Численное значение интеграла функции — площадь под графиком функции. Учитывая, что в течении расчетного времени входное напряжение неизменно, интеграл может быть рассчитан по формуле.
(4.3).
Подставим выражения (4.1) и (4.3) в (4.2):
Частота генерируемых импульсов Преобразуем выражение для расчета С при заданном R.
где f — частота генерируемых импульсов.
Выбираем резистор RV1 типа WH148−1B-2−18T-A204-L20 (Рис.
4.1).
Рис. 4.1 — Резистор RV1 типа WH148.
Потенциометр осевой, однооборотный, с насечкой. Характеристика: линейная, 200 кОм, Длина вала: 20 мм.
Принимаем резистор R3 из ряда стандартных номиналов сопротивлений Е24: R3=7,5 кОм.
Диапазон 0 ÷ 100 000.
Гц.
Максимальная частота диапазона: резистор RV1 в минимуме RV1=0.
Минимальная частота диапазона: резистор RV1 в максимуме RV1=200 кОм Диапазон 0 ÷ 10 000.
Гц.
Максимальная частота диапазона: резистор RV1 в минимуме RV1=0.
Минимальная частота диапазона: резистор RV1 в максимуме RV1=200 кОм Диапазон 0 ÷ 1000.
Гц.
Максимальная частота диапазона: резистор RV1 в минимуме RV1=0.
Минимальная частота диапазона: резистор RV1 в максимуме RV1=200 кОм Диапазон 0 ÷ 100 Гц.
Максимальная частота диапазона: резистор RV1 в минимуме RV1=0.
Минимальная частота диапазона: резистор RV1 в максимуме RV1=200 кОм Операционный усилитель DA2 выбираем типа AD8033 (Рис. 4.2) [8].
Рис. 4.2 — Операционный усилитель AD8033 в корпусе SC-70.
Основные критерии выбора: высокая рабочая частота и возможность работы с однополярным напряжением питания +5 В.
Основные параметры ОУ AD8033:
Частота единичного усиления ;
Напряжение питания (однополярное) .
Рассчитаем параметры элементов регулируемого усилителя.
Операционный усилитель DA3 выбираем типа AD745 (Рис. 4.3) [9].
Основные критерии выбора: высокая рабочая частота и возможность работы с однополярным напряжением питания более +30 В.
Основные параметры ОУ AD745:
Частота единичного усиления ;
Напряжение питания (однополярное) .
Рис. 4.3 — Операционный усилитель AD745 в корпусе SOIC16.
Для расчета номиналов резисторов RV2 и R4, R5 воспользуемся выражением (3.2).
(4.4).
Минимальная амплитуда выходного напряжения согласно ТЗ составляет 5 В. RV2 В минимуме (RV2=0). Выражение (4.4) примет вид.
(4.5).
Максимальная амплитуда выходного напряжения согласно ТЗ составляет 30 В. RV2 В максимуме. Выражение (4.4) примет вид.
(4.6).
Выражения (4.5) и (4.6) можно составить в систему из двух уравнений с тремя переменными.
(4.7).
Для решения системы уравнений необходимо задать одну из трех переменных.
Выбираем резистор RV2 типа WH148−1B-2−18T-A503-L20 (рис.
4.1).
Потенциометр осевой, однооборотный, с насечкой. Характеристика: линейная, 50 кОм, Длина вала: 20 мм.
Подставляем RV2=50 кОм в (4.7),.
решаем систему уравнений Принимаем резистор R4 из ряда стандартных номиналов сопротивлений Е48: R4=3,32 кОм.
Принимаем резистор R5 из ряда стандартных номиналов сопротивлений Е48: R5=6,81 кОм.
Повышающий преобразователь напряжения DC/DC 5 -> 30 В выбираем типа XL6009 (Рис. 4.4) [10].
Рис. 4.4 — Повышающий DC/DC преобразователь XL6009.
Основные параметры преобразователя XL6009:
Входное напряжение от 3 до 3.4 В.
Выходное напряжение от 4 до 35 В.
Максимальный выходной ток 2.5А (с использованием радиатора на микросхеме).
Размеры: 45×21×14.
Вес: 11 г.
Переключатель поворотный на четыре положения SA1 выбираем типа.
RS1611−14-FB15B7.0−00-G102 (Рис. 4.5) [11].
