Разработка измерительного аналогового преобразователя

Разработка измерительного аналогового преобразователя

БРЯНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра: «Информатики»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Электроника, микропроцессорная техника и техника связи»

на тему: «Разработка измерительного аналогового преобразователя»

Брянск 2009

Введение

В курсовой работе необходимо:

1) Разработать принципиальную схему усилителя-формирователя и блока питания. Определить параметры их элементов.

2) Определить характеристики спроектированного устройства.

a) Определить вид статической характеристики усилителя формирователя, т.е. зависимость выходного сигнала от входного.

b) Определить нестабильность по напряжению первичного источника питания и нестабильность по температуре (зависимость выходного сигнала от напряжения питания).

c) Оценить разрешающую способность спроектированного устройства (т.е. минимальное изменение входного сигнала, которое воспринимает спроектированное устройство).

Работа должна содержать 25-30 стр. пояснительной записки и чертёж готового устройства на ватмане формата А1.

Чертеж принципиальной схемы должен быть выполнен с соблюдением ГОСТов. Пояснительная записка должна содержать расчёты всех элементов схемы и обоснование выбора тех или иных элементов.

В данной курсовой работе студенты должны разработать и проанализировать работу электронного устройства, предназначенного для усиления сигнала датчика и формирования заданного выходного сигнала.

Усилитель предназначен для предварительного усиления сигнала. Он должен учитывать параметры подключаемого датчика (выходное напряжение, внутреннее сопротивление и т. п.).

Фильтр может быть активным (например на ОУ) или пассивным. Он необходим для подавления помех (обусловленных наводками, пульсациями питающего датчик напряжения и т. п.). Если помехи обусловлены только помехами по цепям питания, то необходимо предусмотреть в них фильтр (блок 3 тогда не нужен).

Формирователь предназначен для формирования заданного выходного сигнала. В случае непрерывного выходного сигнала он может быть выполнен на ОУ, а в случае дискретного выходного сигнала возможно использование транзисторных ключей, компараторов, в некоторых вариантах электромагнитных реле.

Блок питания должен содержать выпрямитель (при питании от сети переменного напряжения) и фильтр (C, RC, LC). При недостаточной стабильности блока питания необходимо применение стабилизатора.

Считать, что напряжение первичного источника питания может изменяться в пределах ±20%.

Индивидуальное задание:

1. Датчик: фоторезистор СФ3-1А (Е=0…1200 лк).

2. Помехи: наводка по линии связи датчика 4000 Гц.

3. Выходной сигнал: Iвых.= ±5 мА.

4. Питание: Uпит=±20 В. Первичный источник питания две аккумуляторные батареи = 24В.

2. Расчёт датчика

Фоторезисторы - полупроводниковые резисторы, изменяющие свое сопротивление под воздействием светового потока. В зависимости от спектральной чувствительности фоторезисторы делят на две группы: для видимой части спектра и для инфракрасной части спектра. Для изготовления фоторезисторов используют соединения кадмия и свинца. Чувствительные элементы изготовляют из монокристаллов или поликристаллов этих соединений.

Фоторезисторы обладают высокой стабильностью параметров. Изменение фототока является достаточно точной характеристикой его состояния. При длительной эксплуатации наблюдается стабилизация фототока, при этом его величина может изменяться на 20-30 %. Фоторезисторы чувствительны к быстрой смене крайних температур, поэтому не следует допускать более трех таких циклов.

Данные для фоторезистора СФ3-1А (Лавриенко, с.46, т.12):

Uф=15 В. TKIф= -0,4…-1,5 %/?С

Iт=0,5 мкА.

Iс=750 мкА.

Rт=30 МОм. Uш =10 мкВ/В.

Rт/ Rс =1500

Pрас.=10 мВт.

Определим величину фототока:

Iф = Iс - Iт =750 - 0,5=749,5 мкА.

Мост постоянного тока

При включении резистивных датчиков (фоторезисторов) часто используется мостовая схема (рисунок 1). В этой схеме помимо датчика (фоторезистора) использовано 3 дополнительных резистора, сопротивление которых неизменно.

Выходным сигналом моста является разность напряжений с диагоналей моста

?U = Uб - Uа.

Если мост сбалансирован, т.е.

то Uб = Uа и тогда ?U =0 причём независимо от напряжения питания моста. Если осветить фоторезистор, то его сопротивление уменьшится, потенциал точки а тоже уменьшится и будет ?U > 0, причём опять вне зависимости от напряжения питания моста знак этого неравенства будет неизменен (хотя величина ?U и будет меняться). И наоборот - при затемнении фоторезистора потенциал точки а увеличится и будет ?U < 0, опять вне зависимости от напряжения питания моста.

