Функциональная схема цифрового датчика напряжения (ЦДН). Электропривода на основе двигателей постоянного тока

2.  Расчёт отдельных узлов и основных элементов  цифрового датчика напряжения (ЦДН).

2.1 Расчёт делителя напряжения.

Рис.2 Делитель напряжения

U_вх – входное напряжение;

U_вх=±300 В

          - ток делителя напряжения

 - для схемы  индикации напряжения на вторичной стороне

        - для схемы  индикации напряжения на первичной стороне

Пусть R1=R1.1+R1.2+R1.3=262 кОм ,  R2=6.3 кОм, R3=2.7 кОм  тогда

Т.к. стандартного сопротивления в 262 кОм и в 6.3 кОм нет, то ставятся 2 сопротивления последовательно:

R1.1=R1.2=100 кОм    и           R2.1=6.2 кОм

R1.3=62 кОм                и           R2.2=100 Ом

R3=2.7 кОм

Проверка по потерям мощности на R1:

P₁=I²∙R1=(1.11∙10^-3)²∙262∙10³=0.323 Вт < 2 Вт

2.2 Расчёт дифференциального усилителя.

Рис.3  Дифференциальный усилитель

U_R2+R3 =10 – напряжение на выходе делителя напряжения.

U_вх.ВМ=10

Должно выполняться следующее равенство:

Значит, все сопротивления должны иметь одинаковую величину.

Принимаем  R5=R4=R6=R7=100 кОм

Выбираем ОУ DA1 серии:

К544УД2А [1]

Его параметры заносим в таблицу 1:

Таблица 1.

Серия ОУ	Uвых.макс(+),В	Uвых.макс(-),В	Iпот,мА	Iкз,мА	Iвх,нА
К544УД2А	10	-10	7	45	0.1

2.3 Расчёт выделителя модуля.

Рис.4  Выделитель модуля.

U_вх.АЦП – напряжение на входе АЦП.

U_вх.ВМ – напряжение на входе выделителя модуля.

Расчёт выделителя модуля будем производить исходя из того, что:

Т.к.            ,   то

Коэффициент усиления выделителя модуля равен 1 ,т.е. U_вых.ВМ=U_вх.АЦП=U_вх.ВМ=10 В

Для этого необходимо чтобы выполнялось условие:

=1

Примем:   R9= R8= R11=10 кОм;    R12= R10=20 кОм;  

Выбираем операционные усилители DA2.1 и DA2.2 серии К157 УД2[1].

Их параметры заносим в таблицу 2:

Таблица 2.

Серия ОУ	Uвых.макс(+),В	Uвых.макс(-),В	Iпот,мА	Iкз,мА	Iвх,нА
К157 УД2	13	-13	7	45	500

Выбираем диоды VD1 и VD2 по прямому току и обратному напряжению с коэффициентом запаса равным 2.

U_обр=2∙10=20 В

I_пр=2∙

Выбираем диоды серии Д2Ж [2], параметры их заносим в таблицу 3:

 Таблица 3.

Серия диода	Uобр.макс,В	Uобр.и.макс,В	Iпр.ср.макс,мА	Iпр.и.,мА
Д2Ж	150	150	8	10

2.4 Расчёт АЦП.

Выбираем микросхему АЦП К572 ПВ1, которая является универсальным многофункциональным узлом для устройств аналогового ввода-вывода микропроцессорных систем низкого и среднего быстродействия. Микросхема выполняет функции АЦП последовательных приближений с выводом параллельного двоичного кода через выходные каскады с тремя состояниями. Выходной ток при U_REF=10.24 В равен 1мА, ток нагрузки логических выходов не должен превышать 40 мкА для сигналов высокого уровня и 400 мкА для сигналов низкого уровня. Опорное напряжение не должно превышать ±15 В [3].

Номинальные параметры:

Опорное напряжение                                 U_REF=10.24 B;

Напряжения питания                                  U_cc1=5 B; U_cc2=15 B;

Токи потребления                                       I_cc1=3 mA; I_cc2=5 mA;

Выходное напряжение низкого уровня     U_0L=0.3 B;

Выходное напряжение высокого уровня   U_0н=2.4 В.

     Рис.5  Схема включения  микросхемы К572 ПВ1 в режиме АЦП.

В схеме используется ОУ DA4 серии К574 УД1. Параметры его в табл.4

Таблица 4

Серия ОУ	Uвых.макс(+),В	Uвых.макс(-),В	Iпот,мА	Iвх,нА
К574 УД1	10	-10	10	0.5

Назначение выводов приведено в таблице 5:

Таблица 5

Назначение выводов АЦП

Номер вывода	Назначение вывода	Номер вывода	Назначение вывода
1 2 3 4-15 16 17 22 23 24 25 26 27 28	Последовательный вход Вход управления Напряжение питания Ucc1 Цифровой вход-выход Вход управления МР Вход управления режимом Выход цикл Вход сравнения Напряжение питания Ucc2 Вход тактовых импульсов Выход конец преобразования Вход запуск Вход цикл	29 30 31 32 40 41 42 43 44 45 46 47 48	Вход стробирован. АЦП Цифровая земля Конечный вывод Общий вывод резисторов R/2,R/4 Вывод резистора R/4 Вывод резистора R/2 Опорное напряжение Аналоговый вход 1 Аналоговый вход2 Общий вывод резисторов аналоговых входов 1,2 Аналоговый выход1 Аналоговый выход 2 Аналоговая земля

2.5 Расчёт гальванической развязки.

