Электронный вольтметр переменного тока действующих значений (стр. 1 из 5)
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет Информатики и радиоэлектроники
Кафедра Информационных систем
и измерительных технологий
Специальность 200106
Задание
На курсовой проект
Подгорнову Олегу Павловичу
Шифр 6041012
Тема работы: Разработать электронный вольтметр переменного тока действующих значений, обеспечивающий измерение напряжения в заданном диапазоне
2. Исходные данные
Диапазон измерения, В: 10-3 – 300;
Диапазон частот, кГц: 0.02 – 200;
Входное сопротивление, не менее, МОм: 2.5;
Входная ёмкость, не более, пФ: 10;
Основная погрешность, %: 1.5;
Рабочий диапазон температур, оС: 10 – 45;
Напряжение питания, В: 220 10 %.
3. Содержание пояснительной записки
3.1. Выбор и обоснование схемы прибора
3.2. Расчет элементов и узлов прибора (расчет принципиальной схемы)
3.3. Оценка погрешности
3.4. Описание прибора
4. Перечень графического материала
4.1. Структурная схема
4.2. Принципиальная электрическая схема
4.3. Чертеж печатной платы
4.4. Электромонтажный чертеж платы
4.5. Сборочный чертеж
5. Дата выдачи задания
6. Срок сдачи проекта
Задание выдал Мельников А.А.
(подпись)
Задание принял
Содержание:
1 Техническое задание
2 Выбор и обоснование схемы прибора
3 Расчет элементов и узлов прибора
3.1 Расчет входного делителя
3.2 Расчет преобразователя импеданса
3.3 Расчет аттенюатора
3.4 Расчет усилителя
3.5 Расчет преобразователя действующих значений (ПДЗ)
4 Оценка погрешности прибора
4.1 Расчет погрешности входного делителя
4.2 Расчет погрешности преобразователя импеданса
4.3 Расчет погрешности аттенюатора
4.4 Расчет погрешности ПДЗ
4.5 Расчет погрешности усилителя
4.6 Расчет основной погрешности прибора
5 Описание спроектированного прибора
6 Выводы по результатам проектирования
7 Список использованной литературы
Приложение A Справочные данные
1 Техническое задание
Разработать электронный вольтметр переменного тока действующих значений, обеспечивающий измерение напряжения в заданном диапазоне со следующими характеристиками (параметрами):
Диапазон измерения, В: 10-3 – 300;
Диапазон частот, кГц: 0.02 – 200;
Входное сопротивление, не менее, МОм: 2.5;
Входная ёмкость, не более, пФ: 10;
Основная погрешность, %: 1.5;
Рабочий диапазон температур, оС: 10 – 45;
Напряжение питания, В:220 10 %.
Выбор и обоснование схемы прибора
Электронные вольтметры переменного тока представляют собой сочетание выпрямляющего устройства (детектора), усилителя, измерительного механизма и выполняются по двум схемам:
1. “Детектор – Усилитель постоянного тока”.
Рис. 2.1
Данная схема имеет широкую область частот измеряемых напряжений с верхней границей порядка 0.5 – 1 ГГц, но обладает меньшей точностью и чувствительностью, чем электронные вольтметры, выполненные по второй схеме.
2. “Усилитель – Детектор”.
Рис. 2.2
Данная схема имеет более высокую чувствительность, нижний предел измерения порядка 1 мВ, класс точности порядка 1.5 – 2.5, но меньший диапазон частот измеряемых напряжений, верхняя граница частот не превышает 5 – 10 МГц.
Исходя из технического задания, выбираем вторую схему. Общая структурная схема проектируемого вольтметра представлена на рис. 2.3. Данная схема используется потому, что применение обратных связей, охватывающих несколько блоков, усложняет расчёт и настройку прибора.
Рис. 2.3
Первые четыре элемента, представленные на рис. 2.3, образуют масштабный преобразователь, следующие три – преобразователь действующих значений, а последний – измерительный механизм (ИМ).
Из-за сложности конструирования многопредельного входного высокоомного делителя и для получения требуемого входного сопротивления прибора и точности измерения, входной блок прибора строят на основе одноступенчатого входного делителя, повторителя напряжения и многоступенчатого низкоомного делителя (аттенюатора).
ВД – входной делитель. Представляет собой пассивный одноступенчатый делитель. Состоит из высокоомных сопротивлений, чтобы переключения ВД не сильно изменяли входное сопротивление прибора и корректирующих конденсаторов, чтобы коэффициент деления не зависел от частоты.
ПИ – преобразователь импеданса. Реализован на операционном усилителе КР140УД26 с полной обратной связью и представляет собой повторитель напряжения. Предназначен для согласования сопротивлений входного делителя и аттенюатора.
Атт. – аттенюатор. Осуществляет реализацию нескольких пределов измерения путем деления входной величины на разные коэффициенты. Строится таким образом, чтобы его выходное сопротивление не было в зависимости от предела измерения.
У – однопредельный активный усилитель с постоянным коэффициентом преобразования. Должен обладать малым дрейфом нуля, низким порогом чувствительности, большим диапазоном частот пропускания. Предназначен для получения необходимого коэффициента усиления. Для усиления только переменной составляющей тока перед усилителем необходимо расположить разделительную цепь, которая устранит постоянную составляющую тока.
Преобразователь действующих значений (ПДЗ) предназначен для преобразования переменного тока в постоянный. Может быть реализован двумя способами: с использованием логарифмирующих и антилогарифмирующих устройств; с помощью нелинейных преобразователей с квадратичной характеристикой и устройства, извлекающего квадратный корень. При использовании первого способа преобразователь получается достаточно сложным и имеет небольшую точность преобразования. Структура ПДЗ состоит из следующих трёх блоков:
Кв. ФП – квадратирующий функциональный преобразователь.
УУ – усредняющее устройство.
ФП ИК – функциональный преобразователь, реализующий извлечение квадратного корня.
В данном проекте ПДЗ выполнен на квадратичном преобразователе, основанном на множительно-делительном устройстве на управляемых проводимостях. На входе такого квадратичного преобразователя нет необходимости использовать устройство выделения модуля.
Расчет элементов и узлов прибора
1.1 Расчет входного делителя
Сопротивление входного делителя и входное сопротивление прибора должны быть не менее заданного в техническом задании входного сопротивления прибора, т.е. не менее 2.5 МОм.
Рис. 3.1
С резистора R2 на вход преобразователь импеданса подается напряжение UВЫХ, составляющее часть измеряемого напряжения UВX, задаваемое коэффициентом умножения K равным 0.001, т.е. входной делитель делит входное напряжение на 1000.
, (3.1.1)где
;RП – входное сопротивление преобразователя импеданса. RП » 109 Ом.
Сопротивление RП >> (R2 + R3), поэтому можно считать, что R2П » (R2 + R3). Для обеспечения требуемого входного сопротивления прибора Rвх необходимо выполнение условия:
, (3.1.2)где
.Следовательно,
. (3.1.3)Зная входное сопротивление преобразователя импеданса RП и входное сопротивление Rвх электронного вольтметра, можно найти RД:
[МОм].(3.1.4)Из формул (3.1.2) и (3.1.3) следует, что
[кОм].(3.1.5) 
[МОм].(3.1.6)При работе делителя напряжения из активных сопротивлений на переменном токе, коэффициент деления зависит от частоты в результате шунтирования сопротивлений паразитными ёмкостями. Для устранения этой зависимости необходимо осуществить частотную коррекцию путём шунтирования сопротивлений делителя ёмкостями C1 и C2. При этом:
, (3.1.7)где C2П = C2 + CП;
CП – входная ёмкость преобразователя импеданса. CП » 2 пФ.
Ёмкость конденсатора C1, в основном, определяет входную ёмкость электронного вольтметра Cвх. Приняв C1 » Cвх, получим, что C1 = 10 пФ. Конденсатор C1 подстроечный, поэтому условие, заданное в техническом задании о значении входной ёмкости, выполнимо.
Исходя из условия (3.1.7), получим значение C2:
[нФ],(3.1.8)Ограничительные диоды VD1 и VD2 предназначены для защиты преобразователя импеданса от перегрузки по напряжению. В качестве диодов используются Д311, прямое падение напряжения на которых составляет 0.4 В.
R1: С2-29В-0.25-2.49 МОм ± 0.5%
R2: С2-29В-0.25-2.49 кОм ± 0.5%
R3: РП1-85А-0.5-240 Ом ± 10%
C1: КТ4-25-250В-3…15 пФ ± 10%
C2: К71-6-300В-10 нФ ± 10%
1.2 Расчет преобразователя импеданса
Преобразователь импеданса, изображённый на рис. 3.2, основан на неинвертирующем повторителе напряжения. Его достоинством является высокое входное сопротивление.