Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное

Министерство образования и науки Российской Федерации Пензенский государственный университет Кафедра «Автоматика и телемеханика»

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине:

«Измерительные преобразователи систем управления»

Тема: Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное

Пенза 2011

1. Выбор структурной схемы измерительного преобразователя и определение общего коэффициента передачи

2. Расчет предварительного усилителя

2.1 Выбор типа операционного усилителя

2.2 Расчет параметров модели погрешности

2.3 Расчет значений элементов

3. Расчет выпрямителя

3.1 Выбор типа операционного усилителя и схемы выпрямителя

3.2 Расчет значений элементов

4. Расчёт фильтра

5. Расчёт буферного каскада

6. Определение расчётного значения общего коэффициента передачи

7. Выбор стабилизатора напряжения

8. Описание принципиальной схемы

Заключение

Список использованных источников

Измерительные преобразователи для систем управления предназначены для информационной связи первичных источников информации (датчиков) и исполнительных устройств системы управления.

Такие преобразователи выполняются, как правило, с использованием интегральных схем. Применение интегральных схем позволяет сократить сроки проектирования, резко увеличить надёжность и срок службы изделия, уменьшить его стоимость и применять при изготовлении прогрессивные технологии массового производства.

При проектировании преобразователей чаще всего используется набор некоторых универсальных элементов, позволяющих строить каскады преобразования с разными функциями путём различного включения навесных пассивных элементов.

В данной работе в качестве такого универсального элемента используется операционный усилитель.

Операционный усилитель специально разработан и согласно ГОСТу «предназначен для использования в схемах с отрицательной обратной связью в качестве преобразователя аналоговых электрических сигналов». На основе операционного усилителя возможно построение широкого класса линейных и нелинейных преобразователей в частотном диапазоне до нескольких сотен килогерц.

1. Выбор структурной схемы измерительного преобразователя и определение общего коэффициента передачи

Измерительный преобразователь должен усиливать входной переменный сигнал наряду с его выпрямлением, причём общая погрешность преобразованного постоянного выходного сигнала не должна превышать заданного значения в оговоренном диапазоне частот.

Так как предполагается в качестве основных активных элементов использовать операционные усилители (ОУ), для которых заданная верхняя граница частоты усиления практически является предельной, основной коэффициент усиления предполагается реализовать в тракте усиления постоянного напряжения. Поэтому структурная схема преобразователя (см. рис.1) должна состоять из следующих блоков:

— предварительного усилителя (У) переменного напряжения, обеспечивающего максимально возможный коэффициент усиления на частоте fВ с заданной погрешностью (и одновременно являющийся фильтром верхних частот);

— выпрямителя (В), осуществляющего преобразование выходного напряжения усилителя в пульсирующее постоянное;

— сглаживающего фильтра (Ф) (фильтра нижних частот), уменьшающего пульсации выпрямленного напряжения до значения, меньшего, чем погрешность преобразования на частоте fН, и одновременно имеющего некоторый коэффициент усиления по напряжению;

— буферный каскад (БК), обеспечивающего требуемый коэффициент усиления всего измерительного преобразователя.

Рис. 1 — Структурная схема измерительного преобразователя

Общий коэффициент передачи К определяется соотношением выходного и входного сигналов напряжения:

При последовательном соединении каскадов общий коэффициент преобразования равен произведению их коэффициентов:

Предварительно назначены К1=2, К2=1, К3=8, К4=12.

2. Расчёт предварительного усилителя

2.1 Выбор типа операционного усилителя

В качестве активного элемента предварительного усилителя выберем ОУ, имеющий наибольшее быстродействие (максимальную частоту единичного усиления) — ОУ типа К154УД4. Его параметры приведены в табл.1, а схема включении — на рис. 2.

Таблица 1

Рис. 2 — Схема включения ОУ типа К154УД4

Компенсация напряжения смещения осуществляется с помощью резистора и потенциометра, показанных на рис. 2.

Для реализации каскада выберем схему инвертирующего усилителя, приведённую на рис. 3.

Рис. 3 -Инвертирующий усилитель ОУ представляет из себя двухили трёхкаскадный усилитель. АЧХ каждого каскада является инерционным звеном 1-го порядка, коэффициент передачи которого уменьшается на 20дБ/дек (то есть в 10 раз при увеличении частоты в 10 раз). Следовательно, на частоте f1 крутизна спада АЧХ будет 40 или 60 дБ/дек. Такой усилитель будет возбуждаться при включении его с цепью отрицательной обратной связи. Для получения устойчивого усиления необходимо скорректировать АЧХ ОУ путём подключения корректирующего конденсатора Ск так, чтобы усилитель работал как звено первого порядка.