Для гальванической развязки выберем оптоэлектронные переключатели. Выбираем оптоэлектронный переключатель серии АОД 101А [4].

Параметры данного элемента:

Падение напряжения на оптроне U_опт=1.5 В

Входной постоянный ток I_вх=10 мА

Входное обратное напряжение U_вх.обр=3.5 В

Выходное обратное напряжение U_{вых.обр}=15 В

Выходное обратное импульсное напряжение U_вых.и.=20 В

Рис.6 Оптоэлектронный переключатель.

2.6 Расчёт ЦАП.

Выбираем микросхему АЦП К572 ПВ1, которая работает в режиме ЦАП. [3]

Номинальные параметры:

Опорное напряжение                                 U_REF=10.24 B;

Напряжения питания                                  U_cc1=5 B; U_cc2=15 B;

Токи потребления                                       I_cc1=3 mA; I_cc2=5 mA;

Выходное напряжение низкого уровня     U_0L=0.3 B;

Выходное напряжение высокого уровня   U_0н=2.4 В.

В схеме используется ОУ К574 УД1.Параметры его в табл.4

Назначение выводов указано в таблице 5.

Рис.7 Схема включения  микросхемы К572 ПВ1 в режиме ЦАП.

2.7 Расчёт преобразователя.

Данный преобразователь выполняет функцию перевода информации из двоичного кода в двоично-десятичный. По [8] выбираем преобразователь на основе микросхемы К155 ПР7. Принцип соединения преобразователей выбираем по [9].

Рис.8 Цифровой преобразователь кода.

2.8 Расчёт  блока определения знака.

По [1] выбираем компаратор DA4 на основе ОУ серии К544 УД2А. Параметры его заносим в таблицу 5

Таблица 6.

Серия ОУ	Uвых.макс(+),В	Uвых.макс(-),В	Iпот,мА	Iкз,мА	Iвх,нА
К544 УД2А	10	-10	7	45	0.1

Для расчёта цепи оптоэлектронного переключателя, выбираем  логический элемент НЕ серии К155 ЛН1 [5]. Основные электрические параметры которого заносим в таблицу 6.

Таблица 7.

Серия ЛЭ	Uвых0В	Uвых1,В	Uном,В	Iвх0,мА	Iвх1,мА	Iвых0,мА	Iвых1,мА
К155 ЛН1	0.4	2.4	0.4	-1.6	0.04	16	0.3

Максимальное напряжение питания U_макс=6 В

Максимальное напряжение на входе U_{вх.макс}=5.5 В

Рис.9 Блок определения знака.

Выбираем R14=10 кОм.

R15 рассчитывается исходя из того, что  входной ток оптрона I_o=20 мА, падение напряжения на оптроне U_опт=1.5 В, напряжение насыщения компаратора U_нас=13 В, тогда, принимаем R15=1.2кОм.

Выбираем светодиод  АЛ 316 А [4], параметры которого:

I_c=10 мА, U_св=2 В, U_обр=20 В.

, принимаем R16=300 Ом.

Выбираем диод VD3 по прямому току и обратному напряжению с коэффициентом запаса, равным 2.

U_обр=2∙18=32 В, I_пр=2∙10∙10^-3=20 мА.

Выбираем диод Д104 [2] с параметрами: U_{обр.макс}=100 В, I_пр=30 мА.

2.9 Расчёт  цифрового индикатора.

На основе микросхемы К514 ИД1 выбираем преобразователь двоично-десятичного кода в сегментный D7-D10.

Номинальные параметры: 

Напряжение питания        U_пит=5 В;

Ток потребления               I_пот=50 мА

Рис.10 Преобразователь двоично-десятичного кода в сегментный.

Порядок преобразования кодов:

Таблица 8

Слово на индикаторе	Код на входе преобразователя (D3D2D1D0)	Код на выходе преобразователя (АBCDEFG)
1	0001	0110000
2	0010	1101101
3	0011	1111001
4	0100	0110011
5	0101	1011011
6	0110	1011111
7	0111	1110000
8	1000	1111111
9	1001	1111011
0	0000	1111110
-	1110	0000001
Ничего не высвечивается	1111	0000000

Рис.11 Цифровой индикатор.

На рис.11 изображён цифровой индикатор  на светодиодах АЛС 321 А.

Параметры индикатора:

Постоянное прямое напряжение  U_пр=3.6 В

Постоянный прямой ток                 I_пр=20 мА.

Мощность рассеяния                     P_рас=720 мВт