Усилитель инструментальный для виброметрии

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники»

Факультет компьютерных технологий

Кафедра промышленной электроники

Дисциплина: Схемотехника аналоговых устройств

Специальность: Промышленная электроника

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

на тему

«Усилитель инструментальный для виброметрии»

Минск 2020



Содержание

Введение

1. Аналитический обзор научно-технической информации по теме

2. Выбор схемотехники проектируемого устройства

3. Электрический расчёт

4. Компьютерное моделирование схемы

5. Анализ результатов разработки

Список используемых источников

Приложение А

Приложение Б



Введение

Использование современных технологий требует непрерывного контроля за состоянием оборудования и множеством параметров технологического процесса. При этом одними из важнейших можно назвать параметры механического движения, к которым в первую очередь относятся параметры периодических перемещений исследуемого объекта в пространстве, называемых вибрацией. К ним относятся виброскорость (частота) и виброперемещение (амплитуда).

Подобный строгий контроль должен исполняться в различных областях, а в первую очередь в машиностроении (влияющая на здоровье людей вибрация станков, дополняемая биением деталей), в полупроводниковой электронике (где очень важно контролировать вибрацию установок при выращивании кристаллов), на железном транспорте (где активно используются датчики, оповещающие о приближении поезда), в автомобильной промышленности (где необходимо контролировать вибрацию как отдельных узлов, так и всего автомобиля), в авиастроении (при контроле биения турбин), в микроэлектронике (при слежении за вибрацией фотолитографических установок) и т.д.

Все методы измерения параметров вибрации можно разделить на две большие группы: контактные, при которых существует механическая связать исследуемого объекта и датчика, и бесконтактная, при котором не подразумевается наличие механической связи.

В качестве вибрационных датчиков часто используются датчики построенные на различных принципах (тензометрических, емкостных, магнито-электрических, трансформаторных и др.). Как правило выходной электрический сигнал с таких датчиков довольно мал, поэтому его необходимо усилить, прежде чем подать на вход АЦП измерительной системы.

Измерительный усилитель (иначе инструментальный усилитель)? это тип дифференциального усилителя с характеристиками, подходящими для использования в измерениях и тестирующем оборудовании. Такие характеристики включают: очень малое смещение постоянного тока, малый дрейф, малый шум, очень высокий коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи, очень высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала, и очень высокие входные сопротивления. Такие усилители применяются, когда требуются большая точность и высокая стабильность схемы, как кратковременно, так и долговременно.

Целью курсовой работы является разработка принципиальной электрической схемы измерительного усилителя для виброметрии согласно заданным в условии технического задания параметрам. При этом решаются следующие задачи: анализ информации по схемотехнике измерительных усилителей; разработка и расчёт принципиальной электрической схемы; выбор компонентов; компьютерное моделирование в Micro-Cap; анализ результатов проектирования.

усилитель моделирование виброметрия



1. Аналитический обзор научно-технической информации по теме

Измерительный усилитель должен иметь дифференциальный вход, высокое значение коэффициента усиления, низкий сдвиг нулевого уровня и очень большой (обычно больше 80 дБ) коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС). Большое значение КОСС необходимо потому, что напряжение, которое должно быть усилено, часто наложено на более высокое синфазное напряжение.

Дифференциальный входной сигнал часто представляет собой выходное напряжение, снимаемое с мостовой схемы. Датчик выявляет любые изменения, измерение которых предусматривается спроектированной схемой. Датчик или преобразователь представляет собой устройство, преобразующее измеряемый параметр и его изменения в электрический, например температуру или давление в изменение сопротивления или напряжения. Примеры датчиков-преобразователей: 1) фоторезисторы для преобразования уровней освещенности в величины сопротивления; 2) термисторы для преобразования изменений температуры в изменения сопротивления; 3) тензодатчики - специально закрепляемые резисторы, сопротивление которых изменяется пропорционально механической деформации материала. Применяются для измерения деформаций и давления; 4) термопары - соединения разных металлов, дающие на выходе напряжение, пропорциональное температуре спая.

В настоящее время наибольшее распространение получили усилители постоянного тока (УПТ) на основе дифференциальных (параллельно-балансных или разностных) каскадов. Такие усилители просто реализуются в виде монолитных ИМС и широко выпускаются промышленностью. На рисунке 1.1 приведена принципиальная схема простейшего варианта дифференциального усилителя (ДУ) на биполярных транзисторах (БТ) [1].

