Преобразователь ток-напряжение

полторацкой.doc

Техническое задание2
Построение блок-схемы прибора3
Проектирование электронного усилителя тока4
1 Выбор структурной схемы усилителя4
2 Расчет усилительного каскада5
3 Проектирование промежуточной части5
3.1 Расчет коэффициентов частотных искажений:7
4 Проектирование выходной части8
Метрологическая часть9
1 Расчет погрешностей промежуточной части9
2 Погрешность коэффициента преобразования11
Расчет RC – фильтра12
Проектирование логического блока13
Проектирование частотомера15
Проектирование блока питания19
Список использованных источников21
Спроектировать электронное устройство содержащее измерительный преобразователь ток-напряжение устройство измерения частоты и вторичный источник электропитания. У преобразователя ток-напряжение выходной сигнал подается на один из двух входов – в зависимости от значений управляющих напряжений a b c d и выполнения логического уравнения a+b+bc. При его выполнении выходной сигнал снимается с выхода 1 иначе с выхода 2. U=220B+- 10% 50Гц.
Коэффициент преобразования
Диапазон рабочих частот Гц
Максимальная погрешность коэффициента преобразования в рабочем диапазоне частот не более %
Входное сопротивление в диапазоне рабочих частот Ом
Диапазон изменения входного тока мА
Минимальное выходное сопротивление Ом
Разрядность цифрового индикатора частоты
Логическое уравнение
Уровни напряжений a b c d В
Построение блок-схемы прибора
По техническому заданию (ТЗ) составим блок-схему прибора которая будет отражать общее устройство и принцип работы электронного прибора. По ТЗ входной синусоидальный сигнал поступает во входной каскад усилителя от внешнего источника. Затем он усиливается до определенного уровня и поступает на электронный ключ. Электронный ключ осуществляет переключение сигнала между двумя выходами. Электронный ключ управляется логическими сигналами которые преобразуются в логическом блоке (в соответствии с логическим уравнением заданным в ТЗ). На выход усилителя подключен частотомер который измеряет частоту усиливаемого сигнала преобразуя синусоидальный сигнал в прямоугольные импульсы. Блок питания обеспечивает схему прибора заданными напряжениями.
Блок-схема прибора представлена на рисунке 1:
Проектирование электронного усилителя тока
1 Выбор структурной схемы усилителя
Если в техническом задании на проектирование содержатся специальные требования относящиеся к входной и выходной цепям то данные требования легче всего удовлетворить в том случае когда в структуре усилителя имеются специальные входные и выходные части. Поскольку основным средством получения требуемых параметров является введение цепей обратной связи то входная и выходная часть могут представлять собой самостоятельные усилители охваченные местной обратной связью. Это простейшее решение с точки зрения проектирования и настройки.
Так как произведение коэффициентов усиления входной и выходной части обычно меньше требуемого то между ними вводится промежуточная часть – она обеспечивает получение необходимого коэффициента усиления и представляет собой электронный усилитель.
Так как требуется усиливать медленно изменяющийся входной сигнал то в данной структурной схеме должна отсутствовать разделительная цепь в состав которой входят реактивные компоненты (конденсаторы трансформаторы). Это обусловлено тем что такие цепи не передают сигналы постоянного тока.
Структурная схема усилителя представлена на рисунке 2.
где 157 – линейные сравнивающие (вычитающие) устройства;
8 – электронные усилители; 369 – цепи обратной связи.
2 Расчет усилительного каскада
Uвх = Iвх Rвх = 10-2 0125 103 = 125 мВ
Uвых = Kпр Iвх = 200 10-2 = 2 В
Используем простейший преобразователь ток-напряжение. Данная входная часть не обеспечивает усиления по напряжению.
3 Проектирование промежуточной части
