Разработка измерительного преобразователя

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Курсовой проект по предмету «Микроэлектроника и микросхемотехника» имеет своей целью совершенствование навыков и закрепление знаний, полученных в результате изучения предмета, развитие инженерных знаний. Работа над курсовым проектом предполагает проработку существующих методов решения поставленной задачи, изучение большого количества литературы по данной теме, разработку функциональной схемы устройства в соответствии с выбранным методом решения поставленной задачи, разработку и расчёт принципиальной схемы устройства, а также анализ и расчёт погрешностей проектируемого устройства. Результатом выполнения курсового проекта должно стать законченное устройство с питанием от аккумуляторной батареи.



1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ОУ

В настоящее время существует большое количество компаний занимающихся производством компонентов РЭА. Ниже будет приведен обзор операционных усилителей компании National Semiconductor.

Компания National Semiconductor, основанная в 1959 году, прошла огромный путь от производства первых дискретных транзисторов до сложнейших современных микроэлектронных устройств. Одним из приоритетных направлений деятельности фирмы на протяжении всего ее существования была разработка интегральных операционных усилителей (ОУ).

В 1968 году инженерами National Semiconductor был создан первый в мире двухкаскадный операционный усилитель LM101, положивший начало целому направлению в построении всевозможных аналоговых электронных устройств. Современные операционные усилители National Semiconductor соответствуют, а по многим параметрам и превосходят мировой уровень устройств данного класса, при этом имеют цены существенно меньшие, чем у других фирм, позволяя разработчикам успешно решать широкий круг задач по созданию различной электронной аппаратуры.

Большинство современных интегральных операционных усилителей выполняются по схеме прямого усиления с дифференциальными входами и рассчитаны на симметричное двухполярное питание (хотя все чаще используется и однополярное). Кроме двух входов, выхода и выводов питания, операционный усилитель может также иметь выводы для балансировки, коррекции, программирования (задания определенных параметров величиной управляющего тока) и другие.

В идеальном случае операционный усилитель должен иметь бесконечный коэффициент усиления по напряжению, бесконечно большое входное и бесконечно малое выходное сопротивления, бесконечно большую амплитуду выходного сигнала, бесконечно большой диапазон усиливаемых частот и отсутствие шумов. Параметры операционных усилителей не должны зависеть от внешних факторов, напряжения питания и температуры. При соблюдении этих условий передаточная характеристика операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью (ООС), точно соответствует передаточной характеристике цепи ООС и не зависит от параметров самого усилителя.

Реальные операционные усилители имеют характеристики, отличающиеся от идеальных, что является поводом для их всесторонней классификации. Реальный операционный усилитель -- это компромисс взаимоисключающих требований с достижением наилучших свойств по одному или нескольким параметрам, каковыми могут являться: минимизация напряжения смещения и входных токов, достижение максимальной полосы усиливаемых частот и скорости нарастания выходного напряжения, уменьшение потребляемого тока и питающего напряжения и другие. Параметры операционного усилителя можно разделить на несколько групп -- входные, выходные, усилительные, частотные, энергетические, шумовые и т. д. [1]. Наряду с эксплуатационными параметрами, определяющими номинальный температурный режим работы операционного усилителя, допустимые параметры входных и выходных цепей и требования к источникам питания, весьма важными являются также максимально возможные значения ряда параметров, превышение которых не допускается. В настоящее время сложилась определенная (хотя и не очень строгая) классификация операционных усилителей по сочетанию различных параметров, отражающая их предпочтительное использование в том или ином классе устройств. Отметим также, что параметры операционных усилителей в значительной степени определяются их схемотехникой и используемой полупроводниковой технологией.

Фирма National Semiconductor использует следующую классификацию операционных усилителей, которая частично проявляется в первых двух-трех буквах маркировки микросхем, выпускаемых фирмой:

1. Усилители общего применения (General Purpose -- LM, LMC) -- коэффициент усиления до 100 дБ, напряжение смещения более 1 мВ, частота единичного усиления до 10 МГц.

2. Маломощные (Low Power -- LP, LPV) -- ток потребления менее 1,5 мА.

3. Микромощные (Micro Power -- LP, LPV) -- ток потребления менее 25 мкА.

4. Низковольтные (Low Voltage -- LMV) -- напряжение питания менее 3 В.

5. Прецизионные (Precision -- LMP) -- коэффициент усиления более 100 дБ, напряжение смещения менее 1 мВ.

6. Быстродействующие (High Speed -- LMH) -- частота единичного усиления более 50 МГц.

7. Малошумящие (Low Noise) -- напряжение шумов менее 10 нВ/Гц1/2.

8. Мощные (High Output Power) -- выходной ток более 100 мА.

9. С выходным и входным напряжением, близким к напряжению питания (Rail to Rail Output/Input).

