1. Проектирование входной части измерительного усилителя.

На входе измерительного усилителя (ИУ) поставил преобразователь ток – напряжение, так как согласно техническому заданию усиление производится по току. В качестве преобразователя применил операционный усилитель.

По техническому заданию входное сопротивление в полосе рабочих частот равно 5Ом (R = 5Ом), поэтому, в качестве преобразователя, применил инвертирующий операционный усилитель (ИОУ) КР1434УД1, схема которого приведена на рис.1; схема включения и технические характеристики (ТХ) приведены в приложении 4.

Рис.1

Принял коэффициент преобразования во входной части - К= 500 , чтобы получить требуемые характеристики измерительного усилителя. Из условия К= -, подобрал сопротивлениеR= 2,5 кОм , где R- сопротивление нагрузки ИОУ.

По характеристикам ОУ КР1434УД1, в частности, К= 15∙10,ƒ= 100 МГц и параметрам ТЗ:ƒ= 8000Гц,ƒ= 150Гц построил ЛАЧХи ЛФЧХ,

где К- коэффициент усиления,ƒ- частота единичного усиления ОУ КР1434УД1,ƒиƒ- верхняя и нижняя границы диапазона частот. Графики ЛАЧХи ЛФЧХприведены в приложении 1.

По ЛАЧХопределил: К(ƒ) = 12119,92 ; К(ƒ) = 15∙10, где К(ƒ) и К(ƒ)– коэффициенты усиления ОУ на верхней и нижней границах диапазона частот соответственно.

ƒне попала на горизонтальную часть ЛФЧХ, поэтому наблюдается фазовый сдвигΔφ= 5˚.

1. Рассчитал U: расчет производил по формуле U= IR, где I= 2мА, получил значение U= 10мВ.

Так как выбранный коэффициент преобразования входной части К= 500 большой, учел влияние напряжения смещения «нуля» (НС) ОУ на выходной сигнал:

, где - реальное НС;- НС ОУ КР1434УД1, приведенное в технических характеристиках данного усилителя; К= К= 500.

Получил значение = 2500мВ, что много больше напряжения на выходе

U= 400мВ (см. «Расчет выходной части»), поэтому необходимо убрал реальное НС, т.к. оно будет влиять на выходной сигнал.

Исходя из того, что постоянное, для его снятия использовалR-C цепочку (фильтр высоких частот), расчет фильтра приведен в пункте 3.3. (см. «Расчет ФВЧ»)

2. Рассчитал R: R=(1) , получилR= 4,99 Ом.

3. При значении R= 6МОм, рассчитал входное сопротивление Z на нижней и верхней границах диапазона частот:

Z= R+ (2), получилZ= 5,1666 Ом;

Z= R+ (3), получилZ= 5,2062 Ом.

В формулах (2), (3) Ки К- коэффициенты усиления ОУ на нижней и верхней границах частот.

4. Рассчитал погрешности Z и Z:

δ= ()100% (4), получилδ= 3,33%;

δ= ()100% (5), получилδ= 4,125%.

Рассчитал суммарную погрешность Z и Z: δ=δ+δ;δ= 7,455%.

В соответствии с требованиями технического задания (ТЗ), погрешность входного сопротивления не должна превышать 10%. (δ≤10%) Получившееся значение δ= 7,455% <10%, что удовлетворяет требованиям ТЗ.

5. Рассчитал глубину обратной связи (ОС):

γ = (6), получилγ = 0,001996

6. Рассчитал μ :

μ = (7), получилμ = 0,998

7. Рассчитал коэффициент частотных искажений:

М=(8), получил М=1,0076.

В формуле (8): (9),(10).

Полученное значение коэффициента частотных искажений М=1,0076≈1 говорит о наличии незначительных частотных искажений.

8. По полученному значению коэффициента частотных искажений определил погрешность коэффициента преобразования в полосе рабочих частот:

= 0,76%.

2. Проектирование выходной части измерительного усилителя.

