Техническое задание

 

   Разработать измерительный усилитель с источником питания и устройством измерения  частоты входного сигнала 

   Параметры усилителя:

   Коэффициент усиления тока                                                      20

   Нижняя  граница диапазона частот, Гц                                      50

   Верхняя граница диапазона частот, Гц                                     10000

   Максимальная  погрешность коэффициента усиления

   тока  в рабочем диапазоне частот не более, %                           0.2                                                    

   Диапазон  значений выходного тока усилителя, I_m мА            -15…+15

   Входное сопротивление, Ом                                                       0.1

   Погрешность входного сопротивления, %                                1.5

   Минимально  допустимое выходное сопротивление, Ом        10000

   Время индикации частоты, с                                                        5

   Разрядность цифрового индикатора частоты                             5

   Уровни  напряжений a,b,c,d, В                                                      0; 15

 

Введение

 

   Особенностью  проектирования аналоговых электронных  устройств является то, что одинаково  правомерны различные подходы и  разная последовательность проведения операций расчета. При этом требуемые характеристики могут быть получены при использовании различных структурных схем, а также при других параметрах элементов в идентичных схемах.

   Основной  тенденцией в проектировании современных  электронных устройств является широкое использование типовых электронных функциональных микроузлов – интегральных микросхем. Когда заданные в технических условиях параметры и характеристики невозможно обеспечить с помощью интегральных микросхем, следует дополнить их схемами, выполненными на дискретных компонентах. Экономически целесообразным может оказаться разработка специальных микросхем частного применения, которые дадут возможность получить требуемых характеристики преобразования [3]. 
 

 

                                           1.БЛОК-СХЕМА ПРИБОРА 

   рис1. Блок-схема прибора

   Прибор  состоит из 5 основных блоков:

 1) Электронный  усилитель тока

 2) Частотомер  с индикатором

 3) Вторичный  источник напряжения электропитания

 4)Электронный  аналоговый ключ

 5) Логический блок        

      На вход прибора подается аналоговый синусоидальный сигнал от внешнего источника. Усилитель тока усиливает сигнал в К раз и далее этот сигнал поступает на вход электронного ключа. Электронный аналоговый ключ коммутирует сигнал на выход 1 или выход 2, в зависимости от состояния логического блока: если сигнал логического блока равен «1» то ключ переключает выходной сигнал на выход 1, если «0» то на выход 2. На вход логического блока подается 4 сигнала a,b,c,d, в зависимости от которых решается логическое уравнение  и на выходе блока формируется сигнал «1» или «0». Частотомер, подключенный на выход усилителя тока измеряет частоту усиливаемого сигнала, преобразуя синусоидальный сигнал в прямоугольные импульсы. Блок питания обеспечивает схему прибора нужными напряжениями.

                                 2. Проектирование измерительного усилителя

2.1Выбор структурной схемы усилителя

 

   Если  в техническом условии на проектирование содержатся специальные требования, относящиеся к входной или  выходной цепям, то данные требования легче всего удовлетворить в случае, когда в структуре усилителя имеется специальные входные и выходные части. Так как основным средством получения требуемых параметров является введение цепей обратной связи (ОС), то входная и выходная части могут представлять собой самостоятельные усилители, охваченные местной обратной связью.

   Так как произведение коэффициентов  усиления входной и выходной частей обычно меньше требуемого, то между  ними вводится промежуточная часть  – она обеспечивает получение необходимого коэффициента усиления и представляет собой электронный усилитель [3].

Структурная схема усилителя представлена на рис.2.

рис.2 Структурная схема [3]

   где 1,5,8 – линейные сравнивающие (вычитающие) устройства;

   2,6,9 – электронные усилители;

   3,7,10 – цепи обратной связи;

   4 – разделительная цепь, не пропускающая  постоянную составляющую.

      2.2 Проектирование усилителя

 

   В проектируемом мною усилителе входное сопротивление должно быть 0,1 Ом с погрешностью 1,5%. Заданное значение входного сопротивления можно получить с помощью цепи ОС, вводимую в типовые аналоговые электронные функциональные узлы. Промежуточную  часть выполним на основе интегрального ОУ 140УД26 с параметрами и АЧХ, приведенными в приложении А. 

