Измерительный усилитель

 

Оглавление

 

Введение 4

1. Теоретическая часть 5

2. Обоснование выбора варианта схемы 9

3. Расчётная часть 11

        3.1. Расчет входного и промежуточного каскадов усилителя 11

        3.2. Расчет выходного каскада(активного ФНЧ) 12

4. Моделирующая часть 14

5. Заключение и выводы 16

6. Список использованной литературы 17

Приложение А. Перечень элементов

Приложение Б. Схема электрическая  принципиальная

Приложение С. Параметры  ОУ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

   

           1.Усилительные устройства находят применение в самых разных областях науки, техники и производства, являясь либо самостоятельными устройствами, либо частью сложных приборов или устройств. Например,  в таких сферах как радиосвязь, радиолокация, радионавигация, радио- и телевещание, автоматика, различные САУ и САР, вычислительная техника, музыкальная и медицинская аппаратура.

   В электронике усилителем называют устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала. В зависимости от соотношения внутреннего сопротивления источника входного сигнала и входного сопротивления усилителя источник сигнала может работать в режиме усиления напряжения, усиления тока и усиления мощности.

Усиление  электрических сигналов практически  всегда сопровождается изменением их формы. Причем качество усилителя считается  тем более высоким, чем меньше нежелательные искажения сигналов.

По характеру  изменения усиливаемого сигнала  во времени  различают усилители  медленно меняющихся сигналов, которые  часто называют усилителями постоянного  тока, и усилители переменного  тока. К ним относятся усилители  низкой частоты, усилители высокой  частоты, широкополосные усилители, избирательные  усилители и т.д.

2.При проектировании любого аналогового электронного устройства, в том числе и усилителя, особенностью является то, что одинаково правомерны различные подходы и различная последовательность проведения операций расчета. При этом требуемые характеристики могут быть получены при использовании различных структурных схем, а также при других параметрах элементов, используемых в идентичных схемах.

Для разработки измерительного усилителя была выбрана стандартная схема на трех ОУ, при возможности выбора схемы на двух или более ОУ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Теоретическая  часть.

Измерительный, или  инструментальный, усилитель - это устройство с дифференциальным входом. Усилитель строится так, что он усиливает только разность напряжений поданных на его входы(U вх2-Uвх1), и не реагирует на синфазное входное напряжение. Для большинства микросхем измерительных усилителей коэффициент усиления (передачи) по напряжению  Кu находиться между 1 и 1000.

В инженерной практике реальные устройства, как правило, заменяются некоторыми идеализированными моделями, что дает возможность более наглядно представить себе пути решения поставленной задачи. Модель не может отражать всех свойств реального объекта, но, во всяком случае, дает возможность определить, какие ее параметры нуждаются  в уточнении. Итак, идеальный измерительный  усилитель обладает следующими характеристиками: постоянный коэффициент усиления, не зависящий от времени, частоты и  амплитуды входного сигнала, сопротивления  нагрузки, температуры и влажности; бесконечный коэффициент подавления синфазного напряжения и изменений  напряжения питания; нулевые входное  и выходное напряжения смещения и  дрейфы этих смещений, а также нулевой  выходной импеданс при любых амплитудах сигнала, отдаваемого усилителем в  нагрузку. Обычно инструментальный усилитель  служит первым каскадом измерительной  или преобразовательной схемы, где  основным требованием является точность. Во многих случаях входной сигнал подается на измерительный усилитель  с мостовой схемы или датчика, преобразующих неэлектрическую  величину в аналоговый электрический  сигнал. Основные проблемы, которые  приходиться решать разработчику при усилении этого сигнала для обработки последующими каскадами связаны с подавлением шумов и нестабильного коэффициента усиления при воздействии внешних факторов.

Измерительный усилитель  на одном ОУ

В простейшем случае в качестве измерительного усилителя может  быть использован ОУ в дифференциальном включении (рис. 1). При выполнении условия  R1/R2=R3/R4 усиление дифференциального сигнала намного больше усиления синфазного сигнала и коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) будет максимальным.

Рисунок 1. Измерительный усилитель на одном ОУ

Дифференциальный коэффициент  усиления при выполнении указанного выше условия1

    (1)

Коэффициент усиления синфазного сигнала, обусловленный рассогласованием резисторов, равен

   (2)

Коэффициент усиления синфазного сигнала, обусловленный конечным значением  КОСС операционного усилителя, равен

   (3)

Здесь КОСС выражается отношением, а не в децибелах.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала всей схемы:

                                                              (4)

            Улучшить характеристики рассмотренной схемы измерительного усилителя можно, включив между источником сигнала и каждым из входов неинвертирующий повторитель.

           Эти повторители будут служить буферами, в результате чего входное сопротивление измерительного усилителя повысится, а влияние выходного сопротивления источников сигнала на дифференциальный коэффициент усиления и КОСС практически будет устранено. Недостатком такого решения является то, что здесь потребуется большой КОСС и в повторителях и в выходном ОУ. Лучшими характеристиками обладает схема, приведенная на рис. 2, и принятая в качестве стандартной схемы измерительного усилителя.

Рисунок 2 .  Схема измерительного усилителя на трех ОУ

Как видно из рис. 2, напряжение на резисторе R1 составляет U1 – U2. Отсюда следует, что

(5)              

Эта разность преобразуется  дифференциальным усилителем на ОУ3 в  напряжение Uвых относительно земли. Обычно выбирается R2 = R3 и R4 = R5 = R6 = R7. В таком случае дифференциальный коэффициент усиления

 

(6)

Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за разбаланса резисторов):

(7)

Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за конечного значения КОСС ОУ3):

 (8) 

Общий КОСС измерительного усилителя определяется соотношением (4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Обоснование  выбора варианта схемы

На рисунке приведена  схема уже спроектированного  трехкаскадного измерительного усилителя  с активным фильтром нижних частот.

В  качестве входного каскада использованы два неинвертирующих повторителя. 

Второй каскад  представляет собой дифференциальный усилитель. Он обеспечивает усиление дифференциального  сигнала и коэффициент ослабления синфазного сигнала.

             

 

Рисунок 3. Трехкаскадный измерительный усилитель с ФНЧ.

 

Выходной каскад представляет собой активный  фильтр низких частот, рассчитанный на 500Гц. Он не пропускает сигналы выше 500Гц, обеспечивая защиту от высокочастотных помех.

 Чем хорош ИУ именно на трех ОУ?

На этот вопрос отвечают его характеристики: очень малое  смещение постоянного тока, малый  дрейф, малый шум, очень большой  коэффициент усиления, большой коэффициент  ослабления синфазного сигнала (не меньше

80 дБ), и очень большие  входные сопротивления.

 

 

 

 

          Выходное смещение и дрейф выходного смещения в этой схеме обычно больше(так как в нашей схемы 4 ОУ, а чем больше ОУ, тем больше дрейф ), чем в предыдущих, из-за большего числа ОУ. Для борьбы с этими нежелательными последствиями входные ОУ следует подбирать так, чтобы их дрейфы смещения были одинаковы. Номиналы резисторов обратной связи следует выбирать небольшими, чтобы уменьшить влияние колебаний входных токов смещения ОУ. Кроме того, в качестве усилителей в измерительном усилителе лучше использовать усилители с полевым входом, имеющие  чрезвычайно малые входные токи. Влиянием входных токов смещения ОУ при этом можно пренебречь.

        Изменять коэффициент усиления схемы можно, изменяя сопротивление резистора R1(в отличие от обычного дифференциального усилителя), это не сказывается на входном импедансе и КОСС схемы; однако, пропорционального управления усилением таким способом добиться нельзя.

         Резисторы  R1=R3, R4=R5, R6=R7  для того чтобы КОСС не  уменьшался  из-за разбалансировки резисторов.

         Схема построена на ОУ т.к.  от транзисторов по цене и  размеру они почти не отличаются  и в то же время электронные  схемы на их основе значительно  проще, чем на отдельных транзисторах.

         

          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Расчетная часть

 

3.1 Расчет входного и промежуточного каскадов усилителя

Запишем необходимые нам  формулы для расчета :

Для получения максимального  КОСС, выберем Так нам необходимо обеспечить , пусть коэффициент усиления первого каскада будет 50,а второго 20.Отсюда:

 

Пусть , тогда , берем 49.3КОм из ряда E192,а , тогда , берем 40.2 Ком из ряда  E48.

, то есть подобрав резисторы обнуляем синфазный сигнал.

 

 

        Коэффициент  ослабления синфазного сигнала  зависит от усиления  дифференциального  каскада. Так как мы взяли  ОУ дифференциального каскада  с КОСС=80 дБ, то вместо 90 дБ, которое требует задание,  получили 114 дБ, что в 1,26 раза лучше.

Формула для нахождения приведенного дрейфа( ):

.

Приведенный дрейф ОУ должен быть менее . Для этого необходимы высокоточные прецизионные ОУ. Например,  К140УД24, К140УД23. Так же можно поставить новый операционный усилитель от компании Analog Devices со сверхнизким током смещения и малым температурным дрейфом ADA4627.

 

 

 

3.1 Расчет выходного каскада (активного ФНЧ).

 

       Для того чтобы все помехи с частотой выше 500Гц гасились на выходе усилителя поставили простой активный фильтр низких частот на основе ОУ с коэффициентом усиления равным 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.Активный ФНЧ фильтр.

 

 

 

 

 

 

 

                                      

 

Передаточная функция  фильтра имеет вид:

 

 

 

 

 

        =1- Коэффициент передачи фильтра

      

 

₌ , Возьмем эти сопротивления по 2кОм из ряда Е24.

 

= ∙

 

 

 

-частота среза, которая у нас 500 Гц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Моделирующая часть

На основе проведённых  вычислений в программном паке CircuitMaker была построена модель измерительного  усиления.

 

1.При подаче дифференциального  сигнала 3,5мВ. (200 Гц)

 

 

Рисунок 5.Выходной усиленный  сигнал.

 

2. Выходной сигнал при частоте 600Гц (при частоте среза 500 Гц)

 

Рисунок 6.Частично подавленный  сигнал при 600 Гц

3. АЧХ ФНЧ

 

Рисунок 7. АЧХ фильтра  низких частот при частоте среза 500 Гц

 

 

4. Анализ Фурье (200 Гц)

 

 

 

Рисунок 8.Анализ Фурье

 

 

 

 

 

5. DC Analysis(Curve Tracer)

 

 

Рисунок 9. DC Analysis(Curve Tracer)

 

 

 

5.Вывод:

       Задачей курсового проекта было спроектировать измерительный усилитель с требуемыми параметрами. В ходе работы с использованием литературы и электронных справочников была выбрана трехкаскадная схема измерительного усилителя.