Разработка нормирующего измерительного усилителя с источником питания и защитой от перенапряжения

 

 

Пояснительная записка

К РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЕ

По дисциплине «ИИТ и  электроника»

«Разработка нормирующего измерительного усилителя с источником питания и защитой от перенапряжения»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

Введение.

 

Частный случай управления энергией, при котором путем затраты небольшого ее количества можно управлять энергией во много раз большей, называется усилением. Устройство, осуществляющее такое управление, называется усилителем. Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках.

Операционными усилителями (ОУ) называют высококачественные усилители постоянного  тока (УПТ), предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью.

В нашем случае усилитель является УПТ, который позволяет усиливать  медленно изменяющиеся сигналы. Соответственно на входе, выходе и между каскадами  у него отсутствуют реактивные элементы, которые не пропускают постоянную составляющую сигнала. В настоящее время в качестве таких усилителей используют интегральные операционные усилители. По конструктивному исполнению они являются законченными высокостабильными широкополосными высококачественными УПТ, имеющими высокий коэффициент усиления, дифференциальный вход и симметричный выход.

 

Техническое задание

Разработать нормирующий измерительный  усилитель  с источником  питания  и  с защитой от перенапряжения входного сигнала (входным сигналом является ток, выходным сигналом напряжение). Технические условия приведены ниже.

 

Минимальный входной  ток, мкА	40
Максимальный входной  ток, мА	15
Входное сопротивление  в полосе рабочих частот, кОм	0,8
Погрешность входного сопротивления, не более, %	10
Число диапазонов	8
Нижняя граница диапазона  частот усилителя, Гц	400
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	130
Приведенный температурный  дрейф нуля, не более, мкА/град	15
Минимальное сопротивление  нагрузки, кОм	15
Дополнительная погрешность  коэффициента усиления при подключении Rн min, не более, %	3
Диапазон изменения  выходного напряжения, В	0-13
Рабочий диапазон температур, °С	10-60
Минимальный входной  ток, мкА	40
Максимальный входной  ток, мА	15

Напряжение питания 220 В, 50 Гц.

 
1. Выбор структурной схемы усилителя.

 

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

Если в техническом  задании на проектирование содержатся специальные требования, относящиеся  к входной или выходной цепям, то их легче всего удовлетворить  в этом случае, когда в структуре  усилителя имеются специальные входные и выходные части. Поскольку основным средством получения 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, показанный на рисунке 1.

 

Рисунок 1. Структурная  схема усилителя.

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

2,7,10 – электронные усилители;

3,8,11 – обратные связи;

4 – делитель напряжения;

5 – разделительные RC цепи, не пропускающие постоянную составляющую.

    2. Проектирование входной части.

 

Входная часть по рисунку 1 состоит из усилителя, делителя напряжения и полосового фильтра.

По ТЗ усилитель должен обеспечивать:

- входное сопротивление не менее 0,3 кОм;

- допустимое изменение  входного сопротивления в полосе  рабочих частот 100 Гц ÷10 000 Гц не более 2%

- приведенный температурный дрейф нуля не более 15 мкА/град.

Входное напряжение рассчитаем исходя из параметров, заданных в ТЗ:

 В

 В

Исходя из данных требуемого усилителя, выбираем микросхему операционного усилителя К140УД26. Ее технические параметры:

- коэффициент усиления  по напряжению 700 – 1000

- частота единичного усиления 20 МГц;

- максимальное выходное напряжение 12 В;

- входной ток I_вх= 40нА;

- напряжение смещения нуля 30 мкВ;

- температурный дрейф нуля, не более 0,6 мкВ/град.

- ток потребления 4,7 мА;

- напряжение питания  ±13,5±16,5 В;

- сопротивление нагрузки не менее 2 кОм;

- температура окружающей  среды -10+70 С

 

В качестве схемы включения  выбираем схему инвертирующего усилителя.

Рисунок 2. Схема инвертирующего усилителя.

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 значение более, чем на 16 Ом.

Рисунок 3. ЛАЧХ микросхемы К140УД26.

 

Ку(400) = 96 дБ = 63095,73

Ку(10000) = 65.48 дБ = 1879,62

Пусть R₁ = 706 Ом. Выбираем коэффициент усиления входной части усилителя К_у = 1.

Тогда R₂ = R₁ · K_y = 706 · 1 = 706, Ом.

Резистор R3 служит для уменьшении дрейфа нуля вызванного колебаниями входных токов. Он веден для того чтобы уменьшить диф.пост.сигнал, появившийся на входе микросхемы при температурном изменении входных токов. Поэтому его значение следует выбирать из следующих условий:

R3 = R1║ R2 = = = 353,Ом

     Значение резистора R₃ выбираем из ряда Е192, R₃ =357 Ом.

Коэффициент частотных  искажений определяем по формуле

Mв = , где   К(w)=

µ = = =0.5

γ = = =0.5

K(400) = = =0,9999;

 K(10000) = = =0,9989;

Мв вх  = = =1,0001;

 

 

Многопредельный делитель напряжения необходим для того, чтобы получить минимальное напряжение на выходе из некоторого диапазона постоянного (или переменного) напряжения на входе. После входного усилителя получили диапазон напряжений: Umin = 0,0032 В, Umax = 12 В. от данного многопредельного делителя напряжения требуется получить минимальное напряжение (Umin = 0,0032 В). Схема делителя напряжения показана на рисунке 4.

    Рисунок 4. Делитель напряжения.

Если на вход подаётся минимальное  напряжение (U_вх = U_min=0,0032 В), то напряжение на выходе будет сниматься с предела VIII и будет равно U_min= 0,0032 В; если на вход подаётся напряжение 12 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 = 0,006 - 0,0032  = 0,0028 В;

падение напряжения на резисторе R2 равно U2 = 0,0108 - 0,006 = 0,0048В;

падение напряжения на резисторе R3 равно U3 =0,034 – 0,0108 = 0,023В;

падение напряжения на резисторе R4 равно U4 = 0,3794 – 0,03 = 0,349В;

падение напряжения на резисторе R5 равно U5 = 1,2-0,3794 = 0,82 В;

падение напряжения на резисторе R6 равно U6 =3,7947 – 1,2 = 2,594 В;

падение напряжения на резисторе R7 равно U7 = 12 – 3,7947 = 8,205 В;

падение напряжения на резисторе R8 равно U8 = 0,0032 В;

 

Возьмём суммарное  сопротивление резисторов R∑ = 100 кОм. Тогда ток, протекающий через  все   сопротивления   при   максимальном   входном напряжении, равен:

=

Исходя из падений  напряжений, найдём значения соответствующих сопротивлений.

, Ом

 Ом

Ом

 Ом

 Ом

 Ом

 Ом

 Ом

 Выберем из ряда Е192 номиналы резисторов: R₁=23,4 Ом, R₂=40 Ом, R₃=191 Ом, R₄=2,91 кОм, R₅=6,9 кОм, R₆=21,8 кОм, R₇=69,0 кОм, R₈=26,7 Ом.

     Для коммутации нескольких выходов делителя в один выход используется аналоговый ключ. Число каналов должно быть не менее 8. Исходя из этого, выбираем микросхему К590КН6. Её технические характеристики:

- число каналов 8;

- коммутируемое напряжение  ±15 В;

- коммутируемые токи 20 мА;

- напряжение питания  ±15 В.

Фильтр предназначен подавления помех с частотами  ниже 400 Гц и выше 10 000 Гц.

 

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

 

Значения R и С рассчитаем, исходя из соотношения , где f= f_в=10 000 Гц.

Выберем значение емкости  С=1 мкФ. Тогда

R=

Выберем из ряда Е192 номинал резистора  R=100 Ом.

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

Значения R и C выбираем из отношения соотношения τ = RC = , где   f= f₅ = 400 Гц.

         Выберем значение емкости С=1 мкФ.  Тогда

R=

Выберем из ряда Е192 номинал резистора R=2,52 кОм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Проектирование выходной части.

По  заданию  усилитель  должен  иметь выходное напряжение 0-13 В, при нагрузке 15 кОм и обеспечивать погрешность коэффициента усиления в полосе рабочих частот не более 2%.

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 5 кОм, а r_б=1 кОм, тогда

 

 

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

 

 Ом.

 

Выберем из ряда Е192 номинал  резистора R₅=604 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 13 В, то для получения требуемой амплитуды необходимо К_u=15. Возьмем К_uVT3 с запасом К_u=20. Тогда Ом. Из ряда Е192 выбираем R₆=30,1 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 15 мА, то Ом.