Вольметр постоянного тока

Содержание

Приложение Б 26

1. Техническое задание

Разработать электронный вольтметр  постоянного тока, обеспечивающий измерение постоянного напряжения в заданных пределах со следующими характеристиками (параметрами):

Диапазон измерения, В:	100*10-6¸100
Входное сопротивление, не менее, МОм:	30;
Основная погрешность, %:	2,0;
Рабочий диапазон температур, оС:	10 – 45;
Напряжение питания, В:	220 ± 10 %.

2 Выбор и обоснование схемы прибора

Согласно техническому заданию необходимо спроектировать вольтметр с широким пределом измерений. Его возможно реализовать  только на усилителе по МДМ – структуре, так как все остальные не обеспечивают заданного предела измерения. Преимуществом усилителей с преобразованием спектра (МДМ – усилителя) является существенно меньшее значение дрейфа нулевого уровня по сравнению с усилителями без преобразования,  а основным недостатком – принципиальное ограничение полосы пропускания усилителя сверху.

Рисунок 2.1 - Структурная схема вольтметра постоянного тока

 

На рисунке 2.1 дана структурная схема микровольтметра такого типа. Измеряемое напряжение через ВД – входной делитель и двухзвенный Г – образный фильтр RC – фильтр Ф подается на вход модулятора М. Фильтр используется для уменьшения составляющей промышленной частоты во входном сигнале. В качестве модулирующего устройства используется электрометрический усилитель с модулятором параллельного типа на униполярном  МОП – транзисторе. Модулированный  сигнал усиливается усилителем модулированного сигнала (УМС), выполненного на ОУ OPA177EZ .Усиленное напряжение преобразуется в постоянное с помощью мостового демодулятора ДМ, выполненного на МОП – транзисторах КБ302Б. Модулятор и демодулятор работают синхронно и поэтому управляются от источника одного управляющего напряжения (ГНЧ). Усилитель У выполняет роль активного фильтра для сглаживания пульсаций демодулированного напряжения. Переключатель пределов измерения ППИ выполнен по схеме с добавочными резисторами. Входное сопротивление модулирующего устройства в значительной мере определяется коммутацией МОП – транзистора и при использовании серийно выпускаемых транзисторов может достигает 10⁸ Ом, что удовлетворяет техническому заданию.

3 Расчет элементов и узлов прибора

3.1 Расчет входного делителя

Включение делителя не должно заметно снижать входное сопротивление  вольтметра, т. е. он должен быть высокоомным.

По техническому заданию  входное сопротивление  должно быть не менее 30 Мом. Выходное сопротивление усилителя постоянного тока значительно меньше входного, поэтому чувствительность схемы можно изменять путем переключения относительно низкоомных сопротивлений на его выходе. В этом случае пределы измерения могут быть изменены коммутацией высокостабильных сопротивлений.

Входной делитель показан на рисунке 3.1.1.

              Рисунок 3.1.1 – Входной делитель

Диапазон измерения  напряжения разрабатываемого электронного вольтметра от 100 мкВ до 100 В. Входной делитель включается в схему вольтметра и обеспечивает деление измеряемого напряжения в 1000 раз(К=10^-3), если оно находится в пределах от 100 мВ до 100 В. Определим количество пределов измерения, число ступеней и коэффициенты затухания аттенюатора.

Соотношение номинальных  напряжений двух смежных пределов измерений  выбираем равным .

Получим 13 пределов измерения:

100 мкВ;  300 мкВ; 1 мВ; 3 мВ; 10 мВ; 30 мВ; 100 мВ; 300 мВ; 1 В; 3 В; 10 В; 30 В; 100 В.

Номер предела	Поддиапазон	Номер предела	Поддиапазон
1	0-100 мкВ	7	0-100 мВ
2	0-316 мкВ	8	0-316 мВ
3	0-1 мВ	9	0-1 В
4	0-3.16 мВ	10	0-3.16 В
5	0-10 мВ	11	0-10 В
6	0-31.6 мВ	12	0-31.6 В
		13	0-100 В

Исходя из установленных  пределов измерения целесообразно  использовать входной делитель с двумя положениями и семиступенчатый аттенюатор.

Входной делитель должен иметь два  коэффициента деления: 1 при значениях входного сигнала от 0 до 31.6 мВ и 10^-3 при значениях от 100 мВ до 100 В.

