Разработка и расчет измерительного преобразователя

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 Обзор

2 Разработка структурной схемы

3 Разработка и расчет принципиальной схемы

3.1 Расчет дифференциального усилителя

3.2 Расчёт управляемого выпрямителя

3.3 Расчет фильтра низших частот (ФНЧ I)

3.4 Расчет формирователя управляющего напряжения (ФУН)

3.5 Расчет неинвертирующего усилителя

3.6 Расчет прецизионного выпрямителя

3.7 Расчет фильтра низших частот (ФНЧ II)

3.8 Разработка и расчёт АЦП

3.9 Разработка и расчёт блока питания

4 Анализ погрешности

5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

В курсовом проекте разрабатывается измерительный преобразователь. Измерительный преобразователь -- техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи. ИП или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется вместе с каким-либо средством измерений.

Разрабатываемый преобразователь позволяет измерять величину электрического сопротивления (Если к нему подключить устройство цифровой индикации, например светодиодный или ЖК индикатор).

1 Обзор

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, ADC) -- устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (DAC) (цифро-аналогового преобразователя).

Как правило, АЦП -- электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код.

В устройстве разрабатываемого измерительного преобразователя используется АЦП 572ПВ5 (смотри рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Внешний вид и расположение выводов АЦП 572ПВ5

Микросхемы представляют собой аналого-цифровой преобразователь двойного интегрирования и предназначены для применения в измерительных приборах напряжения, тока, сопротивления, температуры, веса и др. с выводом информации на семисегментный индикатор.

АЦП обеспечивает автоматическую коррекцию нуля и определение полярности входного сигнала. ИС имеют дифференциальные входы для аналогового сигнала и опорного напряжения, что позволяет измерять напряжения, «плавающие» относительно источника питания. Вывод 32 предназначен для использования в качестве аналогового общего провода при измерении напряжений, «плавающих» относительно напряжения питания. При этом напряжение, создаваемое на выводе 32, может быть использовано в качестве опорного. Диапазон входного сигнала определяется значением внешнего опорного напряжения из соотношения VIN =±1.999VREF.

Структурная схема и типовая схема включения приведена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Структурная схема и типовая схема включения АЦП 572ПВ5

Разрешение АЦП - минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП. Обычно измеряется в вольтах, поскольку для большинства АЦП входным сигналом является электрическое напряжение. В случае единичного измерения без учёта шумов разрешение напрямую зависит от разрядности АЦП.

Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. Измеряется в битах. Например, АЦП, способный выдать 256 дискретных значений (0..255), имеет разрядность 8 бит, поскольку .

Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, делённой на количество выходных дискретных значений. Например:

1) Диапазон входных значений = от 0 до 10 вольт

Разрядность АЦП 12 бит: уровней квантования

Разрешение по напряжению: (10-0)/4096 = 0.00244 вольт = 2.44 мВ

2) Диапазон входных значений = от ?10 до +10 вольт

Разрядность АЦП 14 бит: уровней квантования

Разрешение по напряжению: (10-(-10))/16384 = 20/16384 =

=0.00122 вольт = 1.22 мВ

На практике разрешение АЦП ограничено отношением сигнал/шум входного сигнала. При большой интенсивности шумов на входе АЦП различение соседних уровней входного сигнала становится невозможным, то есть ухудшается разрешение. При этом реально достижимое разрешение описывается эффективной разрядностью (effective number of bits -- ENOB), которая меньше, чем реальная разрядность АЦП.

При преобразовании сильно зашумленного сигнала младшие разряды выходного кода практически бесполезны, так как содержат шум. Для достижения заявленной разрядности отношение С/Ш входного сигнала должно быть примерно 6 дБ на каждый бит разрядности.

Имеется несколько источников погрешности АЦП. Ошибки квантования и (считая, что АЦП должен быть линейным) нелинейности присущи любому аналого-цифровому преобразованию. Кроме того, существуют так называемые апертурные ошибки которые являются следствием джиттера (англ. jitter) тактового генератора, они проявляются при преобразовании сигнала в целом (а не одного отсчёта).

Эти ошибки измеряются в единицах, называемых МЗР -- младший значащий разряд. В приведённом выше примере 8-битного АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/256 от полного диапазона сигнала, то есть 0.4 %.

Аналоговый сигнал является непрерывной функцией времени, в АЦП он преобразуется в последовательность цифровых значений. Следовательно, необходимо определить частоту выборки цифровых значений из аналогового сигнала. Частота, с которой производятся цифровые значения, получила название частота дискретизации АЦП.

Непрерывно меняющийся сигнал с ограниченной спектральной полосой подвергается оцифровке (то есть значения сигнала измеряются через интервал времени T -- период дискретизации) и исходный сигнал может быть точно восстановлен из дискретных во времени значений путём интерполяции. Точность восстановления ограничена ошибкой квантования.

Однако в соответствии с теоремой Котельникова-Шеннона точное восстановление возможно только если частота дискретизации выше, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала.

Поскольку реальные АЦП не могут произвести аналого-цифровое преобразование мгновенно, входное аналоговое значение должно удерживаться постоянным по крайней мере от начала до конца процесса преобразования (этот интервал времени называют время преобразования). Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП -- устройства выборки-хранения -- УВХ. УВХ, как правило, хранит входное напряжение в конденсаторе, который соединён со входом через аналоговый ключ: при замыкании ключа происходит выборка входного сигнала (конденсатор заряжается до входного напряжения), при размыкании -- хранение. Многие АЦП, выполненные в виде интегральных микросхем содержат встроенное УВХ.

АЦП как правило, выпускаются в виде микросхем. Для большинства АЦП разрядность составляет от 6 до 24 бит, частота дискретизации до 1 МГц. Мега- и гигагерцовые АЦП также доступны (февраль 2002). Мегагерцовые АЦП требуются в цифровых видеокамерах, устройствах видеозахвата и цифровых TV-тюнерах для оцифровки полного видеосигнала. Коммерческие АЦП обычно имеют выходную ошибку от ±0,5 до ±1,5 МЗР.

Один из факторов увеличивающих стоимость микросхем -- это количество выводов, поскольку они вынуждают делать корпус микросхемы больше, и каждый вывод должен быть присоединён к кристаллу. Для уменьшения количества выводов часто АЦП, работающие на низких частотах дискретизации, имеют последовательный интерфейс. Применение АЦП с последовательным интерфейсом зачастую позволяет увеличить плотность монтажа и создать плату с меньшей площадью.

Часто микросхемы АЦП имеют несколько аналоговых входов, подключённых внутри микросхемы к единственному АЦП через аналоговый мультиплексор. Различные модели АЦП могут включать в себя устройства выборки-хранения, инструментальные усилители или высоковольтный дифференциальный вход и другие подобные цепи.

АЦП встроены в большую часть современной звукозаписывающей аппаратуры, поскольку обработка звука делается, как правило, на компьютерах; даже при использовании аналоговой записи АЦП необходим для перевода сигнала в PCM-поток, который будет записан на компакт-диск.

Современные АЦП, используемые в звукозаписи, могут работать на частотах дискретизации до 192 кГц. Многие люди, занятые в этой области, считают, что данный показатель избыточен и используется из чисто маркетинговых соображений (об этом свидетельствует теорема Котельникова-Шеннона). Можно сказать, что звуковой аналоговый сигнал не содержит столько информации, сколько может быть сохранено в цифровом сигнале при такой высокой частоте дискретизации, и зачастую для Hi-Fi (класс аппаратуры) аудиотехники используется частота дискретизации 44.1 кГц (стандартная для CD) или 48 кГц (типична для представления звука в компьютерах). Однако широкая полоса упрощает и удешевляет реализацию антиалиасинговых фильтров.

Аналого-цифровые преобразователи для звукозаписи имеют широкий диапазон цен -- от $100 до $10 000 и выше, за двухканальный АЦП.

Аналого-цифровое преобразование используется везде, где требуется обрабатывать, хранить или передавать сигнал в цифровой форме. Быстрые видео АЦП используются, например, в TV-тюнерах. Медленные встроенные 8, 10, 12, или 16 битные АЦП часто входят в состав микроконтроллеров. Очень быстрые АЦП необходимы в цифровых осциллографах. Современные весы используют АЦП с разрядностью до 24 бит, преобразующие сигнал непосредственно от тензометрического датчика.

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) -- усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Рисунок 1.4 - Разные операционные усилители в различных корпусах, в том числе несколько в одном корпусе

Параметры ОУ, характеризующие неидеальность ОУ, можно разбить на группы:

1) Параметры по постоянному току. Ограниченное усиление: коэффициент Gopenloop не бесконечен (типичное значение на постоянном токе).

Этот эффект заметно проявляется только в случаях, когда коэффициент передачи каскада с ОУ отличается от параметра Gopenloop в небольшое число раз (усиление каскада отличается от Gopenloop на 1ч2 порядка или еще меньше).

Ненулевой входной ток (или, что почти то же самое, ограниченное входное сопротивление): типичные значения входного тока составляют А. Это накладывает ограничения на максимальное значение сопротивлений в цепи обратной связи, а также на возможности согласования по напряжению с источником сигнала. Некоторые ОУ имеют на входе дополнительные цепи для защиты входа от чрезмерного напряжения -- эти цепи могут значительно ухудшить входное сопротивление. Поэтому некоторые ОУ выпускаются в защищенной и незащищенной версии.

Ненулевое выходное сопротивление. Данное ограничение не имеет большого значения, так как наличие обратной связи эффективно уменьшает выходное сопротивление каскада на ОУ (практически до сколь угодно малых значений).

Ненулевое напряжение смещения: требование о равенстве входных напряжений в активном состоянии для реальных ОУ выполняется не совсем точно -- ОУ стремится поддерживать между своими входами не точно ноль вольт, а некоторое небольшое напряжение (напряжение смещения). Другими словами, реальный ОУ ведет себя как идеальный ОУ, у которого внутри последовательно с одним из входов включен генератор напряжения с ЭДС Uсм. Напряжение смещения -- очень важный параметр, он ограничивает точность ОУ, например, при сравнении двух напряжений. Типичные значения Uсм составляют В.

Ненулевое усиление синфазного сигнала. Идеальный ОУ усиливает только разницу входных напряжений, сами же напряжения значения не имеют.

