Методы и аппаратура для измерения вибрации и высокочастотных шумов

 

Рис. 4.6. Схема масштабирующего  усилителя.

С выхода масштабирующего усилителя сигнал поступает на усилитель с ручной регулировкой. Данный усилитель собран на основе операционного усилителя DA2. переменный резистор R26 в цепи обратной связи операционного усилителя выведен на панель управления и позволяет в ручном режиме плавно регулировать коэффициент усиления операционного усилителя.

Рис. 4.7. Схема регулируемого  усилителя

Таким образом, проведен анализ всех схемотехнических решений  для функциональных узлов схемы  усилителя [6]. С выхода данного усилителя усиленный сигнал поступает на блок АЦП и далее на микроЭВМ.

4.2. Выбор элементарной  базы для электрической принципиальной  схемы блока усиления

 

Из анализа технического задания следует, что все элементы схемы будут низкочастотными, т.к. требуемая полоса пропускания лежит в диапазоне от 0,05 – 120 Гц, и маломощными. Входное сопротивление должно быть не менее 5 МОм, а диапазон измерения напряжения сигнала от 0,03 – 5 мВ.

Этим входным условиям удовлетворяют операционные усилители серии К153, К154, К544, К553, К574, К140, К1401. ввиду высокой чувствительности схемы, а также для устранения помехи частотой 50 Гц в качестве входного усилителя выбираем  инструментальный усилитель AD620A, который представляет собой сборку из трех операционных усилителей.

Данная микросхема обладает широким диапазоном регулировки  коэффициента усиления, низким собственным  шумом, большим коэффициентом ослабления синфазной помехи, малой потребляемой мощностью. Параметры данного инструментального  усилителя приведены в таблице 4.1.

 Таблица 4.1.

Параметры инструментального  усилителя AD620

Параметр	Буквенное обозначение	Численное значение	Единица измерения
Коэффициент усиления	Ку	1-1000	-
Напряжение питания	Uпит	±2,3-±18	В
Собственный шум усилителя  в полосе частот от 0,1 до 10Гц	Uш	0,28	мкВ
Коэффициент ослабления синфазной помехи	КОСС	93	дБ
Полоса частот входного сигнала	∆F	До 120 (при коэффициенте усиления Ку±100)	кГц
Потребляемый ток	Iпит	1,3	мА

 

Для устранения возникающих  синфазных помех в схему включим операционный усилитель с отрицательной обратной связью, например, микросхему К1401УД1.

Выбор данной микросхемы обусловлен тем, что она собрана  на биполярных транзисторах, обладает высокой надежностью, широким распространением, относительной дешевизной и отвечает нашим требованиям. Параметры микросхемы приведены далее в таблице 4.2. Кроме этого, К1401УД1 4-х канальный токоразностный усилитель с внутренней частотой коррекцией, и требующий одного источника питания, поэтому мы можем использовать три остальных канала для других схемных решений, таких как фильтры и буферные каскады. На данном операционном усилителе реализуем схему активных фильтров верхних и нижних частот с многопетлевой обратной связью (DA2.1., DA1.2.).   

 

 Таблица 4.2.

Параметры микросхемы К1401УД1.

Параметр	Буквенное обозначение	Режим измерения	Численное значение   Не менее     Не более		Единица измерения
Максимальное выходное напряжение	Uвых.макс	Rн= 2 кОм	12,5	-	В
Входной ток	Iвх	Rн= 5	-	15	нА

 

		кОм
Ток потребления	Iпот		-	8,5	мА
Частота единичного усиления	F1	Rн =5 кОм	2,5	-	МГц
Входное сопротивление	Rвх	Rн = ∞	100	-	кОм
Коэффициент усиления сопротивления	Ky.u	Rн = 5 кОм	2	-	Тыс.
Напряжение питания	Uп	-	4,0	30,0	В

 

В качестве буферного  каскада будем использовать повторитель напряжения, представляющий собой неинвертирующий усилитель (DA2.2.,DA1.4., K1401УД1). При выборе операционных усилителей для схемы аттенюатора и усилителя с ручной регулировкой также остановимся на выборе микросхемы К1401УД1(DA2.3., DA2.4). Таким образом, мы задействуем все восемь каналов усиления двух операционных усилителей К1401УД1.

Для реализации усилителя  с дискретной регулировкой усиления применим мультиплексор К561КП2. его  выбор обусловлен требованием 8- ми позиционного дискретного усиления, а также широтой распространения, требуемым напряжением питания, малой потребляемой мощностью, малым временем переключения коммутатора при поступлении сигнала разрешения к входу V. Параметры данного мультиплексора приведем в следующей таблице. Для реализации масштабирующего усилителя допускается использовать мультиплексоры, содержащие по одному 8- ми канальному коммутатору, такие как, 564КП2, Н564КП2, КР1561КП3 и др.

