Разработка преобразователя сопротивление – ток с пределами измерения: 100-1000 Ом

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра систем сбора и обработки данных

Курсовой проект

по дисциплине «Схемотехника»

Преобразователь:

 сопротивление-ток

Факультет: АВТ.                                                                                                    

Группа: АИ-32                                            

Студент: Лаврентьев А.А.

Вариант: 52

Новосибирск 2006

Задание.

Разработать преобразователь сопротивление – ток. Пределы измерения: 100 Ом – 1000 Ом. Номинальный выходной ток 4 мА. Ток через измеряемое сопротивление не должен превышать 250 мкА. Предел приведенной относительной погрешности γ = ± 2,5% в диапазоне температур окружающей среды 0 - +50 ºС.

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.

Разработка функциональной схемы преобразователя.

Простейшим преобразователем сопротивления в ток может быть источник опорного напряжения, к которому подключается преобразуемое сопротивление.

 По закону Ома:

	Рис.1 – Закон Ома

 

Рассмотренный метод, не включает в себя каких либо ограничений по допустимым пределам тока, проходящего через измеряемое сопротивление и номинального выходного тока. Для обеспечения Прямой зависимости сопротивление – ток (I = K*R) c коэффициентом пропорциональности K необходимо использовать другие методы преобразования.

Преобразование сопротивления в ток, возможно, провести в две стадии:

·  Преобразование сопротивления в напряжение.

·  Преобразование напряжения в ток.

В этом случае будет возможно ввести ограничений по номинальному выходному току и току через измеряемое сопротивление.

Функциональная схема преобразователя состоит из трех блоков, первый блок преобразует сопротивление в напряжение, последний - напряжение в ток. В промежуточном блоке напряжение усиливается до необходимого значения.

Преобразователь сопротивление – напряжение позволяет при заданном токе, через измеряемое сопротивление, получить пропорциональное этому сопротивлению значение напряжения. Для преобразования сопротивления в напряжение можно использовать усилитель с токовым выходом. Самые простейшие преобразователи напряжения в ток можно получить, используя усилитель, управляющий выходным транзистором. В качестве усилителя можно так же использовать операционный усилитель.

Усилитель напряжения должен иметь возможность для переключения коэффициента усиления для измерения сопротивления в двух пределах: 100 Ом и 1000 Ом.

Итак представим функциональную схему преобразователя:

Рис.3 функциональная схема преобразователя R-I

Опорное (стабильное) напряжение преобразуется в постоянный ток, ток проходит через измеряемое сопротивление, в результате чего на последнем падает напряжение. Падение напряжения на измеряемом сопротивлении усиливается и преобразуется в ток необходимой величины. В схеме предусмотрен переключатель для переключения диапазонов измеряемого сопротивления в пределах 0-100 Ом и 0-1000 Ом.

Разработка принципиальной схемы преобразователя.

Преобразователь сопротивление - напряжение

Основные узлы принципиальной схемы преобразователя:

 I.  Источник опорного напряжения

В качестве источника опорного напряжения выберем микросхему Analog devices - ADR280, которая имеет характеристики указанные в таблице 1:

Таблица 1 характеристики ADR280

Выходное напряжение	1.2
Погрешность выходного напряжения (%)	0.4
Температурный дрейф напряжения смещения	5мкВ/C
Напряжение питания	+2.4 до +6.0
Ток потребления	16мкA
Выходной ток	100мкA
Выходной шум	2.2µV p-p
Температура окружающей среды (°C)	-40 to +85

 Рисунок 4- Микросхема ADR280

II.  Источник тока 250 мкА, для преобразования сопротивления в напряжение

Рисунок 5-источник тока на ОУ

Принцип работы такого источника следующий: операционный усилитель, охваченный отрицательной обратной связью, повторяет на своем инвертирующем входе напряжение, поданное на неинвертирующий вход. Поэтому ток через резистор R1:  .

Операционный усилитель имеет малый входной ток (у идеального ОУ он вообще должен быть равен нулю), поэтому ток через резистор Rx: .

Как видим, этот ток не зависит от величины Rx, поэтому рассмотренную схему можно рассматривать как источник тока, работающий на нагрузку Rx.

Имеется два основных ограничения при работе такими источниками тока:

1. Сумма падений напряжений на R1 и Rx не должна превышать максимального выходного напряжения ОУ (а это напряжение тесно связано с напряжением питания ОУ):

 

Напряжение на выходе

2. Выходной ток источника тока не может превышать выходного тока ОУ:

В соответствие с поставленной задечей ток через R_x не должен превышать 250 мкА., поэтому выбирается V2 и R2 так чтобы отношение V2/R1 не превышало 250 мкА.

V2 – Напряжение источника опорного напряжения

В качестве ОУ выберем микросхемы К153УД5 или К153УД501.

Микросхемы представляют собой прецизионные малошумящие ОУ с максимальным выходным напряжением ±10 В., большими коэффициентами усиления и подавления синфазной составляющей, низкими дрейфом напряжения смещения нуля и чувствительностью  к изменениям  напряжения питания. Имеют защиту выхода от коротких замыканий.

Электрические параметры К153УД5:

Напряжение питания                                                                                                                       ±15±10% В.

Максимальное выходное напряжение                                                                                           ± 10 В.

Напряжение смещения нуля                                                                                                           ≤ 2,5 мВ.