АЧХ в логарифмическом масштабе (диаграмма Боде) для нескорректированного и для скорректированного ОУ представлена на рис. 4.

Рис. 4 — АЧХ ОУ

Таким образом, коэффициент усиления разомкнутого ОУ на частотах fН и fВ соответственно равен:

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя, представленного на рис. 3., для сигнала постоянного тока (К> ?) К10=R2/R1=2. При конечном значении КУР коэффициент усиления уменьшается:

где коэффициент обратной связи.

Множитель есть относительная ошибка д.

Подсчитываем относительную ошибку на частотах fН и fВ соответственно:

Подсчитываем модуль суммарной погрешности :

Получили суммарную погрешность меньше заданной следовательно выбранный тип ОУ пригоден для схемы предварительного усилителя.

2.2 Расчёт параметров модели погрешности

Подсчитанные выше погрешности, зависящие от частоты входного сигнала и значения f1 ОУ, можно представить как сумму модулей аддитивной и мультипликативной погрешностей, причём график зависимости общей погрешности от частоты в общем случае имеет нелинейный характер как показано на рис. 5.

Рис. 5 — Графики погрешностей Этот вид погрешности можно минимизировать путём включения корректирующего звена. Для этого аппроксимируем кривую погрешностей в виде линейной функции по методу наименьших квадратов.

Разобьём частотный диапазон на 5 участков:

Примем отклонение f1 от номинального значения на ±10% и ±20%:

Подсчитаем погрешность коэффициента передачи для каждого значения f1 во всех выбранных точках частоты входного сигнала по формуле:

Значения погрешностей вычислены с помощью программы Excel и сведены в табл. 2:

Таблица 2

Коэффициенты b и k аппроксимирующей функции находим из следующих выражений:

В формулах использованы следующие обозначения:

— количество участков;

— среднее значение относительной погрешности коэффициента усиления для каждого значения рабочей частоты;

— значение рабочей частоты.

Вычисления компонентов вычислены с помощью программы Excel и сведены в табл. 3:

Таблица 3

Для построения графика функции частотной погрешности вычисляем её значения в отдельных точках. Расчёты сведены в табл.4.

Таблица 4

График представлен на рис. 6.

Рис. 6 — График функции частотной погрешности

2.3 Расчёт значений элементов

Принципиальная электрическая схема предварительного усилителя приведена на рис. 7.

Рис. 7 — Принципиальная схема предварительного усилителя

Основными параметрами ОУ, которые могут внести погрешность, являются напряжение смещения Uсм и входные токи Iвх.

Напряжение смещения Uсм компенсируется потенциометром R8.

Влияние входных токов уменьшается путём включения резистора R3, сопротивление которого выбирают равным общему сопротивлению резисторов (R2//R1//(R4+R5//R6)) относительно инвертирующего входа. В этом случае погрешность будет вносить разность входных токов ДIвх. Для исключения влияния ДIвх следует выбирать значение сопротивления R1 таким, чтобы падение напряжения на нём от ДIвх было намного меньше входного напряжения ес:

Выбираем ближайшее номинальное значение R1=820 Ом.

Выбираем R2= 1,6 кОм.

Для минимизации мультипликативной частотной погрешности включаем делитель из резисторов R5 и R6 и суммирующий резистор R4.

Полагаем R4= R6= R1. тогда из выражения рассчитываем значение сопротивления R5.

Здесь — напряжение поправки;

— среднее значение модуля частотной погрешности из табл.4.

Выбираем ближайшее номинальное значение R5=180 кОм.

Определяем сопротивление R3:

Выбираем R3 = 430 Ом.

Рассчитываем значение ёмкости корректирующего конденсатора:

Определяем действующее напряжение на выходе предварительного усилителя:

3. Расчёт выпрямителя

3.1 Выбор типа операционного усилителя и схемы выпрямителя

Для реализации схемы выпрямителя применим сдвоенный быстродействующий ОУ с полевыми транзисторами на входе типа КР140УД282. Его параметры приведены в табл.5, а схема включения — на рис. 8. Этот ОУ имеет внутренние цепи коррекции АЧХ и поэтому работает устойчиво вплоть до Ку=1.