В реальных ОУ значение входного синфазного напряжения оказывает некоторое влияние на выходное напряжение. Данный эффект определяется параметром коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС, англ. common-mode rejection ratio, CMRR), который показывает, во сколько раз приращение напряжения на выходе меньше, чем вызвавшее его приращение синфазного напряжения на входе ОУ. Типичные значения: .

Ограниченная полоса пропускания. Любой усилитель имеет конечную полосу пропускания, но фактор полосы особенно значим для ОУ, поскольку они имеют внутреннюю частотную коррекцию для увеличения запаса по фазе.

Ненулевая входная ёмкость. Образует паразитный фильтр низких частот.

Насыщение -- ограничение диапазона возможных значений выходного напряжения. Обычно выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания. Насыщение имеет место в случае, когда выходное напряжение «должно быть» больше максимального или меньше минимального выходного напряжения. ОУ не может выйти за пределы, и выступающие части выходного сигнала «срезаются» (то есть ограничиваются).

Ограниченная скорость нарастания. Выходное напряжение ОУ не может измениться мгновенно. Скорость изменения выходного напряжения измеряется в вольтах за микросекунду, типичные значения 1ч100 В/мкс. Параметр обусловлен временем, необходимым для перезаряда внутренних ёмкостей.

Ограниченное выходное напряжение. У любого ОУ потенциал на выходе не может быть выше, чем потенциал положительной шины питания и не может быть ниже, чем потенциал отрицательной шины питания. Другими словами, выходное напряжение не может выйти за пределы питающего напряжения. Например, для ОУ opa277 выходное напряжение находится в пределах от VS?=+0,5 В до VS+=-2 В при сопротивлении нагрузки 10 кОм.

Ширина этих «мертвых зон» выходного напряжения, которых выход ОУ не может достичь, зависит от ряда условий (сопротивление нагрузки, направление выходного тока и др.). Существуют ОУ, у которых мертвые зоны минимальны, например, по 50 мВ до шин питания при нагрузке 10 кОм для opa340, эта особенность ОУ называется «rail-to-rail» (от шины до шины).

Ограниченный выходной ток. Большинство ОУ широкого применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока -- типичное значение максимального тока 25 мА. Защита предотвращает перегрев и выход ОУ из строя.

Ограниченная выходная мощность. Большинство ОУ предназначено для применений, не требовательных к мощности: сопротивление нагрузки не должно быть менее 2 кОм.

Несмотря на то, что проще и полезнее рассматривать операционный усилитель как черный ящик с характеристиками идеального ОУ, важно также иметь представление о внутренней структуре ОУ и принципах его работы, так как при разработке с использованием ОУ могут возникнуть проблемы, обусловленные ограничениями его схемотехники.

Структура ОУ различных марок отличается, но в основе лежит один и тот же принцип. ОУ состоят из следующих функциональных блоков:

1) Дифференциальный усилитель. Входной каскад -- обеспечивает усиление при малом уровне шума, высокое входное сопротивление. Обычно имеет дифференциальный выход.

2) Усилитель напряжения. Имеет высокий коэффициент усиления по напряжению, спад Амплитудно-частотной характеристики как у однополюсного фильтра низких частот, обычно единственный (то есть не дифференциальный) выход.

3) Выходной каскад -- обеспечивает высокую нагрузочную способность по току, низкое выходное сопротивление, ограничение выходного тока и защиту от короткого замыкания в нагрузке.

2 Разработка структурной схемы

Структурная схема устройства представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Структурная схема измерительного преобразователя

На рисунке 2.1:

Диф. ВУ - Дифференциальный Входной Усилитель.

УВ - Управляемый Выпрямитель.

ВУ - Входной Усилитель.

ФУН - Формирователь Управляющего Напряжения.

В - Выпрямитель.

Ф - Фильтр.

АЦП - Аналого-Цифровой Преобразователь.

БП - Блок Питания.

ФВС - Формирователь Выходного Сигнала

Входной усилитель ослабляет напряжение, подаваемое на вход. Оно равно произведению входного тока I и сопротивления подстроечного резистора R. Входной усилитель выполнен на дифференциальном усилителе (ДУ). Выход ДУ подключается к управляемому выпрямителю (УВ). УВ представляет собой аналоговый перемножитель сигналов (используется в качестве фазочувствительного выпрямителя), который служит для выпрямления сигнала. Фильтр нижних частот I предназначен для формирования постоянного входного напряжения для АЦП.

На вход усилителя подается напряжение, равное произведению входного тока I и сопротивления резистора R_ш. Усилитель выполнен по схеме неинвертирующего усилителя и предназначен для усиления входного напряжения. Выходное напряжение усилителя подается на формирователь управляющего напряжения (ФУН), который управляет аналоговым перемножителем сигналов (используется в качестве фазочувствительного выпрямителя).

Кроме того выходное напряжение усилителя подается на выпрямитель, который выполнен по схеме прецизионного выпрямителя. Выходной сигнал подается на фильтр нижних частот II, предназначенный для формирования опорного напряжения для АЦП.

АЦП предназначен для преобразования входного аналогового сигнала в цифровой.

Блок питания (БП) предназначен для подачи питающего напряжения на схему.

3 Разработка и расчет принципиальной схемы

3.1 Расчет дифференциального усилителя

Входной усилитель выполнен по схеме дифференциального усилителя в соответствии с рисунком 3.1.

