курсовая работа. Курсовая работа По дисциплине Электроника
 Скачать 1.71 Mb.
|
 (11)где — k3 = R27/R25, — k4 = R27/R23, — k5 = R27/(R24 + R26). При U5 равном 0 В и установке потенциометра R22 в среднее положение U4 должно быть равно 0,4 В. Следовательно коэффициент k3 в этом случае будет равен:  Задавшись пределами регулировки напряжения U4 от 0,28 до 0,52 В (Ur = ± 0,12 В) определим коэффициент k4:  Потенциометр R24 предназначен для регулировки конечного уровня выходного напряжения U4. Задавшись пределами регулировки U4 от 1,88 до 2,12 В (Urk = ±0,12 В), рассчитаем коэффициенты k5max и k5min при U5 = 1,6 В:  (12) (13)Шлицы потенциометров R22 «0» и R24 «Д» для удобства настройки нуля и диапазона выводятся на лицевую панель RI-преобразователя. Схема входной цепи нормирующего преобразователя приведена на рисунке 4. Входная цепь состоит из компенсирующего усилителя DA4.1, источника постоянного тока DA1 и входного усилителя DA2. Входной усилитель должен усиливать слабые электрические сигналы, поступающие от ТС. Эти сигналы сопровождаются значительным уровнем синфазных помех. Кроме того, предъявляются достаточно жёсткие требования к линейности передаточной характеристики входного усилителя. Исходя из этого, в качестве входного усилителя выбирается прецизионный операционный усилитель К140УД17, обладающий большим коэффициентом подавления синфазного сигнала, малым напряжением смещения и дрейфа нуля, малым уровнем шумов и большим входным сопротивлением. Аналогичные требования предъявляются и к остальным каскадам измерительной цепи. Поэтому для них также выбираем микросхемы типа К140УД17, для которых требуется напряжение питания +15 В и минус 15 В. Операционный усилитель DA2 включён по схеме дифференциального усилителя с коэффициентом усиления, равным минус единице. Из этого условия выбираем R3 = R13 = 15 кОм. Номиналы резисторов R3, R13 выбираем из ряда E192 с допуском ± 0,1%. На входе дифференциального усилителя присутствует разность потенциалов: ΔU = I • (R - R1). Так как при 0 °С сопротивление ТС равно 100 Ом, то в соответствии с п. 1.4.5.2 сопротивление резистора R1 принимаем равным: R1 = 100 Ом. Сопротивление R1 выбираем из ряда E192 с допуском 0,1%. Величина тока I, протекающего через ТС, обычно задаётся в пределах от 0,5 до 10 мА. Принимаем ток Imax, протекающий через ТС при температуре 100 °С равным: Imax = - 3 мА. Знак минус обозначает, что ток втекает в источник тока DA1. Величину опорного напряжения U0 выбираем равной: U0 = 3 В. Определим максимальную разность потенциалов ΔUmax на входе дифференциального усилителя: ΔUmax = Imax • (Rmax - R1) = - 3 • (138,50 – 100) = - 115,5 мВ, где — Rmax — сопротивление ТС, соответствующее температуре 100 °С. Отсюда: U2max = - ΔUmax = 0,1155 В. Воспользовавшись формулами (8) и (9), определим значения коэффициентов a и b:   Отсюда в соответствии с формулами (4) и (7):   Выбирая сопротивление R20 равным 2 кОм, находим:   Номинальные сопротивления резисторов R15, R17, R20 выбираем из ряда E192 с допуском ± 0,1%. Номинальные сопротивления резисторов R5, R6 выбираем равными 12 кОм. Так как через эти резисторы протекают пренебрежимо малые токи, то выбираем их из ряда E24 с допуском ± 5%. Сопротивление резистора R4 из условия устойчивой работы источника тока DA1 не должно превышать 3 кОм (U1 ≤ 12 В). Выбираем сопротивление резистора R4 равным 2 кОм. Так как этот резистор не влияет на точность измерений, то выбираем его из ряда E24 с допуском ± 5%. При искробезопасном исполнении RI-преобразователя резистор R4 находится в искробезопасной цепи, и поэтому его мощность рассчитывается исходя из аварийной ситуации, при которой на него может попасть напряжение сетевого питания 26,4 В:  Номинальную мощность теплового рассеяния остальных резисторов выбираем равной 0,125 Вт. Потенциометр R14 предназначен для балансировки нуля операционного усилителя DA2. Выбираем номинальное сопротивление потенциометра R14 равным 10 кОм с допуском ± 5%. В обратную связь усилителя DA2 включён