КР Измерительный усилитель постоянного напряжения
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации «Южно-Уральский государственный университет» Факультет «Приборостроительный»
Кафедра «Автоматика и Управление»
Измерительный усилитель постоянного напряжения
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ по дисциплине «Электронные средства автоматизации и управления»
ЮУрГУ-22020062.2012.616.ПЗ КП
Нормоконтролер |
|
Руководитель работы |
|||
_______ О.В. Константинова |
________О.В. Константинова |
||||
« |
» |
2012 г. |
« |
» |
2012 г. |
|
|
|
Автор работы |
||
|
|
|
студент группы ПС-485 |
||
|
|
|
« {{ |
|
_____ П.М. Камнев |
|
|
|
» |
^еьа£Грь%_____ 2012 г. |
|
Работа защищена с оценкой
« |
» |
2012 г. |
Челябинск 2012
ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Приборостроительный факультет Кафедра Автоматики и управления
ЗАДАНИЕ на курсовое проектирование по курсу
«Электронные средства автоматики и управления»
выдано студенту группы ПС-485 Камневу Павлу Михайловичу. Код проекта: 2 946 046 233 431 435 939 982 Тема: «Измерительный усилитель постоянного напряжения»
Срок выдачи проекта: |
18 сентября 2012 г. |
Срок сдачи проекта: |
18 декабря 2012 г. |
Исходные данные к проекту:
Максимальное напряжение на нагрузке: UHMакс = 15 В. Сопротивление нагрузки: RH= 8 Ом.
Минимальная частота полосы пропускания: = 0 Гц. Максимальная частота полосы пропускания:/макс = 2-104 Гц.
Коэффициент частотных искажений на граничных частотах: М= ±1.5 дБ. Форма АЧХ и спектра плоская.
Величина подавления сигнала: Ьу^ъ = 20 дБ. Коэффициент нелинейных искажений: Kf = 0.3%. Выходное сопротивление устройства: Явых= 0.1 Ом. Входное сопротивление устройства: RBX= 1 МОм. ЭДС генератора входного сигнала: ег= 20 мВ.
Выходное сопротивление генератора входного сигнала: Rr = 0.2 МОм. Выходная емкость генератора входного сигнала: Сг = 100 пФ. Диапазон регулирования выходной величины: др =-100%.
Дрейф нулевого уровня, приведенных ко входу: AUapnрив = 5 мкВ/°С. Диапазон изменения температуры среды: At = +10...+40°С. Питание: 220 В, +10%, -15%, 50 Гц.
Содержание расчетно-пояснительной записки:
-Введение.
-Обоснование и выбор функциональной схемы устройства.
-Выбор и расчет принципиальных схем узлов устройства.
-Моделирование на ЭВМ работы функциональных узлов устройства.
-Заключение и выводы по соответствию характеристик и параметров устрой ства требованиям технического задания.
-Список используемой литературы.
Перечень графического материала:
-Принципиальная схема устройства.
-Чертеж конструкции устройства.
Руководитель:___________Константинова О.В. Задание принял к исполнению: 18 сентября 2012 г. Подпись студента: ________________
Аннотация
Камнев П.М. Измерительный усилитель постоянного напря жения: Пояснительная записка к курсовому проекту по курсу «Электронные средства автоматизации и управления». - Челябинск: ЮУрГУ, ПС; 2012, 30 с. 15 ил., библиогр. список - 9 найм., 2 прил.
В данном курсовом проекте представлено построение электронного устройст ва «Измерительный усилитель постоянного напряжения». В работе описывается один из способов реализации данного устройства. Реализация многих функцио нальных блоков основана на уже существующих реальных схемах, поэтому неко торые данные приводятся на основе опытных данных.
Также, помимо расчета самого устройства, в данном курсовом проекте пред ставлена полная принципиальная схема устройства, печатная плата устройства, а также спецификация элементов.
Курсовая работа выполнена с применением пакетов прикладных программ: Microsoft Word 2007, Proteus 7.6 SP4, MathCad 14, N1 Multisim 10, KoMnac-3D V10.
Ю УрГУ-22020062.2012.616.ПЗ
Изм. Лист |
№ докум. |
Подп. Дат а |
Разраб. |
Камнев П.М. |
<мг.п |
Пров. |
КскггенпшоваОВ |
Измерительный |
Реценз. |
|
усилитель постоян- |
Н .конт . |
|
ного напряжения |
|
|
Лит . |
Л и ст |
Л и ст ов |
330
ЮУ р Г У К аф е д р а А и У
Утв.
