Измерительный усилитель тока

курсач.doc

Спроектировать электронное устройство в состав которого входит электронный усилитель электрического тока устройство усиления частоты усиливаемого им сигнала а также вторичный источник напряжения питания. У электронного усилителя тока выходной сигнал подается на один из двух выводов – сигналы на них появляться в зависимости от значений управляющих напряжений abcd и выполнения заданного для каждого варианта логического уравнения. При его выполнении выходной электрический ток снимается с выхода 1. При невыполнении уравнения – с выхода 2. Электронное устройство питается от промышленной сети U=220B10% 50 Гц.
Коэффициент усиления тока
Нижняя граница диапазона частот Гц
Верхняя граница диапазона частот Гц
Макс погрешность коэффициента усиления тока в рабочем диапазоне частот не более %
Входное сопротивление Ом
Погрешность входного сопротивления %
Диапазон значений выходного тока усилителя мА
Минимально допустимое выходное сопротивление Ом
Разрядность цифрового индикатора частоты
Время индикации частоты с
Уровни напряжений abcd B
Функция логического блока
Проектирование усилителя напряжения.
Проектирование входной части усилителя
Для расчета входной части возьмем схему инвертирующего включения операционного усилителя представленную на рис.1 так как она обеспечивает достаточную точность и стабильность коэффициента усиления. Входной резистор R0 является преобразователем напряжение ток и является входным сопротивлением для всей схемы.
В качестве операционного усилителя используется NE5539. Его параметры приведены в приложении 1.
Используем ЛАЧХ усилителя из приложения 1 для оценки коэффициента усиления на граничных частотах.
Kyu(50000)=55Дб =563
Kyu (50) = 55Дб = 563
Зададим для входной части коэффициент усиления равный 5. Тогда в соответствии с номинальным рядом Е192 выберем резисторы серии USR 2-0710 с классом точности 0.005% R2 = 75 кОмR1 = 15 кОм.
Резистор R3 введен для уменьшения дифференциального постоянного сигнала который появляется на входе микросхемы при температурном изменении токов.
С учетом Е192 выберем резистор серии USR 2-0710 с классом точности ±0.005% R3=124 кОм.
Входной резистор выберем из серии FPR 2-1617 с классом точности ±0.25%
Погрешность входного сопротивления меньше указанной в задании 15%.
Рассчитаем погрешность коэффициента усиления вызванную погрешностью резисторов:
Рассчитаем коэффициент частотных искажений.
Расчет делительных RC цепочек.
Будем опираться на значения нижней и верхней граничной частоты.
Для верхней граничной.(рис.2)
Также частота среза в (3..5)раз больше частоты полосы пропускания (возьмём в 5 раз больше):
Выберем номинал резистора R4 из ряда Е192 серии USR 2-0710 параметры которого:
Тогда ёмкость конденсатора будет рассчитываться как:
Выберем номинал конденсатора С1 из ряда Е192 параметры которого:
Коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте:
=100001 где Kпроп=1
Для нижней граничной частоты срез зависит от конденсатора (рис.3)
Также частота среза в (3..5)раз меньше нижней частоты полосы пропускания (возьмём в 5 раз меньше):
Выберем номинал резистора R5 из ряда Е192 серии USR 2-0710 параметры которого:
Выберем номинал конденсатора С2 из ряда Е192 параметры которого:
Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте:
=1.00000199 где Kпроп=1
Проектирование промежуточной части усилителя
