ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СИГНАЛА ИНДУКТИВНОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ
Выполнил студент I курса группы ПР 200100 (сокр.)
Коваль Александр Дмитриевич.
Булавин Дмитрий Игоревич
1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
2.1. Индуктивный датчик давления используется для измерения статико-динамического давления. Другими словами, сигнал на выходе датчика характеризует как статическое давление (усредненная за большой интервал времени его часть), так и быстрые пульсации давления. В простейшем случае датчик представляет собой корпус с закрепленной катушкой индуктивности, сердечник которой находится на малом расстоянии от мембраны, воспринимающей давление. При воздействии давления на мембрану изменяется величина зазора между мембраной и сердечником катушки, что приводит к изменению величины индуктивности. Индуктивность датчика входит в мостовую схему как одно из плеч. Мостовая схема запитывается высокочастотным синусоидальным сигналом и в исходном состоянии (когда на мембрану не воздействует избыточное давление) находится в равновесии, т. е. выходной сигнал равен нулю.
При воздействии на мембрану переменного давления мост выходит из равновесия и на выходе появляется высокочастотный сигнал с амплитудной модуляцией. Задача преобразователя сигнала – демодулировать амплитудно – модулированный сигнал в сигнал постоянного тока.
2.2. Технические требования к преобразователю следующие:
- Преобразователь должен преобразовывать входной амплитудно - модулированный сигнал в выходной сигнал постоянного тока.
- Амплитуда входного синусоидального сигнала – от 0 до 200 мВ.
- Частота входного сигнала – 10000 Гц.
- Амплитуда выходного сигнала – 0 – 5 В.
- Полоса частот выходного сигнала – от 0 до 200Гц.
- Допустимая приведенная погрешность нуля - 0,5%; приведенная погрешность чувствительности – не более 1%; неравномерность амплитудно – частотной характеристики – не более 20%
2.3. При разработке схемы преобразователя необходимо исходить из аналитического выражения преобразования входного сигнала x (t) в выходной при амплитудной модуляции:
Cогласно приведенному выражению необходимо получить модуль входного сигнала, что достигается использованием диодов, и проинтегрировать результат, например, RC – цепью. Не идеальность характеристик диодов (большое сопротивление и нелинейность для малых входных сигналов) парируется предварительным усилением сигнала и введением в выпрямитель операционного усилителя с обратной связью.
Рекомендуемая схема преобразователя изображена на рис. 1 (студент вправе использовать любую другую). На схеме не показаны линии питания микросхем.
На операционном усилителе А1 собран усилитель модулированного сигнала. Расчет его сводится к выбору сопротивления R3 (обычно это сопротивление от 100 кОм до 1 МОм) и расчету сопротивления R2 из формулы:
где UВЫХ и UВХ – соответственно напряжения на входе и выходе усилителя на микросхеме А1.
Назначение второго операционного усилителя А2 и диода А3 – детектирование входного сигнала. R5 C2 образуют интегратор для фильтрации высокочастотного сигнала (10000 Гц и его гармоник). Расчет схемы интегратора сводится к выбору сопротивления R5 (обычно 50 - 100 кОм) и емкости С2 из условия, что коэффициент передачи RC – цепи, равный
; ω = 2π* 200
 |  |  |  | ||||
 |
 |  | ||
 |
 | |||
 | |||
 |
 |  | ||||
 | |||||
 | |||
 |
 |  |  | |||
Рис.1. Принципиальная схема преобразователя
не изменяется в заданной полосе частот (в данной работе это полоса 0-200 Гц) больше допустимой неравномерности амплитудно-частотной характеристики (по заданию это 20%).
Конденсатор С1 служит для предотвращения прохождения постоянного тока с выхода первого каскада на вход второго, что исключает влияние смещения нуля (погрешность нуля) первого каскада на выходной сигнал преобразователя. Сопротивление R4 устанавливает входное напряжение второго каскада (а благодаря цепи обратной связи и выходное напряжение каскада) равным нулю при отсутствии входного переменного сигнала.
2.4. Расчет схемы преобразователя ведется в следующей последовательности.
2.4.1. Рассчитывают номинальные значения элементов интегрирующей цепи R5 и С2. Задаются значением емкости С2, обычно принимают величину емкости от 1 до 10 мкФ. Определяют коэффициент передачи на частоте 200Гц и на постоянном токе из выражения ; для частоты 200Гц ω = 2π* 200, а для постоянного тока ω=0.
Очевидно, что на постоянном токе К0=1. По требованиям к преобразователю на частоте 200 Гц спад амплитудно-частотной характеристики не должен превышать 20%; из этого условия и задавшись величиной С2 определяют значение сопротивления R5 из выражения:
.
2.4.1. Проверяют уровень подавления несущей частоты 10000Гц. Условие подавления выполняется, если справедливо неравенство
,
где С и R – значения С2 и R5 из п. 2.4.1.
Если условие не выполняется, то необходимо произвести повторный расчет по п. 2.4.1 при другом значении емкости С2.
