Полумостовой преобразователь сопротивления-напряжения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Омский Государственный Технический Университет

КАФЕДРА ЭсПП СЕКЦИЯ ПЭ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине

«Электроника и микропроцессорная техника»

на тему «Полумостовой преобразователь сопротивления-напряжения»

Автор проекта Компанистов М.Н.

Обозначение проекта: КП-02068999-29-ПЭ411-11-04ПЗ

Специальность 200400 «Промышленная электроника»

Руководитель проекта Михайлов А.В.

Проект защищен .

2004

Техническое задание

1. Область применения.

Преобразователь сопротивление-напряжения относится к области преобразовательной техники, в частности к технике преобразования активного электрического сопротивления.

2. Назначение.

Преобразователь сопротивление- напряжения предназначен для преобразования активного электрического сопротивления в постоянное напряжения электрического тока.

3. Технические требования.

3.1 Показатели значения изделия:

Пределы изменения сопротивления рабочего плеча полумоста: 10 Ом, 100 Ом, 1кОм, 10кОм, 100кОм.

Основная погрешность преобразования

Длина линии связи полумоста и ПСН до 100 м.

Падение напряжения на изменяемом сопротивлении не более 20 mB.

Выходное напряжение на каждом пределе 1 В при Rximax

3.2 Условия эксплуатации:

Питание прибора производится от сети переменного тока напряжением , частотой

Параметры окружающей среды соответствуют нормальным условиям эксплуатации:

Температура окружающей среды ;

Относительная влажность воздуха ;

Атмосферное давление ;

Студент: ____________ Компанистов М. Н.

Преподаватель: ____________ Михайлов А. В.

23.11.04

РЕФЕРАТ

В данном проекте разработан полу-мостовой преобразователь сопротивление-напряжение.

Основные параметры:

1) Диапазоны преобразования: 10 Ом, 100 Ом, 1кОм, 10кОм, 100кОм;

2) Погрешность преобразования: ;

3) Длина линии связи - до 100 м;

4) Падение напряжения на изменяемом сопротивлении не более 20 мB;

5) Выходное напряжение на каждом пределе 1 В при Rximax;

Ключевые слова:

Преобразователь, сопротивление, напряжение, диапазоны преобразования.

Число страниц основного текста - 20

Число рисунков - 6

ABSTRACT

In the given project the halfbridge the converter resistance - power is developed.

Basic parameters:

1) Conversion range: 10 Om, 100 Om, 1kOm, 10kOm, 100kOm;

2) Conversion error: .

3) Length of tie-line - up to 100m;

4) Voltage drop on a changed resistance no more than 20 мB;

5) Voltage output on each limit 1В for want of Rximax.

Keywords:

Converting, resistance, voltage, conversion range.

Number page basic text - 20

Number figure - 6

СОДЕРЖАНИЕ.

Введение

1 Обзор литературы

2 Выбор направления проектирования

3 Расчет структурной схемы

3.1 Вывод уравнения преобразования

3.2 Требования к блокам структуры

4 Разработка принципиальной схемы

4.1 Источник опорного напряжения

4.2 Делитель напряжения

4.3 Повторитель напряжения

4.4 Дифференциальный усилитель

5 Расчет источника питания

6 Анализ метрологических характеристик

Заключение

ВВЕДЕНИЕ

Преобразователи сопротивления в напряжение (ПСН) находят применение при построении омметров и измерительных приборов с резистивными первичными преобразователями.

При неизменном токе падение напряжения на резисторе пропорционально его сопротивлению. Таким образом, ПСН можно выполнить, включая преобразуемое сопротивление в качестве нагрузки любого стабилизатора тока. Построенные таким путем ПСН при качественном стабилизаторе тока обладают достаточно высокими техническими характеристиками.

Однако в ряде случаев к ПСН могут предъявляться дополнительные требования, такие, как заземление преобразуемого сопротивления, уменьшение или полное исключение погрешности от сопротивления соединительных проводов, обеспечение выходного напряжения, пропорционального преобразуемого сопротивления относительно его начального значения, снижение выходного сопротивления ПСН и так далее.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Преобразователи сопротивления в напряжение используются для согласования цепей с резистивными датчиками различных физических величин. Основными требованиями к ним являются:

· Обеспечение линейной и стабильной функции преобразования измеряемой физической величины через сопротивление датчика в выходное напряжение;

· Исключение влияния линии, соединяющей датчик, обычно расположенный на объекте измерения, со входом системы регулирования;

· Получение малого выходного сопротивления ПСН, при котором обеспечивается его удобное согласование со входом аналого-цифрового преобразователя.

