Разработка преобразователя разности фаз в постоянное напряжение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Разработка преобразователя разности фаз в постоянное напряжение

1. Техническое задание

Разработка преобразователя разности фаз двух сигналов в постоянное напряжение со следующими параметрами:

· Частота входных сигналов 10кГц - 100 кГц;

· Входное напряжение 50мВ - 5В;

· Диапазон измерения ?ц 0 - 180^о

· Выходное напряжение, макс. 3 В;

· погрешность измерения ±0.5%.

1. Обзор существующих методов решения задачи.

Фазовые детекторы обеспечивают получение выходного напряжения, пропорциональное фазовому сдвигу между двумя сигналами, имеющими одну частоту. Применяются линейные и ключевые фазовые детекторы.

Линейные фазовые детекторы выполняются на основе перемножителей аналоговых сигналов. В них на один из входов, например вход Х, подается напряжение U_X=U_опcos(щt), а на другой (Y) -напряжение U_Y=U_опcos(щt+ ц). В результате перемножения выходной сигнал равен

U_вых=KU_опcos(щt)U_ccos(щt+ ц)=KU_опU_c[K1cos(2 щt+ц)+K2cos(ц)]

где K, K₁, K₂ - масштабные коэффициенты.

Если к выходу перемножителя подключить фильтр низких частот, который не пропускает высокочастотную составляющую, имеющую частоту 2щ то выходное напряжение фильтра будет равно

U_выхф = К₃U_опU_ccos(ц)

Таким образом, перемножитель сигналов, к входу которого подключен фильтр низких частот, не пропускающий переменной составляющей, обеспечивает получение постоянного напряжения, пропорционального разности фаз между U_оп и U_c.[1]

Ключевым недостатком этого метода является зависимость выходного сигнала от амплитуды входного, что существенно понижает точность измерения и вводит дополнительные требования к стабильности измеряемых сигналов и необходимость использования дополнительного оборудования для измерения входных напряжений. Так же дрейфы нуля перемножителя и фильтра низких частот приводят к появлению соответствующих погрешностей преобразования. Таким образом мы видим, что данный метод требует привлечения дополнительного оборудования и не обеспечивает высокой точности измерения (обычно, не более 2.5%) .

Ключевые фазовые детекторы.

Функциональная схема ключевого фазового детектора приведена на рис. 1. Детектор состоит из двух формирователей последовательностей прямоугольных импульсов с уровнями логического нуля и логической единицы из синусоидальных напряжений сигнала и опорного колебания (Ф), узла сложения по модулю два (М2)и нагрузки в виде последовательно соединенных резистора Rн и конденсатора Сн, образующих делитель, где Rн нагрузочный резистор,а Сн - шунтирующий конденсатор, образующий фильтр нижних частот.

Рисунок 1.Функциональная схема ключевого фазового детектора

На рис.2 приведены временные диаграммы, поясняю-щие работу детектора.

Рисунок 2. Временные диаграммы напряжений и выходного тока ключевого фазового детектора

Из рисунка следует, что постоянная составляющая тока i определяется следующим соотношением

Этот ток создает падение напряжения на нагрузке

[2]

напряжение детектор схема погрешность

Отсюда можно хорошо видеть, что выходной сигнал фактически не зависит от входного (на самом деле зависимость есть, но она определяется коэффициентом ослабления синфазного сигнала операционных усилителей входящих в состав перечисленных выше элементов и на практике сумарный КОСС достигает десятком миллионов), что в значительной мере повышает точность проводимых измерений. Так же аргументом, говорящим в пользу данного метода является то, что выходной сигнал зависит от величин, обладающих малой, слабо меняющейся со временем и от воздействия внешних факторов, погрешностей, таких как выходное напряжение логических элементов и сопротивление нагрузочного резистора. Но, хоть метод и позволяет уйти от погрешностей связанных с амплитудой, здесь появляется новый источник погрешности - конечное быстродействие логических элементов. Данныйисточник погрешностей является основным в этом методе. Тем не менее, ограниченное быстродействие логических элементов вносит совсем не большую погрешность и, если использовать современные логические элементы в которых переход из одного логического состояния в другое происходит за десятые доли наносекунд, то можно получить точность измерения разности фаз до десятых и сотых долей процента.

Таким образом, руководствуясь приведенными выше соображениями, в качестве метода для проектирования фазометра будет выбран ключевой метод.

2. Построение принципиальной схемы

Основываясь на функциональной схеме ключевого фазового детектора, приведенной на рис.1, была составлена следующая принципиальная схема.

Рисунок 3. Принципиальная схема ключевого фазового детектора

Где COMP - компаратор,выполняющий роль двух формирователей последовательностей прямоугольных импульсов с уровнями логического нуля и логической единицы из синусоидальных напряжений сигнала.

DD 1 - логический элемент И-НЕ, с замкнутыми накоротко входами, выполняющий роль инвертора.

DD 2 - логическое И, в паре с инвертором образует логическую операцию кольцевой суммы.

R1 - резистор нагрузки, подстроечный.

С1 - конденсатор, образующий с резистором фильтр нижних частот.

Стоит отметить так же, что данная конструкция предпологает постоянное нахождение нагрузки в цепи (Uвых), как, например,элемент радиоприемника с фазовой модуляцией, иначе постоянный ток быстро зарядит конденсатор и создаст на нем большое напряжение, которое сделает схему неработоспособной. Если вдруг понадобится менять нагрузку не выключаяя детектора, нужно лишь установить резистор большого номинала (несколько Мом) паралельно конденсатору.

Теперь подробно рассмотрим работу схемы. Вначале сигналы, разность фаз которых необходимо измерять, поступают на независимые компораторы. Работа компоратора подобна ОУ без ООС т.е. небольшой дифференциальный сигнал на входе сразу же подбрасывает выходное напряжение до напряжения питания. Таким образом, имея один из входов заземленным, компаратор работает как детектор - как только на входе сигнал становится больше нуля - на выходе компаратора появляется логическая единица (напряжение питания не случайно выбрано 3В - это совместимый с TTL уровень обозначения единицы. Дальнейшие логические элементы так же имеют TTL-совместимые интерфейсы.Выбор 3-х вольтного питания вместо стандартного 5В обусловлен требованием технического задания иметь на выходе 3В, пытаясь при этом не использовать дополнительных компонентов.). Дальше идет два логических элемента, реализующих кольцевую сумму. Напомню, кольцевая сумма дает «1» только если элементы находятся в разных состояниях, а значит ширина выходного импульса будет пропорциональна времени когда один сигнал уже пересек ноль, а авторой еще нет. Далее сигнал, в виде импульсов, поступает на делитель напряжения.

Для переменной составляющей сигнала здесь наибольшее сопротивление представляет резистор, на котором и будет происходить падение напряжения (вспомним второй закон Кирхгофа).

А для постоянной составляющей всё падение напряжения придется на конденсатор, с котрого мы и будем снимать напряжение, позволяя ему разряжаться на нагрузку.

Таким образом, мы отделили постоянную составляющую от переменной и «направили» её через нагрузку.

3. Расчет принципиальной схемы

а) Подбор активных компонентов.

Основным требованием к активным элементам, основываясь на сказаном ранее, будет их быстродействие и согласованность уровней. Начнем с быстродействия.

Наибольшая погрешность из за недостатка бытсродействия компонентов будет возникать на больших частотах (т.к. время «запаздывания» логических элементов будет составлять бульшую часть от длительности самого импульса), так что далее будем рассматривать только верхнюю частотную границу - 100кГц.

При такой частоте, компаратор должен будет совершать 200 тыс. переключений в секунду, или, пеерключение каждые 5 мкс. Учитывая, что нам необходимо достичь точности 0.5%, необходимо обеспечить время логического перехода менее 5*10^-6 / 200 = 25 нс.

Так же учтем, что это время дается на прохождение всех трех ступений обработки сигнала, это время прохождение всй цепи. Так что, в среднем, от каждого компонента требуется задержка не более 8нс. Далее представлен краткий обзор выбранных компонентов:

Как видно, этот компоратор полностью отвечает представленым требованиям. На вход ему можно подавать 5В, время переключения меньше требуемых 8нс, а напряжение на выходе позволит дальше работать на TTLуровне. Далее - логические элементы И и И-НЕ.

*характеристики преведены для U_пит = 3В

Эти логические элементы так же вполне удовлетворяют требованиям быстродействия и полностью сочетаются по уровням как друг с другом так и с компаратором.

б) Рассчет пассивных компонетов.

Основывать рассчет пассивных компонентов будем на том, что максимальный выходной ток у логического элемента И, который является выходным в схеме, составляет 24мА, и это при напряжении 3В. Т.к. подключаемая нагрузка нам не известна, рассчитаем резистор для самого худшего случая - если подключена нагрузка в 0 Ом. Тогда, по закону Ома,R = 3 / 0.024 = 125 Ом. Но сопротивление оказывается слишком маленьким если мы вспомним его основное назначение - это делитель, и сопротивление резистора должно быть во много раз больше сопротивления конденсатора для переменного тока. По этому возьмем значение в 10 раз больше иокруглим до ближайшего значения из ряда Е24 - это 1.3кОм. Теперь рассчитаем конденсатор. В общем случае, его следует брать как можно большим, тогда мы улучшим характеристики делителя, но нужно понимать, что чем больше будет конденсатор - тем дольше будет происходить его цикл заряд-разряд, что ограничит скорость детектирования разности фаз. Поэтому, ограничимся небольшим значением в 0.1 мкФ, что позволит нам детектирвоать модулированный фазой сигнал с частотой до

(С/I)^-1=(0.1*10^-6/(3/1300))^-1 = 23кГц

4. Расчет погрешностей

Как уже отмечалось выше, в данной схеме основной вклад в погрешность вносит недостаточное быстродействие элементов. По этмоу, рассчитаем сначала эту погрешность. Общее время задержки равно 3+3.6 + 4.5 = 11.1 нс, что составляет 0.22% от времени между колебаниями при частоте 100кГц. Значит максимальная погрешность, вызванная ограниченной скоростью наростания фронта сигнала составляет 0.22%.

Погрешность, вызванная разбросом номиналов пассивных компонентов не оказывает влияния на точность измерения, только на максимальную детектируемую частоту изменения фазы. Может лишь возникать погрешность измерения напряжения на конденсаторе, если вольтметр начнет учитывать «проникшие» туда переменные токи (например, если вольтметр действующего значения). Но это уже выходит за рамки данной курсовой работы.

Более глубокое рассмотрение характеристик активных компонентов (токи смещения, конечный КОСС и тп) выходит за рамки данной курсовой работы.

Вывод

Разработанная схема преобразователя разности фаз в постоянное напряжение исполнена с применением минимального количества элементов и удовлетворяет техническому заданию.

Максимальная погрешность полученного устройства составляет менее 0.22%.

Вместо указанных в устройстве могут быть использованы микросхемы других серий аналогичного функционального назначения при соответствующем выборе их питающего напряжения.

Схема может быть дополнена стрелочным индикатором для визуализации значений измеряемых углов сдвига фаз между двумя входными сигналами.

Список используемой литературы

1. В.М. Гусев, «Электроника», Москва «Высшая школа»1991г с.481

2. В.А.Галочкин КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по учебной дисциплине «Устройства приема и обработки сигналов» Учебное пособие для студентов дневной и заочной форм обучения, специальность 210302 «Радиотехника». с 236.

3. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm119qml.pdf - техническая документация компаратора.

4. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74lvc1g08.pdf -техническая документания логической схемы И-НЕ.

5. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74lvc1g38.pdf -техническая документация логического элемента И.

Размещено на Allbest.ru