Рисунок 1 - Мост постоянного тока с терморезистором и фоторезистором

Изобразим принципиальную схему моста постоянного тока с фоторезистором СФ3-1А. Предполагается измерять освещенность в диапазоне от 0 до 1200 лк. Напряжение питания - 20 В. Требуется изобразить принципиальную схему и определить номиналы использованных элементов.

С выхода моста на последующие каскады устройства поступает дифференциальное напряжение. Резисторы моста выберем так, чтобы он был сбалансирован при 0 лк. Тогда его выходное напряжение ?U при 0 лк будет равно нулю. При увеличении освещенности фоторезистора оно будет изменяться.

При напряжении питания Uпит =20 В ток, текущий через резисторы (соединённые последовательно):

При этом на них будет выделяться мощность:

По справочнику выбираем резисторы типа МЛТ с минимально возможной мощностью 0,125 Вт (0,005 Вт < 0,125 Вт) с номинальным сопротивлением 20 кОм (согласно ряду Е24). Обозначаем мощность (двумя косыми чертами) и сопротивление резисторов на схеме моста.

Когда мост сбалансирован, напряжение между его диагоналям равно нулю:

?U = Uа - Uб = 10 - 10 = 0.

При увеличении освещенности фоторезистора его сопротивление падает и потенциал точки а уменьшается относительно нулевого потенциала (корпуса). Найдём Uа при 1200 лк.

Световое сопротивление фоторезистора можно рассчитать, зная кратность изменения сопротивления:

Ток через резисторы R2 и R4:

Значит падение напряжение на резисторе R4:

При этом выходное напряжение моста увеличится от 0 до

?U = Uа - Uб =1,82 - 10= -8,18 В.

Итак, в мосте постоянного тока надо применить резисторы МЛТ- 0,125-20 кОм. При напряжении питания 20 В выходное напряжение моста будет изменяться от 0 до 8,18 В при изменении освещенности от 0 до 1200 лк. Принципиальная схема моста изображена на рисунке 3.

3. Выбор и расчёт усилителя

Одной из наиболее частых функций электронного устройства является усиление сигналов. В настоящее время существует огромное количество схемных решений выполнения этой операции. Самым простым и универсальным является применение для этой цели операционных усилителей.

Общие сведения.

Операционный усилитель (ОУ) был создан для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах. Первый ламповый ОУ K2W был разработан в 1942 году Л. Джули (США). Он содержал два двойных электровакуумных триода. Первые ОУ представляли собой громоздкие и дорогие устройства. С заменой ламп транзисторами операционные усилители стали меньше, дешевле, надежнее и сфера их применения расширилась. Первые операционные усилители на транзисторах появились в продаже в 1959 году. Первый интегральный ОУ µА702 (отечественный аналог - 140УД1), имевший рыночный успех, был разработан Робертом Видларом (R.J. Widlar) в 1963 году.

В настоящее время номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований. Операционные усилители выпускаются в малогабаритных корпусах и очень дешевы, что способствует их массовому распространению.

Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с высоким коэффициентом усиления, дифференциальным входом, малым выходным сопротивлением и малым входным током.

По размерам и цене ОУ общего применения практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей внешних обратных связей и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных функциональных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на дискретных транзисторах. Поэтому операционные усилители стали сегодня основой элементной базы (своего рода «кирпичиками») во многих областях аналоговой схемотехники.

На рисунке 2 дано схемное обозначение операционного усилителя.

Рисунок 2 - Обозначение ОУ

Входной каскад выполняется в виде дифференциального усилителя, так что в целом ОУ имеет два входа - инвертирующий и неинвертирующий. На схемах инвертирующий вход обозначается кружком (иногда неинвертирующий вход обозначается знаком «+», а инвертирующий - знаком «-»). Выходное напряжение Uвых находится в одной фазе с напряжением на неинвертирующем входе и в противофазе с напряжением на инвертирующем. Оно определяется разностью входных напряжений:

где, KU- дифференциальный коэффициент усиления ОУ.

Разность входных напряжений

называется дифференциальным входным напряжением.

Полусумма входных напряжений

называется синфазным входным напряжением.

Иногда синфазным называют также напряжение на неинвертирующем входе.

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использовать двухполярное напряжение питания. Для этого нужно предусмотреть два источника постоянного напряжения, которые подключаются к соответствующим внешним выводам ОУ. Чаще всего интегральные операционные усилители рассчитаны на напряжение питания ±15 В, хотя существует немало моделей, которые питаются от источников как существенно большего, так и заметно меньшего напряжения. Для упрощения схем на ОУ иногда не указываются выводы питания.

Операционный усилитель почти всегда используется с некоторыми внешними элементами, которые в конечном итоге определяют назначение и параметры электронной схемы.

Параметры ОУ.

1. Коэффициент усиления KU - отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения при работе усилителя на линейном участке характеристики:

Интегральные ОУ имеют коэффициент усиления, лежащий в диапазоне 103-106

2. Напряжение смещения есм- дифференциальное входное напряжение , при котором выходное напряжение усилителя равно нулю. Максимальное по модулю значение есм для усилителей, входные каскады которых выполнены на биполярных транзисторах, чаще всего составляет 3-10 мВ. У тех ОУ, у которых входной каскад строится на полевых транзисторах, напряжение смещения обычно на порядок больше, 30-100 мВ.

Типичная зависимость выходного напряжения от входного для интегрального ОУ показана на рисунке 5. На этом рисунке поясняется смысл параметров КU и есм. Напряжение есм может иметь любую полярность.

3. Средний входной ток iвх - среднеарифметическое значение токов Н- и И-входов усилителя, измеренных при таком входном напряжении Uвх, при котором выходное напряжение Uвых равно нулю. Средний входной ток интегральных усилителей с входными каскадами на биполярных транзисторах обычно лежит в диапазоне 0,01 - 1 мкА. Дальнейшее снижение входных токов (до 1 нА и меньше) достигается при использовании полевых транзисторов во входных каскадах ОУ.

4. Разность входных токов ?iвх- абсолютное значение разности токов двух входов усилителя iвх.н - iвх.и, измеренных тогда, когда напряжение на выходе усилителя равно нулю. Этот разностный ток в значительной степени говорит о том, насколько велика несимметрия входного каскада ОУ. Если значение ?iвх близко к нулю, то влияние входных токов iвх.н и iвх.и на входное напряжение ОУ можно существенно уменьшить, устанавливая одинаковыми эквивалентные проводимости внешних цепей, присоединенных к Н- и И-входам ОУ. Обычно ?iвх составляет 20-50 % iвх.

5. Входное сопротивление rвх -сопротивление со стороны одного из входов ОУ, в то время как другой заземлен. В некоторых случаях это сопротивление называют входным сопротивлением для ифференциального сигнала, с тем чтобы отличить его от входного сопротивления для синфазного сигнала. Входное сопротивление ОУ может составлять 103-106 Ом и более.

6. Входное сопротивление для синфазного сигнала rcф определяют как отношение приращения синфазного напряжения к приращению среднего тока усилителя. Величина rсф обычно на 1-2 порядка и более превышает rвх.

7. Коэффициент ослабления синфазного сигнала Мсф - отношение коэффициента усиления КU к коэффициенту передачи синфазного сигнала. Коэффициент передачи синфазного сигнала при этом определяется как отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению синфазного входного напряжения. Часто употребляется логарифмическая мера для определения коэффициента слабления синфазного сигнала М'сф= 20lg|Mcф|. Обычно для интегральных ОУ величина М'сф = 60 … 100 дБ.

8. Коэффициент влияния нестабильности источника питания КП- отношение изменения напряжения смешения к вызвавшему его изменению одного из питающих напряжений ?Uпит (иногда влияние нестабильности источников положительного и отрицательного питающих напряжений характеризуют раздельными коэффициентами влияния). Этот коэффициент чаще всего равен 2·10-5- 2·10-4, что соответствует 20-200 мкВ/В.

9. Выходное сопротивление ОУ rвых определяется точно так же, как и для любого другого усилителя и составляет обычно величину, лежащую в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен ом.

Динамические свойства ОУ определяются обычно двумя параметрами: частотной полосой и скоростью изменения выходного сигнала.

10. Частотная полоса ОУ определяется, как правило, частотой единичного усиления f1 т. е. частотой, на которой коэффициент усиления ОУ уменьшается до единицы. Значения f1 у большинства интегральных ОУ лежат в диапазоне от десятых долей мегагерца до нескольких десятков мегагерц.

11. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ v определяется при подаче на его вход импульса напряжения прямоугольной формы. Для типовых интегральных ОУ максимальная скорость нарастания лежит в диапазоне 0,3-50 В/мкс. Так как наибольшая скорость изменения синусоидального сигнала пропорциональна амплитуде и частоте этого сигнала, то ограничение скорости изменения выходного сигнала ОУ приводит к ограничению амплитуды выходного неискаженного гармонического сигнала на высоких частотах.

12. Температурный дрейф напряжения смещения для интегральных ОУ со входными каскадами на биполярных транзисторах составляет обычно 5-20 мкВ/К.

Страницы: 1, 2