Перетворювач напруга-тривалість імпульсу
Міністерство освіти і науки України
Вінницькій національний технічний університет
Інститут автоматики електроніки та комп’ютерних систем управління
Факультет автоматики та комп’ютерних систем управління
Кафедра метрології та промислової автоматики
ПЕРЕТВОРЮВАЧ НАПРУГА-ТРИВАЛІСТЬ ІМПУЛЬСУ
Пояснювальна записка
з дисципліни "Основи електроніки"
до курсового проекту за спеціальністю
"Метрологія та вимірювальна техніка"
Вінниця ВНТУ 2009
Анотація
У даному курсовому проекті було розроблено та реалізовано перетворювач напруги в імпульси. Цей перетворювач здатен перетворювати напругу у межах 10 мВ…10 В у імпульси. З частотою перетворення 50 кГц і частотою вхідного сигналу 0…20 кГц. Максимальна напруга вихідного сигналу не перевищує 15 В на опорі 5 Ом. Перетворювач забезпечує високу точність, тобто похибка складає менше 1%.
Зміст
Вступ
1. Розробка технічного завдання
2. Розробка структурної схеми
2.1 Аналіз існуючи методів вимірювання напруги
2.2 Розробка структурної схеми перетворювача
2.3 Попередній розрахунок АМВ
2.4 Попередній розрахунок первинного перетворювача
2.5 Попередній розрахунок компаратора
2.6 Попередній розрахунок підсилювача потужності
2.7 Попередній розрахунок проміжного каскаду
2.8 Розробка детальної структури схеми
3. Електричні розрахунки
3.1 Електричний розрахунок підсилювача потужності
3.2 Електричний розрахунок первинного перетворювача
3.3 Електричний розрахунок АМВ
4. Моделювання одного з вузлів
Висновки
Список літератури
Вступ
Останні десятиліття обумовлені широким впровадженням у галузі народного господарства засобів мікроелектроніки й обчислювальної техніки, обмін інформацією з якими забезпечується лінійними аналоговими і цифровими перетворювачами (АЦП і ЦАП).
Сучасний етап характеризується великими та дуже великими інтегральними схемами ЦАП і АЦП, що володіють високими експлуатаційними параметрами: швидкодією, малими похибками, багатозарядністю. Включення БІС єдиним, функціонально закінченим блоком сильно спростило впровадження їх у прилади та установки, що використовуються як у наукових дослідженнях, так і в промисловості і дало можливість швидкого обміну інформацією між аналоговими та цифровими пристроями.
Техніка конструювання і застосування датчиків, або, як її можна коротко назвати, сенсора, за останні роки розвилася в самостійну галузь вимірювальної техніки. З ростом автоматизації до датчиків фізичних параметрів стали пред'являтися усе більш високі вимоги. При цьому особливе значення надається наступним показникам:
– мініатюрність (можливість вбудовування);
– дешевина (серійне виробництво);
– механічна міцність.
Поняттям "датчик" у загальному випадку позначають дешевий, але надійний приймач і перетворювач вимірюваної величини, що володіє помірною точністю і придатний для серійного виготовлення.
Первинні вимірювальні перетворювачі вимірювану величину перетворюють у сигнал вимірювальної інформації, що дає можливість передати його на певну відстань і за місцем призначення відтворити вимірювальну величину у формі, прийнятній для спостерігача або ж ввести у відповідний засіб вимірювання.
Первинним вимірювальним перетворювачем, або сенсором, називається перетворювач, який першим взаємодіє з об'єктом вимірювання і видає сигнал вимірювальної інформації.
До систем дистанційних передач сигналів вимірювальної інформації пред'являються такі вимоги: точність передачі; достовірність і надійність передачі; перешкодозахищеність; дистанційність передачі; мінімальна інерційність; стабільність сигналів, незалежність від джерела живлення; економічність системи дистанційної передачі.
Задовольнити усі наведені вимоги у повному обсязі за допомогою однієї дистанційної системи передачі досить складно, проте у своїй більшості системи відповідають цим вимогам.
