в цепи по заданию;

R_Ш- значение сопротивления шунта для измерения тока по заданию;

Определяем требуемый коэффициент усиления ;(3.31)

- затем задаемся R1=1 кОм и рассчитываем второй по формуле 3.29

Ом

Значения резисторов выбираются из ряда E24.

R1: МЛТ - 0,125 - 1 кОм±5%;

R2: МЛТ - 0,125 - 1.8 МОм±5%;

3.5 Расчет прецизионного выпрямителя

Прецизионный выпрямитель предназначен для выпрямления сигнала, который будет подан на фильтр нижних частот I-го порядка. Он состоит из инвертирующего усилителя DA1 и сумматора DA2 (смотри рисунок 3.9), которые выполнены на микросхемах КР140УД17А[11].

Рис. 3.11. Принципиальная схема прецизионного выпрямителя

Резисторы на рисунке 3.9:

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 3.11).

Рис 3.11 Временные диаграммы сигналов

3.6 Разработка и расчет фильтра 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:

Порядок расчета:

1.Задаемся коэффициентом подавления основной гармоники К в диапазоне 100 - 1000 и по формуле 3.33 определяем необходимую частоту среза;

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

Значения резисторов и конденсаторов выбираются из ряда E24.

Ниже приведен пример расчета фильтра нижних частот:

Порядок расчета:

1.По формуле 3.33 определяем необходимую частоту среза;

2.Задаемся емкостью C1=4,3мкФ и по формуле 3.32 рассчитываем Rос.



Выбираем Rос из ряда E24: МЛТ-0,125-9,1 кОм 5%

Номинал R1 выбираем равным Rос.

R1: МЛТ-0,125-9,1 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. [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.

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

Рис. 3.12. Схема усилителя-ограничителя



Рис. 3.13. 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 3.14. 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. 3.14. 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>>R4и сопротивление резистора R4 в знаменателе можно пренебречь. Тогда формула 3.22 примет вид:

(3.36)

Порядок расчета Компаратора с ПОС:

1.Задаемся порогом переключения U_ПОР в диапазоне 100-300мв;

2.Задаемся значением резистора R4=1000 Ом и рассчитываем по формуле (3.36)значение резистора R3. В этой схеме необходимо использование быстродействующего ОУ (например, 544УД2 или аналогичные);

R3: МЛТ - 0,125 - 75 кОм±5%;

R4: МЛТ - 0,125 - 1 кОм±5%;

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

Рис. 3.15. 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 расчет АЦП

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 (см. таблицу 4.1);

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 U_I.

Rx=140 Nout=140

Значение U_I 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 дифференциального усилителя, рассчитанный в пункте 3.1;

принимает значение в зависимости от варианта:

1) , если фазочувствительный выпрямитель на ключах;

2) , если ФЧВ на аналоговом перемножителе сигналов;

где Uст - напряжение стабилизации стабилитрона на управляющем входе.

Kапс - коэффициент аналогового перемножителя сигналов;

Для структурной схемы на рисунке 2.1 необходимо преобразовать полученное значение U_Iдо значения 1В, а полученное значение Uu до уровня, выраженного из формулы (3.38):

(3.43)

Для структурной схемы на рисунке 2.2 необходимо преобразовать полученное значение U_Iдо значения 10.24В, а полученное значение Uu до уровня, выраженного из формулы (3.39):

(3.44)

Преобразовать напряжение можно несколькими способами:

- поставить усилитель;

- поставить резистивный делитель;

- подкорректировать значение U_I и Uu изменением сопротивлений R1 в ФНЧ1и ФНЧ2.

Для структурной схемы на рисунке 2.3 и используемой ИМС 1108ПВ1,способ формирования входного и опорного сигналов отличается от предыдущих структурных схем. В качестве опорного напряжения используется напряжение встроенного в АЦП источник 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 3.16). Значение напряжения на выходе делителя напряжения ДН определяется по формуле:

(3.45)



Рис. 3.16. Микросхема К525ПС2 в режиме делителя напряжения

Причем для данной схемы должно выполняться условие Uu<U_I, в противном случае сигнал на выходе делителя будет больше 10В, что недопустимо. Если это условие не выполняется, то необходимо подкорректировать сигнал Uuили U_Iодним из выше описанным способом.

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

,

где U_ОП равно 2.5В

3.10 Расчет выходного преобразователя

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

1) 0 - 100мВ

2) 0-5мА

3) 4 - 20мА

Для структурной схемы на рисунке 2.1 исходными данными для расчета ФВС является выходное напряжение делителя напряжения U_ДН.

В качестве делителя напряжения следует использовать микросхему АПС К525ПC2 в режиме делителя напряжения (рисунок 3.16). Таким образом, напряжения U_ДН будет равно:

Для данной схемы должно выполняться условие Uu<U_I, в противном случае сигнал на выходе делителя будет больше 10В, что недопустимо. Если это условие не выполняется, то необходимо подкорректировать сигнал Uu или U_I.

Для структурной схемы на рисунке 2.2 исходными данными для расчета ФВС является выходное напряжение цифро-аналогового преобразователя U_ЦАП.

