3.3 Разработка принципиальной электрической схемы устройства

В приложении представлена схема электрическая принципиальная цифрового вольтметра (см. приложение ФИРЭ.ИИТ.КП.607433 Э3).

Расчет входного делителя

Сопротивление входного делителя и входное сопротивление прибора

должны быть не менее 2,5 МОм.

1. Определим сопротивление входного делителя

Допустим, что входное сопротивление R1+R2+R3=10⁷Ом.

Тогда ток, протекаемый через делитель

.

Допустим, что входное напряжение инструментального усилителя не

более U_вх=1 В, тогда

.

Принимаем сопротивление R2 – 1 МОм.

Определим сопротивления R1 и R3. Допустим, что сопротивления R1=R3,

тогда

,

Принимаем сопротивление R1 и R2 – 4,7 МОм.

Таким образом, входное сопротивление цифрового прибора

.

2. Уточним максимальное входное напряжение инструментального усилителя.

Уточним значение входное напряжение

.

Расчет инструментального усилителя

Измерительные усилители обладают следующими особенностями:

– вход – дифференциальный, с высоким входным сопротивлением;

– стабильный коэффициент усиления;

– высокая равномерность АЧХ в заданной полосе частот (обычно от 0 Гц);

– высокая линейность амплитудной характеристики;

– низкий уровень шума.

Отметим, что для измерительных усилителей стабилизация режима важна не только для их функционирования в линейном режиме, но и по той причине, что их частотный диапазон начинается от 0 Гц, и нестабильность, например, выходного напряжения будет проявляться как погрешность. Поэтому к измерительным усилителям, равно как и к другим с частотным диапазоном от 0 Гц, предъявляются более жёсткие требования по стабилизации режима, чем к другим усилителям.

Применение дифференциального входа с двухпроводной линией для входного сигнала обеспечивает подавление синфазной сетевой наводки.

Рассчитаем измерительный усилитель на основе операционного усилителя, предназначенный для усиления разностного сигнала с диагонали моста, в одно из плеч которого включен диод, и оценим величину синфазной помехи на выходе усилителя, учитывая разброс номиналов резисторов схемы.

Для обеспечения устойчивой работы выходных устройств коэффициент усиления должен изменяться в пределах 30÷50. Входное сопротивление R_вх≥50 кОм.

Принимается ОУ типа К140УД8 с полевыми транзисторами на входе. Это позволит уменьшить погрешность, вызванную разностным входным током.

Синфазный сигнал

.

Примем выходное максимальное напряжение измерительного усилителя

U_вых.max=10 В,

тогда определим коэффициент усиления измерительного усилителя

Коэффициент передачи первого из усилителей:

(1)

при условии .

Дополнительно при условии R5=R6 и R7=R9 выражение (1) упрощается:

Принимаем сопротивления

R5=R7=20 кОм.

Принимаем сопротивления

R6=R8=R9=R10=20 кОм.

Тогда определим сопротивление R4

.

Принимаем значение сопротивления резистор R4 из ряда Е24

равным 2000 Ом±5%.

Уточняем коэффициент усиления

.

Уточняем максимальное выходное напряжение

.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала K_оссф усилителя при Ku=21

Выбранному операционному усилителю типа К140УД8 соответствует справочное значение коэффициента ослабления синфазного сигнала К_оссф=10⁵.

Так как справочное значение коэффициента ослабления синфазного сигнала усилителя во много раз больше расчетного, то влияние неидентичности параметров резисторов в схеме проявляется значительно сильнее, чем неодинаковость параметров плеч.

Выходное напряжение синфазной ошибки при максимальном коэффициенте усиления схемы

.

Действительная ошибка измерения равна

Погрешность удовлетворяет помехозащищенности полезного сигнала.