Типи перетворювачів дистанційних передач обираються залежно від об'єкта і виду вимірюваної фізичної величини, яка перетворюється в сигнал, що передається лінією зв'язку (струм, напруга, частота, стиснуте повітря тощо). Для перетворення лінійного переміщення в уніфікований сигнал найчастіше використовуються диференціально-трансформаторні та струмові перетворювачі: перетворювачі кутового переміщення – феродинамічні, сельсинні та частотні; перетворення зусиль – електросилові та пневмосилові компенсуючі перетворювачі.
Трансформатори використовуються для перетворення струму або напруги, для включення трифазних лічильників в електричні мережі. Трансформатори струму служать також для ізоляції апаратури від потенціалу мережі, в якій здійснюється вимірювання.
1. Розробка технічного завдання
Метою курсового проекту є розрахунок та визначення технічних параметрів схеми перетворювача напруга-тривалість імпульсу. Заданий діапазон напруги складає від 10 мВ до 10 В, частота перетворення дорівнює 50 кГц, діапазон частот вхідного сигналу 0…20 кГц, амплітуда на виході – 15В, опори навантаження 5 Ом, похибка ≤1%. Необхідно розрахувати значення кожного з елементів схеми перетворювача напруга – тривалість імпульсу та згідно розрахункам вибрати необхідні операційні підсилювачі, транзистори.
При проектуванні індуктивних перетворювачів варто звертати увагу на екранування проводів, вибір ізоляції, усунення поверхневого опору ізоляції і вибір частоти живлення. Чим вище ця частота, тим менше вихідний опір, тому нерідко частоту живлення вибирають велику (до декількох МГц).
Конструктивні схеми індуктивних перетворювачів виконуються в різних варіантах у залежності від області застосування.
Можливі області застосування індуктивних перетворювачів надзвичайно різноманітні, можна виділити лише окремі сфери:
– промислова техніка виміру і регулювання;
– робототехніка;
– автомобілебудування;
– побутова техніка;
– медична техніка.
Застосування того чи іншого датчика в цих сферах визначається насамперед відношенням ефективність. При промисловому застосуванні визначальним фактором є погрішність, що при регулюванні процесів повинна складати < 1%, а для задач контролю – 2…3%. Для спеціальних застосувань в області робототехніки і медичної техніки ціни датчиків можуть досягати навіть рівня 10…100 тис. Завдяки впровадженню нових технологій виготовлення (високо-вакуумне напилювання, розпилення, хімічне осадження з газової фази, фотолітографія і т.д.) і нових матеріалів безупинно розширюються сфери застосування датчиків, недоступні раніше через їхню високу ціну.
Прилад повинний відтворювати вимірювані величини з погрішностями, що допускаються. При цьому слово "відтворення", еквівалентне в даному трактуванні слову "відображення", розуміється в самому широкому змісті: одержання на виході приладу величин, пропорційних вхідним величинам; формування заданих функцій від вхідних величин (квадратична і логарифмічна шкали й ін.); одержання похідних і інтегралів від вхідних величин; формування на виході слухових чи зорових образів, що відображають властивості вхідної інформації; формування керуючих сигналів, використовуваних для керування контролю; запам'ятовування і реєстрація вихідних сигналів.
Вимірювальний сигнал, одержуваний від контрольованого об'єкта, передається у вимірювальний прилад у виді імпульсу або у виді енергії. Можна говорити про сигнали: первинних – безпосередньо характеризують контрольований процес; сприйманих чуттєвим елементом приладу; поданих у вимірювальну схему, і т.д. При передачі інформації від контрольованого об'єкта до покажчика приладу сигнали перетерплюють ряд змін за рівнем і спектром і перетворяться з одного виду енергії в іншій.
Необхідність такого перетворення викликається тим, що первинні сигнали не завжди зручні для передачі, переробки, подальшого перетворення
і відтворення. Наприклад, при вимірі температури приладом, чуттєвий елемент якого міститься в контрольоване середовище, сприйманий потік тепла важко передати, а тим більше відтворити на покажчику приладу. Цією особливістю володіють майже всі сигнали первинної інформації. Тому сприймані чуттєвими елементами сигнали майже завжди перетворяться в електричні сигнали, що є універсальними.