Оглавление |
|
Введение.............................................................................................................. |
5 |
1 Обоснование и выбор функциональной схемы устройства....................... |
6 |
2 Выбор и расчет принципиальных схем узлов устройства.......................... |
7 |
2.1 Расчет входного усилителя......................................................................... |
7 |
2.2 Расчет регулятора уровня.......................................................................... |
10 |
2.3 Расчет усилителя мощности...................................................................... |
10 |
2.4 Расчет фильтра............................................................................................ |
12 |
3 Моделирование на ЭВМ работы функциональных узлов устройства.... |
16 |
4 Расчет принципиальной схемы источника питания устройства.............. |
21 |
4.1 Расчет стабилизаторов напряжения......................................................... |
21 |
4.2 Выбор выпрямительного моста................................................................ |
22 |
4.3 Расчет трансформатора............................................................................. |
25 |
Заключение........................................................................................................ |
27 |
Библиографический список............................................................................. |
28 |
Приложение А. Схема принципиальная электрическая............................... |
39 |
Приложение В. Корпус устройства................................................................ |
30 |
Приложение С. Перечень элементов.............................................................. |
31 |
Лист
|
|
Ю У р Г У -2 2 0 2 0 0 6 2 .2 0 1 2 .6 1 6 . П З |
4 |
|
Изм. Лист |
№ докум. |
Подп. Дат а |
||
|
Введение
Задачей курсового проектирования является закрепление теоретических по ложений курса электронных устройств автоматики и управления, а также углуб ление и приобретение новых знаний при самостоятельной работе с литератур ными источниками, приобретение навыков практического проектирования кон кретных электронных устройств.
Задача разработки измерительного усилителя постоянного напряжения включает в себя выполнение нескольких последовательных этапов.
Сначала необходимо определиться с выбором функциональной схемы проек тируемого устройства, выбрать основные функциональные составляющие части. Затем необходимо последовательно произвести выбор структуры и способа реа лизации выбранных частей проектируемого устройства, произвести их расчёт и определиться со способами их взаимодействия друг с другом. Предпоследним этапом проектирования является моделирование разработанного устройства с использованием прикладных программ. На заключительном этапе составляется электрическая принципиальная схема устройства и спецификация, включающая все электронные компоненты, используемые в данном проекте.
Лист
Изм. Лист Ns докум. |
ЮУрГУ-22020062.2012.616.ПЗ |
5 |
|
Подп. Дат а |
|||
|
1 Обоснование и выбор функциональной схемы устройства
Измерительный усилитель постоянного напряжения может быть спроекти рован на основе двух структур:
а) усилитель с гальваническими связями между каскадами; б) усилитель с промежуточным преобразованием сигнала (с "модуляцией-
демодуляцией" или М-ДМ).
Выбор структуры определяет величина допустимого приведенного ко входу дрейфа нулевого уровня выходного напряжения. Если А С/др прив < 5 мкВ/°С, то нужно выбирать структуру М-ДМ, иначе - можно подобрать интегральный операционный усилитель, который обеспечит дрейф, не превосходящий задан ной предельной величины.
Так как по техническому заданию А11лр прив = 5 мкВ/°С, то можно выбрать структуру усилителя с гальваническими связями между каскадами. Функцио нальная схема такого усилителя приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Функциональная схема усилителя
Усилитель постоянного напряжения состоит из выходного каскада - усили теля мощности (УМ) и предварительного усилителя (ПУ), охваченных цепью общей отрицательной обратной связи (ЦООС), а также входного усилителя (ВУ) и регулятора уровня выходного сигнала (РУ).
Входной усилитель используется для обеспечения нужной величины вход ного сопротивления и коррекции искажений частотной характеристики. Для обеспечения качественных показателей выходного сигнала используется уси литель мощности с глубокой отрицательной обратной связью.
Источник питания служит для обеспечения блоков аппаратуры выходными напряжениями (токами) заданного номинала и качества. Он состоит из сле дующих узлов: преобразовательное устройство, трансформатор, вентильный комплект (диодная схема), сглаживающий фильтр и стабилизатор постоянного напряжения.
Лист
Изм. Лист № докум. |
Подп. |
Дат а |
ЮУрГУ-22020062.2012.616. ПЗ |
6 |
|
||||
|
|
2 Выбор и расчет принципиальных схем узлов устройства
2.1 Расчет входного усилителя
Назначение входного усилителя - обеспечение входного сопротивления устройства RBXв соответствии с техническим заданием, а также предваритель ное усиление входного сигнала до уровня, приемлемого для подачи на после дующую часть схемы.
