КР Измерительный усилитель постоянного напряжения
.pdff > K • / =15 • 2• 104= 300 кГц. |
(2.13) |
Кроме того, усилитель мощности должен удовлетворять требованиям на ве личину нелинейных искажений K f < 0.3%.
Приведенным выше требованиям удовлетворяет операционный усилитель LM675 производства National Semiconductor. При этом можно обойтись без предварительного усилителя, так как выбранный усилитель относится к классу мощных операционных усилителей. Основные его параметры приведены в таб лице 2.2.
Таблица 2.2 - Основные характеристики ОУ LM675T |
|
|
Параметр |
Размерность |
Значение |
Диапазон напряжений питания |
В |
±3... ±22 |
Номинальное напряжение питания |
В |
±30 |
Входное напряжение смещения |
мВ |
< 10 |
Входной ток |
мкА |
<2 |
Ток потребления |
мА |
<50 |
Скорость нарастания выходного сигнала |
В/мкс |
8 |
Частота единичного усиления |
МГц |
5.5 |
Коэффициент усиления по напряжению |
В/мкВ |
12 |
Номинальная мощность рассеивания |
Вт |
30 |
Температура окружающей среды |
°С |
0...+70 |
Коэффициент частотных искажений |
% |
0.1 |
Принципиальная схема включения усилителя мощности приведена на ри сунке 2.3.
DA
Рисунок 2.3 - Принципиальная схема включения усилителя мощности
На операционном усилителе DA собран неинвертирующий усилитель. За счет отрицательной обратной связи определяется его коэффициент усиления, который определяется соотношением резисторов R3 и R2. В данном случае он вычисляется по формуле:
Лист
Изм. Лист № докум. |
ЮУрГУ-22020062.2012.616. ПЗ |
11 |
|
Подп. Дат а |
|||
|
К |
ум |
= 1+ ^-. |
(2.14) |
|
|
^ |
4 |
у |
|
Так как^ум=15, то рассчитаем необходимое соотношение для резисторов
R2И R2.
15 = 1 + ± ; |
(2.15) |
*3 |
|
^ = 14. |
(2.16) |
R 2 |
|
Таким образом, получаем, что R3=14R2. Выберем номиналы резисторов из
стандартного ряда номиналов. Пусть R2= 1 кОм, тогда R2= 14 кОм.
Резистор R.4 и емкость С необходимы для обеспечения работы усилителя с заданными параметрами (данные элементы указаны в документации на усили тель). При этом R.4 = 1 кОм, аС = 0.22 мкФ.
Номинал сопротивления R1 для данного операционного усилителя вычис ляется как сумма сопротивлений R2 , R2 , R4, т.е. в данном случае R\ = 16 кОм, что соответствует значению из стандартного ряда номиналов резисторов.
2.4 Расчет фильтра
Для обеспечения желаемого коэффициента частотных искажений на гра ничных частотах (по техническому заданию М = ±1.5 дБ) и для обеспечения желаемой величины подавления сигнала на утроенной максимальной частоте (по заданию Ьтд = 20 дБ) необходимо использовать фильтр.
Фильтр - это частотно-избирательное устройство, которые пропускает или задерживает сигналы, лежащие в определенных полосах частот. Так как мы имеем измерительный усилитель постоянного напряжения, то нам необходимо исполь зовать фильтр нижних частот. Он будет пропускать все сигналы с частотами от 0 до/nax, а все сигналы с большими частотами будут заглушаться.
Фильтр нижних частот целесообразно включить в схеме после входного усилителя и перед регулятором уровня для фильтрации сигнала с выхода вход ного усилителя. С помощью данного блока осуществляется получение желае мой амплитудно-частотной характеристики.
Так как коэффициенты усиления компонентов нашей системы уже посчита ны, то принимаем, что коэффициент усиления фильтра равен 1, т.е. он не уси ливает и не ослабляет сигнал в полосе пропускания.
Простейший фильтр, состоящий из ЛС-цепочки в данном проекте неприме ним, так как он обладает рядом недостатков: свойства фильтра зависят от на грузки и трудно подобрать его параметры для всех режимов работы. Поэтому целесообразно применить активный фильтр.
