Разработка преобразователя приращения сопротивления в напряжение

Содержание

1.  Введение.

2.  Техническое задание.

3.  Структурная схема.

4.  Принципиальная схема преобразователя.

5.  Расчет элементов схемы.

6.  Расчет погрешностей.

7.  Перечень элементов.

8.  Вывод.

9.  Литература.

Введение

В настоящее время существуют различные преобразователи физических величин, например: напряжения в ток, сопротивления в постоянное напряжение, частоты в напряжение.

Преобразователи одной величины в другую широко применяются в радиоэлектронике, микроэлектронике и системах сбора и обработки данных. При построении таких преобразователей используются операционные усилители. Это позволяет значительно увеличить выходное сопротивление схемы, тем самым, уменьшив влияние на работу последующих звеньев.

Техническое задание.

Разработать преобразователь приращения сопротивления в напряжение. Пределы измерения приращения сопротивления ΔR (начальное сопротивление R_o): 100 Ом (1 кОм), 1 кОм (10 кОм). Номинальное выходное напряжение 2В. Ток через измеряемое сопротивление не должен превышать 100 мкА. Предел приведенной относительной погрешности γ=+/- 2% в диапазоне температур окружающей среды от 0 до +70 ^оС.

Структурная схема

Схема преобразования приращения с сопротивления в напряжения состоит из 2-х основных блоков.

1. Блок усиления – инструментальный усилитель, где первоначальное напряжение усиливается до необходимого значения. На выходе этого блока мы получаем напряжение пропорциональное приращению сопротивления и постоянная составляющая, получаемая из-за начального сопротивления R₀. Варьируя резистор R_к мы сможем изменять коэффициент усиления, тем самым приводить разные пределы измерения к одному напряжению.

2. Блок вычитания постоянной составляющей. Блок состоит из сумматора на один вход которого подается сигнал с блока 1, на второй вход подается опорное напряжение. Подбором резисторов, добиваются вычитания постоянной составляющей.

Принципиальная схема преобразователя

Вывод формулы выходного напряжения первого блока: инструментальный усилитель.

Вывод формулы выходного напряжения для блока: Дифференциальный усилитель

Расчет элементов схемы

Расчет номиналов для первого блока.

При изменении предела измерения, необходимо, чтобы выходное напряжение оставалось постоянным. Для этого будем изменять коэффициент усиления инструментального усилителя. Возьмем K=100 – для первого предела измерения, K=10 – для второго предела измерения.

Расчет R_к(для первого предела)

Расчет R_к(для второго предела)

Расчет номиналов для второго блока

Так как операция приведения разных пределов измерения к одному выполняется в первом блоке (инструментальный усилитель). На вход второго блока всегда поступает одно и тоже напряжение и учитывая факт, что 

Очевидно, что для простого вычитания номинального напряжения  и номинального напряжения , необходимо выполнение условий:

• ;
• ;

Из этого следует, что . Возьмем для определенности по 1 кОм.

Расчет погрешностей

Рассмотрим инструментальные погрешности:

1.         Погрешность от допусков резисторов

2.         Погрешность от ТКС резисторов

3.         Погрешность от Е_см   инструментального и операционного усилителей.

4.         Погрешность от источника тока.

5.         Погрешность от источника опорного напряжения.

Диапазон рабочей температуры

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

Погрешность от инструментального усилителя (первый блок)

Рассмотрим погрешность от ТКС резисторов (для первого предела)

                                        

Где                               

                                    

Тогда  

Рассмотрим погрешность от допуска резисторов (для первого предела)

                                        

Где                               

                                    

Тогда  

Рассмотрим погрешность от ТКС резисторов (для второго предела)

                                        

Где                               

                                    

Тогда  

Рассмотрим погрешность от допуска резисторов (для второго предела)

                                        

Где                                 

                                    

Тогда  

Рассмотрим погрешность от ЭДС смещения (для первого предела)

 K=100

Рассмотрим погрешность от ЭДС смещения (для второго предела)

 K=10

Погрешность от операционного усилителя (второй блок)

Рассмотрим погрешность от ТКС резисторов

                   

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

Тогда  

Рассмотрим погрешность от допуска резисторов

                   

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

Тогда  

Рассмотрим погрешность от ЭДС смещения

Погрешность от источника тока

В этом проекте источником тока является REF 200 фирмы Burr Brown:

ТКЕ =25 ppm/^oC

ΔI_нач(допуск)=0.0025

Относительная погрешность от  источника тока:

Погрешность от источника опорного напряжения

В этом проекте источником опорного напряжения является ADR 445 фирмы Analog Devices:

ТКЕ =1 ppm/C;

ΔU_нач(допуск)=0.004

Относительная погрешность от опорного источника напряжения:

Для первого блока (для первого предела):

= 0.012

Для первого блока (для второго предела):

= 0.009

Для второго блока:

= 0.007

Общая погрешность устройства:

Для первого предела:

= 0.014

Для второго предела:

= 0.013

 или в процентах 1.4%

 или в процентах 1.3%

Данная погрешность удовлетворяет заданной.

Перечень элементов

Элементная база.

Резисторы:

Индекс	Наименование	Количество
Rk1	С2-29В-0.25Вт-460Ом +/-1 ТКС А	1
Rk2	С2-29В-0.25Вт-5кОм +/-1 ТКС А	1
R2	С2-29В-0.25Вт-1кОм +/-1 ТКС А	1
R4	С2-29В-0.25Вт-1кОм +/-1 ТКС А	1
R5	С2-29В-0.25Вт-1кОм +/-1 ТКС А	1
R7	С2-29В-0.25Вт-1кОм +/-1 ТКС А	1

Источники опорного напряжения:

Индекс	Наименование	Допуск	Температурный коэффициент источника тока	Количество
	ADR 455	0.04%	1 ppm/Co	1

Источники тока:

Индекс	Наименование	Допуск	Температурный коэффициент источника тока	Количество
	REF 200	0.025%	25 ppm/Co	1

Операционные усилители

Индекс	Наименование	ЕДС смещения	Токи смешения	TKeсм	Количество
	ALD1702DA	50 мкВ	100 пА	0.2мкВ/ оС	1

Инструментальные усилители

Индекс	Наименование	ЕДС смещения	Токи смешения	TKeсм    вх/вых	Количество
	AD620	30 мкВ	10 пА	0.3мкВ/5мкВ	1

Подстроечные резисторы

Индекс	Наименование	Количество
Rп1	С5-5В-0.25Вт-40Ом +/-0,1	1
Rп2	С5-5В-0.25Вт-500Ом +/-0,1	1

Выводы

Данная схема преобразователя приращения сопротивления в напряжение достаточно проста, но в то же время обеспечивает необходимую точность преобразования (погрешность преобразования не более 1% ). Данные качества позволяют широко использовать эту схему в измерительных системах.

Список используемой литературы

1.  Конспект лекций Каспера А.Э. по схемотехнике за 2005 год.

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

3.  П. Хоровиц, У. Хилл, Искусство схемотехники: Пер. с англ. – Изд. 6-е. М.: Мир, 2003. – 704 с., ил.