Разработка преобразователя сопротивления/коэффициент заполнения

Новосибирский Государственный Технический Университет

Курсовой проект

«Преобразователь сопротивления в коэффициент заполнения»

Вариант № 7

Выполнил:                                                                                 Проверил:

Студент гр. АТ-23                                                                      Квеглис С. В.

Рогулькин А.Е.

Новосибирск, 2004 г.

1. Задание.

Разработать преобразователь сопротивления/коэффициент заполнения. Пределы измерения сопротивления: 1 кОм, 10 кОм. Сопротивления 0 Ом должен соответствовать коэффициент заполнения 10%, максимальному для данного предела сопротивлению – коэффициент заполнения 90%. Частота выходных импульсов 1 кГц±10%. Выходной сигнал должен иметь ТТЛ-совместимые уровни. Мощность, рассеиваемая измеряемым сопротивлением не должна превышать 500 мкВт. Предел приведенной относительной погрешности γ=±2% в диапазоне температур окружающей среды - 10÷50º С.

2. Выбор метода решения.

Общая идея: необходимо преобразовать измеряемое сопротивление в напряжение. Далее необходимо подать полученное напряжение на компаратор вместе со специально сконструированным генератором пилообразных импульсов.

Рис.1. Общая схема преобразователя.

Для преобразования сопротивления в напряжение можно использовать усилитель с токовым выходом. Генератор пилообразных импульсов создается на основе источника напряжения.

3. Основные узлы схемы.

3.1 Преобразователь сопротивления в напряжение.

В качестве преобразователя используем схему инвертирующего усилителя.

Uвх=1 В и на выходе усилителя получаем напряжение равное          

– (Rн/R0)Uвх

Рис 2. Преобразователь сопротивления в так как необходимо                     напряжение                                                  на выходе получать (0.1-0.9)В

                                                                                 в зависимости от Rн (0-1кОм)

то одно сопротивление Rн необходимо заменить двумя: одним переменным (то, что будем измерять) и одним постоянным (то, что будет оставаться в обратной связи если переменное сопротивление будет равно 0)

3.2 Усилитель напряжения.

Так как нам необходимо придти к ТТЛ-совместимой схеме, мы должны увеличить используемое ранее напряжение (1 В) до ТТЛ-совместимого (5 В). Пояснение: Использование в первом каскаде напряжения номиналом 1В обосновано тем, чтобы избежать больших потерь мощности на

Рис. 3. Усилитель напряжения           измеряемом сопротивлении. Обеспечим

                                                                коэффициент усиления равный 5.

3.3 Генератор пилообразных импульсов.

Имеет следующие параметры:

- Частота: 1 кГц±10%.

- Начальное и конечное значения: 0 В – 5 В.

- Время нарастания: 99% от длины периода.

- Время спадания: 1% от длины периода.

3.4 Каскад компаратора.

Представляет собой компаратор, на который подаются сигналы с выходов 2ого и 3ого  каскадов. Выход компаратора является выходом схемы и источников прямоугольных импульсов, которые нам необходимо получить.

4. Принципиальная схема.

В итоге получаем следующую схему:

Чтобы улучшить удобство восприятия, приведена та же схема, на которой отсутствуют элементы питания и проводники, обеспечивающие питание операционных усилителей.

5. Спецификация элементов схемы.

Резисторы

Обозначение в схеме	Тип	Номинал, Ом	Допуск, %
R0	C2-29В	1250	0.1
R01	C2-29В	12500	0.1
Rx	16K1-B1K	Переменный резистор 1кОм	0.5
Rx1	16K1-B10K	Переменный резистор 10кОм	0.5
R1	C2-29В	125	0.1
R11	C2-29В	1250	0.1
R2	C2-29В	1000	0.1
R3	C2-29В	5000	0.1

Операционные усилители.

Обозначение в схеме	Тип	Е питания, В	Входной ток, мкА
X1	К140УД2А	12,6	7
X2	К140УД2А	12,6	7
X4	К140УД2А	12,6	7

Компараторы

X5

MCP6541

6. Расчет потери мощности на измеряемом сопротивлении.

Как видно, схема соответствует требованием ТЗ по сокращению потерь мощности на измеряемом сопротивлении.

7. Расчет погрешностей каскадов.

7.1 Погрешности преобразователя сопротивления в напряжение.

Необходимо оценить погрешности выходного напряжения.

        Uн =-[(Rx+R1)/R0]*Uвх

Погрешность от разброса входного напряжения:

        g1 =[(Rx+R1)/R0]*Uвх*1,01 - [(Rx+R1)/R0]*Uвх=0,009

Погрешность U от ТКС R1

        g2 =[(Rx+R1*1,00105)/R0]*Uвх - [(Rx+R1)/R0]*Uвх=0,0001 В

Погрешность U от ТКС R0

        g3 =[(Rx+R1)/R0*1,00105]*Uвх - [(Rx+R1)/R0]*Uвх=0,0009 В

Погрешность U от ТКС Rх

        g4 =[(Rx*1,00175+R1)/R0]*Uвх - [(Rx+R1)/R0]*Uвх=0,0014 В

Погрешность U от допуска R1

          g5 = [(Rx+R1*1,001)/R0]*Uвх - [(Rx+R1)/R0]*Uвх=0,0001 В

Погрешность U от допуска R0

          g6 = [(Rx+R1)/R0*1,001]*Uвх - [(Rx+R1)/R0]*Uвх=0,0009 В

Погрешность U от допуска Rх

          g7 = [(Rx*1,005+R1)/R0]*Uвх - [(Rx+R1)/R0]*Uвх=0,004 В

Общая погрешность:

          g =  (g1² + g2²  + g3² + g4² + g5²  + g6² + g7²) ^1/2  = 0,01 В

7.2. Погрешность усилителя.

Погрешности возникают из-за погрешности входного напряжения, допуска и ТКС резисторов.

        Uвых = - (R3/R2)*Uвх

Погрешность от входного напряжения:

        g1 =  | - (R2/R3)*0,01) | = 0,05 В

Погрешность от допуска R2:

        g2 =  | - R2*1,001/R3*Uвх – Uвых | = 0,0045 В

Погрешность от допуска R3:

        g3 =  | - R2/(R3*1,001)*Uвх – Uвых | = 0,0045 В

Погрешность от ТКС R2:

        g4 =  | - R2*1,00105/R3*Uвх - Uвых| = 0,0047 В

Погрешность от ТКС R3:

        g5 =  | - R2/(R3*1,00105)*Uвх - Uвых| = 0,0047 В

Общая погрешность:

        g = (g1²  + g2² + g3² + g4²+ g5² )^1/2 = 0,051 В ≈ 1,1%

8. Моделирование

Работа данной схемы была промоделирована в системе B2Spice WorkShop, ниже приведены скриншоты результатов моделирования:

Рис. 4. Предел измерений 1 кОм. В цепь включено максимальное для данного предела сопротивление (1 кОм). Имеем коэффициент заполнения 90%.

Рис. 5. Предел измерений 10 кОм. Сопротивление из цепи исключено (0 кОм). Имеем коэффициент заполнения 10%.

7. Заключение.

В данной работе разработан преобразователь сопротивления в коэффициент заполнения. Все условия ТЗ соблюдены. Погрешность преобразования не более 1,1%.

8. Список использованной литературы:

1.  Гутников В. С. «Интегральная электроника в измерительных устройствах».

2.  Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники» т. 1.

3.  www.chipinfo.ru

4.  www.chiptrade.ru

5.  www.radiotexnika.ru

6.  Конспект лекций Каспера А. Э. по дисциплине «Электроника».