Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение

 

 

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Пензенский  государственный университет

Кафедра «Автоматика  и телемеханика»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Измерительный преобразователь переменного напряжения

  в постоянное напряжение

Пояснительная записка к курсовому проекту  по дисциплине

«Измерительные  преобразователи систем управления»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

Пояснительная записка содержит: 28 листов, 12 рисунков, 7 таблиц, 5 источников, 2 приложения.

 

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, УСИЛИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО  НАПРЯЖЕНИЯ, ВЫПРЯМИТЕЛЬ, ПОГРЕШНОТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ, КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ.

Цель  работы: спроектировать измерительный  преобразователь переменного напряжения в напряжение постоянного тока.

 Требования, предъявляемые к проектируемому  усилителю:

1.	Напряжение питания	Е = ± 26В
2.	Нестабильность напряжения питания	δЕ=20%
3.	Напряжение входного сигнала	евх = 26 мВ
4.	Нижнее значение частоты входного сигнала	fН = 25 кГц
5.	Верхнее значение частоты входного сигнала	fВ = 110 кГц
6.	Погрешность преобразования	δ  = 1,5%
7.	Выходное напряжение постоянного  тока	Uвых= 5В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение                                                                                                                     4

1.Выбор структурной схемы измерительного  преобразователя и  

     определение общего  коэффициента передачи                                                    5

2.Расчет усилителя                                                                                                      7

2.1.Выбор  типа операционного усилителя                                                         7

      2.2 Расчет параметров  модели погрешности                                                      9

     2.3.Расчет значений  элементов                                                                           13

3.Расчет  выпрямителя                                                                                               15

  3.1.Выбор  типа операционного усилителя  и схемы выпрямителя                  15

3.2 Расчет  значений элементов                                                                            17

4.Расчёт  фильтра                                                                                                       19

5.Расчёт буферного каскада                                                                                     21

6.Определение расчётного значения  общего коэффициента передачи               22

7.Выбор стабилизатора напряжения                                                                       23

8.Описание принципиальной схемы                                                                       24

Заключение                                                                                                               25

Список использованных источников                                                                      26

Приложение  А.Преобразователь переменного напряжения в постоянное

Схема электрическая  принципиальная                                                                   27

Приложение В. Перечень элементов                                                                       28

 

 

 

Введение

Измерительные преобразователи для систем управления предназначены для информационной связи первичных источников информации (датчиков) и исполнительных устройств  системы управления.

Такие преобразователи  выполняются, как правило, с использованием интегральных схем. Применение интегральных схем позволяет сократить сроки проектирования, резко увеличить надёжность и срок службы изделия, уменьшить его стоимость и применять при изготовлении прогрессивные технологии массового производства.

При проектировании преобразователей чаще всего используется набор некоторых универсальных  элементов, позволяющих строить  каскады преобразования с разными  функциями путём различного включения  навесных пассивных элементов.

В данной работе в качестве такого универсального элемента используется операционный усилитель.

Операционный  усилитель специально разработан и  согласно ГОСТу «предназначен для  использования в схемах с отрицательной  обратной связью в качестве преобразователя  аналоговых электрических сигналов». На основе операционного усилителя  возможно построение широкого класса линейных и нелинейных преобразователей в частотном диапазоне до нескольких сотен килогерц.

 

1.Выбор структурной схемы  измерительного преобразователя

и определение общего коэффициента передачи

Измерительный преобразователь должен усиливать  входной переменный сигнал наряду с  его выпрямлением, причём общая погрешность  преобразованного постоянного выходного  сигнала не должна превышать заданного  значения в оговоренном диапазоне  частот.

Так как  предполагается в качестве основных активных элементов использовать операционные усилители (ОУ), для которых заданная верхняя граница частоты усиления практически является предельной, основной коэффициент усиления предполагается реализовать в тракте усиления постоянного  напряжения. Поэтому структурная  схема преобразователя (см. рис.1) должна состоять из следующих блоков:

- усилителя  (У) переменного напряжения, обеспечивающего  максимально возможный коэффициент  усиления на частоте f_В с заданной погрешностью (и одновременно являющийся  фильтром верхних частот);

- выпрямителя  (В), осуществляющего преобразование  выходного напряжения усилителя  в пульсирующее постоянное;

- сглаживающего  фильтра (Ф) (фильтра нижних частот), уменьшающего пульсации выпрямленного  напряжения до значения, меньшего, чем погрешность преобразования  на частоте f_Н, и одновременно имеющего некоторый коэффициент усиления по напряжению;

- буферный  каскад (БК), обеспечивающего требуемый  коэффициент усиления всего измерительного  преобразователя.

Рис.1.Структурная  схема измерительного преобразователя

Общий коэффициент  передачи К определяется соотношением выходного и входного сигналов напряжения:

При последовательном соединении каскадов общий коэффициент  преобразования равен произведению их коэффициентов:

Предварительно  назначены  К1=2, К2=1, К3=8, К4=12.

 

2.Расчёт усилителя

2.1.Выбор типа операционного  усилителя

В качестве активного элемента усилителя выберем  ОУ, имеющий наибольшее быстродействие (максимальную частоту единичного усиления) – ОУ типа К154УД4. Его параметры  приведены в табл.1, а схема  включении – на рис.2.

Таблица 1.

Напряжения питания ±Uп, В	5÷17
Ток потребления Iп, мА	7
Выходное напряжение  ±Uвых, В (для Uп=±15В)	10
Напряжение смещения ±Uсм, мВ	6
Входные токи Iвх, мкА	1
Разность входных токов Δ Iвх, мкА	0,3
Коэффициент усиления, тыс.	8
Коэффициент подавления синфазного сигнала, дБ	72
Частота единичного усиления f1, МГц	30

 

Рис.2.Схема  включения ОУ типа К154УД4.

Компенсация напряжения смещения осуществляется с  помощью резистора и потенциометра, показанных на рис.2.

Для реализации каскада выберем схему инвертирующего усилителя, приведённую на рис.3.

Рис.3.Инвертирующий  усилитель.

ОУ представляет из себя двух- или трёхкаскадный  усилитель. АЧХ каждого каскада  является инерционным звеном 1-го порядка, коэффициент передачи которого уменьшается  на 20дБ/дек (то есть в 10 раз при увеличении частоты в 10 раз). Следовательно, на частоте f₁ крутизна спада АЧХ будет 40 или 60 дБ/дек. Такой усилитель будет возбуждаться при включении его с цепью отрицательной обратной связи. Для получения устойчивого усиления необходимо скорректировать АЧХ ОУ путём подключения корректирующего конденсатора С_к так, чтобы усилитель работал как звено первого порядка.

АЧХ в  логарифмическом масштабе  для  нескорректированного и для скорректированного ОУ представлена на рис.4.

Рис.4. АЧХ  ОУ.

Таким образом, коэффициент усиления разомкнутого ОУ на частотах f_Н и f_В соответственно равен:

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя, представленного  на рис.3., для сигнала постоянного  тока (К→ ∞) К₁₀=R₂/R₁=2. При конечном значении К_УР коэффициент усиления уменьшается:

где коэффициент обратной связи.

Множитель есть относительная погрешность δ.

Подсчитываем  относительную погрешность на частотах f_Н и f_В соответственно:

Подсчитываем  модуль суммарной погрешности  :

Получили  суммарную погрешность меньше заданной следовательно выбранный тип ОУ пригоден для схемы предварительного усилителя.

2.2.Расчёт параметров модели  погрешности

Подсчитанные  выше погрешности, зависящие от частоты  входного сигнала и значения f₁ ОУ, можно представить как сумму модулей аддитивной  и мультипликативной погрешностей, причём график зависимости общей погрешности от частоты в общем случае имеет нелинейный характер как показано на рис.5.

Рис.5.Графики  погрешностей.

Этот  вид погрешности можно минимизировать  путём включения корректирующего  звена. Для этого аппроксимируем кривую погрешностей в виде  линейной функции  по методу наименьших квадратов.

Разобьём  частотный диапазон на 5 участков:

Примем  отклонение f₁ от номинального значения на ±10% и ±20%:

Подсчитаем  погрешность коэффициента передачи для каждого значения f₁ во всех выбранных точках частоты входного сигнала по формуле:

 

Значения  погрешностей вычислены с помощью  программы Excel и сведены в табл.2:

 

 

Таблица 2.

                     f₁₁              f₁₂                   f₁₃               f₁₄              f₁₅

		24000000	27000000	30000000	33000000	36000000	Yср
fp1	25000	-0,3125	-0,27778	-0,25	-0,22727	-0,20833	-0,25517
fp2	50000	-0,625	-0,55556	-0,5	-0,45454	-0,41666	-0,51035
fp3	70000	-0,875	-0,77778	-0,7	-0,63636	-0,58333	-0,71449
fp4	90000	-1,125	-1	-0,9	-0,81818	-0,75	-0,91863
fp5	110000	-1,375	-1,22222	-1,1	-1	-0,91666	-1,12277