Міністерство освіти і науки України
Вінницькій національний технічний університет
Інститут автоматики електроніки та комп’ютерних систем управління
Факультет автоматики та комп’ютерних систем управління
Кафедра метрології та промислової автоматики
ПЕРЕТВОРЮВАЧ НАПРУГА-ТРИВАЛІСТЬ ІМПУЛЬСУ
Пояснювальна записка
з дисципліни "Основи електроніки"
до курсового проекту за спеціальністю
"Метрологія та вимірювальна техніка"
Вінниця ВНТУ 2009
Анотація
У даному курсовому проекті було розроблено та реалізовано перетворювач напруги в імпульси. Цей перетворювач здатен перетворювати напругу у межах 10 мВ…10 В у імпульси. З частотою перетворення 50 кГц і частотою вхідного сигналу 0…20 кГц. Максимальна напруга вихідного сигналу не перевищує 15 В на опорі 5 Ом. Перетворювач забезпечує високу точність, тобто похибка складає менше 1%.
Зміст
Вступ
1. Розробка технічного завдання
2. Розробка структурної схеми
2.1 Аналіз існуючи методів вимірювання напруги
2.2 Розробка структурної схеми перетворювача
2.3 Попередній розрахунок АМВ
2.4 Попередній розрахунок первинного перетворювача
2.5 Попередній розрахунок компаратора
2.6 Попередній розрахунок підсилювача потужності
2.7 Попередній розрахунок проміжного каскаду
2.8 Розробка детальної структури схеми
3. Електричні розрахунки
3.1 Електричний розрахунок підсилювача потужності
3.2 Електричний розрахунок первинного перетворювача
3.3 Електричний розрахунок АМВ
4. Моделювання одного з вузлів
Висновки
Список літератури
Вступ
Останні десятиліття обумовлені широким впровадженням у галузі народного господарства засобів мікроелектроніки й обчислювальної техніки, обмін інформацією з якими забезпечується лінійними аналоговими і цифровими перетворювачами (АЦП і ЦАП).
Сучасний етап характеризується великими та дуже великими інтегральними схемами ЦАП і АЦП, що володіють високими експлуатаційними параметрами: швидкодією, малими похибками, багатозарядністю. Включення БІС єдиним, функціонально закінченим блоком сильно спростило впровадження їх у прилади та установки, що використовуються як у наукових дослідженнях, так і в промисловості і дало можливість швидкого обміну інформацією між аналоговими та цифровими пристроями.
Техніка конструювання і застосування датчиків, або, як її можна коротко назвати, сенсора, за останні роки розвилася в самостійну галузь вимірювальної техніки. З ростом автоматизації до датчиків фізичних параметрів стали пред'являтися усе більш високі вимоги. При цьому особливе значення надається наступним показникам:
– мініатюрність (можливість вбудовування);
– дешевина (серійне виробництво);
– механічна міцність.
Поняттям "датчик" у загальному випадку позначають дешевий, але надійний приймач і перетворювач вимірюваної величини, що володіє помірною точністю і придатний для серійного виготовлення.
Первинні вимірювальні перетворювачі вимірювану величину перетворюють у сигнал вимірювальної інформації, що дає можливість передати його на певну відстань і за місцем призначення відтворити вимірювальну величину у формі, прийнятній для спостерігача або ж ввести у відповідний засіб вимірювання.
Первинним вимірювальним перетворювачем, або сенсором, називається перетворювач, який першим взаємодіє з об'єктом вимірювання і видає сигнал вимірювальної інформації.
До систем дистанційних передач сигналів вимірювальної інформації пред'являються такі вимоги: точність передачі; достовірність і надійність передачі; перешкодозахищеність; дистанційність передачі; мінімальна інерційність; стабільність сигналів, незалежність від джерела живлення; економічність системи дистанційної передачі.
Задовольнити усі наведені вимоги у повному обсязі за допомогою однієї дистанційної системи передачі досить складно, проте у своїй більшості системи відповідають цим вимогам.
Типи перетворювачів дистанційних передач обираються залежно від об'єкта і виду вимірюваної фізичної величини, яка перетворюється в сигнал, що передається лінією зв'язку (струм, напруга, частота, стиснуте повітря тощо). Для перетворення лінійного переміщення в уніфікований сигнал найчастіше використовуються диференціально-трансформаторні та струмові перетворювачі: перетворювачі кутового переміщення – феродинамічні, сельсинні та частотні; перетворення зусиль – електросилові та пневмосилові компенсуючі перетворювачі.
Трансформатори використовуються для перетворення струму або напруги, для включення трифазних лічильників в електричні мережі. Трансформаториструму служать також для ізоляції апаратури від потенціалу мережі, в якій здійснюється вимірювання.
1
.
Розробка технічного завдання
Метою курсового проекту є розрахунок та визначення технічних параметрів схеми перетворювача напруга-тривалість імпульсу. Заданий діапазон напруги складає від 10 мВ до 10 В, частота перетворення дорівнює 50 кГц, діапазон частот вхідного сигналу 0…20 кГц, амплітуда на виході – 15В, опори навантаження 5 Ом, похибка ≤1%. Необхідно розрахувати значення кожного з елементів схеми перетворювача напруга – тривалість імпульсу та згідно розрахункам вибрати необхідні операційні підсилювачі, транзистори.
При проектуванні індуктивних перетворювачів варто звертати увагу на екранування проводів, вибір ізоляції, усунення поверхневого опору ізоляції і вибір частоти живлення. Чим вище ця частота, тим менше вихідний опір, тому нерідко частоту живлення вибирають велику (до декількох МГц).
Конструктивні схеми індуктивних перетворювачів виконуються в різних варіантах у залежності від області застосування.
Можливі області застосування індуктивних перетворювачів надзвичайно різноманітні, можна виділити лише окремі сфери:
– промислова техніка виміру і регулювання;
– робототехніка;
– автомобілебудування;
– побутова техніка;
– медична техніка.
Застосування того чи іншого датчика в цих сферах визначається насамперед відношенням ефективність. При промисловому застосуванні визначальним фактором є погрішність, що при регулюванні процесів повинна складати < 1%, а для задач контролю – 2…3%. Для спеціальних застосувань в області робототехніки і медичної техніки ціни датчиків можуть досягати навіть рівня 10…100 тис. Завдяки впровадженню нових технологій виготовлення (високо-вакуумне напилювання, розпилення, хімічне осадження з газової фази, фотолітографія і т.д.) і нових матеріалів безупинно розширюються сфери застосування датчиків, недоступні раніше через їхню високу ціну.
Прилад повинний відтворювати вимірювані величини з погрішностями, що допускаються. При цьому слово "відтворення", еквівалентне в даному трактуванні слову "відображення", розуміється в самому широкому змісті: одержання на виході приладу величин, пропорційних вхідним величинам; формування заданих функцій від вхідних величин (квадратична і логарифмічна шкали й ін.); одержання похідних і інтегралів від вхідних величин; формування на виході слухових чи зорових образів, що відображають властивості вхідної інформації; формування керуючих сигналів, використовуваних для керування контролю; запам'ятовування і реєстрація вихідних сигналів.
Вимірювальний сигнал, одержуваний від контрольованого об'єкта, передається у вимірювальний прилад у виді імпульсу або у виді енергії. Можна говорити про сигнали: первинних – безпосередньо характеризують контрольований процес; сприйманих чуттєвим елементом приладу; поданих у вимірювальну схему, і т.д. При передачі інформації від контрольованого об'єкта до покажчика приладу сигнали перетерплюють ряд змін за рівнем і спектром і перетворяться з одного виду енергії в іншій.
Необхідність такого перетворення викликається тим, що первинні сигнали не завжди зручні для передачі, переробки, подальшого перетворення
і відтворення. Наприклад, при вимірі температури приладом, чуттєвий елемент якого міститься в контрольоване середовище, сприйманий потік тепла важко передати, а тим більше відтворити на покажчику приладу. Цією особливістю володіють майже всі сигнали первинної інформації. Тому сприймані чуттєвими елементами сигнали майже завжди перетворяться в електричні сигнали, що є універсальними.
