Реферат: Устойство измерения отношения двух напряжений

1 ОБЗОР МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯИЗМЕРИТЕЛЕЙ ОТНОШЕНИЯ

1.1 Анализ требований технического задания

В данной работе требуется разработать микропроцессорный измерительотношения напряжений, в основном предназначенный для использования в качествепрецизионного средства измерения при исследовании параметров СВЧ узлов.Разрабатываемый прибор призван заменить широко используемые для этих целейприборы В8-6, В8-7, которые в настоящее время морально устарели и иххарактеристики уже не обеспечивают современным требованиям. Кроме тогоразрабатываемый прибор может найти широкое применение в других областях,связанных с контролем относительных изменений параметров различных объектов, атакже с контролем параметровтехнологических процессов.

Приборы В8-6 и В8-7 посвоему принципу действия обеспечивают последовательное измерение отношения.Т.е. на один и тот же вход подается сначала больший сигнал, измерительный каналкалибруется, а затем подается второй сигнал и только после этого измеряетсяотношение. Разрабатываемый прибор, в отличие от вышеуказанных, по своемупринципу действия должен обеспечивать параллельное измерение отношения. Этозначит, что у него должно быть предусмотрено два входа, на которые будутподаваться одновременно оба сигнала. При этом измерение отношения будетпроводиться в автоматическом режиме в реальном масштабе времени. Такой подходпозволяет увеличить производительность измерений и исключить процедурукалибровки при каждом измерении без потери точности.

В соответствии с техническим заданием разрабатываемый прибордолжен обладать широким диапазоном измеряемых отношений: 60 дБ. Причем в этомдиапазоне должна обеспечиваться высокая точность измерений. В связи с этим вработе необходимо рассмотреть различные способы измерения отношений, выбратьнаиболее приемлемый в этом смысле и обеспечить его реализацию на соответствующей элементной базе.

В соответствии стехническим заданием разрабатываемый прибор должен обладать широкимдинамическим диапазоном входных напряжений: 60 дБ. В связи с этим необходимопровести анализ способов расширения динамического диапазона входных сигналов,выбрать наиболее приемлемый и осуществить его реализацию. Последнее можнообеспечить усилителем с управляемым коэффициентом усиления.

Так как в соответствии с техническим заданием прибор долженизмерять отношение сигналов постоянного напряжения, то в разрабатываемомприборе необходимо использовать усилитель постоянного тока. Усилителями постоянного тока называют усилители,усиливающие сколь угодно медленные электрические колебания. Так как усилительпостоянного тока усиливает как переменную, так и постоянную составляющиевходного сигнала, при отсутствии сигнала на входе усилителя на его выходедолжна отсутствовать как переменная, так и постоянная составляющие напряжения;в противном случае нарушится пропорциональность между выходным и входнымнапряжениями сигнала. Основной проблемой, которую следует решать припроектировании таких усилителей, – это уменьшение дрейфа нуля. Дрейф нуля,который присущ этому классу усилителей,может существенно повлиять на метрологические характеристики разрабатываемогоустройства. Поэтому в данной работе необходимо провести анализ методовпостроения усилителей постоянного тока и методов борьбы с дрейфом нуля, выбрать и реализовать вариант, обеспечивающий требованиятехнического задания.

В соответствии с техническим заданиемминимальная величена входного сигнала

Umin=10мкВ. При таком малом уровне сигнала наряду с дрейфом нуля негативное влияние на результат измерения будут оказывать шумы. Поэтому для выполнения требований технического заданиянеобходимо проанализировать возможные пути шумоподавления, выбрать иреализовать в проекте наиболее оптимальный вариант.

1.2Методы измерения отношения

Классификацияизмерителей отношения в зависимости от выполняемых функций зависит от видавходных и выходных преобразователей [1,2]. Основные показатели: динамическийдиапазон, погрешность деления и быстродействие, в основном определяютсяпараметрами делительных схем. Измерители отношения в общем виде можно классифицироватьпо выполняемым ими функциям на измерители отношения электрических инеэлектрических величин. В обоих случаях приборы различаются только входнымипреобразователями. Измерители отношения электрических величин по виду сигналаразделяют на измерители отношения постоянного и переменного тока. В своюочередь последние делят на импульсные, низкочастотные и высокочастотные. Взависимости от полосы частот различают узкополосные и широкополосные. Их такжеможно разделить по динамическому диапазону и быстродействию. В связи с этимважно разобраться в свойствах существующих делительных схем с тем, чтобы длятребуемой измерительной задачи выбратьнаиболее оптимальную.

