Преобразователь сопротивления кожи человека в напряжение

Министерство образования РФ

Новосибирский Государственный Технический Университет

Курсовой проект по схемотехнике

Преобразователь сопротивления кожи человека  в напряжение

Факультет:                АВТ                                                                                    Преподаватель:

Группа:                      АО-31                                                                                 Каспер А.Э.

Студент:                    Керн А.П.

Новосибирск

2006
Содержание

1.  Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 стр.

2.  Задание. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 стр.

3.  Разработка функциональной схемы преобразователя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 стр.

4.  Разработка принципиальной схемы преобразователя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 стр.

5.  Расчёт схемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 стр.

6.  Анализ погрешностей и выбор элементной базы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 стр.

7.  Выводы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 стр.

8.  Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 стр.

1. Введение.

При проектировании микроэлектронной аппаратуры обработки аналоговых сигналов часто требуется перейти от одного вида аналогового сигнала к другому. В этих случаях используются схемы преобразования аналоговых величин, к которым относятся напряжение, интервал времени, ток, сопротивление, температура и другие. В данной курсовой работе  спроектирован преобразователь сопротивления кожи человека в напряжение.

2. Задание.

         Разработать преобразователь сопротивления в напряжение. Пределы измерения сопротивления: 3 кОм ÷ 300 кОм. Номинальное выходное напряжение 2,4 В. Ток через измеряемое сопротивление не должен превышать 40 мкА. Предел приведённой относительной погрешности .

3. Разработка функциональной схемы преобразователя.

Преобразователь будет состоять из трёх блоков:

1.  Источник стабильного напряжения;

2.  Блок изменения пределов измерения сопротивления;

3.  Преобразователь сопротивления в напряжение.

Рис. 1. Функциональная схема преобразователя сопротивления в напряжение.

4. Разработка принципиальной схемы преобразователя.

1) Источник опорного напряжения.

Простейший источник опорного напряжения может быть построен на основе стабилитрона.

                                     

Рис. 2. Простейший источник опорного напряжения на основе стабилитрона

         Но такой источник имеет ряд недостатков (конечный набор значений напряжения стабилизации; большой допуск на напряжение стабилизации; большой уровень шума; сильная зависимость напряжения стабилизации от тока, протекающего через стабилитрон; большой температурный дрейф напряжения стабилизации).

Зависимость напряжения стабилизации от тока через стабилитрон обычно выражается через дифференциальное сопротивление стабилитрона: . Чем больше , тем сильнее изменяется напряжение стабилизации при изменении тока.

Для устранения влияния  необходимо сделать так, чтобы стабилитрон питался постоянным током. Это реализовано на схеме (рис.3). Операционный усилитель включен по неинвертирующей схеме. На его неинвертирующий вход поступает напряжение стабилизации , на выходе получается . Это напряжение используется для формирования тока через стабилитрон с помощью резистора : .

В данной схеме применен операционный усилитель с однополярным питанием. В момент включения усилителя с однополярным питанием на его выходе может быть только неотрицательное напряжение. Через резистор R5 оно поступает на неинвертирующий вход усилителя – возникает 100%-я положительная обратная связь и напряжение на выходе ОУ (и его неинвертирующем входе) нарастает до тех пор, пока не откроется стабилитрон. После этого коэффициент положительной обратной связи резко уменьшается и поведение схемы определяется цепью отрицательной обратной связи R3-R4.

Рис. 3. Источник опорного напряжения с питанием стабилитрона постоянным током

Нагрузка в этой схеме подключается к выходу операционного усилителя. Из этого следует ряд особенностей схемы: исключается влияние сопротивления нагрузки на величину опорного напряжения; появляется возможность устранить погрешность от допуска  стабилитрона путем подстройки коэффициента передачи усилителя; выходное опорное напряжение всегда больше  стабилитрона.

2) Блок изменения пределов измерения сопротивления.

В данном случае блок изменения пределов выполнен в виде двух ключей. С помощью резисторов подключаемых (или отключаемых) ключами мы можем формировать ток через нагрузку (Кл.1) и формировать коэффициент усиления на выходе схемы (Кл.2).

3) Преобразователь сопротивления в напряжение.

Преобразователь, использованный в данной работе, основан на операционном усилителе.

Рис. 4. Преобразователь сопротивления в напряжение.

Измеряемое сопротивление пропорционально выходному напряжению.

. Коэффициент пропорциональности равен .

Рис. 5. Общая принципиальная схема преобразователя.

5. Расчёт схемы.

Так как напряжение U_опорн должно быть строго постоянным, то мы и использовали источник опорного напряжения, который устроен на основе стабилитрона.

