1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Преобразователи сопротивления в напряжение используются для согласования цепей с резистивными датчиками различных физических величин. Основными требованиями к ним являются:

· Обеспечение линейной и стабильной функции преобразования измеряемой физической величины через сопротивление датчика в выходное напряжение;

· Исключение влияния линии, соединяющей датчик, обычно расположенный на объекте измерения, со входом системы регулирования;

· Получение малого выходного сопротивления ПСН, при котором обеспечивается его удобное согласование со входом аналого-цифрового преобразователя.

Мостовые преобразователи сопротивление-напряжение используют для работы с резистивными датчиками, в которых измеряемая величина преобразуется в разность двух сопротивлений (полумостовой датчик) или в неравновесие четырехплечего резистивного моста (мостовой датчик). Задачи, решаемые при построении мостовых ПСН,- это уменьшение погрешности от сопротивлений соединительных проводов и снижение требований к усилителям выходных сигналов датчиков.

Полумост питается от двух симметричных напряжений -U₀ и +U₀ (Рис.1.1). Для того чтобы исключить погрешность от сопротивлений соединительных проводов, эти напряжения подаются на датчик с помощью повторителей напряжения, выполненных на операционных усилителях DA1и DA2.

В данном случае высокие требования предъявляются к симметрии питающих напряжений: неравенство модулей питающих напряжений -U₀ и +U₀ будет вызывать изменения выходного напряжения ПСН.

Рис. 1.1. Принципиальная схема полумостовового ПСН.

Полумостовой ПСН (Рис.1.2). построен так, чтобы уменьшить влияния линии на результат измерения. С помощью DA2 на нижнем конце резистора Rt поддерживается нулевой потенциал, независимо от падения напряжения на линии r2. Влияние линий r3, r4 исключается за счет того, что они включены последовательно с очень большим входным сопротивлением DA1 и DA2, соответственно. Чтобы линия r1 не оказывала существенного влияния, необходимо сопротивление R выбирать из условия R>>r1. Уравнение преобразования имеет вид: , где U₀- напряжение стабилизации стабилитрона. В соответствии с этим уравнением точность преобразования зависит от точности задания и стабильности параметров U₀ и R.

Рис. 1.2. Принципиальная схема полумостовового ПСН.

Одним из примеров схем может служить схема основанная на измерении реактивного сопротивления индуктивности.

Рис. 1.3 Структурная схема преобразователя индуктивность - интервал времени

ГСС - генератор синусоидального сигнала

Lx - измеряемая индуктивность

ПНВ - преобразователь напряжение интервал времени

Достоинством этой схемы является линейная зависимость периода выходного напряжения от значения измеряемой индуктивности.

К недостаткам этой схемы можно отнести зависимость преобразования от индуктивности линии связи и большая сложность по сравнению со схемами LC генераторов.

Схема с ёмкостной трёхточкой

Рис. 1.4 Принципиальная схема LC-генератора

В этой схеме сильно проявляется погрешность, связанная с индуктивностью линии.

Частота установившихся колебаний такого генератора равна:

Схема LC-автогенератора на операционном усилителе.

Рис. 1.5 Принципиальная схема LC-генератора на операционном усилителе

Высокими техническими показателями обладают LC-автогенераторы гармонических колебаний, использующие в качестве усилительных звеньев операционные усилители. В связи с избыточностью коэффициента усиления таких усилителей это позволяет, кроме положительной обратной связи через частотно-избирательный резонансный контур, вводить достаточно глубокие дополнительные отрицательные связи, что существенно повышает стабильность частоты генерируемых колебаний. Кроме того, операционные усилители имеют большое входное и очень маленькое выходное сопротивления, что позволяет не учитывать их при расчёте.

2. ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Исходя из заданных требований, разработаем структурную схему и дадим разъяснение блокам структурной схемы полумостового преобразователя сопротивления в напряжение (ПСН).

Структурная полумостового ПСН изображена на рис. 2.1 и содержит в своем составе:

ИОН- источник опорного напряжения;

ПН- повторитель напряжения;

ДН- делитель напряжения;

ДУ- дифференциальный усилитель;

Рис.2.1 Структурная схема полумостового ПСН.

Источником опорного напряжения задаем входной сигнал U₀ делителя напряжения (ДН) и повторителя напряжения (ПН). Делитель напряжения делит входной сигнал пополам и подает его на вход дифференциального усилителя. Повторитель напряжения поддерживает напряжение U₀ на втором входе дифференциального усилителя. В свою очередь дифференциальный усилитель состоит из операционного усилителя и полумоста. Операционный усилитель подает на нижний зажим полумоста такое напряжение, при котором равны потенциалы на средней точке полумоста и на выходе делителя напряжения.

3. РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

3.1 Вывод уравнения преобразования

(К₃) ДН- делитель напряжения;

(К₄) ПН- повторитель напряжения;

y₁=Uвых _дн ;

y₂=Uвых _пн ;

y₃=Uвых _К1 ;

y₄=Uвых _К2 ;

y=Uвых;

x=U₀;

3.2 Требования к блокам структуры

Источник опорного напряжения на выходе имеет 2.5 В отсюда В. Опорное напряжение подается на делитель напряжении и на повторитель напряжения. На выходе делителя напряжения мы будем иметь 1.25В значит В. На выходе повторителя напряжения будем иметь опорное напряжение 2.5В, . На выходе блока К₁ будем иметь напряжение 1.05В, а на выходе блока К₂ напряжение 2.05В. По условию КП на выходе ПСН напряжение 1В следовательно В.

Рассчитаем коэффициенты передачи каждого блока.

Коэффициент передачи ДН ;

Коэффициент передачи ПН ;

Коэффициент передачи К₁

,

Коэффициент передачи К₂

Коэффициент передачи всего ПСН

Подбор погрешности.

