Измерительный преобразователь переменного тока

 

 

 

Для оценки правильности выбора резисторов, необходимо определить минимальную  нагрузочную способность микросхемы.

Максимальный выходной ток короткого замыкания микросхемы составляет 23 мА. Запас по мощности, для точных измерительных устройств, должен достигать 4 - 10 разрядов. Для расчётов выбирается запас равный 6 разрядам. Разность этих параметров даст минимальный выходной ток микросхемы.

 

 

 

Зная что напряжение смещения составляет 1.25 В, можно, используя закон Ома, определить минимальную нагрузочную способность микросхемы.

 

 

 

Фактическое сопротивление  нагрузки микросхемы не должно превышать  шести разрядов минимальной нагрузки. Для расчёта фактической нагрузки, необходимо узнать сумму проводимостей всех входных резисторов, а так же резисторов цепи обратной связи.

 

(5.27)

 

 

 

Из расчётов видно, что  фактическая нагрузка удовлетворяет требованиям. Значит номиналы резисторов подобраны верно.

5.2.3 Расчёт фильтров нижних частот

 

Для согласования усилителей и АЦП используются фильтры нижних частот (ФНЧ). Они нужны для того, чтобы не допустить попадания  тока высокой частоты на вход АЦП.

Частота среза ФНЧ выбирается из соображения, что она должна быть в два раза ниже, чем частота квантования АЦП. Это сделано для того, чтобы АЦП успевал оцифровывать каждый период поступаемого на его вход сигнала. Исходя из того, что частота дискретизации равна 7.8 кГц, частота среза ФНЧ равна 3.9 кГц.

Номинал резистора R17 должен быть равен 400 Ом, исходя из нагрузочной способности микросхемы. Реальный номинал резистора выбирается из номинального ряда Е24 и равен 390 Ом. Зная частоту среза и сопротивление резистора, можно найти время зарядки конденсатора.

 

(5.28)

 

(5.29)

 

(5.30)

 

 

 

Емкость конденсатора C13 можно найти из выражения (5.28). [10]

 

 

 

 

5.3 Генератор опорного напряжения

 

В качестве генератора опорного напряжения используется микросхемаTL431IPKпроизводства компании TexasInstruments.

TL431IPK - регулируемый кремниевый стабилитрон с гарантируемой термостабильностью во всем температурном диапазоне. Его выходное напряжение может устанавливаться в любое значение между 2.5 В и 36 В с использованием двух внешних резисторов (действующие как делитель напряжения). Он обеспечивает остроконечную характеристику включения.

Структурная схема стабилитрона представлена на рисунке 5.5.

 

 

Рисунок 5.5 – структурная схема стабилитрона

 

Стабилитрон имеет следующие  характеристики:

• диапазон рабочих температур от – 40 до + 125 °С;
• низкий выходной шум;
• выходное суммарное сопротивление 0.2 Ом;
• максимальный ток нагрузки 100 мА;
• регулируемое выходное напряжение от 2.5 до 36 В. [11]

На вход микросхемы, через  гасящий резистор, подаётся напряжение + 5 В. Стабилитрон создаёт напряжение 2.5 В, которое, пройдя через резистивный делитель, преобразуется в 1.25 В.

Выходной ток стабилитрона равен 12.5 мА. Используя закон Ома, найдём общее сопротивление резистивного делителя.

(5.31)

 

 

 

Зная общее сопротивление  делителя, можно найти номиналы резисторов R10 и R11.

 

(5.32)

 

 

 

(5.33)

 

 

 

Для согласования высокоомного источника опорного напряжения, и  низкоомного микроконтроллера, необходимо использовать повторитель напряжения.

Повторитель напряжения выполнен на микросхеме MCP6004. Схемный коэффициент усиления равен 1,а выходное напряжение схемы в точности повторяет входное. Кроме того, повторитель напряжения имеет, как и схема неинвертирующего усилителя, бесконечно большое входное сопротивление и весьма малое выходное сопротивление. Благодаря этому, ослабление сигнала будет крайне мало, из-за чего сигнал источника передается в цепь нагрузки без искажения. [10]

5.4 Выбор микроконтроллера

 

При выборе микроконтроллера для прибора выдвигались следующие  требования:

• наличие встроенного АЦП;
• наличие ПЗУ данных;
• наличие выхода ШИМ;
• невысокая стоимость;
• удобство программирования;
• минимальное количество дополнительных периферийных элементов.

Для разрабатываемого устройства выбираем восьмиразрядный микроконтроллер PIC16F1827 компании MicrochipTechnology, так как восьмиразрядные микроконтроллеры – наиболее многочисленная группа и имеют оптимальное сочетание цены и возможностей.

Микроконтроллер этого семейства имеет следующие аппаратные особенности:

• внутреннее ПЗУ данных объемом 256 байт;
• программная флешь память 4096 слов;
• один 16-разрядный и четыре 8-разрядных таймера-счетчика;
• встроенный 10 битный многоканальный АЦП;
• встроенный тактовый генератор частотой 32 МГц;
• модуль формирования широтно-импульсной модуляции;
• интерфейс для последовательного обмена информацией с другими микроконтроллерами или персональными компьютерами.

Максимальный ток потребления  микросхемы со встроенным тактовым генератором, при + 5 В напряжения питания, составляет 7.5 мА.

Назначение выводов микроконтроллера PIC16F1827 представлено на рисунке 5.6

 

 

Рисунок 5.6 – Назначение выводов микроконтроллера PIC16F1827

 

Обозначения на рисунке5.6:

RA2 – вывод, к которому подводиться напряжение с усилителя 5% мощности;

RA3 – вывод, на который подаётся опорное напряжение;

RA5 – вывод, предназначенный  для активации внешнего сброса  настроек микроконтроллера;

VSS – потенциал общего провода («земли»);

RB0, RB1, RB2 – порты, предназначенные для подключения блока настройки микросхемы;

RB3 – выход ШИМ сигнала;

RB6, RB7 – выводы, предназначенные для программирования микроконтроллера;

V_DD – основное напряжение питания +5 В;

RA0 – вывод, к которому  подводиться напряжение с усилителя  20% мощности;

RA1 – вывод, к которому  подводиться напряжение с усилителя 100% мощности;

RA4, RB4, RB5, RA6, RA7 – не используются.

Структурная схема микроконтроллера PIC16F1827 представлена на рисунке 5.7.

 

 

Рисунок 5.7 – Структурная схема микроконтроллера PIC16F1827

 

Подробные характеристики микроконтроллеров  семейства PIC16F1xxx приведены в [12], а описание микросхемы PIC16F1827 в [13].

5.5 Аналоговый выход

5.5.1 Выбор микросхемы ключа

 

Для получения стабильного  цифрового сигнала используется ключ. В качестве ключа выбрана ИМС стандартной логики HEF4066BT компании Philips.

HEF4066BT имеет четыре независимых двунаправленных аналоговых ключа. Питание микросхемы происходит от источника питания напряжением + 15 В. Уровень логической единицы ограничивается нижним значением в 6.75 В.

Внешний вид микросхемы показан  на рисунке 5.8.

 

 

Рисунок 5.8 – Внешний вид микросхемы HEF4066BT

 

Назначения выводов микросхемы показанных на рисунке 5.8.

E₀ – E₃ – разрешающие входы;

Y₀ – Y₀ – переключатели вход/выход;

Z₀ – Z₃-переключатели вход/выход;

V_DD – питание;

V_SS – заземление. [14]

Чтобы обеспечить необходимый  уровень управляющего сигнала с  микроконтроллера, используется транзистор, работающий в ключевом режиме. Микросхема питается напряжением + 15 В, в то время как напряжение базы транзистора 5 В. Ток базы равен 0.5 мА. Таким образом, сопротивления резистора R20, исходя из закона Ома, равно 1 кОм.

На микросхему подаётся 2.5 В опорного напряжения. Это напряжение необходимо для стабилизации уровня ШИМ сигнала.

Принцип действия микросхемы следующий. При подаче ШИМ сигнала на транзистор, он закрывается и 15 В с источника питания, являющиеся логической единицей для микросхемы, не замыкают ключиDA:1 и DA:4. Разомкнутый ключ DA:1 позволяет единице замкнуть ключ DA:3 и на выход микросхемы подаётся опорное напряжение 2.5 В, принимающее значение логической единицы.

При отсутствии ШИМ сигнала, логическая единица замыкает ключи  DA:1 и DA:4 на землю. Замкнутый ключ DA:1 не даёт замкнуться ключу DA:3 и выход микросхемы замыкается на землю, что эквивалентно логическому нолю.

В дальнейшем, стабилизированный  цифровой сигнал подаётся на ФНЧ.

5.5.2 Расчёт интегрирующей RC-цепи

 

Для получения постоянного  тока на выходе устройства, необходимо выделить постоянную составляющую в  цифровом сигнале. Для этого используем интегратор.

Интегратор представляет собой активный фильтр нижних частот второго порядка с коэффициентом усиления равным 1. В таком случае, операционный усилитель с отрицательной обратной связью, обеспечивающий единичное усиление, представляет собой повторитель напряжения.

При расчёте фильтра необходимо учесть, что значения сопротивлений должны быть не хуже 5% до 4-го порядка. Допуск номинальных значений емкостей составляет 10%. Поэтому при расчете фильтра лучше задаваться значениями емкостей и вычислять значения сопротивлений. Номиналы ёмкостей зададим равными 0.1 мкФ.

Задавшись значением конденсаторов, можно найти номиналы резисторов:

 

(5.34)

 

где а₁, b₁ – коэффициенты полинома;

f_g – частота среза фильтра, Гц;

R=R₁=R₂ – сопротивления резисторов, Ом;

С₁, С₂ – емкости конденсаторов, Ф.

Чтобы значения R1 и R2 были действительными, должно выполняться условие:

 

(5.35)

Не следует выбирать отношение  С2/С2 многим больше правой части неравенства(5.35).

Подобным образом рассчитывается НЧ фильтр. Коэффициенты Баттервота для полиномов до 10 порядка приведены в [10, табл. 13.6, с. 194]

Проведём расчёты номиналов элементов фильтра. Конденсаторы C1 с С2 равны, их номиналы заданы равными 0.1 мкФ. Частота среза фильтра приблизительно равна 16 Гц. Значения коэффициентов полинома взяты из источника [10] и равны: а₁=2, b₁=1т.к. фильтр чётного порядка. Из формулы 4.34 найдём значения сопротивлений резисторов.

 

 

 

Проверим выполнение условия  неравенства (5.35):

 

 

 

Условие выполнено, значит, номиналы элементов фильтра подобраны верно.

5.5.3 Расчёт источника тока

 

Для согласования высокоомной интегрирующей цепи и низкоомным источником тока, используем повторитель напряжения.

Источник тока и повторитель собраны в одном корпусе микросхемы TL082ID компании Texas Instruments.

TL082ID представляет собой операционный усилитель с полярным входом. Микросхема обладает высокой скоростью нарастания выходного напряжения, низким входным смещением и изменением тока, малой зависимостью изменения напряжения от температуры. Рабочий диапазон температур для этой микросхемы составляет от – 40 до 85 °С.

Внешний вид микросхемы показан  на рисунке 5.9.

 

 

Рисунке5.9 – Внешний вид микросхемы TL082ID

 

Назначения выводов микросхемы показанных на рисунке 5.9

IN - – инвертирующийе вход;

IN + – неинвертирующий вход;

Vcc -, Vcc+ – напряжение питания;

OUT – выход;

NC – не используется.

Схема подключения операционного  усилителя как источника тока управляемого напряжением с незаземлённой  нагрузкой показана на рисунке 5.10.

 

 

Рисунок 5.10 – Схема усилителя тока управляемого напряжением с незаземлённой нагрузкой

 

В неинвертирующем усилителе  по резистору отрицательной обратной связи протекает ток

 

(5.36)

 

Таким образом, этот ток не зависит от падения напряжения на резисторе обратной связи. Следовательно, усилитель можно использовать в качестве источника тока, в котором вместо резистора обратной связи включена нагрузка.

В технических требованиях  к устройству указано, что диапазон изменения выходного сигнала должен находиться в приделах 0 – 5 мА, а сопротивления нагрузки изменяется в диапазоне от 0 до 300 Ом.

Таким образом, можно найти  сопротивление резистора R1.

 

 

 

Выходное напряжение схемы  определяется уравнением:

 

(5.37)

 

Разность токов в правой части уравнения крайне мала и её можно не учитывать при расчёте. С учётом этого уравнение примет вид:

 

(5.38)

 

Значение R_H возьмём для крайнего случая и зададимся равным 300 Ом.

 

 

 

Так как эти параметры  являются критическими для микросхемы, то возможен её перегрев и выход  из строя.

Для предотвращения этого, уменьшим выходное значение тока в 100 раз. Таким образом, получим выходной ток микросхемы равный 500 мА. Исходя из этого, определим оптимальные значения выходного напряжения и сопротивления резистора R1 по формулам (5.36) и (5.38).

 

 

 

 

 

Как было указано выше, выходной ток должен находиться в приделах 0 – 5 мА. Необходимо усилить выходной ток микросхемы до требуемых значений.

В качестве усилителя тока используем эмиттерный повторитель  на основе биполярного транзистора.

Выбираем транзистор BC846С компании Philips. Внешний вид транзистора показан на рисунке 5.11.

 

 

Рисунке5.11 – Внешний вид транзистора BC846С

 

Назначение выводов транзистора  показанного на рисунке 5.11:

1 – база;

2 – эмиттер;

3 – коллектор.

Графики зависимости коэффициента усиления от тока коллектора при различных  значениях температуры выглядят в соответствии с рисунком 5.12

 

 

Рисунок 5.12 – Зависимости коэффициента усиления от тока коллектора при различных значениях температуры (1 – Т = 150 °С, 2 – Т = 25 °С, 3 –Т = -55 °С) [15]