Преобразователь амплитудного значения напряжения в постоянный ток

Министерство образования РФ

Новосибирский государственный технический университет

Курсовой проект по схемотехнике

Преобразователь амплитудного значения напряжения в постоянный ток

Новосибирск

2005

Содержание.

Введение.

Задание.

Разработка функциональной схемы преобразователя.

Разработка принципиальной схемы преобразователя.

Расчёт схемы.

Анализ погрешностей и выбор элементной базы.

Принципиальная схема и перечень элементов.

Выводы.

Список литературы.

Введение.

При проектировании микроэлектронной аппаратуры обработки аналоговых сигналов часто требуется перейти от одного вида аналогового сигнала к другому. В этих случаях используются схемы взаимного преобразования аналоговых величин, к которым относятся напряжение, интервал времени, ток, сопротивление, температура и т. д. Большинство этих схем в настоящее время реализуется на ОУ, таймерах и перемножителях.

Задание.

Преобразователь амплитудного значения напряжения в полосе 100-1000Гц в постоянный ток. Пределы измерения: 1В, 10В. Номинальный выходной ток 1мА. Выходное сопротивление источника измеряемого сигнала – не более 100 кОм. Пределы приведенной относительной погрешности g = (-/+)0,5% в диапазоне температур окружающей среды           0 - +55’C.

Разработка функциональной схемы преобразователя.

Преобразователь будет состоять из трёх блоков:

1.  Блок изменения пределов измеряемого напряжения;

2.  Детектор амплитудных значений напряжения;

3.  Источник тока.

Рис. 1. Функциональная схема преобразователя амплитудного значения напряжения в постоянный ток.

Разработка принципиальной схемы преобразователя.

1. Блок изменения пределов измеряемого напряжения.

В данном случае блок выполнен в виде операционного усилителя, коэффициент которого можно изменять.

Рис. 2. Блок изменения пределов измеряемого напряжения.

Если ключ разомкнут, то схема представляет собой повторитель напряжения. То есть напряжение на выходе операционного усилителя равно напряжению на входе.

R2=9*R1

 Если ключ замкнут, то схема является не инвертирующим усилителем напряжения. Коэффициент усиления равен , то есть    ,что позволяет менять пределы измерения.

2. Пиковый детектор.

Простейший пиковый детектор состоит из диода и конденсатора.

Рис. 3 Простейший пиковый детектор.

Наибольшее значение входного колебания заряжает конденсатор, который сохраняет заряд до тех пор, пока диод смещён в обратном направлении.

Этот метод имеет серьезные недостатки. Из-за падения напряжения на диоде эта схема не чувствительна к пикам, меньшим 0,6В, а для больших пиков она дает ошибку (на величину падения на диоде). Более того, падение на диоде зависит от температуры и протекающего через диод тока, а это значит, что погрешность схемы  зависит от температуры окружающей среды и скорости изменения выходного напряжения. Схема следующего вида позволяет избавиться от перечисленных недостатков:

Рис. 4 Улучшенный пиковый детектор.

Uмакс=Uвых

4.  Источник тока.

В данном преобразователе используем источник тока Хауленда:

Рис. 5 Источник тока Хауленда

Если резисторы подобраны таким образом, что выполняется соотношение R5*R8=R6*R7, то справедливо равенство In=Uвх/R7

Рис. 6. Общая принципиальная схема преобразователя.

Расчёт схемы.

Напряжение на выходе блока изменения пределов измеряемого напряжения всегда равно 10В(см. выше).

R1=1кОм; R2 и R2’ номиналом по 18кОм каждый включены параллельно, так что в итоге дают сопротивление 9кОм.

При подаче 10В ключ разомкнут, и схема представляет собой повторитель(Uвх=Uвых=10В).

При подаче 1В ключ замкнут, и схема уже не инвертирующий усилитель (Uвых=Uвх*((R2||R2’)+R1)/R1=1*(1+9)/1=10В).

Сигнал проходя через пиковый детектор преобразуется из 10В переменного напряжения в 10В постоянного амплитудного значения напряжения. R₃=47кОм. Дабы избежать утечки с самого конденсатора выбирается высококачественный полистироловый конденсатор емкостью 10пФ. R4 это очень большое сопротивление(R4=10МОм)  для разрядки конденсатора. Диоды так же подбираются с малым током утечки.

Т.к. сопротивления источника тока соответствуют соотношению R5*R8=R6*R7(10кОм*10кОм=10кОм*10кОм), то справедливо и равенство In=Uвх/R7=10В/10кОм=1мА, что соответствует заданию.

Анализ погрешностей и выбор элементной базы.

Выбор операционных усилителей.

ОУ DA1 Должен иметь малый входной ток и малое выходное сопротивление (К140УД17А). ОУ DA2 и ОУ DA3 должен иметь малый ток смещения, так что лучше выбрать ОУ со входами на полевых транзисторах(LF355). ОУ DA4 Должен иметь малый входной ток и малое выходное сопротивление (К140УД17А).

Выбор резисторов.

Резисторы должны иметь малый допуск и малое ТКС, т.е., должны быть прецизионными.

(Ряд E192, серия С2-29В)

 Погрешности для блока изменения пределов измеряемого напряжения.

1. Погрешности от ТКС и допусков резисторов.

Возьмем 192 ряд, допуск 0,1% и

 

                                   

Допуск  0.1%

Расчёты для резистора  .

.

;

;

Погрешность от допуска.

.

Расчёты для резистораи .                                    

.

      

Погрешность от допуска.

2.   Погрешность от Е_см   DA1;

     

,                  

Расчёты для DA1.

,

.

Погрешности для пикового детектора напряжений

Наиболее весомый вклад в общую погрешность в схеме пикового детектора вносит погрешность от Е_см и его зависимость от температуры.

       Погрешность от Е_см   DA2(DA3);

     

,

Погрешности для источник тока.

1. Погрешности от ТКС и допусков резисторов.

Расчёты для резистора  , .

.

;

Погрешность от допуска.

;

.

Расчёты для резистора  .

;

;

;

Погрешность от допуска.

;

.

2.   Погрешность от Е_см   DA4;

     

,                  

Расчёты для DA4.

,

.

Найдем общую погрешность:

 или в процентах 0,03%.

Данная погрешность удовлетворяет заданной.

Принципиальная схема и перечень элементов.

Рис. 8. Принципиальная схема.

Поз. обозн.	Тип, номинал	Примечание
	Микросхемы
DA2 DA3	LF355	K=106 Дб, Uпит=±(5…18)В, Eсм=0,05 мВ, Iвх=3 пА
DA1 DA4	К140УД17	K=200 тыс, Eсм=0,08 мВ, ТКЕсм=1,3 мкВ/К, Iвх=4 нА Uпит=±(3…18)В
	Диоды
VD1 VD2	1N3595B	Uмах=150В, If=200мА, Ir=1нА.
	Прецизионные резисторы
R-R6	E192, С2-29В	ТКС = ,  допуск ±0,1%

R=1кОм, R2иR2’=18кОм, R3=47кОм, R4=10МОм, R5=10кОм, R6=10кОм, R7=10кОм, R8=10Ом.

Выводы.

Данная схема преобразователя сопротивления в напряжение обеспечивает заданную точность, следовательно, элементы схемы подобраны верно, что позволяет использовать эту схему в измерительных системах.

Список литературы.

1. Гутников В.С. “Интегральная электроника в измерительных устройствах”.
2. П. Хоровиц, У. Хилл “Искусство схемотехники”.
3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. “Схемотехника”.