Лист
Изм. Лист № докум. |
ЮУрГУ-22020062.2012.616. ПЗ |
12 |
|
Подп. Дат а |
|||
|
Активный фильтр - это электронный усилитель, содержащий 7?С-цепочки, включенные таким образом, что у усилителя появляются избирательные свой ства. Так как операционный усилитель обладает очень высоким входным и очень низким выходным сопротивлением, то фильтр любого порядка может быть построен путем каскадного соединения невзаимодействующих фильтров первого и второго порядков. Для улучшения избирательности также повышают порядок передаточных функций за счет введения дополнительных RC-цепочек или последовательного включения идентичных активных фильтров.
Сначала определим порядок нормированного фильтра низких частот. Норми рованный ФНЧ - это низкочастотный нормированный аналог, имеющий частоту среза сос= 1 рад/с. Для этого найдем величину крутизны спада:
|
'1/3,3 |
|
ь1/3,3 |
|
ь,1/3,3 |
-20 |
-ЗОдБ/дек. (2.17) |
|
^А> |
1 ( |
Ig^max - !g(3^ max ) |
^ 3 |
0‘477 |
||||
|
;3)- lg^min |
|
|
|||||
Тогда минимальный порядок нормированного ФНЧ определится по формуле: |
||||||||
Лг |
ArchV(10A''“ /,0- l) -(10A/ |
l0- l) |
АгсЬл/(10/’,м 1/10 -1)-(10м/1° -1) |
(2.18) |
||||
N =--------------- -------------г-------- = ---------------------------------------. |
||||||||
|
Arch(3fi?max/<ymJ |
|
|
|
АгсЬЗ |
|
|
|
Подставим известные по техническому заданию значения bi/3j3 и М\ |
|
|||||||
|
АгсЬл/(10 |
- 1) • (10 1.5/10 |
1) |
Arch6.391 |
|
(2.19) |
||
|
N = ■ |
|
Arch3 |
|
|
АгсЬЗ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Для нахождения ареакосинуса (обратного гиперболического арккосинуса) |
||||||||
воспользуемся формулой, выражающей его через логарифм: |
|
|
||||||
|
Archx = ln(x + Vx2- l]t прих > 1. |
|
(2.20) |
|||||
Тогда: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
АгсЬ6.391 = 1п(б.391 + л/б.3912- 1)= 2.542; |
|
(2.21) |
|||||
|
АгсЬЗ = 1п(з + л/З2- l ) = |
1.763. |
|
(2.22) |
||||
Подставим найденные значения в формулу (2.19) и найдем минимальный по |
||||||||
рядок нормированного ФНЧ: |
|
|
|
|
|
|
||
|
дг |
Arch6.391 |
2.542 |
, ^ |
|
|
^ |
|
|
N =-------------= ------- = 1.442. |
|
(2.23) |
|||||
|
|
АгсЬЗ |
1.763 |
|
|
|
|
|
Округляем N до целых в большую сторону и получаем, что фильтр нижних частот должен быть второго порядка для удовлетворения требований техническо го задания.
Воспользуемся схемой фильтра, которая изображена на рисунке 2.4. Этот фильтр часто называют фильтром на ИНУН [2, с. 16-19] (источник напряжения, управляемый напряжением), т.к. операционный усилитель и 2 подсоединенных к нему сопротивления R3и Т?4 образуют ИНУН.
Лист
Изм. Лист № докум. |
Подп. |
ЮУрГУ-22020062.2012.616. ПЗ |
13 |
|
Дат а |
||||
|
С2
Рисунок 2.4 - Принципиальная схема ФНЧ на ИНУН
Данная схема реализует функцию фильтра нижних частот второго порядка со следующими параметрами:
1
Ссо =
ВДС,С2 |
|
\ |
|
|
_1_ |
J. |
|
(2.24) |
|
- Всо. = |
|
+ ■ |
(i-ч ); |
|
с 2 VЯ R2 J я с , |
|
|||
K = ju =1 + —
я
Постоянные В и С - нормированные коэффициенты фильтра, которые мож но найти по специальным таблицам. Величина /и > 1 представляет собой коэф фициент усиления ИНУН, а значит и самого ФНЧ. В случае, когда коэффици ент усиления равен 1 , т.е. в нашем случае, мы получаем, что R 3 = со (цепь ра зомкнута), a = 0 (цепь закорочена). Но для минимизации смещения по посто янному току целесообразно выбрать Т?4 = R\ + Rj. В данном случае ИНУН рабо тает как повторитель напряжения, его выходное напряжение равно входному.
Удовлетворяющие уравнению (2.24) значения остальных сопротивлений для случая, когда коэффициент усиления фильтра равен единице, имеют вид:
|
Я |
2 |
|
|
В С * - 4СС,С2 со. |
|
|
|
ВС2+ |
(2.25) |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
R, |
|
|
*. |
СССЛсо: |
|
|
I - |
I с |
|
|
Номинальное значение емкости С2 выбирается близким к значению 10lfc мкФ, причем/с в Гц, а номинальное значение емкости С\ должно удовлетворять неравенству:
С, <В2С2/4С. |
(2.26) |
Зададимся величиной пульсации 1 дБ и по таблицам найдем значение по стоянных фильтра Чебышева: В = 1.097734, С= 1.102510.
Лист
Изм. Лист |
№ докум. |
Подп. Дат а |
ЮУрГУ-22020062.2012.616. ПЗ |
14 |
|
Считаем, что частота среза фильтра/^ = /тах = 20 кГц. Тогда рассчитаем па раметры нашего фильтра нижних частот в соответствии с приведенными выше формулами и требованиями:
С, * — = — |
= 0.0005 мкФ = 500пФ; |
(2.27) |
|
/ с 2 -10 |
|
|
|
1 0977342-5 -Ю'10 |
=136пф |
|
|
|
J |
(2.28) |
|
4-1.102510 |
|
||
|
|
||
Возьмем С] = 100 пФ из стандартного ряда номиналов емкостей. |
|
||
Рассчитаем теперь сопротивления фильтра: |
|
|
|
2/(2тг -2 -104)__________________ |
|
||
Я = |
|
|
(2.29) |
1.097734 • 5 -Ю40 + д/1-0977342 - (5-10 10)2 - 4-1.102510-5-МО-20 |
|||
Д, =29011 Ом |
|
|
|
R2= ---------------------- п = 39637 Ом |
|
(2.30) |
|
2 1.102510-5-1-10 |
• 29011 • {2ж• 2 • 10 ) |
|
|
Выберем 7?1 = 28.7 кОм, R2= 39.2 кОм из стандартного ряда номиналов со противлений, тогда сопротивление R4 = R\ + R2 = 28.7 + 39.2 = 67.9 кОм. Выбе рем его также из стандартного ряда номиналов: R4 = 68.1 кОм.
В качестве операционного усилителя DA для фильтра нижних частот можно выбрать прецизионный операционный усилитель ОР177 - такой же, какой ис пользуется во входном усилителе. Он полностью подходит по параметрам, а применение одинаковых микросхем позволяет унифицировать оборудование.
Лист
|
ЮУрГУ-22020062.2012.616. ПЗ |
15 |
|
Изм. Лист № докум. |
Подп. Дат а |
||
|
3 Моделирование на ЭВМ работы функциональных узлов устройства
Для моделирования работы устройства на ЭВМ воспользуемся программой Multisim 10 фирмы National Instruments, Electronics Workbench Group. Она по зволяет смоделировать большинство современных электронных компонентов.
Схема моделирования устройства (без моделирования источника питания) представлена на рисунке 3.1.
С 1
Мосе- |
|
|
|
|
||
|
[ |
Ws-gnit^e" |
|
|
|
|
■H o r i z o n -t-a- - --l - - - - - |
- - - - -- - V e r t i c- -a- -l- - |
- - - - - - - - - - |
- - - - |
|||
| |
|
L o j |
L i n | |
| L o g |
Lm | |
|
F | 1 |
|
j M FH |z m |
] |
t ® |
||
1 | |
t |
|
j m1 H1zt o o |
j |
d S |
|
- - C |
o n t r o- -l-s- - - - - - - - - - |
- - - - - - |
|
|
|
|
|
|
|
S a v e : |
[ |
S e t . . . |
| |
20 k H z |
J |
+ < ? |
I n |
f ? +{?- Cm ( Г |
Рисунок 3.2 - АЧХ устройства
ЮУрГУ-22020062.2012.616. ПЗ
Изм. Лист |
№ докум. |
Подп. Дат а |
Лист
16
На рисунке 3.2 представлена логарифмическая АЧХ устройства, полученная в той же программе. По ней видно, что в пределах полосы пропускания, т.е. от О ДО /ш ах = 20 кГц, значение АЧХ составляет 59.181 дБ, при этом около гранич ной частоты значение АЧХ не превышает 60.183 дБ. Это соответствует требо ваниям технического задания (коэффициент частотных искажений на гранич ных частотах М = ± 1.5 дБ), а также параметрам фильтра (мы задавались значе ниями пульсации АЧХ не более 1 дБ).