На выходе ИУ поставил преобразователь напряжение – ток. В качестве преобразователя применил операционный усилитель. По техническому заданию минимальное сопротивление нагрузки равно 20 Ом (R = 20Ом), поэтому, в качестве преобразователя, применил ИОУ К157УД1, так как данный усилитель способен выдержать максимальный выходной ток измерительного усилителя (I> I), где I- максимальный выходной ток операционного усилителя, I- максимальный выходной ток измерительного усилителя. Схема ИОУ К157УД1 приведена на рис.2; схема включения и ТХ приведены в приложении 5.

Рис.2

Коэффициент преобразования в выходной части подбирал из условия К=.

С учетом того, что К= 500, принял К=0,002. Из условия К= -, подобрал сопротивлениеR= 10 кОм.

По характеристикам ОУ К157УД1, в частности, К= 50∙10,ƒ= 0,5 МГц и параметрам ТЗ:ƒ= 8000Гц,ƒ= 150Гц построил ЛАЧХи ЛФЧХ, где К- коэффициент усиления,ƒ- частота единичного усиления ОУ К157УД1,ƒиƒ- верхняя и нижняя границы диапазона частот. Графики ЛАЧХи ЛФЧХприведены в приложении 2.

По ЛАЧХопределил: К(ƒ) = 70,79 ; К(ƒ) = 5623,41, где К(ƒ) и К(ƒ)– коэффициенты усиления ОУ на верхней и нижней границах диапазона частот соответственно.

ƒиƒпопали на горизонтальную часть ЛФЧХ, поэтому фазового сдвига не наблюдаетсяΔφ= 0˚.

1. Рассчитал выходное напряжение ИУ. Расчет производил по формуле:

U= IR,где I= 20мА , R= 20Ом. Получил значение U= 400мВ.

При выбранном коэффициенте преобразования выходной части К= 0,002 , НС ОУ не повлияет на выходной сигнал, так как= 10 мкВ, аU= 400 мВ.

2. Рассчитал R: R=, получилR= 19,96 Ом.

3. Рассчитал глубину обратной связи (ОС):

γ = , получилγ = 0,998

4. Рассчитал μ :

μ = , получилμ = 0,001996

5. Рассчитал коэффициент частотных искажений:

М=, получил М=1,00984.,.

Полученное значение коэффициента частотных искажений М=1,00984≈1 говорит о наличии незначительных частотных искажений.

6. По полученному значению коэффициента частотных искажений определил погрешность коэффициента преобразования в полосе рабочих частот:

= 0,984%.

После схемы по рис.2 поставил преобразователь уровня ТТЛ – КМОП 564ЛЕ6.

3. Проектирование промежуточной части измерительного усилителя.

В промежуточной части поставил каскадное соединение двух ИОУ КР140УД26. Таким образом, с учетом каскадов ОУ входной и выходной частей, в схеме ИУ получилось четное число ИОУ, поэтому полярность сигнала на входе и выходе ИУ будет одинаковой. Последовательно каскаду ОУ поставил фильтр низких частот (ФНЧ) и фильтр высоких частот (ФВЧ). Включение в схему фильтров вызвано необходимостью усиления только рабочих частот, приведенных в ТЗ. Включение в схему ФВЧ вызвано так же необходимостью снятия на выходе ИУ.

Схема каскада ОУ с ФНЧ и ФВЧ приведена на рис.3, где У1 и У2 – ИОУ КР140УД26.

Схема включения ОУ КР140УД26 и его ТХ приведены в приложении 6.

Рис.3

Усиление схемы производится по току, то общий коэффициент усиления семы будет равен отношению выходного и входного токов схемы. (11)

Т.к. ИУ представляет собой многокаскадное соединение ОУ во входной, промежуточной и выходной частях, то (12). Из формул (11) и (12), с учетом, К=, получил., причем, гдеи- коэффициенты усиления первого и второго каскадов промежуточной части.

На первый каскад подал коэффициент усиления = 5, на второй=2.

1. Расчет первого каскада.

Т.к. =, подобрал сопротивления,. Большой номинал

сопротивления R выбрал исходя из условия предотвращения перегорания ОУ, чтобы

обеспечить достаточную нагрузку ОУ.