                                  2.2.1 Проектирование входной части усилителя 

   Коэффициент усиления тока можно найти по формуле:

    ,                                                       (1)

   Зная  из технического задания коэффициент  усиления тока K_i и требуемый выходной ток I_вых, определяем входной ток I_вх по формуле:

    ,                                      (2)

   Ток I_вх, проходя через R₄ создает на нем падение напряжения U_вх, равное:

    ,                              (3)

   Входная часть является преобразователем ток-напряжение. Зная входное и выходное напряжение, определим коэффициент усиления напряжения, который обеспечим в промежуточном каскаде:

    ,                              (4)

    ,                                (5) [2]

                                         

                            2.2.2. Проектирование промежуточной части усилителя 

   Чтобы обеспечить требуемый коэффициент усиления, возьмем 4 каскада, построенных на ОУ 140УД26 (приложение А), с коэффициентами усиления К_u1 = 16, K_u2 =  K_u3 = K_u4 = 50. Разбиение промежуточной части на каскады целесообразно для уменьшения погрешности усиления и коэффициента частотных искажений.

рис.4 Входная и промежуточная части

   Усилительные каскады выполняют так, чтобы входное сопротивление последующего каскада было во много раз больше предыдущего Резистор R₃ вводится для уменьшения дифференциального постоянного сигнала, появляющегося на входе микросхемы при температурных изменениях токов; таким образом, последующий каскад оказывает минимальное влияние на параметры предыдущего. Для ОУ 140УД26 минимальное сопротивление нагрузки 2 кОм; исходя из этого условия и опираясь на номинальный ряд и учитывая требуемые усиления для каждого каскада, подберем резисторы [3].

   Для первого каскада:

R₅ = 10 кОм;   R₇ = R₅× K_u1 = 160 кОм;    R₆ = R₅||R₇ = 10 кОм                               [2]

   Для второго каскада:

R₁₀ = 10 кОм;   R₁₃ = R₁₀× K_u2 = 500 кОм;    R₁₁ = R₁₀||R₁₃ = 10 кОм                        [2]

   Для третьего каскада:

R₁₅ = 10 кОм;   R₁₇ = R₁₅× K_u3 = 500кОм;    R₁₆ = R₁₅||R₁₇ = 10 кОм                        [2]

     Для четвертого каскада:

R₂₀ = 10 кОм;   R₂₂ = R₂₀× K_u4 = 500кОм;    R₂₁ = R₂₀||R₂₂ = 10 кОм                        [2]

   Из  технического задания оценим допустимое изменение входного сопротивления:

= 0,0015 Ом,                                       (6)

   Для проведения подстройки электрических  режимов усилителей используем подстроечные резисторы R₈, R₁₄, R₁₉, R₂₃, R₃₀, R₃₂ типа С5 – 6 [2, 7].

     Из ЛАЧХ ОУ 140УД26 найдем значение  коэффициента усиления на граничных частотах: K_yu(jw_н)=65,11 дБ=1801.11;

                                K_yu(jw_в)=115 дБ=562341.33, 

  Рассчитаем коэффициент частотных искажений: 

   Для коэффициента усиления, равного 50:

= 0.0196,                                         (7) [7]

= 0.98,                                            (8) [2]

= --48,63,                               (9) [2]

= --48.61,                      (10) [2]

= 1.0004,                              (11) [3]

   Для коэффициента усиления, равного 16:

= 0.0588,                                   (12) [7]

= 0.941,                                     (13) [2]

= --15.85,                       (14) [2]

= --15.85,                   (15) [2]

= 1                                    (16) [3] 

   Общий коэффициент частотных искажений:

                             (17) [3]

   Можно сделать вывод о том, что погрешность  коэффициента усиления в рабочем  диапазоне частот не превышает требуемой  погрешности 0.2%. 

                              

 

2.2.3.Проектирование выходной части усилителя 

     В качестве выходного каскада, обеспечивающего выходное сопротивление не менее 10 кОм, выберем схему с высоким сопротивлением за счет положительной обратной связи, снимаемой по току. Схема выходной части приведена на рис. 5.

   рис. 5 Выходная часть [3]

   Высокое выходное сопротивление обеспечивается следующим образом.

   Если  R_н = 0, то ПОС отсутствует и ток в выходной цепи равен:

    ,                                      (18) [3]

где K(jω) – коэффициент усиления ОУ при подаче напряжения на инвертирующий вход.

,                            (19) [3] 

   При идеализированном ОУ: