Содержание

Введение..................................................................................................2

Задание на проектирование....................................................................3

1. Выбор структурной схемы измерительного преобразователя и определение общего коэффициента передачи.................................................4

2. Расчет выпрямителя............................................................................9

2.1 Выбор типа операционного усилителя и схемы

выпрямителя............................................................................................9

2.2 Расчет значений элементов.............................................................12

3. Расчёт фильтра...................................................................................14

3.1 Выбор типа операционного усилителя и схемы фильтра..............14

3.2 Расчет значений элементов.............................................................15

4. Расчет погрешности преобразователя.............................................17

5. Описание принципиальной схемы......................................................19

Заключение............................................................................................20

Список использованных источников....................................................21

Введение

Измерительные преобразователи для систем управления предназначены для информационной связи первичных источников информации (датчиков) и исполнительных устройств системы управления.

Такие преобразователи выполняются, как правило, с использованием интегральных схем. Применение интегральных схем позволяет сократить сроки проектирования, резко увеличить надёжность и срок службы изделия, уменьшить его стоимость и применять при изготовлении прогрессивные технологии массового производства.

При проектировании преобразователей чаще всего используется набор некоторых универсальных элементов, позволяющих строить каскады преобразования с разными функциями путём различного включения навесных пассивных элементов.

В данной работе в качестве такого универсального элемента используется операционный усилитель.

Операционный усилитель специально разработан и согласно ГОСТу «предназначен для использования в схемах с отрицательной обратной связью в качестве преобразователя аналоговых электрических сигналов». На основе операционного усилителя возможно построение широкого класса линейных и нелинейных преобразователей в частотном диапазоне до нескольких сотен килогерц.

Задание на проектирование

Разработать преобразователь средневыпрямленного значения в напряжение в соответствие со следующими параметрами:

- диапазон входного напряжения (Uвх) от 5мВ до 1В.

- погрешность δ не более ±1.5% в диапазоне частотыf_вхот 1Гц до

20кГц

- напряжение на выходе номинальное (Uвых.ном) 3В (при Uвх=250мВ).

1. Выбор структурной схемы преобразователя средневыпрямленного значения в напряжение и определение общего коэффициента передачи

Схемы преобразователей средневыпрямленных значений можно разделить на две группы: однополупериодные и двухполупериодные схемы. Простейшие схемы этих преобразователей представлены на рис.1, а и б.

Рис.1 Пассивные преобразователи средневыпрямленного значения

Однополупериодная схема (Рис.1, а) обычно применяется в простейших измерительных приборах. Ток через измеритель проходит только во время положительного полупериода измеряемого напряжения (диод D1). Диод D2 служит для защиты диода D1 от пробоя обратным напряжением.

В качестве двухполупериодного преобразователя чаще используется мостовая схема (рис.1, б). Средний ток, протекающий через измеритель, в этом случае в два раза больше, чем в однополупериодной схеме, что повышает чувствительность преобразователя в два раза. Это вызвано тем, что ток через диагональ моста протекает в одном и том же направлении в течение обоих полупериодов переменного напряжения (направление тока в схеме соответствует проводящему направлению диодов).

Недостатками подобных преобразователей являются влияние нелинейности вольт-амперной характеристики диодов при измерении малых напряжений (нелинейность шкалы), влияние температурной зависимости параметров диодов и их нестабильность. Порог чувствительности преобразователей, построенных по приведенным выше схемам, не лучше 100мВ (по заданию необходимо не хуже 5 мВ).

Избежать вышеназванных недостатков позволяют активные преобразователи, построенные с использованием усилительных элементов (рис.2)

Рис.2 Активный преобразователь средневыпрямленного значения

Усилитель (У) переменного напряжения охвачен отрицательной обратной связью, в которую включен двухполупериодный преобразователь. Введение отрицательной обратной связи повышает стабильность и улучшает амплитудно-частотную характеристику усилителя, уменьшает нелинейность, обусловленную нелинейностью прямого сопротивления диода.

Измерительный преобразователь должен усиливать входной переменный сигнал наряду с его выпрямлением, причём общая погрешность преобразованного постоянного выходного сигнала не должна превышать заданного значения в оговоренном диапазоне частот.

Так как предполагается в качестве основных активных элементов использовать операционные усилители (ОУ), для которых заданная верхняя граница частоты усиления практически является предельной, основной коэффициент усиления предполагается реализовать в тракте усиления постоянного напряжения. Поэтому структурная схема преобразователя (см. рис.3) должна состоять из следующих блоков:

- выпрямителя (В), осуществляющего преобразование входного напряжения усилителя в пульсирующее постоянное;

- сглаживающего фильтра (Ф) (фильтра нижних частот), уменьшающего пульсации выпрямленного напряжения до значения, меньшего, чем погрешность преобразования на частоте fН, и одновременно обеспечивающего требуемый коэффициент усиления всего преобразователя.

Рис. 3 - Структурная схема измерительного преобразователя

Общий коэффициент передачи К определяется соотношением выходного и входного сигналов напряжения:

При последовательном соединении каскадов общий коэффициент усиления преобразователя равен произведению их коэффициентов:

Предварительно назначены К1=1, К2=12.

Основными паспортными динамическими параметрами ОУ являются К₀– коэффициент усиления на нулевой частоте (на постоянном токе) и частотаF_tединичного усиления, связанные между собой через третий параметрF₀, называемый частотой среза: К₀=F_t/F₀. Частотой среза ОУ называется такая частота входного сигнала, на которой собственный коэффициент усиления ОУ уменьшается до значения, равного 0,707_. К₀(примерно на 30 %). Частотой единичного усиления ОУ называется такая частота входного сигнала, на которой собственный коэффициент усиления ОУ уменьшается до значения, равного 1.

Рис. 4 - АЧХ ОУ

Графическая интерпретация связи между этими параметрами дана на рис. 4а. На рис. 4б представлена эквивалентная динамическая схема ОУ. В соответствии с данной моделью принято считать [3], что на частотах от 0 до F₀коэффициент усиления ОУ постоянен и равенK₀. На частотах отF₀доF_tкоэффициент усиления уменьшается обратно пропорционально (со скоростью –20 дБ на декаду в логарифмических единицах) частоте входного сигнала. Таким образом, типовая АЧХ ОУ может быть выражена следующими соотношениями:

К(f) = К₀, fF₀,

К(f) =F_t/f,fF₀.

АЧХ любых устройств, построенных на ОУ, могут иметь разную форму, но всегда будут находиться внутри типовой АЧХ.

Исходя из этого, определим требования к частоте единичного усиления ОУ, которые будем применять в преобразователе. Полоса пропускания для проектируемого устройства определена в 20 кГц. Коэффициенты усиления для выпрямителя К1=1, для фильтра К2=12.

Таким образом, частота единичного усиления ОУ для выпрямителя должна быть не менее

F_tв= КуF_в= 120000 = 0.02 МГц ,

для ОУ фильтра не менее

F_tф= КуF_в= 1220000 = 0.24 МГц