Нормализатор с фильтром нижних частот

Оценку температурного дрейфа напряжения смещения нуля ОУ проведем в следующем разделе.В качестве пассивных элементов проектируемой схемы требуется применение высокоточных и термостабильных радиоэлектронных элементов.В качестве резисторов применяем прецизионные тонкопленочные резисторы С2-29В всеклиматического изолированного и неизолированного исполнения для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного токов номинальной мощности 0,125 Вт. Резисторы имеют промежуточные значения номинальных сопротивлений по ряду Е192. Температурный коэффициент сопротивления этих резисторов в диапазоне температур от +20оС до +70оС составляет ±5·10-6 1/оС[12].В качестве частотно-задающих конденсаторов выбираем полистирольные конденсаторы типа К71-7, выпускаемые по ряду Е192 с точностью до 0,5% в диапазоне номинальных значений от 103 пФ до 0,5 мкФ [4]. Полистирольные конденсаторы принадлежат к конденсаторам с малыми потерями (тангенс угла потерь не более 5·10-4), имеют очень высокое сопротивление изоляции до 105 Мом и отличаются высокой стабильностью электрических параметров. Значение ТКЕ у этих конденсаторов составляет (–60±80)·10-6 1/оС[2].5 Анализ точностных характеристик схемыВсе погрешности измерительного канала можно разделить на аддитивные (не зависящие от величины входного сигнала) и мультипликативные (пропорциональные значениям входного сигнала).Аддитивной погрешностью является напряжение смещения нуля операционного усилителя.Начальная приведенная погрешность смещения нуля составляет:δсм = 100%·Uсм/Uфнч = 100·0,03/3,3 = 0,91%(5.1)Это большая величина, поэтому для ее устранения используется показанная на рис. 4.1 схема внешней балансировки напряжения смещения. Затем в процессе эксплуатации наблюдается температурный дрейф напряжения смещения. Погрешности, вызванные температурными отклонениями, можно рассчитывать, как отклонения от нормальных климатических условий – температуры +25оС. Но теоретическую максимальную оценку дает учет всего температурного диапазона эксплуатации устройства. В нашем случае этот диапазон составляет:∆Т = Тмакс – Тмин = 45 – 10 = 35оС(5.2)Тогда температурный дрейф напряжения смещения нуля состави:UсмТ = ∆UIO·∆T = 50·10-3·35 = 1,75 мВ(5.3)Приведенная погрешность температурного дрейфа смещения нуля составит:δсм = 100%·UсмТ/Uфнч = 100·0,00175/3,3 = 0,05%(5.4)Мультипликативная погрешность в первую очередь проявляется как отклонение коэффициента передачи схемы от номинального, т.е. как отклонение реальной статической характеристики от номинальной.Оценим мультипликативную погрешность ФНЧ, вызванную температурными отклонениями номиналов частотно-задающих элементов от номинальных.Для резисторов R1 и R2 (см. рис. 3.3) это отклонение составит:∆R = ТКС·∆Т = 5·10-6·35 = 0,000175(5.5)Для конденсаторов С1 и С2 температурные отклонения номиналов составят:∆С = ТКЕ·∆Т = (–140·10-6)·35 = – 0,0049(5.6)Выражения (5.5) и (5.6) означают, что абсолютное изменение номиналов составит, например, для резисторов:δR1 = ∆R·R1(5.7)Тогда новые (температурные) номиналы составят:R1Т = R1+ δR1 = (1+ ∆R)·R1(5.8)С1Т = С1 + δС1 = (1 + ∆С)·С1(5.9)Оценим, как изменится передаточная функция ФНЧ (3.17) под влиянием температурных изменений номиналов радиоэлектронных компонентов:fвТ = 10-5/С1Т = 10-5/9,951·10-9 = 1005Гц (5.10) сТ = = 0,972(5.11)bТ = = 1,408(5.12)Фактическая передаточная функция ФНЧ примет следующий вид:GТ(p) = ,(5.13)Найдем «температурную» ЛАЧХТ, построенную по номинальным значениям элементов фильтра:ЛАЧХТ(ω) = 20·lg(),(5.14)Отклонения между «температурной» и фактической ЛАЧХ:∆ЛАЧХТ(ω) = ЛАЧХТ(ω) – ЛАЧХн(ω) (5.15)График ЛАЧХТ(ω) приведен на рис. 5.1. Рисунок 5.1 – График отклонений «температурной» и фактической ЛАЧХИз рис. 5.1 видно, что наибольшее отклонение «температурной» и фактической ЛАЧХ в полосе пропускания находится на частоте fвТ = 1.