4 Разработка, описание и расчёт принципиальной схемы

4.1 Разработка аналоговой части

Начнём разработку принципиальной схемы устройства с разработки согласующего канала. Он будет состоять из усилителя и фильтра низких частот.

Разработаем усилитель сигнала. Он должен иметь входное сопротивление не менее 40 кОм. Рассчитаем коэффициент усиления дифференциального сигнала. Так как диапазон входных сигналов АЦП 0÷5 В, а сигнал с электродов имеет максимальную амплитуду 30 мВ, то .

Реализуем усилитель по схеме инструментального усилителя на трёх ОУ. Первый каскад, состоящий из усилителей DA1 и DA2, усиливает дифференциальный сигнал в (1+ 2·R2/R1) раз, коэффициент передачи синфазного напряжения равен единице. Второй каскад, выполненный на DА3 в дифференциальном включении, усиливает дифференциальный сигнал в (R6/R4) раз [6]. Используем операционные усилители К140УД22. Их основные параметры:

1. напряжение питания

2. максимальное выходное напряжение

3. напряжение смещения нуля

4. ток потребления

5. коэффициент ослабления синфазного сигнала при разомкнутой цепи отрицательной обратной связи

Используем резисторы С2-29в точности 0,1%.

Пусть Кдиф1 = 10, Кдиф2 = 16,7. Тогда .

Положим в схеме R2 = R3, R4 = R5, R6 = R7. Выберем R1 = 47 кОм из ряда E3 [9]; такой номинал сопротивления обеспечит требуемое входное сопротивление. Тогда . Выберем R2 = R3 =  из ряда E96 [9].

Кдиф2 = 16,7. Пусть R4 = R5 = 1 кОм.

Тогда R6 = R7 = Кдиф2·R4 = 16,7 кОм. Из ряда Е96 выбираем R6 = R7 = 16,5 кОм.

Рисунок 2 – Инструментальный усилитель на трёх ОУ

Разработаем ФНЧ. Фильтр нижних частот предотвращает пропускание шумов и сигналов с частотой выше самой высокочастотной информативной составляющей сигнала [6]. Для разрабатываемого прибора наиболее высокочастотная информативная составляющая сигнала равна f_{c макс} = 100 Гц. Выберем частоту среза фильтра нижних частот с небольшим запасом f_ср = 110 Гц.

Согласно выводам, сделанным при расчёте функциональных параметров, используем фильтр Баттерворта 2-го порядка. В качестве схемной реализации фильтра Баттерворта 2-го порядка используем ФНЧ на повторителе.

Используем в качестве DA4 операционный усилитель К140УД22, резисторы С2-29 точности 1% и конденсаторы К10-17 точности 10%. Невысокая точность конденсаторов не окажет значительного влияния работу прибора, так как уход частоты среза на 10 процентов в любую из сторон не критичен.

Рисунок 3 – ФНЧ на повторителе

Зададим R8 = R9 = 47 кОм из ряда Е3. Тогда С2 = = 22 нФ.

Выберем С2 = 22 нФ из ряда Е6.

С1 = 2∙С2 = 44 нФ. Выберем С1 = 47 нФ из ряда Е6.

Для подачи опорного напряжения на АЦП необходимо реализовать стабилизатор напряжения. Эта необходимость связана с наличием помех на шине питания, вызванных переключениями режимов микросхем, наличием сетевых шумов и т. д. Используем схему стабилизатора напряжения на основе стабилитрона.

Рисунок 4 – Источник опорного напряжения

Выберем стабилитрон КС168В. Он имеет напряжение стабилизации 6,8 В при токе стабилизации 10 мА. Используем резисторы С2-29 точности 1%. Напряжение питания +U_п = 12 В. Для задания рабочего тока стабилитрона зададим R10 = = 520 Ом. Выберем R10 = 510 Ом из ряда E24.

Резистор R11 необходим для ограничения максимального напряжения Vref, регулируемого с помощью резистора R12. Рассчитаем значения резисторов. Ограничим максимальное значение напряжения Vref.max = 5.5 В. Зададим ток эмиттера I_э = 17 мА. Тогда R11 =  = 35 Ом, R12 = = = 323 Ом. Выберем R11 модели С2-23 0,25 Вт 36 Ом 1%, резистор R12 модели СП5-16ВА 0,25 Вт 330 Ом 5%.

В качестве VT1 выберем n-p-n транзистор КТ315Б 20В 0,1А 0,15Вт.