В техническом задании также задана величина подавления сигнала на утро енной максимальной частоте (3/тах - 60 кГц) = 20 дБ. Т.е. на данной часто те значение АЧХ не должно превышать 59.181 —20 = 39.181 дБ. Как видно из полученной АЧХ, значение на этой частоте составляет 34.953 дБ, что уклады вается в требования технического задания.
Моделирование будем проводить при положении регулятора уровня, соот ветствующем 100% выходному сигналу. Проверим работу устройства при уси лении постоянного напряжения. В ходе опыта было получено, что напряжение на выходе при подаче постоянного напряжения ег = 20 мВ составляет 15.018 В, что соответствует техническому заданию.
Проверим теперь работу устройства по усилению переменного напряжения. Подключим ег как источник синусоидального напряжения. При этом в про грамме задается действующее значение напряжения, а ег = 20 мВ - амплитуд ное значение. Поэтому на генераторе нужно задать значение 20/л/2 = 14.142 мВ. Результаты моделирования при различных частотах представлены на рисунках 3.3-3.7.
Т2 ' |
Ttrr-5 |
СЬалг<е'_А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
24.£-5>; ms |
o.coov |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
л |
|
0.000v |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T2*Ti |
74.E40 ms |
-15.0» V |
|
|
|
|
Save |
I |
Ext. Trigger |
||||
5Q.QQQ mg |
O.COO V |
-30.053 V |
|
|
|
|
|
|
|
г |
|
||
• Т-ТГ^ЬЗаё ■ |
|
- Channel A• |
|
- Cftanref S ............ -............ — .... ....... - |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
T |
---------- ---------------------------------------- |
||||||||||
Seals |
|
| Scale |
I Ю ntV/Dn |
Soak |
| W V/Dtv |
И 8* |
f T ~ |
г I p T " |
В j |
Ext |
| |
||
X position |
|
|Y position |
|
j 0 |
V position |
J 0 |
level |
10 |
|
|
| |
V |
|
|
|
А/S I I АС I |
0 |
DC |
AC 1 0 |
Г С € ~ - | |
Type |
(C S jlfj |
Nor. | |
Auto |
j |
None |
j |
Рисунок 3.3 - Результаты моделирования при частоте 10 Гц
Лист
Изм. Лист |
Ns doкум. |
Подп. Дат а |
ЮУрГУ-22020062.2012.616. ПЗ |
17 |
|
|
Tim* |
Cb5.nn*i_A |
Channels |
|
|
|
|
|
|
||
|
24-8,bOJ -5 |
0 .0 0 0 |
V |
15.054 V |
|
|
|
|
|
|
|
|
74&5G3 -5 |
С.ОЮ V |
.1 |
$.070 V |
|
|
|
Save |
I |
Ext. Trigger |
|
Т2-Т! ! |
500.000 |
OOOQV |
-30.134 V |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
Г |
||||||
|
|
|
|
|
f?i-'wV/D-iv |
|
- Trigger- |
|
|
||
- Timebase—-— .......... ...... |
|
- Chanr-ei A |
i |
Г7~_yp“ ..? ]J*L |
|||||||
Siate |
I 200 ui.'Div |
|
State |
|
|
|
|||||
X pOsiti&n |
V |
|
Y position |
|
|
|
Level |
|
Jo |
|
jV |
|
AtM [ 8.< | |
A S |
j j AC f |
|
|
O' : Type |
(CSiMilF Nor, j |
Auto |
| None |
||
Рисунок 3 .4 - Результаты моделирования при частоте 1 кГц
Ti М± |
Time |
Channel А |
Char*r*ei_B |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
24.5Я1» |
O.OCOV |
18.001 V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1233 |
