ЗАГАЛЬНИЙ ПОРЯДОК РОЗРАХУНКУ СХЕМ СПОЛУЧЕННЯ

2.1 Основні співвідношення для розрахунку вимірювального підсилювача термопари.

Початковими даними для розрахунку підсилювача є:

1. Діапазон вимірюваної температури Т_мін, Т_макс

2. Термоедс для максимальної вимірюваної температури Е_макс (береться з довідкових даних) і мінімальної температури Е_мін (береться з довідкових даних)

3. Вихідна напруга підсилювача U_вих.

2.1.1 Розрахунок інструментального підсилювача з диференціальним входом

1. Визначається необхідний коефіцієнт посилення за виразом:

К_п= U_в_и_х/ Е_ма_кс

Якщо отримане значення К_п більше значення коефіцієнта підсилення при якому забезпечується динамічна стійкість, приймається максимально можливе посилення, а забезпечення розрахованого К_п покладається на подальші каскади.

2. Вибираються значення R₁ і R₂, (рис. 1) які мають бути рівні. Рекомендується прийняти номінали R₁ і R₂ рівним 1 кОм.

Рис.1. Схема підключення термопари до диференціального входу

3. Визначаємо значення R₃ за виразом

звідки

R₃=К_п *R₁.

4. Вибираємо номінал R4 = R3.

5. Визначаємо вихідну напругу підсилювача при мінімальній температурі діапазону

U_в_и_{х_мін} =Емін *Кп

6. За довідковими даними вибирається тип резисторів і їх номінал відповідно до номінального ряду. За довідковими даними вибирається операційний підсилювач з мінімальною напругою зміщення U_з_м, малими вхідними струмами iвх і низькою споживаною потужністю Рn. Коефіцієнт підсилення має бути по можливості високим.

2.1.2 Розрахунок інструментального підсилювача з неінвертуючим входом

1. Визначається необхідний коефіцієнт посилення за виразом:

Кп= Uвих/ Емакс

2. Розраховуються номінали резисторів (рис. 2) :

Номінал R2 зазвичай приймається рівним 1 кОм, що дозволяє нехтувати впливом вхідних струмів ОП, тоді

R1=Кп-1.

3. Визначаємо вихідну напругу підсилювача при мінімальній температурі діапазону

U_{вих_мін} =Е_мін *Кп

4. Для можливості підстроювання масштабу перетворення задамося діапазоном регулювання коефіцієнта посилення ΔК, %.

Тоді

R2_Σ= R2¹ * ΔК/100,

R2= R2¹ - R2_Σ

R3= 2 *R2_Σ

де R2¹ опір R2 визначений в п.2.

Рис.2. Схема включення термопари через неивертирующий інструментальний підсилювач з можливістю підстроювання масштабу перетворення.

5. За довідковими даними вибирається тип резисторів і їх номінал відповідно до номінального ряду. За довідковими даними вибирається операційний підсилювач з мінімальною напругою зміщення Uсм, малими вхідними струмами iвх і низькою споживаною потужністю Рn. Коефіцієнт підсилення має бути по можливості високим.

2.1.3 Розрахунок інструментального підсилювача з інвертуючим входом

1. Визначається необхідний коефіцієнт підсилення за виразом:

Кп= Uвих/ Емакс

2. Розраховуються номінали резисторів (рис. 3) :

Рис.3. Схема включення термопари через інвертуючий інструментальний підсилювач.

Номінал R1 зазвичай приймається рівним 1 кОм, що дозволяє нехтувати впливом вхідних струмів ОП, тоді

R2=Кп* R1.

3. Визначаємо вихідну напругу підсилювача при мінімальній і максимальній температурі діапазону

U_{вих_макс} =Емакс *Кп

U_{вих_мін} =Емін *Кп

4. За довідковими даними вибирається тип резисторів і їх номінал відповідно до номінального ряду. За довідковими даними вибирається операційний підсилювач з мінімальною напругою зміщення Uзм, малими вхідними струмами iвх і низькою споживаною потужністю Рn. Коефіцієнт підсилення має бути по можливості високим

2.2 Підключення термоопору.

2.2.1 Основні співвідношення для розрахунку перетворювача опір-напруга з ТО в ЗЗ.

Початковими даними для розрахунку перетворювача є:

1. Діапазон вимірюваної температури Тмін, Тмакс

2. Опір для максимальної вимірюваної температури R _Емакс (береться з довідкових даних) і мінімальної температури R _Емін (береться з довідкових даних)

3. Вихідна напруга перетворювача Uвих.

Схема перетворювача може бути побудована таким чином:

Рис.4. Перетворювач R в U з ТО в ЗЗ

1. Задаємося струмом через ТОМ. Для виключення нагріву ТОМ протікаючим струмом, можна набути типового значення I _том = 1 мА.

2. Задаємося напругою живлення термосопротивления Uст._ном.. Типове значення U_ст._ном. рівне 9В. Вибираємо відповідний стабілітрон.

3. Визначаємо баластний опір R2

де Eвх - вхідна напруга стабілізатора живлення ТОМ, I_ст._ном - робочий струм стабілітрона.

4. Визначаємо опір R1 :

5. Визначаємо мінімальну і максимальну напругу на виході перетворювача для заданого діапазону температур :

Umax (t) = - R (tmax)/ R1( Uст.ном)

Umin (t) = - R (tmin)/ R1( Uст.ном.)

6. Визначуваний необхідний коефіцієнт підсилення :

Ку= Uвых/ Umax (t)

7. За довідковими даними вибирається тип резисторів і їх номінали відповідно до номінального ряду. За довідковими даними вибирається операційний підсилювач з мінімальною напругою зміщення Uзм, малими вхідними струмами Івх і низькою споживаною потужністю Рn. Коефіцієнт підсилення має бути по можливості високим.

2.2.2 Основні співвідношення для розрахунку перетворювача опір-напруга з вимірним мостом.

Початковими даними для розрахунку перетворювача є:

1. Діапазон вимірюваної температури Тмін, Тмакс

3. Вихідна напруга перетворювача Uвих.

Схема перетворювача може бути побудована таким чином:

Рис.5. Перетворювач R в U з вимірним мостом

2. Задаємося напругою живлення моста U_ст._ном.. Типове значення U_ст._ном. рівне 9В. Вибираємо відповідний стабілітрон.

3. Визначаємо баластний опір R1

де Eвх - вхідна напруга стабілізатора живлення моста, I_ст._ном - робочий струм стабілітрона.

4. Визначаємо опір R2 :

4. Визначуваний ΔR термосопротивления

ΔR= RЕмакс - RЕмін;

5. Вибираються значення R3= R4= R5= R які мають бути рівні R _Емін.

6. Вибираються значення R8. Рекомендується прийняти номінал R8 рівним 1 кОм.

7. Розраховується опір R9

R9=2* R8+ R

8. Розраховується опір R7

9. Розраховується вихідна напруга перетворювача U_вих.м

10. Визначається необхідний Кп перетворювача

Кп= Uвих/ Uвих.м

11. За довідковими даними вибирається тип резисторів і їх номінали відповідно до номінального ряду. За довідковими даними вибирається операційний підсилювач з мінімальною напругою зміщення Uзм, малими вхідними струмами Івх і низькою споживаною потужністю Рn. Коефіцієнт підсилення має бути по можливості високим.

2.3 Підключення пірометрів

2.3.1 Основні співвідношення для розрахунку перетворювача струм-напруга.

Початковими даними для розрахунку перетворювача є:

1. Діапазон вимірюваних струмів Iмін, Iмакс

2. Струм для максимальної вимірюваної температури Itмакс (береться з технічних даних на пірометр) і мінімальної температури Itмін (береться з технічних даних на пірометр)

3. Вихідна напруга перетворювача Uвих.

Схемотехнічно перетворювач може бути побудований таким чином:

Рис.6. Перетворювач I в U.

1. Задаємося значенням Rш таким чином, що б він не робив впливу на вихідні ланцюги джерела сигналу. Можна набути типового значення 100 Ом.

2. Визначаємо падіння напруги на шунті при струмі навантаженню що відповідає заданому діапазону температури.

U_ш._макс = І_вм._макс* R_ш

U_ш._мін = І_вм._мін* R_ш

де І_вм._мах, І_вм._мін струм пірометра при максимальній і мінімальній температурі заданого діапазону виміру.

3. Задаємося значенням R1, таким чином щоб воно не робило впливу на шунт. Можна набути типового значення 5 кОм.

4. Визначаємо значення R2, яке забезпечує стабільну роботу ОП. Набувши значення _{Ку_t.max =} 10 отримуємо:

R2 = Ку_{_t.max} R1.

5. Визначаємо вихідну напругу перетворювача при мінімальному і максимальному струмі заданого діапазону.

U_вих._макс = - Ку_{_t.max}* U_ш._макс

U_вих._мін = - Ку_{_t.max}* U_ш._мін

6. Визначаємо необхідне значення Кп перетворювача

Кп= Uвих/ Uвих.макс

10. За довідковими даними вибирається тип резисторів і їх номінал відповідно до номінального ряду. За довідковими даними вибирається операційний підсилювач з мінімальною напругою зміщення Uзм, малими вхідними струмами Івх і низькою споживаною потужністю Рn. Коефіцієнт посилення має бути по можливості високим.

3 ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ РОЗРАХУНКУ ФІЛЬТРІВ

3.1 Розрахунок фільтру нижніх частот

3.1.1 Розрахунок фільтру другого порядку

Початковими даними для розрахунку фільтру є:

1. Нерівномірність передачі в смузі пропускання;

2. Смуга пропускання;

3. Коефіцієнт посилення;

4. Порядок фільтру.

Фільтр нижніх частот другого порядку представлений на малюнку 6.

Рис.6. Фільтр нижніх частот другого порядку.

Для розрахунків фільтру нижніх частот другого порядку фільтр Баттерворта або Чебишева більш високого порядку або ланки, які мають задану частоту зрізу f (Гц) або ω і коефіцієнт посилення К, необхідно виконати наступні кроки:

1. По довідкових таблицях знайти нормовані значення коефіцієнтів В і С;

2. Вибрати номінальне значення конденсатора С2 (близьке до значення 10/f c мкФ) і номінальне значення конденсатора С1, яке задовольняє умові:

С1≤В*2*С2/(4*З*(К+1))

де fc - частота зрізу.

3. Вичислити значення опору :

4. Вибрати номінальні значення опору, які найближчі до вичислених значень і реалізувати фільтр або його ланки другого порядку відповідно до схеми рис. 6.

3.1.2 Розрахунок фільтру першого порядку

Початковими даними для розрахунку фільтру є:

1. Нерівномірність передачі в смузі пропускання;

2. Смуга пропускання;

3. Коефіцієнт посилення;

4. Порядок фільтру.

Фільтр нижніх частот першого порядку представлений на рисунку 7.

Рис.7. Фільтр нижніх частот першого порядку.

Для розрахунків фільтру нижніх частот першого порядку, які мають задану частоту зрізу f (Гц) або ω і коефіцієнт посилення К, необхідно виконати наступні кроки:

1. По довідкових таблицях знайти нормовані значення коефіцієнта;

2. Розраховується номінальне значення С1

С1=10/fC мкФ

де fc - частота зрізу.

3. Вичислити значення опору :

де ω_з = 2π f

3. Вибрати номінальні значення резисторів, які найближчі до вичислених значень і реалізувати фільтр або його ланки другого порядку відповідно до схеми рис. 7.

Якщо К=1, то фільтр першого порядку реалізується схемою показаною на рис.8.

Рис.8. Фільтр нижніх частот першого порядку при К=1.

4 ВИБІР АЦП ТА РОЗРАХУНОК НОРМАЛІЗАТОРА

4.1 Основні співвідношення для вибору АЦП

Початковими даними для розрахунку є:

1. Клас точності перетворення;

2. Вхідна напруга для заданого діапазону температур;

Розрахунок розпочинають з визначення необхідної розрядності АЦП відповідно до заданого класу точності, а потім розраховуються параметри нормалізатора.

1. Визначається корисна роздільна здатність АЦП із заданою точністю;

де

– необхідне значення класу точності перетворювача.

2. Визначається роздільна здатність аналого-цифрового перетворення

де - максимальна погрішність перетворювача (±5 дискретів).

У тому разі якщо N не дорівнює 2ⁿ, N приймається рівним 2ⁿ.

3. Задаються напругою повної шкали АЦП. Можна прийняти одне із стандартних значень 0...10 В або 0...5 В.

4. За довідковими даними вибирається АЦП з розрядністю рівною або більшою чим отримане значення N. і напругою повної шкали рівної вибраної.

4.2 Основні співвідношення для розрахунку нормалізатора

Початковими даними для розрахунку нормалізатора є:

1. Напруга на вході при максимальній температурі

2. Напруга на вході при мінімальній температурі

3. Знак і напруга повної шкали АЦП

Розраховується нормалізатор напруги, схема якого може бути спроектована таким чином, як представлена на рисунку 9 або на рисунку 10.

Рис.9. Нормалізатор напруги - неінвертующий суматор.

Рис.10. Нормалізатор напруги -інвертуючий суматор.

1. Визначається напруга зміщення шкали нормалізатора. Напруга зміщення вибирається так, щоб напруга на виході нормалізатора при мінімальній температурі заданого діапазону дорівнювала 0 В.

Uзм=Utmin* Кп * Кф;

де Utmin напруга при мінімальній температурі заданого діапазону, яка визначається при розрахунку перетворювача температури, Кп -коефіцієнт пієсилення перетворювача, Кф - коефіцієнт пієсилення фільтру.

2. Розраховується джерело Uзм, в якості якого може бути використаний параметричний стабілізатор. Задаємося напругою джерела зміщення

U_ст._ном. = U_зм.

Вибираємо відповідний стабілітрон з найбільш близькою напругою стабілізації.

3. Задаємося значенням резистора R2, за допомогою якого підлаштовується напруга джерела зміщення. Можна набути типового значення рівне 1 кОм.

4. Визначуваний струм навантаження стабілітрона, як:

5. Визначаємо баластний опір R1

де Eвх - вхідна напруга джерела зміщення, I_ст.ном - робочий струм стабілітрона.

Для неінвертуючого нормалізатора

6. Визначаємо опір R3, R4, R5 :

Для зміщення діапазону вхідної напруги необхідно щоб виконувалася умова Uвих0= - Utmin + Uзм=0, тоді для неінвертуючого суматора можна записати:

Для забезпечення рівності повинна виконуватися умова R3=R4=R5. Можна набути типового значення рівне 10 кОм.

10. Визначається необхідний коефіцієнт підсилення :

де U_пш - напруга повної шкали АЦП (довідкові дані), Кп -коефіцієнт підсилення перетворювача, Кф - коефіцієнт посилення фільтру.

11. Визначаємо значення резисторів R6, R7, R8. З вираження

Визначуваний значенням опорів R6 і R8. Набудемо значення опору R8 рівним R5, тоді для забезпечення 50 % діапазону регулювання коефіцієнта посилення номінал R6 буде рівний R8/2. Отже

R7= (R6+ R8/2) До = R8*До

Для інвертуючого нормалізатора

6. Визначаємо опір R3, R4. Можна набути типового значення рівному 10 кОм.

7. Визначуваний необхідний коефіцієнт посилення :

де Uпш - напруга повної шкали АЦП (довідкові дані), Кп -коефіцієнт посилення перетворювача, Кф - коефіцієнт посилення фільтру.

8. Визначаємо значення суми резисторів R5, R6 позначивши її як R. З вираження

Визначуваний значенням опорів R5 і R6. Обираємо значення опору R5 рівним R/2, тоді для забезпечення 50% діапазону регулювання коефіцієнта посилення номінал R6 буде рівний R.

12. За довідковими даними вибирається тип резисторів і їх номінали відповідно до номінального ряду. За довідковими даними вибирається операційний підсилювач з мінімальною напругою зміщення Uзм, малими вхідними струмами Івх і низькою споживаною потужністю Рn. Коефіцієнт посилення має бути по можливості високим.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Документація. Звіти в сфері науки і техніки. Структура і правила оформлення : ДСТУ 3008-95. [Чинний від 1995—23—02]. — К. : Держспоживстандарт України, 2006. — 181 с. — (Національні стандарти України).

2. Правила виконання електричних схем. ГОСТ 2.702-75. [Чинний від 1977–07–01]. – К. : Видавництво стандартів, Москва, 1977. – 24 с.

3. Позначення умовні графічні в схемах. Позначення загального використання ГОСТ 2.721-74: [Чинний від 1975–07–01].– Видавництво стандартів, Москва, 1975. – 32 с.

4. Усатенко С. Т. Виконання електричних схем по ЕСКД, : довідник
/С. Т. Усатенко. – М.: Видавництво стандартів, 1989. – 325 c.

5. Горюнов М. М. Напівпровідникові прилади: транзистори: довідник в 2-х томах/ М. М. Горюнов. – М. : Энергоатомвидат 1985. – 455 с.

6. Четвертков І. І. Резистори : довідник/ І. І. Четвертков. – М. : Радіо і зв'язок, 1991. – 528 с.

7. Горячева Г. А. Конденсатори : довідник/Г. А. Горячева,
Е.Р. Добромислов. – М. : Радіо і зв'язок, 1984. – 88 с.

8. Лярський В. Ф. Електричні з'єднувачі : довідник/ В. Ф. Лярський, О.Б. Мурадян. – М. : Радіо і зв'язок, 1988. – 272 с.

9. Оксанич А. П. Комп'ютерна електроніка частина 1 / А. П. Оксанич,
С. Е. Притчин, О. В. Вашерук. Харків: Компанія СМІТ, 2005. – 200 с.

10. Тули М. Кишеньковий довідник з електроніки, пер. з англ: / М. Тули. - М. : Энергоатомвидат, 1993. – 176 с.

11. Кауфман М., Сидмаи А. Г. Практичне керівництво за розрахунками схем в електроніці : довідник: у 2-х т : пер. з англ/ М. Кауфман, А. Г.Сидмаи. – М. : Энергоатомвидат, 1991. – 368 с.

Додаток А. Завдання на розрахунково – графічну роботу.

5rik.ru

Материалы для учебы и работы

ЗАГАЛЬНИЙ ПОРЯДОК РОЗРАХУНКУ СХЕМ СПОЛУЧЕННЯ