Все требуемое в ТЗ усиление будет сосредоточено в промежуточной части. Каскад будет состоять из 3-х ОУ с коэффициентами усиления Ku =10 10 16. Разбиение промежуточной части на каскады целесообразно для уменьшения погрешности усиления и коэффициента частотных искажений.
Исходя из технического задания выбираем операционный усилитель LM10CL производства National Semiconductor. Его технические характеристики:
ЛАЧХ представлена в приложении А.
0Hz соответствует 75dB
00Hz соответствует 40dB
Будем использовать инвертирующее включение как по рисунку 4.
R1 = 10 кОм из ряда Е24
R2 = Ku R1 = 100 кОм
кОм принимаем R3 = 91 кОм по Е24.
R8 = Ku R7 = 256 кОм принимаем R2 = 240 кОм
3.1 Расчет коэффициентов частотных искажений:
4 Проектирование выходной части
В техническом задании требуется чтобы выходное сопротивление было не менее 10 кОм.
Будем использовать буферный усилитель в качестве повторителя напряжения чтобы избежать инвертированного сигнала на выходе. В этом случае выходное сопротивление будет обеспечиваться самим операционным усилителем LM10CL. Схема включения представлена на рисунке 5.
Метрологическая часть
1 Расчет погрешностей промежуточной части
Погрешность от нестабильности коэффициента усиления ОУ:
ку – определяется разбросом номиналов сопротивлений:
Погрешность обусловленная непостоянством сопротивления резисторов:
Погрешность вызванная наличием смещения нуля eсм=2мкВ:
Погрешность от разности входных токов: iвх=025 нА:
Погрешность нестабильности eсм от температуры:
Погрешность от непостоянства разности входных токов от температуры:
2 Погрешность коэффициента преобразования
Uвых = Uвх Ku = 125 10-3 1600 = 2 В
Расчет RC – фильтра
После каждого ОУ промежуточного каскада необходимо поставить фильтр низких частот (ФНЧ). Он обеспечивает сведение к нулю отклонений по коэффициенту усиления на нижней частоте. Выбираем Г-фильтр состоящий из RC- цепочки. Фильтр изображен на рисунке 6:
Принимаем C = 2 мкФ по ряду Е24.
Проектирование логического блока
По техническому заданию требуется выполнить преобразование управляющих сигналов в соответствии с заданной логической функцией.
Задано логическое уравнение:
Составим таблицу истинности:
Логический блок представлен на рисунке 7:
В качестве элементов логики ИЛИ выбираем микросхему MC74HC3ZAD производства ON Semiconductor.
В качестве элемента логики И выбираем микросхему 74AHC1GO8 производства Philips.
В качестве электронного ключа выбираем ключ MAX325 производства Maxim. Uпит = 5В. См. приложение Б.
Проектирование частотомера
Электронно-счетный частотомер основанный на подсчете числа импульсов измеряемого сигнала. Данный частотомер может работать в режиме счётчика импульсов. Он позволяет измерять частоту импульсных сигналов до n=1МГц время измерения 1с время индикации 5с.
Структурная схема представлена на рисунке 8:
Генератор импульсов состоящий из широкополосных электронных усилителей охваченных положительной обратной связью глубина которой остается постоянной в широкой полосе частот. Данный мультивибратор построен на основе микросхемы NE555P производства Philips (рисунок 9).
При таком включении конденсатор С1 заряжается через резисторы R1 и R2 до напряжения а разряжается через резистор R1 до напряжения . С5 = 001 мкФ по рекомендации производителя таймера.
Длительность стадий разрядки Т2 и разрядки Т1 конденсатора С1 можно оценить с помощью уравнений:
Так как время индикации больше времени счета то T1=5c время индикации частоты T2=1c время счета.
Задав С4=10мкФ найдем R14=560Кoм R15=150Кoм. . Тогда t1= 4.9 с t2=11 с.
В цифровых устройствах на микросхемах высокую роль играют формирователи импульсов. Данный формирователь построен таким образом:
В качестве ОУ выбрана микросхема LM10CL производства National Semiconductor.
В данном случае ограничитель будет основан на пассивных элементах с использованием диода (1N4148 производства Diodes Incorporated) и стабилитрона (1N5985 производства Microsemi Corporation). R17 = 10 кОм. Схема представлена на рисунке 10:
Временные диаграммы формирователя на которых представлены сигналы на входе после усилителя и после триггера Шмидта представлены в приложении В.
Генератор высокочастотных импульсов (1 МГц) с высокой стабильностью частоты выполненный на кварцевом резонаторе. Схема генератора представлена на рисунке 11:
RS-триггер CD4013BCM производства National Semiconductor.
f106 – шесть каскадов делителей частоты на 10ю выполнены на основе счетчика CD4017BCM производства National Semiconductor.
Счётчик предназначен для счёта импульсов а так же для отображения их числа на семисегментном индикаторе. Выберем счетчик на основе микросхемы MM74C945 производства Maxim.
Схема счётчика-дешифратора представлена в приложении А.
В качестве индикатора возьмём индикатор FE0202 производства AND – четырехразрядный жидкокристаллический семисегментный индикатор который рекомендован производителем счетчика-дешифратора. Основное назначение – отображать информацию на табло общего пользования.
RC–цепочка предназначена для подачи на вход R СД кратковременных импульсов для обнуления счетчика и сброса индикатора.
Задаем резистор . Значение конденсатора вычислим из условия
Временные диаграммы работы частотомера представлены в приложении Г.
Проектирование блока питания
Все микросхемы используемые в данном проекте питаются от напряжения -5В и +5В. Для блока питания выбираем готовые трансформатор Т1 - МТ609-1 производства Myrra мощностью 5Вт обеспечивающий на вторичной обмотке переменное напряжение 9В при токе 556мА что вполне достаточно для питания микросхем используемых в работе.
В качестве выпрямителя будем использовать диодный однофазный мост VD4 – DB102S 1А 100В.
Для стабилизации напряжения были использованы следующие элементы:
Транзистор VT1 - MPS-UO7 производства Motorola Semiconductor стабилитрон VD3 – B2X79 производства Philips резисторы с номиналом R18=100Ом и R19= 1кОм и конденсаторы С7 = 1000мк х 15В С8 = 200мк х 10В и С9=0047мкФ.
В ходе данной работы был разработан измерительный усилитель по всем параметрам отвечающий требованиям технического задания а также разработаны частотомер и блок питания.
Все микросхемы используемые в работе подобраны таким образом что достаточное напряжение питания Uпит = ±5В. Это существенно упростило проектирование блока питания снизило потребляемую мощность а также позволило уменьшить габариты прибора.
В ходе работы не учитывалась экономическая часть поэтому стоимость прибора может оказаться неоправданно большой.
Список использованных источников
Гусев В.Г. Мулик А.В. «Проектирование электронных аналоговых измерительных устройств» (Уфа УГАТУ 1996).
Гусев В.Г. Гусев Ю.М. «Электроника» (М. «Высшая школа» 1991).
Хоровиц П. Хилл У. «Искусство схемотехники» в 2 томах (М. «Мир» 1985).
Рамм Г.С. «Электронные усилители» (М. «Связь» 1966).
Гутников В.С. «Интегральная электроника в измерительных устроиствах» (Л. «Энергия» 1980).
Справочник по цифровым логическим микросхемам (часть 2). Шульгин О. А. электронная версия.
Схема электронного ключа:
Логика электронного ключа:
Выходной сигнал с формирователя после диода стабилитрона и триггера Шмидта:
Временные диаграммы работы частотомера:

ПЭ2.cdw

печатная плата.cdw

Плату изготовить комбинированным
Шаг координатной сетки 1
Ширина проводников 0
Преобразователь ток-напряжение

монтаж.cdw

*Размеры для справок
Монтаж с применением припоя ПОССу-61-05
Установка навесных элементов на ПП
согластно ОСТ 4010.030-90
Преобразователь ток-напряжение

ПЭ1.cdw

Чип-резистор MCR10-0805 10к
Чип-резистор MCR10-0805 100к
Чип-резистор MCR10-0805 9.1к
Чип-резистор MCR10-0805 16к
Чип-резистор MCR10-0805 5.1к
Чип-резистор MCR10-0805 15к
Чип-резистор MCR10-0805 0.125
Чип-резистор MCR10-0805 560к
Чип-резистор MCR10-0805 100
Чип-резистор MCR10-0805 240к
Чип-резистор MCR10-0805 150к
Чип-резистор MCR10-0805 1к

к Э3.cdw

Преобразователь ток-напряжение
Электрическая принципиальная схема