74.551 us |
0.000 V |
-15.004 V |
|
|
|
|
Save j |
Ext. Trigger |
||||
Т2-Т1 |
50.000 us |
0.003 V |
-2£.035 V |
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- Timebase - |
- Channel А ---------------------—------ -■Channel в .......— ----- ---------------— .. Trigger ---------------------------------— |
.......... -- |
|||||||||||
|
| 20 и^'Очу'"' |
~-y-| Scale |
| Ю mV'Div |
Seals |
j <4 V/Div |
f |
j - |
г 1Г~ |
8 |
I |
Ext |
| |
|
X position |
(0 |
Y position |
|
0 |
V position |
jo |
level |
|
Jo |
|
| |
V |
|
[~TT~ |
Aidj E/A1№[ AC J |
5 |
DC | |
i? AC 1 0 |
Г 5 с ~ - 1 |
f? Type [ |
Sing, |
Nor. J Asrto |
j |
None |
j |
||
Рисунок 3.5 - Результаты моделирования при частоте 10 кГц
ЮУрГУ-22020062.2012.616. ПЗ
Изм. Лист |
№ докум. |
Подп. Дат а |
Лист
18
|
|
|
|
|
|
Channel E |
-- |
-- Trigger--------- |
--- |
-— ---------------------- |
8 |
1Ext 1 |
S*3.£ |
j t'3 |
|
Sojte |
I ra mViDiV |
Scste |
|
i E^« |
|
%1ПГ |
|||
X рс*за»эп |
JO |
Y pos-iton |
0 |
Y poi -lie*" |
|
; Level |
Jo |
|
|
j""v |
||
Г _ — |
| |
S,A[ A/В| |
АС |
Г~0 |
DC I |
(7 ас I •: |
( • |
i Type |
[C lip T T |
Nor. | Auto |
| |
Non* } . |
Рисунок 3.6 - Результаты моделирования при частоте 20 кГц
т- «•] + |
Time |
Chanrv*!_A |
|
|
Cfcann*1_B |
|
|
|
|
|
|
|
3.S32 us |
0 .0 0 V |
|
521. Ш |
mV |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
12.126 us |
0.000 V |
|
|
-1.213 V |
|
|
|
Save |
J |
Ext. Trigger |
|
Т2-Т1 |
3 234 us |
0.000 V |
|
|
-2.134 V |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
Г |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
• Trigger- |
|
|
|
|
| Jf>us.‘Div |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-~T“j S-p-aie |
|
| ?7 mV/Div |
|
Scale |
£>Pje |
1° |
|
lv |
|||
>position |
1= |
! Y COSftOn |
|
| 0 |
|
Y position |
Level |
|
||||
[ VT |
AM 1 BiA |
A.’S | |
AC |
j |
0 |
DC | |
{? |
AC J Q |
Type |
[""sing".1"" Nor, j |
Auto |
| None | |
Рисунок 3.7 - Результаты моделирования при частоте 60 кГц
ЮУрГУ-22020062.2012.616. ПЗ
Лист
19
Изм. Лист |
Ns докум. |
Подп. Дат а |
Таблица 3.1 - Результаты моделирования |
|
|
Частота |
Амплитуда минимума |
Амплитуда максимума |
0 Гц |
— |
15.018 В |
10 Гц |
15.017В |
15.036 В |
1 кГц |
15.064 В |
15.070 В |
10 кГц |
18.001 В |
18.004 В |
/ тах = 20 кГц |
17.348 В |
17.466 В |
3 /т а х = 60 К Г Ц |
0.921 В |
1.213 В |
Искажения на граничной частоте обусловлены неидеальностью реальных элементов. Гак как коэффициент частотных искажений на граничных частотах М= ±1.5 дБ, то максимальное значение амплитуды выхода на этих частотах в Вольтах можно определить как: UBX• 10'^'+м/20 = 0.0167 • 10ig900+15/20 «18.0 В. Как видно из таблицы 3.1, наше устройство полностью удовлетворяет требованиям технического задания.
Лист
|
ЮУрГУ-22020062.2012.616. ПЗ |
20 |
|
Изм. Лист Ns докум. |
Подп. Дат а |
||
|