Определим входное напряжение входного усилителя, которое равно вход ному напряжению всего устройства, зная ЭДС генератора входного сигнала еги выходное сопротивление генератора входного сигнала Rr, а также требуемое входное сопротивление всей схемы RBX:
U = |
6- = 1' 1 ' 2°— °— = 0.01667 В = 16.67 мВ. |
(2.1) |
вх |
R +R 1 -106 +0.2-106 |
|
Так как по техническому заданию максимальное напряжение на нагрузке инМакс —15 В, то можем найти максимальное значение коэффициента усиления по напряжению для всего устройства как отношение максимального выходного напряжения к входному, т.е.:
т у __ |
макс |
15 |
900. |
(2.2) |
|
и. |
0.01667 |
||
|
|
|
Обычно на выходе входного усилителя максимальное напряжение составля ет порядка 1...2 В, поэтому примем, что на выходе входного усилителя у нас будет максимум 1 В. В этом случае можно определить коэффициент усиления входного усилителя как отношение выходного напряжения входного усилителя к входному, т.е.:
с/ву макс |
1 |
(2.3) |
К |
= 60. |
U.0.01667
Таким образом, оставшаяся часть схемы, которая включает в себя усилитель мощности, должна будет обеспечить коэффициент усиления, равный:
К ум =- |
900 15••. |
(2.4) |
|
60 |
|
Входной операционный усилитель построим как каскадное соединение по вторителя напряжения и неинвертирующего усилителя. Так как входное сопро тивление по техническому заданию составляет 1 МОм, то на основе лишь одно го операционного усилителя довольно сложно реализовать входной усилитель, так как в цепи обратной связи неинвертирующего усилителя были бы довольно большие сопротивления, что могло бы повлиять на помехоустойчивость схемы. Поэтому сначала используем повторитель напряжения (с единичным коэффи-
Лист
ЮУрГУ-22020062.2012.616. ПЗ
Изм. Лист |
№ докум. |
Подп. Дат а |
циентом усиления) для придания схеме необходимого входного сопротивления, а затем уже усилим наше напряжение в Кву = 60 раз до максимального напря
жения в 1 В. При этом входное сопротивление неинвертирующего усилителя может быть гораздо меньше входного сопротивления устройства, что благо приятно скажется на помехоустойчивости схемы.
Принципиальная схема входного усилителя приведена на рисунке 2.1.
DA1 |
DA2 |
Рисунок 2.1 - Принципиальная схема входного усилителя
На операционном усилителе DA1 собран повторитель напряжения. Сопро тивление R\ = 1 МОм определяет входное сопротивление входного усилителя, которое равно входному сопротивлению всего устройства. Повторитель напря жения его не усиливает и не ослабляет, поэтому его коэффициент усиления ра вен 1. Это достигается за счет соединения единичной отрицательной обратной связи.
На операционном усилителе DA2 собран неинвертирующий усилитель. За счет отрицательной обратной связи определяется его коэффициент усиления, который определяется соотношением резисторов R4 и Я3. В данном случае он вычисляется по формуле:
К т2=1 + А |
(2.5) |
-^3 |
|
Ранее был выбран коэффициент усиления для входного усилителя К ву = 60.
Рассчитаем необходимое соотношение для резисторов R4и Ry. |
|
60 = 1 +— ; |
(2.6) |
Яз |
|
— = 59. |
(2.7) |
*3
Таким образом, получаем, что R4= 59R3. Выберем номиналы резисторов из стандартного ряда номиналов. Пусть R4= 1 кОм, тогда = 59 кОм.
Лист
Изм. Лист № докум. |
Подп. |
ЮУрГУ-22020062.2012.616. ПЗ |
8 |
|
Дат а |
||||
|
Сопротивление R2 служит для баланса усилителя, т.е. для установки нуля выходного напряжения данного усилителя при нулевом входном сигнале. Оно определяется как параллельное соединение сопротивлений, расположенных в
цепи отрицательной обратной связи, т.е.: |
|
||
R2=R3 R. |
R*-R„ |
59-103-1-103 = 0.983 K O M . |
(2.7) |
|
R3+ ^ 4 |
59-103+ M 0 3 |
|
Выберем сопротивление R2 - 1 кОм из стандартного ряда номиналов.