Таблица 5

Рис. 8 — Схема включения ОУ КР140УД282

Так как выпрямляется напряжение небольшой амплитуды, то необходимо выбрать схему измерительного выпрямителя, в которой выпрямляющие диоды были бы включены внутри цепи отрицательной обратной связи.

Выбираем схему двухполупериодного выпрямителя на ОУ с выходным сглаживающим фильтром, изображённую на рис. 9.

Рис. 9 — Принципиальная схема выпрямителя В этой схеме диоды исключены из цепи обратной связи и поэтому падение напряжения на них не влияет на коэффициент передачи, а лишь увеличивает напряжение на выходе DA1.

Разберём работу схемы без учёта влияния конденсатораС1.

При положительной полуволне входного сигнала на выходе DA1 образуется отрицательное напряжение и диод VD1 открывается (а диод VD2 закрыт). При этом в точке соединения R2 и R3 образуется напряжение, которое передаётся на выход DA2 с коэффициентом передачи и получается. Это напряжение суммируется с входным напряжением, поступающим по цепи R4 — R5. Таким образом, при положительной полуволне входного сигнала на выходе DA2 образуется положительная полуволна напряжения

При отрицательной полуволне входного сигнала на выходе DA1 образуется положительное напряжение и диод VD1 закрывается, а диод VD2 открывается. Через резистор R2 ток не течёт и в точке соединения R2 и R3 напряжение равно нулю. На выходе DA2 образуется положительная полуволна напряжения

Если соблюсти условие, то модули коэффициентов передачи для положительной и отрицательной полярностей будут равны. При этом, если и, то .

При подключении конденсатора С1 выходной каскад DA2 превращается в фильтр нижних частот первого порядка, который отсекает частоты выше fв, уменьшая шумовую составляющую на выходе устройства.

3.2 Расчёт значений элементов

Значение R1 выбираем из условия наименьшего влияния входных токов.

Сопротивления таких номиналов могут вызывать большие паразитные наводки, поэтому выбираем R1 =10кОм.

Полагая R1 = R2 = R3 = R5 = R6, рассчитываем R4 =2R3 = 20 кОм.

Рассчитываем сопротивления резисторов R7 и R8.

По шкале номиналов выбираем R7 = 3,3 кОм, R8 = 3,9 кОм.

Значение ёмкости конденсатора С1 рассчитываем, исходя из следующих соображений: на частоте среза fc сопротивление конденсатора хС должно быть равно сопротивлению R5, тогда на этой частоте коэффициент передачи уменьшится на 3 дБ. Выбираем fc= 125 кГц, тогда, откуда По шкале номиналов выбираем С1 = 120пФ.

В качестве выпрямительных диодов выбираем импульсный диод типа КД510А, основные параметры которого сведены в табл.6.

усилитель выпрямитель напряжение стабилизатор Таблица 6

На выходе выпрямителя образуется пульсирующее напряжение с действующим значением 52мВ.

4. Расчёт фильтра

В качестве фильтра выбран инвертирующий каскад на ОУ с конденсатором в цепи обратной связи. Тип ОУ — Кр140УД282, его параметры и схема включения приведены соответственно в табл.5 и на рис. 8. Этот ОУ имеет малое напряжение смещения и очень маленькие входные токи.

Принципиальная схема фильтра приведена на рис. 10.

Рис. 10 — Принципиальная схема фильтра При проектировании фильтра необходимо решить 2 задачи:

— уменьшить размах пульсаций выпрямленного напряжения до значения меньшего заданной погрешности преобразования;

— реализовать усиление напряжения сигнала с К3 =8.

Значение сопротивления R1 =20 кОм выбираем из тех же соображений, изложенных в п. 3.2. Тогда

По шкале номиналов выбираем R2 = 160 кОм.

Подсчитываем значение

По шкале номиналов выбираем R3 = 18 кОм.

Постоянная времени фильтра равна должна быть больше времени периода Т низшей частоты заданного диапазона fн в раз.

Окончательно получаем:

По шкале номиналов выбираем С1 = 0,15мкФ.

На выходе фильтра образуется постоянное напряжение

5. Расчёт буферного каскада

Буферный каскад должен решать две задачи:

— обеспечивать усиление сигнала по напряжению с К4 = 12;

— допускать регулировку коэффициента усиления для получения заданного коэффициента передачи всего измерительного преобразователя.

