Перетворювач опір - тривалість імпульсу

Перетворювач опір - тривалість імпульсу

Міністерство освіти і науки України

Вінницький національний технічний університет

Інститут автоматики,електроніки та комп'ютерних систем управління

Факультет автоматики і комп'ютерних систем управління

Кафедра метрології і промислової автоматики

ПЕРЕТВОРЮВАЧ ОПІР - ТРИВАЛІСТЬ ІМПУЛЬСУ

Пояснювальна записка

з дисципліни ” Основи електроніки ”

до курсового проекту за спеціальністю

6.097302 “Метрологія та вимірювальна техніка”

08 - 03.КП.023.00.000ПЗ

Керівник курсового проекту

к.т.н., доцент. Дрючин О.О.

Розробила студентка гр. 1АМ-06

Храновська Т.Ю.

Вінниця ВНТУ 2009

Зміст

2.3 Попередній розрахунок та вибір активних елементів підсилювача потужності

2.3.1 Вибір операційного підсилювача

2.3.2 Вибір транзисторів

2.3.3 Вибір діодів

2.4 Розробка детальної структури схеми

3 Електричні розрахунки

3.1 Розрахунок стабілізатора струму на основі ОП

3.1.1 Вихідні дані.

3.1.2 Розрахунок опору Rx на під діапазонах

3.1.3 Розрахунок резисторів на вході стабілізатора струму

3.2 Розрахунок генератора пиловидних імпульсів

3.2.1 Принципова схема генератора пиловидних імпульсів

3.3 Розрахунок компаратора

3.3.1 Принципова схема компаратора

4 Моделювання компаратора

Висновки

Список літератури

Додаток (обов'язковий) Схема електрична принципова

Основні параметри ОП LF153

Анотація

Перетворювач опір - тривалість імпульсу вимірює опір при заданій тривалості імпульсу.

Представлені результати розробки, виконаного на основі операційного підсилювача (ОП) та опорного джерела. Перетворювач опір - тривалість імпульсу забезпечує можливість вимірювання опору, а також тривалості імпульсів і періоду проходження імпульсів. Описаний принцип роботи приладу і окремих його вузлів. Приводяться обгрунтовування вибору основних структурних рішень основних вузлів, приводяться деякі їх характеристики одержані на макеті.

В процесі роботи проводився розрахунок параметрів підсилювача, аналіз різних схем, були розраховані еквівалентні моделі транзистора. В результаті роботи одержали принципову готову схему перетворювача опір - тривалість імпульсу з відомою топологією і відомими номіналами елементів. Пояснювальна записка виконана в текстовому редакторі Microsoft Word 2002.

При проектуванні даного перетворювача слід звернути увагу на те, що частота живлення має бути високою, адже при цьому вихідний опір невеликий.

Вступ

Прискорення науково-технічного прогресу, розвиток автоматизації процесів виробництва вимагає постійного вдосконалення систем збору і переробки інформації. Найбільш успішно це розв'язується при виконанні операцій з величинами, представленими в дискретному (цифровому) вигляді.

До основних переваг обробки дискретної інформації слід віднести високу точність, велику швидкодію і хорошу перешкодозахисну, в чому чималу роль зіграв досвід розробки засобів цифрової обчислювальної техніки. Останнє відноситься не тільки до результатів, одержаних на виході цифрових приладів, але і до багатьох вузлів власне аналого-цифрових перетворювачів (АЦП), що представляють типові елементи і пристрої ЕОМ.

Вимірювання параметрів компонентів ланцюгів і пристроїв. Вимірювання активних опорів.

До лінійних компонентів електричних і радіотехнічних ланцюгів із зосередженими постійними відносять резистори, конденсатори і катушки індуктивності. Основними параметрами їх є відповідно опір, місткість і індуктивність. У ряді випадків вимірюють тангенс кута, втрат конденсаторів і добротність катушок, повний (комплексний) опір або повну провідність ланцюга. Для вимірювання перерахованих параметрів використовують наступні способи:

- амперметра-вольтметра, заснований на законі Ома;

- мостовою, при якому вимірювані активне і реактивне опори порівнюють з опорами робочих елементів, включених у відповідні плечі мостової схеми;

- резонансний, коли вимірювання проводять при резонансній настройці.

