Разработка измерительного аналогового преобразователя (стр. 3 из 4)
В свою очередь входные токи ОУ должны быть значительно меньше (в 10…50 раз) токов, текущих через резисторы дифференциального усилителя.
Итак входные токи ОУ должны быть не более, чем меньше, тем меньшую ошибку они будут вносить.
Перечисленным условиям удовлетворяют многое ОУ, например К140УД6, со следующими параметрами:
1. Кус = 50 · 103
2. eсм = 8 мВ;
3. iвх = 0.05 мкА;
4. v = 2 В/мкс;
5. Uпит = ±(5…20) В.
Изобразим схему моста с дифференциальным усилителем, выполненным по схеме рисунка 3. Так как через резисторы усилителя текут токи заведомо много меньшие, чем токи моста, то на них будет выделяться мощность меньше и здесь также можно использовать резисторы типа МЛТ с минимально возможной мощностью 0,125 Вт.
Входное напряжение усилителя 0…8,18 В, а выходное - 0…10 В. Значит коэффициент усиления дифференциального усилителя должен быть
Напряжение в точке б:
Ток через резисторы R6 и R7положим в 50 раз меньше тока резисторов моста. Тогда
Откуда
Принимаем сопротивление R6 cогласно ряду Е24:
R6 = 180 кОм.
Тогда
R7 = 1,22 · 180 = 219,6 кОм,
Принимаем сопротивление R7 cогласно ряду Е24:
R7 = 220 кОм.
В нашей схеме должно выполняться соотношение R5 = R6 и R7 =
R8, поэтому
R5 = 180 кОм, R8 = 220 кОм.
Рисунок 3 - Схема моста с фоторезистором и дифференциального усилителя
4. Расчёт фильтра
При обработке сигнала очень часто приходится сталкиваться с ситуацией, когда на сигнал накладывается сигнал помехи, от которого надо избавиться. Для этой цели можно использовать пассивные и активные фильтры.
Построение пассивных фильтров (используют только R, L и С элементы) проще, но они ослабляют сигнал. Кроме того, на низких частотах применение индуктивностей затруднительно из-за их больших габаритов.
Активные фильтры включают в себя усилительные элементы, охваченные цепями обратной связи. Их использование позволяет обойтись без индуктивных элементов и без большого труда строить фильтры с заданными характеристиками.
Активные фильтры.
Активные фильтры на основе ОУ находят широкое применение в измерительной аппаратуре. При построении активных фильтров 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.
Расчёт фильтра
Необходимо спроектировать фильтр для удаления из сигнала помехи частотой 4000 Гц и амплитудой примерно равной амплитуде полезного сигнала.
Рассчитаем фильтр низкой частоты, ослабляющий помеху в 100 раз, т. е. на 40 дБ2.
Крутизна спада АЧХ на переходном участке определяется выражением:
где ∆К – уменьшение коэффициента передачи в зависимости от изменения частоты ω.
Для фильтра второго порядка n=2 наклон АЧХ 40 дБ/дек, для n=4 наклон АЧХ 80 дБ/дек, для n=6 - 120 дБ/дек.
Если надо ослабить помеху на ∆К дБ, то для фильтра порядка n частота среза должна быть:
В нашем случае ослабление должно быть ∆К = 40 дБ, порядок фильтра выберем n=2, тогда искомая частота среза:
Сигнал с частотой менее 400 Гц будет проходить через фильтр практически без изменений, а с большими частотами – задерживаться.
Пусть сигнал с частотой менее 400 Гц будет проходить без усиления, т. е. коэффициент усиления К=1. Тогда АЧХ проектируемого фильтра будет иметь вид, показанный на рисунке 4.
Рисунок 4 - АЧХ проектируемого фильтра
Применим звено по схеме Саллен - Ки.
Рассчитываем ёмкость С:
Получилось число, соответствующее ряду номинальных значений Е24, однако проще найти конденсаторы с номинальной ёмкостью, соответствующей ряду Е6. Поэтому выберем конденсатор С3 типа К77-1 с ёмкостью 0,022 мкФ:
Фильтры достаточно чувствительны к точности элементов, поэтому желательно выбрать минимально возможный допуск на ёмкость. Для К77-1 это ±2%.
Так как мы выбрали фильтр второго порядка, то у нас будет одно звено с одним операционным усилителем. Выберем фильтр Баттерворта, чтобы получить наиболее равномерную АЧХ (на тот случай, если проектируемый фильтр используется для измерительной аппаратуры). Из таблицы 1 мы выбираем коэффициенты
b=1,4142, с=1,0000.
Определяем С4, R3 и R4:
Выберем С4 =0,01 мкФ типа К73-17 с ёмкостью из ряда Е6.
Резисторы типа МЛТ можно выбрать из ряда Е24 или Е96, лучше выбрать более точные (Е96), тогда R3 = 20 кОм.
Из ряда Е96 – R4 = 36 кОм.
Так как K=1, то R5=∞ (то есть отсутствует), а R6=0.
Напряжение питания ОУ – 20 В, поэтому мощность, выделяющаяся на резисторах не превышает 202/20000=0,02 Вт.
Выберем резисторы мощностью 0,125 Вт типа МЛТ.
Операционный усилитель выбираем по следующим критериям:
1. Напряжение питания ОУ. Должно соответствовать напряжению питания разрабатываемого устройства (согласно заданию).
2. Напряжение смещения ОУ, есм. Должно быть существенно меньше входного сигнала. Так при усилении сигнала от усилителя 0…10 В напряжение смещения должно быть хотя бы в 100 раз меньше, т. е. eсм< 0,1 В.
3. Скорость нарастания в холодного напряжения v. Она определяет верхнюю рабочую частоту фильтра:
В нашем случае рабочая частота большая, и это условие выполняется даже для выходного напряжения 10 В. Вычислим минимальное необходимую скорость нарастания выходного напряжения:
4. Входной ток iвх. При протекании входного тока ОУ через резисторы фильтра будет создаваться падение напряжения, искажающее входной сигнал. В нашем случае входной ток с неинвертирующего входа ОУ протекает через высокоомный резистор R2 и через резистор R1. При этом входной ток ОУ будет обуславливать ошибку:
Она должна быть существенно меньше входного полезного сигнала. Так для входного напряжения 10 В:
Перечисленным условиям удовлетворяют многое ОУ, например: К140УД6, со следующими параметрами (рис. 5):
1. Кус = 50 · 103
2. eсм = 8 мВ;
3. iвх = 0.05 мкА;
4. v = 2 В/мкс;
5. Uпит = ±(5…20) В.
Рисунок 5 - Схема ФНЧ с частотой среза 400 Гц
5. Проектирование выходного формирователя
Токовый выход.
Преобразователи напряжения в ток обычно обеспечивают более качественное решение задачи в измерительных системах, системах обработки сигналов, при передаче сигналов по длинным линиям, при работе ОУ на индуктивную нагрузку и т. д.
В нашем случае требуется обеспечить двуполярный выходной ток. В этом случае применяются усилители, в которых нагрузка включается непосредственно в цепь обратной связи ОУ. Простейшими усилителями такого типа являются инвертирующий и неинвертирующий усилители.
Если в этих усилителях включить нагрузку вместо резистора обратной связи R2, то ток в нагрузке будет равен по модулю:
= 
= 0,005 А.Этот ток практически не будет зависеть от сопротивления нагрузки до тех пор, пока усилитель не выйдет из линейного режима.
Пример несложного усилителя с токовым выходом приведён на рисунке 9. Это неинвертирующий усилитель с Т-образным трехполюсником в цепи обратной связи с транзисторным усилителем тока на выходе ОУ. Транзисторы VT1 и VT2 позволяют увеличить выходной ток ОУв h21эраз. Желательно, чтобы они составляли комплементарную пару (КТ3102 и КТ3107, КТ502 и КТ503 КТ814 и КТ815 и т. д.).
По справочнику выбираем транзисторы КТ814А и КТ815А типа n-p-n со следующими характеристиками:
Uкэ.нас ≤ 0,6 В; Uкэ.нас ≤ 0,6 В;
Iкбо ≤ 0,05 мА; Iкбо ≤ 0,05 мА;
h21э = 40; h21э = 40…70;
Uкб.max = ---; Uкб.max = ---;
Uэб.max = 5 В; Uэб.max = 5 В;
Iк.max = 1,5 А; Iк.max = 1,5 А;
Pк.max = 10 Вт; Pк.max = 10 Вт;
Операционный усилитель выбирается по напряжению питания (Uпит = ±20 В) и максимальному выходному току (не менее 5 мА). Этим условиям удовлетворяет ОУ К140УД6, со следующими параметрами:
1. коэффициент усиления КU= 50 · 103
2. напряжение смещения eсм = 8 мВ;
3. входной ток iвх = 0.05 мкА;
4. скорость нарастания выходного напряжения v = 2 В/мкс;