Перетворювач ємність - тривалість імпульсу

Перетворювач ємність - 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 ЄМНІСТЬ-ТРИВАЛІСТЬ ІМПУЛЬСУ

Пояснювальна записка

з дисципліни “Основи електроніки”

до курсового проекту за спеціальністю

6.091302 “Метрологія та вимірювальна техніка”

08 - 03.КП.015.00.000ПЗ

Керівник курсового проекту

к.т.н., доцент. Дрючин О.О.

(прізвище та ініціали)

________________________

(підпис)

“___”_________________200_ р.

Розробила студентка гр. 1АМ-06

Ковальчук О.С.

(підпис, прізвище та ініціали)

“___”_________________200_ р.

Вінниця ВНТУ 2008

Анотація

УДК. 621.38

О.С. Ковальчук Перетворювач ємність-тривалість імпульсу.

Курсовий проект ВНТУ, 2008, Українська мова; сторінок 45; ілюстрацій 10; додатки 3.

В даному курсовому проекті було розроблено та реалізовано перетворювач ємність-тривалість імпульсу. Діапазон 1 пФ...10 нФ з частотою перетворень 25 кГц, але будова схеми дозволяє у разі необхідності провівши невеликі додаткові розрахунки та заміну одного елементу змінити частоту перетворень Амплітуда вихідного сигналу складає 12 В на опорі 8 Ом. Межі вихідного сигналу були визначені у результаті розрахунків.

Основними блоками структури є автоколивальний мультивібратор, призначений для формування сигналу з визначеною частотою, очікуючий мультивібратор використано в якості первинного перетворювача, підсилювач напруги використано для підсилення амплітуди сигналу до заданого рівня та підсилювач потужності.

Цей перетворювач відповідає всім вимогам сучасних нормативів і стандартів.

Зміст

Вступ.

1 Розробка технічного завдання

2 Розробка структурної схеми

2.1 Розробка структури пристрою

2.2 Розробка загальної структури перетворювача

2.3 Попередній розрахунок ОМВ

2.4 Попередній розрахунок ПП

2.5 Попередній розрахунок ПН

2.6 Попередній розрахунок АМВ

2.7 Розробка детальної структури схеми

3 Електричні розрахунки

3.1 Розрахунок підсилювача потужності

3.1.1 Вихідні дані

3.1.2 Принципова схема ПП

3.1.3 Визначення залишкової напруги на колекторі

3.2 Розрахунок підсилювача напруги

3.3 Розрахунок елементів ОМВ

3.4 Розрахунок елементів АМВ

4 Визначення метрологічних характеристик

5 Моделювання одного з вузлів

Висновки

Література

Вступ

Електроніка - це галузь науки і техніки, яка вивчає електронні та іонні процеси у вакуумі, твердому тілі, рідині, газі, плазмі та їх поверхневих шарах. Електроніка вивчає теорію та практичне застосування електричних явищ для виробництва, перенесення, розподілу та перетворення електронної енергії в інші види енергії: світлову, теплову, механічну, хімічну тощо.

Електроніка є універсальним і виключно ефективним засобом при рішенні різноманітних проблем в області збору і перетворення інформації, автоматичного і автоматизованого управління, виробництва та перетворення енергії. Ця наука дає не тільки необхідні знання про явища, що відбуваються в електронних пристроях, які застосовуються в інженерній справі відповідного напрямку, але і знання які стають необхідними для все більшого кола спеціалістів, в тому числі й метрологам.

Сфера застосування електроніки весь час розширюється. Нині вже не можливо назвати якусь газузь науки і техніки, де б не використовувалась електричні пристрої. Важко назвати технологічний процес, управління яким здійснювалося б без використання електроніки. Функції приладів електроніки стають все більш різноманітними.

Вимірювальна техніка є одним із головних факторів технічного прогресу і її рівень у значній мірі визначає загальний рівень розвитку науки і техніки.

Особлива роль належить електровимірювальній техніці, яка дозволяє використовувати найновітніші досягнення електротехніки, електроніки, обчислювальної техніки і автоматики для вирішення складних науково-технічних завдань. Поняття „вимірювання” означає знаходження значення певної фізичної величини за допомогою досліду та спеціяльних технічних засобів. Наука метрологія є теоретичною основою вимірювальної техніки, одного з основних факторів технічного прогресу у всіх галузях діяльності людини. Розвиток метрології полягає, в першу чергу, в удосконаленні теоретичних основ вимірювань, узагальненні практичного досвіду в галузі вимірювань і направляє розвиток вимірювальної техніки.

Вимірювальна інформація - одна із складових частин пізнання людиною матеріального світу. Одержувана інформація неперервно вдосконалюється в процесі покращення вимірювального експерименту. При цьому відбуваються постійне уточнення вимірювальної інформації, вивільнення її від супутніх похибок і наближення до абсолютної істини. В результаті аналізу отриманої вимірювальної інформації людина пізнає навколишнє середовище.