Та частина приладу, у якій первинний сигнал перетвориться, наприклад, в електричний, називається первинним перетворювачем. Часто цей перетворювач сполучається з чуттєвим елементом. Сигнали з виходу первинного перетворювача надходять на наступні перетворювачі вимірювального приладу.
У схемах з датчиками, включеними в системи, що стежать, з датчика знімається лише сигнал неузгодженості, що стає рівним нулю в сталому стані системи, що стежить.
Основним недоліком цих схем є залежність значення вихідної величини від параметрів джерела живлення датчика, підсилювача й інших елементів схеми, а також від зовнішніх умов. Справді, варто змінитися напрузі чи частоті генератора, що живить датчик, як напруга, частота і фаза, що є вихідними величинами і, що знімаються з опору R, також зміняться.
Згідно ДСТУ 2681–94 "Метрологія. Терміни та визначення" та ДСТУ 2682-94 "Метрологія. Метрологічне забезпечення" даний розроблений перетворювач струм – тривалість імпульсу відноситься до первинних вимірювальних перетворювачів
2
.
Розробка структурної схеми
2.1 Аналіз існуючи методів вимірювання напруги
Напруга – напругою U12 на ділянці 1–2 називається фізична величина, що визначається роботою, що виконується сумарним полем електростатичних і сторонніх сил при переміщенні одиничного позитивного заряду на даній ділянці кола. Поняття напруги є узагальненим поняттям різниці потенціалів: напруга на кінцях ділянки кола дорівнює різниці потенціалів в тому випадку, якщо на цій ділянці не прикладена електрорушійна сила.
Напруга (різниця потенціалів) – робота, яка затрачається на переміщення одиничного заряду з однієї точки в іншу.
Напруга вимірюється у вольтах.
Для вимірювання напруги використовуються прилади, які називаються вольтметрами, мілівольтметрами тощо.
Закон Ома для ділянки електричного ланцюга має вигляд:
U
= RI
, (2.1)
де U
– напруга чи різниця потенціалів;
I
– сила струму;
R
– опір.
Закон Ома також застосовується і до всього ланцюга, але в дещо в зміненій формі:
, (2.2)
де – ЕРС ланцюга;
I
– сила струму в ланцюзі;
R
– опір всіх елементів ланцюга;
r
– внутрішній опір джерела живлення.
Якщо ланцюг містить не лише активні, але і реактивні компоненти (ємності, індуктивності), а струм являється синусоїдальним з циклічною частотою ω, то закон узагальнюється: величини, що входять в нього стають комплексними
(2.3)
де U = U
0
ei
ωt
– напруга чи різниця потенціалів;
I
– сила струму;
Z = Re
–i
δ
– комплексний опір;
R
= (Ra
2
+Rr
2
)1/2
– повний опір;
Rr
= ωL
– 1/ωC
– реактивний опір (різниця індуктивного і ємнісного);
Rа
– активний опір, що не залежить від частоти;
Δ = arctg Rr
/Ra
– зсув фаз між напругою і силою струму.
Імпульсні генератори – призначені для одержання сигналів, форма яких суттєво відрізняється від синусоїдальної. Такі сигнали характеризуються наявністю ділянок з відносно повільною зміною амплітуди і її стрибковою зміною. Імпульсні генератори мають внутрішній або зовнішній позитивний зворотній зв’язок.
Особливість роботи активних елементів: вони періодично, дуже швидко змінюють свій стан з одного крайнього положення в інше.
Основні режими імпульсних генераторів:
– автоколивальний – після збудження генерується послідовність імпульсів, характеристики яких визначаються лише параметрами елементів схеми;
– очікування – генератори імпульсів відбуваються лише за наявності зовнішнього сигналу запуску;
– синхронізації – частота вихідних імпульсів рівна чи кратна частоті зовнішнього синхронізуючого сигналу.
Формувачі імпульсів – пристрої, які виробляють імпульси необхідної тривалості з інших імпульсів чи з перепаду напруг (фронту).
Формувачі імпульсів бувають:
– на логічних елементах;
– з інтегруючим ланцюгом;
– з емітерним повторювачем;
– на мікросхемах.
2.2 Розробка структурної схеми перетворювача
На рисунку 2.1 н
|
Рисунок 2.1 – Спрощена структурна схема перетворювача
АМВ – автоколивальний мультивібратор, використовується для того, щоб сформувати імпульси вхідного сигналу з певною частотою. Межі частоти зазначені в умові f = 15 кГц;
ПП – первинний перетворювач на основі ОП, призначений для перетворення струму у напругу;
К – компаратор, що формує вихідні сигнали;
ПК – проміжний каскад;
ПП – підсилювач потужності, використовується для забезпечення потужності на навантаженні
2.3 Попередній розрахунок АМВ
Даний каскад використовується для генерування імпульсів зі сталою напругою і частотою. Особливих вимог до даного генератора не висувається.
Задана частота перетворення 15 кГц та напругу на виході 15 В.
Напруга на виході генератора не повинна бути висока для зменшення похибки. Нехай Uвих
= 15 В, тоді =(1,2…1,4) Uвих
= (7–9) В.
Задамося =В.
Гранична частота на виході ОП має бути досить висока.
Визначимо напругу живлення за заданою амплітудою вихідних імпульсів:
, (2.4)
,
, (2.5)
Виберемо ОП К554УД2А.
Основні параметри:
В вхідна напруга;
В максимальна вихідна напруга;
Ом вихідний опір;
МГц гранична частота.
2.4 Попередній розрахунок первинного перетворювача
Для первинного перетворювача обираємо той же операційний підсилювач, так як напруга живлення в нас не змінюється: =В.
Задамося R
5
=
R
6
=1
кОм.
Напруга на виході перетворювача розраховується наступним чином:
10
мВ…1В,
100
мВ….10В.
Перший діапазон:
U
вх
max
= 1 В,
U
вих
max
= 10 В,
К
u
=
U
вих
max
/
U
вих
max
= 10,
(2.6)
К
u
= (1 +
R
4 /
R
3),
(2.7)
Задамося R
4 > 200 кОм,
R
3 = 22,2 кОм.
Другий діапазон:
К
u
= 10,
К
u
= (1 +
R
4 /
R
5),
(2.8)
R
5 = 22,2 кОм.
2.5 Попередній розрахунок компаратора
Перетворення напруги Ux, що прямо пропорційна струму Іx, здійснюється за допомогою порівнювального пристрою – компаратора напруги. На один вхід компаратора поступає перетворювана напруга Ux, а на другий – пиловидна напруга. В момент збігу миттєвого значення пиловидної напруги з величиною напруги Ux, змінюється вихідний стан компаратора, який зберігається до закінчення пиловидної напруги. З цього слідує, що на виході компаратора формується імпульс, що пропорційний напрузі Ux, і, відповідно, значенню струму Іx. Мінімальна тривалість імпульсу на виході компаратора для чіткої її фіксації має бути не менше 1 мкс.
Напруга Ux, що пропорційна Іx, змінюється від 10 мВ до 10 В, тоді амплітуда пиловидної напруги теж має змінюватись від 10 мВ до 10 В. Період повторення складає Т = 100 мкс, тобто швидкість наростання вихідного сигналу складе 0,1 В/мкс. Формування пиловидної напруги здійсним задопомогою генератора на основі очікуваного мультивібратора з періодичним шунтуванням ключових елементів час заданого кола. Амплітуда вихідного імпульсу має бути не менше 15 В на опорі навантаження 5 Ом. Оберемо компаратор СА1. Основними параметрами компаратора є швидкість зростання напруги ρ, і максимальний час фронту tф.
Розрахуємо граничну частоту:
, (2.9)
=1 мкс,
, (2.10)
=1/100 мкс
(2.11)
2.6 Попередній розрахунок підсилювача потужності
В якості підсилювача потужності використаємо підсилювальний каскад, побудований за схемою спільний колектор. Так як за рахунок від’ємного зворотного зв’язку він має малий вихідний опір та мале спотворення.
Розрахуємо потужність на виході даного каскаду.
Початкові дані:
10 В, Rн = 5 Ом,
Іmax
=, (2.12)
Іmax
= .
Розрахуємо максимальну вихідну потужність:
Рmax
=Umax
Imax
;,
(2.13)
Рmax
=10*2=20 (Вт).
Визначимо напругу живлення підсилювача потужності:
Ек=1,2 Umax
,
(2.14)
Ек= 12 (В).
Визначаємо потужність транзисторів:
Рн =1,1, (2.15)
Рн =11 (Вт).
Така потужність відповідає гармонічному сигналу і тому при розрахунках має бути скорегована для конкретного типу сигналів.
Так як ми використовуємо двотактний каскад, то визначаємо потужність одного транзистора
Рк=, (2.16)
Рк =5,5.
Визначаємо верхню робочу частоту.
Використовуємо наближену формулу
, (2.17)
МГц.
За даними параметрами з довідника оберемо транзистори КТ850В типу NPN та КТ851В типу PNP (таблиця 2.1).
Таблиця 2.1 – Основні параметри транзистора
| Ік
max, A |
Uке
max, B |
h21e
min/max
|
fгр,
МГц |
Uекн
, В |
| 2 | 150 | 20 | 20 | 1 |
2.7 Попередній розрахунок проміжного каскаду
Так як кінцевий каскад виконаний по схемі зі спільним колектором, то . Як правило напруга на виході модулятора близька до напруги живлення , тому може бути, що коефіцієнт передачі по напрузі проміжних каскадів приблизно дорівнює одиниці – .
Визначаємо коефіцієнт підсилення по струму проміжного каскаду:
, (2.18)
, (2.19)
=0,05 (А).
=5,
де - струм колектора кінцевого каскаду;
– коефіцієнт передачі вибраного резистора;
– вихідний струм проміжного каскаду.
По значенням вихідного струму проміжного каскаду і іншим параметрам можна вибрати транзистор попереднього каскаду.
>2Ekпроміжного каскаду.
обирається з запасом, так як колекторний струм транзистора проміжного каскаду має забезпечити струм сигналу і струм базового падіння, і має дорівнювати 4.
Ркдоп = (1,2…1,5) Рвхкк, (2.20)
де Рвхкк=,
.
Вибираємо транзистор типу КТ604АМ NPN і його основні параметри (таблиця 2.2)
Таблиця 2.2 – Параметри транзистора КТ604АМ
Pк
Вт |
Ік
А |
Uке
В |
h21e
min/max
|
fгр,
МГц |
Uекн
В |
| 3 | 0.2 | 250 | 30 | 40 | 8 |
2.8 Розробка детальної структури схеми
Детальна структурна схема наведена на рисунку 2.2
Рисунок 2.2 – Детальна структурна схема
АМВ – автоколивальний мультивібратор, використовується для того, щоб сформувати імпульси з напругою 10В та частотою 15МГц. Оснований на К544УД2А;
ПП – первинний перетворювач, призначений для перетворення струму в напругу. Схема основана на ОП К544УД2А. Межі вихідної напруги 10В;
К – компаратор, оснований на СА1;
ПК – проміжний каскад, оснований на КТ604АМ;
ПП – підсилювач потужності, використовується для забезпечення потужності на навантаженні. Оснований на КТ850В, КТ851В
Закінчивши попередню розробку структурної схеми, маємо схему, розбиту на декілька каскадів, внаслідок чого, для кожного з каскадів зроблений попередній розрахунок. Тобто визначені динамічні діапазони, коефіцієнти підсилення, максимальні значення струмів, напруг, потужностей, вибрані згідно розрахункам операційні підсилювачі, транзистори.
3
.
Електричні розрахунки
3.1 Електричний розрахунок підсилювача потужності
Електричний розрахунок виконуємо за допомогою електричної принципової схеми, яка зображена на рисунку 3.1.
Рисунок 3.1 – Схема ПП електрична принципова
Вхідні дані:
= 10 В,
= 10 мВ.
Задаємось К
u
= 10,
К
u
= (1 +
R
4 /
R
5),
(3.1)
R
5 = 22,2 кОм.
3.2 Електричний розрахунок первинного перетворювача
Проведемо розрахунок первинного перетворювача за допомогою схеми електричної принципової первинного перетворювача (рисунок 3.2).
Рисунок 3.2 – Схема первинного перетворювача електрична принципова
Вхідні дані:
= 10 В,
= 10мВ,
,
(3.2)
Задаємось =100.
(3.3)
= 99, = 99 Ом.
3.3 Електричний розрахунок АМВ
На рисунку 3.3 зображена схема АМВ електрична принципова.
Рисунок 3.3 – Схема АМВ електрична принципова
Розрахуємо опір.
Вхідні данні:
Частота модуляції fmax
= 50 кГц,
Umax
= 10 В.
Визначимо напругу живлення за заданою амплітудою вихідних імпульсів:
=(1,2…1,4)= 10…12 В. (3.4)
Оберемо = 12 В.
Оскільки частота f= 50 кГц, задавшись ємністю конденсатора С1
=1000 пФ розрахуємо значення резистора R1
:
(3.5)
R1
С2–23–15 кОм, Р=0,125Вт,.
А також конденсатор:
С1
КМ6М47–100пФ,5%.
4
.
Моделювання одного з вузлів
Проведемо моделювання одного з вузлів перетворювача з метою впевнитись у його працездатності. Проведемо моделювання автоколивального мультивібратора (рисунок 4.1). Підставимо всі обрані вище номінали. На вхід підсилювача подаємо імпульси прямокутної форми (рисунок 4.2).
Рисунок 4.1 – Автоколивальний мультивібратор
Рисунок 4.2 – Амплітуда вихідної напруги
Висновки
У даному курсовому проекті розроблений імпульсний перетворювач струм – тривалість імпульсу з використанням транзисторів КТ850В та КТ851В, має наступні технічні характеристики: частота модуляції 50кГц; діапазон напруги 10мВ – 10В; опір навантаження 5 Ом; Схема підсилювача представлена на рисунку 8.
Перетворювач напруга – тривалість імпульсу вимірює напругу при заданій тривалості імпульсу.
Представлені результати розробки, виконаного на основі операційного підсилювача (ОП) та джерела струму. Перетворювач напруга – тривалість імпульсу забезпечує можливість вимірювання напруги, а також тривалості імпульсів і періоду проходження імпульсів. Описаний принцип роботи приладу і окремих його вузлів. Приводяться обґрунтування вибору основних структурних рішень основних вузлів.
В процесі роботи проводився розрахунок параметрів підсилювача, аналіз різних схем, були розраховані еквівалентні моделі транзистора. В результаті роботи одержали принципову готову схему перетворювача напруга – тривалість імпульсу з відомою топологією і відомими номіналами елементів.
Література
1. Харовіц П.Н. Мистецтво схемотехніки. т. 2. – М: "Мир" 1986. – 55 с.
2. Гурин Е.И. Ноніусний вимірник тимчасових інтервалів з обчислюваним коефіцієнтом інтерполяції. – Прилади і техніка експерименту, 1998. – 215 с.
3. Мерзляков С.И., Стрекаловский О.В., Цурин И.П.4-канальний субнаносекундний перетворювач час-код НО‑251М. – Прилади і техніка експерименту, 1995. – 106 с.
4. Глушковский М.Е. Швидкодійні амплітудні аналізатори в сучасній ядерній фізиці і техніці. – М: Енергоатоміздат, 1986. – 253 с.
5. Міністерство електронної промисловості СРСР "Напівпровідникові прилади". Довідник, том 13. Транзистори. Видання друге. Науково-дослідний інститут, 1988. – 224 с.
6. Пасинків В.В., Чиркин Л.К. Напівпровідникові прилади. – М: Вища школа, 1987. – 432 с.
7. Довідник. "Вживання інтегральних мікросхем в електронній обчислювальній техніці". – М: "Радіо і зв'язок". 1987. – 400 с.
8. Наумов Ю.Е. Інтегральні схеми. М. Сов.радио, 1970. – 112 с.
9. Аналогові і цифрові інтегральні схеми / Під редакцією С.В. Якубовського. – М. Сов.радио, 1979. – 479 с.
10. Мікросхеми і їх вживання / В.А. Батушев, В.Г Вениаминов, В.Г. Ковалев. М.: Енергія, 1978. – 416 с.