Устройство измерения отношения двух напряжений

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание…………………………………………………………………….………………….

Введение…………………………………………………………………………………….……..

Innroduction…………………………………………………………………………………………

1 Обзор методов построения измерителей отношения………………………………..….

1.1 Анализ требований технического задания………………………………………….

1.2 Методы измерения отношения……………………………………….………………

1.2.1 Мостовой метод…………………………………………………………….……

1.2.2 Логарифмический метод……………………….……………………….………

1.2.3 Применение АРУ для нахождения отношения напряжений…………..…

1.2.4 Разносный метод нахождения отношения напряжения……………..……

1.2.5 Цифровой метод измерения отношения………………………….………...

1.3 Методы построения усилителей постоянного тока………………………………..

1.3.1 Дрейф нуля в усилителях постоянного тока…………………………………

1.3.2 Стабилизация точки покоя в транзисторных каскадах………………..…..

1.3.3 Дифференциальные каскады……………………………………………………

1.3.3 Усилители постоянного тока с преобразованием частоты

усиливаемых сигналов………………………………………………….………

1.4 Выводы…………………………………………………………………………………....

2 Разработка принципов построения измерителя отношений………………………….…

2.1 Функциональная схема………………………………………………………………….

2.2 Выбор типа микропроцессора………………………………………………………….

2.3 Оценка погрешности измерения отношения……………………………………..…

3 Разработка и расчет узлов принципиальной схемы……………………………………..

3.1 Коммутатор сигналов………...………………………………………………………….

3.2 Предварительный усилитель…………………………………………………………..

3.3 Усилитель с управляемым коэффициентом передачи…………………………...

3.4 Фильтр нижних частот……………………………………………………………….…..

3.5 Цифровой фильтр………………………………………………………………………..

3.6 Дискретное преобразование Фурье….……………………………………………...…

4 Конструкторско-технологический раздел ………………………………………………....

4.1Анализ условий проектирования………...………………………………………..……

4.2 Выбор общей компоновки разрабатываемого устройства ………………………

4.3 Выбор параметров печатного монтажа блока аналоговой обработки …………

4.4 Разработка конструкции корпуса ………………………………………………..……

4.5 Выбор системы амортизации ………………………………………………………....

4.6 Расчет показателей надежности ………………………………….………………..…

4.7 Разработка технологии сборки печатного узла………………………………..……

5 Технико–экономическое обоснование …………………………………………….……….. .

5.1 Маркетинговые исследования ………………………………………………………….

5.2 Расчет капитальных и текущих затрат, связанных с разработкой

и изготовлением изделия ………….…………………………………………………….

5.3 Формирование цены ………………………………………..…………………………...

5.4 Расчет затрат при эксплуатации устройства измерения отношения напряжений на основе микропроцессорного вычислителя…………………..…..

5.5 Определение экономической эффективности ..…………………………………….

6 Охрана труда и окружающей среды ……………………………………….…….…………. .

6.1 Анализ условий труда при производстве устройства измерения

отношения напряжений на основе микропроцессора.……………………….………….

6.1.1 Освещение………………………….…………………………………………..

6.1.2 Шум и вибрация………………………………….…………………………….

6.1.3 Пожаробезопасность………………………………….………………………

6.1.4 Метеорологические условия……………….………………………………..

6.1.5 Эргономика и техническая эстетика…………..……………………………

6.1.6 Электробезопасность……………………………..…………………………..

6.2 Расчет зануления ………….………………………….………………………………….

6.3 Охрана окружающей среды……………………………..……..………………….……

7 Гражданская оборона …………………………………………………….………………….. .

7.1 Оценка устойчивости производства измерителя отношения

напряжений при загрязнении радиоактивными веществами после

аварии на АЭС ……………………………………………………………….…………..

Выводы………………………………………………………….…………………………………..

Перечень ссылок……………………………………………….………………………………….

Приложение………………………………………………………………………………………..

1 ОБЗОР МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ОТНОШЕНИЯ

1.1 Анализ требований технического задания

В данной работе требуется разработать микропроцессорный измеритель отношения напряжений, в основном предназначенный для использования в качестве прецизионного средства измерения при исследовании параметров СВЧ узлов. Разрабатываемый прибор призван заменить широко используемые для этих целей приборы В8-6, В8-7, которые в настоящее время морально устарели и их характеристики уже не обеспечивают современным требованиям. Кроме того разрабатываемый прибор может найти широкое применение в других областях, связанных с контролем относительных изменений параметров различных объектов, а также с контролем параметров технологических процессов.

Приборы В8-6 и В8-7 по своему принципу действия обеспечивают последовательное измерение отношения. Т.е. на один и тот же вход подается сначала больший сигнал, измерительный канал калибруется, а затем подается второй сигнал и только после этого измеряется отношение. Разрабатываемый прибор, в отличие от вышеуказанных, по своему принципу действия должен обеспечивать параллельное измерение отношения. Это значит, что у него должно быть предусмотрено два входа, на которые будут подаваться одновременно оба сигнала. При этом измерение отношения будет проводиться в автоматическом режиме в реальном масштабе времени. Такой подход позволяет увеличить производительность измерений и исключить процедуру калибровки при каждом измерении без потери точности.

В соответствии с техническим заданием разрабатываемый прибор должен обладать широким диапазоном измеряемых отношений: 60 дБ. Причем в этом диапазоне должна обеспечиваться высокая точность измерений. В связи с этим в работе необходимо рассмотреть различные способы измерения отношений, выбрать наиболее приемлемый в этом смысле и обеспечить его реализацию на соответствующей элементной базе.

В соответствии с техническим заданием разрабатываемый прибор должен обладать широким динамическим диапазоном входных напряжений: 60 дБ. В связи с этим необходимо провести анализ способов расширения динамического диапазона входных сигналов, выбрать наиболее приемлемый и осуществить его реализацию. Последнее можно обеспечить усилителем с управляемым коэффициентом усиления.

Так как в соответствии с техническим заданием прибор должен измерять отношение сигналов постоянного напряжения, то в разрабатываемом приборе необходимо использовать усилитель постоянного тока. Усилителями постоянного тока называют усилители, усиливающие сколь угодно медленные электрические колебания. Так как усилитель постоянного тока усиливает как переменную, так и постоянную составляющие входного сигнала, при отсутствии сигнала на входе усилителя на его выходе должна отсутствовать как переменная, так и постоянная составляющие напряжения; в противном случае нарушится пропорциональность между выходным и входным напряжениями сигнала. Основной проблемой, которую следует решать при проектировании таких усилителей, – это уменьшение дрейфа нуля. Дрейф нуля, который присущ этому классу усилителей, может существенно повлиять на метрологические характеристики разрабатываемого устройства. Поэтому в данной работе необходимо провести анализ методов построения усилителей постоянного тока и методов борьбы с дрейфом нуля, выбрать и реализовать вариант, обеспечивающий требования технического задания.

В соответствии с техническим заданием минимальная величена входного сигнала Umin=10мкВ. При таком малом уровне сигнала на ряду с дрейфом нуля негативное влияние на результат измерения будут оказывать шумы. Поэтому для выполнения требований технического задания необходимо проанализировать возможные пути шумоподавления, выбрать и реализовать в проекте наиболее оптимальный вариант.

1.2 Методы измерения отношения

Классификация измерителей отношения в зависимости от выполняемых функций зависит от вида входных и выходных преобразователей (1,2). Основные показатели: динамический диапазон, погрешность деления и быстродействие, в основном определяются параметрами делительных схем. Измерители отношения в общем виде можно классифицировать по выполняемым ими функциям на измерители отношения электрических и неэлектрических величин. В обоих случаях приборы различаются только входными преобразователями. Измерители отношения электрических величин по виду сигнала разделяют на измерители отношения постоянного и переменного тока. В свою очередь последние делят на импульсные, низкочастотные и высокочастотные. В зависимости от полосы частот различают узкополосные и широкополосные. Их также можно разделить по динамическому диапазону и быстродействию. В связи с этим важно разобраться в свойствах существующих делительных схем с тем, чтобы для требуемой измерительной задачи выбрать наиболее оптимальную.

1.2.1 Мостовой метод

Простейшая схема позволяющая найти отношение двух напряжений представляет собой перестраевоемое сопротивление позволяющее установить баланс моста (1). Данная схема представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Мостовая схема измерения отношения напряжения

В случае, когда схема сбалансирована, т. е. измерительный прибор (И) показывает нуль, будет иметь место равенство (1):

. (1.1)

После несложного преобразования получим

. (1.2)

Из формулы (1.2) видно, что отношение сопротивлений при условии баланса является мерой измеряемого отношения напряжений. Следовательно, отградуировав переменное сопротивление соответствующим образом можно определять отношение подаваемых на схему напряжений путём балансировки схемы.

Однако, данная схема крайне непроизводительна, т. е. обладает малым быстродействием, так как требует постоянной балансировки. Дополнительным источником погрешности служит неточность балансировки, возникающая вследствие усталости оператора.

1.2.2 Логарифмический метод

Существует множество различных методов нахождения отношения напряжений, которые выполняют операцию деления двух электрических величин при помощи моделирования промежуточных математических операций (1). Характерным примером устройств такого типа являются делительные схемы, использующие известные из элементарной математики соотношения

; (1.3)

. (1.4)

Логарифмирование независимых переменных x1 и x2 и последующее вычитание обеспечивают выполнение операции деления в логарифмическом масштабе.

Логарифмические делительные схемы различаются в основном видом логарифмического преобразования, от которого в значительной степени зависят точность, динамический диапазон и сложность логарифмических делительных схем. Структурная схема измерителя отношения основанная на логарифмическом методе представлена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Структурная схема логарифмического измерителя отношения

В основном логарифмические схемы предназначены для определения частного от деления двух постоянных напряжений. Для реализации данного метода можно использовать логарифмические усилители, цепи, работа которых обоснована на линейно-кусочной аппроксимации, операционные усилители с нелинейной экспоненциальной обратной связью.

В качестве экспоненциальных элементов, выполняющих логарифмическое преобразование сигнала, можно использовать кремневые p-n переходы. В кремневых диффузионных мезатранзисторах, а также в транзисторах планарной конструкции коэффициент α не зависит от величины тока и близок к единице. Если прямое напряжение на p-n переходе превышает 100 мВ, тогда можно аппроксимировать их вольтамперную характеристику выражением

, (1.5)

где Iк - ток коллектора, Iэо – начальный ток эмиттера, α – параметр p-n перехода, Uбэ – напряжение между эмиттером и базой. Экспоненциальная характеристика сохраняется в интервале изменения токов до пяти декад. Это позволяет реализовать деление напряжений в широком динамическом диапазоне.

1.2.3 Применение АРУ для нахождения отношения напряжений

Существует большой класс элементов, коэффициенты передачи которых зависят от управляющего воздействия. Практически все известные виды характеристик регулирования коэффициентов передачи различных элементов можно выразить в общем виде зависимостью

, (1.6)

где k₀ – начальный коэффициент передачи, S(u_p) =dk(u_p)/du_p – крутизна управления коэффициентом передачи, u_p– управляющее напряжение.

Поскольку коэффициент К₀ может принимать значения от нуля до любой положительной величины, а S(u_p) может быть любой функцией аргумента u_p при любом его знаке, то очевидно, что выражение (1.6) справедливо для всех возможных реализаций элементов с регулируемым коэффициентом передачи. Когда начальный коэффициент передачи Ко равен нулю, а крутизна S(u_p) имеет отрицательную величину, не зависящую от u_p, получаем выражение коэффициента передачи множительной схемы.

Рассматривая работу схемы с двумя управляемыми элементами, которая изображена на рисунке 1.3, можно доказать, что при выполнении определённых условий, напряжение u₃ будет равно (1) :

. (1.7)

Эти условия сводятся к тому, что для правильного деления необходим бесконечный коэффициент усиления замкнутой цепи АРУ, что в основном обеспечивается увеличением коэффициента усиления обратной связи, а характеристики регулирования обоих управляемых элементов должны быть строго идентичными.