Схемотехника измерительных устройств реферат

Обновлено: 02.07.2024

Усложнение современного производства, развитие
научных исследований в различных направлениях
привело к необходимости измерять или
контролировать одновременно сотни, а иногда и
тысячи физических величин.
При этом наметился переход к принятию решений
на основании использования результатов не
отдельных измерений, а потоков измерительной
информации, интенсивность которых возрастает за
счет увеличения частотного диапазона и числа
измеряемых величин.
2

Схемотехника
научно-техническое направление, занимающееся
проектированием, созданием и отладкой
электронных схем и устройств различного
назначения
3

Основными функциями ИИС являются:
– получение измерительной информации от
объекта исследования;
– обработка;
– представление информации оператору;
– формирование управляющих воздействий на
объект исследования.
5

Датчики – датчики давления, движения,
концентрации, температуры и т.д.- представляют
собой первичные преобразователи и схему
7
включения преобразователей.

Аналоговый мультиплексор – предназначен для
выбора каналов, по которым передается
информация с датчиков.
8

Для современного этапа развития техники
характерны следующие ориентировочные
стоимостные оценки ИИС:
Датчики — 40% общей стоимости ИИС
Устройства обработки данных — 20% стоимости
ИИС
Устройства регистрации и отображения
информации — 40%
9

Измерительное преобразование
представляет собой отражение размера одной
физической величины размером другой
физической величины, функционально с ней
связанной.
Применение измерительных преобразований
является единственным методом практического
построения любых измерительных устройств
12

В сложных технических ИИС для обеспечения
высокой надежности необходимо применять
большое количество датчиков для контроля
физических величин.
13

Измерительный преобразователь (ИП)
Измерительные преобразователи преобразуют
любые физические величины х
(электрические, неэлектрические, магнитные)
в выходной электрический сигнал
Y = f(х)
15

Датчик
конструктивно обособленный первичный
измерительный преобразователь, от которого
поступают сигналы измерительной
информации.
Датчик может быть вынесен на значительное
расстояние от средства измерения,
принимающего его сигналы
16

В общем случае по виду входных и выходных
физических величин ИП можно подразделить на:
• преобразователи неэлектрических величин в
неэлектрические,
• неэлектрических величин в электрические,
• электрических величин в электрические,
• электрических величин в неэлектрические.
17

Преобразователь - первый элемент измерительной
системы - является основным источником
электрического сигнала, тогда как остальная часть
цепи должна обеспечить передачу, обработку 19и
использование сигнала.

Электрический сигнал
это переменная составляющая тока или
напряжения, которая несет информацию,
связанную со значением измеряемой величины
Амплитуда и частота сигнала должны быть
непосредственно связаны с амплитудой или
частотой измеряемой величины
20

В тех случаях, когда измеряемая величина не
является активной, необходимо воспользоваться
источником возбуждения, который будет оказывать
воздействие на измеряемый объект. Тогда отклик
объекта будет содержать желаемую информацию
21

Не во всех измерительных системах имеются все
шесть подсистем. Подсистемы не обязательно
должны следовать в том порядке, как указано в
нашем примере. Часто, например, какая-то 22
обработка сигнала производится до его передачи.

Первичный преобразователь - измерительный
преобразователь, на который непосредственно воздействует
измеряемая физическая ве- личина, т.е. первый
преобразователь в измерительной цепи измерительного
25
прибора

Передающий преобразователь - измерительный
преобразователь, предназначенный для
дистанционной передачи сигнала измерительной
информации
26

Аналоговый преобразователь - измерительный
преобразователь, преобразующий одну аналоговую
величину (аналоговый измерительный сигнал) в
другую аналоговую величину (аналоговый 27
измерительный сигнал)

Цифровой преобразователь - измерительный
преобразователь, преобразующий цифровой
измерительный сигнал в другой цифровой
измерительный сигнал
28

Аналого-цифровой преобразователь измерительный преобразователь, предназначенный
для преобразования аналогового измерительного
сигнала в цифровой код
29

Цифроаналоговый преобразователь измерительный преобразователь, предназначенный
для преобразования числового кода в аналоговую
величину
30

Работа измерительных преобразователей
протекает в сложных условиях, так как
объект измерения - это, как правило, сложный,
многогранный процесс, характеризующийся
множеством параметров, каждый из которых
действует на измерительный преобразователь
совместно с остальными параметрами.
Нас же интересует только один параметр,
который называется измеряемой величиной,
а все остальные параметры процесса
считаются помехами
31

Датчики контактного сопротивления
Действие основано на зависимости переходного
сопротивления контактов от усилия их сжатия
35

Принцип действия тензорезистивных датчиков
основан на изменении сопротивления материала 38
проводника при его деформации

Пьезоэлектрические преобразователи — это
устройства, использующие пьезоэлектрический
эффект в кристаллах, керамике или плёнках и
преобразующие механическую энергию в
электрическую и наоборот
40

