Разработка принципиальной схемы измерительного преобразователя

4

                                                  СОДЕРЖАНИЕ

Введение                                                                                                              2

1.Теоретические основы построения аналоговых измерительных преобразователей                                                                                                          3

2.Анализ режимов работы измерительного преобразователя                     7

3.Разработка принципиальной схемы измерительного преобразователя   10

4. Настройка схемы                                                                                            12

Заключение                                                                                                       13

Библиографический список                                                                             14

Приложение 1.Измерительный преобразователь СКЗ напряжения.

Схема электрическая принципиальная                                                                    15

Приложение 2.Измерительный преобразователь СКЗ напряжения.

Перечень элементов                                                                                                    16

ВВЕДЕНИЕ

Аналоговые микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Несмотря на широкое применение цифровых устройств, аналоговые микросхемы используются как самостоятельно, так и вместе с цифровыми микросхемами.

Особенностями аналоговых микросхем являются большее число параметров (по сравнению с цифровыми), требуемое для их нормального функционирования, сложность внутренней структуры, необходимость, как правило, двух источников питания, к аналоговым микросхемам необходимо подключать дополнительные элементы, число которых иногда значительно.

Аналоговые микросхемы находят широкое применение в измерительных устройствах. Их объектом измерения, как правило, являться сигналы различной формы, полученные с датчиков.  Широко распространенные периодические сигналы различной физической природы в большинстве случаев преобразуются в электрические, наиболее удобные для передачи, усиления и сравнения. В свою очередь, среди электрических сигналов одними из наиболее распространенных и удобных для измерения являются электрические напряжения и токи.               

Основными информативными параметрами периодических напряжений и токов являются среднеквадратическое значение напряжения, тока и активная мощность[1].                                                                                                                   

В данном курсовом проекте разрабатывается схема измерительного преобразователя среднеквадратического значения напряжения.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ АНАЛОГОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Широко распространенные периодические сигналы различной физической природы в большинстве случаев преобразуются в электрические, наиболее удобные для передачи, усиления и сравнения. В свою очередь, среди электрических сигналов одними из наиболее распространенных и удобных для измерения являются электрические напряжения и токи.                                   

Основными информативными параметрами периодических напряжений и токов являются:

- среднеквадратическое значение (СКЗ) напряжения и тока

                                            ;                                         (1.1)                 

                                            ;                                           (1.2)             

- активная мощность (АМ)

                                                ,                                           (1.3)                    

где u(t), i(t) - мгновенные значения измеряемого напряжения и тока.

В наиболее общем случае при периодическом переменном токе произвольной формы активную мощность определяют как

                                                                            (1.4)            

где Uk , Ik - среднеквадратические значения напряжения и тока k-той гармоники;

φk - угол сдвига фаз между k-тыми гармониками напряжения и тока.

В тех случаях когда для расчета тех или иных элементов цепи важно знать не только мощность, но и наибольшие допускаемые для них ток и напряжение, пользуются понятием полной мощности:

                                (1.5) 

Отношение АМ к полной называют коэффициентом мощности (КМ):

                                                                                                            (1.6)

Наряду с понятиями активной и полной мощности пользуются понятием реактивной мощности (РМ):

                                                                           (1.7)     

Рассмотренные параметры напряжений и токов принято называть интегральными характеристиками периодических сигналов.

Рассмотрим основные методы построения аналоговых измерительных преобразователей СКЗ сигналов.

Для того, чтобы определить СКЗ напряжения и тока в соответствии с (1.1) и (1.2), требуется провести интегрирование квадрата исследуемого сигнала на интервале времени, соответствующим периоду. Обычно вместо интеграла определяют текущее среднее значение сигналов с помощью фильтра низких частот. Здесь предполагается, что фильтр достаточно хорошо подавляет все гармонические составляющие измеряемого сигнала, а среднее значение сигнала изменяется настолько медленно, что не вызывает динамической погрешности, связанной с инерционностью фильтра. В данном случае СКЗ напряжения

,                                             (1.8)

где - текущее среднее значение квадрата входного сигнала.

При измерении СКЗ сигнала используют преобразователи как с линейной, так и с квадратичной функцией преобразования, у которых выходной сигнала пропорционален квадрату СКЗ измеряемого сигнала. Наибольшее распространение получили линейные преобразователи, у которых входной их и выходной Y сигналы связаны зависимостью:

                                                       ,                                            (1.9)      

где С – некоторый коэффициент.