Одним із основних положень сучасної теорії вимірювальних пристроїв є положення про вимірювальне перетворення.

Вимірювальне перетворення - перетворення вхідного сигналу у вихідний, інформативний параметр якого із заданою точністю фундаментально пов'язані з інформативним параметром вхідного сигналу, аналітично подається рівнянням У = F (x).

Вимірювальний перетворювач - засіб вимірювання, побудований на певному фізичному принципі дії, що виконує одне частинне вимірювальне перетворення - призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі, зручній для передавання, дальнього перетворення, обробки і (або) зберігання, яка, безпосередньо не сприймається оператором.

У загальному разі під сигналом розуміється матеріальний носій інформації, а вимірювальним називається сигнал, який несе інформацію про значення вимірювальної величини.

1. Розробка технічного завдання

Метою курсового проекту є розрахунок та визначення технічних параметрів схеми перетворювача ємність-тривалість імпульсу. У даному курсовому проекті необхідно провести розробку структури перетворювача та провести розрахунки елементів вузлів схеми. Заданий діапазон ємності складає від 1 пФ до 10 нФ, з частотою перетворення 25 кГц, але будова схеми дозволяє у разі необхідності провівши невеликі додаткові розрахунки та заміну одного елементу змінити частоту перетворень. Амплітуда вихідного сигналу повинна складати 12 В на опорі 8 Ом. Також задано значення допустимої похибки, яке менше або дорівнює одному відсотку.

Необхідно провести розрахунки кожного з елементів розробленої схеми перетворювача ємність-часовий інтервал. За допомогою отриманих даних провести підбір операційних підсилювачів, транзисторів, резисторів, ємностей та інші елементи, які буде використано під час розробки перетворювача.

При підборі номіналів та стандартних назв елементів перетворювача варто звертати увагу на дотримання вибору елементів існуючим стандартам та направити зусилля на підвищення класу точності розробленого перетворювача відповідно до стандартів. Розроблений перетворювач є досить зручним та гнучким до змін та модернізації. Даний перетворювач виконаний на основі операційних підсилювачів. Цей прилад відповідає всім вимогам до сучасних нормативів і стандартів.

2. Розробка структурної схеми

2.1 Розробка структури пристрою

Перетворювачі, у яких електричне поле створюється прикладеною напругою, складають групу ємнісних перетворювачів. Основним елементом у цих перетворювачах є конденсатор змінної ємності, що змінюється вхідним вимірювальним сигналом.

У ємнісних перетворювачах ємність С може змінюватись за рахунок зміни параметрів конденсатора. При цьому виконуються функції перетворення неелектричних величин у зміну ємності чи виробляється модуляція ємності, що має місце в ємнісних модуляторах, ЕС генераторах.

При застосуванні ємнісного перетворювача інформативним параметром являється його ємність Сх або тангенс кута діелектричних втрат tgx. Опір втрат практично завжди є неінформативним для області високочастотної кондуктометрії.

Якщо змінювати частоту живильної напруги на конденсаторі перетворювача, то можна створити прилад для визначення дисперсії діелектричних рідин, газів і твердих тел.

Як вимірювальні ланцюги в ємнісних перетворювачах застосовуються подільники напруги, мостові схеми, коливальні контури й автогенератори. Оскільки сигнали, що знімаються з ємнісних перетворювачів, малі, то вимірювальні ланцюги містять підсилювачі.

При проектуванні ємнісних перетворювачів варто звертати увагу на екранування проводів, вибір ізоляції, усунення поверхневого опору ізоляції і вибір частоти живлення. Чим вища ця частота, тим менший вихідний опір, тому нерідко частоту живлення вибирають велику (до декількох МГц).

Конструктивні схеми ємнісних перетворювачів виконуються в різних варіантах у залежності від області застосування. При вимірюванні рівнів рідких і сипучих тіл знаходять застосування циліндричні чи плоскі конденсатори, ємність яких характеризується рівнем х і залежить від діелектричних проникливостей рідини, ізоляції і повітря.

Можливі області застосування перетворювачів (у тому числі і ємнісних) надзвичайно різноманітні, можна виділити лише окремі сфери:

- промислова техніка виміру і регулювання,

- робототехніка,

- автомобілебудування,

- побутова техніка,

- медична техніка.

Ємнісні перетворювачі близькі по своїм характеристикам до напівпровідникових діодів, у яких використовується залежність так називаної бар'єрної ємності від зворотної напруги. Такі перетворювачі застосовуються як елементи з електрично керованою ємністю і називаються варикапами.

Інша група перетворювачів заснована на використанні сегнетоелектриків, тобто кристалічних діелектриків, що при визначених температурних умовах (при температурі нижче точки Кюрі) мають мимовільну поляризацію при відсутності зовнішніх електричних полів.

Нещодавно конструктори відносилися з упередженням до ємнісних перетворювачів, думаючи, що схеми з ємнісними перетворювачами не забезпечують ні достатньої точності, ні стабільності роботи приладів.