Согласно техническому заданию с учетом входного сопротивления и входного каскада коэффициент усиления в промежуточной части усилителя должен быть 100. Для этого возьмем два каскада на ОУ NE5539 KK1 = 10 KK2 = 10. Разбиение промежуточной части на каскады целесообразно для уменьшения погрешности усиления и коэффициента частотных искажений. Сопротивления будем брать из номинального ряда Е 192 серии USR 2-0710.
Рассчитаем каскады по формуле коэффициента усиления для инвертирующего усилителя где = 69
Для первого каскада:
R6 = 11кОм; R7 = R6 KK1 = 110 кОм; R8 = R7R6 = 10 кОм
Для второго каскада:
R9 = 11 кОм; R10 = R9× KK2 = 110 кОм; R11 = R10R9 = 10 кОм
Рассчитаем погрешность коэффициента усиления вызванную погрешностью резисторов. Так как все резисторы взяты из серии USR 2-0710 классом точности 0005% тогда:
Рассчитаем коэффициент частотных искажений:
Для коэффициента усиления равного 10:
Проектирование выходной части усилителя
Согласно техническому заданию выходной ток должен быть 15 мА. Этому условию удовлетворяет микросхема LM343 (приложение 2) электрические параметры которой приведены в приложении 2. Входной сигнал подаем на инвертирующий вход (рис.4).
Резисторы R12 и R13возьмем равными 10 кОм. Тогда резистор R14 будет равен R12R13 = 5 кОм.
Рассчитаем значение выходного сопротивления.
Что удовлетворяет условию технического задания Rвых>10000 Ом.
Погрешность усиления вызванная погрешностью резисторов всего усилителя:
что меньше указанной в техническом задании.
Kyu(wн)=562341 Kyu(wв)=563
Коэффициент частотных искажений всего усилителя на верхней граничной частоте:
Mв=Mв.вх×Mв.пром× Mв.вых= 100177
Проектирование логического блока.
Упрощая данную функцию получим
Таблица истинности для функции (табл.1):
В качестве инверторов будем использовать микросхему Sn7404N(приложение 4) а в качестве элемента «И-НЕ» микросхему SN5412W(приложение 3).
Схема логического блока(рис.5)
Так как уровни напряжения abcd 0 20 B а максимальное входное напряжение для микросхем серии SN74 7В то необходимо поставить делители напряжения. ====35.2 кОм ====15 кОм
Номиналы резисторов взяты в соответствии с рядом Е 192 резисторы серии USR 2-0710 с классом точности 0.005%.
Проектирование частотомера.
Электронно-счётный частотомер предназначен на подсчёте числа импульсов измеряемого сигнала.
Упрощенная структурная схема частотомера показана на рисунке 6:
R–C–цепочка предназначена для подачи на вход R СДИ кратковременных импульсов для обнуления счетчика и сброса индикатора. Время разряда конденсатора t должно быть гораздо меньше по сравнению с величиной 1fв=000002 с. Зададим t=00000001 с. Так как t=R×C R зададим 10 кОм тогда С=10 пФ.
Мультивибратор (генератор напряжения прямоугольной формы) построенный на интегральном таймере NE555D (рис. 7).
В этой схеме включения конденсатор С3 заряжается через резисторы R24 и R25 до напряжения U2=2×UП:3 а разряжается через резистор R24 до напряжения U2=UП:3.
Длительность зарядки конденсатора t1=0.693×(R24+R25)×C3 а длительность разряда конденсатора t2=0.693×R25×C3. Так как время индикации больше времени счета то за время индикации примем t1 за время счета – t2 а на выходе мультивибратора поставим инвертор.
Возьмем C3=3.3 мкФ R25=330 кОм R24=6.19 мОм. Тогда t1= 14917 с t2=1089 с.
В цифровых устройствах на микросхемах высокую роль играют формирователи импульсов. Данный формирователь построен таким образом: в качестве ОУ выбрана схема NE5539 (приложение 1) ограничитель будет основан на пассивных элементах с использованием диода (КД522А) и стабилитрона (Д808).
Схема включения формирователя показана на рисунке 8:
DD6 - К561ТЛ1 R23=10кОМ
Счётчик + дешифратор + индикатор.