По условию КП . Исходя из этого, распределяем погрешность:

4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

4.1 Источник опорного напряжения

Источник опорного напряжения AD580MH, у которого:

Uвых=2.5 В, Iвых=10мA, Iп=1мА, Uпит=4.5…30 B, .

4.2 Делитель напряжения

Делитель напряжения обеспечивает согласование заданного выходного напряжения и выбранного опорного. Коэффициент деления рассчитывается по уравнению:

Пусть R1 = 1.1 kОм, R2 = 1.1 кОм.

мА

мВт

Выбираем резисторы R1 и R2: С5-60А-0,125-

Погрешность делителя напряжения состоит:

TKC_С5-60А=;

.

Так как погрешность делителя напряжения равна 0.013%, то погрешность повторителя напряжения будет равна 0.047%.

4.3 Повторитель напряжения

Повторитель напряжения собираем на ОУ, выбираем ОУ из условия ,

где - мультипликативные погрешности.

Диапазон погрешностей:

Откуда распределяем погрешность =

Выбираем операционный усилитель AD849J у которого: ,

.

Проверяем:

Погрешность повторителя напряжения равна 0.051%, что превышает отведенной погрешности . Таким образом =0.051%, а отведенная погрешность на дифференциальный усилитель будет равна 0.66%

4.4 Дифференциальный усилитель

По заданию курсового проекта падение напряжения на изменяемом сопротивлении рабочего плеча полумоста (Rx) не более 20мВ (рис.4.4.1).

Рис.4.4.1 Дифференциальный усилитель.

Найдем ток протекающий через рабочее плечо полумоста:

Пределы рабочего плеча полумоста

Находим значения сопротивления

Рассчитаем мощность:,

Выбираем резисторы :

Погрешность резистора состоит:

TKC_МРХ=;

Тогда

Выбираем операционный усилитель из условия

,

где

Откуда распределяем погрешность

=

Выбираем операционный усилитель AD840К у которого:

,

.

Проверяем:

Погрешность операционного усилителя равна 0.04%, что не превышает отведенной погрешности

.

Погрешность дифференциального усилителя:

0.04+0.015=0.055%.

Рис.4.4.2 Принципиальная схема полумостового ПСН.

5. РАСЧЕТ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Поскольку максимально потребляемый ток преобразователя равен сумме максимальных токов микросхем и равен

I=IDA1+DA2+IDD1=0.0075+0,004+0,002=0,0135А,

соответственно максимальная потребляемая мощность не превышает P=I*U=0,4Вт,

возьмём трансформатор ТП112-11 2х15V. 0.24A

Напряжение на выходе трансформатора

U₂=(±15±3)В.

Падение напряжения на диодах 0,7В.

Напряжение на входе интегральных стабилизаторов

.

Напряжение на выходе интегральных стабилизаторов ±15В.

При расчёте погрешности погрешность напряжения питания можно не учитывать, поскольку схема построении на ИМС, имеющие встроенный стабилизатор напряжения.

Все конденсаторы должны быть на напряжение не ниже 50В.

С₁, С₃, С₇ и С₉ - SA100V-470MF

С₂, С₄, С₅ и С₆, С₈ и С₁₀ - КМ6а -0.15 Н50.

Интегральный стабилизатор выполнен на микросхеме К142ЕН6А со следующими параметрами:

U_стаб, - |15|0,015В,

I_ст.max, - 0,1А,

Р_max, - 5Вт,

I_потр, - 7,5мА.

В качестве диодного моста можно взять любую диодную сборку с током

,

и напряжением не менее 30В, в качестве такового подходит диодная сборка КЦ402А с параметрами:

В качестве источника питания микросхемы DD1 используется параметрический стабилизатор на R6 и VD3. Параметры стабилитрона нижеследующие:

Пусть сопротивление резистора R6=1к, тогда ток через стабилитрон .

АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

На погрешность преобразования данной схемы влияет погрешность операционных усилителей (), погрешность резисторов ().

Погрешность операционных усилителей: DA1=0.051%, DA2=0.04%, DA3=0.07%

Погрешность резисторов:R1=R2=0.013%, Ri=0.015%

Погрешность всего преобразователя равна 0.189% по ТЗ она не должна превышать 0.2%, это требование выполняется.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате курсового проектирования была разработана схема полумостового преобразователя сопротивление - напряжение. Погрешность преобразования схемы не превышает заданной погрешности д_пр?0,2%. Схема мало подвержена влиянию сопротивления линии связи. Малое количество элементов применяемое в схеме повышает её надёжность. Данная схема полностью удовлетворяет заданным требованиям ТЗ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методические указания по курсовому и дипломному проектированию. / Сост.: Бирюков С. В.; ОмГТУ. - Омск, 1998. - 39 с.

2. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые) / П. П. Орнатский.-5-е изд., перераб. и доп.-К.: Вища шк. Головное изд-во, 186.-504 с.

3. Основы промышленной электроники. Руденко В. С., Сенько В. И., Трифонюк В. В.-К.: Вища шк. Головное изд-во, 1985.-400 с.

4. Алексенко А. Г. И др. Применение прецизионных аналоговых микросхем / А. Г. Алексенко, Е. А. Коломбет, Г. И. Стародуб. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985. - 256 с., ил.

5. Манаев Е. И. Основы радиоэлектроники: Учеб. Пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985. - 488 с., ил.

6. Кликушин Ю. Н., Михайлов А. В. К49 Электроника в приборостроении: Тексты лекций. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2000., - 152 с.

7. Резисторы: справочник/ В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и д.р.; Под общ. Ред. И.И. Четвертков и В.М. Терехова.-М.: Радио и связь, 1987.-352 с.; ил.