,

где N_ВЫХ- выходной код АЦП (см. п. 3.9);

n-разрядность используемого ЦАП;

U_ОП - значение опорного напряжения, подаваемого на вход ЦАП.

Используем 12-ти разрядный ЦАП 572ПА2. Стандартная схема включения приведена на рисунке 3.17.



Рис. 3.17. Схема включения ЦАП 572ПА2

В качестве опорного напряжения ЦАП в курсовом проекте рекомендуется использовать микросхему ИОН (см. таблицу 3.2), но допустимо использование питания 5В.

Для структурной схемы на рисунке 2.3 исходными данными для расчета ФВС является выходное напряжение делителя напряжения U_ДН, рассчитанное в п.3.9.

Таблица 3.2. Основные параметры некоторых моделей источников опорного напряжения

Наименование	Выходное напряжение, В	ТКН	Ток холостого хода	Ток нагрузки, мА	Коэф. Стабилизации		Долговременная нестабильность мкВ/1000ч	Примечания
Источники опорного напряжения на стабилитронах
AD688		3.6	12	10	5000	0.05	15	Два симметричных выхода
LM399	6.950.35	3	17	10	-	0.7	140	Подстройка Uвых
Источники опорного напряжения на ширине запрещённой зоны
TL431	2.50.05	10	1	100	-	1.2	-	Отечественный аналог 142EH19
AD1582B	2.50.002	50	0.065	5	40000	0.25	250	Последовательный
AD1586B	2.50.002	50	0.05	10	-	0.5	250	Параллельный
AD589M	1.225 0.025	10	0.05	10	-	0.6	-	Параллельный
REF195E	50.002	5	0.045	30	40000	0.02	1200	Последовательный
MAX676A	4.096 0.001	1	10	10	8000	0.04	80	Есть выход датчика температуры
ADR291E	2.50.002	3	0.012	5	1300	0.075	0.5	XF ET - источник

3.10.1 Расчет выходного преобразователя 0-100мВ

Схема формирователя приведена на рисунке 3.18. Эта схема состоит из резистивного делителя и повторителя на ОУ.

Рис. 3.18 - 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:

, для структурных схем на рисунке 2.1 и 2.3

, для структурной схемы на рисунке 2.2

Коэффициент деления зависит от используемых резисторов и определяется по формуле:

(3.30)

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

3.10.2 Расчет выходного преобразователя 0-5мА

В качестве формирователя выходного тока 0-5мA будем использовать схему преобразователь напряжения - ток на ОУ (рисунок 3.19).

Рис. 3.19. Схема преобразователя напряжение ток

Эта схема позволяет получить ток в диапазоне 0-5мА.

Т.к резистор R1 подключен к виртуальной земле, то значение тока протекающего по этому резистору и, следовательно, по цепи обратной связи определяется выражением:

,для структурных схем на рисунке 2.1 и 2.3;

,для структурной схеме на рисунке 2.2;

т.о значение резистора R1 можно найти из следующих выражений:

или

3.10.3 Расчет выходного преобразователя 4-20мА

Рис. 3.20. 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 (см. таблицу 3.2), но допустимо использование питания 5В.

Рассчитаем номиналы резисторов R1 и R2:

или

Транзисторы выбираются: KT315 и KT361.

3.11 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 3.21.



Рис. 3.21. Структурная схема блока питания

Таблица 3.3. Параметры микросхем интегральных стабилизаторов напряжения

Наименование стабилизатора	Uвых В	Точность %	IвыхA	Вт	Коэфф. стабилизации	Rвых Ом	Uмин вход-выход	Iпотр без нагрузки	Средний ТКН %	Uвых.макс.
Многовыводные стабилизаторы напряжения
1156EH4Б	+1.5…+30	-	2	18	400	0.03	0.5	2.5	0.008	35
MAX603	+1.2…+11	-	0.5	1.8	200	0.2	0.5	0.015	0.02	12
uA79G	-30…-3	-	1	2	300	0.2	3	0.5	0.003	-40
ADP3367	+1.3…+16	-	0.3	0.96	800	0.05	0.3	0.02	-	18
Трёхвыводные регулируемые стабилизаторы напряжения
1151ЕН1А	+1.3…+17	0.8	10	70	15000	0.01	2.5	10	0.003	35
1157EH1	1.2…+37	-	0.1	0.6	5000	0.1	2	5	0.004	40
142EH22	+1.2…+34	-	5	45	500	0.008	1	5	0.004	35
Трёхвыводные стабилизаторы фиксированного напряжения
142EH5A	5	2	2	15	400	0.07	2.5	4.5	0.008	40
1158EH9A	9	4	0.15	1.5	200	0.6	0.3	25	0.002	35
LP2950	5	0.5	0.1	0.5	4000	0.05	0.45	0.12	0.002	30
Двух полярные стабилизаторы фиксированного напряжения
142EH15	15	1.3	0.1	0.5	500	0.6	3	4	0.02	30
Многоканальные стабилизаторы
ADP3302	3; 3.2; 3.3; 5	0.8	0.2	1	40000	0.03	0.12	1	< 0.1%	16
MAX8862	2.8; 3.2; 4.9	-	0.25	-	-	-	0.2	0.2	-	12

На рынке представлено большое количество DC/DC преобразователей различных производителей. Ниже приведенные основные данные по преобразователям фирмы Murata-PS.