Рисунок 3.1 - Принципиальная схема дифференциального усилителя

ДУ выполнен на микросхеме AD620 с основными параметрами[9]:

U_пит=±2,3 В...±18 В,

Ku=1…10000,

U_см=50 мкВ,

I_вх=1 нА.

Напряжение на входе находим по формуле

(3.1.1)

Напряжение на выходе принимаем U_вых=5 В. Тогда

(3.1.2)

Коэффициент резистивного делителя тогда:

(3.1.3)

Принимаем R1=R2, тогда:

Принимаем , тогда

Для того чтобы коэффициент усиления ДУ был наиболее точным - выбираем прецизионные резисторы[2]:

R1, R2: С2-29В -0,125-10кОм ± 0.5%

3.2 Расчет управляемого выпрямителя

Управляемый выпрямитель предназначен для выделения из сигнала, снимаемого с датчика, полезной составляющей. По условию задания на курсовой проект, УВ должен быть реализован на аналоговых ключах.

В качестве выпрямителя используется ФЧВ, выполненный на микросхеме К140УД17[1]. Схема ФЧВ представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Схема принципиальная фазочувствительного выпрямителя

Фазочувствительный выпрямитель имеет два входа: сигнальный и управляющий (коммутирующий).

Если на логический элемент «И-НЕ» подаётся лог. 1, ключ DD2.1. замыкается, а ключ DD2.2. размыкается. ФЧВ выполняет роль неинвертирующего усилителя.

.

Если же на «И-НЕ» подаётся лог. 0, ключ DD2.1. разомкнут, а ключ DD2.2 замкнут, то есть ФЧВ - инвертирующий усилитель:

Выберем ключ SA1 К1561КТ3 с параметрами[1]:

U_и.п.=15В;

I_вх=±3мкА;

I_пот=4мкА;

t_зд.^0,1=15нс;

t_зд.^1,0=15нс.

Выберем логический элемент «И-НЕ» DD1 К1561ЛА3 с параметрами[1]:

U_и.п.=15В;

U_вых⁰=1,5В;

U_вых¹=13,5В.

Коэффициент усиления ФЧВ = 1, следовательно R1=R2. Выберем резисторы R1 и R2[2]:

R1,R2: МЛТ-0,125-100кОм±10%.

Таким образом, на выходе ФЧВ формируется однополупериодное напряжение.

3.3 Расчет ФНЧ I

Фильтр низких частот выполнен на микросхеме КР140УД17А[1]. Выходной сигнал с ФНЧ поступает на вход АЦП[4]. В качестве фильтра используем активный фильтр первого порядка, представленный на рисунке 3.3. Данная цепь обеспечивает подавление сигнала 20дБ/дек.

Рисунок 3.3 - Принципиальная схема ФНЧ I

ФНЧ предназначен для того, чтобы отрезать переменную составляющую на несущей частоте, оставив при этом постоянную.

После двухполупериодного ФЧВ частота сигнала будет равна:

(3.3.1)

Рассчитаем номиналы элементов. Зададимся частотой пульсации:

(3.3.2)

Желаемая частота среза составляет:

(3.3.3)

Отсюда находим Rос:

, (3.3.4)

(3.3.5)

Из предыдущей формулы выразим Rос:

(3.3.6)

Напряжение зависит от . И при определяется следующим образом:

, (3.3.7)

где

- опорное напряжение АЦП ([12]),

Тогда:

, (3.3.8)

, (3.3.9)

, (3.3.10)

(3.3.11)

Отсюда:

(3.3.12)

Выбираем Rос, R1[2]:

R1: МЛТ-0.125-620кОм±5%

Rос: МЛТ-0.125-30кОм±5%.

Выбираем C1[4]: К50-6-25В-1мкФ (+80-20)%.

Моделируем работу ФНЧ в программе Microcap8, чтобы качественно увидеть принцип работы ФНЧ. Моделируем в программе MicroCap работу ФНЧ I и строим ЛАЧХ и ЛФЧХ ФНЧ (смотри рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 - ЛАЧХ и ЛФЧХ ФНЧ I

3.4 Расчет формирователя управляющего напряжения (ФУН)

УО (DA1) предназначен для ограничения напряжения, которое поступает на вход компаратора с ПОС (DA2). Компаратор предназначен для сравнения входного сигнала с опорным. При этом в зависимости от того, больше входной сигнал опорного или меньше, на выходе компаратора за минимальное время должно установиться напряжение логического нуля или логической единицы. Цепь R2-VD3 предназначена для того, чтобы стабилизировать выходное напряжение на уровне 6.2 В. [7]. Для схемы выбираем ОУ КР140УД17А[6]. Схема ФУН представлена на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 - Схема принципиальная формирователя управляющего напряжения

Резистивный делитель R3-R4 задает порог переключения компаратора (). Коэффициент деления ~1000. Отсюда выбираем значения сопротивлений резисторов:

R3=100 кОм,

R4=100 Ом.

Выбираем резисторы[2] R1,R3,R4.

R1, R3: МЛТ-0.125-100кОм±5%.

R4: МЛТ-0.125-100Ом±5%.

Диод VD1 ограничивает усиленное напряжение на уровне 0,6 В. Выходной сигнал УО представлен на рисунке 3.6 (нижний график).

