Преобразователь средневыпрямленного значения напряжения в постоянный ток

Задание

Разработать преобразователь средневыпрямленного значения напряжения в полосе 100-1000Гц в постоянный ток. Пределы измерения напряжения: 1мВ, 10мВ. Номинальный выходной ток 20 мА. Выходное сопротивление источника измеряемого сигнала – не более 100 кОм. придел приведенной относительной погрешности γ=±1,5% в диапазоне температур окружающей среды 0-+70ºС

Технические данные

Пределы измерения напряжения: 1мВ, 10мВ;

Номинальный выходной ток: 20 мA;

Полоса пропускания: 100-1000 Гц;

Выходное сопротивление источника измеряемого сигнала: не более 100 КОм

Температурный диапазон: 0 - 70º С;

Придел приведенной относительной погрешности:  γ=±1,5%.

Структурная схема преобразователя

Схема 1. Структурная схема преобразователя

Блок 1

ЦЗ – цепочка защиты от перегрузки;

Блок 2

НЗ – схема нормирования напряжения и изменения пределов измерения;

Блок 3

            Детектор средневыпрямленного значения напряжения;

Блок 4

            Пиковый детектор;

Блок 5

            Преобразователь постоянного напряжения в постоянный ток.

Используемые обозначения:

Uвх – входное напряжение;

Uнорм – нормированное напряжение;

Uср вып – средневыпрямленное напряжение;

Uпост – постоянное напряжение;

Iпост – постоянный ток.

Принципиальная схема преобразователя

Схема 2. Принципиальная схема преобразователя

Проектирование узлов преобразователя

Преобразователь средневыпрямленного значения напряжения в постоянный ток состоит из 5 основных блоков: цепочки защиты от перегрузки, схемы нормирующей напряжения при разных пределах измерения, детектора средневыпрямленного значения напряжения, пикового детектора на выходе которого постоянное напряжение и не посредственно преобразователя напряжение – ток.

Проектирование схемы нормированиями напряжения

Схема 3. Схема нормирования напряжения.

Данная схема построена на инструментальном усилителе AD620AR, само по себе использование инструментального усилителя позволяет избавиться от зависимости входного сопротивления. Переключение пределов измерения осуществляется переключением ключа, который замыкает либо резистор R1(Rg1), либо резистор R2(Rg2). (Rg – резистор определяющий коэффициент усиления ИОУ)

Определение номиналов резисторов:

Так как у нас существует два предела измерения, то нам нужно переключая их менять коэффициенты усиления.

Коэффициент усиления ОУ AD620AR определяется как , следовательно . Возьмем в качестве нормируемого напряжения U = 3 В, тогда для предела измерения 1мВ:

К = 3000 => Ом

Для предела измерения 10мВ:

K = 300 => Ом

Данные резисторы относятся к номинальному ряду Е192.

Проектирование детектора средневыпрямленного значения

Данный детектор на выходе имеет напряжение равное средневыпрямленному значению входного напряжения  (классический детектор средневыпрямленного напряжения).

Схема 4.  Детектор средневыпрямленного значения

Для того, что бы на выходе было средневыпрямленное напряжение необходимо, что бы R3=R4=R6=R, R5=2R7 и R5=3R.

Определение номиналов:

R=R3=R4=R6=10 КОм

R5=30 КОм

R7=15 КОм

Все данные сопротивления принадлежат номинальному ряду Е192.

ОУ2 – дифференциальный операционный усилитель ALD1702DA.

Проектирование сглаживающего фильтра.

Сглаживающий фильтр выполняет функцию преобразования переменного напряжения в постоянное.

Схема 5.  Схема  сглаживающего фильтра.

Фильтр построен на ОУ ALD1702DA и двух диодах 1N4001P и конденсаторе КМ-6А-П33-1000 пФ. Этот фильтр представляет не что иное, как пиковый детектор, он обеспечивает на выходе постоянное напряжение, погрешность от этого узла не значительна, так как данная емкость конденсатора полностью обеспечивает поддержание постоянного напряжения на выходе фильтра.