Коэффициент затухания i-го четырехполюсника K_i определяется как отношение его выходного напряжения U_i  к входному U_i+1:

,

В соответствии с уравнением (2.1) коэффициенты затухания аттенюатора должны быть равны: .

С резистора R2 на вход повторителя подается определенная доля измеряемого напряжения Uх, задаваемого коэффициентом деления К=10^-3 [1].

, (3.1.1)

где  (3.1.2)

R_п – входное сопротивление повторителя.

Входное сопротивление  повторителя гораздо больше R2, поэтому можно считать, что

Для обеспечения требуемого входного сопротивления Rвх ЭВ необходимо выполнение условия

, (3.1.3)

где МОм. (3.1.4)

Зная сопротивление делителя, входное сопротивление и коэффициент деления , получим:

        (3.1.5)

. (3.1.6)

Откуда найдём R1 и R2:

                                    (3.1.7)

 (3.1.8)

 

Резистор R3 служит для точной настройки коэффициента деления  и его номинал принимаем равным 10% от номинала резистора R2, то есть 3,5 кОм.

R1:С2-29В-0,25-34,8 МОм ± 1 % (ряд Е96)

            R2: С2-29В-0,25-35,2 кОм ± 1 % (ряд Е96)

            R3: СП3-19А-0,062-3,4 кОм ± 10% (ряд Е12)

                              

 

3.2 Расчет модулятора

В схеме модулятора на рисунке 3.2 цепь R4–C1 и является входным интегрирующим фильтром.

Входное сопротивление модулирующего устройства МОП – транзистора, при использовании серийно выпускаемых транзисторов может достигать 10⁷ ¸ 10⁸ Ом. Паразитный входной ток, обусловленный наличием ёмкости между затвором и стоком и определяемый амплитудой напряжения управления, может быть в лучшем случае уменьшен до 7×10^-11.

Рисунок 3.2 - Схема высокоомного модулятора на МОП–транзисторе

Фильтр обеспечивает подавление составляющих промышленной частоты во входном сигнале.

R₄ = 10 кОм ; С₁ = 316 нФ

Транзисторы выбираем типа МОП – транзистор КП350

В [8] указано, что коэффициент передачи для мостовой схемы модулятора можно вычислить по следующей формуле:

где R_и – внутреннее сопротивление модулятора;

R_з –сопротивление ключевого элемента в «замкнутом состоянии»;

R_н –сопротивление нагрузки;

R_и – сопротивление ключевого элемента в «разомкнутом состоянии».

 

Данная схема является мостовой, а значит коэффициент передачи в значительной степени зависит от соотношения R_{и /}R_н и при R_{и /}R_н → 0 становится равным 1[8].

R4: С2-29В-0.25-10 кОм ± 0.5% [Е96]

C1: К71-6-300В-316 нФ ± 0.5% [Е96]

     VT1, VT2, VT3, VT4: КП350.

3.3 Расчет усилителя переменного тока

Рисунок 3.3 - Схема усилителя  переменного тока

Активный усилитель с постоянным коэффициентом преобразования. Обладает малым дрейфом нуля, низким порогом чувствительности, большим диапазоном частот пропускания. Предназначен для получения необходимого коэффициента усиления. В качестве ОУ используем OPA177EZ.

Рисунок 3.4 – ЛАЧХ усилителя OPA177EZ.

Выберем коэффициент усиления К_U = 1000 (60дб) обеспечивает усиление минимального входного сигнала до 0,01 В и вносит малые погрешности.

R27=1Мом

R26=1kОм

кОм

R26: С2-29В-0.25-1 кОм ± 0.05% [E192]

R27: С2-29В-0.25-1 МОм ± 0.05% (Е 192)

R28: С2-29В-0.25-1 кОм ± 0.05% [E192]

 

 

3.4 Расчет демодулятора

Схема демодулятора выполнена  на униполярных транзисторах КП302. Транзисторы включены по мостовой схеме.

Усиленный сигнал демодулируется мостовым демодулятором и через симметричный интегрирующий фильтр R29-C6 и R30-C7 на вход усилителя постоянного тока.

Выбрав значения емкости  конденсаторов С6, С7 и сопротивлений резисторов R29, R30 можно получить требуемую частотную характеристику и коэффициент передачи.

 

Рисунок 3.4 – Схема демодулятора

Выберем R₂₉ =R₃₀= 1 кОм, тогда С₆ =C₇= 3.16 мкФ

R29, R30: С2-29В-0.25-1 кОм ± 0.5% [Е96]

С6, С7: К71-6-300В-3.16 мкФ±0.5% [Е48]

VT5-VT8: КП302

В [8] указано, что коэффициент передачи для мостовой схемы демодулятора можно вычислить по следующей формуле:

где R_и – внутреннее сопротивление демодулятора;

R_з –сопротивление ключевого элемента в «замкнутом состоянии»;

R_н –сопротивление нагрузки;

R_и – сопротивление ключевого элемента в «разомкнутом состоянии».

Данная схема является мостовой, а значит коэффициент передачи в значительной степени зависит от соотношения R_{и /}R_н и при R_{и /}R_н → 0 становится равным 1[8].

 

 

3.5 Расчет переключателя пределов измерений(аттенюатора)

 

Рисунок 3.5 – Схема переключателя пределов измерений

Коэффициент затухания i-го четырехполюсника K_i определяется как отношение его выходного напряжения U_i к входному U_i+1:

. (3.5.1)

Коэффициент затухания K аттенюатора равен произведению коэффициентов затухания четырёхполюсников:

, (3.5.2)

где n – число четырёхполюсников.

Значение коэффициента затухания i-го звена K_i находится как:

. (3.5.3)

Сопротивление части  схемы, находящейся слева от точки 1, согласно теории аттенюаторов, равно R₀:

. (3.5.4)

Решая совместно полученные уравнения, получим:

, (3.5.5)

. (3.5.6)

Сопротивление R₀ определяет входное и выходное сопротивление аттенюатора. Примем R₀=2 кОм.

Исходя из установленных  пределов измерения электронного вольтметра, напряжения на ступенях затухания аттенюатора U_i будут соответственно равны:

U₁ = 100мкВ; U₂ = 300мкВ; U₃ = 1мВ; U₄ = 3мкВ; U₅ = 10мВ; U₆ = 30мВ;

В соответствии с уравнением (3.5.1),

. (3.5.7)

Тогда из формул (3.5.5) и (3.5.6):

; (3.5.8)

. (3.5.9)

 

 

 

Рисунок 3.6 – Базовая схема аттенюатора

Параллельно соединённые  сопротивления могут быть заменены одним:

; ; ; 

; ; . (3.5.10)

Зная входное сопротивление  усилителя и приняв R₀ = R_н = 2 кОм, по формулам (3.5.5) и (3.5.6) определим параметры сопротивлений аттенюатора.

(3.5.11)

(3.5.12) 

(3.5.13)        Особенностью аттенюаторов является то, что вне зависимости положения его переключателя, его входное и выходное сопротивления постоянны и равны R₀.

R13, R19: С2-29В-0.25-1.32 кОм ± 0.1% [E192]

R20 – R25: С2-29В-0.25-2.84 кОм ± 0.1% [E192]

R14 – R18: С2-29В-0.25-1.93 кОм ± 0.1% [E192]

3.6 Расчет усилителя постоянного тока

Рисунок 3.6 – Схема усилителя постоянного тока

Коэффициент усиления выбирается исходя из максимального значения величины входного напряжения и величины тока максимального отклонения стрелки измерительного механизма. В разрабатываемом устройстве применяется измерительный механизм типа М2027-М1. Данный прибор имеет внутреннее сопротивление 3 кОм и ток полного отклонения стрелки 100 мкА, класс точности 1.

Для уменьшения влияния температуры  последовательно с ним ставится добавочное сопротивление, номинал которого в 5…10 раз больше внутреннего сопротивления. Принимаем R_доб = 15 кОм.

Для полного отклонения стрелки измерительного механизма  необходимо приложить напряжение, вычисляемое  по формуле:

 [В]. (3.6.1)

Максимальное напряжение, поступающее на вход усилителя равно

100 мкВ ∙ 1000 = 0,1 В

 тогда коэффициент усиления усилительного каскада необходимо взять равным 18.

C₄, C₅  – ёмкости для сглаживания высокочастотных пульсаций питающего напряжения.