Рисунок 1.1 - Схема дифференциального усилителя

Любой ДУ выполняется по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами Rк1 и Rк2 а два других - транзисторами VT1 и VT2. Сопротивление нагрузки Rн включено в диагональ моста. Резисторы цепи ПООСТ Rос1 и Rос2 обычно невелики или вообще отсутствуют, поэтому можно считать, что резистор Rэ подключен к эмиттерам транзисторов.

Двухполярное питание позволяет обойтись на входах (выходах) ДУ без мостовых схем за счет снижения потенциалов баз (коллекторов) до потенциала общей шины.

Рассмотрим работу ДУ для основного рабочего режима - дифференциального. За счет действия Uвх1 транзистор VT1 приоткрывается, и его ток эмиттера получает приращение ДIэ1, а за счет действия Uвх2 транзистор VT2 призакрывается, и ток его эмиттера получает отрицательное приращение ДIэ2. Следовательно, результирующее приращение тока в цепи резистора Rэ при идеально симметричных плечах близко к нулю и, следовательно, ООС для дифференциального сигнала отсутствует.

При анализе ДУ выделяют два плеча, представляющие собой каскады с ОЭ, в общую цепь эмиттеров транзисторов которых включен общий резистор Rэ, которым и задается их общий ток.

ДУ отличает малый дрейф нуля, большой коэффициент усиления дифференциального (противофазного) сигнала KU диф и большой коэффициент подавления синфазных помех, т.е. малый коэффициент передачи синфазного сигнала KU сф .

Для обеспечения качественного выполнения этих функций необходимо выполнить два основных требования. Первое из них состоит в обеспечении симметрии обоих плеч ДУ. Приблизиться к выполнению этого требования позволила микроэлектроника, поскольку только в монолитной ИМС близко расположенные элементы действительно имеют почти одинаковые параметры с одинаковой реакцией на воздействие

температуры, старения и т.п.

Второе требование состоит в обеспечении глубокой ООС для синфазного сигнала.

Измерительный усилитель с высоким входным импедансом на двух операционных усилителях показан на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 Измерительный усилитель с высоким входным импедансом

На схеме оба ОУ включены как не инвертирующие усилители, причем первый из них изменяет уровень опорного напряжения второго усилителя А2. Выходной сигнал усилителя А1 подается на инвертирующий вход А2, поэтому усилитель А2 усиливает дифференциальный входной сигнал (Uвх2 Uвх1). Такая схема обеспечивает намного больший входной импеданс, чем схема с одним ОУ. Дифференциальный коэффициент усиления:

(1.1)

Можно выделить ряд интегральных усилителей, содержащих три ОУ - AD620, AD621, AD623, AD8225 [2] и обладающих высокими качественными показателями. Примером практической реализации может служить вариант включения инструментального усилителя для нормирования сигналов с мостовой схемы (см. рис. 1.6).

Измерительный мост питается от источника с напряжением Uм. Напряжение Uвых на выходе инструментального усилителя определяется из соотношения [2]:

(1.2)

где: Ku - коэффициент усиления инструментального усилителя, задаваемый резистором Rg;

ДR - отклонение от своего номинального значения величины сопротивления датчика при внешнем воздействии.

Рисунок 1.3 - Схема включения инструментального усилителя и измерительного моста

Возможно использование как однополярного, так и двухполярного источника питания. При применении однополярного источника, необходимо подсоединить вывод -Vs к общей шине (-Vs=0). В качестве инструментального усилителя выбран AD623 [3], однако можно использовать и многие другие, выполненные по топологии с тремя ОУ с учетом их технических характеристик (диапазон входных и выходных напряжений, допустимые значения коэффициента усиления и питающего напряжения и др.).

Схема обладает высоким значением КОСС, работоспособна в широком диапазоне сопротивлений резисторов R за счет высокого входного импеданса, что позволяет её применять при разработке устройств измерения температуры, давления и многих других, которые допускают мостовое включение датчиков.

Использование инструментальных усилителей способствует повышению технико-экономических показателей проектируемых устройств. Но применение инструментальных усилителей не может гарантировать высокого качества конечного изделия, которое зависит и от соблюдения основных правил, принятых при компоновке и трассировке печатных плат, реализации экранировки и заземления, а также, фильтрации помех с источников питания и на входах устройства.

Значительный вклад в общую ошибку измерений вносят высокочастотные помехи на входах инструментального усилителя, действующие в диапазоне частот, превышающем верхнюю границу полосы пропускания [1]. Инструментальные усилители характерны тем, что величина их КОСС резко уменьшается за пределами полосы пропускания. Это способствует попаданию во внутренние цепи помех радиочастотных диапазонов и их выпрямлению на внутрисхемных нелинейных элементах, приводящему к дрейфу выходного напряжения. Подобный дрейф представляет собой напряжение помехи, действующее в диапазоне частот полезного сигнала, что затрудняет его устранение. Снизить влияние высокочастотных помех можно путем введения в схему фильтров.

Наиболее широко измерительные усилители применяются для усиления сигналов с различных датчиков, в частности с тензодатчиков. Схема такого усилителя приведена на рисунке 1.4 [4].

Рисунок 1.4 - Схема измерительного усилителя сигнала мостового тензодатчика



Исследования механических колебаний приходится проводить во многих отраслях науки и техники. Наиболее распространенными являются задачи оценки вредного воздействия вибрации на рабочих местах, а также в помещениях жилых и общественных зданий. Очень близко к этой теме стоит вопрос оценки вибрационных характеристик машин и механизмов с позиций стандартов вибрационной безопасности.

Для всех механизмов, содержащих движущиеся массы, характерно наличие вибрации, которая при превышении допустимых значений приводит, в лучшем случае, к преждевременному ремонту механизма, в худшем - к невосстанавливаемому отказу или к аварии. Избежать нежелательных ситуаций позволяют многочисленные системы контроля и аварийной защиты, использующие информацию датчиков вибрации.

Вибрация тел является одним из наиболее сложных процессов если учитывать все степени свободы тела и широкий спектр колебаний, которые могут быть и непериодическими. К ним относятся колебания устанавливающиеся, случайные, импульсные и др.

По принципу действия виброизмерительные датчики могут быть: магнитоэлектрическими, электромагнитными, индукционными, трансформаторными, пьезоэлектрическими, резистивные металлические (на эффекте удлинения) и полупроводниковые, емкостные, акустические, на эффекте Холла и др.

Емкостной преобразователь.

Принцип его действия основан на изменении емкости конденсатора при изменении взаимного положения пластин, образующих конденсатор или на изменении средней диэлектрической проницаемости. Благодаря этим изменениям емкости в схеме, в зависимости от ее структуры, могут происходить следующие процессы: изменение разности потенциалов на пластинах, перетекание зарядов, изменение емкостного сопротивления, изменение частоты генерируемых колебаний и пр.

Рисунок - Емкостной преобразователь: а) - изменяется зазор между пластинами, б) - изменяется действующая поверхность пластин, в) - изменяется средняя диэлектрическая проницаемость.

Пьезоэлектрический преобразователь.Принцип его работы основан на использовании прямого и обратного пьезоэффекта.

Прямой заключается в том, что некоторые вещества с кристаллической структурой при действии механических сил могут электрически поляризоваться. Этот эффект присущ кристаллам с ионными решетками, имеющими низкую степень симметрии. При механических воздействиях происходит деформация элементарных ячеек кристалла и смещение положительных и отрицательных ионов относительно друг друга, что ведетк изменению электрических моментов и к поляризации кристалла в целом. С изменением деформации сжатия на деформацию растяжения (или наоборот) направление поляризации меняется на противоположное.

Помещение тех же кристаллов во внешнее электрическое поле вызывает относительное смещение положительных и отрицательных ионов, что ведет к деформации кристалла. Изменение направления вектора напряженновти поля на противоположное меняет деформацию сжатия на деформацию растяжения (или наоборот). В этом заключается обратный пьезоэффект.

Пьезоэффект наиболее сильно выражен у кварца, турмалина и у сегнетоэлектриков - сегнетовой соли, титаната бария, цирконата титаната свинца и пр.

Рисунок - Пьезоэлектрический преобразователь: 1 - инерционный элемент, 2 и 4 - электроды, 3 - пьезоэлемент, 5 - вибрируюшее основание. В се элементы между собой склеены.

2. Выбор схемотехники проектируемого устройства

Необходимо спроектировать инструментальный усилитель для виболметрии с следующими техническими характеристиками:

Датчик: мостовая схема,

Диапазон частот: 5 Гц-5 кГц;

Коэффициент усиления - 50±0,1

Сопротивление нагрузки, кОм - 1;

Подавление синфазной помехи, дБ, не менее - 66;

Вид аппаратуры - переносная;

Условия эксплуатации: температура -20…+40°С.

