1.5 Обоснование структурной схемы прибора

При анализе ТЗ помимо электрических параметров следует учесть условия эксплуатации проектируемого устройства. Очень часто преобразователь упругих колебаний приходится размещать вдали от регистратора. В этом случае рядом с преобразователем размещают предварительный усилитель. А питание для него заводят по тому же кабелю, по которому снимают сигнал. Фильтр, формирующий АЧХ может быть выполнен однокаскадным или двухкаскадным на основе ФНЧ И ФВЧ, включенных друг за другом.

На входе основного усилителя могут быть включены аттенюаторы.

Регистрация сигнала осуществляется на самопишущем приборе или магнитографе. Если требуется регистрировать огибающую сигнала, выходная часть должна содержать амплитудный детектор.

В данном случае структурная схема прибора для регистрации упругих колебаний в массиве горных пород состоит из пьезоэлектрического преобразователя, предварительного усилителя, фильтров верхних и нижних частот, усилителя, аналогово-цифрового преобразователя и компьютера.

Рисунок 1 – Структурная схема прибора для регистрации упругих волн в массиве горных пород

2 ЭСКИЗНЫЙ РАСЧЕТ ОБЩИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИБОРА И ТРЕБОВАНИЙ К ЭЛЕКТРОННОМУ УСИЛИТЕЛЮ

2.1 Определение минимально допустимого значения входного напряжения сигнала

где γ – заданное минимально допустимое отношение сигнал/шум по напряжению, γ = 4;

k - постоянная Больцмана, k=1,380662 Дж/К;

R – сопротивление входной цепи усилителя, R =10 Ом;

К – коэффициент шума усилителя, К = 2,5119 (по справочным данным для КПЕ303Е);

П – полоса усиливаемых частот, П = Fmax - Fmin = 25000-200 = =24800 Гц.

2.2 Определение минимально допустимого коэффициента преобразования акселерометра

где a_min ­- минимальное регистрируемое ускорение в соответствии с ТЗ;

­ - минимально допустимое значение входного напряжения сигнала.

2.3 Определение минимального напряжения на выходе пьезопреобразователя

По полученному значению К_min и требуемому диапазону частот выбираем пьезопреобразователь типа Д-10, .

Минимальное напряжение сигнала на его выходе:

Величина минимального напряжения сигнала на входе акселерометра больше рассчитанной величины минимально допустимого значения входного напряжения усилителя ( ), следовательно, использование акселерометра Д-10 является допустимым для моего прибора.

2.4 Выбор типа ацп

• по частоте дискретизации из соотношения

• по количеству двоичных разрядов, которое выбирается исходя из условия обеспечения требуемого динамического диапазона из условия

Поскольку количество разрядов является целым числом, то минимальное число разрядов АЦП .

где D – величина динамического диапазона, измеряемая в относительных единицах

• по максимальному значению входного напряжения.

Полученным параметрам удовлетворяет АЦП-ЦАП 14/32.

Его параметры:

1) Входное напряжение U_вх = 5 В;

2) Количество разрядов АЦП = 14;

3) Максимальная частота F_max = 400 кГц;

4) Входное сопротивление R_вх = 10⁶ Ом;

5) Динамический диапазон D = 50 дБ;

6) 32 симметричных входа и 16 дифференциальных выходов

Для данного АЦП U_вых.max = 5 В.

2.5 Определение максимальной величины входного сигнала

где - максимальная величина входного сигнала, В;

- минимальное напряжение на выходе пьезопреобразователя, .

2.6 Определение требуемой величины коэффициента усиления электронного тракта

где - требуемый коэффициент усиления, отн. ед.;

- максимальная величина выходного сигнала, ;

- максимальная величина входного сигнала, .

2.7 Расчет величины коэффициента усиления электронного тракта с учетом 1 и 2 каскадов

где - коэффициент усиления с разомкнутой петлёй ОС;

- требуемый коэффициент усиления, ;

K₁ – коэффициент усиления входного каскада с обратной связью,

K₁ = 2 (отн. ед.);

K₂ - коэффициент усиления фильтра Бесселя, K₂ = 1 (отн. ед.).

2.8 Определяю глубину общей ООС при заданной нестабильности коэффициента усиления

где - глубина общей ООС при заданной нестабильности коэффициента усиления (наибольшая глубина ОС, требуемая для реализации требований по стабильности коэффициента усиления), (отн. ед.);

n – количество каскадов усиления;

- допустимая нестабильность коэффициента усиления, = = 0.1 дБ.

2.9 Определяю коэффициент усиления с разомкнутой петлей ОС

где F – наибольшая глубина ОС, необходимая для реализации требований по стабильности коэффициента усиления, дБ.

2.10 Расчет необходимого числа транзисторных каскадов

Считаю, что такой каскад при частотах до 1÷2 МГц и неравномерности коэффициента усиления на верхних частотах М_в ≥ 1÷2 дБ способен обеспечить усиление 24÷30 дБ, тогда

, следовательно, количество транзисторных каскадов принимаю равным 2.

2.11 Выбор напряжения источника питания

- частота единичного усиления

Выбираем усилитель, у которого частота единичного усиления и напряжение питания не меньше полученных значений GBW и E_п соответственно. Данным требованиям удовлетворяет усилитель K544UD2B.

3 РАСЧЕТ КАСКАДОВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Первичный преобразователь в зависимости от входного сопротивления, включают двумя способами – в режиме источника напряжения и в режиме источника тока. В первом случае входное сопротивление делают большим, тем больше, чем ниже требуемая нижняя граничная частота усилителя.

3.1 Расчёт частоты среза ФВЧ

Поскольку входная цепь, состоящая из входного сопротивления усилительного каскада , внутреннего сопротивления и ёмкости пьезопреобразователя, представляет собой фильтр верхних частот, необходимо проверить, будет ли частота среза этого ФВЧ, определенная с помощью выражения

ниже частоты . Должно выполняться условие

где - частота среза ФВЧ, Гц,

- минимальная частота полосы пропускания усилителя, = 200 Гц,

- входное сопротивление усилительного каскада, = 10⁶ Ом.

- внутренне сопротивление измерительного пьезопреобразователя Д-10, (для современной высокодобротной керамики с низкими потерями Ом) примем Ом,

- емкость измерительного пьезопреобразователя Д-10, Ф.

Указанное условие выполняется.

Комбинация пьезоэлектрического измерительного преобразователя Д-10 и входного каскада усилителя обеспечивает частотную характеристику усилителя, заданную по ТЗ.

3.2 Расчет входного усилительного каскада

3.2 1 Выбор транзистора

Выбираем полевой транзистор КП303Е. Так как транзистор используется в входном каскаде усилительного тракта прибора, то необходимо выбирать транзистор с наименьшим коэффициентом собственных шумов. Для транзистора КП303Е коэффициент шума равен k_ш = 2.5119 отн. ед.

3.2.2 Расчёт напряжения отсечки линеаризованной характеристики полевого транзистора

где - напряжения отсечки линеаризованной характеристики полевого транзистора, В;

- напряжение отсечки полевого транзистора (U_ос) или напряжение затвор – исток (U_зи), при заданном токе стока .

3.2.3 Расчёт напряжения между затвором и истоком

Напряжения между затвором и истоком равно падение напряжения на сопротивление истока.

где - напряжения между затвором и истоком, В;

- напряжения отсечки линеаризованной характеристики полевого транзистора, =2.4 В;

- ток стока, ;

S – крутизна характеристики полевого транзистора, Сим.

3.2.4 Расчёт сопротивления истока

где - напряжения между затвором и истоком, = 1.15 В;

- ток стока, = А.

Примем сопротивление истока R_u равным 240 Ом (в соответствии с рядами для определения номинальных сопротивлений и ёмкостей).

3.2.5 Расчёт сопротивления в цепи стока

где - сопротивление в цепи стока, Ом;

- коэффициент усиления с обратной связью, = 2 (отн. ед);

- сопротивление истока, = 240 Ом;

S - крутизна характеристики полевого транзистора, S = Сим.

Примем сопротивление цепи стока R_с равным 10³ Ом (в соответствии с рядами для определения номинальных сопротивлений и ёмкостей).

3.2.6 Расчёт падения напряжения на сопротивлении нагрузки стока Rс

где - ток стока, = 5 мА = А;

- сопротивление в цепи стока, = 1000 Ом.

3.2.7 Выбор напряжения покоя между стоком и истоком

Напряжения покоя между стоком и истоком принимаю равным рассчитанному в пункте 3.2.6

3.2.8 Расчёт напряжения питания первого каскада

Условие выполняется, следовательно каскад питают от одного источника .

3.2.9 Расчёт падения напряжения на балластном сопротивлении

3.2.10 Расчёт балластного сопротивления при токе стока

Примем балластное сопротивление R_б1 равным 750 Ом (в соответствии с рядами для определения номинальных сопротивлений и ёмкостей).

3.2.11 Расчёт ёмкости конденсатора фильтра

где - ёмкость конденсатора фильтра, Ф,

- балластное сопротивление, = 750 Ом,

F_min - нижняя граничная частота сигнала, F_min = 200 Гц.

Примем ёмкость конденсатора фильтра равной 56 мкФ (в соответствии с рядами для определения номинальных сопротивлений и ёмкостей).

3.2.12 Расчёт мощности рассеивания балластного сопротивления

Поскольку выделяемая мощность незначительна, то можно использовать любые малогабаритные резисторы (например, 0.125 Вт или 0.0625 Вт).

3.2.13 Выбор выходного сопротивления первого каскада

Выходное сопротивление первого каскада принимаю равным нагрузке стока

4 РАСЧЕТ КАСКАДОВ УСИЛИТЕЛЯ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ

4.1 Выбор полосы пропускания основного усилителя

Полоса пропускания основного усилителя должна быть шире, а в пределах от F_min до F_max усиление должно быть постоянно. Чтобы избежать влияния этого каскада на АЧХ, усилителя выбираем нижнюю граничную частоту основного усилителя в 2÷3 раза меньше, а верхнюю - в 2÷3 раза больше соответствующих частот усилителя.

4.2 Выбор типа микросхем

4.2.1 Выбор микросхемы по частоте единичного усиления

При выборе микросхемы усилителя обращают внимание на параметр произведения максимальной частоты усиления на коэффициент усиления на этой частоте

4.2.2 Выбор микросхемы по напряжению источника питания

Микросхемы операционных усилителей питаются, как правило, от двух разнополярных источников питания. При диапазоне входного сигнала АЦП , для обеспечения линейного режима работы усилителя напряжения источников питания должно быть не менее чем на 20÷40 % больше по сравнению с амплитудой выходного напряжения

где - напряжение источника питания, В;

- входное напряжение АЦП.

4.2.3 Выбор микросхемы по частоте единичного усиления и и по напряжению источника питания

Выбираем усилитель, у которого частота единичного усиления не меньше полученного значения GBW ( ) и напряжения источника питания микросхемы было не менее 7 В ( ). На основании расчёта принимаю усилитель K544UD2B.

Основные технические характеристики:

Частота единичного усиления ;

Напряжение питания

;

;

Ток питания .

4.3 Расчёт элементов схемы усилителя на интегральной микросхеме

Требуется обеспечить коэффициент усиления K_3ос в полосе частот от до .Рассчитаем элементы R1, R2, C1, C2. Принимаем сопротивление R2 = 1000 Ом

4.3.1 Расчёт сопротивления резистора

Примем сопротивление R1 равным 75 Ом (в соответствии с рядами для определения номинальных сопротивлений и ёмкостей).

4.3.2 Расчёт величины конденсаторов

Поскольку этот конденсатор обеспечивает АЧХ в области нижних частот, то по сетке выбираем большее значение .

Поскольку этот конденсатор обеспечивает АЧХ в области верхних частот, то по сетке выбираем меньшее значение .

4.3.3 Расчёт фактической границы полосы усиливаемых частот

Полученные значения частот среза должны удовлетворять условиям

Поставленные условия (64.34 Гц 66.67 Гц, Гц Гц) выполнены, т.е. полоса частот третьего каскада с запасом перекрывает требуемую полосу частот усилителя.

4.3.4 Расчёт элементов цепей

Для питания различных каскадов в данном случае используют параллельную схему подключения к источникам E1, E2. При этом напряжение к выводам питания каждой микросхемы подводят через фильтры нижних частот, устраняющих обратную связь между каскадами. Величину балластных сопротивлений выбирают из условия, чтобы падение напряжения на нём не превышало бы 5% от напряжения источника питания E_п. Величину ёмкости конденсатора выбирают из условия, чтобы на самой низкой частоте усиления её сопротивление было бы значительно (в 50 раз) меньше, чем сопротивление резистора фильтра.

Балластное напряжение

Балластное сопротивление

Примем балластное сопротивление равным 110 Ом (в соответствии с рядами для определения номинальных сопротивлений и ёмкостей).

Ёмкость фильтра

Примем ёмкость равной или 390 мкФ (в соответствии с рядами для определения номинальных сопротивлений и ёмкостей).