Преобразователи ток-напряжение. Преобразователь напряжение-ток с точно устанавливаемой зоной нечувствительности Преобразователь напряжения в ток

Министерство Образования РФ

Новосибирский Государственный Технический Университет

Кафедра ССОД

Курсовой проект по дисциплине:

«СХЕМОТЕХНИКА»

Преобразователь тока в напряжение

Выполнила: Проверил:

Голдобина Елена Пасынков Ю.А.

Группа: АО-91

Факультет: АВТ

НОВОСИБИРСК-2001

1. Введение

2. Технические данные для проектирования

3. Структурная схема преобразователя

4. Уравнение преобразования

5. Анализ погрешностей

6. Принципиальная схема

7. Расчет инструментальных погрешностей

8. Заключение

9. Список используемой литературы

10. Спецификация элементов

Введение

В настоящее время существуют различные преобразователи физических величин, например: напряжения в ток, сопротивления в постоянное напряжение, частоты в напряжение.

Преобразователи одной величины в другую широко применяются в радиоэлектронике, микроэлектронике и системах сбора и обработки данных. При построении таких преобразователей используются операционные усилители. Это позволяет значительно увеличить выходное сопротивление схемы, тем самым, уменьшив влияние на работу последующих звеньев.

2. Технические данные для проектирования.

а) Основные данные

б) Дополнительные

3. Структурная схема преобразователя.

Схему преобразователя структурно можно представить в следующем виде:

2) – усилитель

I BX – входной ток

U ВЫХ – номинальное напряжение на выходе.

4. Уравнение преобразования тока в напряжение.

Сопротивление R3 равное параллельному соединению R1 и R2 включено в цепь для устранения погрешности от входных токов.

Сопротивление R кор -корректирующее – включено в схему для устранения погрешности от допусков резисторов (R кор = 10 Ом)

Выходное напряжение прямо пропорционально току, сопротивлению шунта и коэффициенту усиления масштабного усилителя:

Расчет элементов схемы:

Начальные данные:

.

Выбор операционного усилителя.

Выберем операционный усилитель с малым температурным дрейфом E см для того чтобы минимизировать погрешность от влияния дрейфа.

Возьмем ОУ 140УД21.(ТКЕ см =0,5·10 -6 В, I вх =0,5нА, ΔI вх =0,5нА, К=1000000 U вых =10,5В М сф =110 дБ).

Расчет резисторов.

Выберем шунт с номинальным напряжением U шном =30мВ.

Сопротивление шунта , следовательно входное сопротивление преобразователя равно 3 мОм, что соответствует заданным параметрам.

Напряжение на входе усилителя равно U шном. На выходе необходимо получить напряжение U вых =1В. Следовательно, коэффициент усиления с обратной связью

.

I R – ток протекающий через сопротивления R1, R2.

где, I вх_оу – входной ток операционного усилителя, К – коэффициент усиления без обратной связи.

Решая данную систему, находим значения резисторов.

R1 = 60 Ом R2 = 1900 Ом.

5. Анализ погрешностей

В данной схеме присутствует только инструментальная погрешность, так как методическая погрешность, связанная с сопротивлением источника, равна нулю (считаем, что источник идеальный, т.е. его внутреннее сопротивление равно ∞).

Поэтому рассмотрим только инструментальные погрешности:

1. Погрешность от допусков резисторов.

Данная погрешность устраняется путем ввода в систему корректирующего сопротивления, равного 10 Ом.

2 . Погрешность от ТКС резисторов

3. Погрешность от дрейфа Е см.

Влияние этой погрешности будет рассмотрено ниже.

4. Погрешность от Е см усилителя.

Эта погрешность устраняется с помощью подстроечного резистора R4.

5. Погрешность от входных токов.

Эта погрешность устраняется путем включения в преобразователь сопротивления R3, равного параллельному сопротивлению R1 и R2.

6. Погрешность от дрейфа Δ I ВХ .

Воздействие этой погрешности также рассматривается ниже.