Та частина приладу, у якій первинний сигнал перетвориться, наприклад, в електричний, називається первинним перетворювачем. Часто цей перетворювач сполучається з чуттєвим елементом. Сигнали з виходу первинного перетворювача надходять на наступні перетворювачі вимірювального приладу.
У схемах з датчиками, включеними в системи, що стежать, з датчика знімається лише сигнал неузгодженості, що стає рівним нулю в сталому стані системи, що стежить.
Основним недоліком цих схем є залежність значення вихідної величини від параметрів джерела живлення датчика, підсилювача й інших елементів схеми, а також від зовнішніх умов. Справді, варто змінитися напрузі чи частоті генератора, що живить датчик, як напруга, частота і фаза, що є вихідними величинами і, що знімаються з опору R, також зміняться.
Згідно ДСТУ 2681–94 "Метрологія. Терміни та визначення" та ДСТУ 2682-94 "Метрологія. Метрологічне забезпечення" даний розроблений перетворювач струм – тривалість імпульсу відноситься до первинних вимірювальних перетворювачів
2.Розробка структурної схеми
2.1 Аналіз існуючи методів вимірювання напруги
Напруга – напругою U12 на ділянці 1–2 називається фізична величина, що визначається роботою, що виконується сумарним полем електростатичних і сторонніх сил при переміщенні одиничного позитивного заряду на даній ділянці кола. Поняття напруги є узагальненим поняттям різниці потенціалів: напруга на кінцях ділянки кола дорівнює різниці потенціалів в тому випадку, якщо на цій ділянці не прикладена електрорушійна сила.
Напруга (різниця потенціалів) – робота, яка затрачається на переміщення одиничного заряду з однієї точки в іншу.
Напруга вимірюється у вольтах.
Для вимірювання напруги використовуються прилади, які називаються вольтметрами, мілівольтметрами тощо.
Закон Ома для ділянки електричного ланцюга має вигляд:
U = RI, (2.1)
де U – напруга чи різниця потенціалів;
I – сила струму;
R – опір.
Закон Ома також застосовується і до всього ланцюга, але в дещо в зміненій формі:
, (2.2)
де 
– ЕРС ланцюга;
I – сила струму в ланцюзі;
R – опір всіх елементів ланцюга;
r – внутрішній опір джерела живлення.
Якщо ланцюг містить не лише активні, але і реактивні компоненти (ємності, індуктивності), а струм являється синусоїдальним з циклічною частотою ω, то закон узагальнюється: величини, що входять в нього стають комплексними
(2.3)
де U = U0eiωt – напруга чи різниця потенціалів;
I – сила струму;
Z = Re–iδ – комплексний опір;
R = (Ra2+Rr2)1/2 – повний опір;
Rr = ωL – 1/ωC – реактивний опір (різниця індуктивного і ємнісного);
Rа – активний опір, що не залежить від частоти;
Δ = arctg Rr/Ra – зсув фаз між напругою і силою струму.
Імпульсні генератори – призначені для одержання сигналів, форма яких суттєво відрізняється від синусоїдальної. Такі сигнали характеризуються наявністю ділянок з відносно повільною зміною амплітуди і її стрибковою зміною. Імпульсні генератори мають внутрішній або зовнішній позитивний зворотній зв’язок.
Особливість роботи активних елементів: вони періодично, дуже швидко змінюють свій стан з одного крайнього положення в інше.
Основні режими імпульсних генераторів:
– автоколивальний – після збудження генерується послідовність імпульсів, характеристики яких визначаються лише параметрами елементів схеми;
– очікування – генератори імпульсів відбуваються лише за наявності зовнішнього сигналу запуску;
– синхронізації – частота вихідних імпульсів рівна чи кратна частоті зовнішнього синхронізуючого сигналу.
Формувачі імпульсів – пристрої, які виробляють імпульси необхідної тривалості з інших імпульсів чи з перепаду напруг (фронту).
Формувачі імпульсів бувають:
– на логічних елементах;
– з інтегруючим ланцюгом;
– з емітерним повторювачем;
– на мікросхемах.
2.2 Розробка структурної схеми перетворювача
На рисунку 2.1 наведена спрощена структурної схеми перетворювача.
|