Вважалося обов'язковим для одержання стійкого сигналу на виході ємнісного перетворювача подавати на нього напругою високої частоти, що досягає сотень кілогерц, а іноді навіть десятків мегагерц. Наявність такої високої частоти у свою чергу приводило до втрат у паразитних ємностях, сполучних проводах і т.п. Для того щоб підвищити амплітуду сигналу, що знімається з ємнісного перетворювача, і поліпшити стабільність показань, деякі автори розробок застосовували в першому каскаді підсилювача електрометричні лампи, що допускають включення сотень мегом у ланцюг керуючої сітки і т.д., однак усі ці міри мало поліпшували стабільність систем з ємнісними перетворювачами й у той же час значно ускладнювали конструкцію приладів.

Проведені в даний час роботи показали, що причина нестабільності роботи систем з ємнісними перетворювачами лежить у неправильному підході конструкторів до проектування перетворювачів, зокрема, у неправильному розташуванні ізолюючих елементів конструкції, нестабільність властивостей яких і приводить до помилок у роботі систем. Ці труднощі виявилися переборними, і вже створені прилади з ємнісними перетворювачами, що забезпечують високі точності і стабільність роботи, що витримують важкі режими експлуатації.

Вимірювання ємності. При вимірюванні ємності необхідно враховувати, що ці параметри можуть залежати від частоти, температури, вологості, зовнішніх електричних і магнітних полів і т. д.

Непрямий метод визначення ємності полягає в вимірюванні параметрів кола з конденсатором і розрахунку значення невідомої ємності. На рисунку 1 показана схема для непрямого визначення емності.

Без врахування активних втрат в конденсаторі ємність розраховується за показниками амперметра й вольтметра: Сх= 1/щU.

З урахуванням втрат в конденсаторі ємність можна визначити по формулі

Сх = ,

де I -- струм, що протікає через конденсатор; U -- напруга, прикладена до конденсатора; Р -- потужність втрат.

Втрати в конденсаторі визначають або через потужність втрат , або з урахуванням тангенса кута втрат

Р = , звідси ,

Точність вимірювання ємності непрямим методом невелика. Значно менше похибок дають прилади зрівняння і безпосередньої оцінки. До приладів зрівняння відносяться мости змінного струму. В одно з плечей моста, зібраного по схемі, яка показана на рисунку 2, включений вимірювальний конденсатор Сх з опором втрат Rx, в інше -- зразковий Соб із опором Rоб, Інші плечі моста утворені резисторами R1, R2.

Умова рівноваги мосту:

(RX +1/jщСх) R2 =:(Rоб +1/jщСоб) R1.

Звідси при RхR2= RобR1 отримаємо Cx=Co6R2/R1. Опір активних втрат визначиться як Rx=Ro6R1/R2.

Втрати в конденсаторі визначаються по формулі tgуx=щRo6Соб. Міст попередньо врівноважується резисторами Ro6 і R2, постаченими шкалами із шкалою в одиницях tgуx і ємності. Для балансування мосту варто змінювати як Ro6 так і Соб. Балансування мосту виконується методом послідовних наближень: по черзі регулюють кожний з елементів до одержання мінімального показання індикаторного приладу.

На рисунку 1 показана схема для непрямого визначення ємності.

Рисунок 1- Схема для непрямого вимірювання ємності

На рисунку 2 показана мостова схема для вимірювання ємності.

Рисунок 2- Мостова схема для вимірювання ємності

Мінімально необхідне число операцій при балансуванні мосту визначає його збіжність.

Мостовий метод вимірювання ємності застосовують для вимірювання ємностей від декількох сотень пікофарад до декількох десятків мікрофарад.

При цьому визначають опір Zx =Z1·Z3/Z2 і обраховують ємність Сх=160000/(fZx), де Zx-модуль комплексного опору, кОм; f-частота живлення моста, кГц; Сх-вимірювана ємність, пФ.

Міст живлять змінною напругою частотою 500..1000 Гц.

Ємності до 5000 пФ зазвичай вимірюють резонансним і генераторним методом, також широко використовується метод заміщення.

Мультивібратори. Коливання прямокутної форми на мультивібраторах виникають за рахунок позитивного зворотного зв'язку через активний електронній елемент: транзистор, операційний підсилювач, логічний елемент, тиристор. Саме тому основними параметрами прямокутних імпульсів є: частота (тривалість), амплітуда і їх стабільність залежать від характеристик активного елемента - напруга живлення, порогового рівня, швидкодії тощо.

Стабільність тривалості чи періоду повторення імпульсів в мультивібратори на логічних елементах невелика (приблизно 3% при зміні температури на 10С), оскільки стабільність порогового рівня ТТЛ-мікросхем низька.

Управління тривалістю імпульсів (частотою автоколивань) може виконуватись трьома способами: ручним регулюванням, тобто зміною опору, рідше зміною ємності; за допомогою напруги зміщення, яке вводиться у вхідні ланцюги логічних елементів; цифровим кодом.

Страницы: 1, 2