Расчет измерительного усилителя - файл n1.doc

Расчет измерительного усилителя

Доступные файлы (5):

n1.doc	341kb.	25.04.2011 12:20	скачать
n2.doc	75kb.	25.04.2011 03:42	скачать
n3.doc	202kb.	25.04.2011 03:25	скачать
n4.spl
n5.spl7

n1.doc

1. Содержание

2. Техническое задание.

Разработать нормирующий измерительный усилитель напряжения с источником питания и с защитой от перенапряжения входного сигнала. Технические условия приведены ниже в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Технические условия по варианту 10

Наименование	Обозн.	Ед. изм.	Значение
Минимальное входное напряжение		мкВ
Максимальное входное напряжение		мВ
Входное сопротивление в полосе рабочих частот		Ом
Погрешность входного сопротивления, не более		%
Нижняя граница диапазона частот		Гц
Верхняя граница диапазона частот		Гц
Погрешность коэффициента усиления в полосе рабочих частот		%
Дополнительный фазовый сдвиг в полосе рабочих частот, не более		°
Приведённый температурный дрейф нуля, не более		мкВ/°C
Минимальное сопротивление нагрузки		Ом
Дополнительная погрешность коэффициента усиления при подключении Rн.мин		%
Диапазон изменения выходного напряжения		В
Рабочий диапазон температур		°C

3. Выбор структурной схемы усилителя.

Структурная схема позволяет проектировщику в первом приближении представить себе, из каких функциональных узлов будет состоять изделий.

Если в техническом задании на проектирование содержатся специальные требования, относящиеся к входной или выходной цепям, то их легче всего удовлетворить в этом случае, когда в структуре усилителя имеются специальные входные и выходные части. Поскольку основным средством получения параметров является введение цепей обратной связи, то входная и выходная части могут представлять собой самостоятельные усилители, охваченные местной обратной связью.

Таким образом, структурная схема усилителя будет иметь вид, показанный на рисунке 1.


Рисунок 1. Структурная схема усилителя.

4. Проектирование входной части.

Входная часть по рисунку 1 состоит из усилителя, делителя напряжения и полосового фильтра.

По ТЗ усилитель должен обеспечивать:

- входное сопротивление не менее Ом;

- погрешность входного сопротивления в полосе рабочих частот от 500 до 17000 Гц не более 10%;

- приведенный температурный дрейф нуля не более 5 мкВ/град.

Исходя из данных требуемого усилителя, выбираем микросхему операционного усилителя К140УД26. Ее технические параметры:

- частота единичного усиления 20 МГц;

- максимальное выходное напряжение 12 В;

- напряжение смещения нуля 30 мкВ;

-температурный дрейф нуля 0,6 мкВ/град.

В качестве схемы включения выбираем схему инвертирующего усилителя.


Рисунок 2. Схема инвертирующего усилителя.

Данная схема используется в тех случаях, когда достаточным является входное сопротивление в несколько мегаом или когда требуется получить значение входного сопротивления с погрешностью не более данной.

В схеме применён ОУ КР140УД26А. Характеристики ОУ приведены в

приложении Б.

Зададим для входной части коэффициент усиления равный 4, тогда R2=4R1. Для расчета построим АЧХ по известной частоте единичного усиления и наклону асимптоты (20дб/дек.).

По ЛАЧХ определил коэффициент усиления в верхней и нижней границе частотного диапазона(500-1700 Гц).

f=500 Гц: Кн=88дБ=

f=17000 Гц: Кв=60дБ=



Найдем глубину ОС по формуле:



Резистор R3 служит для уменьшения дрейфа нуля вызванного колебаниями входных токов. Он введен для того, чтобы уменьшить диф. пост. сигнал, появляющийся на входе микросхемы при температурном изменении входных токов. Поэтому его значение следует выбирать из следующих условий:

R3=R2||R1



При значении Rвх.диф.=6Мом рассчитал входное сопротивление Zвх. на нижней и верхней границах диапазона.



