2 Математическое описание объекта

Сигналы на выходах блоков с учетом их функций преобразования будут иметь следующий вид:

- на выходе умножителя:

; (2.1)

- на выходе первого делителя:

; (2.2)

- на выходе фильтра нижних частот ФНЧ:

; (2.3)

- на выходе второго делителя:

; (2.4)

• на выходе измерительного преобразователя:

, (2.5)

где , , , , - коэффициенты преобразования (передачи) первого и второго делителя, умножителя, фильтра низких частот и выходного операционного усилителя соответственно;

- опорное напряжение;

- усредненное значение напряжение.

Так как , то , поэтому .

Отсюда (2.6) Решая данное уравнение относительно , получим

; (2.7)

При U₀ = 10 В, исходя их реальных характеристик интегральных множительных и делительных устройств (К525ПС2), выбираем

К_ум = 0,1, К_дел1 = К_дел2 = 10.

Для простоты расчета будем считать, что ФНЧ выполнен на основе повторителя и имеет коэффициент передачи К_ФНЧ = 1.

Подставив числовые значения найдем общий коэффициент передачи измерительного преобразователя К_ИП :

(2.8)

Для реализации такого коэффициента преобразования измерительного преобразователя необходимо ввести в схему делительную цепочку.

3 Разработка принципиальной схемы измерительного преобразователя

Принципиальная схема состоит из 5 основных элементов: на микросхеме DA1 выполнен умножитель, на DA2 выполнен фильтр нижних частот, на DA3 выполнен операционный усилитель, DA4 – первый делитель, DA5 –второй делитель. Умножитель представляет собой функционально законченное устройство. Он имеет три входа X, Y, Z и три входа регулировки смещений Выходной сигнал снимается со встроенного операционного усилителя. Соединяя различным образом входы и выходы умножителя, можно осуществлять операции деления, извлечения квадратного корня, возведения в квадрат [3].

Фильтры нижних частот на основе операционных усилителей находят широкое применение в измерительной аппаратуре. При построении возможны два подхода. Во-первых, можно использовать классическую теорию LC – фильтров, но вместо реальных катушек индуктивности применять так называемые схемные индуктивности. Во-вторых, можно сразу проектировать фильтры без индуктивности. Второй подход обеспечивает получение более компактных устройств, поэтому он применяется гораздо чаще [4].

Исходными данными для расчета являются частота среза f_с, коэффициент усиления К, порядок и тип фильтра. При выборе порядка фильтра следует учитывать то обстоятельство, что чем выше порядок, тем больше фильтр по своим свойствам приближается к идеальному. Но, с другой стороны, увеличение порядка приводит к усложнению схемы фильтра и ужесточению требований к точности его элементов. В связи с этим на практике редко используются фильтры, порядок которых превышает 6.

Гц – частота среза.

Выбираем значения резисторов:

R22=R23=15кОм;

Тогда формулы для расчета емкостей будут выглядеть следующим образом:

; (3.1)

. (3.2)

С1=1179 нФ; С2=589 нФ.

В цепях регулировки смещения делителя и умножителя поступает напряжение U=30В, учитывая закон Ома, выбираем резисторы R1=R2=R3=R4=R5=R6=R10=R11=R12=R13=R14=R15=R19=R20=R21=R24=R25=R27=R28=R29=R30=R34=R35=R36=R_Э1 по ряду Е24: R_Э1=15кОм, величину R7=R8=R9=R16=R17=R18=R31=R32=R33=R_Э2 по ряду Е48: R_Э2=100 Ом.

Тогда резистор R26 будет равен:

. (3.3)

R26=5 кОм.

В качестве усилителя выберем измерительный усилитель, который представляет собой операционный усилитель, используемый для измерения малых разностей напряжения на фоне разностного напряжения, которое часто бывает больше, чем измеряемое разностное напряжение. Он должен, иметь дифференциальный вход, высокое значение коэффициента усиления, низкий сдвиг нулевого уровня и очень большой (обычно больше 80 дБ) коэффициент ослабления синфазного сигнала [5].

В схеме преобразователя используется два операционных усилителя. На первом строится ФНЧ, второй используется для усиления .

В качестве усилителя выберем операционный усилитель К140УД7.

Справочные характеристики операционного усилителя К140УД7 приведены в таблице 1:

Параметры операционного усилителя К140УД7 Таблица 3.1

Параметр	Количественная оценка
Напряжение питания номинальное, В	2×15
Потребляемый ток, мА	2,8
Коэффициент усиления	5×10^4
Напряжение смещения нуля, мВ	9
Входной ток, нА	200
Максимальное выходное напряжение, В	10,5
Входное сопротивление, Мом	0,4
Коэффициент ослабления синфазного сигнала, дБ	70
Скорость нарастания напряжения, В/мкс	0,3
Температурный коэффициент напряжения смещения нуля, мкВ/°С	10
Максимальное напряжение синфазного сигнала, В	12

Для структурной схемы данного курсового проекта выберем делительное и множительное устройства типа К525ПС2. Справочные характеристики микросхемы К525ПС2 приведены в таблице 2:

Параметры микросхемы К525ПС2 Таблица 3.2

Параметр	Количественная оценка
Номинальное напряжение питания, В	±15 ±10%
Ток потребления, мА	6
Входное смещение, мВ	-
Выходное смещение, мВ	-
Входной ток, мкА	4
Максимальное выходное напряжение, В	±10,5
Максимальная частота, МГц	0,7
Коэффициент ослабления синфазного сигнала, дБ	90
Коэффициент влияния нестабильности источника питания, мкВ/В	10
Температурный коэффициент напряжения смещения нуля, мВ/К	0,5
Коэффициент вх токов, нА/К	0,3