Перетворювач напруга-тривалiсть iмпульсу
Мiнiстерство освiти i науки Украiни
Вiнницькiй нацiональний технiчний унiверситет
РЖнститут автоматики електронiки та комптАЩютерних систем управлiння
Факультет автоматики та комптАЩютерних систем управлiння
Кафедра метрологii та промисловоi автоматики
ПЕРЕТВОРЮВАЧ НАПРУГА-ТРИВАЛРЖСТЬ РЖМПУЛЬСУ
Пояснювальна записка
з дисциплiни "Основи електронiки"
до курсового проекту за спецiальнiстю
"Метрологiя та вимiрювальна технiка"
Вiнниця ВНТУ 2009
Анотацiя
У даному курсовому проектi було розроблено та реалiзовано перетворювач напруги в iмпульси. Цей перетворювач здатен перетворювати напругу у межах 10 мВтАж10 В у iмпульси. З частотою перетворення 50 кГц i частотою вхiдного сигналу 0тАж20 кГц. Максимальна напруга вихiдного сигналу не перевищуi 15 В на опорi 5 Ом. Перетворювач забезпечуi високу точнiсть, тобто похибка складаi менше 1%.
Змiст
Вступ
1. Розробка технiчного завдання
2. Розробка структурноi схеми
2.1 Аналiз iснуючи методiв вимiрювання напруги
2.2 Розробка структурноi схеми перетворювача
2.3 Попереднiй розрахунок АМВ
2.4 Попереднiй розрахунок первинного перетворювача
2.5 Попереднiй розрахунок компаратора
2.6 Попереднiй розрахунок пiдсилювача потужностi
2.7 Попереднiй розрахунок промiжного каскаду
2.8 Розробка детальноi структури схеми
3. Електричнi розрахунки
3.1 Електричний розрахунок пiдсилювача потужностi
3.2 Електричний розрахунок первинного перетворювача
3.3 Електричний розрахунок АМВ
4. Моделювання одного з вузлiв
Висновки
Список лiтератури
Вступ
Останнi десятилiття обумовленi широким впровадженням у галузi народного господарства засобiв мiкроелектронiки й обчислювальноi технiки, обмiн iнформацiiю з якими забезпечуiться лiнiйними аналоговими i цифровими перетворювачами (АЦП i ЦАП).
Сучасний етап характеризуiться великими та дуже великими iнтегральними схемами ЦАП i АЦП, що володiють високими експлуатацiйними параметрами: швидкодiiю, малими похибками, багатозаряднiстю. Включення БРЖС iдиним, функцiонально закiнченим блоком сильно спростило впровадження iх у прилади та установки, що використовуються як у наукових дослiдженнях, так i в промисловостi i дало можливiсть швидкого обмiну iнформацiiю мiж аналоговими та цифровими пристроями.
Технiка конструювання i застосування датчикiв, або, як ii можна коротко назвати, сенсора, за останнi роки розвилася в самостiйну галузь вимiрювальноi технiки. З ростом автоматизацii до датчикiв фiзичних параметрiв стали пред'являтися усе бiльш високi вимоги. При цьому особливе значення надаiться наступним показникам:
тАУ мiнiатюрнiсть (можливiсть вбудовування);
тАУ дешевина (серiйне виробництво);
тАУ механiчна мiцнiсть.
Поняттям "датчик" у загальному випадку позначають дешевий, але надiйний приймач i перетворювач вимiрюваноi величини, що володii помiрною точнiстю i придатний для серiйного виготовлення.
Первиннi вимiрювальнi перетворювачi вимiрювану величину перетворюють у сигнал вимiрювальноi iнформацii, що даi можливiсть передати його на певну вiдстань i за мiсцем призначення вiдтворити вимiрювальну величину у формi, прийнятнiй для спостерiгача або ж ввести у вiдповiдний засiб вимiрювання.
Первинним вимiрювальним перетворювачем, або сенсором, називаiться перетворювач, який першим взаiмодii з об'iктом вимiрювання i видаi сигнал вимiрювальноi iнформацii.
До систем дистанцiйних передач сигналiв вимiрювальноi iнформацii пред'являються такi вимоги: точнiсть передачi; достовiрнiсть i надiйнiсть передачi; перешкодозахищенiсть; дистанцiйнiсть передачi; мiнiмальна iнерцiйнiсть; стабiльнiсть сигналiв, незалежнiсть вiд джерела живлення; економiчнiсть системи дистанцiйноi передачi.
Задовольнити усi наведенi вимоги у повному обсязi за допомогою однiii дистанцiйноi системи передачi досить складно, проте у своiй бiльшостi системи вiдповiдають цим вимогам.