Рис. 4.5 — Переключатель поворотный на 4 положения.
Многодекадный сегментный LED-индикатор (дисплей) — частотомер цифровой CP-050, измеряемый диапазон частот 0÷50 МГц (Рис. 4.6) [12].
Рис. 4.6 — Частотомер цифровой 0÷50 МГц.
В конструкции буферного каскада используем комплементарную пару биполярных транзисторов p-n-p — КТ502Г [13] и n-p-n — КТ503Г [14].
Цоколёвка и габаритные размеры транзисторов КТ502 [13] и КТ503 [14] представлены на рис. 4.
7.
Рис. 4.7 — Цоколевка и габаритные размеры транзисторов КТ502 и КТ503.
Основные параметры транзисторов:
Граничная частота коэффициента передачи тока: 50МГц.
Пробивное напряжение коллектор-база 60 В.
Максимально допустимый постоянный ток коллектора 150 мА.
Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора 350 мВт.
Статический коэффициент передачи тока 80÷240.
5 Нахождение и минимизация метрологических погрешностей генерируемых сигналов Метрологические погрешности параметров генерируемых сигналов можно разделить на две категории: инструментальные и методические.
Инструментальные погрешности — составляющая погрешности измерения, зависящая от погрешностей применяемых средств. Эти погрешности определяются качеством изготовлении самих измерительных приборов [15].
Инструментальные погрешности обусловливаются свойствами электронных компонентов, входящих в состав генератора: частотными и амплитудными характеристиками, стабильностью, чувствительностью к внешним воздействиям и т. п.
Согласно ТЗ выходной сигнал генератора охватывает достаточно широкий частотный диапазон (0 ÷ 100 000.
Гц), что предъявляет ряд требований к частотным характеристикам электронных компонентов. С какими видами погрешностей (искажений формы генерируемого сигнала) мы столкнулись и боролись в процессе работы:
1) Искажение формы сигнала, вызванные нелинейностью АЧХ используемых операционных усилителей. Так, например, в качестве регулируемого усилителя был использован операционный усилитель AD745 с граничной частотой. Осциллограммы сигналов представлены на (Рис. 3.11). Можно заметить незначительное искажение формы сигнала на выходе регулируемого усилителя и далее буферного каскада (каналы В и С осциллографа). Для эксперимента заменим операционный усилитель AD745 на микросхему AD711, обладающую схожими параметрами, но c меньшей граничной частотой. Осциллограммы полученных сигналов представлены на (Рис. 5.1).
На выходе усилителя (канал С осциллографа, красная линия) мы видим значительные искажения сигнала в виде округления углов генерируемого треугольника.
Использование ОУ с меньшей граничной частотой в качестве интегратора (микросхема DA2) приводит к срыву генерации в верхних частотных диапазонах.
Рис. 5.1 — Осциллограммы сигналов при использовании в составе регулируемого усилителя ОУ AD711.
2) Искажение амплитуды генерируемого сигнала, вызванное конечным временем переключения ИС таймера NE556.
На частотах вблизи верхней границы диапазона 100 000.
Гц заметно увеличение амплитуды генерируемого сигнала до 2,5 В (Рис. 3.8). На первый взгляд, нелогичное явление, поскольку амплитуда сигнала определяется жестко конструктивно заданными границами «окна» переключения таймера ((½ — 2/3) U питания). Разгадка состоит в следующем: когда напряжение на выходе интегратора достигает границы окна, таймер, действительно начинает переключаться. Однако, время переключения микросхемы составляет порядка 300 нс. Два таймера, включенные последовательно, дают задержку 600 нс. Т. е., входной сигнал интегратора, изменяющий тренд изменения его выходного сигнала, поступит с запозданием на 0,6 мкс. А напряжение на выходе интегратора при этом продолжает изменяться в прежнем направлении.
Мы не можем повлиять на эту ситуацию, поскольку и частотный диапазон и тип ИС таймера заданы ТЗ. Единственный выход, на высоких частотах дополнительно регулировать усиление тракта для поддержания требуемой амплитуды выходного сигнала.
Методические погрешности — составляющая погрешности измерения, вызванная несовершенством метода измерений [15].
Методические погрешности относятся к погрешностям, не зависящим от свойств используемых компонентов конструкции. Факторы, вызывающие методические погрешности, как правило, зависят от выбранного метода формирования сигнала.
Форма сигнала (Рис. 2.4), формируемого базовой схемой генератора (Рис. 2.3) имеет методическую погрешность в виде подмены прямых линий, образующих бедра треугольника, экспоненциальными кривыми. Это классический образец методической погрешности. Искажение вызвано не недостатками в характеристиках компонентов, входящих в конструкцию генератора, а несовершенным методом формирования сигнала: напряжение на емкости, заряжаемой через сопротивление, всегда изменяется по экспоненциальному закону. Только изменение метода формирования: заряд емкости источником тока или использование интегратора позволяет убрать такую погрешность. Что и реализовано в разработанной конструкции генератора.
Заключение
В результате выполнения работы закреплены ранее полученные знания в области разработки и конструирования информационно-измерительных систем с использованием современной аналоговой микроэлектронной техники.
В процессе выполнения работы решены следующие задачи:
1) Проведен анализ технического задания.
2)Проведен поиск существующих схемотехнических решений, проанализированы их достоинства и недостатки.
3) Выбраны и рассчитаны параметры отдельных элементов схемы.
4) Оценены и минимизированы метрологические погрешности.
Список использованных источников
.
1. Информатика: Учебник для вузов / А. С. Грошев. — Архангельск, Арханг. гос. техн. ун-т, 2010. — 470 с.
2. Техническая информация (электронный ресурс).
http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/546 085/TI/NE556.html.
3. Техническая информация (электронный ресурс).
http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/161 279/TI/NE555.html.
4. Техническая информация (электронный ресурс).
http://www.skilldiagram.com/gl5−14.html.
5. Техническая информация (электронный ресурс).
http://microtechnics.ru/osnovy-elektroniki-kondensator-soedinenie-kondensatorov-rc-cep/.
6. Техническая информация (электронный ресурс).
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/2817/MOTOROLA/1N5287.html.
7. Техническая информация (электронный ресурс).
http://forum.cxem.net/index.php?/topic/34 397−555-схем-на-таймере/&page=70.
8. Техническая информация (электронный ресурс).
http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/83 608/AD/AD8033.html.
9. Техническая информация (электронный ресурс).
http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/48 211/AD/AD745.html.
10. Техническая информация (электронный ресурс).
https://www.hobbyhunter.ru/ru/oborudovanie-i-aksessuary/sbec-ubec-regulyatory/povyshayushchij-dc-dc-preobrazovatel-xl6009.html.
11. Техническая информация (электронный ресурс).
https://www.tme.eu/ru/details/rs1611−14/perekliuchateli-oborotnye/ctr/rs1611−14-fb15b70−00-g102/.
12. Техническая информация (электронный ресурс).
http://ru.intmall.com/goods/517 854.html.
13. Техническая информация (электронный ресурс).
https://rudatasheet.ru/transistors/kt502/.
14. Техническая информация (электронный ресурс).
https://rudatasheet.ru/transistors/kt503/.
15. Техническая информация (электронный ресурс).
http://micromake.ru/old/msisbook/msismetrol6.htm.
Приложение, А Перечень элементов.
Поз.
обозначение Наименование К-во Прим. Микросхемы DA1 NE556 1 DA2 AD8033 1 DA3 AD745 1 Транзисторы VT1 КТ502Г 1 VT2 КТ503Г 1 Резисторы R1, R2 МЛТ-0,25 10 кОм ± 1% 2 R3 МЛТ-0,25 7,5 кОм ± 5% 1 R4 МЛТ-0,25 3,32 кОм ± 1% 1 R5 МЛТ-0,25 6,81 кОм ± 1% 1 VR1 WH148−1B-2−18T-A204-L20 1 VR2 WH148−1B-2−18T-A503-L20 1 Конденсаторы C1 КМ-5Б Н90 1 нФ ± 10% 1 С2 КМ-5Б Н90 10 нФ ± 10% 1 С3 КМ-5Б Н90 100 нФ ± 10% 1 С4 КМ-5Б Н90 1 мк.
Ф ± 10% 1 С5 КМ-5Б Н90 100 нФ ± 10% 1 Прочее SA1 RS1611−14-FB15B7.0−00-G102 1 DC/DC XL6009 1 LCD1 CP-050 1.
