℮с UвыхUСТ1 UСТ2
Е1
Е2
На рисунке 1 введены следующие обозначения:
У - усилитель переменного напряжения;
В - выпрямитель;
ФНЧ - фильтр низкой частоты;
МУ - масштабирующий усилитель;
СТ1, СТ2 - стабилизаторы напряжений;
Разработка принципиальной электрической схемы.
На основании структурной схемы была разработана функциональная, а затем и принципиальная электрическая схема. Поскольку принципиальная и функциональная схемы измерительного преобразователя, построенного на интегральных микросхемах отличаются незначительно (в функциональных схемах отсутствует нумерация выводов микросхемы), описание принципа действия основных узлов будем вести по принципиальной электрической схеме.
Описание основных узлов измерительного преобразователя.
Усилитель переменного напряжения выполнен на операционных усилителях Э1, Э2, резисторах R1-R4, конденсаторе С1. Он предназначен для усиления только переменной составляющей входного сигнала. Применение данного усилителя позволяет существенно уменьшить погрешность, обусловленную смещением и дрейфом нуля операционного усилителя. Первый каскад усилителя выполнен по схеме инвертирующего усилителя. Он имеет коэффициент усиления R3/R1. Второй каскад выполнен по схеме буферного повторителя напряжения. Его значение - обеспечить лучшее согласование выхода усилителя переменного напряжения со входом двухполупериодного выпрямителя. Переходная цепочка С1, R4 не пропускает постоянной составляющей выходного сигнала первого каскада усилителя на вход второго каскада. Как известно, передаточная функция такой цепи описывается выражением: Кц (р) = рτц /1+ рτц, где
τц = С1R4 - постоянная времязадающая цепи. (1).
Двухполупериодный выпрямитель выполнен на микросхемах Э4, Э6, резисторах R8, R9, R10, R14, диодах D1, D2. Выпрямитель работает следующим образом. При входном сигнале Uвх>0 сигнал проходит на выход усилителя, через усилитель Э4, диод D2, усилитель Э6, а обратная связь замыкается через резисторы R9, R14. При этом очевидно, что Uвых= Uвх(R8+R9+R14/R8). Если же Uвх<0 , то открывается диод D1, диод D2 закрыт и выходное напряжение формируется в результате усиления инвертирующим усилителем Э6 напряжения, поступающего с выхода повторителя на основе Э4. В результате Uвых= - Uвх * R14/ R9. Постоянство модуля коэффициента передачи будет достигаться при:
1+ R9/ R8 + R14/R8 = R14/ R9 (2)
В частности, если R8 = ∞ и R9 = R14, то Uвых= Uвх
В качестве ФНЧ выбираем активный ФНЧ.
Применение активного ФНЧ позволяет исключить из структурной схемы измерительного преобразователя масштабирующий усилитель. Передаточная функция активного фильтра описывается выражением
Кф(р) = - R17/ R15*1/рС6 R17+1 (3)
Подобный фильтр применяется в тех случаях, когда необходимо усилить постоянную составляющую входного сигнала фильтра и сгладить с этом сигнале пульсации.
Расчет параметров элементов схемы
измерительного преобразователя.
При разработке принципиальной схемы использовались:
· Операционный усилитель 154 УД2
· Стабилизаторы напряжения
имеющие следующие характеристики:
Микросхема 154 УД2:
коэффициент усиления К, тыс - 104
напряжение питания ±Uп, В - 13,5-16,5
напряжение смещения ±lсм, мВ - 2
входной ток iвх, нА - 100
граничная частота f, мГц - 50
сопротивление нагрузки Rн, кОм - ≥ 2
дрейф нуля ТКlсм мкВ/К- 20
Ток потребления Iпотр , мА- 10
Микросхема К142 ЕН 3:
Выходное напряжение Uвых, В- 3-30
Ток нагрузки Iнmax, А- 1
Uвх max, В- 45
Uвхmin- Uвых, В- 4
Кст %/В- 0,05
ТК Uвых %/К- 0,01
Uвхmin - 9
Определяем общий коэффициент передачи измерительного преобразователя: К = Ку*Кв*Кф=150, где
Ку,Кв,Кф - коэффициенты передач усилителя, выпрямителя и фильтра соответственно.
Распределим коэффициенты передач Ку, Кв,Кф следующим образом:
Ку=3, Кв=5, Кф=10.
Расчет параметров усилителя
переменного напряжения.
Для обеспечения достаточно высокого входного сопротивления измерительного преобразователя, равного суммирующему сопротивлению R1, выбираем R1=10кОм. Тогда R3 определится из уравнения R3/R1=Ку=3;
R3=30кОм. Значение сопротивления резистора R2 выбирается из уравнения R2= R1*R3/ R1+R3. R2=10*30/10+30≈7,5кОм.
Выходное сопротивление 1-го каскада усилителя определится как
Rвых ос= Rвых/1+ Куβ, где Rвых ос - выходное сопротивление 1-го каскада, охваченного обратной связью; Rвых - выходное сопротивление собственно Оу.
Rвых≈500Ом; Ку - коэффициент усиления на рабочей частоте fс max=0,3мГц
Ку≈f1/fс max=50/0,3≈180; β-глубина обратной связи β= 1/R1+R3=10/40=0,25.
Тогда Rвых ос=500/1+180*0,25≈10 Ом.
Выходное сопротивление 2-го каскада усилителя (β=1)
Rвых ус =500/1+180≈2,8 Ом.
Погрешность нелинейности γ н= –1/ Куβ=1/180*0,25≈2%.сказанное справедливо, если О.у. представлен аппериодическим звеном 1-го порядка. В реальном случае Оу моделируется аппериодическим звеном 2-го и даже 3-го порядка. При этом реальный коэффициент усиления Ку возрастает больше, чем на порядок, что приводит к уменьшению погрешности нелинейности более, чем на порядок, т.е. γ н≈0,2%, что соответствует требованиям технического задания.
При расчёте переходной цепи из выражения для передаточной функции (1) получим выражение для модуля комплексного коэффициента передачи.
Кц (ω)= ω τц /V1+ ω2 τ2ц (4)
Используя это выражение построим логарифмическую амплитудно-частотную характеристику.
20lgkц 
0 ω=1/τ ц ωс max=2πfc max