СДИ – микросхема К490ИП1 – счетчик дешифратор индикатор. В частотомере используется 5 таких микросхемы так как верхняя частота диапазона – 50000 Гц.
Частотная диаграмма(рис.9):
Источник электропитания должен обеспечить питание усилителя и частотомера для аналоговых микросхем ОУ NE5539 IH5051 и LM343 +15 В и –15 В для счетчиков и мультивибратора +9 В для индикаторов логических микросхем +5 В.
Напряжение питания В
Суммарная мощность 200727 мВт.
Суммарный потребляемый ток данных микросхем и нагрузки усилителя:
Потребляемый ток на +15 и -15- 34 мА
Потребляемый ток на +9- 5 мА
Потребляемы ток на +5- 8 мА
Исходя из этого параметра выберем трансформатор ТПП226–127220–50 мощностью 55 В×А напряжением вторичных обмоток 20 В 20 В 20 В и 20 В номинальным током во вторичных обмотках 0063A.
Для выпрямления напряжения питания будем использовать:
– для Uпит1=+15 В – микросхему
– для Uпит2=–15 В – микросхему
– для Uпит3=+9 В – стабилитрон
– для Uпит4=+5 В – стабилитрон
Конденсаторы C6C8C10C12 возьмем по 033 мкФ а C7C9C11C13 по 01 мкФ. Эти конденсаторы нужны для увеличения постоянной составляющей напряжения питающего микросхемы. Все конденсаторы большой емкости поэтому необходимо брать электролитические конденсаторы.
Схема блока питания рис.10
В данной работе был спроектирован и рассчитан измерительный усилитель с устройством измерения частоты.
Усилитель тока был реализован при помощи интегральных операционных усилителей серии NE5539 и LM343.
В частотомере были использованы микросхемы на комплиментарных МОП-транзисторах что уменьшило его энергопотребление и быстродействие.
Все детали использованные в курсовом проекте отвечают техническим требованиям как по условиям эксплуатации так и по характеристикам быстродействия энергопотребления и вводимых погрешностей.
Номиналы использованных деталей отвечают номинальным рядам.
Список использованной литературы.
Гусев В.Г. Гусев Ю.М. «Электроника» (М. Высшая школа 1991).
Гусев В.Г.Мулик А.В. «Аналоговые измерительные устройства: учебное пособие» (Уфа УГАТУ 1996).
Перебаксин А.В. Бахметьев А.А. и др. «Интегральные схемы: Операционные усилители.» Том-1. (М.: Физматлит 1993).
Якубовский С.В. Нисельсон Л.И. и др.. Справочник «Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы» (М. Радио связь 1989).
Богданович М.И. Грель И.Н. Дубина С.А. Прохоренко В.А.
Шалимо В.В. справочник « Цифровые интегральные микросхемы» (Минск Полымя 1996)
Электрические параметры и АЧХ ОУ 140УД26:
Максимальное выходное напряжение: не более 5 В;
Напряжение смещения нуля: не более 25 мВ;
Входной ток: не более 20 мкА;
Ток потребления: не более 14 мА;
Частота единичного усиления: не менее 48 МГц;
Напряжение питания: ± (5 15) В;
Электрические параметры и АЧХ ОУ 1LM343:
f1=1 МГц – частота единичного усиления
Iвых.max=20 мA – максимальный выходной ток
Uвых=5 В – максимальное выходное напряжение
Iпотр=2 мА – ток потребления
Uсм=5 мкВ – напряжение смещения
Ток потребления: 2 мА
Напряжение питания: +5В
Ток потребления: 2мА
-Terminal 1A Positive Voltage Regulator.

СПЕЦИФИКАЦИЯ.spw

Устройство схема электрическая
Усилитель плата печатная
Усилитель плата монтажная
B81122-7.961мкФ 50В

Чертеж.cdw

) Расстояние между конденсаторами и прочими элементами - 2
) Зазор между резисторами - 2
Технические требования:

Черт2еж.cdw

Технические требования:
) Плату изготовить методом печатного монтажа
не должен превышать 0
) Плата должна соответствовать ГОСТ 23752-79
)Проводники выполняють шириной: 0.4±0.05 мм
)Шаг координатной сетки 2