- вимірювальної схеми, виконаної у вигляді коливального контура.

Вибір того або іншого способу визначається необхідною точністю вимірювань і діапазоном частот, в якому досліджувані компоненти повинні працювати. З підвищенням частоти міняються методи вимірювання одних і тих же параметрів. Зокрема, на високих частотах. Необхідно враховувати власну місткість катушок індуктивності і параметри вимірювальної схеми, які на низьких частотах не грають істотної ролі.

Найпростіший спосіб вимірювання - спосіб амперметра-вольтметра. Він полягає у вимірюванні струму або напруги, функціонально пов'язаної з вимірюваним опором. Схеми, що реалізовують його, прості, ио не забезпечують високій точності вимірювань. Спосіб амперметра-вольтметра використовують в основному в омметрах - приладах для вимірювання електричного опору на постійному струмі.

Характерні схеми електромеханічних омметрів складаються з джерела живлення (звичайно використовують гальванічні елементи або мініатюрні акумулятори), магнітоелектричного вимірювального механізму, отградуірованного в одиницях опору, додаткового і калібрувального резисторів. В омметрі по схемі на рисунку 1 опір Rx включають послідовно з вимірювальним механізмом. При цьому шкала виходить зворотною, нульове відхилення стрілки відповідає 0, а максимальне Rx=0. Цю схему застосовують для вимірювання великих опорів. У омметрі з паралельним включенням вимірюваного опору шкала виходить прямою, але не рівномірною. Цю схему використовують для вимірювання малих опорів.

1 Розробка технічного завдання

Метою курсового проекту є розробка вимірювального перетворювача опір - тривалість імпульсу і його принципової схеми. Також метою даної роботи є придбання навиків аналітичного розрахунку перетворювача по заданим вимогам.

Електронними підсилювачами називають пристрої, призначені для підвищення потужності вхідних електричних сигналів. При цьому процес посилення сигналів здійснюється за допомогою підсилювальних елементів - транзисторів, що володіють управляючими властивостями. Малопотужний вхідний сигнал управляє витратами енергії джерела живлення значно більшого рівня потужності.За призначенням розрізняють підсилювачі напруги, струму і потужності. Підсилювачі потужності забезпечують задане посилення у вихідному ланцюзі як по струму, так і по напрузі.

Залежно від характеру зміни в часі вхідного сигналу розрізняють підсилювачі постійного і змінного струму. Якщо посилення одного підсилювального елементу недостатньо, то в якості навантаження каскаду використовують вхідний ланцюг другого підсилювального елементу і т.д. Підсилювач, що містить декілька ступенів підсилення, називають багатокаскадним.

Розглянуті принципи побудови підсилювальних каскадів використовують при проектуванні інтегральних мікросхем аналогічного призначення. Технологічно такі підсилювачі виконують у вигляді монолітної схеми , що містить всі необхідні елементи в інтегральному виконанні.

Операційні підсилювачі (ОП) в інтегральному виконанні в теперішній час складають основу аналогових інтегральних мікросхем. Операційні підсилювачі призначені для виконання математичних операцій при використовуванні його в схемі із зворотним зв'язком. Проте, область використання ОП, виконаного у вигляді мікросхеми, значно ширше. Тому в теперішній час під ОП прийнято розуміти мікросхему - підсилювач постійного струму дозволяючий будувати вузли апаратури, функції і технічні характеристики яких залежать тільки від властивостей ланцюга зворотного зв'язку, в який він включений.

