Разработка и расчет измерительного преобразователя

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 Rш. 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]:

Uпит=±2,3 В...±18 В,

Ku=1…10000,

Uсм=50 мкВ,

Iвх=1 нА.

Напряжение на входе находим по формуле

(3.1.1)

Напряжение на выходе принимаем Uвых=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]:

Uи.п.=15В;

Iвх=±3мкА;

Iпот=4мкА;

tзд.0,1=15нс;

tзд.1,0=15нс.

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

Uи.п.=15В;

Uвых0=1,5В;

Uвых1=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: Uобр=75 В, Iобр=1мкА, Iпр.макс.=50мА.

VD3: КС162А с параметрами: Uст.ном=6.2 В, Iст.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

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

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

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);

Страницы: 1, 2, 3