По характеристикам ОУ КР140УД26, в частности, К= 100∙10,ƒ= 20 МГц и параметрам ТЗ:ƒ= 8000Гц,ƒ= 150Гц построил ЛАЧХи ЛФЧХ, где К- коэффициент усиления,ƒ- частота единичного усиления ОУ КР140УД26,ƒиƒ- верхняя и нижняя границы диапазона частот. Графики ЛАЧХи ЛФЧХприведены в приложении3.

По ЛАЧХопределил: К(ƒ) = 2138 ; К(ƒ) = 1,14∙10, где К(ƒ) и К(ƒ)– коэффициенты усиления ОУ на верхней и нижней границах диапазона частот соответственно.

ƒиƒпопали на горизонтальную часть ЛФЧХ, поэтому фазового сдвига не наблюдаетсяΔφ= 0˚.

При выбранном коэффициенте усиления первого каскада промежуточной части К=5 , НС ОУ не повлияет на выходной сигнал, поэтому в дальнейшем его не учитывал.

1. Рассчитал R: R=, получилR= 1,666 кОм.

2. Рассчитал глубину обратной связи (ОС):

γ = , получилγ = 0,1666

3. Рассчитал μ :

μ = , получилμ = 0,8333

4. Рассчитал коэффициент частотных искажений:

М=, получил М=1,00633.,.

Полученное значение коэффициента частотных искажений М=1,00633≈1 говорит о наличии незначительных частотных искажений.

5. По полученному значению коэффициента частотных искажений определил погрешность коэффициента усиления в полосе рабочих частот:

= 0,633%.

2. Расчет второго каскада.

Т.к. =, подобрал сопротивления,. Большой номинал

сопротивления R выбрал исходя из условия предотвращения перегорания ОУ, чтобы

обеспечить достаточную нагрузку ОУ.

По характеристикам ОУ КР140УД26, в частности, К= 100∙10,ƒ= 20 МГц и параметрам ТЗ:ƒ= 8000Гц,ƒ= 150Гц построил ЛАЧХи ЛФЧХ, где К- коэффициент усиления,ƒ- частота единичного усиления ОУ КР140УД26,ƒиƒ- верхняя и нижняя границы диапазона частот. Графики ЛАЧХи ЛФЧХприведены в приложении3.

По ЛАЧХопределил: К(ƒ) = 2138 ; К(ƒ) = 1,14∙10, где К(ƒ) и К(ƒ)– коэффициенты усиления ОУ на верхней и нижней границах диапазона частот соответственно.

ƒиƒпопали на горизонтальную часть ЛФЧХ, поэтому фазового сдвига не наблюдаетсяΔφ= 0˚.

При выбранном коэффициенте усиления второго каскада промежуточной части К=2 , НС ОУ не повлияет на выходной сигнал, поэтому в дальнейшем его не учитывал.

1. Рассчитал R: R=, получилR= 3,333 кОм.

2. Рассчитал глубину обратной связи (ОС):

γ = , получилγ = 0,3333

3. Рассчитал μ :

μ = , получилμ = 0,6666

4. Рассчитал коэффициент частотных искажений:

М=, получил М=1,00137.,.

Полученное значение коэффициента частотных искажений М=1,00137≈1 говорит о наличии незначительных частотных искажений.

5. По полученному значению коэффициента частотных искажений определил погрешность коэффициента усиления в полосе рабочих частот:

= 0,137%.

6. Рассчитал погрешность коэффициента усиления промежуточной части ИУ:

, получил = 0,77%.

Т.к. у первого и второго каскадов фазовые сдвиги отсутствуют, то суммарный фазовый сдвиг промежуточной части равен нулю. (Δφ= 0˚)

Рассчитал погрешность коэффициента усиления ИУ в полосе рабочих частот:

, получил = 2,514%. В соответствии с требованиями ТЗ, погрешность коэффициента усиления ИУ в полосе рабочих частот не должна превышать 3%. (≤3%) Получившееся значение = 2,514% < 3%, что удовлетворяет требованиям ТЗ.

Суммарный фазовый сдвиг ИУ определил по формуле , получил значениеΔφ= 5˚. В соответствии с требованиями ТЗ, суммарный фазовый сдвиг не должен превышать 100˚. (≤100˚) Получившееся значение = 5˚ < 100˚, что удовлетворяет требованиям ТЗ.