Расчет принципиальной схемы источника питания датчика

Расчет принципиальной схемы .

Источник питания датчика .

Функциональная схема источника питания датчика приведена на рис.1.

Рис.1.

Принятые на функциональной схеме обозначения :

fc/2 – делитель частоты напряжения сети ;

ЧИУ – частотно-избирательный усилитель ;

СПН – стабилизатор переменного напряжения ;

ПНТ – преобразователь напряжение-ток ;

Uc – напряжение сети переменного тока ;

Iпит – ток питания датчика .

Делитель частоты напряжения сети .

Принципиальная схема делителя частоты напряжения сети приведена на рис.2 и содержит следующие функциональные элементы :

-  ограничитель уровня на элементах R1, DA1.1, VD1, VD2, имеющий увеличенную крутизну выходного сигнала при переходе входного сигнала через нуль ;

-  компаратор на элементе DA1.2, увеличивающий крутизну входного сигнала для использования данного сигнала цифровой ИМС DD1 ;

-  сумматор на элементах R2, R3, R4, DA2.1, осуществляющий преобразование уровней выходного напряжения компаратора в уровни входного напряжения для цифровой ИМС DD1 ;

-  делитель частоты на элементе DD1 ;

- 

преобразователь уровней выходного напряжения DD1 в прямоугольное двуполярное напряжение для частотно-избирательного усилителя .

Рис.2. Принципиальная схема делителя частоты напряжения сети .

Ограничитель уровня на элементах R1, DA1.1, VD1, VD2, имеющий увеличенную крутизну выходного сигнала формирует прямоугольное напряжение амплитудой 0,7 В . Диоды VD1, VD2 играют роль ограничителя уровня выходного сигнала .

Выбираем VD1, VD2 : диоды диффузные КД104А , прямой ток до 10 мА .

Резистор R1 : R1 = U_С.MAX/I_Д.ПР = 220 / 0,002 = 110 кОм .

Выбираем R1 : МЛТ-0,125Вт 110 кОм 5%.

Элементы DA1, DA2 – ИМС КР1408УД2 , содержащая в своем составе два ОУ общего назначения с подстройкой нуля . Параметры ИМС :

Uпит = ;

Ucм = 0,8 мВ ;

Iвх = 3 нА ;

Ky = 10⁵ ;

Т.к. Uсм для данного ОУ мало , то подстройку нуля производить не будем .

Элемент DD1 – ИМС КР1531ТМ2 , выполненная по ТТЛШ-технологии и содержащая в своем составе два синхронных D-триггера с асинхронной установкой и сбросом . Уровни входного и выходного сигналов данной ИМС – стандартные уровни ТТЛ-логики :

- U⁰вх – не бoлее 0,5 В ;

- U¹вх – не менее 2,4 В ;

- U⁰вых – не более 0,3 В ;

- U¹вых – не менее 3 В ;

ИМС включается в режиме делителя входной частоты на два : информацион-ный вход D соединяется с инверсным выходом Q , на вход синхронизации С подаются импульсы с выхода сумматора на DA2.1 , инверсные входы установки S и сброса R через резистор R5 подключаются к источнику напряжения +5 В .

Выбираем R5 : МЛТ-0,125Вт 1 кОм5% .

Т.к. на вход ИМС DD1 должно подаваться напряжение не менее 0 В и не более 5 В , то необходим сумматор на DA2.1 , осуществляющий преобразо-вание уровней выходного напряжения компаратора (В) в необходимое входное напряжение (+0,3..+3,3 В) .

Выражение для выходного напряжения сумматора :

U_ВЫХ = -U_ВХ1*(R4/R2) -U_ВХ2*(R4/R3) ;

Напряжение U_ВХ2= -15В, напряжению U_ВЫХ=3,3В соответствует напря-жение U_ВХ1= -12,5В , напряжению U_ВЫХ= 0,3В соответствует напряжение U_ВХ1=12,5В . Решая полученную систему , получаем значение отношений R4/R2 и R4/R3 : R4/R3=0,12 и R4/R2=0,12 . Выбираем R4=12 кОм , R2=R3=100 кОм .

Выбираем R2,R3 : МЛТ-0,125Вт 100 кОм5% .

Выбираем R4 : МЛТ-0,125Вт 12 кОм5% .

Преобразователь уровней выходного напряжения DD1 в прямоугольное двуполярное напряжение для частотно-избирательного усилителя собран на ОУ DA2.2 , включенном в компараторном режиме . Напряжение переключе-ния задается стабилитроном VD3 . Примем напряжение срабатывания компаратора 1,5 В . В качестве VD3 используем стабилитрон КС115А с напряжением стабилизации 1,5В и током стабилизации 2мА . Тогда величина R6 : R6= (Uпит-Uст) / Iст = (15-1,5) / 0,002 = 6750 Ом .

Выбираем R6 : МЛТ-0,125Вт 6,8 кОм5% .

Частотно-избирательный усилитель .

Рассчитаем ЧИУ на основе Т-моста со следующими параметрами :

- f₀ =25 Гц ;

- K_ПОД3 = 330 ;

- амплитуда выходного сигнала U_ВЫХ = 0,4 В .

Определим требуемую добротность :

Q_ТРЕБ = K_ПОД3/б₃ = 330/2,67 = 123,6

Это слишком большая добротность для однозвенного усилителя , поэто-му будем реализовывать ЧИУ на двух звеньях на основе Т-моста .

Рис.3. Частотно-избирательный усилитель .

Добротность каждого из звеньев : Q_ЗВ == 11,18 .

Рассчитаем параметр m : m = 2*Q = 2*11,18 = 22,23 .

Рассчитаем постоянную времени Т-моста : Т=m/w₀=22,23/2*25=0,141 .

Далее в рассчетах : С1=С2=С3=С4=С , R9=R13=R , R10=R14=R1 .

Задаваясь С=100 нФ , определим R : R=T/C=0,141/100 = 1,41 МОм .

Уход частоты настройки одного ЧИУ от температуры оценивается по заданной амплитудной погрешности Y_Атр для всего усилителя , тогда для одного ЧИУ  Y_А= Y_Атр/2 . Задаемся Y_Атр=1% , тогда Y_А =0,5%=0,005 .

ТКС+ТКЕ < бW_необх/dT = / (Q*dT) = 1.18*10^-4

В ряду номиналов нет значения R=1,41 МОм , поэтому последовательно с резисторами R9 и R13 установим подстроечные резисторы R15 и R16 .

Выбираем конденсаторы С1-С4 : К71-7 100 нФ1% (ТКЕ=50*10^-6)