Курсовая работа: Проектування перетворювача струму в напругу

Сучасний етап характеризується великими та дуже великими інтегральними схемами ЦАП і АЦП, що володіють високими експлуатаційними параметрами: швидкодією, малими похибками, багатозарядністю. Включення БІС єдиним, функціонально закінченим блоком сильно спростило впровадження їх у прилади та установки, що використовуються як у наукових дослідженнях, так і в промисловості і дало можливість швидкого обміну інформацією між аналоговими та цифровими пристроями.

1 . Розробка технічного завдання

Метою курсового проекту є розрахунок та визначення технічних параметрів схеми перетворювача струм-напруга. Заданий діапазон струмів складає від 0.1 мА до 1000 мА, значення максимальної вихідної напруги дорівнює 20 В, значення опору навантаження складає 15 Ом. Необхідно розрахувати значення кожного з елементів схеми перетворювача струм-напруга та згідно розрахункам вибрати необхідний операційний підсилювач, транзистори та діоди.

При проектуванні перетворювачів струму варто звертати увагу на екранування проводів, вибір ізоляції, усунення поверхневого опору ізоляції і вибір частоти живлення. Чим вище ця частота, тим менше вихідний опір, тому нерідко частоту живлення вибирають велику (до декількох МГц).

Перетворювачі струм-напруга призначені для роботи з джерелами струму. Ідеальне джерело струму має нескінченний вхідний опір, а його вхідний струм не залежить від опору навантаження. Прикладом таких джерел можуть слугувати фотоелементи: фотодіоди, фототранзистори. Їх вихідний опір дуже великий (хоча і має кінцеве значення), тому чин менший опір навантаження, тим в більшій степені вони працюють як джерела струму. Використання фотоелементів в режимі джерела струму покращує лінійність світлової характеристики, і забезпечує більш високу швидкодію, підвищуючи стабільність параметрів під час її експлуатації.

З функцією перетворення струму в напругу успішно виконує інвертуючий підсилювач, у якого опір вхідного резистора дорівнює нулеві.

При промисловому застосуванні визначальним фактором є погрішність, що при регулюванні процесів повинна складати < 1%, а для задач контролю - 2...3%. Прилад повинний відтворювати вимірювані величини з погрішностями, що допускаються, а саме одержання на виході приладу величин, пропорційних вхідним величинам; формування заданих функцій від вхідних величин (квадратична і логарифмічна шкали й ін.); формування на виході.

Вимірювальний сигнал, одержуваний від контрольованого об'єкта, передається у вимірювальний прилад у виді імпульсу або у виді енергії. Можна говорити про сигнали: первинних - безпосередньо характеризують контрольований процес; сприйманих чуттєвим елементом приладу; поданих у вимірювальну схему, і т.д. При передачі інформації від контрольованого об'єкта до покажчика приладу сигнали перетерплюють ряд змін.

Та частина приладу, у якій первинний сигнал перетвориться, наприклад, в електричний, називається первинним перетворювачем. Часто цей перетворювач сполучається з чуттєвим елементом. Сигнали з виходу первинного перетворювача надходять на наступні перетворювачі вимірювального приладу.

Основним недоліком цих схем є залежність значення вихідної величини від параметрів джерела живлення датчика, підсилювача й інших елементів схеми, а також від зовнішніх умов. Справді, варто змінитися напрузі чи частоті генератора, що живить датчик, як напруга, частота і фаза, що є вихідними величинами і, що знімаються з опору R, також зміняться.

Згідно ДСТУ 2681-94 „Метрологія. Терміни та визначення” та ДСТУ 2682-94 „ Метрологія. Метрологічне забезпечення ” даний розроблений перетворювач струм - напруга відноситься до первинних вимірювальних перетворювачів.

2 . Розробка структурної схеми

2.1 Аналіз існуючих методів вимірювання струму

Струм - явище спрямованого руху носіїв електричних зарядів (струм вільних зарядів) та зміну електричного поля в часі (струм заміщення). Обидва ці явища супроводжуються появою магнітного поля. Додатнім напрямом електричного струму прийнято вважати напрям руху носіїв позитивних зарядів.

Електричний струм визначається кількістю заряду, що проходить крізь поверхню за одиницю часу, тобто:

I=dq/dt. (1)

Одиниця сили струму є Ампер і є однією з основних одиниць системи CІ:

[і] - [q]/[t] = 1К/с = 1А. (2)

Похідні одиниці - це 1 міліампер (1 мА = 10-3А); 1 мікроампер (1 мкА =10^-6 А); 1 кілоампер (1 кА = 10³ А).

Для кіл постійного струму можна визначити значення енергії за час t:

W = UIt. (3)

За наявності струму та опору в колі за законом Ома можна визначити напругу для ділянки кола:

U = IR. (4)

Для кіл постійного струму потужність можна отримати так:

P = IU.(5)

У якості перетворювача струму у напругу використаємо схему зінвертуючим підсилювачем, у якого опір вхідного резистора приблизно дорівнює нулю (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема зінвертуючим підсилювачем

При такому включенні вхідний опір схеми має дуже малу величину і