Мостовые преобразователи сопротивление-напряжение используют для работы с резистивными датчиками, в которых измеряемая величина преобразуется в разность двух сопротивлений (полумостовой датчик) или в неравновесие четырехплечего резистивного моста (мостовой датчик). Задачи, решаемые при построении мостовых ПСН,- это уменьшение погрешности от сопротивлений соединительных проводов и снижение требований к усилителям выходных сигналов датчиков.

Полумост питается от двух симметричных напряжений -U₀ и +U₀ (Рис.1.1). Для того чтобы исключить погрешность от сопротивлений соединительных проводов, эти напряжения подаются на датчик с помощью повторителей напряжения, выполненных на операционных усилителях DA1и DA2.

В данном случае высокие требования предъявляются к симметрии питающих напряжений: неравенство модулей питающих напряжений -U₀ и +U₀ будет вызывать изменения выходного напряжения ПСН.



Рис. 1.1. Принципиальная схема полумостовового ПСН.

Полумостовой ПСН (Рис.1.2). построен так, чтобы уменьшить влияния линии на результат измерения. С помощью DA2 на нижнем конце резистора Rt поддерживается нулевой потенциал, независимо от падения напряжения на линии r2. Влияние линий r3, r4 исключается за счет того, что они включены последовательно с очень большим входным сопротивлением DA1 и DA2, соответственно. Чтобы линия r1 не оказывала существенного влияния, необходимо сопротивление R выбирать из условия R>>r1. Уравнение преобразования имеет вид: , где U₀- напряжение стабилизации стабилитрона. В соответствии с этим уравнением точность преобразования зависит от точности задания и стабильности параметров U₀ и R.



Рис. 1.2. Принципиальная схема полумостовового ПСН.

Одним из примеров схем может служить схема основанная на измерении реактивного сопротивления индуктивности.

Рис. 1.3 Структурная схема преобразователя индуктивность - интервал времени

ГСС - генератор синусоидального сигнала

Lx - измеряемая индуктивность

ПНВ - преобразователь напряжение интервал времени

Достоинством этой схемы является линейная зависимость периода выходного напряжения от значения измеряемой индуктивности.

К недостаткам этой схемы можно отнести зависимость преобразования от индуктивности линии связи и большая сложность по сравнению со схемами LC генераторов.

Схема с ёмкостной трёхточкой

Рис. 1.4 Принципиальная схема LC-генератора

В этой схеме сильно проявляется погрешность, связанная с индуктивностью линии.

Частота установившихся колебаний такого генератора равна:

Схема LC-автогенератора на операционном усилителе.



Рис. 1.5 Принципиальная схема LC-генератора на операционном усилителе

Высокими техническими показателями обладают LC-автогенераторы гармонических колебаний, использующие в качестве усилительных звеньев операционные усилители. В связи с избыточностью коэффициента усиления таких усилителей это позволяет, кроме положительной обратной связи через частотно-избирательный резонансный контур, вводить достаточно глубокие дополнительные отрицательные связи, что существенно повышает стабильность частоты генерируемых колебаний. Кроме того, операционные усилители имеют большое входное и очень маленькое выходное сопротивления, что позволяет не учитывать их при расчёте.

2. ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Исходя из заданных требований, разработаем структурную схему и дадим разъяснение блокам структурной схемы полумостового преобразователя сопротивления в напряжение (ПСН).

Структурная полумостового ПСН изображена на рис. 2.1 и содержит в своем составе:

ИОН- источник опорного напряжения;

ПН- повторитель напряжения;

ДН- делитель напряжения;

ДУ- дифференциальный усилитель;

Рис.2.1 Структурная схема полумостового ПСН.