Мультипликативную погрешность найдем через разность амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) АЧХТ(1) = 0,694 и АЧХн(1) = 0,69:δАЧХ = (АЧХТ(1) – АЧХн(1))·Uацп = (0,694 – 0,69)·3,3 = 0,011 В(5.16)Полная погрешность составит:δП = δАЧХ + UсмТ = 0,011175 В(5.17)Полная относительная приведенная погрешность составит:∆П = ·100% = ·100% = 0,341%(5.18)Таким образом, полная относительная приведенная погрешность спроектированной схемы составила ∆П = 0,341%, что удовлетворяет требованию задания.ЗаключениеВ настоящем курсовом проекте на тему «Нормализатор с фильтром нижних частот» спроектированнормализатор напряжения с ФНЧ, который предназначен для использования во входных цепях измерительных каналов портативного средства измерения показателей качества электроэнергии.Нарядус исходными данными для курсового проектирования, приведены общие сведения об электронных фильтрах.Выполнен расчет активного фильтра нижних частот 2-ого порядка, построенного по широко распространенной схеме Саллена-Ки.Произведен выбор элементной базы спроектированного устройства, а также проведен анализ его точностныххараектеристик.Решая актуальную проблему импортозамещения, в нормализаторе и фильтре применена отечественная элементная база: операционный усилитель серии 544 и прецизионные резисторы типа С2-29В и пленочные конденсаторы К71-7.На основании температурных коэффициентов сопротивления ТКС и емкости ТКЕ произведена оценка мультипликативной погрешности, учтена также аддитивная погрешность из-за напряжения смещения нуля операционного усилителя.В качестве источника смещения входного сигнала для согласования биполярного фазного напряжения с однополярным входом АЦП предложено использовать опорное напряжение аналого-цифрового преобразователя, что повышает точность работы устройства.Список использованной литературы1. Абрамов К.Д. Схемотехника устройств на операционных усилителях: Учебное пособие. – Харьков: Харьк. авиац. ин-т, 2008. – 77 с.2. Аксенов А.И., Нефедов А.В. Резисторы, конденсаторы, провода, припои, флюсы: Справочное пособие. – М.: Издательство «Солон-Р», 2000. – 240 с.3. АшанинВ.Н., ИсаевС.Г., ЕрмаковВ.В. Схемотехника: учебное пособие. Часть 1: Аналоговая схемотехника. – Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ, 2007. – 268 с.4. Горячева Г.А., Добромыслов Е.Р. Конденсаторы: Справочник. – М.: Радио и связь, 1984. – 88 с.5. Гутников В.С. Фильтрация измерительных сигналов. – Л.: Энергоатомиздат, 1990. – 192 с.6. Добротворский И.Н. Теория электрических цепей: Учебник для техникумов. – М.: Радио и связь, 1989. – 472 с.7. Марше Ж. Операционные усилители и их применение. – Л.: Энергия, 1974. – 216 с.8. Перебаскин А.В., Бахметьев А.А., Колосов С.О. и др. Интегральные схемы. Операционные усилители. Том 1. – М.: Физматлит, 1993. – 240 с.9. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. – 4-е изд. – СПб.: КОРОНА принт, 2004. – 416 с.10. Прянишников В.А., Петров Е.А., Осипов Ю.М. Электротехника и ТОЭ в примерах и задачах: Практическое пособие. – СПб.: КОРОНА-Век, 2007. – 336 с.11. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник / Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. – Мн.: Беларусь, 1994. – 591 с.12. Резисторы: Справочник / В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и др.; Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1991. – 528 с.13. Справочник по активным фильтрам/ Д. Джонсон, Дж. Джонсон, Г.Мур. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 128 с.14. Хьюлсман Л.П., Аллен Ф.Е. Введение в теорию и расчет активных фильтров. – М.: Радио и связь, 1984. – 384 с.15. Широкополосный быстродействующий операционный усилитель с полевыми транзисторами на входе 544УД2: Справочный листок. – www.vostok.nsk.su/files/pdf/544UD2.pdf.