, где  U_ст – это напряжение стабилизации стабилитрона.

Выберем стабилитрон 1N5421B, с напряжением стабилизации U_ст =5,4 В. Если  R₃  = R₄ =10кОм, то получаем, что

Сопротивление R₅ формирует ток через стабилитрон,  известно, что для этого стабилитрона I_ст  = 20мА, откуда следует R₅ = 540 Ом.

         Ток через измеряемое сопротивление (I_Rx) не может превышать 40 мкА. Это обеспечивается входным напряжением U_опорн  и сопротивлением R₀ (или 5*R₀).Ток через нагрузку находится по формуле  (или ).

Соответственно   

        Пусть R₀=270 кОм, а R=10кОм

Возможны два варианта:

         1) Ключи 1 и 2  замкнуты. (Это необходимо для того, чтобы преобразовывать нагрузку от 3 кОм до 30кОм).

В этом случае , а  также

         2) Ключи 1 и 2 разомкнуты. (Это необходимо для преобразования сопротивления в пределах от 30кОм до 300кОм).

В этом случае , а  также

            Так что мы видим, что выходное напряжение удовлетворяет условию поставленной задачи на всем интервале сопротивлений.

6. Анализ погрешностей и выбор элементной базы.

Выбор операционных усилителей.

ОУ1 должен иметь однополярное питание для правильной работы стабилитрона и малые входные токи (LM358N). ОУ2 Должен иметь малый входной ток и малое выходное сопротивление (К140УД17А). ОУ3 должен иметь малый входной ток и достаточный коэффициент усиления.

Выбор резисторов.

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

(Ряд E192, серия С2-29В)

Таблица используемых элементов:

	Тип, номинал	Примечание
	Микросхемы
ОУ1	LM358N	K=100, Uпит=±(3…32)В, Eсм=2 мВ, Iвх=5 нА
ОУ2 ОУ3	К140УД17	K=200 тыс, Eсм=0,08 мВ, ТКЕсм=1,3 мкВ/К, Iвх=4 нА Uпит=±(3…18)В
	Резисторы
R	1кОм	С2-29В 1кОм±0.1%
R0	100кОм	С2-29В 100кОм±0.1%
R1	800.Ом	С2-29В  800.Ом±0.1%
R2	9,4кОм	С2-29В 9.4кОм±0.1%
R3	10кОм	С2-29В 10кОм±0.1%
R4	10кОм	С2-29В  10кОм±0.1%
R5	510.Ом	С2-29В  510.Ом±0.1%
	Стабилитрон
VD	1N5231B	Uст ном=5.1В, Uст min=4.85В, Uст max=5.36В, Iст=20мА, Pmax=500мВт, Rст=17Ом

1) Погрешность от нестабильности источника опорного напряжения.

Погрешность от ТКE стабилитрона 1N5231B:

 

Погрешности от ТКС и допуска резистора

У данного резистора

Погрешность от допуска 0.1%

       

Погрешность от Е_см   ОУ1.

В

 

Найдем общую погрешность источника опорного напряжения

Погрешность источника опорного напряжения составляет 0.1%      

2)Погрешность от ТКС и допусков резисторов R₁ и R_2.

Расчёты для резистора  R_2.

   

Погрешность от допуска для R₂.

.

Расчёты для резистора R₁.                                    

 

 

Погрешность от допуска для R₁.

 Найдем общую погрешность резисторов R₁ и R₂

Погрешность резисторов R₁ и R₂ составляет 0.14%      

3) Погрешность блока выбора пределов измеряемого сопротивления

Погрешность от ТКС и допуска резистора R.

 

Погрешность от допуска для R.

Погрешность от Е_см   ОУ2       

Найдем общую погрешность блока выбора пределов измеряемого сопротивления

Погрешность блока выбора пределов измеряемого сопротивления составляет 0.3%

4) Погрешность блока преобразования сопротивления в напряжение

Погрешности от ТКС и допуска резистора

У данного резистора

Погрешность от допуска 0.1%

 

Погрешность от Е_см   ОУ3       

Погрешность блока преобразования сопротивления в напряжение составляет 0.05%

Общая погрешность преобразователя:

Общая погрешность всего преобразователя составляет 0.36 %

7.  Выводы.

Данная схема преобразователя сопротивления в напряжение обеспечивает заданную точность, следовательно, элементы схемы подобраны правильно, что позволяет использовать эту схему в измерительных системах. Также она удовлетворяет всем остальным  условиям.

8.  Список литературы.

1.  Гутников В.С. “Интегральная электроника в измерительных устройствах”.

2.  Гусев В.Г., Гусев Ю.М. “Схемотехника”.