7. Погрешность от коэффициента подавления синфазного сигнала.

Воздействие этой погрешности будет рассмотренно ниже.

7. Расчет погрешностей

Уравнение выходного напряжения:

Рассчитаем следующие погрешности:

а) Погрешность от допуска сопротивления шунта

Погрешность допуска сопротивления шунта составляет 0,05% или 15нОм.

Другими словами

R шреал – реальное сопротивление шунта.

U хреал – напряжение на выходе усилителя при R ш = R шреал

б) Погрешность от ТКС резисторов:

Выберем резисторы R1,R2 из серии С2-29В.

У данного типа резисторов

погрешность d 1 от ТКС R 2

погрешность d 2 от ТКС R 1

в) Погрешность от ТКЕ СМ

г) Погрешность от ΔI BX .

д) Погрешностьот коэффициента подавления синфазного сигнала.

Общая погрешность

Это значение удовлетворяет заданной погрешности. Следовательно подтверждается правильность выбора операционного усилителя с малым дрейфом смещения нуля.

8. Заключение.

Данная схема преобразователя напряжения в ток достаточно проста, но в то же время обеспечивает необходимую точность преобразования (погрешность преобразования не более 0,05) . Данные качества позволяют широко использовать эту схему в измерительных системах и системах обработки сигналов.

9. Список используемой литературы:

1. Конспект лекций Пасынкова Ю.А.по схемотехнике за 2001 год.

2. Хоровиц П., Хилл У. ”Искусство схемотехники”

3. Кунов В.М. Операционные усилители. Справочник. Новосибирск, 1992.

11. Технические характеристики элементов.

Магнитоэлектрический механизм, включенный непосредственно в измерительную цепь, позволяет измерять малые постоянные токи, не превышающие 20-50 мА. Превышение указанных значений может привести к повреждениям провода рамки и спиральной пружины. Таким образом, сам магнитоэлектрический механизм может выступать только в роли микроамперметра или миллиамперметра. Для того чтобы измерять большие токи, используют измерительные цепи, включающие в себя шунты. Шунт является простейшим измерительным преобразователем тока в напряжение. Он представляет собой четырехзажимный резистор. Два входных зажима, к которым подводится ток /, называются токовыми, а два выходных зажима, с которых снимается напряжение V, называются потенциальными. К потенциальным зажимам обычно присоединяют измерительный механизм ИМ прибора.

Шунт характеризуется номинальным значением входного тока / ном и номинальным значением выходного напряжения?/ ном. Их отношение определяет номинальное сопротивление шунта

К ш = ^ном/4юм- Шунты применяются для расширения пределов измерения измерительных механизмов по току, при этом большую часть измеряемого тока пропускают через шунт, а меньшую - через измерительный механизм. Шунты имеют небольшое сопротивление и применяются, главным образом, в цепях постоянного тока с магнитоэлектрическими измерительными механизмами.

На рис. 4.1 приведена схема включения магнитоэлектрического механизма ИМ с шунтом Я ш. Ток / и, протекающий через измерительный механизм, связан с измеряемым током / зависимостью

Рис. 4.1.

где Я и - сопротивление измерительного механизма.

Если необходимо, чтобы ток / и был в п раз меньше тока /, то сопротивление шунта должно быть:

К = Я и /(/7 - 1),

где п = ///„ - коэффициент шунтирования.

Шунты изготовляют из манганина, сплава с высоким удельным сопротивлением и малой зависимостью его от температуры. Если шунт рассчитан на небольшой ток, то его обычно встраивают в корпус прибора (внутренние шунты). Для измерения больших токов используют приборы с наружными шунтами. В этом случае мощность, рассеиваемая в шунте, не нагревает прибор.

На рис. 4.2 показан наружный шунт на 20 А. Он имеет массивные наконечники из меди 4, которые служат для отвода тепла от манганиновых пластин 3, впаянных между ними. Зажимы шунта 1 - токовые.

Измерительный механизм присоединяют к потенциальным зажимам 2, между которыми и заключено сопротивление шунта. При таком включении измерительного механизма устраняются погрешности от контактных сопротивлений.

Рис. 4.2. Наружный шунт: I - токовые зажимы; 2 - потенциальные зажимы; 3 - манганиновые пластины; 4 - медные наконечники

Наружные шунты обычно выполняются калиброванными, т. е. рассчитываются на определенные токи и падения напряжения. По ГОСТ 8042-93 калиброванные шунты должны иметь номинальное падение напряжения 10, 15, 30, 50, 60, 75, 100, 150 и 300 мВ.

Для переносных магнитоэлектрических приборов на токи до 30 А внутренние шунты изготовляют на несколько пределов измерения. На рис. 4.3, а, б показаны схемы многопредельных шунтов. Многопредельный шунт состоит из нескольких резисторов, которые можно переключать в зависимости от предела измерения путем переноса провода с одного зажима на другой (рис. 4.3, а) или переключателем (рис. 4.3, б).

Рис. 4.3. Схемы многопредельных шунтов: а - шунта с отдельными выводами;

б - шунта, с переключателем

Применение шунтов с измерительными механизмами других систем, кроме магнитоэлектрической, нерационально, так как другие измерительные механизмы потребляют большую мощность, что приводит к существенному увеличению сопротивления шунтов и, следовательно, к увеличению их размеров и потребляемой мощности.

Шунты разделяются на классы точности 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5. Число, определяющее класс точности, обозначает допустимое отклонение сопротивления шунта в процентах его номинального значения.

Серийные шунты выпускаются для токов не более 5000 А. Для измерения токов свыше 5000 А допустимо параллельное соединение шунтов.

Добавочные резисторы являются измерительными преобразователями напряжения в ток, а на значение тока непосредственно реагируют измерительные механизмы стрелочных вольтметров всех систем, за исключением электростатической и электронной. Добавочные резисторы служат для расширения пределов измерения по напряжению вольтметров различных систем и других приборов, имеющих параллельные цепи, подключаемые к источнику напряжения. Сюда относятся, например, ваттметры, счетчики энергии, фазометры и т. д.

Добавочный резистор включают последовательно с измерительным механизмом (рис. 4.4). Ток / и в цепи, состоящий из измерительного механизма с сопротивлением К и и добавочного резистора с сопротивлением Я а составит:

/„ = тк + /у,

где и - измеряемое напряжение.

Рис. 4.4.

с добавочным резистором

Если вольтметр имеет предел измерения?/ ||0М и сопротивление измерительного механизма и при помощи добавочного резистора Л л надо расширить предел измерения в п раз, то, учитывая постоянство тока / и, протекающего через измерительный механизм вольтметра, можно записать:

и ном /К = я?4юм/(Я и + я д),

Добавочные резисторы изготовляются обычно из изолированной манганиновой проволоки, намотанной на пластины или каркасы из изоляционного материала.

Они применяются в цепях постоянного и переменного тока. Добавочные резисторы, предназначенные для работы на переменном токе, имеют бифилярную обмотку для уменьшения собственной индуктивности.

При применении добавочных резисторов не только расширяются пределы измерения вольтметров, но и уменьшается их температурная погрешность. Если принять, что обмотка измерительного механизма имеет температурный коэффициент сопротивления Р и, а добавочный резистор - температурный коэффициент сопротивления, то температурный коэффициент всего вольтметра (см. рис. 4.4) равен:

Р = (РА + РА)/А + /у

Обычно Р л = 0, тогда

В переносных приборах добавочные резисторы изготовляются секционными на несколько пределов измерения (рис. 4.5).

• 75 мВ

Рис. 4.5.

Добавочные резисторы бывают внутренние и наружные. Последние выполняются в виде отдельных блоков и подразделяются на индивидуальные и калиброванные. Индивидуальный резистор применяется только с тем прибором, который с ним градуировался. Калиброванный резистор может применяться с любым прибором, номинальный ток которого равен номинальному току добавочного резистора.

