Введення
Курсове проектування є завершальним етапом вивчення студентами спеціальних дисциплін, передбачених робочим планом за фахом.
Завдання курсового проектування - закріплення, систематизація, поглиблення і розвиток теоретичних і практичних знань, отриманих в процесі вивчення дисципліни, а також придбання ними практичних навичок самостійного рішення загальнотеоретичних, практичних і методичних питань моделювання.
Основна мета курсового проектування полягає у вивченні та аналізі питань, пов'язаних зі спеціальними аспектами досліджуваних дисциплін, вдосконаленні загальнотеоретичної підготовки студентів, а також самостійному застосуванні отриманих знань. Мета проекту - закріплення отриманої теоретичної бази.
Аналіз технічного завдання
У цій роботі необхідно узгодити амплітуду вихідного сигналу датчика зі шкалою АЦП.
Параметри датчика:
Як датчик візьмемо вимірювач рівня токсичних газів і парів САРО6. На малюнку 1.1 представлена функціональна схема.
Малюнок 1.1 - Функціональна схема CAPO 6
Основні характеристики:
Максимальна U вих - 3,0 V
Мінімальна U вих - 0,2 V
- Вихідний опір - 415 до Ω
- Діапазон частот - 0 ... 1000 Hz
Величина синфазної складової - 2 V
На малюнку 1.2 представлена характеристика залежності вихідної напруги від концентрації газу.
Малюнок 1.2 - Характеристика концентратомірів
Характеристики АЦП
Опір аналогового входу - 0,5 k Ω
Опір входу управління - 1 k Ω
Діапазон вхідних напруг - 10 V
Число розрядів коду - N = 12
Амплітуда імпульсу управління - 3 V
Час перетворення - 10 μS
Побудова структурної схеми
2.1 Взаємодія блоків
За технічним завданням вхідний сигнал надходить з акселерометра, а перетворений сигнал надходить на АЦП.
Пристрій, що погодить необхідно для узгодження опорів, первинного посилення, ослаблення синфазної складової.
Фільтр низьких частот необхідний для обмеження частотного діапазону пристрою в необхідних межах.
Для даного датчика функціональний перетворювач не потрібен так як датчик характеризується лінійною характеристикою.
Пристрій вибірки зберігання служить для тактирования циклів вибірки при перетворенні сигналу в цифровий код, тобто для узгодження пристрою з АЦП.
Для зниження накопичувальної помилки основне посилення повинно відбуватися в пристрій, що погодить, а інші блоки мають поодинокий коефіцієнт підсилення.
Структурна схема приведена на малюнку 2.1
Рисунок 2.1 - Схема структурна каналу збору та передачі аналогових даних.
Розрахунок структурної схеми
Перед тим як перейти до розрахунку блоків необхідно зробити розрахунок параметрів, які не задані, але їх, можливо, розрахувати, спираючись на характеристики датчика і АЦП.
(2.1)
(2.2)
D = 23,5
Коефіцієнт посилення максимальний розраховується за формулою (2.3)
(2.3)
K Umax = = 65
Мінімальний коефіцієнт посилення розраховується за формулою (2.4)
(2.4)
K Umix = = 4,3
За формулою (2.5) розраховуємо коефіцієнт ослаблення синфазної складової.
(2.5)
До ОСС = = 20
2.2.1 Розрахунок пристрої вибірки зберігання
Пристрій вибірки зберігання служить для квантування сигналу за часом. Тобто точність цього блоку впливає на характеристики оцифрованого сигналу. Похибка даного блоку не повинна перевищувати 10 -3 с. Даний блок є кінцевим в каналі збору та обробки аналогових даних тому його вихідний опір має збігатися з вхідним опором АЦП, а так само має бути погодження за рівнем напруги.
2.2.2 Розрахунок фільтра низьких частот
Смуга пропускання даного пристрою за технічним завданням лежить від 0 Hz до 1 kHz. Нерівномірність АЧХ в смузі пропускання повинна бути мінімальною. На граничній частоті ФНЧ повинен мати спад в -3 дБ. Коефіцієнт посилення по напрузі приймемо рівним 1, для зниження похибки перетворення. Розрахунок вхідних і вихідних опорів виробляємо за формулами (2.5), (2.6).
k Ω (2.5)
(2.6)
2.2.4 Розрахунок узгоджувального пристрою.
Погодить пристрій служить для придушення синфазної складової, а так само для посилення сигналу до необхідної амплітуди.
Коефіцієнт ослаблення синфазної складової розраховується за формулою (2.4).
Коефіцієнт посилення по напрузі приймемо рівним
Опір входу узгоджувального пристрою розраховується за формулою (2.7)
(2.7)
Розрахункова частина
Підбір елементів
При підборі елементів необхідно враховувати, щоб їх параметри не впливали на перетворений сигнал. Тобто вони мали б достатньо широкий частотний діапазон і амплітуди робочих сигналів.
Вибір ОУ проводиться за величиною вихідної напруги, тобто воно повинно узгоджуватися зі шкалою АЦП.
Підбір ОУ ведеться за такими параметрами:
- Максимальний вихідний струм;
- Максимальна вихідна напруга;
- Максимальна швидкість наростання вихідної напруги;
- Вхідний опір;
- Коефіцієнт ослаблення синфазної складової;
- Напруга зсуву;
- Напруга зсуву;
- Струм зміщення;
У всій схемі краще використовувати один тип ОУ тому що тоді потрібен лише один двополярний джерело живлення.
До всіх вузлів схеми бажано вибирати ОУ з якомога більшою вхідним опором і коефіцієнтом ослаблення синфазної складової, c якомога меншими вхідними струмами і напругами зсуву.
ОУ OPA 131 P має дуже високий вхідний опір, напруга виходу даного ОУ і швидкість наростання відповідають пропонованим до схеми вимогам, тому його можна використовувати в побудові даної схеми.
Дані ОУ OPA 131 P
Напруга виходу U вих max = ± 18 V;
Коефіцієнт посилення без зворотного зв'язку До U = 100000;
Коефіцієнт ослаблення синфазної складової К ОСС = 80 дБ;
Струм виходу I вих мах = 1 mA;
Швидкість наростання вихідної напруги V U вих = 10 V / mks;
Опір входу
Опір виходу
Напруга живлення U піт = ± 18 V;
Тепловий дрейф напруги зсуву
Критерієм вибору польового транзистора служить величина струму витоку, а так само напруги затвор-стік, затвор-витік.
В якості ключового транзистора вибираємо 2 SJ 68, тому що він володіє високою швидкодією, малим струмом витоку, малі внутрішні ємностями.
Дані польового транзистора 2 SJ 68
Максимальна робоча частота f max = 150 MHz;
Постійний струм стоку I Cmax = 50 mA;
Струм витоку затвора I З.утч = 10 nA;
Постійна напруга Затвор - Исток U ЗИ МАХ = 12 V;
Постійна напруга Затвор - Сток U ЗС МАХ = 40 V;
Постійна напруга Сток - Исток U СІ МАХ = 40 V.
У даній схемі необхідно використовувати високочастотні діоди, щоб їхня робоча частота перевищувала 1 kHz. Т. до струми протікають між ОУ дуже малі то необхідно враховувати зворотні струми діодів. Тому зворотний струм повинен бути якомога меншим.
Діод вибирається за величиною струму витоку і величиною зворотної напруги.
Як діода виберемо діод 1 N 3063.
Дані напівпровідникового діода 1 N 3063:
Максимально допустимий прямий струм I пр VD = 50 mA;
Максимально допустимий зворотний струм I обр VD = 0.1 mkA;
Максимально допустимий зворотне напруга U обр VD = 50 V;
Максимальна робоча частота F раб VD = 20 MHz;
Постійне пряма напруга U пр = 1 V.
3.2 Розрахунок ПВЗ
Схема пристрою вибірки зберігання зображена на малюнку 3.1
Малюнок 3.1 - Схема електрична ПВЗ.
Розрахунок даного вузла виробляємо за наступною методикою.
Ємність времязадающих конденсатора обчислюється за формулою (3.1)
(3.1)
=
F
Номінал резистора R 28 можна обчислити за формулою (3.2)
(3.2)
Ω
Величини резисторів R 27, R 30 необхідні для узгодження вхідних і вихідних опорів. R 27 вибирається рівним опору виходу ФНЧ. R 30 розраховується за формулою (3.3).
(3.3)
(3.4)
R вихо = = 10 березня Ω
R 30 = =
Ω
Величини всіх опорів вибираємо з ряду номіналів Е24.
Напруження джерел + U, - U залежать від типу ВВ (від напруги живлення).
3.4 Розрахунок ФНЧ
Схема фільтра низьких частот зображена на малюнку 3.3
Малюнок 3.3 - Схема електрична ФНЧ (фільтр Баттерворта II порядку).
Розрахунок даного вузла виробляємо за наступною методикою.
Знайдемо ω за формулою (3.10).
(3.10)
Значення f гр знаходимо за формулою (3.11).
(3.11)
Добротність фільтру розраховується за формулою (3.12).
(3.12)
Величина резистора R 3 дорівнює R 2.
Даний фільтр має передавальну характеристику наведену в (3.13)
(3.13)
Задамося номіналами резисторів R 1 і R 2.
R 1 = 55 k Ω;
R 2 = 4 k Ω;
Розрахуємо номінал З l 1 за формулою (3.14).
(3.14)
Номінал С2 знаходимо за формулою (3.15).
(3.15)
Величини номіналів всіх опорів і ємностей вибираємо з ряду Е24.
Розрахунок СУ
Схема узгоджувального пристрою зображена на малюнку 3.4.
Малюнок 3.4 - Схема електрична СУ
Розрахунок даного вузла виробляємо за наступною методикою.
Каскад на операційному підсилювачі Х3 служить для придушення синфазної складової. У нього одиничний коефіцієнт посилення тому резистори R 5, R 6, R 7, R 8 рівні між собою і мають номінал 1.5 k Ω Каскади на ОУ Х1 і Х2 повинні мати однакові характеристики посилення, щоб не вносити похибка. Резистор R 3 подстроєчний для кращої налаштування даного каскаду.
Обидва підсилювача зібрані по не инвертирующей схемою, і коефіцієнт підсилення можна розрахувати за формулою (3.11). Резистори R 1 і R 4 повинні бути рівні між собою. Величину K U можна знайти, як говорилося вище зі співвідношення величини сигналу датчика і шкали АЦП (3.12).
(3.11)
(3.12)
Знаючи, коефіцієнт посилення K U і задавшись R 33 = 10 k Ω можна розрахувати суму R 32 і R 31.
При даній величині даної суми вибираємо номінали R 2 і R 3 з ряду Е24 і відповідно рівні 470 k Ω і 60 k Ω (подстроєчний).
4. Похибки посилення
Розрахунок похибки перетворення.
Похибка схеми обумовлена параметрами не ідеальності ОУ. Основна похибка обумовлена наявністю напруги зсуву і його температурного дрейфу.
Розрахуємо похибку перетворення від розкиду параметрів елементів. Для цього розрахуємо максимальний коефіцієнт підсилення для кожного з блоків при 5% допуск розкиду параметрів.
Зробимо розрахунок УС за формулами (3.13 - 3.16).
K Umax1 = (3.13)
K Umax2 = (3.14)
K Umax = K Umax 1 · K Umax 2 (3.15)
D U = (3.16)
K Umax =
D U = 0,2 · (0,4 - 0,33) = 0,014, V
K U ФНЧ практично не залежить від розкиду параметрів елементів оскільки він побудований за схемою еммітерного повторювача. Тому розкид параметрів впливає тільки на частоту зрізу.
Помилка перетворення по напрузі зсуву при кімнатній температурі обчислюється за формулою (3.13).
(3.13)
де: U cm - напруга зсуву ОУ OPA131P;
До 1 - коефіцієнт посилення СУ;
К 2 - коефіцієнт посилення ФНЧ;
К 4 - коефіцієнт посилення ПВЗ.
, V
У пристрої узгодження і функціональному перетворювачі є коригувальний резистор тому в даних блоках відсутня похибка пов'язана з вхідним струмом. У ПВЗ дана похибка відсутня через 100% ООС.
Температурна помилка схеми обчислюється за формулою (3.14).
(3.14)
Так як були обрані ОУ однієї моделі то величина температурної похибки буде в 3 рази більше з-за того що, в каналі послідовно включено 4 ОУ.
= 3 · 8.012 · 10 -5 = 24,036 · 10 -4, V
Величина похибки від зміни вхідного струму обчислюється за формулою (3.15)
(3.15)
Результати розрахунків для кожного блоку заносимо в таблицю 3.3
Таблиця 3.3 - Величина D U вих для блоків каналу
Блок
УС
ФНЧ
ПВЗ
D U вих, V
0.104
2 · 10 -3
2 · 10 -3
Похибка АЦП становить половину величини квантування, вона обчислюється за формулою (3.16).
(3.16)
А величина U min АЦП за формулою (3.17).
(3.17)
Таким чином, повна похибка вибірки каналу і перетворення аналогового сигналу яка складається з суми абсолютних похибок АЦП, похибки напруги зсуву, температурної похибки, похибки від розкиду параметрів елементів і похибка від зміни вхідного струму обчислюється за формулою (3.17).
(3.17)
5. Рекомендації з налагодження
У ході налагодження даного приладу необхідно провести настройку узгоджувального пристрою для точної установки коефіцієнта посилення та отримання амплітуди вихідного сигналу в діапазоні шкали АЦП.
Параметри елементів функціонального перетворювача і фільтра низьких частот повинні, мінімально відрізняться від розрахункових значень. Для отримання розрахункових характеристик.
Налагодження пристрою вибірки зберігання виробляємо за допомогою зовнішнього генератора. Після подачі імпульсу виробляємо вимірювання всіх тимчасових діаграм. Вони повинні відповідати розрахунковим значенням.
Налагодження виробляють всім електронним пристроям для роботи в нормальному режимі. Щоб всі напруги і протікають струми перебували в допустимих межах.
Висновок
У даному курсовому проекті був розроблений канал вибірки та перетворення аналогових даних. Даний пристрій є посередником між цифровою та аналоговою частиною будь-якого пристрою в якому об'єднані як аналогові, так і цифрові блоки.
Розроблено структурну та принципова схема канал вибірки та перетворення аналогових даних. Виконано синтез і апаратна реалізація низькочастотного активного фільтра Баттерворта 2-го порядку. А також розрахунок і узгодження інструментального підсилювача, функціонального перетворювача й пристрої вибірки зберігання.