Рассчитал погрешности Zвх.н. и Zвх.в.



Рассчитал суммарную погрешность Zвх.н. и Zвх.в.

, что удовлетворяет требованиям технического задания.

Рассчитал глубину обратной связи:



Рассчитал :



Полученное значение коэффициента частотных искажений М=1,002909 ?1 говорит о наличии незначительных частотных искажений.
Рассчитал коэффициент усиления на граничных частотах:



Рассчитал коэффициент частотных искажений:



Вычислим погрешность коэффициента усиления в диапазоне частот:

5. Промежуточная часть.

Промежуточная часть проектируемого устройства состоит из усилительного каскада, выполненного на операционных усилителях, ФВЧ и ФНЧ. ФВЧ включаем на входе промежуточной части, чтобы уменьшить приведенный ко входу дрейф нуля, ФНЧ включаем на выходе промежуточной части.

В первую очередь необходимо рассчитать фильтры, так как они могут иметь не единичный коэффициент усиления и вносить изменения в дальнейшие расчеты.

5.1 Расчет ФНЧ.

В качестве фильтра низких частот используем пассивный RC-фильтр:



Рис.3 Фильтр низких частот.

Согласно ТЗ, нижняя граница диапазона частот ѓ= 500Гц. По формуле ѓ= ѓ, получил частоту среза низких частот ѓ= 166,66Гц. Из формулы RC= (ѓ) определил, что RC= 0,006. Подобрал номиналы сопротивления R= 620Ом и емкости C= 10мкФ. Номинал сопротивления взял из номинального ряда сопротивлений Е192, номинал емкости из номинального ряда емкостей Е192.

5.2 Расчет ФВЧ.

В качестве фильтра высоких частот используем пассивный RC-фильтр:



Рис. 4 Фильтр высоких частот.

Согласно ТЗ, верхняя граница диапазона частот ѓ= 17000Гц. По формуле ѓ= 3ѓ, получил частоту среза низких частот ѓ= 5666,66Гц. Из формулы R₄C= (ѓ) определил, что RC= 1,764707. Подобрал номиналы сопротивления R₄=180кОм и емкости C= 10мкФ. Номиналы эти конденсаторов взял из номинальных рядов емкостей Е24.

5.3 Расчет усилительного каскада.

Для промежуточной части усилительный каскад представляет из себя последовательное соединение трех неинвертирующих операционных усилителей 140УД26, каскад из которых изображен на рис.5:


Рис.5 Промежуточная часть.

Коэффициент усиления по напряжению промежуточной части равен:

К_общ=К_вх*К_вых*К_пром;

К_пром=К_общ/К_вх*К_вых=500/4=125

Коэффициент усиления по напряжению каждого усилительного каскада равен:

К_u1=К_u2=К_u3=5;

Разбиения коэффициента усиления на три части производится для уменьшения погрешности коэффициента усиления, так как погрешность тем меньше, чем глубже обратная связь.

Для коэффициента усиления К_u =5:



Для всех трех каскадов номиналы резисторов берем равными:

R₅=R₈=R₁₁

R₆=R₉=R₁₂

R₇=R₁₀=R₁₃

Рассчитаем номиналы резисторов для первого каскада:

, подобрал сопротивления .Большой номинал

сопротивления R₉ выбрал исходя из условия предотвращения перегорания ОУ, чтобы

обеспечить достаточную нагрузку ОУ.

Рассчитал R₇: , получил R₇= 1,666 кОм

Номиналы резисторов берем из номинального ряда резисторов Е192.

Глубина обратной связи и коэффициент частотного искажения для каждого из трех каскадов равны:




Рассчитаем погрешность коэффициента усиления:




Вычислим погрешность коэффициента усиления в диапазоне частот:



Рассчитал погрешность коэффициента усиления промежуточной части ИУ:

,674 получил = 1,674%.

