Курсовая работа: Перетворювач ємність - тривалість імпульсу
Сфера застосування електроніки весь час розширюється. Нині вже не можливо назвати якусь газузь науки і техніки, де б не використовувалась електричні пристрої. Важко назвати технологічний процес, управління яким здійснювалося б без використання електроніки. Функції приладів електроніки стають все більш різноманітними.
Вимірювальна техніка є одним із головних факторів технічного прогресу і її рівень у значній мірі визначає загальний рівень розвитку науки і техніки.
Особлива роль належить електровимірювальній техніці, яка дозволяє використовувати найновітніші досягнення електротехніки, електроніки,обчислювальної техніки і автоматики для вирішення складних науково-технічних завдань. Поняття „вимірювання” означає знаходження значення певної фізичної величини за допомогою досліду та спеціяльних технічних засобів. Наука метрологія є теоретичною основою вимірювальної техніки, одного з основних факторів технічного прогресу у всіх галузях діяльності людини. Розвиток метрології полягає, в першу чергу, в удосконаленні теоретичних основ вимірювань, узагальненні практичного досвіду в галузі вимірювань і направляє розвиток вимірювальної техніки.
Вимірювальна інформація – одна із складових частин пізнання людиноюматеріального світу. Одержувана інформація неперервно вдосконалюється в процесі покращення вимірювального експерименту. При цьому відбуваються постійне уточнення вимірювальної інформації, вивільнення її від супутніх похибок і наближення до абсолютної істини. В результаті аналізу отриманої вимірювальної інформації людина пізнає навколишнє середовище.
Одним із основних положень сучасної теорії вимірювальних пристроїв є положення про вимірювальне перетворення.
Вимірювальне перетворення – перетворення вхідного сигналу у вихідний, інформативний параметр якого із заданою точністю фундаментально пов’язані з інформативним параметром вхідного сигналу, аналітично подається рівнянням У = F (x).
Вимірювальний перетворювач – засіб вимірювання, побудований на певному фізичному принципі дії, що виконує одне частинне вимірювальне перетворення – призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі, зручній для передавання, дальнього перетворення, обробки і (або) зберігання, яка, безпосередньо не сприймається оператором.
У загальному разі під сигналом розуміється матеріальний носій інформації, а вимірювальним називається сигнал, який несе інформацію про значення вимірювальної величини.
1 . Розробка технічного завдання
Метою курсового проекту є розрахунок та визначення технічних параметрів схеми перетворювача ємність-тривалість імпульсу. У даному курсовому проекті необхідно провести розробку структури перетворювача та провести розрахунки елементів вузлів схеми. Заданий діапазон ємності складає від 1 пФ до 10 нФ, з частотою перетворення 25 кГц, але будова схеми дозволяє у разі необхідності провівши невеликі додаткові розрахунки та заміну одного елементу змінити частоту перетворень. Амплітуда вихідного сигналу повинна складати 12 В на опорі 8 Ом. Також задано значення допустимої похибки, яке менше або дорівнює одному відсотку.
Необхідно провести розрахунки кожного з елементів розробленої схеми перетворювача ємність-часовий інтервал. За допомогою отриманих даних провести підбір операційних підсилювачів, транзисторів, резисторів, ємностей та інші елементи, які буде використано під час розробки перетворювача.
При підборі номіналів та стандартних назв елементів перетворювача варто звертати увагу на дотримання вибору елементів існуючим стандартам та направити зусилля на підвищення класу точності розробленого перетворювача відповідно до стандартів. Розроблений перетворювач є досить зручним та гнучким до змін та модернізації. Даний перетворювач виконаний на основі операційних підсилювачів. Цей прилад відповідає всім вимогам до сучасних нормативів і стандартів.
2. Розробка структурної схеми
2.1 Розробка структури пристрою
Перетворювачі, у яких електричне поле створюється прикладеною напругою, складають групу ємнісних перетворювачів. Основним елементом у цих перетворювачах є конденсатор змінної ємності, що змінюється вхідним вимірювальним сигналом.
У ємнісних перетворювачах ємність С може змінюватись за рахунок зміни параметрів конденсатора. При цьому виконуються функції перетворення неелектричних величин у зміну ємності чи виробляється модуляція ємності, що має місце в ємнісних модуляторах, ЕС генераторах.
При застосуванні ємнісного перетворювача інформативним параметром являється його ємність Сх або тангенс кута діелектричних втрат tgdx. Опір втрат практично завжди є неінформативним для області високочастотної кондуктометрії.
Якщо змінювати частоту живильної напруги на конденсаторі перетворювача, то можна створити прилад для визначення дисперсії діелектричних рідин, газів і твердих тел.
Як вимірювальні ланцюги в ємнісних перетворювачах застосовуються подільники напруги, мостові схеми, коливальні контури й автогенератори. Оскільки сигнали, що знімаються з ємнісних перетворювачів, малі, то вимірювальні ланцюги містять підсилювачі.
При проектуванні ємнісних перетворювачів варто звертати увагу на екранування проводів, вибір ізоляції, усунення поверхневого опору ізоляції і вибір частоти живлення. Чим вища ця частота, тим менший вихідний опір, тому нерідко частоту живлення вибирають велику (до декількох МГц).
Конструктивні схеми ємнісних перетворювачів виконуються в різних варіантах у залежності від області застосування. При вимірюванні рівнів рідких і сипучих тіл знаходять застосування циліндричні чи плоскі конденсатори, ємність яких характеризується рівнем х і залежить від діелектричних проникливостей рідини, ізоляції і повітря.
Можливі області застосування перетворювачів (у тому числі і ємнісних) надзвичайно різноманітні, можна виділити лише окремі сфери:
- промислова техніка виміру і регулювання,
- робототехніка,
- автомобілебудування,
- побутова техніка,
- медична техніка.
Ємнісні перетворювачі близькі по своїм характеристикам до напівпровідникових діодів, у яких використовується залежність так називаної бар'єрної ємності від зворотної напруги. Такі перетворювачі застосовуються як елементи з електрично керованою ємністю і називаються варикапами.
Інша група перетворювачів заснована на використанні сегнетоелектриків, тобто кристалічних діелектриків, що при визначених температурних умовах (при температурі нижче точки Кюрі) мають мимовільну поляризацію при відсутності зовнішніх електричних полів.
Нещодавно конструктори відносилися з упередженням до ємнісних перетворювачів, думаючи, що схеми з ємнісними перетворювачами не забезпечують ні достатньої точності, ні стабільності роботи приладів.
Вважалося обов'язковим для одержання стійкого сигналу на виході ємнісного перетворювача подавати на нього напругою високої частоти, що досягає сотень кілогерц, а іноді навіть десятків мегагерц. Наявність такої високої частоти у свою чергу приводило до втрат у паразитних ємностях, сполучних проводах і т.п. Для того щоб підвищити амплітуду сигналу, що знімається з ємнісного перетворювача, і поліпшити стабільність показань, деякі автори розробок застосовували в першому каскаді підсилювача електрометричні лампи, що допускають включення сотень мегом у ланцюг керуючої сітки і т.д., однак усі ці міри мало поліпшували стабільність систем з ємнісними перетворювачами й у той же час значно ускладнювали конструкцію приладів.
Проведені в даний час роботи показали, що причина нестабільності роботи систем з ємнісними перетворювачами лежить у неправильному підході конструкторів до проектування перетворювачів, зокрема, у неправильному розташуванні ізолюючих елементів конструкції, нестабільність властивостей яких і приводить до помилок у роботі систем. Ці труднощі виявилися переборними, і вже створені прилади з ємнісними перетворювачами, що забезпечують високі точності і стабільність роботи, що витримують важкі режими експлуатації.