Каскад реализуется на втором ОУ микросхемы, использованной для построения фильтра, и его принципиальная схема представлена на рис. 11.

Рис. 11 — Принципиальная схема буферного каскада Полагаем значение R1 = 10 кОм, тогда R2 = R1*К4 = 10*12=120 кОм.

Считаем допустимой регулировку коэффициента усиления на ±10%. Следовательно, изменение R1 должно составлять ± 1 кОм.

Таким образом, окончательно имеем:

R4 = 2 кОм, R1 = 9,1 кОм, R2 = 120 кОм.

Рассчитываем сопротивление резистора R3

По шкале номиналов выбираем R3 = 9,1 кОм.

На выходе буферного каскада образуется выходное напряжение 3 В.

6. Определение расчётного значения общего коэффициента передачи

Рассчитываем коэффициенты передачи всех каскадов с учётом выбранных номинальных значений сопротивлений резисторов.

Таким образом, регулировка значения коэффициента передачи потенциометром в буферном каскаде позволяет достичь заданного коэффициента К=192.

Все постоянные резисторы выбираем типа МЛТ 0,125Вт ±5%.

7. Выбор стабилизатора напряжения

Заданное напряжение питания составляет ±26 В при нестабильности ±25%. Таким образом на вход стабилизатора подаются напряжения /26В/±5,2 В.

Общая нагрузка на стабилизатор составляет:

Таким требованиям удовлетворяет микросхемный двухканальный стабилизатор напряжения типа К142ЕН6, параметры которого приведены в табл. 7.

Таблица 7

При заданных параметрах входного напряжения стабилизатор сохраняет работоспособность, то есть обеспечивает стабильное напряжение питания.

Максимальная мощность рассеяния меньше допустимого значения 4Вт. Этот стабилизатор полностью удовлетворяет заданным параметрам питающих напряжений и нагрузке. Схема включения стабилизатора приведена на рис. 12.

Рис. 12 — Схема включения стабилизатора Номиналы конденсаторов взяты из справочника:

8. Описание принципиальной схемы

Схема электрическая принципиальная приведена в приложении А.

Предварительный усилитель собран на элементах R1 — R8, C7, DA1. Резисторы R1 — R2 -это цепь ООС, R4 — R6 — цепь частотной коррекции, R7 — R8 — элементы компенсации напряжения смещения.

Выпрямитель составляют элементы R9 — R16, C8, VD1-VD2 и DA2. На элементах R9 — R10, R14 — R15, VD1-VD2 и первой половине DA2 собран однополупериодный выпрямитель. Сумматор содержит вторую половину микросхемы DA2 и резисторы R11 — R13, R16. Совместная работа этих схем функционирует как двухполупериодный выпрямитель. Конденсатор C8 -это элемент ФНЧ.

Элементы R17 — R19, C9 и первая половина DA3 — это фильтр, сглаживающий пульсации выпрямленного напряжения.

Элементы R20 — R23 и вторая половина DA3 — это буферный каскад. С помощью R23 регулируется до заданного значения общий коэффициент передачи измерительного преобразователя.

На элементах DA4 и C1 — C6 собран стабилизатор напряжения.

Типы и номиналы всех элементов приведены в спецификации — в приложении В.

Заключение

В результате проделанной работы был спроектирован измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное, отвечающий требованиям технического задания.

Рассчитанные погрешности не превышают заданные, что свидетельствует о правильном выборе элементной базы преобразователя.

Данный преобразователь может применяться в устройствах автоматики для усиления и передачи сигналов, снимаемых с датчиков и других электроизмерительных средств.

Список использованных источников

1. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. — 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Энергоатомиздат. Ленинтр. отд-ние, 1988. — 304 с.

2. Акимов Н. Н. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник. / Акимов Н. Н., Ващуков Е. П., Прохоренко В. А, Ходоренок Ю. П. — М.: Беларусь, 1994. — 591 с.

3. Григорьев О. П. Диоды: Справочник / Григорьев О. П., Замятин В. Я., Кондратьев Б. В., Пожидаев С. Л. — М.: Радио и связь, 1990. — 336 с.

4. Хоровиц П. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т.1. Пер. с англ. -4-е изд., перераб. и доп. /Хоровиц П., Хилл У. — М.: Мир, 1993. — 413 с.

5. Щербаков В. И., Грездов Г. И. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник.- К.: Технiка, 1983. — 213 с.