Нормирующий измерительный усилитель напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Техническое задание

Разработать нормирующий измерительный усилитель напряжения с источником питания и с защитой от перенапряжения входного сигнала. (Мощный выходной каскад) Технические условия приведены ниже.

Таблица

Минимальное входное напряжение, мкВ	10
Максимальное выходное напряжение, мВ	150
Входное сопротивление в полосе рабочих частот, МОм	>0,3
Погрешность входного сопротивления, не более, %	3
Число диапазонов	7
Нижняя граница диапазона частот усилителя, Гц	100
Верхняя граница диапазона частот усилителя, Гц	10000
Погрешность коэффициента усиления в полосе рабочих частот не более, %	2
Дополнительный фазовый сдвиг в полосе рабочих частот, не более, град	120
Приведенный температурный дрейф нуля, не более, мкВ/град	1,5
Минимальное сопротивление нагрузки, Ом	15
Дополнительная погрешность коэффициента усиления при подключении RH min, не более, %	1,5
Диапазон изменения выходного напряжения, В	0-130
Рабочий диапазон температур, оС	10-50

Напряжение питания 220 В, 50 Гц.

измерительный усилитель напряжение стабилизатор

Введение

Усиление - это частный случай управления энергией, при котором путем затраты небольшого ее количества можно управлять энергией во много раз большей. Устройство, осуществляющее такое управление, называется усилителем. Если управляющая и управляемая энергии являются электрическими, то такой усилитель называют усилителем электрических сигналов.

Для нашего усилителя характерно то, что он является усилителем с непосредственными связями (прямого усиления). В настоящее время в качестве таких усилителей используют интегральные операционные усилители.

Операционным называется усилитель, предназначенный для выполнения математических операций при использовании его в схеме с обратной связью. Однако область применения ОУ, выполненного в виде микросхемы, значительно шире. Поэтому в настоящее время под ОУ принято понимать микросхему - усилитель постоянного тока, позволяющий строить узлы аппаратуры, функции и технические характеристики которых зависят только от свойств цепи обратной связи, в которую он включен.

По конструктивному исполнению ОУ являются законченными высокостабильными широкополосными высококачественными УПТ, имеющими высокий коэффициент усиления, дифференциальный вход и несимметричный выход.

1. Выбор структурной схемы усилителя

Структурная схема позволяет проектировщику в первом приближении представить себе, из каких функциональных узлов будет состоять изделие.

Если в техническом задании на проектирование содержатся специальные требования, относящиеся к входной или выходной цепям, то их легче всего удовлетворить в том случае, когда в структуре усилителя имеются специальные входные и выходные части. Поскольку основным средством получения требуемых параметров является введение цепей обратной связи, то входная и выходная части могут представлять собой самостоятельные усилители, охваченные местной обратной связью.

Таким образом, структурная схема усилителя будет иметь вид, оказанный на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема усилителя:

1,6,9 - линейные сравнивающие (вычитающие) устройства;

2,7,10 - электронные усилители;

3,8,11 - цепи обратной связи;

4 - делитель напряжения;

5 - полосовой фильтр.

2. Проектирование входной части

Входная часть состоит из усилителя, делителя напряжения и полосового фильтра.

Усилитель должен обеспечивать входное сопротивление не менее 0,3 МОм. Допустимое изменение входного сопротивления в полосе рабочих частот от 100 до 10000 Гц не более 3%. Температурный дрейф нуля не более 1,5 мкВ/град.

В качестве схемы включения выбираем схему инвертирующего усилителя, так как она позволяет получить лучшие результаты с точки зрения точности получения определенного значения коэффициента преобразования, его стабильности, а также обеспечивает устойчивость характеристик.

Рисунок 2 - Схема включения инвертирующего усилителя

В качестве операционного усилителя выбираем микросхему К140УД26. Ее технические параметры:

коэффициент усиления 10⁶;

частота единичного усиления 20 МГц;

максимальное выходное напряжение 12 В;

напряжение питания ±15 В;

напряжение смещения нуля 30 мкВ;

температурный дрейф нуля 0,5 мкВ/град.

Оценим допустимое изменение входного сопротивления:

.

Найдем значение сопротивления резистора R₂. при этом нужно исходить из того, что изменение коэффициента усиления ОУ в полосе рабочих частот не изменяет значения более чем на 9 кОм.

Рисунок 3 - ЛАЧХ для К140УД26.

K_yu(100) = 105,48 дБ = 187961,98

K_yu(10000) = 65.48 дБ = 1879,62

Пусть R₁= 300 кОм. Выбираем коэффициент усиления усилителя К_u=10.

Тогда .

Выбираем из ряда Е192 номиналы резисторов R₁=301 кОм, R₂=3,01 МОм, R₃=274 кОм.

Определим коэффициент частотных искажений.

Многопредельные делители напряжения часто используют для того, чтобы получить минимальное напряжение на выходе из некоторого диапазона постоянного (или переменного) напряжения на входе.

После входного усилителя получили напряжения: U_min = 0,0001 В, U_max = 1,5 В. От данного многопредельного делителя напряжения требуется получить минимальное напряжение (U_min = 0,0001 В).

Схема многопредельного делителя напряжения показана на рисунке 4.



Рисунок 4 - Делитель напряжения

Если на вход подаётся минимальное напряжение (U_вх = U_min=0,0001 В), то напряжение на выходе будет сниматься с предела VIII и будет равно U_min= 0,0001 В; если на вход подаётся напряжение 1,5 В, то напряжение на выходе будет сниматься с предела I; если на вход подаётся напряжение равное , то напряжение на выходе будет сниматься с предела II; если на вход подаётся напряжение равное , то напряжение на выходе будет сниматься с предела III; если на вход подаётся напряжение равное , то напряжение на выходе будет сниматься с предела IV; если на вход подаётся напряжение равное , то напряжение на выходе будет сниматься с предела V; если на вход подаётся напряжение равное , то напряжение на выходе будет сниматься с предела VI; если на вход подаётся напряжение равное , то напряжение на выходе будет сниматься с предела VII.

Падение напряжения на резисторе R₁ равно U₁ =0,0015-0,0001=0,0014 В;

падение напряжения на R₂ равно U₂ = 0,0047 - 0,0015 = 0,0032 В;

падение напряжения на R₃ равно U₃=0,015 - 0,0047=0,0103 В;

падение напряжения на R₄ равно U₄=0,0474- 0,015=0,0324 В;

падение напряжения на R₅ равно U₅=0,15 - 0,0474=0,1026 В;

падение напряжения на R₆ равно U₆ = 0,474 - 0,15=0,324 В;

падение напряжения на R₇ равно U₇ = 1,5 - 0,474=1,026 В;

падение напряжения на R₈ равно U₈ = 0,0001 В.

Возьмём суммарное сопротивление резисторов R_?=500 кОм. Тогда ток, протекающий через все сопротивления при максимальном входном напряжении, равен:

Исходя из падений напряжений, найдём значения соответствующих сопротивлений.



Выберем из ряда Е192 номиналы резисторов: R₁=464 Ом, R₂=1,52 кОм, R₃=3,44кОм, R₄=10,9 кОм, R₅=34,4 кОм, R₆=109 кОм, R₇=340 кОм, R₈=274 Ом.

Аналоговый ключ предназначен для коммутации нескольких аналоговых входов на один выход. Число каналов должно быть не менее 8 (по числу пределов делителя). Исходя из этого, выбираем микросхему К590КН6. Ее технические характеристики:

число каналов: 8;

коммутируемое напряжение ±15 В;

коммутируемые токи 20 мА;

напряжение питания ±15 В.

Фильтр предназначен подавления помех с частотами ниже 100 Гц и выше 10000 Гц.

Рисунок 5 - Разделительная RC-цепочка (фильтр нижних частот)

Значения R и С рассчитаем, исходя из соотношения , где f= f_в=10000 Гц.

Выберем значение емкости С=1 мкФ. Тогда

.

Выберем из ряда Е192 номинал резистора R=100 Ом.

Рисунок 6 - Разделительная RC-цепочка (фильтр верхних частот)

Значения R и С рассчитаем, исходя из соотношения , где f= f_н=100 Гц.

Выберем значение емкости С=1 мкФ. Тогда

.

Выберем из ряда Е192 номинал резистора R=10 кОм.

3. Проектирование выходной части

По ТЗ выходные параметры требуемого усилителя:

диапазон изменения выходного напряжения 0-130 В;

минимальное сопротивление нагрузки 15 кОм.

Тогда максимальный выходной ток можно определить как:

.

Выбираем микросхему К140УД26. Ее технические параметры приведены в пункте 2.