При прямом пьезоэффекте деформация
пьезоэлектрического образца приводит к
возникновению электрического напряжения между
поверхностями деформируемого твердого тела
41

В генераторных датчиках измеряемая
величина вызывает генерацию электрического
сигнала — тока, напряжения, заряда,
частоты и т. д.
Они являются активными датчиками
51

В параметрических датчиках изменяются
параметры электрических, магнитных,
оптических цепей — сопротивления, индуктивности, емкости, пропускания (R, L, С, т)
и т. д.
Они являются пассивными датчиками 52

Пассивные датчики позволяют косвенно
судить о физической величине путем
включения такого датчика в электрическую
цепь
Такие датчики нуждаются в подведении
питания
53

В комбинированных датчиках для получения
результата используется целая цепь
последовательных преобразований
54

Например, датчики давления могут работать по
схеме:
давление деформация мембраны изменение
сопротивления тензодатчика, закрепленного на
мембране изменение выходного электрического
сигнала мостовой схемы
55

В последнее время в обиход введено понятие
интеллектуальные и интегрированные
датчики.
Такие датчики оснащаются встроенными
микропроцессорами, которые работают по
достаточно сложным алгоритмам и позволяют
придать измерительным приборам многие
дополнительные функциональные
возможности
56

Датчик напряжения (Д) представляет собой
эквивалентную схему в виде
последовательного соединения ЭДС Uc с
59
выходным сопротивлением Rc

Связь между Uc и Uвых является нелинейной и
чувствительность датчика зависит от
изменения нагрузки
61

*Линеаризацией называется замена реальны
нелинейных уравнений близкими к ним
линейными уравнениями
* Передаточная характеристика - это
зависимость напряжения на выходе от
напряжения на входе
63

Для обеспечения условия линеаризации
передаточной характеристики и низкого выходного
сопротивления схемы, как правило, используется
буфер на операционном усилителе (ОУ)
64
в режиме повторителя напряжения

Во многих случаях измерения сигналов
датчиков Uc проходят на фоне большой
синфазной составляющей Ес (помехи)*
Для ее подавления применяется
дифференциальное включение ОУ
65

*Основополагающими в технике являются
понятия — противофазные и синфазные
помехи.
Противофазные помехи Uпф возникают между
прямыми и обратными проводами
электрических контуров или между входными
зажимами подверженных помехам систем.
Синфазные помехи Uсф обусловлены
источниками мешающих напряжений, которые
появляются между отдельными сигнальными
проводниками и массой, обладающей 67
нулевым потенциалом

*Синфазное напряжение вызывает в
параллельных прямом и обратном проводе
токи одного и того же характера (синфазные
токи), которые через паразитные емкости и
землю могут возвращаться к источнику
питания
68

*Синфазные сигналы– сигналы одинаковой
амплитуды и одинаковой фазы одновременно
присутствующие на обоих входах
U1 U 2
EC
2
U B U1 U 2
69

*Максимальное подавление синфазного сигнала
осуществляется с помощью входного
дифференциального каскада.
Дифференциальные сигналы – сигналы
одинаковой амплитуды, но противоположной
фазы, присутствующие на обоих входах
усилителя независимо от точки заземления
источника
Дифференциальный сигнал
Синфазный сигнал 70

* Заземление
В принципе электрическая цепь вообще не
нуждается в заземлении, так как вытекающий из
зажима источника напряжения ток после
протекания через замкнутый контур
возвращается к другому зажиму
71

*
Следует строго различать два понятия —
защитное заземление (защитный провод) для
защиты людей, животных и т. д.
и
массу, систему опорного потенциала,
электрических контуров
72

*
Земля и масса, как правило, в одном месте
гальванически связаны друг с другом,
но между ними существует большое различие:
провода заземления проводят ток только в
аварийной ситуации,
нулевые провода (масса) — в нормальной
рабочей ситуации
73

*Под массой в схемотехнике понимают общую
систему опорного потенциала, по отношению к
которой измеряются узловые напряжения цепи
В простой цепи это просто обратный провод, в
электронной схеме — общий обратный провод
для всех электрических контуров
74

Датчик тока при анализе заменяется своей
эквивалентной схемой в виде параллельного
соединения идеального источника тока /с и
резистора Rc, характеризующего выходное
78
сопротивление датчика

Электрические сигналы, которые вырабатывают датчики. Свойства усилителей с отрицательной обратной связью. Действия над сигналами. Основные приемы усиления сигналов. Использование варикапов для перестройки генерируемой частоты и частотной модуляции.

Рубрика	Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид	учебное пособие
Язык	русский
Дата добавления	08.09.2015
Размер файла	3,2 M

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

HTML-версии работы пока нет.
Cкачать архив работы можно перейдя по ссылке, которая находятся ниже.

Подобные документы

Особенности устройств, преобразующих энергию постоянного тока в энергию электрических колебаний постоянной формы и частоты. Условия самовозбуждения генератора, схемотехника и принципы работы резонансного усилителя с положительной обратной связью.

