Разработка измерительного преобразователя
Министерство
образования и науки Российской Федерации
Пензенский
государственный университет
Кафедра
«Автоматика и телемеханика»
Разработка
измерительного преобразователя
Пояснительная
записка к курсовой работе по дисциплине
«Измерительные
преобразователи систем управления»
Выполнил: ст. гр. 06ЗАА61
Первухин И. Л.
Проверил: к.т.н., доцент
Арбузов В.П.
Нормоконтролёр: Саул Е.Н.
Пенза, 2011
Реферат
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ПОГРЕШНОСТЬ
НЕЛИНЕЙНОСТИ, УСИЛИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, АДДИТИВНАЯ КОРРЕКЦИЯ, ВЫПРЯМИТЕЛЬ,
ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ, БУФЕРНЫЙ КАСКАД, НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ,
СТАБИЛИЗАТОР
Цель работы: спроектировать измерительный
преобразователь переменного напряжения в напряжение постоянного тока.
В данной работе был спроектирован измерительный
преобразователь со следующими характеристиками: амплитуда входного сигнала
21мВ, диапазон частоты входного сигнала (45¸120)кГц, напряжение
источника питания ±26В, напряжение выходного сигнала 3В.
Содержание
Введение
. Разработка структурной схемы
. Определение коэффициентов передачи
узлов измерительного преобразователя
.1 Определение общего коэффициента
передачи
.2 Выбор коэффициентов передачи
отдельных звеньев
.3 Выбор схемы предварительного
усилителя
.4 Расчёт погрешности нелинейности
для ПУ
. Коррекция погрешности усилителя
переменного тока
. Расчет RC-параметров схемы
электрической принципиальной
.1 Расчет параметров усилителя
.2 Расчет параметров выпрямителя
.3 Выбор схемы фильтра
.4 Буферный каскад
. Выбор стабилизатора напряжения
. Выбор номиналов резисторов и
конденсаторов
. Определение расчётного значения
общего коэффициента передачи
Заключение
Список использованных источников
Приложение А(обязательное)
Измерительный преобразователь. Схема электрическая принципиальная
Введение
Измерительный преобразователь - это техническое
средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для
преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал,
удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или
передачи.
Принцип действия измерительных преобразователей
(ИП) основан на различных физических явлениях. Измерительные преобразователи
преобразуют любые физические величины х (электрические, неэлектрические,
магнитные) в выходной электрический сигнал Y = f(х).
ИП или входит в состав какого-либо
измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.),
или применяется вместе с каким-либо средством измерений. Различают первичные и
промежуточные преобразователи (например, термопара в термоэлектрическом
термометре, измерительный трансформатор тока, электропневматический
преобразователь).Часть измерительного преобразователя в измерительной цепи,
воспринимающая входной измерительный сигнал, называется чувствительным элементом
средства измерений.
Первичный измерительный преобразователь (ПИП) -
измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует
измеряемая физическая величина, т. е. первый преобразователь в измерительной
цепи измерительного прибора (установки, системы).
В одном средстве измерений может быть несколько
первичных преобразователей (например, ряд первичных преобразователей
измерительной контролирующей системы, расположенных в разных точках
контролируемой среды).
1. Разработка структурной схемы
Так как задачей нашего измерительного
преобразователя является преобразование переменного напряжения входного сигнала
в напряжение постоянного тока с заданным коэффициентом усиления и граничными
частотами входного сигнала, схема обязательно должна содержать усилитель
переменного напряжения, выпрямитель, фильтр нижних частот. Для согласования с
сопротивлением нагрузки измерительного преобразователя, целесообразно после
фильтра включить в схему буферный каскад.
Структурная схема измерительного преобразователя
приведена на рисунке 1.
Рисунок 1
2.
Определение коэффициентов передачи узлов измерительного преобразователя
2.1 Определение общего коэффициента передачи
Значение общего коэффициента передачи
измерительного преобразователя находится как отношение выходного сигнала
преобразователя к входному сигналу eс:
2.2 Выбор коэффициентов передачи отдельных
звеньев
Коэффициенты передачи отдельных звеньев
выбираются таким способом, что бы их произведение равнялось общему коэффициенту
передачи.
преобразователь
ток усилитель напряжение
К1=2, К2=4, К3=8,93, К4=2.
Рассчитаем коэффициент с полученными К
K=2*4*8.93*2=142.84
2.3 Выбор схемы предварительного усилителя
Рисунок 2
Предварительный усилитель (ПУ) представляет
собой операционный усилитель (ОУ) с отрицательной обратной связью. Схема
включения (ПУ) показана на рисунке 2.
