Прибор для измерения параметров шероховатости поверхности, страница 8

Достоинства усилителя:

·  симметричный дифференциальный вход обеспечивает высокую помехозащищенность, особенно для синфазной помехи;

·   малый дрейф нуля, обусловленный подбором входных каскадов с дифференциальным входом;

·  высокое входное сопротивление, создаваемое применением повторителей и полевых транзисторов на входе;

· 
малый температурный дрейф коэффициента преобразования и нуля обеспечивается симметричностью входных каскадов.

 

Рис.7.

Сигнал с выхода моста необходимо усилить до необходимого уровня в 377 раз. Это осуществляется подбором соответствующих резисторов :

                                  k_п1=1+2,   k_п2=;                           (18)

Общий коэффициент преобразования усилителя равен:

  k_пн=k_п1*k_п2=(1+2)                        (19)                            

Путем подбора резисторов в формуле 19 нужно получить необходимый коэффициент преобразования.

 Данный коэффициент усиления достигается при следующих номиналах резисторов:

           R₁₉=180 кОм

                 R₂₀=3 кОм

           R₃₀=5100 Ом

           R₂₂=1600 Ом.

  k_пн=386

Так как полученный коэффициент усиления при данном наборе резисторов в цепи нормирующего преобразователя равен 386, а сигнал с выхода моста необходимо усилить в 377 раз, то на его выходе будет напряжение большее, чем необходимо. Для решения этой проблемы предусмотрено наличие построечного резистора R20, изменение сопротивления которого и подкорректирует величину напряжения на выходе.

Для усиления сигнала были выбраны следующие усилители:

DA9 - 140УД1301, DA13 – 140УД21– операционный усилитель прецизионный.

Для увеличения стабильности характеристик резисторы, с помощью которых устанавливается коэффициент преобразования,  выполняются по одной технологии. Тип резисторов, используемых в данном курсовом проекте – БЛП-0,1[5].

3.13. Выбор АЦП.

Одним из наиболее распространенных вариантов преобразователей такого типа является АЦП с двухтактным интегрированием. Полный цикл его работы состоит из двух тактов. В первом с помощью аналогового интегратора происходит интегрирование входного напряжения за фиксированный интервал времени , где — емкость счетчика, определяющая разрешающую способность АЦП. В результате этой операции на интегрирующем конденсаторе накапливается заряд , где         — среднее значение входного напряжения за время T.
         Во втором такте происходит разряд конденсатора от источника опорного напряжения, который имеет полярность, противоположную входному напряжению, и подключается к интегратору с помощью переключателя Кл. Этот процесс продолжается до возвращения конденсатора в начальные условия, что фиксируется компаратором. В результате удаленный из конденсатора заряд. , где t — время разряда конденсатора. Это время является переменным, и его последующее измерение с помощью счетных импульсов с периодом следования  позволяет получить цифровой эквивалент . Действительно, поскольку условием правильной работы АЦП является  , то , откуда  или в пересчете на
  количество счётных импульсов:

3.14. Свойства выбранного АЦП.

Используя процедуру двойного интегрирования, этот тип АЦП приобретает, важные свойства. Во-первых, интегрирование входного сигнала приводит к его усреднению и сглаживанию всех быстрых по сравнению с временем интегрирования помех, наводок и шумов. Интегрирование сигнала за время Т эквивалентно его фильтрации с помощью фильтра низких частот. В частности, если выбрать интервал интегрирования Т кратным периоду частоты питающей сети, например, 50 Гц, то на этой частоте будут полностью подавляться наводки проходящие по цепям питания и являющиеся одним из факторов, ограничивающих точность АЦП. В терминах теории обработки сигналов сказанное можно трактовать как увеличение отношения сигнал/помеха на выходе интегратора, а поскольку это отношение является критерием помехозащищенности, то этот результат означает повышение помехоустойчивости АЦП, использующих интегрирование входного сигнала.
                Во-вторых, интегрирование входного сигнала приводит к уменьшению динамических погрешностей АЦП, связанных с изменением сигнала в процессе преобразования.
                В-третьих, использование двухтактного интегрирования позволяет компенсировать ряд составляющих статической погрешности и существенно увеличивать общую точность преобразования. К этим составляющим относятся погрешности буферного усилителя, возникающие за счет изменения коэффициента усиления и синфазного сигнала, погрешности интегратора, обусловленные изменением постоянной времени интегратора, и дрейфы этих составляющих, если их скорость такова, что за время одного преобразования им можно пренебречь.

 Быстродействие АЦП с двухтактным интегрированием определяется при заданном числе разрядов, т. е. значении , частотой счетных импульсов . Выбор последней в значительной мере ограничивается временем включения компаратора. Это связано с тем, что, например, для 12 - разрядного АЦП с максимальным входным напряжением 2В шаг квантования имеет значение около 500 мкВ. При этом компаратор должен обладать чувствительностью порядка 100 мкВ. Высокочувствительные интегральные компараторы имеют типичные времена включения порядка 200 нс при перевозбуждениях 5...10 мВ. При уменьшении напряжения перевозбуждения эти времена существенно увеличиваются и могут достигать нескольких микросекунд. Поэтому правильный выбор компаратора является важным моментом проектирования АЦП с двухтактным интегрированием и прецизионных АЦП вообще. Когда ни один из выпускаемых промышленностью компараторов не подходит по чувствительности, можно рекомендовать метод увеличения их чувствительности, или применять компаратор на основе операционного усилителя с соответствующим коэффициентом усиления в разомкнутом состоянии. Но в любом случае надо знать время включения при требуемом перевозбуждении. Если эти данные отсутствуют, их надо получить экспериментально. Обычно частоту  выбирают в диапазоне 10...100 кГц. При  = 4096 это обусловливает, например, время преобразования 40...400 мс.
          Таким образом, высокие точностные характеристики АЦП с двухтактным интегрированием получаются за счет невысокого быстродействия и основной областью их применения являются цифровые вольтметры постоянного напряжения, а также системы обработки данных, оперирующие с постоянными или медленно изменяющимися сигналами.