Калиброванные добавочные резисторы делятся на классы точности 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 и 1,0. Они выполняются на номинальные токи от 0,5 до 30 мА.

Добавочные резисторы применяются для преобразования напряжений до 30 кВ.

На рис. 4.8 показан простой вариант преобразователя напряжения в ток всего на одном ОУ. Благодаря действию обратной связи входное напряжение и падение напряжения на резисторе равны. Через нагрузку течет тот же самый ток, что и через резистор поэтому . Ток в нагрузке не зависит от при условии, что ОУ работает в линейном режиме (не насыщается).

Коэффициенты преобразования.

Входное сопротивление.

Для инвертирующего преобразователя:

Для неинвертирующего преобразователя:

где - входное сопротивление для синфазного сигнала ОУ А.

Выходное сопротивление инвертирующего и неинвертирующего преобразователей:

Рис. 4.8. Два варианта схем ПНТ.

Выходной ток смещения инвертирующего и неинвертирующего преобразователей:

где - входное напряжение смещения ОУ, - входной ток смещения ОУ.

Максимальный выходной ток ограничивается напряжением питания ОУ и импедансом нагрузки.

Для инвертирующей схемы:

Для неинвертирующей схемы:

где - выходное напряжение насыщения ОУ.

Максимальный выходной ток может ограничиваться и встроенной защитой самого ОУ. В этом случае для увеличения тока к выходу ОУ можно подключить усилитель мощности (ряс. 4.9).

Неинвертирующая схема на рис. 4.8 имеет высокое входное сопротивление, так как входной сигнал подается непосредственно на вход ОУ. Входное сопротивление инвертирующей схемы равно сопротивлению резистора которое может быть сравнительно небольшим. Кроме того, в инвертирующей схеме источник управляющего напряжения должен обеспечивать и весь выходной ток. Для получения большого коэффициента

преобразования при сохранении приемлемого сопротивления резистора в цепь обратной связи можно включить делитель (рис. 4.9). У этого способа есть недостаток - уменьшается коэффициент передачи цепи обратной связи, а это снижает линейность и точность преобразования, а также уменьшает выходное сопротивление.

Выходное сопротивление в этом случае равно:

т.е. уменьшается в раз.

При работе на большую индуктивную нагрузку (например, обмотку реле или двигателя) позаботьтесь о том, чтобы не превысить допустимые параметры ОУ из-за возникновения больших обратных ЭДС. Для защиты ОУ и других элементов включаются дополнительные диоды. Кроме того, при индуктивной нагрузке возникают проблемы с устойчивостью схемы. Индуктивность в цепи обратной связи добавляет лишний полюс в частотной характеристике, что может вызвать неустойчивость и привести к самовозбуждению устройства. Для борьбы с этим включаются корректирующие конденсатор и резистор, показанные на рис. 4.9.

Включение еще одного ОУ превращает исходную схему в ПНТ с дифференциальным входом (рис. 4.10).

Для плавающих источников управляющих напряжений применяются схемы, приведенные на рис. 4.11, причем достоинство схем б) и в) состоит в том, что они отдают ток в заземленную нагрузку. Из-за действия обратной связи падение напряжения на резисторе равно входному напряжению Ток, протекающий через резистор должен течь и через нагрузку, что приводит к желаемому результату.

Выходное сопротивление для схемы а):

а для схем б) и в):

Общее смещение, приведенное к входу, для схем а), б) и в):

где - коэффициент усиления ОУ А,

КОСС - коэффициент ослабления синфазного сигнала ОУ А, - входное напряжение смещения ОУ А, - входной ток смещения ОУ А.

Выходное напряжение для схем а), б) и в):

Рис. 4.9. Применение усилителя мощности и делителя в цепи обратной связи.

Если схема а) имеет плавающие источники литания, то можно подключить точку Р к общему проводу для того, чтобы заземлить входной сигнал и нагрузку.

