Расчет принципиальной схемы

3.1 Расчет дифференциального усилителя

Входной усилитель выполнен по схеме дифференциального усилителя в соответствии с рисунком 3.1.

Рисунок 3.1 – Принципиальная схема дифференциального усилителя

ДУ выполнен на микросхеме AD620 с основными параметрами[9]:

U_пит=±2, 3 В...±18 В,

Ku=1…10000,

U_см=50 мкВ,

I_вх=7 мА.

Напряжение на входе находим по формуле

(3.1.1)

Напряжение на выходе принимаем U_вых=5 В. Тогда

(3.1.2)

Коэффициент резистивного делителя тогда:

(3.1.3)

Принимаем R1=R2, тогда:

Принимаем , тогда

Для того чтобы коэффициент усиления ДУ был наиболее точным - выбираем прецизионные резисторы[2]:

R1, R2: С2-29В -0, 125-10кОм ± 0.5%

3.2 Расчет управляемого выпрямителя

Управляемый выпрямитель предназначен для выделения из сигнала, снимаемого с датчика, полезной составляющей. По условию задания на курсовой проект, УВ должен быть реализован на аналоговых ключах.

В качестве выпрямителя используется ФЧВ, выполненный на микросхеме К140УД17[1]. Схема ФЧВ представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Схема принципиальная фазочувствительного выпрямителя

Фазочувствительный выпрямитель имеет два входа: сигнальный и управляющий (коммутирующий).

Если на логический элемент «И-НЕ» подаётся лог. 1, ключ DD2.1. замыкается, а ключ DD2.2. размыкается. ФЧВ выполняет роль неинвертирующего усилителя.

.

Если же на «И-НЕ» подаётся лог. 0, ключ DD2.1. разомкнут, а ключ DD2.2 замкнут, то есть ФЧВ – инвертирующий усилитель:

Выберем ключ SA1 К1561КТ3 с параметрами[1]:

U_и.п.=15В;

I_вх=±3мкА;

I_пот=4мкА;

t_зд.^{0, 1}=15нс;

t_зд.^{1, 0}=15нс.

Выберем логический элемент «И-НЕ» DD1 К1561ЛА3 с параметрами[1]:

U_и.п.=15В;

U_вых⁰=1, 5В;

U_вых¹=13, 5В.

Коэффициент усиления ФЧВ = 1, следовательно R1=R2. Выберем резисторы R1 и R2[2]:

R1, R2: МЛТ-0, 125-100кОм±10%.

Таким образом, на выходе ФЧВ формируется однополупериодное напряжение.

3.3 Расчет ФНЧ I

Фильтр низких частот выполнен на микросхеме КР140УД17А[1]. Выходной сигнал с ФНЧ поступает на вход АЦП[4]. В качестве фильтра используем активный фильтр первого порядка, представленный на рисунке 3.3. Данная цепь обеспечивает подавление сигнала 20дБ/дек.

Рисунок 3.3 – Принципиальная схема ФНЧ I

ФНЧ предназначен для того, чтобы отрезать переменную составляющую на несущей частоте, оставив при этом постоянную.

После двухполупериодного ФЧВ частота сигнала будет равна:

(3.3.1)

Рассчитаем номиналы элементов. Зададимся частотой пульсации:

(3.3.2)

Желаемая частота среза составляет:

(3.3.3)

Отсюда находим Rос:

, (3.3.4)

(3.3.5)

Из предыдущей формулы выразим Rос:

(3.3.6)

Напряжение зависит от . И при определяется следующим образом:

, (3.3.7)

где

- опорное напряжение АЦП ( [12]),

Тогда:

, (3.3.8)

, (3.3.9)

, (3.3.10)

(3.3.11)

Отсюда:

(3.3.12)

Выбираем Rос, R1[2]:

R1: МЛТ-0.125-620кОм±5%

Rос: МЛТ-0.125-30кОм±5%.

Выбираем C1[4]: К50-6-25В-1мкФ (+80 -20)%.