Так как ОУ не обеспечивает необходимую амплитуду выходного напряжения, то на его выходе необходимо установить дополнительный усилительный каскад, который позволяет получить усиление по напряжению.

Каскад по рисунку 7 использует свойство ОУ, что их ток питания зависит от сопротивления нагрузки (потребляемый ток по форме полностью повторяет входной сигнал). Поэтому, если обеспечить неизменное напряжение питания ОУ, а изменения тока преобразовать в напряжение с помощью резисторов, то легко получить требуемое дополнительное изменение выходного напряжения ОУ.

Рисунок 7 - Выходной каскад

Пусть R₁ =10 кОм. К_u выбираем равным 1.

Тогда .

Из ряда Е192 выбираем номиналы R₁=10 кОм, R₂=10 кОм.

Напряжение питания ОУ стабилизировано с помощью транзисторов VT1 и VT2. Для этого на их базы подан потенциал, снимаемый с параметрических стабилизаторов напряжения R3-VD1 и R3-VD2. Транзисторы VT1 и VT2 включены по схеме с ОБ. Изменение тока, потребляемого ОУ, создает на резисторе R4 падение напряжения, повторяющее входной сигнал. Соответствующая полуволна напряжение усиливается транзисторами VT3 и VT4, включенными в схему с ОЭ. Коэффициент их усиления

.

В данном случае роль R_K играют резисторы R5, а R_H - входное сопротивление транзисторов VT5, VT6 с подключенным к их входу сопротивлением нагрузки. Мощные транзисторы VT5, VT6 обеспечивают получение в нагрузке требуемого значения тока и уменьшают влияние ее подключения на усилитель.

Транзисторы VT7, VT8 выполняют функции защиты усилителя мощности от перегрузок.

В качестве транзисторов выбираем КТ502А (p-n-p) и КТ503А (n-p-n). В качестве стабилитронов выбираем Д815Е. Резисторы R₃ по 1 кОм.

Пусть у транзистора VT5 равно 50, а r_б=20 Ом, тогда

Так как VT5 работает в режиме В, то резистор R5 выбираем исходя из условия

Ом.

Выберем из ряда Е192 номинал резистора R₅=597 Ом.

Эквивалентное сопротивление в цепи коллектора VT3 Ом. Ток транзистора VT3 на этом сопротивлении должен создать падение напряжения , где K_u5 - коэффициент передачи эмиттерного повторителя. Возьмем U_K3 с запасом U_K3=140 В. Тогда амплитуда переменной составляющей тока коллектора через R_Э равна

А.

При максимальном токе коллектора падение напряжения U_КЭ3 следует брать порядка 1,5-2 В, что существенно больше U_КЭнас. При этом транзистор VT3 будет работать в активном режиме. Следовательно, для него можно записать уравнение .

Коэффициент усиления каскада с ОЭ на VT3 . Так как ОУ имеет выходное напряжение 10 В, то для получения требуемой амплитуды необходимо К_u=14. Возьмем К_u VT3 с запасом К_u=20. Тогда Ом. Из ряда Е192 выбираем R₆=26,7 Ом. Тогда напряжение питания В.

Входной сигнал, снимаемый с резистора R₄, должен быть равен 149/20=7,45 В. Если изменения тока ОУ при наличии входного сигнала составляет 8 мА, то Ом.

Выберем из ряда Е192 номинал резистора R₄=931 Ом.

Резистор R₇ определяем исходя из уровня тока, на котором необходимо ограничить входной сигнал, и порогового напряжения транзисторов VT7 и VT8. Пусть В, а А.

Тогда Ом. Выберем из ряда Е192 номинал R₇=1 Ом. Определим коэффициент частотных искажений.



Выходной усилительный каскад представим как на рисунке 8.

Рисунок 8 - Упрощенная схема выходного усилительного каскада

Исходя из этого, определим дополнительную погрешность коэффициента усиления при подключении нагрузки 15 кОм.

,

что удовлетворяет ТЗ ?К_u не более 1,5 %.

4. Проектирование промежуточной части

Промежуточная часть выполняется исходя из условий получения требуемого коэффициента усиления.

Выходное напряжение входной части U_{вых вх.ч.}=0,0001 В. Поскольку ОУ выходной части должен иметь выходное напряжение 10 В, а коэффициент усиления равен 1, то выходное напряжение промежуточной части усилителя выбираем равным U_{вых У}= 10 В.

Тогда коэффициент усиления равен

.

В качестве схемы включения выбираем инвертирующий усилитель.

Рисунок 9 - Усилительный каскад

Микросхемы выбираем К140УД26. Технические параметры описаны в пункте 2.

Для каждого усилителя каскада выбираем коэффициент усиления К=10.

Выбираем номиналы R₁=R₄=R₇= R₁₀= R₁₃= 10 кОм.

Тогда ;



Из ряда Е192 выбираем номиналы R₂=R₅=R₈=R₁₁=R₁₄=100 кОм, R₃=R₆=R₉=R₁₂=R₁₅=9,09 кОм.

Определим коэффициент частотных искажений.

Для промежуточной части

.

Общий коэффициент частотных искажений

.

Это удовлетворяет требованиям ТЗ погрешность коэффициента усиления в полосе рабочих частот не более 2%.

Определим дополнительный фазовый сдвиг в полосе рабочих частот.



Рисунок 10 - Определение фазового сдвига

Каждый инвертирующий усилитель дает фазовый сдвиг 180^о. Так как в нашей схеме их 6, то общий фазовый сдвиг на верхней частоте f_в=10000 Гц равен 0, что удовлетворяет требованиям ТЗ.

5. Блок защиты от перенапряжения

Блок защиты от перенапряжения необходим для защиты от перенапряжения входного сигнала, подаваемого на измерительный усилитель, и для защиты от перенапряжения питания элементов усилителя.

Защита от перенапряжения достигается введением во входную цепь стабилитронов по схеме на рисунке 11.



Рисунок 11 - Блок защиты от перенапряжения

Использование балластного сопротивления перед стабилитроном нецелесообразно, так как источник сигнала имеет внутреннее сопротивление. Так как мы не поставили балластное сопротивление, категорически запрещается питающие провода накоротко соединять с «землей» или корпусом во избежание выхода из строя стабилитронов VD1 и VD2.

В качестве стабилитронов VD1 и VD2 выбираем стабилитроны Д815Е.

6. Блок питания

Таблица. Потребляемая мощность микросхем указана в таблице.

Микросхема	Количество	Uпит, В	Iпот, мА	Рпот, мВт
К140УД26	7	±15	4,7	493,5
К590КН6	1	±15	3,5	52,5

Потребляемая мощность для напряжения ±15 В:

В качестве трансформатора выбираем ТПП 248-127/220-50. Его основные технические параметры:

- напряжение вторичных обмоток 40, 40, 20, 20, 4 В;

- ток вторичной обмотки 0,165 А;

- мощность 14,5 ВА.

Для выпрямления выбираем диодный мост КЦ410Г. Его параметры:

максимальный прямой ток 3А;

обратное напряжение 100В.

Для стабилизации напряжений выбираем интегральный стабилизатор К142ЕН6. Его технические параметры:

входное напряжение ±20 В;

выходное напряжение 14,7 - 15,3 В;

максимальный ток нагрузки 0,2 А;

коэффициент сглаживания пульсаций 30 дБ;

коэффициент нестабильности по напряжению 0,0015%;

коэффициент нестабильности по току 0,2%.

Схема включения стабилизатора К142ЕН6 приведена на рисунке 12.

Рисунок 12 - Схема включения стабилизатора К142ЕН6

Номиналы конденсаторов выбираем по 100 мкФ.

Заключение

Проектировать и создавать рабочие схемные решения на интегральных операционных усилителях значительно проще, чем эквивалентные им схемы на дискретных элементах.

В данной курсовой работе мною был разработан нормирующий измерительный усилитель с блоком питания и блоком защиты от перенапряжения. По ТЗ выходное напряжение должно быть равно 130 В, поэтому был использован мощный выходной каскад. Рассчитаны коэффициент усиления и коэффициент частотных искажений. Разработанный усилитель полностью соответствует требованиям ТЗ.

Список литературы

1.Гусев В.Г., Мулик А.В. Проектирование электронных аналоговых измерительных устройств.

2.Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.

3.Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника.

4.Интегральные микросхемы операционные усилители. Справочник.

5.Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон.

6.Аксенов А.И., Нефедов А.В., Юшин А.М. Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. Диоды. Транзисторы. Справочное пособие.

7.Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры: Справочник/Э.Т. Романычева, А.К. Иванова, А.С. Куликов и др.; Под. ред. Э.Т. Романычевой.

8.Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, коммутационные устройства РЭА: Справ./Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок.

Размещено на Allbest.ru