контрольная работа [488,4 K], добавлен 13.02.2015

Техника усиления электрических сигналов. Применение усилителей низкой частоты для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, и их классификация. Функциональная схема усилителя, его основные технические характеристики и выбор элементной базы.

контрольная работа [649,3 K], добавлен 25.12.2012

Основные параметры усилителей низкой частоты. Усилитель электрических сигналов - устройство, обеспечивающее увеличение амплитуды тока и напряжения. Дифференциальный коэффициент усиления. Особенности схемотехники интегральных усилителей низкой частоты.

лекция [621,3 K], добавлен 29.11.2010

Понятие видеоимпульсов и их форма. Передача информации высокочастотными импульсными сигналами путем модуляции колебаний. Акустические, электромагнитные и электрические импульсы. Параметры, определяющие свойства сигналов. Причины применения импульсов.

презентация [692,9 K], добавлен 13.01.2011

Понятие и назначение измерительных преобразователей - датчиков, принцип их действия и выполняемые функции, возможности и основные элементы. Классификация источников первичной информации. Датчики измерения технологических переменных.

Принцип работы и основные технические характеристики электромеханических ИП во многом зависят от вида преобразователя, обеспечивающего преобразование энергии электрического измерительного сигнала в механическую энергию перемещения подвижной части ИП.

Общим для всех электромеханических ИП является то, что они состоят из неподвижной и подвижной частей и ряда общих деталей и узлов. Подвижная часть в большинстве преобразователей может совершать угловое перемещение вокруг неподвижной оси. Механический момент, возникающий в результате воздействия на преобразователь измерительного сигнала и обусловливающий поворот его подвижной части в соответствии со значением измеряемой величины, называется вращающим моментом MВР. Этот момент должен однозначно зависеть от преобразуемой величины X и в общем случае от угла a поворота подвижной части ИП:

В зависимости от варианта преобразования различают приборы:

3) электростатические приборы;

1 Магнитоэлектрические измерительные преобразователи

Магнитоэлектрические преобразователи выделяются среди других групп электромеханических преобразователей широтой и разнообразием применения, высокими метрологическими характеристиками, а также многотипностью. Отечественной промышленностью серийно выпускаются магнитоэлектрические преобразователи вплоть до класса точности 0,05 и с минимальным током полного отклонения до 0,1 мкА.

Наиболее широко магнитоэлектрические преобразователи используются при создании амперметров и вольтметров постоянного тока, омметров, гальванометров постоянного тока, баллистических гальванометров для измерений малых количеств электричества, а также приборов для измерений в цепях переменного тока (осциллографические гальванометры, вибрационные гальванометры, выпрямительные, термоэлектрические и электронные приборы на базе магнитоэлектрических преобразователей).

Принцип действия магнитоэлектрических преобразователей основан на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и проводника с током, конструктивно выполненного в виде катушки (рамки).

Практически все магнитоэлектрические преобразователи можно разделить на две основные разновидности:

- преобразователи с подвижной катушкой и неподвижным магнитом;

- преобразователи с неподвижной катушкой и подвижным магнитом.

Конструктивно преобразователи обеих разновидностей могут быть выполнены:

- с внешним (по отношению к рамке) магнитом;

- с внутрирамочным (внутренним) магнитом.

Кроме того, они мoгут различаться креплением подвижной части, способом создания противодействующего момента, способом успокоения подвижной части и др.

В настоящее время более широкое применение получили магнито-электрические преобразователи с неподвижным магнитом и подвижной катушкой (рисунок 1).

Катушка 5 с числом витков w и площадью витка s находится в магнитном зазоре с равномерным радиальным магнитным полем. Поле в зазоре создается с помощью магнитной системы, состоящей из постоянного магнита 7, полюсных наконечников с цилиндрической расточкой 6 и цилиндрического сердечника 4 из магнитомягкого материала. Благодаря введению в магнитную систему сердечника 4, поле в зазоре, где движется рамка, получается однородным. Для изготовления магнита 7 используют материалы с большой коэрцитивной силой, чаще всего железоникельалюминиево-кобальтовые сплавы. Магнитопроводы и полюсные наконечники выполняют из магнитомягких материалов, чаще всего из низкоуглеродистых электротехнических сталей. Подвижная часть крепятся на полуосях и керновых опорах (в высокочувствительных приборах - на растяжках и подвесах). Противодействующий момент может создаваться механическим (с помощью спиральных пружин 3) или электрическим путем. Катушка 5 наматывается на легком алюминиевом каркасе и жестко крепится на полуосях. При движении катушки в магнитном зазоре в каркасе возникают вихревые токи, создающие момент успокоения . Если получаемый таким образом момент успокоения недостаточно велик, то на каркас катушки дополнительно наматывается необходимое количество короткозамкнутых витков, увеличивающих момент успокоения до нужного значения.

