Проектирование электронного усилителя тока

Техническое задание

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.

1 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:

Рис. 1

2 Проектирование электронного усилителя тока

2.1 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.

Структурная схема усилителя представлена на рисунке 2.

Рис. 2

1,5,7 — линейные сравнивающие (вычитающие) устройства;

2,5,8 — электронные усилители; 3,6,9 — цепи обратной связи.

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.

2.2 Расчет усилительного каскада

Uвх = Iвх • Rвх = 10−2 • 0,125• 103 = 1,25 мВ,

Uвых = Kпр • Iвх = 200 • 10−2 = 2 В,

.

Используем простейший преобразователь ток-напряжение. Данная входная часть не обеспечивает усиления по напряжению.

Рис. 3

U = iвх • Rвх ,

iвх = 10 мА,

Rвх = 0,125 Ом,

U = 1,25 мВ.

2.3 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:

Uпит = ±(1,1.7)В ,

Ku = 7 • 104,

Iвх = ±15 мА,

Iпотр = 300 мкА.

ЛАЧХ представлена в приложении А.

100Hz соответствует 75dB

5000Hz соответствует 40dB

Будем использовать инвертирующее включение, как по рисунку 4.

Рис. 4

1) Ku = 10

R1 = 10 кОм из ряда Е24

R2 = Ku • R1 = 100 кОм

кОм

принимаем R3 = 9,1 кОм по Е24.

2) Ku = 16

R7 = 16 кОм

R8 = Ku • R7 = 256 кОм, принимаем R2 = 240 кОм

кОм.

Расчет коэффициентов частотных искажений

1) Ku = 10

Kуu (н) = 5623

Kуu (в) = 100

2) Ku = 16

2.4 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.

Rвых = 30 кОм

Рис. 5

3 Метрологическая часть

3.1 Расчет погрешностей промежуточной части

Погрешность от нестабильности коэффициента усиления ОУ:

;

дку — определяется разбросом номиналов сопротивлений:

;

;

;

.

Погрешность, обусловленная непостоянством сопротивления резисторов:

,;

;, ,;

Погрешность, вызванная наличием смещения нуля, eсм=2мкВ:

; ;

;

.

Погрешность, от разности входных токов: ?iвх=0,25 нА:

; ;

;

.

Погрешность нестабильности eсм от температуры:

;

;

.

Погрешность от непостоянства разности входных токов от температуры:

; ;

;

.

3.2 Погрешность коэффициента преобразования

Ku = 1600,

Uвых = Uвх • Ku = 1,25 • 10−3 • 1600 = 2 В,

Iвх = 10 мА,

4 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 RCцепочки. Фильтр изображен на рисунке 6:

Рис. 6

R =5,1 кОм мкФ, Принимаем C = 2 мкФ по ряду Е24.

5 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:

Рис. 7

В качестве элементов логики ИЛИ выбираем микросхему MC74HC3ZAD производства ON Semiconductor.

Uпит = 5В

UН = 3,15В

UL = 1,35В

В качестве элемента логики И выбираем микросхему 74AHC1GO8 производства Philips.

Uпит = 5В

UН = 4,4В

UL = 0,1В

В качестве электронного ключа выбираем ключ MAX325 производства Maxim. Uпит = 5 В. См. приложение Б.

6 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:

Рис. 8

1. Мультивибратор.

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).

Рис. 9

При таком включении конденсатор С1 заряжается через резисторы R1 и R2 до напряжения, а разряжается через резистор R1 до напряжения. С5 = 0,01 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=1,1 с.

2. Формирователь 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:

Рис. 10

Временные диаграммы формирователя, на которых представлены сигналы на входе после усилителя и после триггера Шмидта, представлены в приложении В.

3. Генератор высокочастотных импульсов (1 МГц) с высокой стабильностью частоты, выполненный на кварцевом резонаторе. Схема генератора представлена на рисунке 11:

4. RS-триггер CD4013BCM производства National Semiconductor.

5. f/106 — шесть каскадов делителей частоты на 10ю выполнены на основе счетчика CD4017BCM производства National Semiconductor.

6. Счетчик-дешифратор Счётчик предназначен для счёта импульсов, а так же для отображения их числа на семисегментном индикаторе. Выберем счетчик на основе микросхемы MM74C945 производства Maxim.

Рис. 11

7. Индикатор 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.

8. RC — цепочка.

RC-цепочка предназначена для подачи на вход R СД кратковременных импульсов для обнуления счетчика и сброса индикатора.

Задаем резистор. Значение конденсатора вычислим из условия ,

; Возьмем .

по ряду Е24.

Временные диаграммы работы частотомера представлены в приложении Г.

7 Проектирование блока питания

Все микросхемы, используемые в данном проекте, питаются от напряжения -5 В и +5 В. Для блока питания выбираем готовые трансформатор Т1 — МТ609−1 производства Myrra мощностью 5Вт, обеспечивающий на вторичной обмотке переменное напряжение 9 В при токе 556мА, что вполне достаточно для питания микросхем, используемых в работе.

В качестве выпрямителя будем использовать диодный однофазный мост VD4 — DB102S 1А, 100 В.

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 15 В, С8 = 200мк х 10 В и С9=0,047мкФ.

Заключение

электронный усилитель ток

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 = ±5 В. 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

1. Гусев В. Г., Мулик А. В. «Проектирование электронных аналоговых измерительных устройств» (Уфа, УГАТУ, 1996).

2. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. «Электроника» (М., «Высшая школа», 1991).

3. Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники» в 2 томах (М., «Мир», 1985).

4. Рамм Г. С. «Электронные усилители» (М., «Связь», 1966).

5. Гутников В. С. «Интегральная электроника в измерительных устроиствах» (Л., «Энергия», 1980).

5. Справочник по цифровым логическим микросхемам (часть 2). Шульгин О. А., электронная версия.

6. www.gaw.ru.

7. www.chipfind.ru.

8. www.datasheetcatalog.ru.

9. www.microcheep.ru.

10. www.radiobox.ru.

Приложение А

ЛАЧХ ОУ LM10CL:

Приложение Б

Схема электронного ключа:

Логика электронного ключа:

Приложение В

Выходной сигнал с формирователя после диода, стабилитрона и триггера Шмидта:

Приложение Г

Временные диаграммы работы частотомера: