Входное устройство

Как уже было сказано выше, входное устройство должно обеспечивать следующие функции:

- делить входной сигнал так, чтобы его уровень по абсолютному значению, по крайней мере, не превосходил питающее напряжение ±5 В;

- защищать входные цепи от перегрузок в случае подключения высокого напряжения к входу вольтметра;

фильтровать входной сигнал, то есть выступать в качестве фильтра нижних частот;

смещать входной сигнал в область положительных напряжений так, чтобы весь диапазон изменения входного напряжения ±10 В укладывался в диапазон рабочих напряжений АЦП: 0 …4,096 В.

Устройство, обеспечивающее все эти функции, может быть реализовано по схеме, изображенной на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема входного устройства

Каскад на операционном усилителе DA1 построен по схеме инвертирующего усилителя. Известно, что коэффициент передачи такой схемы определяется как K=-R3/R1, а ее входное сопротивление равно R1. Если выполняется условие R1>R3, то коэффициент передачи становится меньше 1. Таким образом, можно получить входной делитель напряжения с высоким входным сопротивлением и очень малым выходным. Кроме того, ОУ в схеме инвертирующего усилителя работает без синфазной составляющей напряжения на его входах, что дает возможность преобразовывать входное напряжение U1, значительно превышающее напряжение питания ОУ.

В том случае, если ток инвертирующего входа ОУ, протекающий через высокоомные резисторы R1 и R3, вызывает заметное падение напряжения, необходимо компенсировать это смещение с помощью резистора R2, равного сопротивлению параллельно соединенных резисторов R1 и R3.

Диоды VD1 и VD2 служат для защиты входа от перегрузки высоким входным напряжением. В том случае, если входное напряжение находится в штатном диапазоне, операционный усилитель DA1 работает в активном режиме, отрицательная обратная связь замкнута, поэтому потенциал инвертирующего входа практически равен нулю. Поэтому диоды заперты, и их присутствие не влияют на работу схемы. Если высокое напряжение U1 выводит DA1 в режим насыщения, обратная связь не поддерживается, и напряжение на инвертирующем входе ОУ начинает расти. Однако при достижении значения примерно 0.7 В (порог открытия кремневых диодов) это напряжение стабилизируется, что предотвращает опасную ситуацию увеличения напряжения на входе усилителя сверх напряжения питания.

Конденсатор, включенный в обратную связь ОУ, ограничивает частоту пропускания каскада на уровне F=1/2πR1C3, таким образом, все устройство приобретает свойства фильтра нижних частот.

Схема сдвига уровня реализована на резисторах R4 и R5. Выходное напряжение устройства U3 можно определить по формуле

U3=(U2*R5+Vref*R4)/(R5+R4),

где Vref - опорное напряжение АЦП.

Если выполнить условие R4=R5, это выражение примет вид:

U3=(U2+Vref)/2.

Таким образом, если напряжение U2 будет меняться в пределах от -Vref до +Vref, это вызовет изменение U3 в пределах от 0 до +Vref, что и требуется для согласования выходного двуполярного сигнала U3 с диапазоном входных напряжений АЦП.

Заданная в исходных данных погрешность измерения вольтметра, равная 1%, практически полностью определяется использованием 10-битного АЦП, поэтому входной аналоговый тракт должен вносить погрешность во много раз меньшую. Для этого в схеме необходимо использовать прецизионный операционный усилитель и точные резисторы. В качестве операционного усилителя здесь может быть использована микросхема ОР177 фирмы Analog Devices. Этот усилитель обладает отличными точностными характеристиками [4]: сверхнизким напряжением смещения нуля <25 мкВ, малым входным током < 1.5 нA, очень высоким коэффициентом усиления >107, низкой стоимостью.

Так как входное сопротивление по условию должно быть ≥ 1 МОм, а входное сопротивление каскада равно R1, зададим R1=1 МОм. Выбор большего номинала R1 приведет к возрастанию выходного смещения DA1 за счет протекания входного тока ОУ через резисторы R1 и R3.

Зададим требование, чтобы при максимальном значении входного напряжения, равного 10 В, напряжение U2 было бы близким к опорному напряжению Vref=4.096 В, но несколько меньше этого значения. Примем эту величину, равной 4.09 В. Тогда коэффициент передачи каскада будет равен К=4.09/10=0.409.

Отсюда отношение резисторов R1/R3 должно быть равно 2.445. Следовательно, R3=K*R1=409 кОм. Резисторы R1 и R3 должны быть прецизионными, поэтому их значения необходимо выбирать из ряда номиналов E192. Тогда R1=1МОм, а R3=407 кОм.

Лучшие статьи по информатике

Трехмерные транзисторы
Один из аспектов повышения процессов обработки информации - получение конструкции трехмерного транзистора. Рассматриваются вопросы одного из наиболее прог ...

Характеристика аппаратуры на ООО Заполярпромгражданстрой
В соответствии с учебным планом я проходил учебную практику в обществе с ограниченной ответственностью «Заполярпромгражданстрой» с 22 апреля 2013 года по 12 ...

Расчет антенны для земной станции спутниковой системы связи (ЗССС)
Зеркальные антенны являются наиболее распространёнными остронаправленными антеннами. Их широкое применение в самых разнообразных радиосист ...