Рисунок1 – Конструкция магнитоэлектрического преобразователя

Самыми разнообразными по номенклатуре и наиболее широко используемыми приборами, создаваемыми на основе магнитоэлектрических преобразователей, являются амперметры, вольтметры, гальванометры и омметры для измерений в цепях постоянного тока.

Амперметры. Как уже отмечалось ранее, магнитоэлектрические измерительные механизмы могут непосредственно использоваться для измерений силы электрического тока. Для этого они включаются в электрическую цепь последовательно с участком, ток через который необходимо измерить (рис 3а). Внутреннее сопротивление RА такого амперметра равно сумме внутреннего сопротивления измерительного механизма Ri и термокомпенсирущего резистора RТК (рисунок 2.3,б), если последний используется в амперметре. Сопротивление Ri представляет собой последовательно соединенные сопротивление катушки преобразователя RК и сопротивление токоподводящих элементов RТ, т.е. Ri = RК + RT. Таким образом, внутреннее сопротивление амперметра равно либо RA = Ri - для амперметра, не содержащего термокомпенсирующих преобразователей, либо RA = Ri + RTK - для амперметра, содержащего термокомпенсирующий резистор RTK.

Так как RA в обоих случаях является конечной величиной, режим электрической цепи после включения в нее амперметра изменится, т.е. измеренное значение тока IИЗМ протекающего через нагрузку RH при включении в цепь амперметра, будет отличаться от действительного значения тока I, протекающего через RH до начала измерений. Однако данная погрешность является систематической и может быть вычислена и исключена из результата измерений.

Рисунок 2 – Амперметр на базе магнитоэлектрического преобразователя

Вольтметры. Магнитоэлектрические вольтметры образуются путем включения измерительного преобразователя последовательно с добавочным резистором RД (рисунок 2.4,a). Полученный таким образом прибор подключается параллельно участку цепи, падение напряжения на котором необходимо измерить (рисунок 2.4,б).

Рисунок 3 – Вольтметр на основе магнитоэлектрического преобразователя

Гальванометры. Гальванометрами называют высокочувствительные электроизмерительные приборы, имеющие неградуированную шкалу и применяемые в качестве нуль-индикаторов, а также после предварительной градуировки для измерения малых значений токов, напряжений, количеств электричества и других физических величин.

Наиболее широкое распространение в практике получили магнитоэлектрические гальванометры. Конструктивно они делятся на два вида:

- переносные со встроенной шкалой, в которых могут использоваться как стрелочные, так и световые отсчетные устройства;

- зеркальные со световым отсчетом и с отдельной шкалой, устанавливаемой на значительном расстоянии от гальванометра.

В переносных гальванометрах подвижная часть крепится на растяжках, в стационарных - на подвесе.

Омметры. На основе магнитоэлектрических преобразователей могут быть созданы приборы для непосредственного измерения такого важного параметра электрических цепей, как электрическое сопротивление. Такие приборы получили название омметров. Простейший омметр представляет собой преобразователь, ток через который создается источником постоянного во времени напряжения и зависит от значения измеряемого сопротивления RX. Указанное сопротивление может быть включено последовательно или параллельно измерительному преобразователю (рисунок 4,a,б соответственно). Шкала прибора может быть при этом проградуирована в единицах сопротивления.

Рисунок 4 – Омметры на базе магнитоэлектрического преобразователя

Не требуют первоначальной установки нуля магнитоэлектрические омметры на базе логометрических преобразователей. Они также могут строиться по последовательной и параллельной схемам (рисунок 5,а,б соответственно). Две различные схемы используются с целью уменьшения погрешности измерения, обусловленной влиянием сопротивлений R1 и R2 катушек 1 и 2 логометрического преобразователя при измерении больших и малых значений RX. В обеих схемах резисторы RД1, RД2 и RД3 - добавочные, постоянные, служащие для ограничения токов, протекающих через катушки 1 и 2 преобразователя, и для задания нужного характера шкалы прибора.

Рисунок 5 – Схемы включения логометрических преобразователей

при измерении больших сопротивлений

2. Электростатические измерительные приборы

Электростатические приборы обладают целым рядом отличительных особенностей, обусловливающих их значительные преимущества по сравнению с приборами других систем. Это, прежде всего, малое собственное потребление мощности от источника измеряемого напряжения, сравнительно высокая точность, возможность использования их в широком диапазоне частот (от 20 Гц до 35 МГц), незначительная зависимость показаний от частоты и формы кривой измеряемых напряжений, возможность использования для непосредственного измерения (без применения измерительных трансформаторов напряжения) высоких напряжений (до 300 кВ), независимость показаний от внешних магнитных полей и др. К основным недостаткам этих приборов относятся: сильная зависимость показаний от внешних электрических полей, малое значение вращающего момента и низкая чувствительность, неравномерная шкала и др.

Основу всех электростатических приборов составляют электростатические измерительные механизмы.

Принцип действия электростатических преобразователей основан на взаимодействии электрических полей двух тел (систем пластин), заряженных разноименными зарядами. В результате такого взаимодействия одна из систем, являющаяся подвижной, перемещается относительно неподвижной системы пластин, вызывая при этом отклонение стрелки отсчетного устройства, связанной с подвижной частью преобразователя, в сторону возрастающих показаний. Перемещение подвижной части преобразователя относительно неподвижной вызывает изменение емкости между ними. Конструктивно подвижная и неподвижная части ИМ выполняются в виде пластин.

Все существующие электростатические преобразователи можно разделить на два вида: преобразователи, у которых изменение емкости достигается за счет изменения активной площади взаимодействующие пластин (рисунок 6,a), и преобразователи, у которых емкость изменяется за счет изменения расстояния между пластинами (рисунок 6,б).

Рисунок 6 – Электростатические измерительные преобразователи

Преобразователи первого вида применяются в вольтметрах, предназначенных для измерения низких напряжений, второго вида - в киловольтметрах.

Подвижная часть преобразователя с изменяющейся активной площадью пластин (см. рисунок 6,а) состоит из одной или нескольких тонких алюминиевых пластин 2, закрепленных на оси 3. Неподвижная часть образуется одной или несколькими камерами 1, состоящими из металлических пластин с воздушным зазором между ними. Увеличение числа камер и лучей у подвижных пластин приводит к повышению чувствительности преобразователя. Форма подвижных и неподвижных пластин выбирается или рассчитывается исходя из необходимости обеспечения равномерного характера шкалы прибора. При подаче на подвижные и неподвижные пластины измеряемого напряжения они окажутся заряженными разноименными зарядами и между ними возникнут силы электростатического притяжения, в результате действия которых подвижные пластины будут поворачиваться, стремясь зайти внутрь камер. Вместе с подвижными пластинами будет поворачиваться и ось 3 с закрепленной на ней стрелкой отсчетного устройства. При этом будут закручиваться упругие элементы, создающие противодействующий момент. Подвижная часть остановится при равенстве вращающего и противодействующего моментов. Значение измеряемого напряжения будет определяться углом отклонения стрелки относительно начала шкалы. Для успокоения подвижной части в электростатических преобразователях используются магнитоиндукционные или крыльчатые, воздушные успокоители. Вследствие того, что вращающий момент у электростатических преобразователей мал, для увеличения их чувствительности применяют крепление подвижней части на растяжках и световой отсчет. При этом уменьшаются масса и момент инерции подвижной части и улучшается характер шкалы.

У электростатических преобразователей с изменяющимся расстоянием между пластинами (рисунок 6,б) неподвижная часть образована двумя пластинами 1, между которыми находится подвешенная на тонких неупругих металлических подвесах 2 подвижная пластина 3, гальванически соединенная с одной из неподвижных пластин и изолированная от другой. При подаче на подвижную и изолированную неподвижную пластины измеряемого напряжения подвижная пластина будет притягиваться к разноименно заряженной изолированной неподвижной пластине и одновременно отталкиваться от одноименно заряженной неподвижной пластины (независимо от полярности подключения измеряемого напряжения). Через тягу 7 и мостик 4 перемещение подвижной пластины вызывает поворот оси 6 с закрепленной на ней стрелкой 5. При этом возникает противодействующий момент, создаваемый массой подвижной пластины. Установившееся показание стрелки будет при равенстве вращающего и противодействующего моментов. Вольтметры с такими преобразователями требуют первоначальной установки в такое положение, при котором стрелка будет находиться на нулевой отметке (при отсутствии измеряемого напряжения).

Из вышесказанного можно сделать некоторые выводы о свойствах, достоинствах и недостатках электростатических преобразователей и приборов на их основе:

- электростатические преобразователи могут непосредственно измерять только напряжение;

- электростатические преобразователи могут применяться для измерений напряжений постоянного и переменного токов;

- вращающий момент в электростатических преобразователях сравнительно мал, и они обладают низкой чувствительностью по напряжению;

- точность электростатических преобразователей может быть достаточно высокой, так как на их показания незначительно влияют частота и форма кривой измеряемого напряжения, внешние магнитные поля и температура окружающей среды. Электростатические вольтметры могут изготавливаться с классами точности до 0,05;

- собственное потребление мощности из измерительной цепи для электростатических преобразователей мало, так как при измерениях в цепях постоянного тока оно обусловлено лишь кратковременным током заряда и незначительными токами утечки через изоляцию, а на переменном токе определяется током, протекающим через малую емкость преобразователя и диэлектрическими потерями в изоляции;

- функция преобразования электростатических преобразователей по своему характеру является квадратичной, однако соответствующим выбором формы пластин, т.е. закона изменения емкости при изменении угла поворота, можно получить практически равномерную шкалу на участке от 20 до 100 % от ее верхнего предела;

- электростатические преобразователи сильно подвержены влиянию внешних электрических полей и требуют их экранировки;

- электростатические преобразователи могут работать в широком частотном диапазоне (до 35 МГц), который ограничивается влиянием собственной емкости преобразователя, паразитных реактивностей и активного сопротивления проводов и растяжек;

- с помощью электростатических вольтметров можно непосредственно измерять высокие напряжения (до 300 кВ);

- электростатические преобразователи могут использоваться для измерения кроме напряжения и других электрических величин: мощности, сопротивления и индуктивности.