2.4 Расчёт погрешности нелинейности для ПУ
Для первого каскада измерительного
преобразователя коэффициент передачи будет равен 2.
Коэффициент отрицательной обратной связи:
Значение коэффициента отрицательной обратной
связи:
Определим погрешности нелинейности на частотах fн
и fв:
Погрешность нелинейности усилителя:
Сравним это значение с заданным в задании:
,75% < 1,5%
Значит операционный усилитель выбран правильно.
3.
Коррекция погрешности усилителя переменного тока
Рассчитаем частоты единичного усиления для ПУ на
±10% и ±20% от номинальной частоты
= 20 МГц.
f11=f1
- 21%f1=30 - 6=24 МГц,
f12=f1
- 10%f1=30 - 3=27 МГц,
f13 = f1=
30 МГц,
f14 = f1
+ 10%f1=30 + 3=33 МГц,
f15=f1
+ 20%f1=30 + 6=36 МГц
В таблицу 2 сведены значения коэффициентов
передачи усилителя на рабочих частотах, который рассчитан как:
Ку=fср/fр
Таблица 2
|
Значения
рабочей частоты fр, кГц
|
Значения
частоты единичного усиления f1, МГц
|
|
24
|
27
|
30
|
33
|
36
|
|
45
|
533,333
|
600
|
666,667
|
733,33
|
800
|
|
63,75
|
376,471
|
423,529
|
470,588
|
517,647
|
564,706
|
|
82.5
|
290,909
|
327,273
|
363,636
|
400
|
436,364
|
|
101.25
|
237,037
|
266,667
|
296,296
|
325,926
|
355,556
|
|
120
|
200
|
225
|
250
|
275
|
300
|
Найдём выражение, по которому будем вычислять
значение абсолютной погрешности выходного напряжения усилителя.
Вычисленные значения сведены в
таблицу 3.
Таблица 3
|
Значение DUвых, мкВ
|
Значение рабочей частоты fр, кГц
|
|
45
|
63,75
|
82.5
|
101.25
|
120
|
|
DU1j
|
-237.3
|
-335.4
|
-433
|
-530.2
|
-626.9
|
|
DU2j
|
-211.1
|
-298.4
|
-385.3
|
-471.9
|
-558.1
|
|
DU3j
|
-190
|
-268.7
|
-347.1
|
-425.2
|
-503
|
|
DU4j
|
-172.8
|
-244.4
|
-315.8
|
-386.9
|
-457.8
|
|
DU5j
|
-158.5
|
-224.2
|
-289.7
|
-386.9
|
-457.8
|
|
DUjср
|
-193.9
|
-274.2
|
-354.2
|
-4.338
|
-513.2
|
DUjср - среднее
значение абсолютной погрешности выходного напряжения усилителя для каждого
значения рабочей частоты.
Используя метод наименьших квадратов, найдём
значения коэффициентов k
и b для номинальной
функции преобразования
DUi=k·fрi+b 
.
Построим график функции Ui=k·fрi+b. Значения
функции для построения графика представлены в таблице 4.
Таблица 4
|
Значения
рабочей частоты fрi, кГц
|
45
|
63,75
|
82.5
|
101.25
|
120
|
|
Значения
абсолютной погрешности DUi, мкВ
|
-191.7
|
-272.5
|
-353.4
|
-434.2
|
-515.1
|
График функции DUi=k·fрi+b
представлен на рисунке 3.
Рисунок 3
Для того, что бы скорректировать погрешность,
необходимо включить параллельно резистору R2 резистор R1, схема представлена на
рисунке 4.
Рисунок 4
4.
Расчёт
RC-параметров схемы
электрической принципиальной
Для ПУ необходимо выбрать микросхему К154УД4,
электрические параметры которой приведены в таблице 5.
Таблица 5
|
Параметры
операционного усилителя
|
Числовые
значения
|
|
Коэффициент
усиления К, тыс.
|
8
|
|
Напряжение
питания +Uп, В
|
5
- 17
|
|
Ток
потребления Iп, мА
|
7
|
|
Напряжение
смещения +eсм, мВ
|
6
|
|
Входной
ток iвх, мА
|
1200
|
|
Разность
входных токов iвх, нА
|
300
|
|
Частота
единичного усиления f1, МГц
|
30
|
|
Выходное
напряжение +Uвых, В
|
10
|
|
Сопротивление
нагрузки Rн, кОм
|
2
|
.1 Расчёт параметров усилителя
Функциональная схема предварительного усилителя,
включающая уже коррекцию, представлена на рисунке 5.