Т.к. у первого, второго и третьего каскадов фазовые сдвиги отсутствуют, то суммарный фазовый сдвиг промежуточной части равен нулю. (??= 0˚)

6. Расчет выходного каскада.

Т.к. ,то в выходном каскаде необходимо поставить усилитель тока, который будет иметь вид показанный на рис.6.


Рис. 6. Выходной бестрансформаторный каскад.
1)Находим максимальное значение коллекторного тока оконченных транзисторов V3 и V4

I_{kmax расч}=E_к/2R_н

I_{kmax расч}=15В/2*10Ом=0,75А
2)Выбираем значение тока покоя (тока в рабочей точке) оконечных транзисторов

I_kp~(0,01…0,02)I_{kmax расч}

I_kp=7.5мА
3)При использовании мощных транзисторов коллекторный ток покоя должен быть не менее 5 мА.

Определяем максимальную мощность, рассеиваемую коллекторным переходом каждого из оконечных транзисторов,

P_{kmax расч}.=E_к^2/4?²R_н

P_{kmax расч}.=15²/ 39,43*10=225/394,3=0,57А
4)По полученным значениям E_к,I_{kmax расч}, P_{кmax расч} выбираем тип оконечных транзисторов V3 и V4. При этом надо чтобы максимально допустимые значения соответствующих параметров транзисторов превышали расчетные т.е.

U_кэmax>E_к

P_{k max}>P_{k max расч}

I_{k max}>I_{k max расч}
Выбираем транзистор КТ815А:

I_{к max},A=1.5

I_{к, и max},А=3

U_кэоU_{КЭR max}=25В

U_бэ0max=5

P_кmax=10

h_21э=40

U_кэ

U_кб=2В

I_к=1А

U_кэнас=0,6В
6)Находим максимальное значение коллекторного тока предоконечных транзисторов

I_{kmax расч.пред}= I_{kmax расч}/h_{21э мин}

I_{kmax расч.пред}=0,75/40= 0,01875A
где I_{kmax расч.} - максимальное значение коллекторного тока оконечных транзисторов; h_{21э min} – минимальное значение коэффициента передачи тока оконечных транзисторов.

7)Сопротивление резисторов R₁₄=R₁₅ выбираются в пределах (100…1000) Ом и уточняются при настройке усилителя.(СП-3-12 В, 4,7-68кОм)
8)Определяем мощность, рассеиваемую каждым из предоконечных транзисторов

P_{kmax расч. пред}=P_{kmax расч}./h_{21э min}(1-0,9/R₂I_{kmax расч. пред})

P_{kmax расч. пред}=0,57/40(0,9/100*0,01875)=0,57/19,2= 0,0296
9)По полученным значениям I_{kmax расч. пред} и P_{k max расч.пред} выбираем предоконечные транзисторы: V1 типа p-n-p, а V2 – типа n-p-n. При этом необходимо, чтобы максимально допустимые значения параметров выбранных транзисторах превышали значения этих параметров, т.е.

U_{кэ max пред}>E_к;

P_{к max пред}>P_{k max расч.пред}

I_{k max пред}>I_{k max расч. пред.}

10)

Выбрали V1:

ГТ402А

I_kmax, mA=500

U_{КЭR max},В=25

P_{к max},мВТ=600

h_21э=30…80

I_э, мА=3

Выбрали V2:

КТ815А:

I_{к max},A=1.5

I_{к, и max},А=3

U_кэоU_{КЭR max}=25В

U_бэ0max=5

P_кmax=10

h_21э=40

11) Находим емкость разделительного конденсатора C₃

C₃>=1/ ?f_нR_н

C₃=1/3,14*500*10=6,3694мкФ

Чем больше емкость С₃, тем лучше работает усилитель в области нижних частот диапазона.

Выбираем 6,2мкФ из ряда E24.