Таблица 4.3.

Параметры мультиплексора К561КП2.

Параметр	Численное значение		Единица измерения
	Тип мультиплексора
	К561КП1	К561КП2
Uип	15	15	В
Uкл	300	300	мВ
Tком.с	40	30	нс
Tзд.р0,1	600	400	нс
Tзд.р1,0	600	400	нс

Uип – напряжение питания; 

Uкл – падение напряжения на открытом ключе;

Tком.с – задержка коммутируемого сигнала через открытый канал;

Tзд.р0,1 -   время задержки распространения при выключении;      

Tзд.р0,1 – время задержки включения

Для реализации схемы  управляемого аттенюатора наряду с  операционным усилителем будем использовать два полевых транзистора КП103Е. Их выбор обусловлен необходимостью реализации логарифмической зависимости между управляемым напряжением, которое подается на затвор транзистора VT1 через диод VD1 и напряжением на инвертирующем входе операционного усилителя, зависящем от сопротивления сток – исток транзистора VT1. Параметры транзистора КП103Е приведены в таблице 4.4. Возможно, также использовать полевые транзисторы КП103ЕР, КП103Ж.

 

Таблица 4.4.

Параметры транзистора  КП103Е.

Параметр	Буквенное обозначение	Численное значение	Единица измерения
Начальный ток стока	Iс,нач	0,3…2,5	мА
Крутизна характеристики	S	0,4…2,4	мА/В
Напряжение отсечки	Uзи.отс	0,4…1,5	В
Постоянное напряжение затвор-исток	Uзиmax	-	В
Постоянное напряжение затвор-сток	Uзсmax	15	В
Постоянное напряжение сток-исток	Uсиmax	10	В
Постоянная рассеиваемая мощность	Pmax	7	мВт

 

Резисторы, по номиналам  исходя из требований схемотехники, по рассеиваемой мощности исходя из того, что такое значение мощности нас  устраивает и резисторы имеют  меньшие габариты, поэтому брать  резисторы большей мощности нецелесообразно, но допустимо. Резисторы в данной схеме использованы типа МЛТ или ОМЛТ с максимальной рассеиваемой мощностью 125 мВт и допустимой погрешностью 10 %.

Конденсаторы С3-С6 –  электролитические, их емкость выбрана  из схемных решений, максимальное напряжение рассчитывалось исходя из напряжений участков схем, где они расположены. Выбор этих конденсаторов большей емкостью и большим напряжением допускается, но не целесообразно. Конденсаторы С1, С2 выбираем керамические типа К71-7, так как они более дешевы и более долговечны.

4.3. Расчет элементов  электрической принципиальной схемы

 

Передаточная функция  фильтра нижних частот имеет вид :

Выбираем   и определяем К;

К = 2πf0с;

H = |А| - коэффициент затухания;

(для получения максимально гладкой  характеристики, наклон40 дБ на декаду).

Вычисляем:

     

 

 

 

Зададимся следующими величинами :

C2= 0,1 мкФ;

F0= 120 Гц;

H = 10;

 

Получим:

 

 

 

 

 

Передаточная функция  фильтра верхних частот:

;

 

Выбираем           и определяем K;

- коэффициент затухания;

  (для получения максимально  гладкой характеристики, наклон 40 дБ на декаду ).

Вычисляем:

 

Зададимся следующими величинами:

Получим:

 

 

Результаты расчетов элементов ФНЧ и ФВЧ приведены  в таблице 4.5.

Таблица 4.5.

Результаты расчетов элементов ФНЧ и ФВЧ.

ФНЧ					ФВЧ
С1, мкФ	С2, мкФ	R1, кОм	R2,  кОм	R3, кОм	С4, мкФ	С5, мкФ	С6, мкФ	R19, кОм	R22, кОм
0,1	2,2	1	10	1	330	33	330	6,8	150

 

Для расчета масштабирующего  усилителя зададимся значением R4 = 10 кОм.

Рассчитаем для различных  коэффициентов усиления величины R7-R14.

Рассчитаем значения R7-R14.

Для Ku =2    R7 = (Ku-1) R9 = 10 кОм.                 Выбираем R7 =10 кОм.

Для Ku =5    R8 = ( Ku-1) R9 = 40 кОм.                Выбираем R8 =39 кОм.

Для Ku =10  R9 = (Ku-1) R9 =90 кОм.                  Выбираем R9 =100 кОм.

Для Ku =20  R10 = (Ku-1) R9 =190 кОм.               Выбираем R10 =180 кОм.

Для Ku =30  R11 = (Ku-1) R9 =290 кОм.               Выбираем R11 =300 кОм.

Для Ku =40  R12 = (Ku-1) R9 =390 кОм.               Выбираем R12 =390 кОм.