Типи перетворювачiв дистанцiйних передач обираються залежно вiд об'iкта i виду вимiрюваноi фiзичноi величини, яка перетворюiться в сигнал, що передаiться лiнiiю зв'язку (струм, напруга, частота, стиснуте повiтря тощо). Для перетворення лiнiйного перемiщення в унiфiкований сигнал найчастiше використовуються диференцiально-трансформаторнi та струмовi перетворювачi: перетворювачi кутового перемiщення тАУ феродинамiчнi, сельсиннi та частотнi; перетворення зусиль тАУ електросиловi та пневмосиловi компенсуючi перетворювачi.
Трансформатори використовуються для перетворення струму або напруги, для включення трифазних лiчильникiв в електричнi мережi. Трансформатори струму служать також для iзоляцii апаратури вiд потенцiалу мережi, в якiй здiйснюiться вимiрювання.
1. Розробка технiчного завдання
Метою курсового проекту i розрахунок та визначення технiчних параметрiв схеми перетворювача напруга-тривалiсть iмпульсу. Заданий дiапазон напруги складаi вiд 10 мВ до 10 В, частота перетворення дорiвнюi 50 кГц, дiапазон частот вхiдного сигналу 0тАж20 кГц, амплiтуда на виходi тАУ 15В, опори навантаження 5 Ом, похибка ≤1%. Необхiдно розрахувати значення кожного з елементiв схеми перетворювача напруга тАУ тривалiсть iмпульсу та згiдно розрахункам вибрати необхiднi операцiйнi пiдсилювачi, транзистори.
При проектуваннi iндуктивних перетворювачiв варто звертати увагу на екранування проводiв, вибiр iзоляцii, усунення поверхневого опору iзоляцii i вибiр частоти живлення. Чим вище ця частота, тим менше вихiдний опiр, тому нерiдко частоту живлення вибирають велику (до декiлькох МГц).
Конструктивнi схеми iндуктивних перетворювачiв виконуються в рiзних варiантах у залежностi вiд областi застосування.
Можливi областi застосування iндуктивних перетворювачiв надзвичайно рiзноманiтнi, можна видiлити лише окремi сфери:
тАУ промислова технiка вимiру i регулювання;
тАУ робототехнiка;
тАУ автомобiлебудування;
тАУ побутова технiка;
тАУ медична технiка.
Застосування того чи iншого датчика в цих сферах визначаiться насамперед вiдношенням ефективнiсть. При промисловому застосуваннi визначальним фактором i погрiшнiсть, що при регулюваннi процесiв повинна складати < 1%, а для задач контролю тАУ 2тАж3%. Для спецiальних застосувань в областi робототехнiки i медичноi технiки цiни датчикiв можуть досягати навiть рiвня 10тАж100 тис. Завдяки впровадженню нових технологiй виготовлення (високо-вакуумне напилювання, розпилення, хiмiчне осадження з газовоi фази, фотолiтографiя i т.д.) i нових матерiалiв безупинно розширюються сфери застосування датчикiв, недоступнi ранiше через iхню високу цiну.
Прилад повинний вiдтворювати вимiрюванi величини з погрiшностями, що допускаються. При цьому слово "вiдтворення", еквiвалентне в даному трактуваннi слову "вiдображення", розумiiться в самому широкому змiстi: одержання на виходi приладу величин, пропорцiйних вхiдним величинам; формування заданих функцiй вiд вхiдних величин (квадратична i логарифмiчна шкали й iн.); одержання похiдних i iнтегралiв вiд вхiдних величин; формування на виходi слухових чи зорових образiв, що вiдображають властивостi вхiдноi iнформацii; формування керуючих сигналiв, використовуваних для керування контролю; запам'ятовування i реiстрацiя вихiдних сигналiв.
Вимiрювальний сигнал, одержуваний вiд контрольованого об'iкта, передаiться у вимiрювальний прилад у видi iмпульсу або у видi енергii. Можна говорити про сигнали: первинних тАУ безпосередньо характеризують контрольований процес; сприйманих чуттiвим елементом приладу; поданих у вимiрювальну схему, i т.д. При передачi iнформацii вiд контрольованого об'iкта до покажчика приладу сигнали перетерплюють ряд змiн за рiвнем i спектром i перетворяться з одного виду енергii в iншiй.
Необхiднiсть такого перетворення викликаiться тим, що первиннi сигнали не завжди зручнi для передачi, переробки, подальшого перетворення
i вiдтворення. Наприклад, при вимiрi температури приладом, чуттiвий елемент якого мiститься в контрольоване середовище, сприйманий потiк тепла важко передати, а тим бiльше вiдтворити на покажчику приладу. Цiiю особливiстю володiють майже всi сигнали первинноi iнформацii. Тому сприйманi чуттiвими елементами сигнали майже завжди перетворяться в електричнi сигнали, що i унiверсальними.
Та частина приладу, у якiй первинний сигнал перетвориться, наприклад, в електричний, називаiться первинним перетворювачем. Часто цей перетворювач сполучаiться з чуттiвим елементом. Сигнали з виходу первинного перетворювача надходять на наступнi перетворювачi вимiрювального приладу.