Рисунок 5
Резистор R2:
кОм,
где iвх=1200нА -
справочные данные микросхемы К154УД4.
Резистор R4:
кОм,
Резистор R3 находится
как параллельное соединение R2 и R4:
кОм
Конденсаторы С4 и С3 предусмотрены
схемой включения операционного усилителя: С4=10пФ, С3=15пФ. Напряжение на входе
усилителя:
В.
Корректирующим является резистор R1:
КОм.
4.2
Расчёт параметров выпрямителя
Для выпрямления сигнала будем использовать
двухполупериодный выпрямитель на двух ОУ, схема которого приведена на рисунке
6.
Рисунок 6
Диоды VD1
и VD2 выбираем ГД107А.
Параметры диодов VD1
и VD2 представлены в
таблице 6:
Таблица 6
|
Параметры
диодов
|
Числовые
значения
|
|
Постоянное
прямое напряжение, В
|
1
|
|
Максимальный
выпрямл. ток, мА
|
20
|
|
Максимальное
обрат. напряжение, В
|
15
|
К2=4,
R9=R8.
R7=1 Ком
R9=4* R7=4
Ком
кОм
В.
4.3 Выбор схемы фильтра
После выпрямителя необходимо отфильтровать
полученный сигнал фильтром нижних частот (ФНЧ) первого порядка, схема которого
представлена на рисунке 7.
Рисунок 7
Фильтр собран на ОУ К140УД6 параметры в таблице
7.
Таблица 7
|
Параметры операционного усилителя
|
Числовые значения
|
|
Коэффициент усиления К, тыс.
|
50
|
|
Напряжение питания +Uп, В
|
5
- 20
|
|
Ток потребления Iп, мА
|
3
|
|
Напряжение смещения +eсм, мВ
|
8
|
|
Температурный коэффициент напряжения смещения Ткeсм, мкВ/К
|
20
|
|
Входной ток iвх, нА
|
50
|
|
Разность входных токов Diвх, нА
|
15
|
|
Частота единичного усиления f1, МГц
|
1
|
|
Выходное напряжение +Uвых, В
|
12
|
|
Сопротивление нагрузки Rн, кОм
|
1
|
Резистор R13
предусмотрен схемой включения операционного усилителя: R13=10
кОм. Резистор R10:
кОм.
Возьмем R10 = 30 КОМ
Резистор R12:
кОм.
Резистор R2 находится
как параллельное соединение резисторов R1 и R3:
кОм.
Зная диапазон изменения входного
сигнала (25÷110)
кГц,
можно найти постоянную времени фильтра τ:
с;
нФ.
Напряжение на выходе фильтра:
В.
4.4 Буферный каскад
Так как после ФНЧ сигнал инвертируется, то
сигнал необходимо инвертировать ещё раз и усилить до необходимого выходного
напряжения, для этого в схему вводится буферный каскад, выполненный на
инвертирующем ОУ.
Для ФНЧ и БК возьмём две микросхемы К140УД6.
Электрические параметры микросхемы приведены в таблице 6.
Рисунок 8
Резистор R17
предусмотрен схемой включения операционного усилителя. Резистор R14:
кОм.
Возьмем равным 100 КОМ
Резистор R16:
кОм.
Резистор R15 находится
как параллельное соединение резисторов R16 и R14:
кОм.
Напряжение на выходе буферного
каскада и всего измерительного преобразователя:
В.
5. Выбор стабилизатора напряжения
Для питания наших микросхем
требуется напряжение ±15 В, по техническому заданию мы имеем двухполярное
напряжение постоянного тока 
Еп ±26В с нестабильностью 
±25%. Что бы
обеспечить стабильное питание ±15 В необходимо включить в схему стабилизатор
напряжения.
Таблица 8
|
Параметры
стабилизатора
|
Числовые
значения
|
|
Выходное
напряжение, В
|
±15±0,3
|
|
Максимальный
ток нагрузки, А
|
0,2
|
|
Макс.
входное напряжение, В
|
±30
|
|
Нестабильность
по напряжению, %/В
|
0,002
|
|
Нестабильность
по току, %
|
0,2
|
Определим диапазон изменения напряжения питания:
В
В
6. Выбор номиналов резисторов и
конденсаторов
Номиналы резисторов приведены в
таблице 9, номиналы конденсаторов приведены в таблице 10.
Таблица 9
|
Обознач.
|
Расчётное
значение, кОм
|
Тип
|
Номинальные
значения
|
|
|
|
Сопротивление,
кОм
|
Отклонение,
%
|
Мощность,
Вт
|
|
R1
|
383
|
C2-6
|
390
|
±5
|
0,125
|
|
R2
|
1,75
|
C2-6
|
1,8
|
±5
|
0,125
|
1,167
|
C2-6
|
1,2
|
±5
|
0,125
|
|
R4
|
3,5
|
C2-6
|
3,6
|
±5
|
0,125
|
|
R5
|
1,67
|
C2-6
|
1,8
|
±5
|
0,125
|
|
R6
|
3,5
|
C2-6
|
3,6
|
±5
|
0,125
|
|
R7
|
1
|
C2-6
|
1
|
±20
|
0,125
|
|
R8
|
4
|
C2-6
|
3,9
|
±5
|
0,125
|
|
R9
|
4
|
C2-6
|
3,9
|
±5
|
0,125
|
|
R10
|
30
|
C2-6
|
30
|
±5
|
0,125
|
|
R11
|
26,98
|
C2-6
|
27
|
±5
|
0,125
|
|
R12
|
267,9
|
C2-6
|
270
|
±5
|
0,125
|
|
R13
|
10
|
CП2-2
|
10
|
±20
|
0,125
|
|
R14
|
100
|
C2-6
|
100
|
±5
|
0,125
|
|
R15
|
66,67
|
C2-6
|
68
|
±5
|
0,125
|
|
R16
|
200
|
C2-6
|
200
|
±5
|
0,125
|
|
R17
|
10
|
CП2-2
|
10
|
±20
|
0,125
|
Таблица 10
|
Обознач.
|
Расчётное
значение, мкФ
|
Тип
|
Номинальные
значения
|
|
|
|
Ёмкости,
мкФ
|
Отклонение,
%
|
Напряжение,
В
|
|
С1
|
1
|
К50-3А
|
1
|
±5
|
25
|
|
С2
|
1
|
К50-3А
|
1
|
±5
|
25
|
|
С3
|
0,00001
|
К10-23
|
0,00001
|
±5
|
25
|
|
С4
|
0,000015
|
К10-23
|
0,000015
|
±5
|
16
|
|
С5
|
0,1
|
К10-50
|
0,1
|
±5
|
16
|
|
С6
|
0,1
|
К10-50
|
0,1
|
±5
|
25
|
|
С7
|
2
|
К50-3А
|
2
|
±5
|
25
|
|
С8
|
0,00001
|
К10-23
|
0,00001
|
±5
|
25
|
|
С9
|
0,00003
|
К10-23
|
0,00001
|
±5
|
16
|
|
С10
|
2
|
К50-3А
|
2
|
±5
|
16
|
|
С11
|
0,00001
|
К10-23
|
0,00001
|
±5
|
16
|
|
С12
|
0,00003
|
К10-23
|
0,00001
|
±5
|
16
|
|
С13
|
0,00415
|
К10-50
|
0,0043
|
±5
|
25
|
7. Определение расчётного значения общего
коэффициента передачи
Пересчитаем все коэффициенты передачи с учётом
номинальных значений сопротивлений:
До выбора номинальных значений был K= 
, а после
выбора стал 140,4.
Значит, в обратную связь буферного
каскада надо поставить переменный резистор R18 с
номиналом:
кОм
|
Обознач.
|
Расчётное
значение, кОм
|
Тип
|
Номинальные
значения
|
|
|
|
Сопротивление,
кОм
|
Отклонение,
%
|
Мощность,
Вт
|
|
R18
|
10
|
CП2-2
|
10
|
±20
|
0,125
|
Заключение
В результате курсовой работы, по данному техническому
заданию, был спроектирован измерительный преобразователь со следующими
характеристиками:
— входной сигнал ec
=
21 мВ;
— частота входного сигнала fвх
= (45÷120)
кГц;
— выходной сигнал Uвых
= +3 В;
— напряжение питания усилителя Еп ±26 В
±25%;
— частотная погрешность нелинейности δ
= 1,5%
Данный преобразователь может применяться в
системах автоматического управления для преобразования сигнала, снимаемого с
датчика.
Список использованных источников
1.
В.С.Гутников.
Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергия, 1980.
2.
Справочник
по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам / Под ред.
Горюнова Н.Н. - М.: Энергия, 1979.
3.
Резисторы,
конденсаторы, Справочник под редакцией Н.Н. Акимова, Минск, Беларусь, 1944;
4.
Справочник
по схемотехнике для радиолюбителя / Под ред. Боровского В.П. - Киев: Тэхника,
1989.