12) Сопротивление резистора R₁₃ обычно не рассчитываем, а подбираем опытно-эксперементально при настройке каскада(первоначально можно выбрать R₁₃=10кОм). СП-3-12 В 4,7-68кОм

13)Определяем частотные искажения каскада в области низких и высоких частот



Рассчитал погрешность коэффициента усиления ИУ в полосе рабочих частот:

, получил = 2,144%. В соответствии с требованиями ТЗ, погрешность коэффициента усиления ИУ в полосе рабочих частот не должна превышать 1%. (?1%) Получившееся значение > 1%, что не удовлетворяет требованиям ТЗ.

Для уменьшения погрешности коэффициента усиления ИУ в полосе рабочих частот возможны следующие варианты:

1) Увеличить количество каскадов. Чем меньше коэффициент усиления одного каскада тем меньше погрешность, но т.к. суммарное количество каскадов увеличивается, то общая погрешность растёт ещё более.

2) Использовать другой ОУ с меньшей погрешностью коэффициента усиления.

3) Ввести цепь обратной связи охватывающую два или более каскадов.

7. Источник питания

Блок питания – устройство, которое выпрямляет напряжение, пониженное трансформатором, стабилизирует и сглаживает его. Источник питания имеет вид показанный на рис.7.:

Рис.7.
Расчет стабилизатора напряжения.


Рис. 8.

Схема стабилизатора показана на рисунке 8.

Это, так называемый параметрический стабилизатор. Состоит он из двух частей:

1 - сам стабилизатор на стабилитроне D с балластным резистором R_б

2 - эмиттерный повторитель на транзисторе VT.
Непосредственно за тем, чтобы напряжение оставалось тем каким нам надо, следит стабилизатор, а эмиттерный повторитель позволяет подключать мощную нагрузку к стабилизатору. Два основных параметра нашего блока питания - напряжение на выходе и максимальный ток нагрузки:

U_вых - это напряжение

и

I_max - это ток.
Для блока питания, который мы, U_вых = 15 Вольт, а I_max = 1 Ампер.

Сначала нам необходимо определить какое напряжение U_вх мы должны подать на стабилизатор, чтобы на выходе получить необходимое U_вых.

Это напряжение определяется по формуле:
U_вх = U_вых + 3
Цифра 3 это падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора VT. Таким образом, для работы нашего стабилизатора на его вход мы должны подать не менее 18 вольт.
Транзистор

Определим, какой нам нужен транзистор VT6. Для этого нам надо определить, какую мощность он будет рассеивать.
P_max=1.3(U_вх-U_вых)I_max
Тут надо учесть один момент. Для расчета мы взяли максимальное выходное напряжение блока питания. Однако, в данном расчете, надо наоборот брать минимальное напряжение, которое выдает БП. А оно, в нашем случае, составляет 2 вольта. Если этого не сделать, то транзистор выйдет из строя, поскольку максимальная мощность будет рассчитана неверно.
Если U_вых=2 вольта, то P_max=1.3*(18-2)*1=20,8 Вт
Ну вот, теперь лезем в справочник и выбираем себе транзистор.

Помимо только что полученной мощности, надо учесть, что предельное напряжение между эмиттером и коллектором должно быть больше U_вх, а максимальный ток коллектора должен быть больше I_max. Выбираем КТ817.
Считаем сам стабилизатор.

Определим максимальный ток базы выбранного транзистора:
I_{б max}=I_max / h_{21Э min}
h_{21Э min} - это минимальный коэффициент передачи тока транзистора и берется он из справочника.

I_{б max}=1/25=0.04 А (или 40 мА).
Ну давайте будем теперь искать стабилитрон.

Искать его надо по двум параметрам - напряжению стабилизации и току стабилизации.
Напряжение стабилизации должно быть равно максимальному выходному напряжению блока питания, то есть 15 вольтам, а ток - не менее 40 мА, то есть тому, что мы посчитали.

Выбираем:

КС508Б 15В, 8.5мА

Ток стабилизации 8,5 мА нам не подходит.

