Разработка преобразователя сопротивление/длительность импульса, страница 2

В данной схеме используется четырёхзажимное подключение преобразуемого сопротивления, что позволяет скорректировать погрешности, вызванные наличием соединительных линий. Далее напряжение можно усилить. В качестве усилителя используется инструментальный усилитель. Он позволяет не только усилить с высокой точностью сигнал, но также имеет высокое входное сопротивление, низкое напряжение смещения и высокую степень подавления синфазных сигналов. Усилитель также должен иметь возможность для переключения коэффициента усиления для измерения сопротивления в двух пределах: 10 кОм и 100 кОм. Т.к. коэффициент усиления инструментального усилителя регулируется сопротивлением , то соответственно переключатель можно организовать на данной ветви.

Рис.4. Преобразователь сопротивление – напряжение с регулированием коэффициента усиления выходного напряжения

Таким образом, на выходе преобразователя сопротивление-напряжение будет:

,

где  - коэффициент усиления инструментального усилителя.

2. Генератор линейно изменяющегося напряжения

Очень простой генератор линейно изменяющегося напряжения можно получить с помощью следующей структурной схемы:

 

Рис.5. Структурная схема генератора линейно изменяющегося напряжения

Рис.6. Схема генератора линейно изменяющегося напряжения

На рис.6 в релаксационном генераторе цепь ПОС выполнена на основе резистивного делителя , , а цепь ООС содержит пассивный интегратор , . Уровни ограничения выходного напряжения ОУ DA2 одинаковы по модулю и равны  и ,  а коэффициент ПОС . Полупериод колебаний  - время перезарядки конденсатора  под воздействием напряжения  через резистор  от уровня  до уровня :

, где .

Следовательно: . Соответственно период колебаний  определится выражением:

.              (1)

На основе ОУ DA3 построен интегратор. Входной ток протекает через конденсатор . Т.к. инвертирующий вход имеет полное заземление, выходное напряжение определяется следующим образом:

.

Тогда период треугольных импульсов на выходе ОУ DA3 будет равен , а коэффициент пропорциональности . Т.о. выходное напряжение с ГЛИН будет равно:

, с периодом .                    (2)

3. Устройство сравнения

В качестве устройства сравнения выбран компаратор. Принцип его работы продемонстрирован на рис.7.

 

 

Рис.7. Принцип работы компаратора

3.1.   Выбор элементной базы

1. Генератор линейно изменяющегося напряжения

В качестве DA2 выбирается ОУ с КМОП выходным каскадом, поскольку насыщение его выходных сигналов происходит точно на уровне напряжения питания. Например, CA5160A – его технические характеристики приведены в таблице 1.

Таблица.1. Технические параметры ОУ CA5160A

Предельное напряжение питания, В		Напряжение		Ток		Скорость нарастания, В/мкс	Эксплуатация
		Сдвиг, мВ	Дрейф, мкВ/°С	Смещение, нА	Сдвиг, нА		Температура окружающей среды
мин.	макс.
5	15	1,5	4	0,01	0,005	10

Если выбрать  С2-29В-0,125 номиналом по 10 кОм, то выражение (1) преобразуется . На выходе результирующей схемы необходимо обеспечить частоту следования импульсов 12,5 Гц, т.е. период . Таким образом, необходимо, чтобы  или . Если выбрать  из серии С2-29В-0,125, а значение ёмкости  из серии КМ-6А, то таким образом заданное соотношение обеспечится.

Источники питания ОУ выбраны по 15 В и должны представлять из себя стабильные высокоточные источники напряжения, чтобы обеспечить требуемый уровень напряжения на выходе DA2 с максимальным отклонением от 15 В – 0,5 %.

Собранному на DA3 интегратору присущ один недостаток, связанный с тем, что выходное напряжение имеет тенденцию к дрейфу, обусловленному сдвигами ОУ и током смещения (обратной связи по постоянному току нет!). Это нежелательное явление можно значительно ослабить, если использовать ОУ на полевых транзисторах. В качестве DA3 выбирается ОУ на полевых транзисторах типа LF411, его технические характеристики приведены в таблице 2.

 Таблица.2. Технические параметры ОУ LF411AMH

Предельное напряжение питания, В		Напряжение		Ток		Скорость нарастания, В/мкс	Эксплуатация
		Сдвиг, мВ	Дрейф, мкВ/°С	Смещение, нА	Сдвиг, нА		Температура окружающей среды
мин.	макс.
10	36	0,8	7	0,2	0,1	12

Напряжение на выходе ГЛИН определяется по выражению (2), т.е. . Так как полупериод импульсов, поступающих с выхода релаксационного генератора, равен 40 мс, то пусть в момент времени  на выходе ГЛИН треугольный сигнал достигнет своего максимального значения равного 10 В, т.о. необходимо, чтобы . Если выбрать R4 из серии С2-29В-0,125 номиналом 60,4 кОм, а конденсатор из серии КМ-6А ёмкостью , то получается, что в момент времени равный 40 мс треугольный импульс достигнет своего максимального значения .

Т.о. константа .

Чтобы получить на выходе преобразователя сопротивление-длительность импульса номинальное значение импульса , необходимо рассчитать – какое значение преобразуемого сигнала должно быть. Итак, период импульсов - , тогда необходимо рассчитать значение напряжения при значении времени .

.

2.  Преобразователь сопротивление – напряжение

Т.к. мощность, рассеиваемая измеряемым сопротивлением, не должна превышать 50 мкВт, то т.о. ток через нагрузку 100 кОм равен  - это максимальное значение тока, которое может протекать через резистор. В качестве источника тока  выбирается REF200, он даёт постоянный ток 20 мкА.

Так как на выходе преобразователя сопротивление-длительность импульса необходимо, чтобы при  была «ненулевая» длительность импульса, то в ветвь с  необходимо добавить резистор  серии С2-29В-0,125 номиналом 100 Ом.

Тогда при : ,

а при : .

В качестве ОУ выбран инструментальный усилитель AD620AR, технические характеристики которого приведены в таблице 3.

Таблица.3. Технические параметры ОУ AD620AR

Предельное напряжение питания, В		Напряжение		Ток		Скорость нарастания, В/мкс	Эксплуатация
		Сдвиг, мВ	Дрейф, мкВ/°С	Смещение, нА	Сдвиг, нА		Температура окружающей среды
мин.	макс.
2,3	18	0,125	1	2	0,3	12

Коэффициент усиления инструментального усилителя равен .

Тогда чтобы достигался уровень , необходимо для  - , т.е. значение сопротивления , а для  - , т.е. значение сопротивления .