Разработка усилителя сигнала с автоматическим переключением коэффициента усиления

НОВОСИБИРСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ  АВТОМАТИКИ  И  ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ  ТЕХНИКИ

КАФЕДРА СИСТЕМ СБОРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ «СХЕМОТЕХНИКА»

Тема: «Преобразователь частоты в постоянный ток»

Группа:   АТ-83                                                                                       Преподаватель:

Студент: Черепянко В.А.                                                                       доц. Каспер А.Э.

2010

Содержание

Введение                                                                                                                                          2

1.  Техническое задание                                                                                                          3

2.  Принципиальная схема                                                                                                      3

3.  Расчёт принципиальной схемы                                                                                                    5

4.   Выбор элементной базы                                                                                                           5

5.  Перечень элементов                                                                                                                  5

6.  Расчёт погрешности преобразования                                                                                     6

Заключение                                                                                                                                     6

Список литературы                                                                                                                       7

Введение

При проектировании микроэлектронной аппаратуры обработки аналоговых сигналов часто требуется  усилить слабый входной сигнал до требуемого уровня.

Целью данной работы является разработка усилителя сигнала с автоматическим переключением коэффициента усиления.

1.  Техническое задание

Разработать преобразователь частоты в постоянный ток.

Частота 20-20000 Гц

Выходной ток 0-1 мА

Погрешность  +-1%

температура 25 +-10

Переключение по диапазонам частот 20-200 200-2000 2000-20000 Гц

2.  Структурная схема

 

В данной работе проектируется АЦП частоты, принцип работы данного преобразователя взят из курса метрология. В основу измерения частоты положен следующий принцип : Измеряемая частота определяется по равенству или кратности известной частоте.

Данный принцип можно наглядно продемонстрировать на осциллографе : при линейной развертке период сигнала измеряемой частоты fx сравнивается с периодом меток времени калибратора длительности Tm. При измерении частоты с помощью меток времени калибратора длительности устанавливают на экране несколько периодов измеряемой частоты и регулируют период меток Tm так, чтобы их изображение попадало в одну и ту же точку каждого периода. В этом случае измеряемая частота fx = 1/(n*Tm), где n – число меток находящихся в пределах одного периода исследуемого напряжения.

Таким образом проектируемая схема работает по следующему алгоритму (метод прямого счёта): Формирователь импульсов вырабатывает по 1-му короткому импульсу за 1 период неизвестной частоты fx, далее импульсы с генератора квантующих импульсов поступают на схему И и счётчик импульсов. Делитель частоты вырабатывает импульсы с периодом 1с (время счёта формируется путём постоянного подсчёта импульсов с генератора), на это время открывается счётчик Cт и то число импульсов которое он сосчитает и есть неизвестная частота.

    После подсчёта код запоминается в регистр, далее код из регистра поступает на ЦАП и преобразователь напряжение-то, в качестве последних выбрана микросхема ADN8810b – программируемый источник тока, вырабатывающий ток до 5мА (максимальный предел генерируемого тока настраивается выбором параметров микросхемы R5 = 5кОм).

3.  Принципиальная схема

Рис.1. Принципиальная схема

4.  Расчёт принципиальной схемы

Рис.2. Структурная схема преобразователя формы напряжения

Генератор формы напряжения

Исходное переменное напряжение необходимо преобразовать в импульсный сигнал (сначала получим сигнал в виде прямоугольных импульсов пропустив его через диодный мост и компаратор), для того чтобы можно было определить его период, для этого подадим напряжение на интегратор в виде RC цепочки, в результате получим импульсный сигнал.

 

t

Ʈимп

Рис. 3. График полученного импульса.

Данная RC цепочка должна пропускать частоты в диапазоне до 20000 Гц, поэтому подберём R и C следующим образом : С = 1 мкФ, R = 7,9 Ом

 при f = 20 кГц  и С = 1 мкФ R = 7,9 Ом

Генератор квантующих импульсов

Определим какие Nст насчитает счетчик при заданных пределах изменения частоты, соответственно подберём частоту следования квантующих импульсов и разрядность счётного устройства, при времени счёта равному 1с :

Период квантующего импульса определим как отношение между периодом исходного сигнала и количеством квантующих импульсов :

А частоту квантующих импульсов определим как :

          

       

          

Соответственно необходимо переключать пределы измерения частоты путём переключения резисторов R2, R3, R4. Частота выходных импульсов генератора определяется по формуле :

Fg = 0,52/R*C где R – R2, R3 либо R4, C выбрано 1пФ (формула получена экспериментальным путем и взята из радиолюбительской статьи).

R2 = 12,9 МОм,  R3 = 12,9 кОм, R4 = 1290 Ом

Устройство счета

В качестве устройства счёта выберем 16 разрядный счётчик, т.к. максимальное это число может быть закодировано 16 двоичными разрядами.

Рис. 4. Устройство счета.

5.  Выбор элементной базы

Для проектируемого преобразователя нужны точные резисторы с малым ТКС и допуском.

Поэтому выберем резисторы серии С2-29B, имеющие . Номиналы резисторов выбираются из ряда E192, допуск 0.5%.

6.  Перечень элементов схемы

Обозначение на схеме	Тип, номинал	Количество	Характеристики
Операционные усилители
ОУ	КР140УД12	2
Резисторы
	С2-29B 20 кОм	4	допуск 0.5%
Регистр
Регистр	564ИР13	1	12-ти разрядный
Конденсаторы
С	NP0, 6 нФ	2	отклонение не более 1%
Счетчики
Ст2	1561ИЕ20	1	12-ти разрядный
Логические элементы
Две схемы И	561ИЕ19	1
Две схемы И-НЕ	К561ЛА7	1
Делитель частоты
f1/f2	K155ИЕ14	1	программируемый
Генератор
G	НС-49S, 4Мгц	1
Источник тока
Ik	ADN8810b	1

7.  Расчёт погрешности преобразования

Погрешность преобразования :

Для всех пределов измерения данная погрешность менее 1%.

Заключение

Разработанная схема удовлетворяет указанным в задании параметрам.  Вместо указанных в устройстве могут быть использованы микросхемы других серий аналогичного функционального назначения при соответствующем выборе их питающего напряжения.

Список литературы

1.  Основы метрологии и электрические измерения. Учебник для вузов; Под ред. Е. М. Душина Издательство: Энергоатомиздат. Ленинград. 1987

2.  Конспект лекций по электронике. лектор: Каспер А.Э. 2010 учебный год.

3.  Конспект лекций по схемотехнике. лектор: Каспер А.Э. 2010 учебный год.

4.  Гусев В.Г., Гусев Ю.М. – Электроника. – М.: Высшая школа, 1991.-622 с.

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