Сопротивление утечки между плавающими зажимами источника сигнала и землей не влияет на работу схемы в). Однако оно сказывается на работе схем а) и б), так как по сопротивлениям утечки отводится часть выходного тока от токозадающего резистора

В однополярном преобразователе напряжение-ток, схема которого показана на Рисунке 1, использовано классическое включение операционного усилителя IC2a и NPN транзистора Q1. Стабилизируемый ток течет через эмиттерный резистор R E , который выполняет здесь роль простейшего пассивного преобразователя ток-напряжение. Фактическим напряжением отрицательной обратной связи в цепи регулирования является напряжение на инвертирующем входе IC2a. Зона нечувствительности на вольтамперной характеристике создается током, текущим от источника опорного напряжения V REF через резисторы R D и R E в землю. Источником опорного напряжения V REF служат двухвыводная микросхема шунтового регулятора IC1, резистивный делитель Ra, Rb и операционный усилитель IC2b.

Для оценки ширины зоны нечувствительности, прежде всего, представим, что V IN равно нулю. Операционный усилитель стремится смещать к нулю также и напряжение V ED . Однако стать равным нулю V ED не может, поскольку переход база-эмиттер транзистора Q1 в это время работает, как диод, смещенный в обратном направлении. В результате эмиттерный ток Q1 равен нулю, откуда следует, что падение напряжения на резисторе R E равно:

Поскольку это же напряжение приложено к инвертирующему входу операционного усилителя, его выход находится в отрицательном насыщении.

При увеличении V IN никаких изменений не будет происходить до тех пор, пока входное напряжение не превысит напряжение V ED , данное Уравнением 1. С этого момента выходное напряжение операционного усилителя IC2a станет положительным, и через эмиттер Q1 потечет ток. С ростом V IN будет расти ток эмиттера Q1. Из-за сильной отрицательной обратной связи зависимость тока I C от V IN остается линейной до тех пор, пока входное напряжение находится в диапазоне от V ED до V REF . Для оценки величины выходного тока на границе рабочего диапазона при V IN = V REF нужно принять во внимание, что на обоих выводах резистора напряжение одинаково и равно V REF , так что ток через резистор не течет. Поэтому эквивалентное сопротивление эмиттера равно самому эмиттерному сопротивлению R E , а ток эмиттера равен V REF /R E .

Выходной ток, текущий через коллектор Q1 и положительный вывод питания, очень незначительно отличается от тока эмиттера:

где β - коэффициент передачи тока Q1. На Рисунке 2 показана вольтамперная характеристика преобразователя.

При коэффициенте передачи тока транзистора приблизительно равном 230 коллекторный ток меньше эмиттерного на 0.44%. Чтобы снизить эту ошибку можно заменить Q1 либо составным транзистором Дарлингтона, либо каскадным соединением двух биполярных транзисторов. Входное напряжение V IN можно снимать непосредственно с движка потенциометра P1, или же брать от внешнего источника.

Если, к примеру, вы выбрали V DB = 0.1×V REF , V DB = V ED то из Уравнения 1 будет следовать R D = 9R E . Теоретическая зависимость выходного тока от входного напряжения представлена графиком на Рисунке 2.

Измерения, проведенные на макете схемы, показали, что V REF = 0.19645 В, а напряжение V ED на эмиттере при максимальном входном напряжении равно 0.19660 В.

Напряжение V DB определялось путем измерения значений V IN в моменты резких изменений выходного напряжения IC2a с нулевого на положительное и наоборот. Было определено, что для положительных переходов V DB = 19.75 мВ, а для отрицательных V DB = 19.70 мВ.

В радиотехнике часто возникает необходимость в преобразователях. Многие источники сигнала имеют токовый выход. К таким источникам относятся ЦАПы, фоторезисторы, фототранзисторы и др… Для последующих манипуляций с сигналом необходимо преобразовывать его в напряжение. Рассмотрим проверенный временем преобразователь тока в напряжение на ОУ с разными источниками сигнала.

Преобразователь тока в напряжение (или сокращенно I-U преобразователь) — это схемное решение, позволяющее преобразовывать выходной токовый сигнал источника в напряжение.

Так же его называют усилитель — преобразователь сопротивления . Такое название в технической литературе было дано за то, что простейший преобразователь тока в напряжение — это резистор.

Вся магия преобразования происходит по закону дедушки Ома. Ток i вх протекая через резистор R вызывает на нем падение напряжение U вых . Величина этого напряжения прямо пропорциональна произведению сопротивления резистора и входного тока. Пожалуй формулой все звучит даже проще:

U вых = R × i вх

Основной недостаток использования одного резистора состоит в его ненулевом сопротивлении. Это обстоятельство становится серьезной проблемой, когда источник не в состоянии обеспечить необходимый уровень напряжения на резисторе. Результатом буду просадки напряжения на выходе.

Еще больше сопротивление сказывается на работе преобразователя, если у источника тока малый выходной рабочий диапазон. К таким источникам относится, например, фотодиод. Его выходной ток составляет единицы мкА.

В случае же ЦАПа , особенно высококачественного, использование резистора для преобразования предпочтительнее. Почему и зачем читайте в статье . Это обусловлено некоторыми фазовыми проблемами схем, которые будут рассмотрены. К счастью для нас, источникам вроде фотодиода фазовые искажения безразличны.

Схема преобразователя ток-напряжение на ОУ

Схема преобразователя тока в напряжение, совсем не нова, но проверенна и безотказна. В общем виде она выглядит следующим образом:

Ток сигнала i вх втекает в инвертирующий вход. Поскольку входной ток идеального ОУ равен нулю, то весь входящий ток поступает на резистор R цепи обратной связи. Этот ток создает на резисторе падение напряжения по закону все того же Ома.

Как результат ОУ будет стараться поддерживать на сопротивлении нагрузки R Н напряжение, пропорциональное величине входного тока. Коэффициент усиления схемы в, таком случае, имеет размерность сопротивления. Что еще раз объясняет советское название усилитель-преобразователь сопротивления:

K = U вых ÷ i вх = R

Преобразователь для заземленного источника

Рассмотрим несколько схем преобразователя тока в напряжение на ОУ, подходящие для любого случая. Начнем со схемы преобразователя для фотодиода.

Направление протекания тока показано стрелкой, и для данного случая величина выходного напряжения составит:

U вых = − i вх × R

Знак минус появляется из-за выбранного направления протекания тока фотодиода. (Указано стрелкой на схеме выше)

На этой схеме так же показан дополнительный резистор в 1 МОм, с неинвертирующего(+ ) входа ОУ на землю. Схема останется работоспособной и без этого резистора, а вход операционного усилителя в таком случае заземляется напрямую.

Однако имея резистор в 1 МОм в цепи обратной связи, на каждый 1 мкА входного тока на выходе будет создан 1 Вольт напряжения. При таком коэффициенте усиления (миллион раз ) резистор желателен из-за неидеальности операционных усилителей.

Преобразователь тока в напряжение используют и с источниками сигнала, подключенными к шине питания. Такая схема часто применяется с элементами вроде фототранзисторов. Фототранзистор потребляет (пропускает ) ток, под действием внешнего источника света, положительной шины питания.

Преобразователь тока в напряжение для незаземленного источника

Такой преобразователь отличается наличием второго токочувствительного резистора в цепи прохождения сигнального тока, который заземлен. Схема симметричного преобразователя ток-напряжение это подобие дифференциального усилителя.

В следствии падения напряжения так же и на заземленном резисторе, потенциал входа ОУ падает ниже потенциала земли, а на выходе устанавливается напряжение:

U вых = −2 × i вх × R

Симметричный преобразователь тока в напряжение — пример операционной схемы, которой необходим незаземленный (плавающий ) источник сигнала. Таким источником может послужить все тот же фотодиод. При этом фотодиод может быть вынесен за пределы платы. Для еще большей минимизации помех, желательно использовать экранированный кабель, экран которого должен быть соединен с землей.

Заключение

Материал подготовлен исключительно для сайта