В усилителях Rail to Rail максимальная и минимальная амплитуда выходного напряжения практически совпадают с соответствующими значениями напряжения питания, а допустимые значения синфазного входного напряжения равны или даже могут выходить за пределы напряжения питания. Последнее используется, например, в усилителях с однополярным питанием с возможностью подачи на вход отрицательного напряжения.

Как уже было сказано выше, данное разделение по понятным причинам не является строгим, буквенная классификация также не всегда соблюдается, операционный усилитель может быть одновременно низковольтным, быстродействующим, малошумящим, с выходным напряжением, близким к напряжению питания, и т. п. Кроме того, операционные усилители одного типа выпускаются в различных корпусах, а также по два, три или четыре усилителя в одном корпусе (многоканальные) и, наконец, в исполнениях, предназначенных для общего (Commercial -- C), промышленного (Industrial -- I, E) и военного применения (Military -- M), отличающихся по ряду параметров, в частности, по диапазону рабочих температур (C: 0...+70 °C; I: -40...+85 °C; E: -40...+125 °C; M: -55...+125 °C).

Отметим также, что для современных операционных усилителей, как, впрочем, и для других интегральных микросхем, имеется тенденция к уменьшению габаритов и все более широкому использованию корпусов для поверхностного монтажа. Широко распространенные ранее корпуса DIP и TSSOP заменяются на значительно меньшие SOIC, SOT-23 и SC-70 (последний имеет размеры 2Ч2Ч1 мм); ряд микросхем для поверхностного монтажа выпускается в особо малогабаритных корпусах microSMD с размерами 1,285Ч1,285Ч0,85 мм и менее.

Операционные усилители общего применения

Семейство операционных усилителей LMV341/2/4 предназначено для использования в портативной аппаратуре с автономным питанием. Операционные усилители отличаются очень высокими параметрами по входному току и шумам. В режиме отключения (Shutdown) потребляемый ток уменьшается до типового значения всего 45 пА, а время перехода в рабочий режим не превышает 5 мкс. Усилители выпускаются в различных корпусах, в том числе, и в SC70-6L, весьма подходящем для размещения на материнских платах персональных компьютеров и ноутбуков. Отметим, что данные усилители работоспособны в расширенном температурном диапазоне (до 125 °С).

Характерной особенностью семейств операционных усилителей LMV931/2/4 и LMV981/2 (c режимом отключения Shutdown) является очень низкое минимальное напряжение питания 1,8 В, в связи с чем они позиционируются фирмой для применения в аппаратуре, питающейся от одного Li-Ion гальванического элемента, а также для систем контроля питания. Особенностями этих усилителей являются также вход и выход Rail to Rail и весьма высокий (101 дБ) коэффициент усиления при сравнительно малом уровне шумов, что дает возможность использовать данные операционные усилители в аудиоаппаратуре с низковольтным питанием.

Семейства операционных усилителей LMV321/358/324 и LPV321/358/354 (низковольтный и микромощный вариант соответствующих сверхпопулярных операционных усилителей серии LM), а также усилители LM2904/02 в миниатюрном корпусе microSMD и LP2902 (аналоги LM358/324 и LP324) являются классическими современными операционными усилителями общего применения и могут быть использованы в широком классе устройств. Отметим, что LM2904/02 и LP2902 могут работать при одно- и двухполярном питании с размахом от 3 до 32 В.

Операционный усилитель LMV301 -- это CMOS-вариант LMV321. Он отличается крайне малым входным током и низким минимальным напряжением питания усилители в миниатюрном корпусе SC70 и может использоваться в устройствах выборки-хранения, усилителях сигналов фотодатчиков и других устройствах с батарейным питанием.

Операционные усилители семейства LMV821/22/24 отличаются сравнительно большим быстродействием (частота единичного усиления 5 МГц, скорость нарастания выходного напряжения 1,4 В/мкс) при малом энергопотреблении. Они также имеют хорошие параметры по напряжению смещения и его дрейфу (3,5 мВ и 1 мкВ/°С соответственно). Выпускаются в различных корпусах и предназначены для использования в технике связи -- модемах, беспроводных и мобильных телефонах и других устройствах.

Операционный усилитель LMC7101 с входом и выходом Rail to Rail и его микромощный вариант LMC7111 выполнены по технологии CMOS в миниатюрных корпусах и предназначены для применения в различной портативной аппаратуре с автономным питанием. Благодаря очень малому входному току они могут использоваться в устройствах выборки-хранения и других, требующих большого входного сопротивления (гарантированное значение не менее 1 ТОм).

Заслуживает внимания операционные усилители LM7301 с входом и выходом Rail to Rail, сочетающий очень высокие значения различных параметров, в частности, широкий диапазон напряжения питания, относительно большое быстродействие, высокие коэффициенты усиления и подавления синфазных сигналов, а также CMOS операционные усилители LMC8101 с возможностью отключения. Эти усилители выпускаются в миниатюрных корпусах SOT-23 и microSMD и могут быть использованы в различных устройствах с соответствующими параметрами.