3.4 Расчет формирователя управляющего напряжения (ФУН)

УО (DA1) предназначен для ограничения напряжения, которое поступает на вход компаратора с ПОС (DA2). Компаратор предназначен для сравнения входного сигнала с опорным. При этом в зависимости от того, больше входной сигнал опорного или меньше, на выходе компаратора за минимальное время должно установиться напряжение логического нуля или логической единицы. Цепь R2-VD3 предназначена для того, чтобы стабилизировать выходное напряжение на уровне 6.2 В. [7]. Для схемы выбираем ОУ КР140УД17А[6]. Схема ФУН представлена на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 - Схема принципиальная формирователя управляющего напряжения

Резистивный делитель R3-R4 задает порог переключения компаратора (). Коэффициент деления ~1000. Отсюда выбираем значения сопротивлений резисторов:

R3=100 кОм,

R4=100 Ом.

Выбираем резисторы[2] R1, R3, R4.

R1, R3: МЛТ-0.125-100кОм±5%.

R4: МЛТ-0.125-100Ом±5%.

Диод VD1 ограничивает усиленное напряжение на уровне 0, 6 В. Выходной сигнал УО представлен на рисунке 3.6 (нижний график).

Выходное напряжение с КсПОС равно напряжению питания ±15В и имеет как положительную, так и отрицательную полуволну. Цепь R2-VD3 стабилизирует выходное напряжение на уровне ±6.2 В.

Рассчитаем R2:

(3.4.1)

Выбираем R2[2]: МЛТ-0.125-620Ом±5%. А так же диоды VD1, VD2 и стабилитрон VD3[3]:

VD1, VD2: КД521А с параметрами: U_обр=75 В, I_обр=1мкА, Iпр.макс.=50мА.

VD3: КС162А с параметрами: U_ст.ном=6.2 В, I_ст.ном.=7 мА.

Описанный принцип работы ФУН представлен на временных диаграммах, смоделированных в программе Microcap8 (см. рисунок 3.6).

3.5 Расчет неинвертирующего усилителя

Усилитель выполнен на микросхеме КР140УД17А[1] и предназначен для усиления входного напряжения до 10В (смотри рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 - Схема принципиальная неинвертирующего усилителя

, (3.5.1)

, (3.5.2)

(3.5.3)

Принимаем , тогда (3.5.4)

(3.5.5)

Из соотношения (3.5.5) рассчитываем R2:

(3.5.6)

Выбираем резисторы[2].

R1: МЛТ-0, 125-1кОм ± 5%,

R2: МЛТ-0, 125-10МОм ± 5%.

3.6 Расчет прецизионного выпрямителя

Прецизионный выпрямитель предназначен для выпрямления сигнала, который будет подан на фильтр II нижних частот I-го порядка. Он состоит из инвертирующего усилителя DA1 и сумматора DA2 (смотри рисунок 3.8), которые выполнены на микросхемах КР140УД17А[11].

Рисунок 3.8 – Принципиальная схема прецизионного выпрямителя

Резисторы на рисунке 3.8:

R1, R2, R3, R5, R6 = 10 кОм

R4 = R1/2 = 5кОм

Диоды VD4 и VD5 в цепи отрицательной обратной связи неинверти-рующего усилителя выбираем КД521А[6].

Выберем резисторы[2]:

R1, R2, R3, R5, R6: МЛТ-0, 125-10кОм 5%; R4: МЛТ-0, 125-5.1 кОм 5%

3.7 Расчет ФНЧ II

Сигнал с выхода ФНЧ II является опорным для АЦП. Для АЦП 572ПВ5 Uопорное= +1В[12]. ФНЧ II выполним на прецизионном ОУ КР140УД17А[11]. В качестве фильтра используем активный фильтр первого порядка (смотри рисунок 3.10). Данная цепь обеспечивает подавление сигнала 20дБ/дек.

Рисунок 3.10 – Принципиальная схема ФНЧ II

ФНЧ предназначен для того, чтобы отрезать переменную составляющую на несущей частоте, оставив при этом постоянную.

После двухполупериодного ФЧВ частота сигнала будет равна:

(3.7.1)

Рассчитаем номиналы элементов. Зададимся частотой пульсации:

(3.7.2)

Желаемая частота среза составляет:

(3.7.3)

Отсюда находим Rос:

, (3.7.4)

(3.7.5)

Тогда:

, (3.7.6)

, (3.7.7)

, (3.7.8)

(3.7.9)

Следовательно, сопротивление R1:

(3.7.10)

Выбираем Rос и R1[2]:

Rос: МЛТ-0.125-30кОм±5%,

R1: МЛТ-0.125-330кОм±5%.

Выбираем C1[4]: К50-6-25В-1мкФ (+80 -20)%.

3.8 Разработка и расчет АЦП

Обычно АЦП применяются в измерительных системах и измерительно-вычислительных комплексах для согласования аналоговых источников измерительных сигналов с цифровыми устройствами обработки и представления результатов измерения.

Основные электрические параметры К572ПВ5 приведены в таблице 3.8.1. Применяем схему с внутренним генератором тактовых импульсов и внешним источником опорного напряжения, в соответствии со стандартной схемой включения (смотри рисунок 3.13)[3].

Рисунок 3.13 – Стандартная схема включения АЦП КР572ПВ5 с внутренним ГТИ и внешним ИОН

Таблица 3.8.1 – Электрические параметры

Частота внутреннего ГТИ определяется цепью R3-C4. Частота ГТИ должна быть кратна 50Гц, для предотвращения влияния помех от сети. Выберем тактовую частоту 50кГц. Номиналы деталей для схемы на рисунке 3.13 представлены в таблице 3.8.2 [3], [2], [4], [10].

Таблица 3.8.2 – Номиналы деталей

3.9 Разработка и расчет блока питания

Блок питания (БП) предназначен для питания всех узлов измерительного преобразователя. Необходимо обеспечить двухполярное питание для всех ОУ КР140УД17А, AD620 и для АЦП 572ПВ5.

Для достижения поставленной цели используем понижающий сетевой трансформатор с выпрямителями, включенными по мостовой схеме. Также для стабилизации напряжения используем интегральные стабилизаторы серии ЕН в стандартном включении (смотри рисунок 3.13)[14].Основные параметры стабилизаторов приведены в таблице 3.9.1.

Таблица 3.9.1- Основные параметры ИС

КР1179ЕН15	КР1180ЕН15	КР1179ЕН5	КР1180ЕН9
Uвых=-15 0.3В	Uвых=15 0.3В	Uвых=-5 0.2В	Uвых=9 0.1В
Iп 3мА	Iп 8мА	Iп 2мА	Iп 8мА
Uмин=2.5 В	Uмин=2.5 В	Uмин=2.5 В	Uмин=2.5 В
Uвх В	Uвх 35В	Uвх В	Uвх 35В
Iвых=1.5А	Iвых=1.5А	Iвых=1.5А	Iвых=1.5А

Рассчитаем напряжение и ток вторичной обмотки блока питания, питающего ОУ и АПС на оба канала:

, (3.9.1)

, (3.9.2)

где

- выпрямленное напряжение, В;

- прямое напряжение на диодах, В;

- ток потребления ОУ;

- ток потребления АПС;

n - кол-во ОУ в схеме.

- ток потребления интегральных стабилизаторов (ИС);

Рассчитаем напряжение и ток вторичной обмотки блока питания, питающего АЦП. Для питания АЦП необходимо двухполярное питающее напряжение и .

, (3.9.3)

где - выпрямленное напряжение, В;

- прямое напряжение на диодах, В;

(3.9.4)

Где - ток потребления АЦП от источника питания с положительным напряжением;

- ток потребления АЦП от источника питания с отрицательным напряжением.

По параметрам из формул (3.9.1)-(3.9.3) подбирается трансформатор. Выбираем ТПП-260. Трансформатор ТПП 260 (схема трансформатора представлена на рисунке 3.13) броневой конструкции (выполнен на сердечнике ШЛМ), допускает включение в сеть с напряжением как 127 В, так и 220 В. В первом случае необходимо соединить выводы 1 и 6, 4 и 9, при этом первичные обмотки 1-4 и 6-9 соединяются параллельно, подать напряжение 127 В на выводы 1 и 4. Во втором случае — соединить выводы 3 и 7, а напряжение 220 В подать на выводы 2 и 9. В таблице 3.9.2 приведены электрические параметры трансформатора, а на рисунке 3.13 схема трансформатора.

Таблица 3.9.2 - Электрические параметры ТПП 260

Рисунок 3.13 – Схема трансформатора ТПП 260

Стабилизаторы в стандартном включении выполняются по следующим схемам, приведенным ниже (смотри рисунок 3.142).

Схемы стабилизаторов для питания канала представлены на рисунках 3.14а и 3.14б.

а – КР1180

б – КР1179

Рисунок 3.14 – Типовые схемы включения стабилизаторов для питания ОУ

Для канала +9В и -5В применяем схемы с нерегулируемым напряжением на выходе (смотри рисунок 3.15а). Для канала -5В смотри рисунок 3.15б.

а – нерегулируемым выходным напряжением +9В

б - с нерегулируемым выходным напряжением -5В

Рисунок 3.15 – Схема стабилизаторов для питания АЦП

Значения конденсаторов С1, С2, С3, С4 и С5 для схем на рисунке 3.15 такие же как и в схемах стабилизации для канала питания ОУ. Выбираем конденсаторы[4]:

С1, С6: КД-2-500В-330нФ 5%;

C2, С7: К50-6-50В–1 мкФ(+80 -20)%;

С3, С8: К50–6-50В–30мкФ(+80 -20)%;

C4, С9: КМ-4-160В–0.01мкФ 20%;

C5, С10: К50-6-50В-10мкФ(+80 -20)%.

Рассчитаем выпрямитель.

Выпрямители выполним на блоках диодов (мостах). Требования к мостам (по каналам):

Канал питания ОУ.

Входное (выпрямленное) напряжение выбираем из условия:

, (3.9.8)

где

Кн=0.1 -коэффициент нестабильности сети;

Кп –коэффициент пульсаций;

Uмин –минимальное напряжение на стабилизаторе;

Средний ток, текущий через диод:

(3.9.9)

Обратное максимальное напряжение на диоде:

(3.9.10)

Канал питания АЦП :

, (3.9.11)

, (3.9.12)

, (3.9.13)

где

Uпр=1В - прямое напряжение на диодах.

Выбираем диодный мост КЦ405Е с основными параметрами[5]:

Uобр.макс=100В

Iпр.ср.макс=600мА

Расчет ёмкостей фильтра выпрямителей:

Канал питания ОУ :

, (3.9.14)

где

- сопротивление нагрузки, Ом. (3.9.15)

(3.9.17)

Выбираем из ряда Cф=100мкФ.

Cф: К50-6-50В-100мкФ.

Канал питания АЦП .

(3.9.18)

(3.9.19)

Выбираем из ряда Cф=750мкФ.

Cф: К50-6-50В-750мкФ.

3.9 Расчет формирователя выходного сигнала (ФВС)

По заданию выходной ток изменяется в пределах 4-20мА.

ФВС состоит из делителя напряжения (ДН) на МС 525ПС2 и преобразователя напряжение-ток (ПНТ) на ОУ (смотри рисунок 3.13).

Рисунок 3.13 – Схема принципиальная ФВС

В таблице 3.9.1 приведены основные параметры МС 525ПС2.

Таблица 3.9.1 – Основные электрические параметры МС 525ПС2 [5]

Наименование параметра, единица измерения, режим измерения.	Норма
525ПС2А	525ПС2Б	525ПС2В
Не менее	Не более	Не менее	Не более	Не менее	Не более
Погрешность перемножения при внешней настройке	-	1	-	2		2
Нелинейность перемножения по входу X, %	-	0.8	-	1		0.8
Нелинейность перемножения по входу Y, %	-	0.5	-	0.7		0.5
Остаточное напряжение по входу X, мВ	-		-
Остаточное напряжение по входу Y, мВ	-		-
Максимальное выходное напряжение, В	10.5	-	10.5	-	10.5	-
Входной ток по входам X, Y, мкА	-		-
Ток потребления, мА	-	6	-	7		6
Среднеквадратичное значение напряжения шума на выходе в полосе частот от 10Гц до 5 МГц, мВ

Рассчитаем преобразователь напряжение-ток.

(3.10.1)

[3] (3.10.2)

(3.10.3)

(3.10.4)

(3.10.5)

Выбираем элементы для схемы:

R1, R2, R3: СП3-33а-0.125-22кОм±20%,

R4: МЛТ-0.25-3.9кОм 5%.

R5: МЛТ-0.25-120Ом 5%.

R6: МЛТ-0.25-100Ом 5%.

VT1: КТ315А

VT2: КТ361А

DA1: К525ПС2А

DA2: К140УД17А