Схема принципиальная электрическая приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Инструментальный усилитель для виброметрии.

За основу взята стандартная схема двухкаскадного измерительного усилителя на трёх ОУ [4]. Электрический сигнал от микрофона усиливается измерительным усилителем на ОУ DA1-DA3. Так как необходимо питать устройство автономным источником питания (гальванический элемент или аккумулятор), стабильный двухполярный источник должен иметь минимальное собственное потребление. Это увеличит срок службы усилителя от одного гальванического элемента (от одной зарядки аккумулятора) и увеличит общий КПД устройства. Питание схемы осуществляется от двуполярного стабилизированного источника питания 15 В.

Первый каскад, состоящий из усилителей DA1 и DA2 усиливает дифференциальный сигнал в раз, и коэффициент передачи для синфазного напряжения равен 1. Следовательно, дифференциальный сигнал увеличивается на выходах DA1 и DA2 без увеличения синфазного сигнала. Второй каскад, выполненный на ОУ DA3 в дифференциальном включении усиливает дифференциальный сигнал в R9/R7 раз. Такая схема имеет более высокий входной импеданс и обеспечивает большее усиление и лучший КОСС по сравнению со схемами на одном ОУ. Кроме того, величина КОСС менее чувствительна к точности подбора резисторов.

Дифференциальный коэффициент усиления:

(2.1)

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

(2.2)

3. Электрический расчёт

Электрический расчёт производим согласно схеме электрической принципиальной, приведённой на рисунке 3.1. В качестве DA1-DA3 выбраны прецизионные ОУ OP177F (Analog Devices), предназначенные для использования в радиоэлектронной аппаратуре с диапазоном рабочих температур от -40єС до +85єС. Назначение выводов OP177F показано на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Назначение выводов ОУ OP177F



Таблица 3.1 ? Технические характеристики OP177F

Параметр	Значение
Максимальное выходное Напряжение (при нагрузке 2 кОм)	±12 В
Коэффициент усиления напряжения	5106
Входное сопротивление	26 МОм
Напряжение смещения нуля	±25 мкВ
Напряжение питания	±22 В
Сопротивление нагрузки (не менее)	2 кОм

В качестве постоянных резисторов выбраны резисторы типа С2-33Н-0,125. Предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Резисторы С2-33Н изготовляют в климатическом исполнении В2 по ГОСТ 15150-69. Резисторы, предназначены для автоматизированной сборки аппаратуры, и удовлетворяют требованиям ГОСТ 20.39.405-84.

Таблица 3.2 Основные технические данные резисторов типа С2-33Н-0,125

Тип резистора	ТКС·10-6, 1/°С, не более	Диапазон номинальных сопротивлений	Предельное рабочее напряжение, В	Рабочая температура, оС
С2-33Н-0,125	±500	0,1Ом…3,01Мом	200	-60…+155

Расчёт начинаем с выходного каскада на DA3. Рассчитываем резистор в цепи обратной связи DA3 R7:

(3.1)

где входное и выходное сопротивление ОУ DA3.

Выбираем резистор из номинального ряда Е96 С2-33Н-0,125 162 кОм±1%.

Учитывая согласованное включение каскада принимаем

По условию коэффициент усиления К = 50. Представим его как К = К1·К2 = 5·10 = 50.

, (3.2)

Выбираем прецизионный резистор из номинального ряда Е96 С2-33Н-0,125-16,2 кОм±1%.

(3.3)

Резистор R4 служит для регулирования коэффициента усиления каскада на DA1 и DA2, поэтому для запаса регулировки в обе стороны и выполнения соотношения (3.1) примем R1 = R2 = 28 кОм, приблизительное (среднее) значение резистора R4 = 5 кОм. Для установки коэффициента усиления в пределах 5±0,1 необходимо определить точное значение этого резистора:

(3.4)

(3.5)

(3.6)

Из формулы 3.3 определим максимальное значение резистора R4 (при котором значение коэффициента усиления минимально):

(3.7)

Для обеспечения регулировки необходимо разбить резистор R4 на два резистора: R4 - постоянный и R3 - подстроечный с номиналом:

(3.8)

в качестве регулируемого R3 выбираем подстроечный резистор СП5-2В 330 Ом ± 5%.