конденсатор C2, который вместе с резистором R13 образует RC-цепь. Задаваясь частотой среза fg = 10 Гц, находим из формулы (6) значение требуемой ёмкости:  Резистор R6 и конденсатор C1 образуют фильтр нижних частот, предназначенный для фильтрации помех. Задаваясь частотой среза fg = 10 Гц, находим значение требуемой ёмкости:  Схема последовательно соединённых масштабирующего и суммирующего усилителей приведена на рисунке 5. Напряжение U2 с выхода усилителя DA2 поступает на вход масштабирующего усилителя, выполненного на микросхеме DA5 и резисторах R16, R19. Коэффициент усиления масштабирующего усилителя подбирается так, чтобы амплитуда сигнала на выходе суммирующего усилителя DA4.2 лежала в диапазоне 0,4...2В. Отсюда максимальное напряжение U5 на выходе масштабирующего усилителя определяется следующим выражением:  Выбираем сопротивление резистора R19 равным 100 кОм. Отсюда  Номинальные сопротивления резисторов R16, R19 выбираются из ряда E192 с допуском 0,1%. Напряжение U5 поступает на вход суммирующего усилителя, выполненного на микросхеме DA4.2, резисторах R23...R28 и конденсаторе C3. Ёмкость C3, компенсирующую фазовый сдвиг вблизи критической частоты, выбираем равной 0,1 мкФ, а номинальное сопротивление развязывающего резистора R28 выбираем из ряда E24 равным 1,5 кОм ± 5%. Сопротивление обратной связи R27 выбираем из ряда E192 равным 10 кОм ± 0,1%. На входы суммирующего усилителя дополнительно поступают опорное напряжение минус U0 и напряжение Ux с потенциометра R22, которые должны сместить нулевой уровень выходного напряжения U4 на 0,4 В, то есть установить напряжение, соответствующее начальному значению контролируемого диапазона температур. При U5 равном 0 В и установке R22 в среднее положение U4 должно быть равно 0,4 В. Отсюда в соответствии с формулой (11).   Номинальное сопротивление резистора R27 выбираем из ряда E192 с допуском ± 0,1%. Потенциометр R22 предназначен для регулировки нулевого уровня выходного напряжения U4. Задавшись пределами регулировки от 0,28 до 0,52 В (Ur = ± 0,12 В) определим номинальное сопротивление резистора R23:   Номинальное сопротивление резистора R23 выбираем из ряда с допуском ± 0,1%. Номинальное сопротивление потенциометр R22 выбираем равным 22 кОм ± 5%. Воспользовавшись соотношениями, полученными в формулах (12-13), рассчитаем номинальные сопротивления резисторов R24, R26:    Выбираем номинальное сопротивление потенциометра R24 из ряда E24 равным 1,5 кОм ± 5%. Номинальное сопротивление резистора R26 выбираем из ряда E192 с допуском 1,5 кОм ± 0,1%. В общем случае формирователь выходных сигналов состоит из схемы гальванической развязки, схемы преобразования напряжения в ток, выходных каскадов сигнализации и стабилизированного источника питания. Стабилизированный источник питания формирует гальванически развязанные напряжения, предназначенные для питания входной и выходной цепей RI-преобразователя. Стабилизированный источник питания может быть разработан как с применением электронных компонентов мелкой интеграции, так и с применением DC/DC-преобразователей, выпускаемых фирмами BURR - BROWN, TRACO и другими. Для искробезопасного исполнения RI-преобразователя рекомендуется развязать напряжения питания искроопасной и искробезопасной частей с помощью развязывающего трансформатора. Стабилизированный источник питания состоит из параметрического стабилизатора напряжения и преобразователя постоянного напряжения в постоянное. Параметрический стабилизатор напряжения состоит из сетевого выпрямителя, схемы защиты от перенапряжения и схемы стабилизации. Схема принципиальная электрическая параметрического стабилизатора напряжения приведена на рисунке 6. В состав сетевого выпрямителя входят конденсаторы C1, C2, резистор R1 и мост выпрямительный VD1. Схема защиты от перенапряжения состоит из предохранителя F1, симистора VS1, транзистора VT1, стабилитронов VD2...VD4 и резисторов R2...R5. Схема стабилизации реализована на интегральной микросхеме DA1, стабилитроне VD5 и конденсаторе C3. Стабилизированный источник питания питается от сети 24 В переменного тока промышленной частоты. Сетевое напряжение величиной от 20,4 до 26,4 В поступает на мост выпрямительный VD1. Выпрямленное напряжение, сглаженное RC-цепочкой (R1, C2), поступает на схему защиты от перенапряжения.  Рисунок 6 - Параметрический стабилизатор напряженияСхема защиты от перенапряжения срабатывает либо при возрастании сетевого напряжения до значений превышающих 29 В, либо при выходе из строя интегральной микросхемы DA1. В первом случае пороговое напряжение срабатывания схемы защиты от перенапряжения задаётся стабилитронами VD2, VD3 и колеблется в пределах от 39 до 43 В, во втором случае пороговое напряжение срабатывания задаётся стабилитроном VD4 и колеблется в пределах от 24 до 26,5 В. При срабатывании схемы защиты от перенапряжения открывается транзистор VT1, который в свою очередь открывает симистор VS1, закорачивающий выход моста выпрямительного VD1. Резкое возрастание выходного тока моста выпрямительного VD1 приводит к перегоранию предохранителя F1. С сетевого выпрямителя постоянное напряжение через предохранитель FU1 поступает также на стабилизатор напряжения, которым является интегральная микросхема DA1. Стабилитрон VD5 поднимает выходное напряжение параметрического стабилизатора напряжения до уровня (21 ± 0,5) В. Конденсатор C3 обеспечивает динамическую устойчивость работы стабилизатора напряжения. С выхода микросхемы DA1 напряжение поступает на преобразователь постоянного напряжения в постоянное и на выходные каскады сигнализации. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное состоит из преобразователя постоянного напряжения в переменное и выпрямителей напряжения ±15 В и +27 В. Схема преобразователя постоянного напряжения в переменное приведена на рисунке 7.  Рисунок 7 - Преобразователь постоянного напряжения в переменное Преобразователь выполнен по двухтактной схеме с независимым возбуждением и функционально состоит из задающего генератора прямоугольных импульсов, делителя частоты и усилителя мощности. Задающий генератор прямоугольных импульсов выполнен на микросхеме DA2, конденсаторах C5, C6, и резисторах R7, R8. Частота f выходных прямоугольных импульсов генератора определяется соотношением  Делитель частоты DD1 делит частоту f на два. Две последовательности прямоугольных импульсов, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 180 градусов, с выходов микросхемы DD1 поступают на базы ключевых транзисторов VT3, VT4 усилителя мощности. Ток базы транзисторов VT3, VT4 задается резисторами R9, R10. Форсирующие конденсаторы С7, С8 ускоряют переключение транзисторов. Диоды VD7, VD8 защищают от пробоя переходы база-эмиттер транзисторов VT3, VT4. Коллекторными нагрузками ключевых транзисторов VT3, VT4 являются первичные обмотки 1 - 2 и 2 - 3 трансформатора TV2. Для снижения уровня коммутационных перенапряжений в коллекторы ключевых транзисторов включена RC-цепь из резистора R12 и конденсатора C12. Микросхемы DA2 и DD1 питаются от стабилизатора напряжения 5,6 В, выполненного на резисторе R6, стабилитроне VD6 и конденсаторе C4. Схема выпрямителей напряжения ±15 В и +27 В приведена на рисунке 8.  Рисунок 8 – Выпрямитель напряжения 15 В и 27 В Снимаемые с вторичных обмоток 4 - 5 и 5 - 6 трансформатора TV2 переменные напряжения выпрямляются выпрямителем, собранном по мостовой схеме на диодах VD9...VD12, и сглаживается П-образными фильтрами C10, L2, C22 и C11, L3, C23. Выпрямленные напряжения ± (15 ± 1) В предназначены для питания входной части RI-преобразователя. Снимаемое с вторичной обмотки 9 - 10 трансформатора TV2 переменное напряжение выпрямляется выпрямителем, собранном по мостовой схеме на диодах VD13, VD14, VD16, VD17, и сглаживается П-образным фильтром С16, L1, C18. Выпрямленное напряжение (27 ± 1,5) В предназначено для питания схемы преобразования напряжения в ток и микросхемы DA3. Трансформатор TV2 имеет следующие обмотки: — первичные обмотки 1-2-3; — вторичные обмотки источника напряжений ±15 В - 4-5-6; — вторичную обмотку источника напряжения 27 В - 9-10; — обмотки управления ключами гальванической развязки - 7-8 и 11-12. Моточные данные трансформатора TV2 приведены в таблице 1. Таблица 1 — Моточные данные трансформатора TV2
Выходные каскады сигнализации предназначены для управления исполнительными внешними устройствами. На рисунке 9 приведена схема выходных каскадов сигнализации, функционально разбитая на два идентичных канала: канал «MAX» (V1, H1, R25, F3) и канал «MIN» (V2, H2, R26, F4). Управляющие сигналы поступают на выходные каскады со схемы сигнализации нормирующего преобразователя. Светодиоды Н1 и Н2 вынесены на лицевую панель RI-преобразователя и индицируют срабатывание соответствующего канала. Предохранители F3 и F4 защищают оптоэлектронные реле V1, V2 от коротких замыканий по внешним цепям. Выходные каскады питаются напряжением 21 В от стабилизатора напряжения DA1.  Рисунок 9 - Схема выходного каскада сигнализации Схема гальванической развязки предназначена для гальванического разделения входной и выходной электрических цепей RI-преобразователя. Для искробезопасного исполнения RI-преобразователей гальваническая развязка реализуется с помощью трансформатора, для обычного исполнения гальваническая развязка может быть реализована путём применения оптоусилителей фирмы Analog Device. Схема гальванической развязки приведена на рисунке 10. Напряжение положительной полярности с выхода суммирующего усилителя нормирующего преобразователя поступает на схему гальванической развязки, состоящую из конденсаторов C9, C13, C15, полевых n - канальных транзисторов VT2, VT5, резисторов R11, R13...R15 и разделительного трансформатора TV1. На затворы полевых транзисторов VT1, VT2 с обмоток 7 – 8, 11 – 12 силового трансформатора TV2 через резисторы R11, R14 синхронно поступают модулирующие импульсы частотой около 23 кГц и амплитудой около 20 В. Сигнал, промодулированный транзистором VT2, передаётся с первичной обмотки трансформатора TV1 на вторичную, демодулируется транзистором VT5 и сглаживается П-образным фильтром С13, R15, С15, подавляющим коммутационные помехи. С конденсатора C15 сигнал положительной полярности напряжением от 0,4 до 2 В поступает на вход схемы преобразования напряжения в ток.  Рисунок 10 - Схема выходного каскада сигнализации Моточные данные трансформатора TV1 приведены в таблице 2. Таблица 2 — Моточные данные трансформатора TV1
Схема преобразования напряжения в ток на рисунке 10. Она выполнена на базе микросхемы DA3 и транзисторов VT6, VT7 по схеме управляемого напряжением источника тока с незаземлённой нагрузкой. В состав схемы преобразования напряжения в ток входят также диоды VD15, VD18...VD20, конденсаторы C14, C17, C19, C20 и резисторы R16...R24.  Рисунок 11 – Схема преобразования напряжения в ток Напряжение, пропорциональное измеренному сигналу, с конденсатора C15 схемы гальванической развязки поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя DA3, с выхода которого сигнал подаётся на усилитель мощности, собранный на каскадной транзисторной паре VT6, VT7. Ток с выхода усилителя мощности протекает через диоды VD19, VD20, внешнюю нагрузку, резистор отрицательной обратной связи R23 и стабилитрон VD15. Внешняя нагрузка подключается к контактам 10, 11 соединителя XP1. Конденсатор С20 снижает уровень помех во внешней нагрузке, наводимых импульсным источником питания. На стабилитроне VD15 и конденсаторе С14 выполнен «искусственный нуль» снижающий синфазные помехи. Напряжение обратной связи с резистора R23 через резистор R17 поступает на инвертирующий вход микросхемы DA3. Цепь С17, R17 устраняет возбуждение операционного усилителя DA3. Для визуального контроля выходного тока на лицевую панель RI-преобразователя выведены гнёзда XS1 и XS2, подключённые параллельно диодам VD19, VD20. Падение напряжения на миллиамперметре, подключаемом к этим гнёздам, должно быть меньше порогового напряжения открывания этих диодов. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||