Основні параметри ОП:

- коефіцієнт посилення напруги - відношення зміни вихідної напруги. В загальному випадку, коефіцієнт посилення ОУ, не охопленого зворотним зв'язком, рівний добутку всіх його каскадів. В теперішній час деяких підсилювачів по постійному струму перевищує 3*106. Проте його значення зменшується із зростанням частоти вхідного сигналу, при цьому сумарна амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) має стільки зламів скільки підсилювальних каскадів в ОП. Кожний каскад на високих частотах вносить фазовий зсув, який впливає на стійку роботу ОП, охопленого негативним зворотним зв'язком (НЗЗ). Стійкої роботи підсилювальних каскадів ОП досягають введенням частотної корекції - зовнішніх навантажень RC-ланцюгів. Для стабілізації двохкаскадного підсилювача звичайно потрібна один ланцюг, трьохкаскадного - два. Багато ОП останніх випусків не вимагають зовнішніх ланцюгів корекції, оскільки в їх схему вже введені необхідні елементи;

- частота одиничного посилення f1 - значення частоти вхідного сигналу при якому значення коефіцієнта посилення напруги ОП падає до одиниці. Цей параметр визначає максимально реалізовувану смугу ідсилення ОП. Вихідна напруга на цій частоті нижче, ніж для постійного струму приблизно в 30 разів;

- максимальна вихідна напруга Uвих.макс - максимальне значення вихідної напруги, при якій спотворення не перевищують заданого значення. У вітчизняній практиці цей параметр вимірюється відносно нульового потенціалу як в позитивну, так і в негативну сторону. В зарубіжних каталогах приводять значення максимального діапазону вихідних напруг, який рівний 2Uвих. Вихідна напруга вимірюється при певному опорі навантаження. При зменшенні опору навантаження величина Uвих.макс зменшується;

- швидкість наростання вихідної напруги Uвих - відношення зміни Uвих від 10 до 90% від свого номінального значення до часу, за який відбулася ця зміна. Параметр характеризує швидкість відгуку ОП на східчасту зміну сигналу на вході, при вимірюванні ОП охоплений НЗЗ з загальним коефіцієнтом підсилення від 1 до 10;

- напруга зсуву Uсм - значення напруги, яка необхідна подати на вхід ОУ, щоб на виході напруга була рівна нулю. Операційний підсилювач реалізується у вигляді мікросхеми із значним числом транзисторів, характеристики яких мають розкид по параметрах, що приводить до появи постійної напруги на виході у відсутність сигналу на вході. Параметр Uсм допомагає розробникам розраховувати схеми пристроїв підбирати номінали компенсаційних резисторів;

- вхідні струми Iвх - струми, що протікають через вхідні контакти ОП. Ці струми обумовлені базовими струмами вхідних біполярних транзисторів і струмами витоки затворів для ОП з польовими транзисторами на вході. Вхідні струми проходячи через внутрішній опір джерела сигналу, створюють падіння напруг, які можуть викликати появу напруг на виході в відсутність сигналу на вході;

- різниця вхідних струмів . Вхідні струми можуть відрізнятися одне від одного на 10.20%. Знаючи різницю вхідних струмів, можна легко підібрати номінал резистора балансування;

- максимальна вхідна напруга Uвх - напруга, що прикладається між вхідними контактами ОП, перевищення якого веде до виходу параметрів за встановлені межі або руйнуванню приладу. В таблицях приводяться значення, в зарубіжній літературі - абсолютні значення діапазону;

- максимальна синфазное вхідна напруга Uвх.сф - найбільше значення напруги, що прикладається одночасно до обох вхідних виводів ОП щодо нульового потенціалу, перевищення якого порушує працездатність приладу. У вітчизняній документації приводять модуль величини Uвх.сф, а в зарубіжній - діапазон;

- коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу Кос.сф - відношення коефіцієнта посилення напруги, прикладеної між входами ОП, до коефіцієнту посилення загального для обох входів напруги.