(3.9)

В качестве R4 выбираем постоянный резистор из ряда Е96 С2-33Н-0,125-13,7 кОм±1% а В качестве R1 = R2 выбираем резисторы из номинального ряда Е96 С2-33Н-0,125-28 кОм±1%.

В источнике питания используются электролитические конденсаторы К50-68 емкостью 330 мкФ и номинальным напряжением 10 В, для сглаживания пульсаций напряжения. Для дополнительной фильтрации в непосредственной близости от операционных усилителей применяем керамические конденсаторы С5…С10 типа К10-17б емкостью 0,33 мкФ, а также дополнительно шунтируем этими конденсаторами электролитические.

В техническом задании указано вид аппаратуры - переносная. Для питания усилителя используем две отдельных гальванических батареи элементов типоразмера 3R12 или 3LR12 с номинальным напряжением 4,5 В.Соединяем батареи последовательно, а точку соединения подключаем к контакту «земля» схемы.

4. Компьютерное моделирование

Компьютерное моделирование выполнено в программе Micro-Cap. Исследовались амплитудно-частотные характиристики(АЧХ) для синфазного и дифференциального входных сигналов, и переходные характеристики усилителя.

Рисунок 4.1 - Выходное напряжение инструментального усилителя при минимальном коэффициенте усиления.



Рисунок 4.2 - Выходное напряжение инструментального усилителя при максимальном коэффициенте усиления.

На рисунке 4.1 изображён скриншот моделирования узла двухкаскадной схемы усилителя на трёх ОУ, построенной в программе Micro-Cap на элементах, выбранных и рассчитанных в разделе электрический расчёт. На вход усилителя, с мостовой схемы подано постоянное напряжение 10 мВ. Этот сигнал должен быть усилен в 50±0,1 раз.

Для максимального значения коэффициента 50,1 значение выходного напряжения должно составить:

Для минимального значения коэффициента 49,9 значение выходного напряжения должно составить:

Как видно из рисунков 4.1 и 4.2 полученные при моделировании значения перекрывают с запасом требуемый диапазон.

Для проверки параметров схемы по переменному току необходимо видоизменить схему в соответствии с рисунком 4.3. Оба входа усилителя соединяются между собой и на общий вход подключается источник синусоидального сигнала, имитирующий помехи. Так как сигнал подается относительно земли на оба входа, на выходе получаеем амплитуду синфазного сигнала.

Рисунок 4.3 - Видоизмененная схема для измерения синфазных параметров переменного тока.

Рисунок 4.4 - АЧХ инструментального усилителя для синфазного сигнала.

Как видно из рисунка 4.4 для частоты 5 кГц ослабление синфазного сигнала составляет более 69 дБ, что превышает указанные в техническом задании 66 дБ.

Для моделирования параметров усилителя по переменному току для дифференциального сигнала схему необходимо изменить согласно рисунку 4.5

Рисунок 4.5 - Видоизмененная схема для измерения дифференциальных параметров.



Рисунок 4.6 - АЧХ инструментального усилителя для дифференциального сигнала.

Как видно из рисунка 4.6 для частоты 5 кГц усиление дифференциального сигнала составляет 33,921 дБ, а для минимальной частоты 5 Гц - 39,979 дБ.

5. Анализ результатов разработки

В курсовом проекте спроектирована и рассчитана принципиальная схема инструментального усилителя для виброметрии. Была выбрана двухкаскадная схема на трёх прецизионных ОУ типа ОР177F. Результаты компьютерного моделирования в программе Micro-Cap подтвердили верность расчётов и соответствие характеристик, предъявляемых к усилителю в техническом задании. Коэффициент усиления соответствует заданному. В итоге оформлена пояснительная записка, чертёж схемы электрической принципиальной (формат А3), перечень элементов согласно действующим требованиям ЕСКД.



Список использованных источников

[1] Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника/ У. Титце. ? М.: ДМК. Пресс, 2008. - 832 с.

[2] AD629, AMP03, SSM2141, SSM2143, AD627, AD8221, AD620, AD621, AD623, AD8225: Техническая документация. [Электронный ресурс]. - Электронные данные.- Режим доступа: www.analog.com.

[3] Измерительные системы на мостовых тензодатчиках/[Электронный ресурс]. - Электронные данные.- Режим доступа: http://www.kit-e.ru/articles/usil/2005_2_78.php

[4] А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях/ Пейтон А. Дж. - М.: БИНОМ, 1994.

Размещено на Allbest.ru

...