Выходное напряжение с КсПОС равно напряжению питания ±15В и имеет как положительную, так и отрицательную полуволну. Цепь R2-VD3 стабилизирует выходное напряжение на уровне ±6.2 В.

Рассчитаем R2:

(3.4.1)

Выбираем R2[2]: МЛТ-0.125-620Ом±5%. А так же диоды VD1, VD2 и стабилитрон VD3[3]:

VD1,VD2: КД521А с параметрами: U_обр=75 В, I_обр=1мкА, Iпр.макс.=50мА.

VD3: КС162А с параметрами: U_ст.ном=6.2 В, I_ст.ном.=10 мА.

Описанный принцип работы ФУН представлен на временных диаграммах, смоделированных в программе Microcap8 (см. рисунок 3.6).



Рисунок 3.6 - Временные диаграммы сигналов в разных точках ФУН. Сверху вниз: Uвх, U1, U2, Uвых

3.5 Расчет неинвертирующего усилителя

Усилитель выполнен на микросхеме КР140УД17А[1] и предназначен для усиления входного напряжения до 10В (смотри рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 - Схема принципиальная неинвертирующего усилителя

, (3.5.1)

, (3.5.2)

(3.5.3)

Принимаем , тогда (3.5.4)

(3.5.5)

Из соотношения (3.5.5) рассчитываем R2:

(3.5.6)

Выбираем резисторы[2].

R1: МЛТ-0,125-1кОм ± 5%,

R2: МЛТ-0,125-10МОм ± 5%.

3.6 Расчет прецизионного выпрямителя

Прецизионный выпрямитель предназначен для выпрямления сигнала, который будет подан на фильтр II нижних частот I-го порядка. Он состоит из инвертирующего усилителя DA1 и сумматора DA2 (смотри рисунок 3.8), которые выполнены на микросхемах КР140УД17А[11].

Рисунок 3.8 - Принципиальная схема прецизионного выпрямителя

Резисторы на рисунке 3.8:

R1, R2, R3, R5, R6 = 10 кОм

R4 = R1/2 = 5кОм

Диоды VD4 и VD5 в цепи отрицательной обратной связи неинверти-рующего усилителя выбираем КД521А[6].

Выберем резисторы[2]:

R1, R2, R3, R5, R6: МЛТ-0,125-10кОм 5%; R4: МЛТ-0,125-5.1 кОм 5%

Описанный принцип работы прецизионного выпрямителя представлен на временных диаграммах, смоделированных в программе Microcap 8 (смотри рисунок 3.9).

Рисунок 3.9 - Временные диаграммы сигналов в разных точках выпрямителя. Сверху вниз: Uвх, Uа, Uвых

3.7 Расчет ФНЧ II

Сигнал с выхода ФНЧ II является опорным для АЦП. Для АЦП 572ПВ5 Uопорное= +1В[12]. ФНЧ II выполним на прецизионном ОУ КР140УД17А[11]. В качестве фильтра используем активный фильтр первого порядка (смотри рисунок 3.10). Данная цепь обеспечивает подавление сигнала 20дБ/дек.

Рисунок 3.10 - Принципиальная схема ФНЧ II

ФНЧ предназначен для того, чтобы отрезать переменную составляющую на несущей частоте, оставив при этом постоянную.

После двухполупериодного ФЧВ частота сигнала будет равна:

(3.7.1)

Рассчитаем номиналы элементов. Зададимся частотой пульсации:

(3.7.2)

Желаемая частота среза составляет:

(3.7.3)

Отсюда находим Rос:

, (3.7.4)

(3.7.5)

Тогда:

, (3.7.6)

, (3.7.7)

, (3.7.8)

(3.7.9)

Следовательно, сопротивление R1:

(3.7.10)

Выбираем Rос и R1[2]:

Rос: МЛТ-0.125-30кОм±5%,

R1: МЛТ-0.125-330кОм±5%.

Выбираем C1[4]: К50-6-25В-1мкФ (+80-20)%.

Моделируем работу ФНЧ в программе Microcap8, чтобы качественно увидеть принцип работы ФНЧ. Строим в Microcap ЛАЧХ и ЛФЧХ ФНЧ (смотри рисунок 3.11).



Рисунок 3.11 - ЛАЧХ (сверху) и ЛФЧХ (снизу) ФНЧ II

3.8 Разработка и расчет АЦП

Обычно АЦП применяются в измерительных системах и измерительно-вычислительных комплексах для согласования аналоговых источников измерительных сигналов с цифровыми устройствами обработки и представления результатов измерения.

Основные электрические параметры К572ПВ5 приведены в таблице 3.8.1. Применяем схему с внутренним генератором тактовых импульсов и внешним источником опорного напряжения, в соответствии со стандартной схемой включения (смотри рисунок 3.13)[3].

Рисунок 3.13 - Стандартная схема включения АЦП КР572ПВ5 с внутренним ГТИ и внешним ИОН

Таблица 3.8.1 - Электрические параметры

Номинальное напряжение питания	+9В, -5В
Входное напряжение	-1,9…1,9В
Опорное напряжение	0,1…1В

Частота внутреннего ГТИ определяется цепью R3-C4. Частота ГТИ должна быть кратна 50Гц, для предотвращения влияния помех от сети. Выберем тактовую частоту 50кГц. Номиналы деталей для схемы на рисунке 3.13 представлены в таблице 3.8.2 [3], [2], [4], [10].

Таблица 3.8.2 - Номиналы деталей

Элемент схемы	При Uоп = 1В
С1	КМ-6-50В-0.1 мкФ±5%
С2	КМ-4-250В-0.047 мкФ±5%
С3	КМ-6-50В-0.01 мкФ±20%
С4	КМ-6-50В-0.1 мкФ±5%
С5	К10-34-25В-100 пФ±5%
R1	МЛТ-0.125-470 кОм±5%
R2	МЛТ-0.125-1 МОм±20%
R3	МЛТ-0.125-100 кОм±5%

3.9 Разработка и расчет блока питания

Блок питания (БП) предназначен для питания всех узлов измерительного преобразователя. Необходимо обеспечить двухполярное питание для всех ОУ КР140УД17А, AD620 и для АЦП 572ПВ5.

Для достижения поставленной цели используем понижающий сетевой трансформатор с выпрямителями, включенными по мостовой схеме. Также для стабилизации напряжения используем интегральные стабилизаторы серии ЕН в стандартном включении (смотри рисунок 3.13)[14].Основные параметры стабилизаторов приведены в таблице 3.9.1.

Таблица 3.9.1- Основные параметры ИС

КР1179ЕН15	КР1180ЕН15	КР1179ЕН5	КР1180ЕН9
Uвых=-150.3В	Uвых=150.3В	Uвых=-50.2В	Uвых=90.1В
Iп3мА	Iп8мА	Iп2мА	Iп8мА
Uмин=2.5 В	Uмин=2.5 В	Uмин=2.5 В	Uмин=2.5 В
UвхВ	Uвх35В	UвхВ	Uвх35В
Iвых=1.5А	Iвых=1.5А	Iвых=1.5А	Iвых=1.5А

Рассчитаем напряжение и ток вторичной обмотки блока питания, питающего ОУ и АПС на оба канала:

, (3.9.1)

, (3.9.2)

где

- выпрямленное напряжение, В;

- прямое напряжение на диодах, В;

- ток потребления ОУ;

- ток потребления АПС;

n - кол-во ОУ в схеме.

- ток потребления интегральных стабилизаторов (ИС);

Рассчитаем напряжение и ток вторичной обмотки блока питания, питающего АЦП. Для питания АЦП необходимо двухполярное питающее напряжение и.

, (3.9.3)

где - выпрямленное напряжение, В;

- прямое напряжение на диодах, В;

(3.9.4)

Где - ток потребления АЦП от источника питания с положительным напряжением;

- ток потребления АЦП от источника питания с отрицательным напряжением.

По параметрам из формул (3.9.1)-(3.9.3) подбирается трансформатор. Выбираем ТПП-260. Трансформатор ТПП 260 (схема трансформатора представлена на рисунке 3.13) броневой конструкции (выполнен на сердечнике ШЛМ), допускает включение в сеть с напряжением как 127 В, так и 220 В. В первом случае необходимо соединить выводы 1 и 6, 4 и 9, при этом первичные обмотки 1-4 и 6-9 соединяются параллельно, подать напряжение 127 В на выводы 1 и 4. Во втором случае -- соединить выводы 3 и 7, а напряжение 220 В подать на выводы 2 и 9. В таблице 3.9.2 приведены электрические параметры трансформатора, а на рисунке 3.13 схема трансформатора.

Таблица 3.9.2 - Электрические параметры ТПП 260

Мощность	31 В*А
Тип и размер сердечника	ШЛМ 25х32мм
Ток первичной обмотки	0,34/0,19 А
Напряжения вторичных обмоток	11-12, 13-14, 15-16, 17-18.	19-20.	21-22.
	10В	2.5В	2.5В
Допустимый ток вторичных обмоток	0,69А

Рисунок 3.13 - Схема трансформатора ТПП 260

Стабилизаторы в стандартном включении выполняются по следующим схемам, приведенным ниже (смотри рисунок 3.142).

Схемы стабилизаторов для питания канала представлены на рисунках 3.14а и 3.14б.

а - КР1180

б - КР1179

Рисунок 3.14 - Типовые схемы включения стабилизаторов для питания ОУ

Для канала +9В и -5В применяем схемы с нерегулируемым напряжением на выходе (смотри рисунок 3.15а). Для канала -5В смотри рисунок 3.15б.



а - нерегулируемым выходным напряжением +9В

б - с нерегулируемым выходным напряжением -5В

Рисунок 3.15 - Схема стабилизаторов для питания АЦП

Значения конденсаторов С1, С2, С3, С4 и С5 для схем на рисунке 3.15 такие же как и в схемах стабилизации для канала питания ОУ. Выбираем конденсаторы[4]:

С1, С6: КД-2-500В-330нФ5%;

C2, С7: К50-6-50В-1 мкФ(+80-20)%;

С3, С8: К50-6-50В-30мкФ(+80-20)%;

C4, С9: КМ-4-160В-0.01мкФ20%;

C5, С10: К50-6-50В-10мкФ(+80-20)%.

Рассчитаем выпрямитель.

Выпрямители выполним на блоках диодов (мостах). Требования к мостам (по каналам):

Канал питания ОУ.

Входное (выпрямленное) напряжение выбираем из условия:

, (3.9.8)

где

Кн=0.1 -коэффициент нестабильности сети;

Кп -коэффициент пульсаций;

Uмин -минимальное напряжение на стабилизаторе;

Средний ток, текущий через диод:

(3.9.9)

Обратное максимальное напряжение на диоде:

(3.9.10)

Канал питания АЦП :

, (3.9.11)

, (3.9.12)

, (3.9.13)

где

Uпр=1В - прямое напряжение на диодах.

Выбираем диодный мост КЦ405Е с основными параметрами[5]:

Uобр.макс=100В

Iпр.ср.макс=600мА

Расчет ёмкостей фильтра выпрямителей:

Канал питания ОУ:

 , (3.9.14)

где

- сопротивление нагрузки, Ом. (3.9.15)

(3.9.17)

Выбираем из ряда Cф=100мкФ.

Cф: К50-6-50В-100мкФ.

Канал питания АЦП .

(3.9.18)

(3.9.19)

Выбираем из ряда Cф=750мкФ.

Cф: К50-6-50В-750мкФ.

3.9 Расчет формирователя выходного сигнала (ФВС)

По заданию выходной ток изменяется в пределах 4-20мА.

ФВС состоит из делителя напряжения (ДН) на МС 525ПС2 и преобразователя напряжение-ток (ПНТ) на ОУ (смотри рисунок 3.13).

Рисунок 3.13 - Схема принципиальная ФВС

В таблице 3.9.1 приведены основные параметры МС 525ПС2.

Таблица 3.9.1 - Основные электрические параметры МС 525ПС2 [5]

Наименование параметра, единица измерения, режим измерения.	Норма
	525ПС2А	525ПС2Б	525ПС2В
	Не менее	Не более	Не менее	Не более	Не менее	Не более
Погрешность перемножения при внешней настройке	-	1	-	2		2
Нелинейность перемножения по входу X, %	-	0.8	-	1		0.8
Нелинейность перемножения по входу Y, %	-	0.5	-	0.7		0.5
Остаточное напряжение по входу X, мВ	-	80	-	150		80
Остаточное напряжение по входу Y, мВ	-	60	-	100		60
Максимальное выходное напряжение, В	10.5	-	10.5	-	10.5	-
Входной ток по входам X,Y, мкА	-	4	-			4
Ток потребления, мА	-	6	-	7		6
Среднеквадратичное значение напряжения шума на выходе в полосе частот от 10Гц до 5 МГц, мВ						33

Рассчитаем преобразователь напряжение-ток.

(3.10.1)

[3] (3.10.2)

(3.10.3)

(3.10.4)

(3.10.5)

Выбираем элементы для схемы:

R1,R2,R3: СП3-33а-0.125-22кОм±20%,

R4: МЛТ-0.25-3.9кОм5%.

R5: МЛТ-0.25-120Ом5%.

R6: МЛТ-0.25-100Ом5%.

VT1: КТ315А

VT2: КТ361А

DA1: К525ПС2А

DA2: К140УД17А

4 Анализ погрешности

Погрешность устройства в целом складывается из суммы погрешностей всех ее узлов. Таким образом, проанализировав и просуммировав погрешности отдельных блоков устройства, мы сможем судить о точности прибора в целом.

1) Рассмотрим канал I

Рассчитаем погрешность входного усилителя. Напряжение ошибки смещения ВУ:

(4.1)

Напряжение ошибки входных токов ВУ:

(4.2)

Напряжения ошибок входных токов для блоков, следующих за ВУ мы находить не будем, т.к. эти напряжения достаточно малы.

Напряжение ошибки смещения выпрямителя:

(4.3)

Напряжение ошибки смещения ФНЧ II:

(4.4)

Найдем погрешности каждого блока схемы.

Погрешность входного усилителя:

(4.5)

Погрешность прецизионного выпрямителя:

(4.6)

Погрешность ФНЧ II:

(4.7)

2) Рассмотрим канал U

Рассчитаем погрешность дифференциального усилителя. Напряжение ошибки смещения ДУ:

(4.8)

Напряжение ошибки входных токов ДУ:

(4.9)

Напряжения ошибок входных токов для блоков, следующих за ДУ мы находить не будем, т.к. эти напряжения достаточно малы.

Напряжение ошибки смещения ФНЧ I:

(4.10)

Найдем погрешности каждого блока схемы.

Погрешность ДУ:

(4.11)

Погрешность ФЧВ:

(4.12)

Погрешность ФНЧ I:

(4.13)

Погрешность АЦП:

(4.14)

Оценка погрешности устройства в целом:

(4.15)

Методы устранения с погрешностей:

а) Использование прецизионных ОУ, например, таких как К140УД17А;

б) Балансировка ОУ (смотри рисунок 3.16);

Рисунок 3.16 - Схема балансировки ОУ К140УД17[13]

в) Симметрирование;

г) Уменьшение токов утечки с помощью конструктивных способов исполнения устройства (смотри рисунок 3.17).

Рисунок 3.17 -Конструктивные способы уменьшения токов утечки[13]

Настройкой мы исключим ошибки смещения от входных токов и разброс резисторов, но у нас останется нелинейность АЦП. Исходя из этого, можно задать погрешность устройства в целом менее 1.5%. В нашем случае (смотри формулу (4.15)).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте была разработана и рассчитана принципиальная схема измерительного преобразователя, который преобразует входной ток заданной амплитуды в специальный код рассчитанный для подключения 3.5-декадного ЖКИ индикатора.

Разработанный преобразователь позволяет измерять величину электрического сопротивления. Если к АЦП соответствующим образом подключить устройство цифровой индикации, например светодиодный или ЖК индикатор, то на базе данного преобразователя можно получить устройство, которое будет показывать величину измеряемого сопротивления, с погрешностью измерений около 1%.

Список использованных источников

1. ОУ КР140УД17 - прецизионный усилитель с малым напряжением смещения и высоким коэффициентом усиления напряжения [DataSheet].

Режим доступа: www.chipinfo.ru/dsheets/ic/140/ud17.html

Дата доступа: 10.5.2010.

2. Дубровский, В.В. Резисторы: справочник/ Д.М Иванов, Н.Я. Пратусевич и др. - 2-е изд. перераб.и доп. - М.: Радио и связь, 1991. - 528с.:ил.

3. АЦП 572ПВ5[DataSheet].

Режим доступа: http://www.texnic.ru/data/acp/ADC_PDF/

572pv2,%20572pv5,%201175pv2,%201175pv5.pdf

Дата доступа: 10.5.2010.

4. Дьяконов, М.Н. Справочник по электрическим конденсаторам/ В.И. Карабанов, В.И. Присняков и др. Под общ. ред. И.И. Четверткова и В.Ф. Смирнова.-М.: Радио и связь 1983. - 576с.; ил.

5. Подробное описание (datasheet) электронного компонента «525ПС2А» производства Квазар-ИС.

Режим доступа: http://doc.chipfind.ru/pdf/kwazar/525ps2a.pdf

Дата доступа: 29.05.2010.

6. Нефедов, А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник. Т.9-М.: ИП РадиоСофт, 1999.-512с.

7. Горюнов, Н.Н. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам/ Под общей редакцией Н.Н. Горюнова. Изд. 4-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1977.-744с.; ил.

Приложение А. Перечень элементов

Поз.	Наименование	Кол.	Примеч.
	Диоды
VD1...VD16	КЦ405Е	4	Диодные мосты
VD18…VD21	КД521А	4
VD22	КС162А	1	Стабилитрон
	Конденсаторы
С1,С2	К50-6-50В-100мкФ (+80-20%)	2
С3,С4	К50-6-50В-750мкФ (+80-20%)	2
С5,С7	К50-6-50В-30мкФ (+80-20%)	2
С6,С8	КД-2-500В-330нФ±5%	2
С9,С10,C20	КМ-4-160В-0.01мкФ±20%	3
С11,С13,С15	К50-6-50В-1мкФ (+80-20%)	3
С16,С18,С20	К50-6-50В-1мкФ (+80-20%)	3
С12,С14	К50-6-50В-10мкФ (+80-20%)	2
С18	К10-50-25В-0.047мкФ (+80-20%)	1
С21	КД-2-500В-100нФ±5%	1
С19	КД-2-500В-100пФ±5%	1
	Микросхемы
DA1	AD620	1
DA2-DA4	КР140УД17А	3
DA9-DA13	КР140УД17А	5
DA15	КР140УД17А	1
DA5	КР1180ЕН5	1
DA6	КР1179ЕН5	1
DA7	КР1180ЕН15	1
DA8	КР1179ЕН15	1
DA14	К525ПС2А	1
DD1	К1561ЛА3	1
					ГГТУ.1-36.04.02.02.31.24 ПЭЗ
Изм	Лист	N докум.	Подп	Дата
Разработал	Хоменков		19.05	Измерительный преобразователь Пояснительная записка	Лит.	Лист	Листов
Проверил	Захаренко							1	2
Утвердил					ПМ-31.24
Н. контроль
Утвердил
Поз.	Наименование	Кол.	Примеч.
DD2	К1561КТ3	1
DD3	К1108ПВ1А	1
	Резисторы
R1	С2-29В-0.125-12.3кОм±0.5%	1
R2	С2-29В-0.125-10кОм±0.5%
R4	С2-29В -0,125-10МОм ± 0.5%	1
R3	С2-29В -0,125-1кОм ± 0.5%	1
R6	МЛТ-0.125-10кОм±5%	1
R5-R8,R12,R14	МЛТ-0.125-10кОм±5%	6
R9, R28	МЛТ-0.125-100Ом±5%	1
R13	МЛТ-0.25-1.1кОм±5%	1
R11	МЛТ-0.125-5,1кОм±5%	1
R15,R16	МЛТ-0.25-100кОм±5%	2
R17	МЛТ-0.25-620кОм±5%	1
R18	МЛТ-0.125-330кОм±5%	1
R19,R20	МЛТ-0.125-30кОм±5%	2
R21…R23	СП3-33а-0.25-22кОм±20%	3
R24	МЛТ-0.125-470кОм±5%	1
R25	МЛТ-0.125-1МОм±5%	1
	Трансформаторы
T1	ТПП 260-127/220-50	1
	Транзисторы
VT1	КТ315А	1
VT2	КТ361А	1
					Перечень элементов	Лист
						2
Изм.	Лист	N докум.	Подп.	Дата