С точки зрения закона преобразования информации измерительный преобразователь СКЗ сигнала можно представить как вычислительной устройство, выходной сигнал которого связан с сигналом на его входе зависимостью (1.8). Для классификации измерительных преобразователей следует найти все возможные уравнения, относящиеся к классу функций действительного переменного. Как известно, функции действительного переменного можно условно разделить на элементарные и неэлементарные.

В классе неэлементарных функций решение (1.8) могут иметь уравнения вида

                                                ,                                        (1.10)               

где и - некоторые непрерывные функции.

Естественно, что уравнение (1.9) тем точнее позволяет найти СКЗ сигнала их, чем большее число членов функционального ряда учитывается при вычислении Y.

Следует отметить, что всем преобразователям, алгоритм работы которых описывается уравнением (1.9), свойственна методическая погрешность, существенно возрастающая при уменьшении числа слагаемых. Поэтому способы измерения, основанные на решении уравнения (1.9), применяют редко.

Элементарные функции делятся на алгебраические и трансцендентные. Алгебраические функции, в свою очередь, делятся на иррациональные, целые рациональные и дробные рациональные. Трансцендентные функции делятся на показательно-логарифмические и прямые и обратные тригонометрические функции.

Например, в классе иррациональных функций можно получить уравнения:

; ; ; .

Для реализации этих уравнений можно произвести ряд операций над величинами Y и , т.е. над СКЗ сигнала их, а для реализации решения уравнения (1.8) никаких операций над величинами Y и производить не надо.

Учитывая отмеченные ограничения в классе алгебраических функций, кроме уравнения (2.8) получаем еще четыре уравнения:

                                                          ;                                          (1.11)       

                                                        ;                                         (1.12)      

                                                        ;                                          (1.13)                 

                                                        .                                          (1.14)            

Схемы, соответствующие уравнениям (1.9), (1.11) – (1.14), состоят из определенного сочетания блоков умножения, деления, извлечения квадратного корня и усреднения[2].

2 АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

2.1 Расчет функции преобразования

Сигналы на выходах блоков с учетом их функций преобразования будут иметь следующий вид:

- на выходе аналогового умножителя:

                                 (2.1)

- на выходе первого аналогового делителя:

                        ;                               (2.2)

- на выходе фильтра нижних частот:

;                               (2.3)

- на выходе второго аналогового делителя:

           ;                                  (2.4)

- на выходе измерительного преобразователя

                                           ,                              (2.5)

где , , , , - коэффициенты преобразования (передачи) умножителя, делителей, фильтра нижних частот и выходного операционного усилителя соответственно, - опорное напряжение.

Так как , то , поэтому .

Отсюда следует, что:

.                      (2.6)

Решая данное выражение относительно , получим

                             .                     (2.7)

Из предыдущего выражения следует:

.                      (2.8)

2.2 Расчет масштабных коэффициентов.

Коэффициенты определяются с целью получения требуемого в задании соотношения между входными и выходными величинами. Целесообразно производить расчет для минимальных и максимальных значений параметров.

При исходя из реальных характеристик интегральных множительных и делительных устройств (например, К525ПС2), выбираем ; . Для простоты расчета будем считать, что ФНЧ  выполнен на основе повторителя и имеет коэффициент передачи . Тогда выражение (2.8) примет вид:

.                            (2.9)

Считая, что входной сигнал чисто синусоидальный посчитаем общий коэффициент передачи схемы С [2]:

                                                                                       (2.10)

Для реализации такого коэффициента добавим на вход аналогового умножителя делитель напряжения, основанный на двух резисторах R1 и R2(подстроечный) номиналом 3кОм и 5,1 кОм соответственно. Сопротивление резистора R2 отрегулируем до 5 кОм.  Коэффициент деления находится по формуле:

                                     (2.11)

Выражение (2.9) примет вид:

.                                     (2.12)

2.3 Расчет фильтра

В данной схеме фильтр используется в качестве интегратора. Для расчета возьмем резисторы R30 и R31 одинаковыми и равными 10 кОм. За частоту среза fср принимается такая частота, при которой АЧХ уменьшается на 3дБ, по заданию она равна 40Гц. Конденсаторы С1 и С2 рассчитываются следующим образом[3]:

                        (2.13)

Из стандартного ряда конденсаторов Е24 выбираем С1=0,56мкФ, С2=0,30мкФ.
3 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

3.1 Выбор операционного усилителя.

В схеме присутствует два операционных усилителя – DA4 и DA5. Целесообразно использовать два одинаковых ОУ для облегчения поиска компонентов схемы.

