Электронный вольтметр переменного тока действующих значений

[А]; (3.5.7)

, (3.5.8)

где Rдоп
– минимальное сопротивление нагрузки источника входного сигнала.

Максимальное выходное напряжение усилителя равно 3 В. Расчеты приведены в п. 3.4. Из неравенства (3.5.7) следует, что R26
> 6 кОм. Приняв значение резистора R32
равным значению резистора R26
, из неравенства (3.5.8) получим, что R26
> 2∙Rдоп
. Для ОУ КР140УД26 минимальное сопротивление нагрузки составляет 2 кОм (см. Приложение А). Следовательно, R26
> 2∙2∙103
= 4 кОм. Для обеспечения входного сопротивления ПДЗ равным 10 кОм, примем R26
= R32
= 20 кОм, что не противоречит вышеприведенным рассуждениям.

Значение резистора R27
следует выбирать исходя из условий:

, (3.5.9)

, (3.5.10)

где g1
min
и g1
max
– минимальное и максимальное значения проводимости “канала” полевого транзистора.

Максимальная проводимость канала у полевого транзистора с управляющим p-n переходом будет при напряжении Uзи
= 0 В и будет равно обратной величине сопротивления RСИдиф
, равным нескольким десяткам-сотням Ом. Для получения лучших результатов целесообразно подать небольшое запирающее напряжение на затвор относительно стока так, чтобы сопротивление канала RСИдиф
стало бы равным RСИдиф
min
= (2 ÷ 5)∙103
, а

. (3.5.11)

Так как g1
max
известно и априорно заданы напряжения U0
и E, то можно определить значение резистора R27
. Из формулы (3.5.10) получим:

[кОм].(3.5.12)

Резисторы R28
и R31
следует выбирать из условий: R28
= R30
; R29
= R31
. При этом, ввиду малости тока затвора их номиналы могут быть заданы достаточно большими: R28
= R30
= 100 кОм, R29
= R31
= 0.2∙R28
= 20 кОм. Значения этих резисторов не очень критичны, так как режим работы транзисторов зависит, в первую очередь, от параметров ОУ DA4. Более точно соотношение между резисторами R28
, R29
можно найти из условия:

,(3.5.13)

где Uвых
max
– максимальное выходное напряжение ОУ DA4. Uвых
max
= 12 В;

UЗИотс
– напряжение отсечки полевого транзистора. UЗИотс
= 4 В.

Подставив в выражение (3.5.13) значения параметров, получим:

. (3.5.14)

Суммарное сопротивление резисторов R28
, R29
не должно быть большим нескольких сотен килоом. R28
+ R29
= 100∙103
+ 20∙103
= 120 кОм. Следовательно значения резисторов R28
и R29
не противоречат условиям.

Резисторы R32
, R33
, R34
выбираются из условия:

. (3.5.15)

При этом следует учитывать, что резистор R32
также источник входного напряжения, как и резистор R26
. При R26
= R32
резисторы R33
и R34
следует брать равным сотням килоом. Пусть R34
= 100 кОм. Тогда, по условию (3.5.15):

[кОм].(3.5.16)

Резистор R35
выбирают из условия:

.(3.5.17)

Откуда

[кОм].(3.5.18)

Для подавления переменной составляющей выходного напряжения в цепи ОУ DA6 включен конденсатор C7
, а на его выходе – ФНЧ. Конденсатор C7
выбирают исходя из требуемой верхней частоты полосы пропускания wв
:

, (3.5.19)

где τ = R35
∙C7
.

[пФ].(3.5.20)

Ёмкость разделительного конденсатора C6
можно рассчитать по формуле:

[нФ].(3.5.21)

R24, R25: С2-23-0.25-1.8 кОм ± 10%

R26, R32: С2-29В-0.25-20 кОм ± 0.5%

R27: С2-29В-0.25-5.42 кОм ± 0.5%

R28, R30: С2-29В-0.25-100 кОм ± 0.5%

R29, R31: С2-29В-0.25-20 кОм ± 0.5%

R33: С2-29В-0.25-370 кОм ± 0.5%

R34: С2-29В-0.25-100 кОм ± 0.5%

R35: С2-29В-0.25-61.9 кОм ± 0.5%

R36, R37, R38: РП1-85А-0.5-10 кОм ± 10%

C6: К71-6-300В-820 нФ ± 10%

C7: К71-6-300В-12 пФ ± 10%

Для получения линейной зависимости показаний выходного магнитоэлектрического измерительного прибора электронного вольтметра, после ФНЧ включается преобразователь, в котором извлекается квадратный корень из Uвых
КФП.

Рис. 3.8

Устройство, выполняющее операцию извлечения квадратного корня представляет собой ОУ DA7, в ОС которого включен перемножитель DA8.

Напряжение на входе ОУ DA7 равно

,(3.5.22)

где k – коэффициент перемножения микросхемы DA8;

Ku
– коэффициент усиления ОУ DA7;

U2
– напряжение на конденсаторе C9
;

U3
– суммарное напряжение резисторах R47
, R48
и РА1.

Из уравнения (3.5.22) следует, что квадрат выходного напряжения U3
ОУ DA7 равен

.(3.5.23)

При U2
< 0 и если значение элемента в квадратных скобках уравнения (3.5.23) примерно равно 1, то

.(3.5.24)

Следовательно, U2
может быть только отрицательным, иначе схема запирается и в исходное состояние её можно привести только разрывом цепи обратной связи. Для исключения запирания схемы, необходимо на выходе DA7 включить диод VD5, который разрывает ОС при отрицательном выходном напряжении. Сумма токов на входе DA7 равна 0, следовательно

. (3.5.25)

Откуда

. (3.5.26)

Сумма сопротивлений резисторов (R39
+ R40
+ R41
) выбирается исходя из допустимой нагрузки источника напряжения U1
, как правило, не меньше 10 кОм и не более 1 МОм. Номинал резистора R42
выбирают исходя из желаемого значения коэффициента преобразования, как правило, в таких же пределах. Для микросхем КР525ПС2А коэффициент перемножения k равен 0.1.

Зададим R39
= R40
= R41
= 100 кОм. Тогда из (3.5.26) следует, что

[кОм].(3.5.27)

Расчет значения суммарного сопротивления резисторов R47
и R48
приведен выше в п. 3.4. R47
+ R48
= 18 кОм. Тогда их значения примем равными R47
= 12 кОм и R48
= 6 кОм.

Ёмкости конденсаторов C8
и C9
УУ (ФНЧ) можно рассчитать по формуле:

[нФ].(3.5.28)

R39, R40, R41: С2-29В-0.25-100 кОм ± 0.5%

R42: С2-29В-0.25-54.2 кОм ± 0.5%

R43: РП1-85А-0.5-10 кОм ± 10%

R44, R45, R46: РП1-85А-0.5-22 кОм ± 10%

R47: С2-23-0.25-12 кОм ± 10%

R48: РП1-85А-0.5-6.8 кОм ± 10%

Оценка погрешности прибора

Относительная погрешность коэффициента деления K при изменении сопротивлений находится как

, (4.1.1)

где ;

.

Следовательно, из (4.1.1) получим:

.(4.1.2)

Данная погрешность устраняется с помощью подстроечного резистора R3
и её можно не учитывать.

В качестве преобразователя импеданса применяется неинвертирующий усилитель, коэффициент усиления которого зависит от частоты и определяется по формуле:

, (4.2.1)

где Kу.
u
– функция коэффициента усиления микросхемы ОУ;

– коэффициент ОС.

Поскольку усилитель включен по схеме повторителя напряжения, то R1
= ∞, а R2
= 0. Следовательно, из (4.2.1) γ = 1.

По графику зависимости коэффициента усиления ОУ от частоты определим значения коэффициента усиления на граничных частотах. Kу.
u
(20 Гц) = 106
, Kу.
u
(200 кГц) = 104
.

, (4.2.2)

,(4.2.3)

Погрешность преобразователя импеданса можно определить по формуле:

.(4.2.4)

Относительная погрешность j-го звена определяется по формуле:

,(4.3.1)

где – суммарная относительная погрешность резистора Ri
;

– суммарная относительная погрешность резистора Ri
+1
;

δi
р
, δ(
i
+1)р
– относительная погрешность, возникающая в результате несовпадения расчетного и номинального значений соответственно резисторов Ri
р
, R(
i
+1)р
;

δi
н
, δ(
i
+1)н
– допускаемые отклонения номинальных сопротивлений резисторов Ri
н
, R(
i
+1)н
.

Абсолютные величины относительной погрешности, возникающей в результате несовпадения расчетного и номинального значений резисторов Ri
и Ri+1
, находятся по формулам:

, (4.3.2)

, (4.3.3)

где – абсолютное значение погрешности сопротивления Ri
;

– абсолютное значение погрешности сопротивления Ri
+1
;

Ri
р
, R(
i
+1)р
– расчетные значения сопротивлений резисторов Ri
, Ri
+1
;

Ri
н
, R(
i
+1)н
– номинальные значения сопротивлений резисторов Ri
, Ri
+1
.

Определим суммарные погрешности резисторов:

,(4.3.4)

.(4.3.6)

Определим относительные погрешности для каждого звена:

(4.3.8)

Относительная погрешность аттенюатора равна:

.(4.3.9)

Для квадратичных преобразователей характерно, что коэффициент усиления транзисторов VT1 и VT2 существенно не изменяется в рабочем диапазоне частот вольтметра. Дрейф нуля операционных усилителей составляет 0.5 мкВ/град, коэффициент усиления изменяется в рабочей полосе частот на 10 %.

Для аналогового перемножителя погрешность преобразования составляет 1.0 %.

Суммарное значение погрешности ПДЗ, в котором учтены составляющие, вносимые активными интегральными компонентами, составляет 1.12 %.

Коэффициент усиления усилителя зависит от частоты и определяется по формуле:

, (4.5.1)

где Kу.
u
– функция коэффициента усиления микросхемы ОУ;

;

.

По графику зависимости коэффициента усиления ОУ от частоты определим значения коэффициента усиления на граничных частотах. Kу.
u
(20 Гц) = 106
, Kу.
u
(200 кГц) = 104
.

Определим погрешность для первого каскада усилителя.

,(4.5.2)

,(4.5.3)

,(4.5.4)

,(4.5.5)

,(4.5.6)

Определим погрешность для второго каскада усилителя.

,(4.5.7)

,(4.5.8)

,(4.5.9)

,(4.5.10)

,(4.5.11)

Определим погрешность усилителя по формуле:

,(4.5.12)

Расчет основной погрешности прибора

Основная погрешность прибора вычисляется по формуле:

(4.6.1)

Полученное значение основной погрешности соответствует требованиям технического задания (не более 1.5 %).

Описание спроектированного прибора

Электронный вольтметр действующего значения переменного тока является переносным электроизмерительным прибором, предназначенным для измерения действующего значения переменного напряжения со следующими характеристиками:

1. Диапазон измерения: 1 мВ – 300 В;

2. Диапазон частот: 20 Гц – 200 кГц;

3. Входное сопротивление: не менее 2.5 МОм;

4. Входная емкость: не более 10 пФ;

5. Основная погрешность: 1.5 %.

В качестве электроизмерительного прибора в электронном вольтметре применяется микроамперметр М2027-М1 магнитоэлектрической системы со стрелочным указателем с подвижной частью на растяжках, с антипараллаксным устройством, с током полного отклонения 100 мкА и имеющий две шкалы: 0…10 и 0…31.6.

Расширение диапазонов измерения достигается за счет использования делителя, аттенюатора и электронного усилителя.

Питание вольтметра производится от сети переменного тока 220 В 50 Гц.

Вольтметр предназначен для работы при температуре окружающей среды от 10˚С до 45˚С.

Рабочее положение прибора – горизонтальное.

Ручка переключателя диапазонов измерений, выключатель сети и входное гнездо выведены на переднюю панель прибора.

Вольтметр является законченной конструкцией. Все основные блоки прибора размещены в прямоугольном металлическом корпусе.

При эксплуатации прибора необходимо соблюдать следующие требования:

1. Перед проведением измерений включить вольтметр в сеть и прогревать в течение 10 – 15 минут;

2. Перед началом измерений убедиться, что стрелка измерителя покоится на левой крайней отметке шкалы;

3. Начинать измерения рекомендуется с верхних пределов измерения, лишь затем при необходимости переходить на нижние ступени аттенюатора.

Не реже одного раза в шесть месяцев рекомендуется поверять прибор в соответствии с инструкцией 184-62 “Поверка амперметров, вольтметров, ваттметров, вариометров”.

Принципиальная схема вольтметра приведена на чертеже 4032.525018.000 Э3.

Выводы по результатам проектирования

В данном курсовом проекте был разработан электронный вольтметр переменного тока действующего значения, удовлетворяющий следующим требованиям технического задания:

1. Диапазон измерения: 1 мВ – 300 В;

2. Диапазон частот: 20 Гц – 200 кГц;

3. Входное сопротивление: не менее 2.5 МОм;

4. Входная емкость: не более 10 пФ;

5. Основная погрешность: 1.5 %.

6. Рабочий диапазон температур: 10 - 45 ˚С;

7. Напряжение питания: 220 В ± 10 %.

1. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. – М.: Высш. шк., 2004.

2. Аналоговые измерительные устройства: Учебное пособие / В.Г. Гусев, А.М. Мулик; Уфимск. гос. авиац. техн. у-нт. Уфа, 1996.

3. Гусев В.Г., Мулик А.В. Проектирование электронных аналоговых измерительных устройств. – Уфа, 1990 г.

4. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.: Энергоатомиздат, 1988 г.

5. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник / В.А. Аронов, А.В. Баюков, А.А. Зайцев и др. – М.: Энергоатомиздат, 1982 г.

6. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник / А.В. Баюков, А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев и др. – М.: Энергоатомиздат, 1983 г.

7. А.И. Аксенов, А.В. Нефедов. Резисторы, конденсаторы, провода, припои, флюсы. Справочное пособие. – М.: “Солон-Р”, 2000 г.

8. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. – М.: Издательство стандартов, 1992 г.

9. The Complete RS Catalogue on CD. 2004 г.

10. Каталог фирмы “ЧИП Индустрия”. 2003 г. www.chipindustry.ru.

Приложение A Справочные данные

Описание измерительного механизма М2027-М1.

Измерительный механизм представляет собой прибор общетехнического назначения постоянного тока типа М2027-М1, электроизмерительный прибор магнитоэлектрической системы со стрелочным указателем с подвижной частью на растяжках и с антипараллаксным устройством.

Применяется для измерения постоянного тока стационарных, переносных устройств, эксплуатируемых в различных областях промышленности, науки и техники в качестве показывающих приборов.

По устойчивости к климатическим воздействиям соответствуют ГОСТ 22261-76 (группа 5).

Изготавливаются с нулевой отметкой на краю диапазона измерения и имеют следующие технические характеристики:

Диапазон измерения: 0…100 мкА;

Класс точности: 1.0;

Внутреннее сопротивление: не более 3 кОм;

Длина шкалы: 100 мм;

Время успокоения подвижной части: не более 3 с;

Габаритные размеры: 120 х 105 х 75 мм;

Масса: 0.5 кг;

Наработка на отказ: не менее 27500 ч;

Средний срок службы: не менее 6 лет;

Прибор соответствует ТУ 25-04.3618-78.

Описание операционного усилителя КР140УД26.

КР140УД26 – широкополосный прецизионный усилитель со сверхнизким значением выходного напряжения шума и высоким коэффициентом усиления напряжения. Внутренняя частотная коррекция отсутствует. Предназначен для построения малошумящих широкополосных систем с большим коэффициентом усиления. Корпус типа 2108.8-1.

При балансировке микросхемы с помощью потенциометра с номиналом 10 кОм ± 20 % температурный коэффициент напряжения смещения не изменяется.

Электрические параметры при Uп
= ± 15 В ± 10 %, Rн
= 2 кОм, T = 25 o
C:

Максимальное выходное напряжение: не менее ± 12 В;

Напряжение смещения нуля: не более ± 30 мкВ;

Входной ток: не более ± 40 нА;

Ток потребления: не более ± 4.7 мА;

Разность входных токов: не более ± 35 нА;

Коэффициент усиления напряжения: не менее 106
;

Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений: не менее 114дБ;

Коэффициент влияния нестабильности источников питания на напряжение смещения: не более 10 мкв/В;

Частота единичного усиления: не менее 20 МГц;

Скорость нарастания выходного напряжения: не менее 11 В/мкс.

Предельно допустимые режимы эксплуатации:

Напряжение питания: ± (13.5…16.5) В;

Входное синфазное напряжение: не более ± 10 В;

Сопротивление нагрузки: не менее 2 кОм;

Температура окружающей среды: –10…+70 o
C. Описание аналогового перемножителя сигналов КР525ПС2А.

Микросхема КР525ПС2А представляет собой четырехквадрантный аналоговый перемножитель сигналов с операционным усилителем на выходе. Содержит 62 интегральных элемента, корпус типа 201.14-1, масса не более 1

Электрические параметры:

Номинальное напряжение питания: ± 15 В ± 10 %;

Выходное напряжение: не менее ± 10.5 В;

Остаточное напряжение по входу X: не более 80 мВ;

Остаточное напряжение по входу Y: не более 60 мВ;

Ток потребления: не более ± 6 мА;

Входной ток по входам X и Y: не более 4 мкА;

Коэффициент влияния нестабильности источников питания на погрешность перемножения: не более 0.5 %;

Нелинейность перемножения по входу X: не более ± 0.8 %;

Нелинейность перемножения по входу Y: не более ± 0.5 %;

Полоса пропускания по входам X и Y: не менее 0.7 МГц;

Погрешность перемножения: не более ± 1 %;

Предельно допустимые режимы эксплуатации:

Максимальное входное напряжение по входам X, Y, Z: ± 10 В;

Минимальное сопротивление нагрузки: 2 кОм;

Максимальная ёмкость нагрузки: 100 пФ;

Температура окружающей среды: –45…+85 o
C.

Схемы подключения логометров к внешней цепи