«Разработка измерительного преобразователя».

Задание:

Требуется разработать измерительный преобразователь со следующими техническими характеристиками:

· Напряжение входного сигнала ℮с=20 мВ

· Максимальное значение частоты входного сигнала fс=0,3 мГц

· Погрешность нелинейности =1,5%

· Значение выходного сигнала Uвых=3 В

· Измерительный преобразователь должен запитываться от источника постоянного напряжения Е1, Е2=32 В

· Нестабильность источников питания δЕ=20%

Исходя из технического задания, измерительный преобразователь должен содержать усилитель переменного напряжения, поскольку данный усилитель предназначен для усиления только переменой составляющей входного сигнала;

двухполупериодный выпрямитель, осуществляющий преобразование переменного напряжения в средневыпрямленное значение;

фильтр низкой частоты, предназначенный для сглаживания пульсаций входного сигнала выпрямителя;

масштабирующий усилитель, осуществляющий приведение выходного сигнала измерительного преобразователя к номинальному значению.

Структурная схема измерительного преобразователя переменного напряжения в постоянное приведена на рисунке 1.

UСТ1 UСТ2

Е1

Е2

На рисунке 1 введены следующие обозначения:

У - усилитель переменного напряжения;

В - выпрямитель;

ФНЧ - фильтр низкой частоты;

МУ - масштабирующий усилитель;

СТ1, СТ2 - стабилизаторы напряжений;

Разработка принципиальной электрической схемы.

На основании структурной схемы была разработана функциональная, а затем и принципиальная электрическая схема. Поскольку принципиальная и функциональная схемы измерительного преобразователя, построенного на интегральных микросхемах отличаются незначительно (в функциональных схемах отсутствует нумерация выводов микросхемы), описание принципа действия основных узлов будем вести по принципиальной электрической схеме.

Описание основных узлов измерительного преобразователя.

Усилитель переменного напряжения выполнен на операционных усилителях Э1, Э2, резисторах R1-R4, конденсаторе С1. Он предназначен для усиления только переменной составляющей входного сигнала. Применение данного усилителя позволяет существенно уменьшить погрешность, обусловленную смещением и дрейфом нуля операционного усилителя. Первый каскад усилителя выполнен по схеме инвертирующего усилителя. Он имеет коэффициент усиления R3/R1. Второй каскад выполнен по схеме буферного повторителя напряжения. Его значение - обеспечить лучшее согласование выхода усилителя переменного напряжения со входом двухполупериодного выпрямителя. Переходная цепочка С1, R4 не пропускает постоянной составляющей выходного сигнала первого каскада усилителя на вход второго каскада. Как известно, передаточная функция такой цепи описывается выражением: Кц (р) = рτц /1+ рτц, где

τц = С1R4 - постоянная времязадающая цепи. (1).

Двухполупериодный выпрямитель выполнен на микросхемах Э4, Э6, резисторах R8, R9, R10, R14, диодах D1, D2. Выпрямитель работает следующим образом. При входном сигнале Uвх>0 сигнал проходит на выход усилителя, через усилитель Э4, диод D2, усилитель Э6, а обратная связь замыкается через резисторы R9, R14. При этом очевидно, что Uвых= Uвх (R8+R9+R14/R8). Если же Uвх<0 , то открывается диод D1, диод D2 закрыт и выходное напряжение формируется в результате усиления инвертирующим усилителем Э6 напряжения, поступающего с выхода повторителя на основе Э4. В результате Uвых= - Uвх * R14/ R9. Постоянство модуля коэффициента передачи будет достигаться при:

1+ R9/ R8 + R14/R8 = R14/ R9 (2)

В частности, если R8 = ∞ и R9 = R14, то Uвых= Uвх

В качестве ФНЧ выбираем активный ФНЧ.

Применение активного ФНЧ позволяет исключить из структурной схемы измерительного преобразователя масштабирующий усилитель. Передаточная функция активного фильтра описывается выражением

Кф(р) = - R17/ R15*1/рС6 R17+1 (3)

Подобный фильтр применяется в тех случаях, когда необходимо усилить постоянную составляющую входного сигнала фильтра и сгладить с этом сигнале пульсации.

Расчет параметров элементов схемы

измерительного преобразователя.

При разработке принципиальной схемы использовались:

· Операционный усилитель 154 УД2

· Стабилизаторы напряжения

имеющие следующие характеристики:

Микросхема 154 УД2:

коэффициент усиления К, тыс - 104

напряжение питания ±Uп, В - 13,5-16,5

напряжение смещения ±lсм, мВ - 2

входной ток iвх, нА - 100

граничная частота f, мГц - 50