Источником опорного напряжения задаем входной сигнал U₀ делителя напряжения (ДН) и повторителя напряжения (ПН). Делитель напряжения делит входной сигнал пополам и подает его на вход дифференциального усилителя. Повторитель напряжения поддерживает напряжение U₀ на втором входе дифференциального усилителя. В свою очередь дифференциальный усилитель состоит из операционного усилителя и полумоста. Операционный усилитель подает на нижний зажим полумоста такое напряжение, при котором равны потенциалы на средней точке полумоста и на выходе делителя напряжения.

3. РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

3.1 Вывод уравнения преобразования

(К₃) ДН- делитель напряжения;

(К₄) ПН- повторитель напряжения;

y₁=Uвых _дн ;

y₂=Uвых _пн ;

y₃=Uвых _К1 ;

y₄=Uвых _К2 ;

y=Uвых;

x=U₀;

3.2 Требования к блокам структуры

Источник опорного напряжения на выходе имеет 2.5 В отсюда В. Опорное напряжение подается на делитель напряжении и на повторитель напряжения. На выходе делителя напряжения мы будем иметь 1.25В значит В. На выходе повторителя напряжения будем иметь опорное напряжение 2.5В, . На выходе блока К₁ будем иметь напряжение 1.05В, а на выходе блока К₂ напряжение 2.05В. По условию КП на выходе ПСН напряжение 1В следовательно В.

Рассчитаем коэффициенты передачи каждого блока.

Коэффициент передачи ДН ;

Коэффициент передачи ПН ;

Коэффициент передачи К₁

,

Коэффициент передачи К₂

Коэффициент передачи всего ПСН

Подбор погрешности.

По условию КП . Исходя из этого, распределяем погрешность:

4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

4.1 Источник опорного напряжения

Источник опорного напряжения AD580MH, у которого:

Uвых=2.5 В, Iвых=10мA, Iп=1мА, Uпит=4.5…30 B, .

4.2 Делитель напряжения

Делитель напряжения обеспечивает согласование заданного выходного напряжения и выбранного опорного. Коэффициент деления рассчитывается по уравнению:

Пусть R1 = 1.1 kОм, R2 = 1.1 кОм.

мА

мВт

Выбираем резисторы R1 и R2: С5-60А-0,125-

Погрешность делителя напряжения состоит:

TKC_С5-60А=;

.

Так как погрешность делителя напряжения равна 0.013%, то погрешность повторителя напряжения будет равна 0.047%.

4.3 Повторитель напряжения

Повторитель напряжения собираем на ОУ, выбираем ОУ из условия ,

где - мультипликативные погрешности.

Диапазон погрешностей:

Откуда распределяем погрешность =

Выбираем операционный усилитель AD849J у которого: ,

.

Проверяем:

Погрешность повторителя напряжения равна 0.051%, что превышает отведенной погрешности . Таким образом =0.051%, а отведенная погрешность на дифференциальный усилитель будет равна 0.66%

4.4 Дифференциальный усилитель

По заданию курсового проекта падение напряжения на изменяемом сопротивлении рабочего плеча полумоста (Rx) не более 20мВ (рис.4.4.1).



Рис.4.4.1 Дифференциальный усилитель.

Найдем ток протекающий через рабочее плечо полумоста:

Пределы рабочего плеча полумоста



Находим значения сопротивления

Рассчитаем мощность:,

Выбираем резисторы :

Погрешность резистора состоит:

TKC_МРХ=;

Тогда

Выбираем операционный усилитель из условия

,

где

Откуда распределяем погрешность

=

Выбираем операционный усилитель AD840К у которого:

,

.

Проверяем:

Погрешность операционного усилителя равна 0.04%, что не превышает отведенной погрешности

.

Погрешность дифференциального усилителя:

0.04+0.015=0.055%.



Рис.4.4.2 Принципиальная схема полумостового ПСН.

5. РАСЧЕТ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Поскольку максимально потребляемый ток преобразователя равен сумме максимальных токов микросхем и равен

I=IDA1+DA2+IDD1=0.0075+0,004+0,002=0,0135А,

соответственно максимальная потребляемая мощность не превышает P=I*U=0,4Вт,

возьмём трансформатор ТП112-11 2х15V. 0.24A

Напряжение на выходе трансформатора

U₂=(±15±3)В.

Падение напряжения на диодах 0,7В.

Напряжение на входе интегральных стабилизаторов

.

Напряжение на выходе интегральных стабилизаторов ±15В.

