Міністерство освіти і наукиУкраїни
Вінницькій національний технічнийуніверситет
Інститут автоматики електроніки такомп’ютерних систем управління
Факультет автоматики такомп’ютерних систем управління
Кафедра метрології та промисловоїавтоматики
ПЕРЕТВОРЮВАЧНАПРУГА-ТРИВАЛІСТЬ ІМПУЛЬСУ
Пояснювальна записка
з дисципліни «Основи електроніки»
до курсового проекту заспеціальністю
«Метрологія та вимірювальнатехніка»
Вінниця ВНТУ 2009
Анотація
Уданому курсовому проекті було розроблено та реалізовано перетворювач напруги вімпульси. Цей перетворювач здатен перетворювати напругу у межах 10 мВ…10 В уімпульси. 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. Розробкатехнічного завдання
2. Розробкаструктурної схеми
2.1 Аналіз існуючи методів вимірювання напруги
2.2Розробка структурної схеми перетворювача
2.3 Попередній розрахунок АМВ
2.4 Попередній розрахунок первинного перетворювача
2.5 Попередній розрахунок компаратора
2.6 Попередній розрахунокпідсилювача потужності
2.7 Попередній розрахунок проміжного каскаду
2.8 Розробка детальної структури схеми
3. Електричнірозрахунки
3.1 Електричний розрахунок підсилювача потужності
3.2 Електричний розрахунок первинного перетворювача
3.3 Електричний розрахунок АМВ
4. Моделювання одного з вузлів
Висновки
Списоклітератури
Вступ
Останні десятиліття обумовлені широкимвпровадженням у галузі народного господарства засобів мікроелектроніки йобчислювальної техніки, обмін інформацією з якими забезпечується лінійнимианалоговими і цифровими перетворювачами (АЦП і ЦАП).
Сучасний етап характеризується великими тадуже великими інтегральними схемами ЦАП і АЦП, що володіють високимиексплуатаційними параметрами: швидкодією, малими похибками, багатозарядністю.Включення БІС єдиним, функціонально закінченим блоком сильно спростиловпровадження їх у прилади та установки, що використовуються як у науковихдослідженнях, так і в промисловості і дало можливість швидкого обмінуінформацією між аналоговими та цифровими пристроями.
Техніка конструювання і застосуваннядатчиків, або, як її можна коротко назвати, сенсора, за останні роки розвиласяв самостійну галузь вимірювальної техніки. З ростом автоматизації до датчиківфізичних параметрів стали пред'являтися усе більш високі вимоги. При цьомуособливе значення надається наступним показникам:
– мініатюрність (можливістьвбудовування);
– дешевина (серійне виробництво);
– механічна міцність.
Поняттям «датчик» у загальномувипадку позначають дешевий, але надійний приймач і перетворювач вимірюваноївеличини, що володіє помірною точністю і придатний для серійного виготовлення.
Первинні вимірювальні перетворювачі вимірюванувеличину перетворюють у сигнал вимірювальної інформації, що дає можливістьпередати його на певну відстань і за місцем призначення відтворити вимірювальнувеличину у формі, прийнятній для спостерігача або ж ввести у відповідний засібвимірювання.
Первинним вимірювальним перетворювачем,або сенсором, називаєтьсяперетворювач, який першим взаємодіє з об'єктом вимірювання і видає сигналвимірювальної інформації.
До систем дистанційних передач сигналіввимірювальної інформації пред'являються такі вимоги: точність передачі;достовірність і надійність передачі; перешкодозахищеність; дистанційністьпередачі; мінімальна інерційність; стабільність сигналів, незалежність відджерела живлення; економічність системи дистанційної передачі.
Задовольнити усі наведені вимоги у повномуобсязі за допомогою однієї дистанційної системи передачі досить складно, протеу своїй більшості системи відповідають цим вимогам.
Типи перетворювачів дистанційних передачобираються залежно від об'єкта і виду вимірюваної фізичної величини, якаперетворюється в сигнал, що передається лінією зв'язку (струм, напруга,частота, стиснуте повітря тощо). Для перетворення лінійного переміщення вуніфікований сигнал найчастіше використовуються диференціально-трансформаторніта струмові перетворювачі: перетворювачі кутового переміщення – феродинамічні,сельсинні та частотні; перетворення зусиль – електросилові та пневмосиловікомпенсуючі перетворювачі.
Трансформатори використовуються для перетворенняструму або напруги, для включення трифазних лічильників в електричні мережі. Трансформатори струму служать такождля ізоляції апаратури від потенціалу мережі, в якій здійснюється вимірювання.
1.Розробка технічного завдання
Метою курсового проекту є розрахунок тавизначення технічних параметрів схеми перетворювача напруга-тривалістьімпульсу. Заданий діапазон напруги складає від 10 мВ до 10 В, частотаперетворення 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 операційніпідсилювачі, транзистори.
При проектуванні індуктивнихперетворювачів варто звертати увагу на екранування проводів, вибір ізоляції,усунення поверхневого опору ізоляції і вибір частоти живлення. Чим вище цячастота, тим менше вихідний опір, тому нерідко частоту живлення вибираютьвелику (до декількох МГц).
Конструктивні схеми індуктивнихперетворювачів виконуються в різних варіантах у залежності від області застосування.
Можливі області застосування індуктивнихперетворювачів надзвичайно різноманітні, можна виділити лише окремі сфери:
– промислова техніка виміру ірегулювання;
– робототехніка;
– автомобілебудування;
– побутова техніка;
– медична техніка.
Застосування того чи іншого датчика в цихсферах визначається насамперед відношенням ефективність. При промисловомузастосуванні визначальним фактором є погрішність, що при регулюванні процесівповинна складати
Прилад повинний відтворювати вимірюванівеличини з погрішностями, що допускаються. При цьому слово «відтворення»,еквівалентне в даному трактуванні слову «відображення», розуміється всамому широкому змісті: одержання на виході приладу величин, пропорційнихвхідним величинам; формування заданих функцій від вхідних величин (квадратичнаі логарифмічна шкали й ін.); одержання похідних і інтегралів від вхіднихвеличин; формування на виході слухових чи зорових образів, що відображаютьвластивості вхідної інформації; формування керуючих сигналів, використовуванихдля керування контролю; запам'ятовування і реєстрація вихідних сигналів.
Вимірювальний сигнал, одержуваний відконтрольованого об'єкта, передається у вимірювальний прилад у виді імпульсу абоу виді енергії. Можна говорити про сигнали: первинних – безпосередньохарактеризують контрольований процес; сприйманих чуттєвим елементом приладу;поданих у вимірювальну схему, і т.д. При передачі інформації відконтрольованого об'єкта до покажчика приладу сигнали перетерплюють ряд змін зарівнем і спектром і перетворяться з одного виду енергії в іншій.
Необхідність такого перетвореннявикликається тим, що первинні сигнали не завжди зручні для передачі, переробки,подальшого перетворення
і відтворення. Наприклад, при вимірітемператури приладом, чуттєвий елемент якого міститься в контрольованесередовище, сприйманий потік тепла важко передати, а тим більше відтворити напокажчику приладу. Цією особливістю володіють майже всі сигнали первинноїінформації. Тому сприймані чуттєвими елементами сигнали майже завждиперетворяться в електричні сигнали, що є універсальними.
Та частина приладу, у якій первиннийсигнал перетвориться, наприклад, в електричний, називається первиннимперетворювачем. Часто цей перетворювач сполучається з чуттєвим елементом.Сигнали з виходу первинного перетворювача надходять на наступні перетворювачівимірювального приладу.
У схемах з датчиками, включеними всистеми, що стежать, з датчика знімається лише сигнал неузгодженості, що стаєрівним нулю в сталому стані системи, що стежить.
Основним недоліком цих схем є залежністьзначення вихідної величини від параметрів джерела живлення датчика, підсилювачай інших елементів схеми, а також від зовнішніх умов. Справді, варто змінитисянапрузі чи частоті генератора, що живить датчик, як напруга, частота і фаза, щоє 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 розробленийперетворювач струм – тривалість імпульсу відноситься до первинних вимірювальнихперетворювачів
2.Розробка структурної схеми
2.1 Аналіз існуючи методіввимірювання напруги
Напруга – напругою U12 на ділянці 1–2називається фізична величина, що визначається роботою, що виконується сумарнимполем електростатичних і сторонніх сил при переміщенні одиничного позитивногозаряду на даній ділянці кола. Поняття напруги є узагальненим поняттям різниціпотенціалів: напруга на кінцях ділянки кола дорівнює різниці потенціалів в томувипадку, 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 використовуютьсяприлади, які називаються вольтметрами, мілівольтметрами тощо.
Закон Ома для ділянки електричного ланцюгамає вигляд:
U = RI, (2.1)
де U – напруга чи різницяпотенціалів;
I – сила струму;
R – опір.
Закон Ома також застосовується і до всьоголанцюга, 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 іреактивні компоненти (ємності, індуктивності), а струм являється синусоїдальнимз циклічною частотою ω, то закон узагальнюється: величини, що входять внього стають комплексними
/> (2.3)
де U = U0eiωt– напруга чи різниця потенціалів;
I – сила струму;
Z = Re–iδ – комплексний опір;
R = (Ra2+Rr2)1/2– повний опір;
Rr = ωL – 1/ωC– реактивний опір (різниця індуктивного і ємнісного);
Rа – активний опір, що не залежитьвід частоти;
Δ = arctg Rr/Ra– зсув фаз між напругою і силою струму.
Імпульсні генератори – призначені дляодержання сигналів, форма яких суттєво відрізняється від синусоїдальної. Такісигнали характеризуються наявністю ділянок з відносно повільною зміноюамплітуди і її стрибковою зміною. Імпульсні генератори мають внутрішній абозовнішній позитивний зворотній зв’язок.
Особливість роботи активних елементів:вони періодично, дуже швидко змінюють свій стан з одного крайнього положення вінше.
Основні режими імпульсних генераторів:
– автоколивальний – після збудженнягенерується послідовність імпульсів, характеристики яких визначаються лишепараметрами елементів схеми;
– очікування – генератори імпульсіввідбуваються лише за наявності зовнішнього сигналу запуску;
– синхронізації – частота вихіднихімпульсів рівна чи кратна частоті зовнішнього синхронізуючого сигналу.
Формувачі імпульсів – пристрої, яківиробляють імпульси необхідної тривалості з інших імпульсів чи з перепадунапруг (фронту).
Формувачі імпульсів бувають:
– на логічних елементах;
– з інтегруючим ланцюгом;
– з емітерним повторювачем;
– на мікросхемах.
2.2 Розробка структурної схемиперетворювача
На рисунку 2.1 наведена спрощена структурноїсхеми перетворювача.
/>
ПП
Рисунок 2.1 – Спрощена структурна схемаперетворювача
АМВ – автоколивальний мультивібратор,використовується для того, щоб сформувати імпульси вхідного сигналу з певноючастотою. 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 длягенерування імпульсів зі сталою напругою і частотою. Особливих вимог до даногогенератора не висувається.
Задана частота перетворення 15 кГц танапругу на виході 15 В.
Напруга на виході генератора не повиннабути 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 бутидосить висока.
Визначимо напругу живлення за заданоюамплітудою 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 розрахунокпервинного перетворювача
Для первинного перетворювача обираємо тойже операційний підсилювач, так як напруга живлення в нас не змінюється: />=/>В.
Задамося R5= R6=1кОм.
Напруга на виході перетворювачарозраховується наступним чином:
10мВ…1В,
100мВ….10В.
Перший діапазон:
Uвх max= 1 В,
Uвих max= 10 В,
Кu= Uвих max/ Uвих max= 10, (2.6)
Кu= (1 + R4 / R3), (2.7)
Задамося R4 > 200 кОм,
R3 = 22,2 кОм.
Другий діапазон:
Кu= 10,
Кu= (1 + R4 / R5), (2.8)
R5 = 22,2 кОм.
2.5 Попередній розрахуноккомпаратора
Перетворення напруги Ux, що прямо пропорційна струму Іx, здійснюється за допомогою порівнювальногопристрою – компаратора напруги. На один вхід компаратора поступає перетворювананапруга 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 навиході компаратора формується імпульс, що пропорційний напрузі Ux, і, відповідно, значенню струму Іx. Мінімальна тривалість імпульсу на виходікомпаратора 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 маєзмінюватись від 10 мВ до 10 В. Період повторення складає Т = 100 мкс, тобтошвидкість наростання вихідного сигналу складе 0,1 В/мкс. Формування пиловидної напругиздійсним за допомогою генератора на основіочікуваного мультивібратора з періодичним шунтуванням ключових елементів часзаданого кола. Амплітуда вихідного імпульсу має бути не менше 15 В на опорінавантаження 5 Ом. Оберемо компаратор СА1. Основними параметрами компаратора єшвидкість 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 розрахунокпідсилювача потужності
В якості підсилювача потужностівикористаємо підсилювальний каскад, побудований за схемою спільний колектор.Так як за рахунок від’ємного зворотного зв’язку він має малий вихідний опір тамале спотворення.
Розрахуємо потужність на виході даногокаскаду.
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 підсилювачапотужності:
Ек=1,2 Umax, (2.14)
Ек= 12 (В).
Визначаємо потужність транзисторів:
Рн =1,1/>,(2.15)
Рн =11 (Вт).
Така потужність відповідає гармонічномусигналу і тому при розрахунках має бути скорегована для конкретного типусигналів.
Так як ми використовуємо двотактнийкаскад, 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 оберемотранзистори КТ850В типу NPN таКТ851В типу PNP (таблиця 2.1).
Таблиця 2.1 – Основні параметритранзистора
Ікmax, A
Uкеmax, B
h21e
min/max
fгр,МГц
Uекн, В 2 150 20 20 1
2.7 Попередній розрахунокпроміжного каскаду
Так як кінцевий каскад виконаний по схемізі спільним колектором, то />. Якправило напруга на виході модулятора близька до напруги живлення />, тому може бути, щокоефіцієнт передачі по напрузі проміжних каскадів приблизно дорівнює одиниці – />.
Визначаємо коефіцієнт підсилення по струмупроміжного 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 проміжногокаскаду і іншим параметрам можна вибрати транзистор попереднього каскаду.
/>>2Ek проміжного каскаду.
/> обирається з запасом, так як колекторнийструм 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 транзистораКТ604АМ
Pкmax,
Вт
Ікmax,
А
Uкеmax,
В
h21e
min/max
fгр,
МГц
Uекн,
В 3 0.2 250 30 40 8
2.8 Розробка детальної структурисхеми
Детальна структурна схема наведена нарисунку 2.2
/>
Рисунок 2.2 – Детальна структурна схема
АМВ – автоколивальний мультивібратор,використовується для того, щоб сформувати імпульси з напругою 10 В та частотою 15 МГц. Оснований на К544УД2А;
ПП – первинний перетворювач, призначенийдля перетворення струму в напругу. Схема основана на ОП К544УД2А. Межі вихідноїнапруги 10В;
К – компаратор, оснований на СА1;
ПК – проміжний каскад, оснований наКТ604АМ;
ПП – підсилювач потужності,використовується для забезпечення потужності на навантаженні. Оснований наКТ850В, КТ851В
Закінчивши попередню розробку структурноїсхеми, маємо схему, розбиту на декілька каскадів, внаслідок чого, для кожного зкаскадів 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 розрахунокпідсилювача потужності
Електричний розрахунок виконуємо задопомогою електричної принципової схеми, яка зображена на рисунку 3.1.
/>
Рисунок 3.1 – Схема ПП електричнапринципова
Вхідні дані:
/>= 10 В,
/>= 10 мВ.
Задаємось Кu= 10,
Кu= (1 + R4 / R5), (3.1)
R5 = 22,2 кОм.
3.2 Електричний розрахунокпервинного перетворювача
Проведемо розрахунок первинногоперетворювача за допомогою схеми електричної принципової первинногоперетворювача (рисунок 3.2).
/>
Рисунок 3.2 – Схема первинногоперетворювача електрична принципова
Вхідні дані:
/>= 10 В,
/>= 10 мВ,
/>, (3.2)
Задаємось />=100.
/> (3.3)
/>= 99, />=99 Ом.
3.3 Електричний розрахунок АМВ
На рисунку 3.3 зображена схема АМВелектрична принципова.
/>
Рисунок 3.3 – Схема АМВ електричнапринципова
Розрахуємо опір.
Вхідні данні:
Частота модуляції fmax= 50 кГц,
Umax= 10 В.
Визначимо напругу живлення за заданоюамплітудою вихідних імпульсів:
/>=(1,2…1,4)/>= 10…12 В. (3.4)
Оберемо />= 12 В.
Оскільки частота f = 50кГц, 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 вузлівперетворювача з метою впевнитись у його працездатності. Проведемо моделювання автоколивальногомультивібратора (рисунок 4.1). Підставимо всі обрані вище номінали. На вхідпідсилювача подаємо імпульси прямокутної форми (рисунок 4.2).
/>
Рисунок 4.1 – Автоколивальниймультивібратор
/>
Рисунок 4.2 – Амплітуда вихідної напруги
Висновки
У даному курсовому проекті розробленийімпульсний перетворювач струм – тривалість імпульсу з використаннямтранзисторів КТ850В та КТ851В, має наступні технічні характеристики: частотамодуляції 50кГц; діапазон напруги 10 мВ– 10В; опір навантаження 5 Ом; Схема підсилювача представлена на рисунку 8.
Перетворювач напруга – тривалість імпульсувимірює напругу при заданій тривалості імпульсу.
Представлені результати розробки,виконаного на основі операційного підсилювача (ОП) та джерела струму.Перетворювач напруга – тривалість імпульсу забезпечує можливість вимірюваннянапруги, а також тривалості імпульсів і періоду проходження імпульсів. Описанийпринцип роботи приладу і окремих його вузлів. Приводяться обґрунтування виборуосновних структурних рішень основних вузлів.
В процесі роботи проводився розрахунокпараметрів підсилювача, аналіз різних схем, були розраховані еквівалентнімоделі транзистора. В результаті роботи одержали принципову готову схемуперетворювача напруга – тривалість імпульсу з відомою топологією і відомиминоміналами елементів.
Література
1. Харовіц П.Н. Мистецтво схемотехніки. т. 2. –М: «Мир» 1986. – 55 с.
2. Гурин Е.И. Ноніусний вимірник тимчасових інтервалів зобчислюваним коефіцієнтом інтерполяції. – Прилади і техніка експерименту, 1998.– 215 с.
3. Мерзляков С.И., Стрекаловский О.В., Цурин И.П. 4-канальнийсубнаносекундний перетворювач час-код НО‑251М. – Прилади і технікаексперименту, 1995. – 106 с.
4. Глушковский М.Е. Швидкодійні амплітудні аналізатори всучасній ядерній фізиці і техніці. – М: Енергоатоміздат, 1986. – 253 с.
5. Міністерство електронної промисловості СРСР «Напівпровідниковіприлади». 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 велектронній 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.