Выберем подходящие операционные усилители. Данные усилители должны быть прецизионными, т.е. иметь очень малые напряжения смещения и долго временную стабильность параметров. Такие операционные усилители приме няются в высокоточных измерительных схемах. Скорость нарастания выходно го напряжения операционных усилителей, входящих во входной усилитель, должна быть:
V„ |
> 2 4 |
•U |
= 2п ■2 -104-1 = 0.126 В/мкс. |
(2.8) |
|
/Ув-вы |
J max |
шах |
/ |
v |
' |
Частота единичного усиления должна быть не менее, чем: |
|
|
|||
|
/ й K,t ■ |
= 60 • 2 • 10* = 1.2 МГц. |
(2.9) |
||
Данным требованиям удовлетворяет ультра-высокопрецизионный операци онный усилитель ОР177 производства Analog Devices. Его основные характери стики приведены в таблице 2.1. Для унификации выберем этот операционный усилитель и как DA1, и как DA2. Напряжение питания обоих усилителей выбе рем на уровне ± 15 В.
Таблица 2.1 - Основные характеристики ОУ OP177FP |
|
|
Параметр |
Размерность |
Значение |
Диапазон напряжений питания |
В |
±3... ±22 |
Номинальное напряжение питания |
В |
± 15 |
Максимальное входное напряжение |
В |
±22 |
Входное напряжение смещения |
мВ |
10 |
Входной ток |
нА |
1.2 |
Ток потребления |
мА |
<2 |
Скорость нарастания выходного сигнала |
В/мкс |
0.3 |
Частота единичного усиления |
МГц |
> 1 |
Коэффициент усиления по напряжению |
В/мкВ |
12 |
Выходное сопротивление |
Ом |
60 |
Мощность рассеивания |
мВт |
<500 |
Температура окружающей среды |
°С |
-40...+85 |
Температурный дрейф напряжения смещения |
мкВ/°С |
0.1 |
Напряжение смещения |
мкВ |
<25 |
Коэффициент ослабления синфазного сигнала |
дБ |
140 |
Временной дрейф напряжения смещения |
мкВ/месяц |
0.3 |
Лист
ЮУрГУ-22020062.2012.616. ПЗ |
9 |
|
Изм. Лист № докум. Подп. Дат а |
||
|
2.2 Расчет регулятора уровня
Регулятор уровня необходим для регулирования выходного сигнала в за данном диапазоне. По техническому заданию диапазон регулирования выход ной величины др = -100%. В качестве регулятора уровня зачастую использует ся обыкновенный делитель напряжения с одним переменным и одним посто янным резистором. Так как нам требуется регулировать выходное значение от нуля до максимальной величины, то можно обойтись одним переменным ре зистором.
Принципиальная схема регулятора уровня изображена на рисунке 2.2.
О-------------------------------------- |
1 |
j---------------------------- |
о |
1 R
Рисунок 2.2 - Принципиальная схема регулятора уровня
Выберем номинал переменного резистора из стандартного ряда номина лов: R - 10 кОм.
2.3 Расчет усилителя мощности
Для начала необходимо определить все требования, предъявляемые к уси лителю мощности. По техническому заданию он должен обеспечивать макси мальное выходное напряжение на уровне 15 В, а напряжение нагрузки при этом должно быть 8 Ом. Определим максимальную мощность на нагрузке:
|
U2 |
152 |
(2.10) |
Р = -± =----= 28.13Вт. |
|||
н |
Я |
8 |
|
Определим выходной ток усилителя: |
|
||
/ |
= — |
= — = 1.875 А. |
(2.11) |
н |
RH |
8 |
|
Так как на усилителе обычно падает около 2 В, то питание усилителя долж но быть не менее 17 В. Выберем в качестве напряжения питания ± 20 В.
Как уже было рассчитано в пункте 2.1, коэффициент усиления усилителя мощности по напряжению К =15.
Скорость нарастания выходного напряжения ОУ, используемого в качестве
усилителя мощности, в соответствии с техническим заданием должна быть: |
|
||||||
Vn |
> 2 4 |
max |
•и |
max |
= 2/г • 2 • 104 • 15 = 1.88 В/мкс. |
(2.12) |
|
(Ув-вы |
J |
|
/ |
V |
' |
||
Частота единичного усиления должна быть не менее, чем:
Лист
|
ЮУрГУ-22020062.2012.616. ПЗ |
10 |
|
Изм. Лист № докум. |
Подп. Дат а |
||
|