АТ / Laboratornaya_rabota_3_1

Лабораторная работа 3.

Разработка схемы измерения сопротивления по четырехпроводной схеме подключения.

Разработать схему измерения сопротивления. Максимальная величина сопротивления Rн, Ток опроса не менее Iн. Напряжение смещения не более 3 мВ. Напряжение питания

12±3 В. Максимальное напряжение на сопротивлении не должно превышать 5 В. Выходное напряжение должно лежать в пределах от 0 до 3 В. Динамический диапазон не менее K раз. Количество коэффициентов усиления не менее 4-х.

Функциональная схема измерителя напряжения должна состоять из нескольких частей.

1.Схема стабилизатора напряжения.

2.Схема источника постоянного тока.

3.Схема измерителя напряжения.

4.Схема усилителя.

Рассмотрим каждую схему по отдельности.

Стабилизатор напряжения.

Так как напряжения питания меняется в широких пределах, его необходимо стабилизировать. Для этого мы можем воспользоваться линейным стабилизатором с фиксированным выходным напряжением, либо разработать линейный стабилизатор самостоятельно (лабораторная работа 1). Воспользуемся готовым линейным стабилизатором. Необходимо определить выходное напряжение стабилизатора. С одной стороны, чем выше выходное напряжение к напряжению питания, тем выше КПД схемы. С другой стороны, это напряжение является напряжением питания операционных усилителей и источника тока. Высокое выходное напряжение при низком напряжении на нагрузке приведет к низкой нагруженности источника тока. Выберем выходное напряжение на уровне 10 В. В качестве линейного стабилизатора будем использовать

LM317.

Источник тока.

Схема источника тока должна обеспечивать выходной ток Iн при сопротивлении нагрузки Rн. В качестве исходной возьмем схему, представленную на рисунке 1. В данной схеме опорное напряжение Vref задает напряжение на истоке транзистора, в этом случае выходной ток определяется как Iн=(Vcc-Vref)/Ri. В схеме можно использовать как биполярный так и полевой транзистор, основное требование к транзистору – при падении напряжения на нагрузке IнRн, падение напряжения на нем дожно быть не более VrefIн*Rн. Для МОП транзистора падение напряжения определяется как Iн*Rds.

Рисунок 1 Схема источника тока со стабилизатором напряжения

Измеритель напряжения.

Четырехпроводная схема измерения задает определенные требования к измерителю. Измеритель должен быть включен по дифференциальной схеме, т.е. выходное напряжение должно быть пропорционально разности входных напряжений. Это требование позволит избавиться от дополнительного падения напряжения на проводах, которые идут до измеряемого сопротивления. Использование однополярного питания накладывает определенные требования на ОУ. Для некоторых ОУ, минимальное входное напряжение должно быть выше нулевого потенциала на несколько сотен милливольт, либо необходимо использовать rail-to-rail ОУ.

Функция, реализуемая измерительной схемой

y=k*(Vh-Vl)+b

k>1

b>0

Для реализации этого уравнения соберем схему как на рисунке 2. Резистор Rop используется для поднятия напряжения Vl над «землей» на уровень порядка 0,25 В при

токе опроса Iн. Это сделано для того, чтобы ОУ гарантированно работал, т.к. мы используем однополярное питание и не r-t-r ОУ.

Опорное напряжение Vop задается через делитель и буферный повторитель U6.

В результате получим, что Vout=(Vh-Vl)+Vop.

Рисунок 2 Схема измерителя

Посмотрим как меняется выходное напряжение в зависимости от сопротивления нагрузки. Пункт меню Simulate->Analysis->Parameter Sweep

Зададим параметры как на рисунке 3,4 и нажмем Simulate. В результате получим требуемую зависимость в виде графика (рисунок 5).

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5 Зависимость Vout от Rload

Усилитель.

Схему усилителя реализуем с помощью переключаемых резисторов. Данная схема может быть реализована на поворотных резисторах, подстроечных резисторах, переподключаемых соединителях, цифровых потенциометрах (типа AD5174). Схема для 2х коэффициентов усиления показана на рисунке 6.

Рисунок 6