При расчёте погрешности погрешность напряжения питания можно не учитывать, поскольку схема построении на ИМС, имеющие встроенный стабилизатор напряжения.

Все конденсаторы должны быть на напряжение не ниже 50В.

С₁, С₃, С₇ и С₉ - SA100V-470MF

С₂, С₄, С₅ и С₆, С₈ и С₁₀ - КМ6а -0.15 Н50.

Интегральный стабилизатор выполнен на микросхеме К142ЕН6А со следующими параметрами:

U_стаб, - |15|0,015В,

I_ст.max, - 0,1А,

Р_max, - 5Вт,

I_потр, - 7,5мА.

В качестве диодного моста можно взять любую диодную сборку с током

,

и напряжением не менее 30В, в качестве такового подходит диодная сборка КЦ402А с параметрами:

В качестве источника питания микросхемы DD1 используется параметрический стабилизатор на R6 и VD3. Параметры стабилитрона нижеследующие:

Пусть сопротивление резистора R6=1к, тогда ток через стабилитрон .

	Рис. 5.1. Принципиальная схема источника питания.

АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

На погрешность преобразования данной схемы влияет погрешность операционных усилителей (), погрешность резисторов ().

Погрешность операционных усилителей: DA1=0.051%, DA2=0.04%, DA3=0.07%

Погрешность резисторов:R1=R2=0.013%, Ri=0.015%

Погрешность всего преобразователя равна 0.189% по ТЗ она не должна превышать 0.2%, это требование выполняется.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате курсового проектирования была разработана схема полумостового преобразователя сопротивление - напряжение. Погрешность преобразования схемы не превышает заданной погрешности д_пр?0,2%. Схема мало подвержена влиянию сопротивления линии связи. Малое количество элементов применяемое в схеме повышает её надёжность. Данная схема полностью удовлетворяет заданным требованиям ТЗ.

Позиционное обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
	Конденсаторы
C1, C3, C7, C9	К52-3-1000мкФ	4
C2, C4, C5, C6, C8, C10	К76П-4-22мкФ	6
	Микросхемы
DA1	AD849J	1
DA2	AD840K	1
DA3	AD580МН	1
DA4	К142ЕН6	1
	Резисторы
R1, R2	С5-60А-0.125-1.1к±0.01%	2
Ri1	С5-60А-0.125-12.1±0.01%	1
Ri2	С5-60А-0.125-121±0.01%	1
Ri3	С5-60А-0.125-1,21к±0.01%	1
Ri4	С5-60А-0.125-12.1к±0.01%	1
Ri5	С5-60А-0.125-121к±0.01%	1
	Тумблер
S1	5П2Н	1
	Трансформатор
Tu1	ТП112-11- 220-50	1
	Диоды
VD1	КЦ402А	1	Диодная сборка
КП-02068999-29-ПЭ411-11-04ПЭ Изм. Лист № докум Подп. Дата Разраб. Компанистов 23,11,04 Перечень элементов полумостового преобразователя сопротивления в напряжение Лит. Лист Листов Провер. Михайлов А.В. 1 1 ОмГТУ ПЭ-411 Н. контр. Утверж.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методические указания по курсовому и дипломному проектированию. / Сост.: Бирюков С. В.; ОмГТУ. - Омск, 1998. - 39 с.

2. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые) / П. П. Орнатский.-5-е изд., перераб. и доп.-К.: Вища шк. Головное изд-во, 186.-504 с.

3. Основы промышленной электроники. Руденко В. С., Сенько В. И., Трифонюк В. В.-К.: Вища шк. Головное изд-во, 1985.-400 с.

4. Алексенко А. Г. И др. Применение прецизионных аналоговых микросхем / А. Г. Алексенко, Е. А. Коломбет, Г. И. Стародуб. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985. - 256 с., ил.

5. Манаев Е. И. Основы радиоэлектроники: Учеб. Пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985. - 488 с., ил.

6. Кликушин Ю. Н., Михайлов А. В. К49 Электроника в приборостроении: Тексты лекций. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2000., - 152 с.

7. Резисторы: справочник/ В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и д.р.; Под общ. Ред. И.И. Четвертков и В.М. Терехова.-М.: Радио и связь, 1987.-352 с.; ил.