Будем уменьшать ток базы выходного транзистора. А для этого добавим в схему еще один транзистор. Смотрим на рисунок. Мы добавили в схему транзистор VT5.Эта операция позволяет нам снизить нагрузку на стабилитрон в h_21Э раз. h_21Э, разумеется, того транзистора, который мы только что добавили в схему. Взяли КТ315. Его минимальный h_21Э равен 30, то есть мы можем уменьшить ток до 40/30=1,33 мА, что нам вполне подходит.



Рис. 9

Теперь посчитаем сопротивление и мощность балластного резистора R_б.
R_б=(U_вх-U_ст)/(I_{б max}+I_{ст min})

где U_ст - напряжение стабилизации стабилитрона,

I_{ст min} - ток стабилизации стабилитрона.

R_б = (18-15)/((1.33+5)/1000) = 470 Ом.

Теперь определим мощность этого резистора

Pr_б=(U_вх-U_ст)2/R_б.

То есть

Pr_б=(18-15)2/470=0,01 Вт.


Выпрямитель:


Рис. 10

Учитывая то, что мы знаем, какое напряжение нам надо подать на стабилизатор - 18 вольт, вычислим напряжение на вторичной обмотке трансформатора. Для этого пойдем, как и в начале - с хвоста. Итак, после конденсатора фильтра мы должны иметь напряжение 18 вольт.
Учитывая то, что конденсатор фильтра увеличивает выпрямленное напряжение в 1,41 раза, получаем, что после выпрямительного моста у нас должно получиться 18/1,41=13 вольт.

Теперь учтем, что на выпрямительном мосту мы теряем порядка 1,5-2 вольт, следовательно, напряжение на вторичной обмотке должно быть 13+2=15 вольт. Вполне может случится так, что такого трансформатора не найдется, не страшно - в данном случае можно применить трансформатор с напряжением на вторичной обмотке от 13 до 16 вольт.

ТАН2-127/220-50М

Мощность 33Вт

(11-12)

(20-21)

16В

ток вторичной обмотки 0,8А

Определим емкость конденсатора фильтра.

C_ф=3200I_н/U_нK_н

где I_н - максимальный ток нагрузки,

U_н - напряжение на нагрузке,

K_н - коэффициент пульсаций.

В нашем случае

I_н = 1 А,

U_н=18 0412,

K_н=0,01.

C_ф=3200*1/18*0,01=17777.

Однако, поскольку за выпрямителем идет еще стабилизатор напряжения, мы можем уменьшить расчетную емкость в 5…10 раз. То есть 2000 мкФ будет вполне достаточно.

Осталось выбрать выпрямительные диоды или диодный мост.

Для этого нам надо знать два основных параметра - максимальный ток, текущий через один диод и максимальное обратное напряжение, так же через один диод.

Необходимое максимальное обратное напряжение считается так

U_{обр max}=2U_н, то есть U_{обр max}=2*18=36 Вольт.

А максимальный ток, для одного диода должен быть больше или равен току нагрузки блока питания. Ну а для диодных сборок в справочниках указывают общий максимальный ток, который может протекать через эту сборку.

Выбираем:

КЦ405Б

Перед подключением нагрузки необходимо выставить на блоке питания 15В при помощи переменного резистора R2.

8. Заключение

В настоящей курсовой работе разработан нормирующий усилитель сигналов переменного тока с использованием операционных усилителей, удовлетворяющий поставленным техническим требованиям.

9. Список использованной литературы

1 Гусев В.Г, Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов, 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2004. – 790 с.: ил.

2 Быстров Ю.А., Мироненко И.Г. Электронные цепи и микросхемотехника: Учебник. – М.: Высш. шк., 2002. – 384 с.: ил.

3 Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: учеб. пособие для студ. вузов. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2004. – 576 с.

4 Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. – М.: Радио и связь, 1991 – 376 с.: ил.

5 Микросхемы для бытовой аппаратуры: Справочник/И.В. Новаченко, В.М. Петухов, И.П. Блудов, А.В. Юровский. – М.: Радио и связь, 1989. – 384 с.: ил.