Проектирование преобразователя напряжения в ток

Схема 6.  Преобразователь напряжения в ток.

Преобразователь тока построен на операционном усилителе AMP03.

Ом

Расчет погрешностей.

Все резисторы выбраны марки C2-29B - 0,125Вт с допуском 0,1% и ТКС=5.

Диапазон температур окружающей среды от 0 до +70^о, нормальная температура для функционирования приборов 25^о, следовательно  ΔT=max(|25-T_min|,|25-T_max|), ΔT=45^о

Погрешности во втором блоке (схема нормирования напряжения)

Рассмотрим погрешность от ТКС резисторов

       

                             

Тогда  

Для R1(предел 1мВ, R1 = 16.4):

Для R2(предел 10мВ, R2 = 164):

Рассмотрим погрешность от допуска резисторов:

Для R1:

Для R2:

Рассмотрим погрешность от ЭДС смещения:

 

 - предел 1мВ

- предел 10мВ

Общая погрешность блока:

 - предел 1мВ (0.429%)

 - предел 10мВ (0.432%)

Погрешности в третьем блоке (детектор):

Рассмотрим погрешность от ТКС резисторов:

              

при Uнорм < 0

 при Uнорм > 0

Рассмотрим наихудший случай, в знаменателе (+) в числителе (–)

 

Следовательно, из полученных результатов для положительной и отрицательной полуволны вы для дальнейшего расчета выбираем наибольшую погрешность.

Погрешности от допуска резисторов:

Погрешности в преобразователе напряжение – ток:

Номинальный ток устанавливается только сопротивлением резистора R10.

          мОм

- от ТКС

Ом

Итого:

 = 1,8%

Заключение.

В ходе данного курсового проекта был разработан преобразователь средневыпрямленного напряжения в постоянный ток. Целевое устройство состоит из нескольких блоков: схемы нормирующей напряжение, детектора средневыпрямленного напряжения, пикового детектора и преобразователя напряжения в ток. Следует отметить тот факт, что данная реализация подобного преобразователя относительно дорога, так как построена на 5 операционных усилителях, один из которых инструментальный, а резисторы выбраны довольно точные (в случае реализации всей схемы на резисторах с допуском 0,1% погрешность результата преобразований уменьшается примерно в 3 раза). Погрешность при выборе резисторов с допуском 0,5% для детектора средневыпрямленного значения составляет 1,8%, что соответствует заданию.

Список используемой литературы.

1.  Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учеб.пособие для приборостроит. Спец. вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк. 1991,-622с.

2.  Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 2-х томах. – 3-е изд., стереотипное – М.:Мир. 1986
Перечень элементов.

Поз. обозн.	Тип, номинал	Кол-во	Примечание
Микросхемы
ОУ1	AD620AR	1	Напряжение питания: ±18 В ТКЕСМ = 0.3 мкВ/К Eсм=30 мкВ Рабочий диапазон температур: от -40°С до +85°С
ОУ2, ОУ3, ОУ4	ALD1702DA	4	Напряжение питания:±18В ТКЕСМ = 0.2 мкВ/К Eсм=50 мкВ Рабочий диапазон температур: от -60°С до +150°С
Резисторы
R1	С2-29В – 16.4	1	;  0,1%; 0.125Вт
R2	С2-29В – 164	1
R3,R4, R6	С2-29В – 10к	3	;  0,5%; 0.125Вт
R5	С2-29В –  30к	1
R7	С2-29В –  15к	1
R10	С2-29В – 50	1	;  0,1%; 0.125Вт
Конденсаторы
С1	КМ-6А-П33-1000 пФ	1	±2%
Диоды
D1,D2 D3,D4	1N4001P	4	Выпрямительный диод 50V 1A DO41