Электростатические вольтметры и электрометры

Электростатические приборы наиболее широко используются в электроизмерительной технике в виде различных вольтметров. Кроме того, для измерения напряжения и других функционально связанных с ним величин (мощность, сопротивление и т.п.) используются так называемые электрометры электростатической системы.

Для измерения низких напряжений (от десятков до сотен вольт) используются преимущественно вольтметры, созданные на базе ИП с изменяющейся активной площадью пластин (см. рисунок 6,а). При этом для обеспечения достаточной чувствительности расстояние между подвижными и неподвижными пластинами делается очень малым (десятые доли миллиметра) и при случайных ударах, толчках, вибрации и т.д. возникает опасность короткого замыкания пластин, а значит и источника измеряемого напряжения. Для предохранения преобразователя от выхода из строя вследствие протекания через него больших токов при коротком замыкании внутрь низковольтных вольтметров встраивается защитный резистор, ограничивающий эти токи (рисунок 7).

Значение защитного сопротивления определяется исходя из допустимого тока через растяжки, на которых крепится подвижная часть, при коротком замыкании пластин. Вольтметр при этом подключается к источнику измеряемого напряжения с помощью зажимов 1 и 2. При частотах измеряемого переменного напряжения порядка сотен килогерц защитный резистор вызывает большие дополнительные частотные погрешности за счет емкостного тока, поэтому он отключается и вольтметр включается в электрическую цепь зажимами 1 и Э (экран).

В вольтметрах, рассчитанных на измерение более высоких напряжений, расстояния между пластинами достаточно велики и защитные резисторы не используются. При измерениях высокочастотных напряжений в электрических цепях с несимметричным выходом зажим Э, соединенный с внутренним экраном прибора, должен обязательно заземляться.

Рисунок 7 – Схема включения электростатического измерительного преобразователя

Расширение пределов электростатических вольтметров осуществляется главным образом с помощью делителей напряжения: емкостных - при измерениях на переменном токе и резистивных - на постоянном токе.

1 Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах: Учебник для ВУЗов. Нефедов В. И. и др.; Под ред. Нефедова В.И. - М.: Высш. шк., 2001.

2 Елизаров А.С. Электрорадиоизмерения - Мн.: Выш.шк., 2006.

3 У. Болтон. Справочник инженера-метролога. М. Додэка 2002.-386 с (пер. с англ.).

4 Дерябина М. Ю., Основы измерений. Учебное пособие. Мн., БГУИР, 2001.

5 Резин В.Т., Кострикин А.М. Метрология и измерения. Генераторные измерительные преобразователи. Методическое пособие. Мн., БГУИР, 2004.

6 Архипенко А. Г., Белошицкий А. П., Ляльков С. В. Метрология, стандартизация и сертификация. Учеб. пособие. Ч.2. Основы стандартизации. Мн.: БГУИР, 2007.

7 М. Тули. Справочное пособие по цифровой электронике. - М. Энерго-атомиздат, 2000. (пер. с англ.).

Дисциплина "Схемотехника измерительных устройств" рассматривает элементы аналоговых и цифровых электронных схем, усилители измеряемых величин, АЦП и ЦАП, применяемые в приборах, схемотехнику аналоговых и цифровых информационноизмерительных устройств.

Целью преподавания дисциплины является ознакомление студентов с принципами построения и работы аналоговых и цифровых информационноизмерительных устройств.

Изучение дисциплины "Схемотехника измерительных устройств" базируется на курсах "Информатика", "Физика", "Общая электротехника", "Электроника и микропроцессорная техника".

Изучение дисциплины "Схемотехника измерительных устройств" закладывает основу для последующего изучения курсов "Проектирование информационно-измерительных систем" и "Компьютерные технологии в приборостроении".

В результате изучения дисциплины "Схемотехника измерительных устройств" будущие инженеры получают знания по элементной аналоговой и цифровой базе, по принципам работы, устройству и параметрам измерительных приборов. Наличие этих знаний должно проявиться при эксплуатации контрольно-измерительных приборов, при изучении их работы и знакомстве с принципиальными электрическими схемами, а также при выборе и комплектовании необходимого и достаточного набора приборов для решения измерительных задач.

1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

1.1. Содержание дисциплины по государственному образовательному стандарту

Схемотехника измерительных устройств.

Схемотехника элементов аналоговых измерительных каналов, усилители измеряемых величин, выпрямители; функциональные преобразователи; АЦП и ЦАП; схемотехнические методы защиты от помех; синтез комбинационных логических устройств различного назначения; схемотехника цифровых устройств; схемотехника информационно-измерительных устройств, работающих на основе различных физических принципов.

1.2. Рабочая программа

Объем дисциплины 200 часов

1.2.1. Введение

Современное состояние электроники. Применение электронных интегральных компонентов и микропроцессоров в приборах – основа развития измерительной техники. Компьютерное моделирование схемных решений.

1.2.2. Измерительная информация и измерительный канал

Измерительная информация. Сигналы. Измерение.

Структура измерительного канала. Аналоговый и аналого-цифровой измерительные каналы.

Методы измерений. Основные факторы, влияющие на погрешности измерения.

Основные задачи схемотехники приборов.

1.2.3. Аналоговые электронные устройства

1.2.3.1. Основные технические показатели аналоговых электронных

устройств Основные определения и классификация. Принципы построения.

Количественная оценка усиления. Искажения, вносимые усилителем.

1.2.3.2. Обратные связи в усилителях Основные определения, классификация видов и свойства обратных

1.2.3.3. Транзисторный усилительный каскад Общая постановка задачи. Схемы включения биполярного транзистора.

Схемы замещения транзисторов. Основные параметры транзисторов (линейная модель, h-параметры). Вольтамперные характеристики транзистора.

Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и МОП - транзисторы. Характеристики. Параметры. Основные схемы включения полевых транзисторов. Вольтамперные характеристики.

1.2.3.4. Режимы работы и классы усиления транзистора Режимы малого и большого сигналов.

Классы усиления – А, B, АВ.

1.2.3.5. Усилительный каскад с общим эмиттером

Схема резистивного каскада ОЭ с блокированным сопротивлением в цепи эмиттера. Режим большого сигнала. Графо-аналитический метод расчета элементов схемы каскада. Расчет элементов схемы. Основные параметры каскада. Резистивный каскад ОЭ с неблокированным сопротивлением в цепи эмиттера.

Схема резистивного каскада ОК (эмиттерный повторитель). Расчет элементов схемы Основные параметры каскада.

1.2.3.6. Определение основных технических показателей транзисторного каскада ОЭ и ОК в режиме малого сигнала

1.2.3.7. Усилительный каскад на полевом транзисторе с общим истоком Расчет схемы резистивного каскада ОИ с блокированным

сопротивлением в цепи истока при работе в режиме большого сигнала.

1.2.4. Электронные устройства на операционных усилителях

1.2.4.1. Усилители постоянного тока (УПТ)

УПТ с непосредственными связями. Дрейф УПТ. Особенности и недостатки УПТ с непосредственными связями.

1.2.4.2. Дифференциальные усилительные каскады (ДУ). Устройство, принцип действия и основные технические характеристики УПТ и ДУ. Коэффициент усиления по напряжению, коэффициент ослабления синфазного сигнала.

1.2.4.4. Основные схемы включения операционных усилителей.

1.2.4.6. Дифференциальные усилительные каскады на ОУ в измерительных устройствах. Основная схема ДУ на ОУ. Синфазное напряжение. Дистанционное измерение напряжения. Измерительный усилитель.

1.2.4.7. Источники питания. Основные параметры. Параметрические и компенсационные стабилизаторы напряжения. Схемы стабилизации на ОУ.

1.2.5. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

1.2.5.1. Дискретизация аналоговых сигналов.

1.2.5.2. АЦП . Определение. Классификация. Основные параметры. Параллельные АЦП. АЦП с двухтактным интегрированием. АЦП последовательного приближения. Микросхемы АЦП. Выбор АЦП.

1.2.5.3. ЦАП. Определение. Классификация. Основные параметры. Параллельные ЦАП. ЦАП с матрицей постоянного импеданса.

Требуется спроектировать измерительный (прецизионный) УПТ, который имеет следующие параметры:
1) Диапазон рабочих частот от 0 Гц до 1000 кГц;
2) Коэффициент усиления К0 = 100 (+40 дБ) со ступенчатой регулировкой усиления с шагом -2 дБ и точностью реализации не хуже 0,5%;
3) Выходное сопротивление усилителя не более 50 Ом;
4) Требования к источнику питания устанавливаются из условий выбранной схемотехнической реализации и элементной базы.

Файлы: 1 файл

26_-_Invert_UPT.docx

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Схемотехника аналоговых устройств

Выполнил: Марчук А.Е.

ТЕМА: Измерительный УПТ.

Требуется спроектировать измерительный (прецизионный) УПТ, который имеет следующие параметры:

1) Диапазон рабочих частот от 0 Гц до 1000 кГц;

2) Коэффициент усиления К0 = 100 (+40 дБ) со ступенчатой регулировкой усиления с шагом -2 дБ и точностью реализации не хуже 0,5%;

3) Выходное сопротивление усилителя не более 50 Ом;

4) Требования к источнику питания устанавливаются из условий выбранной схемотехнической реализации и элементной базы.

Наиболее просто реализовать предложенную схему на операционном усилителе.

Рассмотрим простейшую схему операционного усилителя.

Рисунок 1 – Идеальный ОУ.

По закону Кирхгофа, для идеального операционного усилителя, имеем следующую систему уравнений:

Uвх1- I1*R1+Евх-Uвх2=0 (1)

Uвх1- I1*R1- I2*R2-Uвых=0

С учетом того что Iвх=0 и Eвх=0, найдем:

Рассмотрим инвертирующий усилитель.

Рисунок 2 – Инвертирующий усилитель.

Коэффицент передачи такого усилителя определяется из формулы 2 при Uвх2=0:

Выходное напряжение имеет полярность, обратную входному напряжению.

При замкнутой обратной связи (ОС) входное сопротивление со стороны источника сигнала

Отношение K/Ku называют плечевым усилением. От значения этого отношения зависят характеристики и устойчивость замкнутого усилителя.

Выходное напряжение идеального инвертирующего операционного усилителя (ОУ) будет отличаться от значения, определяемого формулой 3.

Влияние входного сопротивления и коэффицента усиления ОУ на входное напряжение определяется соотношением 1:

Из формулы видно, что выходное напряжение меньше идеального значения Uвх*R2/R1. Значение погрешности возрастает при уменьшении К и Rвх.

Для уменьшения Смещения нуля от входного тока обычно выбирают R3=R1||R2. C учетом последнего равенства выражение 5 упрощается:

Если неидеальность ОУ определяется еще напряжением смещения (Uсм) и разностью входных токов (ΔIвх) [ входным током(Iвх) мы можем пренебречь полагая R3=R1||R2 ], то выходное напряжение

Дополнительная погрешность, вызываемая изменением температуры, определяется как произведение температурного коэффицента на период температуры, т. е.

ΔUвых=+ ΔUсм/ΔT* ΔT*(1+ R2/R1)+ ΔΔIвх/ΔT*ΔT1*R2 (8)

В заключение приведем формулу для расчета относительной стабильности коэффицента передачи от изменения коэффицента усиления ОУ:

Из 9 видно, что любые изменения собственного коэффицента усиления ОУ снижаются в К/Ku раз, т. е. На значение передачи по петле ОС.

Рассмотрим неинвертирующий усилитель.

Рисунок 3 – Неинвертирующий усилитель.

Коэффицент передачи неинвертирующего усилителя определяется из (2) при Uвх1=0:

Влияние входного сопротивления и коэффицента усиления ОУ на входное напряжение определяется соотношением 1

Погрешности неинвертирующего усилителя определяются уравнениями (7-8),если в них вместо –Uвх*R2/R1 подставить Uвх*(R2/R1+1).

Для решения поставленной задачи, т.е. построения измерительного УПТ, была выбрана схема дифференциального усилителя на трех ОУ.

Рисунок 4 – Дифференциальный усилитель на 3-х ОУ.

UoutX1 = V1*(1+R2/R1) – V2*R2/R1

UoutX2 = V2*(1+R3/R1) – V1*R3/R1

Uout = UoutX2 - UoutX1 = V2*(1+R3/R1) – V1*R3/R1 - V1*(1+R2/R1) + V2*R2/R1 = (1 + (R2 + R3)/R1)*(V2 – V1)

Uout = (1 + 2(R2/R1))*(V2 – V1)

Данная схема обладает рядом достоинств и позволяет в той или иной мере скомпенсировать некоторые недостатки, присущие многим схемам УПТ, построенным на ОУ.

Два входных ОУ образуют дифференциальный буферный усилитель с коэффициентом усиления 1+2(R2/R1) для разностных сигналов и 1 для синфазных. Оба входных ОУ работают в неинвертирующем режиме. Это обеспечивает высокое входное сопротивление по обоим входам. Усиление легко регулируется при помощи резистора R1. Данная схема обеспечивает хорошее подавление синфазного сигнала. Выходной ОУ действует в данной схеме просто как каскад, преобразующий дифференциальный входной сигнал в несимметричный выходной.

Смоделируем работу схемы в программе Micro-Cap

Рисунок 5 – Моделируемая схема.

Резисторы выбираются из ряда Е192.

Тип выбранных резисторов PTF_FT-16:

Допуск 1%, ТКС = 5ppm/°C.

Резисторы R04 и R03 выбраны номиналом отличающимся от R01 и R02

для лучшего подавления синфазного сигнала.

X1, X2 – высокочастотные операционные усилители LM6165 (National Semiconductor). 1) Частота единичного усиления: 725 МГц; 2) минимальный ток потребления: мА; 3) диапазон питающего напряжения: 4.75В ÷ 32В.

X3 - высокочастотный операционный усилитель LM6164 (National Semiconductor). 1) Частота единичного усиления: 175 МГц; 2) минимальный ток потребления: мА; 3) диапазон питающего напряжения: 4.75В ÷ 32В.

Результаты моделирования представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 – Результаты моделирования (АЧХ и ФЧХ усилителя).

Видим, что в области частот, близкой к 1МГц наблюдается некоторое снижение коэффициента усиления. Для устренения этого недостатка можно ввести цепь коррекции в обратную связь X3.

Читайте также: