Анализ и исследование схем преобразователей напряжение-частота
жүктеу/скачать 13,72 Mb.
|
analiz i issledovanie shem pre
| UОП/R2 Выражение для определения частоты выходных импульсов преобразователя может быть представлено в виде f=T/Bτ, где Т-измеряемая температура; В-постоянная, зависящая от материала терморезистора; τ= =R2C. Следует отметить, что это выражение справедливо до тех пор, пока частота выходных импульсов меньше величины 1/t1. Таким образом, регулировка рассмотренной схемы заключается лишь в том, чтобы правильно выбрать импульсную схему управления транзисторными ключами VT1 и VT5 (см. рис. 1.11) в зависимости от верхнего предела измеряемой температуры. Диапазон измеряемых температур может быть практически любым и определяться типом используемого температурного преобразователя [5]. В настоящее время используется серийно-выпускаемая ИМС ПНЧ-ПЧН К1108ПП1 (рис. 1.13). Выходные импульсы данной ИМС имеют прямоугольную форму с калиброванной длительностью частотой до 500 кГц. Рис. 1.13. АЦП К1108ПП1 и основная схема включения АЦП такого типа удобен и недорог, особенно в тех случаях, когда приходится передавать сигнал по кабелю, что требует частотный, а не кодовый выход [8]. 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЕ-ЧАСТОТА .1 Выбор и описание функциональной схемы Для моделирования ПНЧ рассмотрим его в составе частотно-импульсного модулятора (ЧИМ), формирующего на нагрузке Rн=100 Ом импульсы напряжения амплитудой Uн=10 В. tи=10 мкс=const. При изменении входного напряжения от -5 до 5 В, частота выходных импульсов напряжения f=1/T изменяется от 5кГц до 50кГц. При выходе входного сигнала за пределы указанного диапазона частота остается на уровне граничных значений, т.е. существует двустороннее ограничение 5 кГц£f£ 50 кГц. Для моделирования проектируемого устройства выберем следующую функциональную схему, представленную на рисунке 2.1 Рис. 2.1. Функциональная схема ЧИМ. ПНЧ состоит из интегратора (И), компаратора (К) и ключа (S). Интегратор и компаратор реализованы на операционных усилителях, что позволяет получить высокую линейность преобразования f=F(Uупр). В исходном состоянии пороговое напряжение на входе компаратора Uпор=Uпор1. При подаче напряжения Uупр конденсатор C заряжается до порогового напряжения Uпор1. Когда напряжение на конденсаторе достигает этого значения компаратор переключится и замкнет ключ S, через который происходит разряд конденсатора, при этом на входе компаратора Uпор=Uпор2. При разряде конденсатора С до Uпор2 компаратор вернется в исходное состояние, ключ S разомкнется, начнется заряд конденсатора. Весь цикл повторяется. На выходе компаратора формируются импульсы частотой, соответствующей входному напряжению, и длительностью tи=1/2T. Рис. 2.2. Структурная схема преобразователя напряжение-частота .2 Выбор принципиальной схемы преобразователя напряжение-частота Анализ простейших преобразователей напряжения в частоту показывает, что при построении схем с высокой линейностью передаточной характеристики необходимо руководствоваться следующими основными положениями: используемый в режиме интегратора ОУ должен иметь большой коэффициент усиления при разомкнутой петле ОС и высокое входное сопротивление; верхнее и нижнее значения порогового напряжения компаратора должны оставаться неизменными в процессе работы схемы, для чего следует применять высоко-стабилизированный источник отрицательного напряжения питания и ОУ с низким входным напряжением смещения и малым дрейфом; скорость нарастания выходного напряжения интегратора должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить быстрое время разряда интегрирующего конденсатора. Следует отметить, что выполнение последней рекомендации наиболее важно, поскольку время сброса вносит максимальный вклад в точность преобразователя. Ниже приведена схема преобразователя напряжения в частоту с высокой линейностью. Особенность этой схемы, изображенной на рис. 2.3, заключается в том, что времена заряда и разряда интегрирующего конденсатора С1 в схеме равны; это обеспечивает симметричность выходных импульсов и позволяет в определенных пределах скомпенсировать время включения транзистора VT1, коллекторный ток которого разряжает этот конденсатор . Рис. 2.3. Схема преобразователя напряжение-частота. 3.3 Расчет принципиальной схемы преобразователя напряжение-частота Для того чтобы времена нарастания и спада напряжения на выходе интегратора были равны между собой, необходимо выполнение условия . Однако в этом выражении не учтено отличное от нуля значение времени задержки включения транзистора VT1, которое, может существенно нарушить симметрию выходных импульсов верхнего предела рабочего диапазона частот преобразователя (в данном случае 100 кГц). Кроме того, на таких частотах время задержки значительно ухудшит линейность преобразования. Для компенсации влияния транзистора VT1 на линейность передаточной характеристики в схеме использована фазосдвигающая цепь R12C2R13, включенная между интегратором и компаратором напряжения. На низких частотах (при малых входных напряжениях) влиянием конденсатора С2 на выходной сигнал можно пренебречь, и фазосдвигающая цепь работает как обычный резисторный делитель. С повышением рабочей частоты сопротивление конденсатора уменьшается, и большая часть выходного напряжения интегратора поступает на вход компаратора, вызывая тем самым более раннее переключение последнего. При соответствующем выборе номиналов этой цепи задержка включения транзистора VT1 может быть полностью скомпенсирована. Использование транзистора Q1 в инверсном режиме также способствует повышению качества преобразования, поскольку при таком включении уменьшается падение напряжения коллектор-эмиттер транзистора в насыщенном состоянии. Предложенная схема имеет хорошие температурные характеристики, так как положительный температурный коэффициент по напряжению стабилитронов компенсирует отрицательный коэффициент прямо смещенных р-n-переходов транзистора. При изменении входного напряжения от 0 до 9.75 В частота выходных импульсов изменяется от 0 до 50 кГц (линейность в пределах 0,1 %). Коэффициент преобразования "напряжения - частота" равен 5.1 кГц/В. Для того чтобы на выходе ПНЧ получить импульсы частотой от 5кГц до 50кГц на вход ПНЧ необходимо подать управляющее напряжение U упр от 0.98 В до 9.8 В. Следует отметить, что для достижения такой линейности необходимо, чтобы внутреннее сопротивление источника сигнала оставалось достаточно малым по сравнению с сопротивлениями R8 и R10 во всем диапазоне частот (0-50 кГц). Высокая точность и большой динамический диапазон рабочих частот схемы позволяют выполнять с ее помощью высококачественные аналого-цифровые преобразования и строить на ее основе прецизионные управляемые напряжением генераторы пилообразных колебаний. Рис. 2.4. Схема ПНЧ с выбранными и рассчитанными элементами Для согласования уровней входного напряжения Uвх с ПНЧ требуется формирователь управляющего напряжения Uупр. Формирователь импульсов служит для получения сигнала с заданной длительностью tи=10 мкс=const. Усилитель выходного сигнала служит для согласования выхода формирователя импульсов с нагрузкой. 3.4 Моделирование в среде MicroCAP-9 Узлы ЧИМ, представленные на функциональной схеме, объединим в принципиальную схему, представленную на рисунке 2.5. При моделировании принципиальной схемы с помощью MicroCAP-9 использованы аналоговые модели пассивных и активных компонентов, источников сигналов. ОУ в принципиальной схеме представлены моделями 3-ого уровня (Level 3), которые характеризуются ограничение скорости наростания и спада, ограничением коэффициента передачи на постоянном и переменном токе, фазовыми сдвигами, ограниченной полосой пропускания. Данные характеристики ОУ привели к соответствующим искажениям импульсного сигнала, а именно, увеличение длительности переднего и заднего фронта импульсов. В связи с этим для получения заданных параметров выходного сигнала при моделировании схемы ЧИМ была произведена корректировка некоторых пассивных элементов. Рис 2.5. Принципиальная схема ЧИМ С помощью режима анализа Transient (Alt+1) рассмотрим переходные процессы. Для наглядности и анализа работы отдельных узлов ЧИМ и устройства в целом выбраны следующие контрольные точки: вход ЧИМ (рис. 2.7), выход ограничителя (2.8), выход, выход схемы сдвига (рис. 2.9), выход интегратора (рис. 2.10), выход компаратора (рис. 2.11), выход ждущего мультивибратора (рис. 2.12), выход ЧИМ (рис. 2.13) Таблица задания параметров моделирования приведена на рис. 2.6. Рис. 2.6 Таблица задания параметров моделирования Рис. 2.7. Сигнал на входе ЧИМ Рис.2.8. Сигнал на выходе ограничителя Рис. 2.9. Сигнал на выходе схемы сдвига Рис. 2.10. Сигнал на выходе интегратора Рис. 2.11. Сигнал на выходе компаратора Рис. 2.12. Сигнал на выходе ждущего мультивибратора Рис. 2.13. Сигнал на выходе ЧИМ Проведем температурный анализ для температур 27°C, 100°C. Для этого заменим идеализированные элементы ПНЧ-блока на приближенные реальным. Рис. 2.14. Сигнал на выходе ПНЧ для 27°C, 100°C Как видно из рис. 2.14 предложенная схема имеет хорошие температурные характеристики, так как положительный температурный коэффициент по напряжению стабилитронов компенсирует отрицательный коэффициент прямо-смещенных p-n - переходов транзистора. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате проведенной работы были рассмотрены различные схемы преобразования напряжения в частоту, промоделирован преобразователь напряжения в частоту с повышенной линейностью передаточной характеристики в составе частотно-импульсного модулятора (ЧИМ), формирующего на нагрузке Rн=100 Ом импульсы напряжения амплитудой Uн=10В и постоянной длительностью tи=10мкс=const. В ходе выполнения дипломной работы был произведен расчет элементов ПНЧ. Анализ и моделирование принципиальной схемы выполнены с помощью программы схемотехнического моделирования Micro-CAP 9. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): учебник для вузов. Под ред. О.П. Глудкина. - М.: Горячая линия -Телеком, 2003.- 768с. 2. Титце У.,Шенк К., Полупроводниковая схемотехника:справочное руководство. Пер. с нем. - М.: Мир, 1982.-512с. 3. Амелина М.А., Амелин С. А., Троицкий Ю. В. ОФОРМЛЕНИЕ КУРСОВЫХ ДИПЛОМНЫХ РАБОТ. Методические указания для студентов специальности "Промышленная электроника". Темплан издания СФ МЭИ, 2007 г., метод. . Кауфман М, Сидман А.Г. Практическое руководство по расчетам схем в электронике: Справочник. В 2-х т. Т. 1: Пер. с англ./ Под ред. Ф.Н. Покровского. - М.: Энергоатомиздан, 1991. - 368 с. 5. Применение прецизионных аналоговых микросхем/А.М. Алексенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985. - 304 с. . Калиненко А.Г.. Усилительные устройства на транзисторах и интегральных микросхемах. М.: издательство МЭИ, 1999 7. Калиненко А.Г. Лекции. Электронные цепи и микросхемотехника. . Амелина М.А. Лекции. Электронные и промышленные устройства. 9. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств.- М. Издательский дом "Додэка- XXI", 2005. - 528с. 10. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник/В.Л. Аронов, Ф.В. Баюков и др. Под общ. ред. Н.Н. Горюнова.- М. Энергоамиздат, 1983.- 940с. Все о написании дипломных работ на сайте https://edunews.ru/students/vypusknaya/ жүктеу/скачать 13,72 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|