Преобразователь амплитуды напряжения в постоянный ток

Министерство образования и науки РФ

Новосибирский Государственный Технический Университет

Курсовой проект по дисциплине «Схемотехника»

«Преобразователь амплитуды напряжения в постоянный ток»

Выполнила:                                                                                  Преподаватель:

Студентка                                                                                       Каспер А.Э.

Факультета: АВТ

Группы: АО-21                                                                               Отметка о защите:                                                    

Яшина О.А.

                                                                                      ______________________

Новосибирск-2004

Содержание

Исходные данные для проектирования……………………………………..... 3

Структурная схема……………………………………………………………. . 4

Расчет схем структурных элементов…………………………………………. 5

Перечень элементов…………………………………………………………….10

Список использованной литературы…………………………………………. 11

Исходные данные для проектирования

1.  Рабочий диапазон температур ∆T=25±10°С

2.  Рабочий диапазон частот ∆f  =10÷100Гц.

3.  Пределы измерения напряжения 0-30 мВ, 0-100 мВ.

4.  Номинальный выходной ток I_н=1 мА.

5.  Общая относительная погрешность =

Задание: разработать преобразователь амплитудного значения переменного напряжения в постоянный ток.

1. Структурная схема

Преобразователь будет состоять из трех частей:

- входной делитель напряжения;

- преобразователь амплитудного значения напряжения в постоянное;

- преобразователь напряжение – ток.

 

2. Расчет схем структурных элементов

Ниже приведена общая принципиальная схема преобразователя. Расчет будет производиться по блокам.

2.1. Делитель

Делитель должен обеспечивать переключение пределов измерения и иметь одинаковое выходное сопротивление по всем выходам.     

На выходе U₁ напряжение должно составлять 100 мВ, т.е. оно должно быть без изменений, на выходе U₂ в 3.33 раза меньше, чем на U₁, таким образом, на втором выходе должно сниматься напряжение равное 30 мВ. Для этого соотношения между резисторами R₁, R₂, R₃, R₄ должны быть такими:

R₁ = 0, R₂ = 2R₀, R₃ = R₀, R₄ = R₀.

Подберем резисторы. Возьмем 192 ряд, допуск 0,1% и ТКС = 5*10^-5  .

Выберем резисторы: R₁ = 0 кОм, R₂ = 200 кОм , R₃ =100 кОм, R₄ = 100 кОм.

Анализ погрешностей:

При заданном расчетном диапазоне температур ΔR_TKC/R = ТКС∙∆Т=0.1%. Тогда суммарная относительная погрешность будет δ_T = 0.2%.

Для U₁ очевидно выходное значение напряжения будет равно U_вх независимо от погрешностей, так как выход будет подключен ко входу ОУ.

U₂ =

Так как максимальное значение выходного напряжения в любом случае не будет превышать 30 мВ, то абсолютная погрешность делителя

Погрешностями резисторов при расчете выходного сопротивления можно пренебречь, так как его значение влияет только на разность входных токов ОУ.

R_вых = 100 кОм

∆_Д = 0.153 мВ

2.2. Преобразователь амплитудного напряжения в постоянное

Этот блок предназначен для формирования постоянного выходного напряжения с минимальными потерями.

Устройство преобразователя таково: после делителя напряжение поступает на вход ОУ.

При >0 конденсатор С₁ заряжается до амплитуды входного сигнала выходным током ОУ, проходящим через открытый диод. При этом неравное нулю падение напряжения на отрытом диоде не будет приводить к погрешности, так как диод в прямую цепь замкнутого контура. Когда напряжение  примет значение, меньшее, чем амплитудное, то за счет того, что на Н-входе ОУ напряжение станет меньшее, чем на И-входе, напряжение на выходе ОУ станет отрицательным и диод закроется. В дальнейшем диод будет закрыт до тех пор, пока входное напряжение не превысит напряжения, запомненного на конденсаторе.  

Резисторы R₅ и R₆ в данном выпрямителе необязательны. Резистор R₅ ограничивает ток разряда конденсатора через входную цепь ОУ при включении напряжения питания. Примем значение этого резистора равным 10 кОм. Резистор R₆ выбирается как минимальная нагрузка ОУ. Этот резистор ограничивает выходной ток ОУ при разрядке конденсатора и способствует повышению устойчивости цепи. Значение этого резистора примем равным 100 Ом. Последующие устройства, присоединенные к выходным зажимам амплитудного выпрямителя должны иметь достаточно большое входное сопротивление, чтобы конденсатор не успевал заметно разряжаться на протяжении периода входного сигнала. Максимальный период входного сигнала равен 0.1с. Чем больше будет емкость конденсатора, тем медленнее он будет разряжаться. Выберем С₁ = 47мкФ, тогда для того, чтобы погрешность разряда конденсатора было 0.5% за максимальный период  значение резистора R₇ = 422 кОм.

Резистор R₇  необходим для того, чтобы конденсатор разряжался, периодически обновляя значение запомненного напряжения.

Напряжение на конденсаторе будет убывать/возрастать по закону:

Погрешность от разряда конденсатора:

Выбранный мною ОУ  – К140УД17А

Для него Е_см = 0,08мВ, ΔI_вх = 3нА, ТКЕ=1.3 мкВ/К.

Анализ погрешностей:

Абсолютная погрешность от E_см Δ = 0.08 мВ;

погрешность от входных токов:  , Δ =60 мкВ;

погрешность Е_см от температуры ;

относительная  погрешность от разряда конденсатора 0.5%, тогда абсолютная погрешность составляет не больше 0.5 мВ.

Неточности резисторов и конденсатора не играют роли, т. к. от их значений и величин выходное напряжение почти не зависит.

Итак, после второго блока Δ = (0.153 + 0.08 + 0.026 + 0.06 + 0.5)мВ=0.189 мВ.

Δ = 0.189 мВ

R_вых = 422 кОм

2.3. Преобразователь напряжение – ток

Цель этого звена в преобразовании входного напряжения в ток достаточной силы.

Для усиления мощности стоит транзистор VT. Транзистор КП302А. Он должен удовлетворять простым характеристикам: ток затвора должен быть меньше 10 нА.

R_вх = 422 кОм.

Для того чтобы номинальный выходной ток был 1мА, R₀ = 100 Ом. Для уменьшения влияние входных токов ОУ выберем R₈ = 422 кОм.

Номинальный выходной ток равен 1 мА.

Если U_пит = 1 В, то R_{н max} = 665 Ом.

Анализ погрешностей:

Входная погрешность будет прямо влиять на напряжение на резисторе R₀. Также ОУ будет приводить в погрешность из-за напряжения смещения и влияния входных токов.

Входная погрешность: Δ_вх = 0.189 мВ;

погрешность от Е_см Δ = 0.08мВ;

погрешность от входных токов: = 1.26 мВ.

Таким образом, Δ₀ =  1.535 мВ. Это приведет к погрешности выходного тока Δ_R = 0.01535мА.

Так же окажет влияние ток затвора у транзистора VT: Δ_VT = 10нА.

Из-за ТКС резистора R₀ возникнет погрешность  = 0.001 мА.

Δ = Δ_{R +} Δ_{ТКС +} Δ_VT = 0.01635 мА

δ=1.635%

Суммарная погрешность менее 2%.

Перечень элементов

Наименование	Тип
Операционные усилители ОУ1 ОУ2	К140 УД 17 (А) К140 УД 17 (А)
Резисторы	С2-29В-0.125 200кОм±0.1% С2-29В-0.125 100кОм±0.1% С2-29В-0.125 100кОм±0.1% С2-29В-0.125 10кОм±0.1% С2-29В-0.125 100Ом±0.1% С2-29В-0.125 422кОм±0.1% С2-29В-0.125 422кОм±0.1% С2-29В-0.125 100Ом±0.1%
Диод	КД503А
Конденсатор	К53-7-16В-47±10%
Транзистор VT	КП302А

Список используемой литературы

1.  Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.-2-е изд., перераб. И доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. – 304с.: ил.

2.  Кунов В.М. Операционные усилители (справочные материалы); Фирма «Системы электроники и медицины». – Новосибирск, 1992. – 48с.

3.  www.alfa-elektronik.com.