У схемах з датчиками, включеними в системи, що стежать, з датчика знiмаiться лише сигнал неузгодженостi, що стаi рiвним нулю в сталому станi системи, що стежить.
Основним недолiком цих схем i залежнiсть значення вихiдноi величини вiд параметрiв джерела живлення датчика, пiдсилювача й iнших елементiв схеми, а також вiд зовнiшнiх умов. Справдi, варто змiнитися напрузi чи частотi генератора, що живить датчик, як напруга, частота i фаза, що i вихiдними величинами i, що знiмаються з опору R, також змiняться.
Згiдно ДСТУ 2681тАУ94 "Метрологiя. Термiни та визначення" та ДСТУ 2682-94 "Метрологiя. Метрологiчне забезпечення" даний розроблений перетворювач струм тАУ тривалiсть iмпульсу вiдноситься до первинних вимiрювальних перетворювачiв
2.Розробка структурноi схеми
2.1 Аналiз iснуючи методiв вимiрювання напруги
Напруга тАУ напругою U12 на дiлянцi 1тАУ2 називаiться фiзична величина, що визначаiться роботою, що виконуiться сумарним полем електростатичних i стороннiх сил при перемiщеннi одиничного позитивного заряду на данiй дiлянцi кола. Поняття напруги i узагальненим поняттям рiзницi потенцiалiв: напруга на кiнцях дiлянки кола дорiвнюi рiзницi потенцiалiв в тому випадку, якщо на цiй дiлянцi не прикладена електрорушiйна сила.
Напруга (рiзниця потенцiалiв) тАУ робота, яка затрачаiться на перемiщення одиничного заряду з однiii точки в iншу.
Напруга вимiрюiться у вольтах.
Для вимiрювання напруги використовуються прилади, якi називаються вольтметрами, мiлiвольтметрами тощо.
Закон Ома для дiлянки електричного ланцюга маi вигляд:
U = RI, (2.1)
де U тАУ напруга чи рiзниця потенцiалiв;
I тАУ сила струму;
R тАУ опiр.
Закон Ома також застосовуiться i до всього ланцюга, але в дещо в змiненiй формi:
, (2.2)
де 
тАУ ЕРС ланцюга;
I тАУ сила струму в ланцюзi;
R тАУ опiр всiх елементiв ланцюга;
r тАУ внутрiшнiй опiр джерела живлення.
Якщо ланцюг мiстить не лише активнi, але i реактивнi компоненти (iмностi, iндуктивностi), а струм являiться синусоiдальним з циклiчною частотою ω, то закон узагальнюiться: величини, що входять в нього стають комплексними
Ва(2.3)
де U = U0eiωt тАУ напруга чи рiзниця потенцiалiв;
I тАУ сила струму;
Z = ReтАУiδ тАУ комплексний опiр;
R = (Ra2+Rr2)1/2 тАУ повний опiр;
Rr = ωL тАУ 1/ωC тАУ реактивний опiр (рiзниця iндуктивного i iмнiсного);
Rа тАУ активний опiр, що не залежить вiд частоти;
Δ = arctg Rr/Ra тАУ зсув фаз мiж напругою i силою струму.
РЖмпульснi генератори тАУ призначенi для одержання сигналiв, форма яких суттiво вiдрiзняiться вiд синусоiдальноi. Такi сигнали характеризуються наявнiстю дiлянок з вiдносно повiльною змiною амплiтуди i ii стрибковою змiною. РЖмпульснi генератори мають внутрiшнiй або зовнiшнiй позитивний зворотнiй звтАЩязок.
Особливiсть роботи активних елементiв: вони перiодично, дуже швидко змiнюють свiй стан з одного крайнього положення в iнше.
Основнi режими iмпульсних генераторiв:
тАУ автоколивальний тАУ пiсля збудження генеруiться послiдовнiсть iмпульсiв, характеристики яких визначаються лише параметрами елементiв схеми;
тАУ очiкування тАУ генератори iмпульсiв вiдбуваються лише за наявностi зовнiшнього сигналу запуску;
тАУ синхронiзацii тАУ частота вихiдних iмпульсiв рiвна чи кратна частотi зовнiшнього синхронiзуючого сигналу.
Формувачi iмпульсiв тАУ пристроi, якi виробляють iмпульси необхiдноi тривалостi з iнших iмпульсiв чи з перепаду напруг (фронту).
Формувачi iмпульсiв бувають:
тАУ на логiчних елементах;
тАУ з iнтегруючим ланцюгом;
тАУ з емiтерним повторювачем;
тАУ на мiкросхемах.
2.2 Розробка структурноi схеми перетворювача
На рисунку 2.1 наведена спрощена структурноi схеми перетворювача.
