2.1. Описание и расчет принципиальной схемы

2.1.1. Расчет усилительного каскада

Усилительный каскад выполнен на двух операционных усилителях К574УД1. Схема включения приведена на рисунке 6.

Рис. 6 Схема включения усилительного каскада

Технические характеристики усилителя К574УД1:

К_уи= 100000;

R_Hmin= 2кОм;

U_п= ±10В;

I_потр= 5,5мА;

I_вх= 0,5мА;

е_см= ±25мВ;

i_вх= 0,05нА;

U_вых= ±10В.

Каскад выполнен по инвертирующей схеме. Потому что с точки зрения точности получения определенного значения коэффициента преобразования, его стабильности, а также обеспечения устойчивости удается получить в схемах, в которых входной сигнал подается на инвертирующий вход.

Коффициент усиления при таком включении рассчитывается по формуле:

К_и= - R2/R1,

где R1 – входное сопротивление усилителя,

R2 – сопротивление обратной связи.

Входная частота равна 50кГц, входное напряжение каскада составляет 1мВ, выходное – 5В.

Коэффициент усиления каскада рассчитывается по формуле:

К_и=U_вых/U_вх,

где U_вх – входное напряжение каскада,

U_вых – выходное напряжение каскада.

Коэффициент усиления каскада равен К_и=5В/1мВ=5000.

Зададим для усилителя DA1 коэффициент усиления К_и равным 100.

Пусть сопротивление R1 будет равным 2 кОм, тогда значение сопротивления R2 составит

R2 = K_u R1=1002000 =200 кОм.

Резистор R3 введен для того, чтобы уменьшить дифференциальный постоянный сигнал, появляющийся на входе микросхемы при температурных изменениях входных токов. Поэтому его значения следует выбирать из условия равенства активных сопротивлений, включенных в цепи входов микросхемы.

R3=R2R1=R1R2/(R1+R2) = 410⁸/202000 =1,9 кОм.

Из ряда номинальных сопротивлений Е24 выбираем ближайшее к этому значение сопротивления R3 = 2 кОм.

Резистор R4 является подстроечным. В схеме он применяется для согласования коэффициентов усиления между каскадом. Значение его берется порядка 5,1кОм.

У усилителя DA2 коэффициент усиления К_и будет равен 50.

Входное сопротивление для него складываться из сопротивления R4, емкостной составляющей входного сопротивления, а также сопротивления R5.

Значение емкости конденсатора С7 составляет 50 нФ, тогда емкостная составляющая входного сопротивления на частоте 50 кГц составит:

Х_с= 1/jС =1/(500005010^-9) = 400 Ом.

Исходя из данных, входное сопротивление R_вх усилителя DA2 будет равным

R_вх= 5000 + 400 + 2000 =7,4 кОм

Из ряда Е24 выбираем ближайшее значение равное 7500 Ом.

Значение сопротивления R26 будет равным

R6 = R_вхК_и =750050 =375 кОм

Из ряда выбираем R6 = 390 кОм.

Резистор R7 вычисляется как: R7=R6R_вх=R6R_вх/(R6+R_вх) =292510⁶/397500 =7,3 кОм

Из ряда Е24 выбираем R7=7500 Ом.

Балансировочные сопротивления R8 и R9 необходимы для коррекции напряжения смещения нуля. Исходя из справочных данных, их значение берется порядка 3 МОм.

При усилении гармонического сигнала достаточно малой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает. При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются усилителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала. Такие искажении называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений:

,

где К(0) – значение коэффициента усиления на нулевой частоте,

К() – значение коэффициента усиления на заданной частоте.

Коэффициент усиления определяется по формуле:

K(j) =,

где .

Коэффициент частотных искажений всего каскада будет равен коэффициенту частотных искажений первого усилителя на коэффициент частотных искажений второго.

Для первого усилителя:

К_уи(0)

К_уи(50000)=

Коэффициент усиления на заданной частоте определяется по ЛАЧХ ОУ, представленной на рисунке 7.

К_уи

10⁵

10⁴

10³

10 10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ f, Гц

Рис.7. Зависимость коэффициента усиления напряжения от частоты

М₁=

Для второго усилителя:

К_уи(0) =

К_уи(50000) =

М₂ =

М_каск =М₁М₂ =1,011,007 =1,01707.

Следует отметить, что данные расчета усилительных каскадов справедливы для каждого из девяти заданных каналов.