В качестве усилителя выберем операционный усилитель К140УД7. Он используется для измерения малых разностей напряжения на фоне синфазного напряжения, которое часто бывает больше, чем измеряемое разностное напряжение. Имеет дифференциальный вход, высокое значение коэффициента усиления, низкий сдвиг нулевого уровня, и очень большой коэффициент ослабления синфазного сигнала.                                                                               

Справочные характеристики операционного усилителя К140УД7 приведены ниже:

Параметры операционного усилителя  К140УД7

Входное напряжение, В                                                                        ±15  

Минимальный коэффициент усиления ОУ                                    50000

Э. д. с. смещения нуля, мВ                                                                      10

Средний входной ток, нА                                                                     200

Разность входных токов, нА                                                                  50

Входное сопротивление, МОм                                                              0,4                      

Выходное напряжение, В                                                                   ±10.5

Коэффициент ослабления синфазного сигнала, дБ                               70

Коэффициент влияния нестабильности источника

питания, мкВ/В                                                                                     150

Частота единичного усиления, МГц                                                     0,8

Максимальная скорость нарастания выходного

напряжения ОУ, В/мкс                                                                         0,3

3.2 Выбор аналогового умножителя

В схеме присутствуют три аналоговых умножителя – DA1, DA2 и DA3. DA2 и DA3 используются в качестве делителей. В основе устройств лежит одна и та же микросхема К525ПС2.

К525ПС2 имеет в своем составе операционный усилитель, на котором построена схема смещения уровней, что значительно расширяет диапазон выполняемых функций[4].                                                                                               

Ниже приведены характеристики выбранной микросхемы.

Параметры аналогового умножителя К525ПС2

Погрешность перемножения ε %                                                                       ±1

Нелинейность перемножения по координатам X и Y, % NX

NX                                                                                                                        ±0,8

NY                                                                                                                        ±0,5

Остаточное напряжение, мВ

UостX                                                                                                                       80

UостY                                                                                                                       60

Входные токи IВХX(Y), мкА                                                                                 4

Полоса преобразования Δfx(fy), МГц                                                                0,7

Амплитуда выходного напряжения UВЫХ MAX, В                                        ±10,5

Ток потребления IПОТ, мА                                                                                   ±7

3.3 Выбор резисторов

Резисторы R34 и R35 выбираются в интервале от 1кОм до 1Мом. Выполняя условие технического задания Ку>>1, используем резисторы серии МЛТ номиналом 1кОм и 100кОм соответственно. Резистор R32 примем равным резистору R34, а резистор R33 равным R35. Резисторы R3 – R5, R9 – R17, R24 – R29 входящие в цепь смещения нуля примем равными 10кОм. Подстроечные резисторы R36 и R37 согласно рекомендации источника 3 примем                                          R36 = R37 = 10кОм, а резисторы R6 – R8, R18 – R23 равными 22кОм.              

4 НАСТРОЙКА СХЕМЫ

Настройка схемы заключается в установке смещения нуля с помощью подстроечных резисторов R36 и R37 для операционных усилителей и R6 – R8, R18 – R23 для множительных устройств.

Методика настройки такова:

-для ОУ, при нулевом входном сигнале соответствующий подстроечный резистор (например, для DA4 резистор R36) регулируют до тех пор, пока на выходе микросхемы не установится ноль.

-для МУ, сначала подаем сигналы на входы Х=0, Y≠0, Z≠0 - настройка смещения нуля входа Х, регулировкой соответствующего резистора добиваемся, чтобы выходной сигнал стал равен нулю, после чего подаем следующие входные сигналы Х≠0, Y=0, Z≠0 – настройка смещения нуля входа Y и добиваемся установки нуля на выходе с помощью следующего резистора, аналогично для входа Z. Например, для DA1 при Х=0, Y≠0, Z≠0 регулировать следует резистор R6, при Х≠0, Y=0, Z≠0 резистор R7, при Х≠0, Y≠0, Z=0 – R8. Следует подавать максимально возможные для настраиваемой микросхемы напряжения для уменьшения погрешности смещения нуля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте представлена разработка принципиальной схемы преобразователя СКЗ напряжения. По своим техническим характеристикам и назначению преобразователь полностью соответствует требованиям, изложенным в техническом задании.

В ходе работы получены практические навыки в расчетах и анализе электрических схем.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Попов В.С., Желбаков И.Н. Измерение среднеквадратического значения напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1987.

2. Проектирование и расчет аналоговых измерительных преобразователей: Учебно-методическое пособие / Мелентьев В.С. – Самара: Самарский Государственный Технический Университет, 2007.

3. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988.

4.Гутников В.С. Фильтрация измерительных сигналов. Л.: Энергоатомиздат, 1990.