1.2.1 Мостовой методПростейшая схема позволяющая найти отношение двухнапряжений представляет собойперестраевоемое сопротивление позволяющее установить баланс моста [1]. Даннаясхема представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 — Мостовая схема измеренияотношения напряжения

В случае, когдасхема сбалансирована, т. е. измерительный прибор (И)показывает нуль, будет иметь место равенство[1]:

<img src="/cache/referats/11846/image003.gif" v:shapes="_x0000_i1025">. (1.1)

Посленесложного преобразования получим

<img src="/cache/referats/11846/image005.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> (1.2)

Изформулы (1.2) видно, что отношение сопротивлений при условии баланса являетсямерой измеряемого отношения напряжений. Следовательно, отградуировав переменноесопротивление соответствующим образом можно определять отношение подаваемых на схему напряжений путём балансировки схемы.

Однако,данная схема крайне непроизводительна, т. е. обладает малым быстродействием,так как требует постоянной балансировки. Дополнительным источником погрешностислужит неточность балансировки, возникающая вследствие усталости оператора.

1.2.2Логарифмический

метод

Существуетмножество различных методов нахождения отношения напряжений, которые выполняютоперацию деления двух электрических величин при помощи моделированияпромежуточных математических операций [1]. Характерным примером устройствтакого типа являются делительные схемы, использующие известные из элементарнойматематики соотношения

<img src="/cache/referats/11846/image007.gif" v:shapes="_x0000_i1027">; (1.3)

<img src="/cache/referats/11846/image009.gif" v:shapes="_x0000_i1028">. (1.4)

Логарифмированиенезависимых переменных x1 и x2 и последующее вычитание обеспечивают выполнениеоперации деления в логарифмическом масштабе.

Логарифмические делительныесхемы различаются в основном видомлогарифмического преобразования, от которого в значительной степени зависятточность, динамический диапазон и сложность логарифмических делительных схем.Структурная схема измерителя отношения основанная на логарифмическомметоде представлена на рисунке 1.2.

loga

-1

a(logax1-logax2)

loga

Рисунок 1.2 – Структурная схема логарифмического измерителяотношения

Восновном логарифмические схемы предназначены для определения частного отделения двух постоянных напряжений. Для реализации данного метода можноиспользовать логарифмические усилители, цепи, работа которых обоснована налинейно-кусочной аппроксимации, операционные усилители с нелинейнойэкспоненциальной обратной связью.

В качествеэкспоненциальных элементов, выполняющих логарифмическое преобразование сигнала,можно использовать кремневые p-n переходы. В кремневых диффузионных мезатранзисторах, а также втранзисторах планарной конструкции коэффициент α не зависит от величины тока и близок к единице. Если прямое напряжение на p-n переходе превышает 100 мВ,тогда можно аппроксимировать их вольтамперную характеристику выражением

<img src="/cache/referats/11846/image013.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> , (1.5)

гдеIк — ток коллектора, Iэо – начальный ток эмиттера, α – параметр p-nперехода, Uбэ – напряжение между эмиттером ибазой. Экспоненциальная характеристика сохраняется в интервале изменения токовдо пяти декад. Это позволяет реализовать деление напряжений в широкомдинамическом диапазоне.

1.2.3Применение

АРУ для нахождения отношения напряжений

Существует большойкласс элементов, коэффициенты передачи которых зависят от управляющеговоздействия. Практически все известные виды характеристик регулированиякоэффициентов передачи различных элементов можно выразить в общем видезависимостью

, (1.6)

где

k0– начальный коэффициент передачи, S(up) =dk(up)/dup – крутизна управления коэффициентомпередачи, up–управляющее напряжение.

Поскольку коэффициентК0может принимать значения от нуля до любой положительнойвеличины, а S(

up)может быть любой функцией аргумента up при любом его знаке, то очевидно, чтовыражение (1.6) справедливо для всех возможных реализаций элементов срегулируемым коэффициентом передачи. Когда начальный коэффициент передачи Коравен нулю, акрутизна S(up)имеет отрицательную величину, не зависящую от up, получаем выражение коэффициентапередачи множительной схемы.

Рассматриваяработу схемы с двумя управляемыми элементами, которая изображена на рисунке1.3, можно доказать, что при выполненииопределённых условий, напряжение

u3 будет равно[1]:

<img src="/cache/referats/11846/image017.gif" v:shapes="_x0000_i1031"> . (1.7)

Эти условиясводятся к тому, что для правильного деления необходим бесконечный коэффициентусиления замкнутой цепи АРУ, что в основном обеспечивается увеличениемкоэффициента усиления обратной связи, а характеристики регулирования обоихуправляемых элементов должны быть строго идентичными.

СС

УЭ1

U2 U’ E0

<img src="/cache/referats/11846/image022.gif" v:shapes="_x0000_s1128"> Up

у ΔU

УЭ2

<img src="/cache/referats/11846/image024.gif" v:shapes="_x0000_s1124">U1 U3

Рисунок1.3 — Структурная схема измерителя отношения напринципе АРУ

.Надо отметить,что требования к виду зависимости

Но идеальногосовпадения характеристик регулирования двух элементов, равно как и бесконечногокоэффициента усиления замкнутой системы АРУ, добиться нельзя. Этим иобъясняется появление систематических погрешностей. Так можно доказать, что дляполучения погрешности деления порядка 2% требуется совпадение характеристик нехуже 1% во всём динамическом диапазоне [1], что врядли может быть реализовано.

1.2.4Разносный

метод нахождения отношения напряжения

Дляизмерения отношения напряжений близких по величине, целесообразно применятьразносный метод, который сводится к следующему: сначала надо измерить разностьвходных напряжений, разделить полученную разность на одно из входныхнапряжений, а затем измерить выходное напряжение [1]. Указанное вышезаписывается как

<img src="/cache/referats/11846/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1032">, (1.8)

гдеС – константа деления,

Uвых– выходная величина напряжения, r =u1/u2 – требуемое отношение напряжений. Из формулы (1.20) следует

<img src="/cache/referats/11846/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1033">. (1.9)

Структурнаясхема, реализующая описанный выше метод, изображена на рисунке 1.4.

(u1-u2)/u2

u1-u2

Uвых

Рисунок 1.4 – Структурная схема измерителя отношения реализующего

разносный метод

Погрешностьизмерения отношения в этом случае равна [1]

<img src="/cache/referats/11846/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1034">. (1.10)

Величины

dС и dUвых имеют следующийфизический смысл. В любой делительной схеме в результате климатических воздействий,изменений напряжения питания в некоторых пределах изменяется выходная величина,что соответствует изменению постоянной деления C и вносит погрешность,обозначенную как dC. Погрешность измерениявыходной величины напряжения обозначена dUвых. Из выражения (1.10)следует, что для dС=2% и dUвых=1% измерения отношения r=0.99 будут обеспечиватьсяс предельной погрешностью dr=0.003% [1].

1.2.5Цифровой метод измерения отношения

Привычислении отношения при помощи микропроцессора, напряжения, отношения которыхнеобходимо найти преобразуются в цифровой код, а затем осуществляется операцияделения одного числа на другое. Известно, что представление числовой информациив вычислительной машине ограничено разрядностью [3]. И если результатвыполнения арифметического действия по количеству разрядов превышает разряднуюсетку устройства, то часть разрядов теряется В настоящее время существуетмножество алгоритмов выполнения деления одного числа, представленного вдвоичном коде на другое. Причем выполнения операции деления зависит от видаформата в котором представлено число.

Операциинад числами с фиксированной точкой наиболее часты в практике программирования.Это объясняется тем, что большинство прикладных задач не требует такойточности, какую может дать плавающая точка, а скорость обработки, особенно врегистровых командах, значительно выше.

Дляпредставления чисел с фиксированной точкой используется двоичная системасчисления. Числа размещаются в формате полуслова (16 бит), слова (32бита) идвойного слова (64 бита). Размером этих полей фиксированной длины определяетсядиапазон представления чисел, а при фиксированном диапазоне – точностьпредставления числа.

Дляпредставления чисел с плавающей точкой используется полулогарифмическая форма,которая имеет вид

<img src="/cache/referats/11846/image033.gif" v:shapes="_x0000_i1035"> (1.11)

гдеМ – мантисса числа А,

r– порядок числа. Положение запятой определяется значением порядка r. С изменением порядка в ту или другуюсторону точка перемещается (плавает) в лево или право. Под мантиссу и порядок вмашине отводится определенное число разрядов. Например, при представлении вформате слова — 24. Диапазон представления десятичных чисел, взятых по абсолютному значению, определяются неравенством [3]: 10-77≤│A(10)│≤1076.Преобразование числовой информации в формат с плавающей точкой осуществляетсяпрограммным путем.

1.3

Методы построения усилителей постоянного тока

1.3.1 Дрейф нуля вусилителях постоянного тока

Дрейфом начального уровня или дрейфомнуля называется самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменномили равном нулю входном напряжении. Дрейф нуля является основным источникомпогрешностей в измерительных приборах, в которых необходимо усиливать сигналы постоянного напряжения [4,5,6].

Причины возникновения дрейфа начального уровнянапряжения или тока в УПТ различные. Во-первых, колебания температурыокружающей среды вызывают изменения токов коллекторного и эмиттерного р-ппереходов, напряжения база — эмиттер и коэффициента усиления тока биполярныхтранзисторов. У полевых транзисторов с изменением температуры также изменяютсясоответствующие параметры. Во-вторых, при изменении напряжений источниковпитания усилительных каскадов изменяется напряжение на выходе усилителя, дажеесли его входное напряжение оставалось неизменным. В-третьих, происходит старениепараметров транзисторов, т. е. их изменение во времени. В-четвертых, всоединениях, выполненных с помощью паек, а также в других соединениях элементовили микросхем, которые являются неоднородными, могут возникать термоЭДС.Последние усиливаются в каскадах, и на выходе усилителя возникает изменениенапряжения. Перечисленные дестабилизирующие факторы протекают медленно вовремени и усиливаются наравне с входным медленно изменяющимся сигналом, вызываяопределенную погрешность выходного напряжения.

Для уменьшения дрейфа начального напряженияв УПТ прямого усиления применяют специальные балансные или разностные схемыкаскадов, а иногда электрическую изоляцию каскадов друг от друга с помощьюоптопар, которая позволяет получить изолирующие каскады. В УПТ спреобразованием (модуляцией) усиливаемого сигнала уменьшение дрейфа нулядостигается другим способом, однако и здесь возникают трудности, которыепреодолеть непросто.

1.3.2 Стабилизация точки покоя в транзисторныхкаскадах

Ток покоя выходной цепи усилительного каскада в рабочихусловиях не должен сильно отклоняться от величины, обеспечивающей нормальнуюработу, так как иначе свойства каскада ухудшатся и он даже может статьнеработоспособным.

При питании отодного источника достаточную стабильность тока покоя выходной цепи (или, что тоже самое, достаточную стабильность положения точки покоя на семействестатических выходных характеристик транзистора), обеспечивающуюработоспособность транзисторных каскадов при изменении температуры и заменетранзисторов, можно получить при использовании схем стабилизации тока покоявыходной цепи (схем стабилизации точки покоя)[4,5].

Простейшей и наиболее экономичной изтаких схем является коллекторная стабилизация (рис.1.5),в которой стабилизация положения точки покоя осуществляется параллельнойотрицательной обратной связью по напряжению, снимаемой с коллекторатранзистора.

Uвх

Uвых

-E

Рисунок 1.5 — Коллекторная стабилизация точки покоя при включении

транзистора собщим эмиттером

Здесь к резистору

R1 приложенаразность напряжения источника питания Еи падения питающего напряжения на сопротивлении коллекторной нагрузки Z. Если почему-либо ток покоя выходной цепи стремится возрасти, падение напряжения на Z увеличивается, приложенное к R1<span Arial",«sans-serif»;ms

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Разработка программатора микросхем ПЗУ

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

ПЛИС Xilinx семейства Virtex™

25 Июня 2015

Реферат по радиоэлектронике

Ремонт и регулировка мониторов для компьютеров

25 Июня 2015

Реферат по радиоэлектронике

Разработка блока управления электромеханическим замком

29 Августа 2013