- вихідний струм - максимальне значення вихідного струму ОП, при якому гарантується працездатність приладу. Це значення визначає мінімальний опір навантаження. Дуже важливо при розрахунку комплексного опори навантаження враховувати, що при перехідних процесах включення (виключення) ОП значення або індуктивної складової місткості опори навантаження різко змінюються, і при неправильному підборі навантаження схема може вийти з ладу. Часто замість значення Iвых в документації приводять мінімальне значення опір навантаження Rн.мин. Велика частина ОП, розроблених в останній час, має каскад, що обмежує величину вхідного струму при раптовому замиканні вихідного контакту на шину джерела живлення або нульовий потенціал. Граничний вихідний струм при цьому - струм короткого замикання Iк.з. рівний 25 мА.

Розроблений пристрій призначений для перетворення опору в інтервал часу і може використовуватись при побудові омметрів та вимірювальних пристроїв з резистивними первинними перетворювачами.

Згідно ДСТУ 2681-94 „Метрологія. Терміни та визначення” та ДСТУ 2682-94 „ Метрологія. Метрологічне забезпечення ” даний перетворювач опір - тривалість імпульсу відноситься до вторинних вимірювальних перетворювачів.

2 Розробка структурної схеми перетворювача

2.1 Вибір загальної структури

Існують мостові і імпульсні структурні схеми перетворювачів. Вибираємо імпульсну схему, яка приведена на рисунку 1.

Рисунок 1 - Структурна схема перетворювача опір - тривалість імпульсу.

Згідно технічного завдання (ТЗ), необхідно розробити перетворювач величини опору в пропорційну тривалість імпульсу. Перетворення здійснюється за допомогою метода широтно - імпульсної модуляції (ШІМ).

Вихідний сигнал перетворювача являє собою імпульс, тривалість якого залежить від величини опору. Причому, чим менша величина опору, тим менша тривалість імпульсу. Амплітуда вихідного сигналу має складати U = 30 В на опорі навантаження Rн = 10 Ом. Забезпечити такі параметри при дуже малій тривалості імпульсу досить складно, тому приймаємо мінімальну тривалість імпульсу . У відповідності до ТЗ частота модуляції , тобто період дорівнює . Тоді відношення максимальної тривалості імпульсу до мінімальної складає

 , (1)

,

.

Діапазон перетворюваних опорів складає від 1 Ом до 1МОм. Відхилення

крайніх значень дорівнює

, (2)

,

.

Звідки слідує, що необхідно розбити діапазони перетворюваних опорів на під діапазони. Кількість під діапазонів визначимо, використовуючи вираз

, (3)

,

де

,

.

Крайнє значення величин опору по під діапазонам складе :

- для першого піддіапазона 1 Ом - 100 Ом;

- для другого піддіапазона 100 Ом - 10 000 Ом;

- для третього піддіапазона .

Як бачимо, навіть для під діапазонів відхилення крайніх значень складає 100. Тому скористаємось проміжним перетворенням величини опору в пропорційну напругу за допомогою метода фіксованого струму . Метод реалізується на основі операційного підсилювача (ОП) та опорного джерела. , тоді для третього піддіапазону фіксований струм дорівнює

, (4)

.

Для другого піддіапазону

, (5)

.

Для третього піддіапазону

, (6)

.

Струм першого піддіапазону для виключення перевантаження по струму елементів зменшимо до величини та включимо на вході ОП польовий транзистор. Крім того, для забезпечення необхідного розмаху напруги і виключення впливу наступних кіл на результат перетворення введемо на основі неінвертуючого підсилювач з коефіцієнтом передачі К = 10. Причому, на другому і третьому під діапазонах коефіцієнт передачі має дорівнювати К = 1. В якості підсилювача виберемо ОП типу LF253 з польовим транзистором на вході. Опорне джерело реалізуємо за допомогою стабілітрона типу КС133Г. Польовий транзистор вибираємо з ізольованим затвором типу IRLML6302.

Страницы: 1, 2