Преобразователь напряжения в унифицированный токовый сигнал

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины 

Национальный технический университет

«Харьковский политехнический институт» 

Кафедра «Информационно-измерительные технологии и системы» 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовой  проект

на тему:

«Преобразователь напряжения в унифицированный токовый сигнал»

по дисциплине «Основы электроники» 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнила: ст. гр. АП-49а

Крип  Ю. Т.

Проверил: Балев В. Н. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Харьков 2011

Техническое задание

     Разработать преобразователь напряжения, изменяющийся в диапазоне  , в унифицированный токовый сигнал в диапазоне . Погрешность преобразователя не должна превышать 2%.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание 

Сокращения………………………………………………………………………..4

Введение…………………………………………………………………………...5

1. Обзор методов преобразования напряжения в токовый сигнал………...7
2. Структурная схема………………………………………………………..11
3. Принципиальная схема…………………..……………………………….13
4. Выбор элементной базы………………………………………………….14
5. Расчет погрешности………………………………………………………16

Заключение……………………………………………………………………….18

Список  литературы………………………………………………………………19  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Сокращения

ИП – инвертирующий преобразователь;

НП  – неинвертирующий преобразователь;

ОУ – операционный усилитель;

ПНТ – преобразователь напряжения в ток; 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     Современная техника радиоприема, обеспечивая  высокое качество воспроизведения  радиовещательных и телевизионных  передач, связана с почти неизбежным усложнением схемы, а следовательно, с увеличением числа ламп и введением в схему ряда дополнительных устройств.

     К числу вспомогательных схем, улучшающих качество работы приемного устройства и главным образом упрощающих управления им, относятся, в первую очередь, схемы автоматического регулирования. 

     Наиболее распространенным видом автоматического регулирования являются стабилизаторы напряжения и тока¹.

     Наличие стабильного (устойчивого по величине) напряжения и тока не только желательно, но во многих случаях необходимо. При отсутствии стабильного источника питания могут понизиться экономичность и срок службы устройства, а в некоторых случаях нарушиться его нормальная работа. Большинство стабилизаторов напряжения и тока практически безинерционно и одинаково хорошо работает как при медленных, так и при быстрых изменениях напряжения сети и сопротивления нагрузки. В первую очередь стабилизаторы должны быть использованы для питания тех цепей, изменение режима которых влияет на устойчивость и качество приема.

     Стабилизаторы тока обладают способностью поддерживать неизмененным ток нагрузки при изменениях напряжения питающей сети и сопротивления нагрузки. Они применяются для питания фокусирующих катушек электронно–лучевых трубок с магнитным отклонением, нитей ламп, чувствительных к изменениям тока накала, обмоток специальных электромагнитов, обмоток возбуждения тахогенераторов, выходное напряжение которых должно быть строго пропорционально числу обмоток, и т. д. В некоторых типах магнитных усилителей одну из обмоток, ампервитки которой не должны изменяться, также целесообразно питать от стабилизатора тока.

¹ Преобразователь напряжения в ток также называют стабилизатором тока

     Сигнал  тока иногда может обеспечивать более  качественное решение задачи в измерительных  системах, системах обработки сигналов (например АЦП), для передачи сигналов по длинным линиям, для работы ОУ на индуктивную нагрузку и т.д. Для построения точных источников тока используются ОУ, охваченные глубокой отрицательной обратной связью.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Обзор методов преобразования напряжения в токовый сигнал

Преобразователь напряжения в токовый сигнал на одном ОУ.

Достоинства такого преобразователя:

• Биполярный выходной ток;
• Возможен контроль напряжения на нагрузке по выходному напряжению ОУ.

Недостатки:

• Нагрузка или источник должны быть изолированными.

Рис.1 Два варианта схем ПНТ

     На  рис.1 показан простой вариант преобразователя в токовый сигнал всего на одном ОУ. Благодаря действию обратной связи входное напряжение и падение напряжения на резисторе R₁ равны. Через нагрузку течет тот же самый ток, что и через резистор R₁, поэтому   . Ток в нагрузке не зависит от R_н при условии, что ОУ работает в линейном режиме (не насыщается).

• Коэффициент преобразования

• Входное сопротивление

где – входное сопротивление для синфазного сигнала ОУ.

 

• Выходное  сопротивление ИП и НП: 

.

• Выходной ток смещения ИП и НП

,

где – входное напряжение смещения ОУ,

      – входной ток смещения ОУ.

• Максимальный выходной ток ограничивается напряжением питания ОУ и импедансом нагрузки

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

     Неинвертирующая схема рис.1 имеет высокое входное  сопротивление, так как входной  сигнал подается непосредственно на вход ОУ. Входное сопротивление инвертирующей схемы равно сопротивлению резистора R₁, которое может быть сравнительно небольшим. Кроме того, в инвертирующей схеме источник управляемого напряжения должен обеспечивать и весь выходной ток. Для получения большого коэффициента преобразования при сохранении приемлемого сопротивления резистора R₁ в цепь обратной связи можно включить делитель. У этого способа есть недостаток – уменьшается коэффициент передачи цепи обратной связи, а это снижает линейность и точность преобразования, а также уменьшает выходное сопротивление.

  Однополярный источник тока.

Достоинства:

• Могут отдавать большие токи при больших выходных напряжениях.

Недостатки:

• Однополярные выходные токи.
• Нагрузка, как правило, должна быть изолированной.

Рис.2 Однополярный источник тока

     Эту схему можно использовать только при положительных входных сигналах. Благодаря действию обратной связи  падение напряжения на резисторе  R₁ равно . Ток, протекающий через резистор R₁, равен току нагрузки с точностью до тока базы транзистора VT₁.

• Выходной ток:

 при  >0,

• Коэффициент преобразования:

,

где – коэффициент передачи тока коллектора транзистора.

• Выходной импеданс равен импедансу коллектор – база транзистора:

,

где – выходное сопротивление транзистора;

      – емкость коллектор – база.

• Напряжение смещения, приведенное к входу:

.

     Коэффициент преобразования ПНТ определяется резистором R₁, и в соответствии с этим выбирается его сопротивление. Транзистор должен выдерживать максимальный ток, максимальное напряжение и максимальную мощность, которые должна обеспечить схема. Для биполярных транзисторов паспортные значения мощности рассеяния для больших напряжений коллектор–база использовать нельзя из–за возникающих локальных перегревов кристалла. Чтобы исключить перегрузку ОУ, уменьшить нелинейность и погрешности коэффициента передачи, транзистор должен иметь большой коэффициент передачи тока базы h_21E.

     Максимальный  выходной ток зависит от нагрузки и питания напряжения. Обычно при  больших сопротивлениях нагрузки или  больших токах ее можно питать от отдельного источника U_пит, и напряжение U_пит следует выбирать так, чтобы можно было получить максимальный ток нагрузки .  При использовании биполярных транзисторов возникает погрешность преобразования, связанная с отличием транзистора от 1. эту погрешность можно скорректировать подбором резистора  R₁. Появляется также нелинейность, но ее можно значительно уменьшить, применяя транзисторов с большим значением h_21E.

     В дальнейшем для разработки преобразователя  воспользуемся схемой однополярного  источника тока, потому что нагрузка подключена к силовому источнику питания.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Структурная схема 

     Преобразователь имеет в своем составе: сумматор и преобразователь напряжения в ток.

 

Рис.3 Структурная  схема ПНТ

 

     В качестве сумматора выбираю неинвертирующий  сумматор, потому что он не инвертирует  входной сигнал.