Сравнительно мощные и быстродействующие операционные усилители LM8261/2 и LM8272 с входом и выходом Rail to Rail и не лимитированной емкостью нагрузки предназначены для применения в схемах драйверов для жидкокристаллических экранов, выходных каскадов ЦАП, усилителей головных телефонов и других устройствах. Они работают в широком диапазоне напряжения питания и отличаются низким уровнем шумов и искажений.

Малошумящие операционные усилители семейства LMV721/2 предназначены для применения во входных каскадах усилительной аппаратуры, в том числе и с батарейным питанием. Выпускаются в миниатюрных корпусах и бескорпусном исполнении для встраивания в различные устройства, например, электретные микрофоны.

В заключение обзора операционных усилителей общего применения рассмотрим операционные усилители LMV710/11/12/14, выполненные по технологии BiCMOS с входным CMOS-каскадом. Особенностью операционных усилителей является наличие режима отключения (Shutdown), в котором потребляемый ток снижается до 0,2 мкА, при этом на выходе LMV711/12 устанавливается напряжение, на 50 мВ превышающее потенциал отрицательного вывода питания операционного усилителя, а выход усилителя LMV715 переходит в высокоимпедансное состояние, то есть практически отключается от схемы. Отметим, что по техническим условиям для этих микросхем неиспользуемый вывод отключения (SD) во избежание паразитной генерации нельзя оставлять свободным, а следует соединить его с положительным выводом питания.

Прецизионные операционные усилители

Далее перейдем к рассмотрению последних разработок прецизионных операционных усилителей National Semiconductor, основные параметры которых при напряжении питания 5 В приведены в таблице 2. В дополнение к параметрам операционных усилителей общего применения для прецизионных усилителей весьма важными являются температурный дрейф напряжения смещения, коэффициент усиления и коэффициенты подавления синфазных сигналов (Common Mode Rejection Ratio -- CMRR) и влияния нестабильности напряжения питания (Power Supply Ripple Rejection -- PSRR).

Семейства операционных усилителей LMC6081/2/4 и LMC6482/4 -- с входом и выходом Rail to Rail выполнены по технологии CMOS и представляют типовые прецизионные операционные усилители, способные работать с однополярным питанием. Выпускаются также их микромощные аналоги с током потребления 20 мкА и пониженным быстродействием -- LMC6061/2/4 и LMC6462/4. Область применения этих операционных усилителей -- инструментальные усилители, устройства обработки сигналов, усилители сигналов пьезодатчиков и датчиков излучения, медицинская аппаратура (усилители биопотенциалов) и т. п.

Отличительной особенностью операционных усилителей LMC6001 является ничтожно малое типовое значение входного тока 10 фА и, соответственно, способность работать в электрометрических устройствах, приборах для измерения токов утечки, детекторах излучения, различной научной аппаратуре и т. п. Примечательна методика, используемая фирмой для тестирования каждой из только что изготовленных микросхем LMC6001 -- 3 раза подряд в первую минуту. Экземпляры с входным током более 25 фА отбраковываются. Достоинством операционных усилителей является также низкий уровень шумов 22 нВ/Гц1/2 и наличие защиты от электростатического потенциала до 2000 В. Выпускается в корпусах MDIP и круглом металлостеклянном корпусе MCAN. Отметим, что успешное применение операционных усилителей с малыми входными токами возможно только при отсутствии токов утечки по поверхности монтажной платы. Величина этих токов может на несколько порядков превышать входные токи усилителя и, следовательно, вызвать значительное смещение его нуля. Выходом из положения является создание на печатной плате специальных охранных колец вокруг входов операционных усилителей или соединение входов усилителя с другими элементами схемы вне платы. Образцы рисунков печатных плат для монтажа усилителей со сверхмалыми входными токами имеются на сайте компании.

Малошумящие прецизионные операционные усилителеи LMV751 и LMV771/2/4 с выходом Rail to Rail и однополярным питанием выпускаются в миниатюрных корпусах и предназначены для применения во входных каскадах различной аппаратуры. Они отличаются повышенным быстродействием и малыми искажениями, что дает возможность использовать данные операционные усилители в высококачественной аппаратуре с низковольтным питанием.

Следует отметить, что National Semiconductor выпускает специальные операционные усилители -- сдвоенный LM833 и счетверенный LM837 (в таблице не представлены) -- для использования в аудиотехнике класса Hi-Fi. По своим параметрам эти усилители приближаются к прецизионным и отличаются малым напряжением смещения (0,3 мВ), высоким коэффициентом усиления (110 дБ), очень низким уровнем шумов в звуковом диапазоне (4,5 нВ/Гц1/2) и чрезвычайно малыми нелинейными искажениями (0,0015%). Операционные усилители скорректированы для любого коэффициента усиления вплоть до единичного, и наряду с использованием в предварительных УЗЧ их можно применять в самой различной аппаратуре для усиления слабых сигналов.

Последнее достижение National Semiconductor -- это основанная на уникальной технологии непрерывной коррекции смещения на входе серия доступных по цене ультрапрецизионных операционных усилителей LMP2011/2/4 с ничтожно малыми величинами напряжения смещения (типовое значение 0,8 мкВ) и его температурного дрейфа (0,015 мкВ/°С). В отличие от операционных усилителей других фирм, в которых используется метод коррекции нуля сравнительно низкочастотной стабилизацией прерыванием [1], создающей значительные шумы и искажения сигнала, в LMP201x частота коррекции составляет 35 кГц, что позволяет перенести основной шумовой спектр в высокочастотную область, достигнув тем самым очень низкого уровня шумов и искажений в диапазоне частот до нескольких десятков килогерц. В целом совокупность великолепных характеристик операционных усилителей LMP201x, таких, как сверхмалое смещение и дрейф, весьма высокие для прецизионных операционных усилителей полоса пропускания и скорость нарастания выходного напряжения в сочетании с низкими шумами и малым потребляемым током, дает возможность применять эти микросхемы в широком классе устройств с повышенной точностью и температурной стабильностью.

В заключение обзора прецизионных операционных усилителей рассмотрим еще одну недавнюю разработку National Semiconductor -- семейство прецизионных дифференциальных усилителей с фиксированным коэффициентом усиления и сверхшироким диапазоном входных синфазных напряжений LMP8270/1, предназначенных для применения в токоизмерительных устройствах, автомобильной электронике и других схемах, в которых необходимо выделить слабый дифференциальный сигнал на фоне очень большого синфазного напряжения.

Структура и типовая схема включения усилителя LMP8271 в схеме измерителя тока представлены на рис. 1. Микросхема содержит патентованное входное устройство сдвига уровня и двухкаскадный усилитель с общим коэффициентом усиления 20. LMP8270 отличается отсутствием вывода OFFSET. В типовой схеме включения связь между каскадами осуществляется через простейший RC-фильтр нижних частот с внешним конденсатором.

Рис. 1. Структура и типовая схема включения усилителя LMP8271

Усилитель LMP8270 выделяет входной сигнал только положительной полярности, в то время как LMP8271 может усиливать и отрицательный сигнал. Возможность усиления отрицательного входного напряжения VIN достигается благодаря сдвигу уровня выходного напряжения VOUT на некоторую постоянную величину согласно графикам, приведенным на рис. 2. Сдвиг производится подачей управляющего напряжения на специальный вход микросхемы LMP8271 OFFSET. Если вход OFFSET соединен с общим проводом, LMP8271 выделяет только положительный входной сигнал. При подаче на вывод OFFSET напряжения питания VS к выходному напряжению усилителя прибавляется половина напряжения питания, и таким образом вход усилителя становится биполярным. В принципе, на вход OFFSET можно подавать любое напряжение VX от 0 до VS, при этом к выходному напряжению прибавляется величина VX/2.



Рис. 2. Зависимость входного и выходного напряжения усилителя LMP8271 от управляющего сигнала OFFSET

Программируемые операционные усилители

National Semiconductor выпускает ряд операционных усилителей, параметрами которых можно управлять путем изменения тока через специальный вывод микросхемы, -- так называемые программируемые операционные усилители. Новейший образец программируемого операционного усилителя -- сдвоенный усилитель LMV422 -- интересен тем, что может работать в двух режимах, обычном и экономичном, при этом, естественно, параметры усилителя ухудшаются, но основные функции сохраняются, что может быть весьма полезным, например для поддержания аппаратуры в «ждущем» состоянии, переходе на резервное питание и т. п. В нормальном режиме (Full; управляющий вывод PS заземлен) операционные усилители потребляет ток 400 мкА и имеет параметры, близкие к прецизионным усилителям (см. табл. 1). В экономичном режиме (Low; на управляющий вывод PS подано напряжение более 4,5 В) потребляемый ток снижается до 2 мкА, и усилитель становится ультрамикромощным. Каждый усилитель микросхемы имеет свой независимый вывод управления PS. Операционные усилители LMV422 скорректированы для коэффициента усиления больше 2, выпускаются в 10-выводном корпусе MSOP.



2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ И ОПИСАНИЕ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА 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.

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 R_ш. 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:

, (2.1)

где U_вх- входное напряжение АЦП,

U_оп - 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.

Для получения аналогового сигнала, пропорционального измеряемому сопротивлению используется ЦАП, который осуществляет обратное преобразование цифрового кода в аналоговый сигнал.

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

Блок питания предназначен для подачи необходимых питающих напряжений на схему.



3. РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ УЗЛОВ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

3.1 Разработка и расчёт входного дифференциального усилителя

В качестве измерительного усилителя выбран прецизионный ОУ в дифференциальном включении.

Входное напряжение:

Коэффициент усиления:

Задам резистор R1 = 10 кОм, тогда R2:

Из ряда E24 выберу: R1=R3 МЛТ-0.125-10 кОм1%

R2=R4 МЛТ-0.125-240 кОм1%



Рисунок 3.1 - Схема подключения дифференциального усилителя.

В качестве DA1 выберу К140УД25А.

Параметры усилителя 140УД25А:

Напряжение питания ±(13,5 ч 16,5) В.

Коэффициент усиления 1 млн.

Напряжение смещения 30 мкВ.

Скорость нарастания выходного напряжения 1,7 В/мкс.

Потребляемый ток 5 мА.

Частота единичного усиления 3 МГц

3.2 Разработка и расчет входного усилителя

Для измерения сигнала пропорционального току использую схему неинвертирующего усилителя. Такая схема имеет большое входное сопротивление, и не влияет на параметры цепи к которой подключается.



Рисунок 3.2 - Схема измерительного усилителя.

Максимальное напряжение, действующее на входе:

Требуемый коэффициент усиления:

Задам резистор R2=200 кОм, тогда R1=200 Ом, так как коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

.

Из ряда Е24 выберу R1: МЛТ-0.125-200 Ом5%.

R2: МЛТ-0.125-200 кОм5%.

В качестве DA1 выберу 140УД25А.

Параметры усилителя 140УД25А:

Напряжение питания ±(13,5 ч 16,5) В.

Коэффициент усиления 1 млн.

Напряжение смещения 30 мкВ.

Скорость нарастания выходного напряжения 1,7 В/мкс.

Потребляемый ток 5 мА.

Частота единичного усиления 3 МГц

3.3 Разработка и расчет усилителя ограничителя

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

По ряду Е24 и справочнику выбираем R1: МЛТ 0,125Вт 10кОм±5%.

Диод VD1, VD2 ограничивает усиленное напряжение на уровне 0,6 В.

Диоды берем КД521А.

Параметры КД521А: Uобр.макс = 75 В, Iпр.макс =50 мА

Рисунок 3.3 - Схема усилителя ограничителя.



В качестве DA1 выберу К140УД8А

Параметры К140УД8А

Напряжение питания ±(5 ч 15) В.

Коэффициент усиления 50 тыс.

Напряжение смещения 18 мВ.

Скорость нарастания выходного напряжения 2 В/мкс.

Частота единичного усиления 3 МГц.

Потребляемый ток 5 мА.

На рисунок 3.4 приведены временные диаграммы сигналов на входе и выходе усилителя ограничителя.

Рисунок 3.4 - Временные диаграммы сигналов на входе и выходе усилителя ограничителя

3.4 Разработка расчет компаратора с положительной обратной связью

усилитель погрешность компаратор выпрямитель

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 5.

Рисунок 3.5 - Схема компаратора с положительной обратной связью.

Порог переключения Uпор=200 мВ.

Задам R1 = 1 кОм, тогда R2:

По ряду Е24 выберу R1: МЛТ 0,125Вт 1кОм±5%

R2: МЛТ 0,125Вт 75кОм±5%

В качестве DA1 выберу: 140УД11

Параметры 140УД11

Напряжение питания ±(5 ч18) В.

Коэффициент усиления 25 тыс.

Напряжение смещения 10 мВ.

Скорость нарастания выходного напряжения 20 В/мкс.

Верхняя частота 15 МГц.

Потребляемый ток 10 мА.

Выходной ток 10 мА

На рисунке 3.6 приведены временные диаграммы сигналов на входе и выходе компаратора.

Рисунок 3.6 - Временные диаграммы сигналов на входе и выходе компаратора.

3.5 Разработка и расчет фаочувствительного выпрямителя

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). В данном случае ФЧВ построен на ОУ с применением аналоговых ключей.



Рисунок 3.7 - ФВЧ на аналоговых ключах.

Схема ФЧВ на ОУ приведена на рисунке 3.7.

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.

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 3.8 - 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 качестве микросхемы АК рекомендуется использовать ИМС K590КН4. 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 3.9 - Схема ФЧВ.

В качестве VD1 выберу Д814В (Uст=9,75 В, Iст.мин=3 мА,

Iст.макс=32 мА), тогда R1:

Из ряда Е24 выберу R1 МЛТ 0,125Вт 1 кОм±5%

R7 = R8 МЛТ 0,125Вт 10 кОм±5%

В качестве DA3 выберу: К590КН4

В качестве DA1 выберу К140УД17А.

Параметры усилителя К140УД17А:

Напряжение питания ±(13,5 ч 16,5) В.

Коэффициент усиления 120 тыс.

Напряжение смещения 75 мкВ.

Скорость нарастания выходного напряжения 0,1 В/мкс.

Потребляемый ток 5 мА.

Частота единичного усиления 0,4 МГц



3.6 Разработка и 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 (рисунок 3.10).

Рисунок 3.10 - Принципиальная схема прецизионного выпрямителя.

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

Выберем резисторы:

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).

В качестве DA1, DA2 выберу: К140УД17А

Параметры усилителя К140УД17А:

Напряжение питания ±(13,5 ч 16,5) В.

Коэффициент усиления 120 тыс.

Напряжение смещения 75 мкВ.

Скорость нарастания выходного напряжения 0,1 В/мкс.

Потребляемый ток 5 мА.

Частота единичного усиления 0,4 МГц

Рисунок 3.11- Временные диаграммы сигналов

3.7 Разработка и расчет фильтра нижних частот (Ф1)

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 3.12:



Рисунок 3.12 - ФНЧ первого порядка.

Значение постоянного сигнала на входе фильтра U_Rпост:

Значение переменного сигнала на входе фильтра:

Коэффициент ослабления основной гармоники:

-выберу , тогда



Частота среза:

Задам С1 = 1мкФ, тогда Rос

В качестве R1 выберу переменный резистор СП3-39А-1-750кОм20%

Из ряда Е24 выберу: Rос МЛТ-0,125-470кОм 5%;

С1= К73-17-63В-1мкФ±5%

В качестве DA1 выберу: К140УД17А

Параметры усилителя К140УД17А:

Напряжение питания ±(13,5 ч 16,5) В.

Коэффициент усиления 120 тыс.

Напряжение смещения 75 мкВ.

Скорость нарастания выходного напряжения 0,1 В/мкс.

Потребляемый ток 5 мА.

Частота единичного усиления 0,4 МГц



Рисунок 3.13 - ЛАЧХ ФНЧ.

3.8 Разработка и расчет фильтра нижних частот (Ф2)

В качестве фильтра используем активный фильтр первого порядка, схема которого представлена на рисунке 3.14:

Рисунок 3.14 - ФНЧ первого порядка.

Задам коэффициент подавления основной гармоники K=200 и определю частоту среза:



Задам емкость С1 = 1 мкФ и рассчитаю Rос:

В качестве R1 выберу переменный резистор СП3-39А-1-750кОм20%

По ряду Е24 выберу: Rос МЛТ-0,125-390кОм 5%;

С1= К73-17-63В-1мкФ±5%

В качестве DA1 выберу: К140УД17А

Параметры усилителя К140УД17А:

Напряжение питания ±(13,5 ч 16,5) В.

Коэффициент усиления 120 тыс.

Напряжение смещения 75 мкВ.

Скорость нарастания выходного напряжения 0,1 В/мкс.

Потребляемый ток 5 мА.

Частота единичного усиления 0,4 МГц

Рисунок 3.15 - ЛАЧХ ФНЧ.



3.9 Разработка и расчет АЦП

АЦП предназначен для преобразования входного сигнала в цифровой код для последующего отображения на индикаторе измеряемой величины. Выходной код для АЦП 572ПВ1 определяется по формуле:

где максимальное входное напряжение Uвх = 10,24 В, а опорное напряжение должно равняться Uоп = 10,24 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.

Значение Rx 40 Ом, Nвых = 4000 отсчетов.

Значение U_I найдем по формуле:

необходимо преобразовать до уровня 10,24 В

Значение Uu найдем по формуле:

необходимо преобразовать до уровня



Корректировку напряжений U_I и Uu можно осуществить за счет установки переменных резисторов R1 в ФНЧ1 и ФНЧ2.

Погрешность АЦП за счет нелинейности преобразования:

Корректировку напряжений U_I и Uu можно осуществить за счет установки переменных резисторов R1 в ФНЧ1 и ФНЧ2.

Для обеспечения режима преобразования на вход С АЦП необходимо подать тактовые импульсы. В качестве генератора тактовых импульсов выберу микросхему таймер NE555.

Рисунок 3.16 - Схема включения таймера.

Цепочка R1C1 задает период тактовой частоты по формуле:

Выберу R1: МЛТ-0,125-20 кОм 5%;

С1: КМ-5-Н90-50В-1 нФ±5%

3.10 Разработка и расчет ЦАП

Для расчета формирователя выходного сигнала исходным данным является выходное напряжение цифро-аналогового преобразователя U_ЦАП.



где N_вых - выходной код АЦП;

n - разрядность используемого ЦАП;

Uоп - значение опорного напряжения, подаваемого на вход.

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

Рисунок 3.17 - Схема подключения ЦАП.

D2 - микросхема К140УД17А

VD1, VD2 - диоды КД514А, предназначены для выполнения условий

Ucc1< Ucc2 и могут отсутствовать при Ucc1= Ucc2.

При включении с ТТЛ схемами Ucc1 = 5 В, Ucc2 = 15 В. Выводы 2 и 48 должны быть заземлены или включены на виртуальную землю операционного усилителя D2.

В качестве (DA1) источника опорного напряжения выберу REF195E.

Выходное напряжение +5±0,002

Максимальный выходной ток 30 мА

Коэффициент стабилизации 40000

Ток холостого хода 0,045 мА

ТКН 0,000005%

Рисунок 3.18- Схема включения стабилизатора REF195E.

Выберу конденсаторы:

С2 K52 - 1Б - 25 В - 10 мкФ ±10%.

С1 K73 - 17В - 63 В - 0,1 мкФ ±10%.

3.11 Разработка и расчет выходного преобразователя 4-20 мА

Рисунок 3.19 - Схема формирователя выходного сигнала 4-20мА



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

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

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

В качестве ИОН выберу REF195E.

Параметры REF195E:

Выходное напряжение 5±0,002 В

ТКН 10^-6

Ток холостого хода 0,045 мА

Ток нагрузки 30 мА

Коэффициент стабилизации 40000

Выходное сопротивление 0,02 Ом

Рассчитаем номиналы резисторов R1 и R2:

Транзисторы: VT1, VT3 KT315А

VT2, VT4 KT361А.

По ряду Е24 выберу: R1 МЛТ-0,125-1,2 кОм 5%;

R2 МЛТ-0,125-620 Ом 5%;

R2 МЛТ-0,125-100 Ом 5%;

В качестве DA1, DA2 выберу: К140УД17А

Параметры усилителя К140УД17А:

Напряжение питания ±(13,5 ч 16,5) В.

Коэффициент усиления 120 тыс.

Напряжение смещения 75 мкВ.

Скорость нарастания выходного напряжения 0,1 В/мкс.

Потребляемый ток 5 мА.

Частота единичного усиления 0,4 МГц

Рисунок 3.19 - Схема включения стабилизатора REF195E.

Выберу конденсаторы:

С2 K52 - 1Б - 25 В - 10 мкФ ±10%.

С1 K73 - 17В - 63 В - 0,1 мкФ ±10%.



4. РАСЧЕТ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ, РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ БЛОКА ПИТАНИЯ

Питание измерительного преобразователя осуществляется от аккумуляторной батареи, которая должна обеспечивать непрерывную работу устройства в течении 24 часов. Однополярное питание можно получить установив стабилизатор, а двухполярное с помощью DC/DC преобразователя.

Рисунок 4.1 - Структурная схема блока питания.

Найду ток потребляемый на шине ±15 В:

К590КН4 - 1 мА, К140УД25А - 5 мА (3 шт.), К140УД17А - 5 мА (7шт.) , К140УД8А - 5 мА, К140УД11 - 10 мА, 572ПВ1 - 5 мА, К521СА3 6 мА, NE555 - 10 мА.

тогда общий ток:

I_ОБЩ±15=1+5·3+5·7+5+10+5+6+10 = 87 мА (4.1.1)

В качестве DC/DCпреобразователя выберу FDD03-15D1 - DC/DC преобразователь мощностью 3 Вт, корпус: для монтажа на печатную плату DIP24, производства компании CHINFA серии FDD03.

Параметры преобразователя

Канал 1: Uвых = 15В, Iвых = 0.1А

Канал 2: Uвых = -15В, Iвых = 0.1А

Мощность: 3 Вт

КПД: 68 %

Уровень пульсаций (размах): 127 мВ

Электрическая прочность изоляции: вход-выход 1500 В DC

Входное напряжение DC: 9...18 В (Номинальное: 12 В)

Комплекс защит от: короткого замыкания

Габариты: 20.3 x 31.8 x 12.7 мм

Корпус: для монтажа на печатную плату DIP24

Диапазоны температур работы: -25...71 °C, хранения: -40...100 °C

Найду ток потребляемый на шине +5 В:

572ПВ1 5 мА, 572ПА2 4 мА

тогда общий ток:

I_ОБЩ+5=5+4 = 9 мА (4.1.2)

В качестве стабилизатора выберу 1181ЕН5А

Параметры стабилизатора:

Выходное напряжение 5 В

Точность 2%.

Выходной ток 0,1 А

Коэффициент стабилизации 100

Ток, потребляемый стабилизатором 5 мА

Рисунок 4.2 - Схема подключения стабилизатора.

Выберу конденсаторы:

С1: К52 - 1Б - 25 В - 100 мкФ±10%;

С2: К73 - 17В - 63 В - 0.33 мкФ±10%;

C3: К52 - 1Б - 20 В - 10 мкФ±10%.

Рассчитаю общую мощность потребляемую устройством.

P₊₅ - мощность нагрузки;

P_СТ - мощность рассеиваемая на стабилизаторе.

Для питания измерительного преобразователя выберу аккумулятор FG20722.

Свинцово кислотная аккумуляторная батарея 12 вольт 9 ампер

размеры: 148x92x60 Производитель: Fiamm

Выбранный аккумулятор обеспечит работу устройства в течении:



5. РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТЕЙ УСТРОЙСТВА

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.

-погрешность перемножения и АЦП.

2) Погрешность от Uсм ОУ

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

Рисунок 4.1- Схема входного усилителя на одном ОУ

Кус=1000; Uсм=30 мкВ;

Uвх=Rш•I=1•0,01= 0,01 В;

Найдём полезный сигнал на входе ОУ:

Uвыхпол=Uвх•Кус?0,01•1000=10 В;

Тогда напряжение ошибки составит

Uош=Uсм*Kус=30мкВ*1000 = 30 мВ.

Тогда погрешность, вносимая Uсм определяется следующим образом

(5.1.1)

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.

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 ток I1 протекает через параллельное соединение резисторов R1 и R2 и создает падение напряжения , а ток I2 протекает по нулевому сопротивлению источника сигнала и не создает падение напряжения, т.е. U2=0.

Рисунок 4.2 - Схема входного усилителя



Разность напряжений U2-U1 усилителя подобно напряжению смещения:

(5.1.2)

Согласно [6] Iвх=35 нА

(5.1.3)

Напряжение ошибки крайне мало ввиду того, что изначально был взят прецизионный ОУ с малыми значениями Iвх и Uсм.

4) Погрешность Kус обусловленная разбросом номиналов резисторов.

Выпускаемые резисторы имеют разброс значений сопротивлений от номинального.

Так например, использование резисторов с 5% разбросом в схеме на рисунке 4.6 может привести к 10% отклонению Kус в наихудшем случае. Рассмотрим схему входного усилителя.

R1: МЛТ-0.125-200 Ом5%.

R2: МЛТ-0.125-200 кОм5%.



Рисунок 4.2 - Схема входного усилителя

В этой схеме наибольшую погрешность вносит 5% разброс номиналов резисторов R1, R2.

тогда коэффициент усиления бес разброса резисторов

Наихудший случай с учетом разброса номиналов резисторов:

Относительная погрешность усилителя составит:



Для уменьшения погрешности введу в цепь обратной связи прецизионный резистор и уменьшу номинал резистора R2.

Тогда цепь ОС будет выглядит следующим образом:

Рисунок 3 - Цепь обратной связи.

По ряду Е24 выберу R2: МЛТ-0.125-180 кОм5%.

R3: СП3-38б-0.125-47кОм20%

В таком случае коэффициент усиления можно получить с разбросом 1%, что является приемлемым.

Данный вид ошибки присутствует во всех каскадах усиления и устраняется путем установки прецизионных резисторов в ФНЧ1 и ФНЧ2.

6) Анализ погрешности АЦП

Используемый АЦП имеет погрешность, связанную с нелинейностью преобразования. Эта величина является не уменьшаемой составляющей погрешности. Погрешность АЦП за счет нелинейности преобразования:

7) Определение общей погрешности

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

Общая погрешность обусловлена разбросом номиналов резисторов.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения данного курсового проекта была разработана схема измерительного преобразователя. Работа 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;

- величина погрешностей не превышает 1,05 %.

Параметры используемых в устройстве и источнике питания элементов взяты из справочной литературы и полностью соответствуют ГОСТу. Для решения данной задачи предпочтение было отдано микросхеме АЦП К572ПВ1 и ЦАП К572ПА2,которая по своим характеристикам оптимально соответствует всем требованиям нашего курсового проекта.



ЛИТЕРЕТУРА

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. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник//А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др. Под ред. А.В. Голомедова.-М.: Радио и связь, 1988. - 528 с.; ил.

5. Операционные усилители и компараторы: лаб. Практикум по курсу «Микроэлектроника и микросхемотехника» для студентов специальности 1-36 04 02 «Промышленная электроника» / авт.-сост. Л.А. Захаренко. - Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого, 2007. -30 с.

6. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулешов и др.; под ред. С.В. Якубовского. - М.: Радио и связь, 1989. - 496с.: ил.

7. Сидоров И.Н., Скорняков С.В. Трансформаторы бытовой радиоэлектронной аппаратуры: Справочник. - М.: Радио и связь, 1994. - 320с.: ил.

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

9. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М.: Издательский дом «Додэка-XXI». 2005.

Размещено на Allbest.ru