Рис. 3.22. Внешний вид DC/DC преобразователей

Отличительные особенности:

- Широкий температурный диапазон: от -40°C до 85°C;

- Двухполярный выход при однополярном входном питании;

- Гальваническая развязка между входом и выходом 1 kВ;

- КПДto 78%;

- Вход 5В или 12В;

- Выход 5В, 9В, 12В или 15В;

- Не требуется внешних компонентов.

Основные параметры приведены в таблицах:

Наименование	Uвх, В	Uвых, В	Iвых, мА	Iном при нагрузке	КПД, %	Ёмкость изоляции пФ	MTTFкГц
NMA0505D	5	5	100	289	69	28	1697
NMA0509D	5	9		270	75	32	685
NMA0512D	5	12		266	77	34	343
NMA0515D	5	15		263	78	36	188
NMA0505S	5	5		289	69	28	1697
NMA0509S	5	9		270	75	32	685
NMA0512S	5	12		266	77	34	343
NMA0515S	5	15		263	78	36	188
NMA1205D	12	5		120	69	33	559
NMA1209D	12	9		113	74	46	375
NMA1215D	12	12		111	75	55	243
NMA1215D	12	15		110	76	54	154
NMA1205S	12	5		120	69	33	559
NMA1209S	12	9		113	74	46	375
NMA1212S	12	12		111	75	55	243
NMA1215S	12	15		110	76	54	154
Входные характеристики
Параметр	Условия	Мин	Норм	Макс	Ед. Изм.
Диапазон напряжения		4.5	5	5.5	В
		10.8	12	13.2
Выходные характеристики
Параметр	Условия	Мин	Норм	Макс	Ед. Изм.
Номинальная мощность				1	Вт.
Линейное регулирование			1.0	1.2	%/%
Загрузочное регулирование	5В		10	12.5	%
	9В		9	10
	12В		6.5	7.5
	15В		6	7.5
Пульсация и шум	5В		40	75	мВ
	9В		25	50
	12В		25	50
	15В		20	50
Absolute maximum ratings
Short-circuit duration	1 секунда
Internal power dissipation	450 мВт
Lead temperature 1.5mm from case for 10 seconds	300
Input voltage Vin NMA05 types	7В
Input voltage Vin NMA12 types	15В



4. Анализ погрешностей устройствиспособових 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?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.

Рис. 4.1. 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

(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, например, в схеме неинвертирующего усилителя (рисунок 4.2) ток I1,протекая через параллельное соединение резисторов R1 и R2, создает падение напряжения , аток I2 протекает по нулевому сопротивлению источника сигнала и не создает падение напряжения, т.е. U2=0.

Рис. 4.2. Схема неинвертирующего усилителя

Разность напряжений U2-U1 усилителя подобно напряжению смещения. Так для параметров схемы приведенной на рисунке 4.2:

(4.2)

(4.3)

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.



Рис. 4.3. 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:

(4.4)

Кроме операции симметрирования можно порекомендовать использование ОУ с меньшим значением Iвх или применением более низкоомных резисторов. Кроме того, для компенсации ошибок от Uсм и Iвх можно в цепи усилительного канала предусмотреть настройку «0» (рисунок 4.4)



Рис. 4.4 Схема с настройкой «0»

Операция настройки заключается в следующем: вывод Uвх заземляется и регулировкой R добиваются 0 на выходе. Эта настройка уберет ошибки и от Uсм и от входных токов, но только при определенной температуре, так как существует тепловой дрейф и Uвх и Iвх.

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 неинвертирующегоОУможет привести к 10% отклонению Kус, в наихудшем случае:

(4.5)

(4.6)



Или

(4.7)

Рис. 4.5. 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 4.5

4.5 Анализ погрешности перемножителя

АПС характеризуется следующими основными точностными параметрами, приведенными в таблице 4.1.

Таблица 4.1. 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%.

4.6 Анализ погрешности АЦП

Используемые АЦП и ЦАП имеют следующие точностные параметры, приведенные в таблице 4.2.

Таблица 4.2. 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.

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



Заключение

Заключение включает в себя краткие выводы по результатам выполненного курсового проекта в соответствии с поставленной задачей.

Объем заключения должен составлять 2-3 страницы.

В ходе выполнения данного курсового проекта была разработана схема измерительного преобразователя, которая способствовала закреплению лекционного материала, прочитанного в курсе лекций по дисциплине: «Микроэлектроника и микросхемотехника», а так же были закреплены практические навыки в решении технических задач:

-проведен обзор по теме курсового проекта;

-разработана функциональная схема устройства;

-разработана и рассчитана принципиальная схема устройства;

-проведен анализ погрешностей, величина погрешности не превышает 1,5%.

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.: Энерго...