2.4.2. Коэффициент усиления (коэффициент передачи) операционного усилителя А2 с цепью обратной связи равен 1 и, следовательно, на вход должен поступать сигнал с максимальной амплитудой близкой к максимально заданной (5В). Емкость С1 и сопротивление R4 выбирают такими, чтобы не изменилась амплитуда поступающего с первого каскада сигнала. Обычно принимают величину емкости равной 1мкФ, а сопротивления 150кОм.
2.4.3. Коэффициент усиления первого каскада К1 определяется как отношение необходимого выходного сигнала (5В) при максимальном значении входного сигнала (200мВ).
Задавшись величиной сопротивления R3 (от 100кОм до 1МОм), определяют величину сопротивления R2 из выражения
2.4.4. Значение сопротивления R1 выбирается в диапазоне 150 – 500 кОм.
3. ПОДГОТОВКА К ПРОВЕДЕНИЮ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
3.1. Выбрать принципиальную схему преобразователя, рассчитать его элементы. Операционные усилители использовать типов КР574УД1 или КР140УД8. Цоколевка указанных микросхем одинакова и имеет следующий вид:
| № вывода | ||||||||
| Назначение | Баланс | Инвертир. вход | Неинвертир. вход | -UПИТ | Баланс | Выход | +UПИТ | Не использ. |
3.2. Принципиальную схему преобразователя и выполненный расчет представить преподавателю на проверку.
3.3. Изучить порядок применения контрольно - измерительных приборов по их описаниям. Собрать схему для проведения экспериментов по рис. 2. На схеме приборы обозначены: З.Г. – звуковой генератор; V – вольтметр; O – осциллограф. Стрелки у вольтметра и осциллографа на схеме показывают места подключения приборов на входе и выходе преобразователя.
 |
Рис. 2. Принципиальная схема экспериментальной установки
3.4. Назначение элементов во входной и выходной цепях:
- R1 является имитатором внутреннего сопротивления мостовой схемы и его номинал должен быть равен 1,5 – 2,5 кОм; емкость линии связи имитируется емкостью 20 пФ.
- RН и СН имитируют соответственно сопротивление и емкость нагрузки преобразователя; для рассматриваемого преобразователя RН не менее 1 МОм.
4. ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
4.1. Смонтировать схему преобразователя и экспериментальной установки. Представить собранные схемы на проверку преподавателю или лаборанту. С их разрешения включить контрольно – измерительные приборы и прогреть их в течение 15 – 20 минут.
4.2.Подключить питание к макету преобразователя в следующем порядке: сначала подключается нулевой провод и к этой же клемме присоединяется заземляющий провод (для обеспечения общего нулевого потенциала с контрольно – измерительными приборами), а затем подключаются провода питания микросхем (+UП и –UП).
4.3.По показаниям осциллографа убедиться, что положительное и отрицательное напряжения величиной порядка 9В поступают на микросхемы макета. В случае отсутствия напряжений на соответствующих шинах макета, проверить их наличие на входных клеммах. Наличие напряжений на входных клеммах означает, что неверно выбрана полярность питающих напряжений. В этом случае необходимо поменять местами провода, подводящие питающие напряжения. В случае отсутствия питающих напряжений на входных клеммах необходимо остановить все работы и обратиться к преподавателю или лаборанту.
4.4.Определение статической функции преобразования
4.4.1. Отключить провод от звукового генератора и подключить его к шине с нулевым потенциалом. Вольтметром в режиме измерения постоянного тока замерить выходное напряжение преобразователя U0 (величина его не должна превышать десятков мВ).
4.4.2. Входной провод подключить к звуковому генератору, а вольтметр и осциллограф - ко входу преобразователя. Установить на ЗГ частоту 10000 Гц и амплитуду 20 мВ. Проконтролировать наличие и форму сигнала по осциллографу. Если напряжение измеряется по вольтметру, то учесть, что вольтметр показывает действительное значение напряжения, которое в 1,41 раза меньше амплитудного. Переключить вольтметр на выход схемы и измерить величину выходного напряжения. Учесть, что выходное напряжение должно измеряться вольтметром в режиме постоянного тока. Операции измерения напряжений могут выполняться и по осциллографу, но с меньшей точностью.
4.4.3. При выполнении операций пунктов 4.4.1 и 4.4.2 обратить внимание на следующие моменты:
Во – первых, убедиться по показаниям осциллографа, подключенного к выходу преобразователя, в отсутствии паразитных колебаний и помех (признак их наличия – амплитудная модуляция выходной синусоиды или размытость луча осциллографа).
Во – вторых, качественно оценить работу преобразователя (при нормальной работе на выходе преобразователя постоянное напряжение должно расти примерно линейно с ростом амплитуды переменного сигнала на его входе).
Если указанные условия не выполняются необходимо провести поиск неисправности и наладку схемы, после чего повторить операции по п.п. 4.4.1 и 4.4.2.
4.4.4. Повторить операции п. 4.4.2 для амплитуд входного сигнала 40; 60; 100; 150; 200 мВ. Данные занести в табл.1.
Таблица 1
| UВХОДА, мВ | |||||||
| UВЫХОДА, мВ | U0 0.013 |
4.4.5. Делением соответствующих выходных напряжений на входные по п.п. 4.4.2, 4.4.4 определить частные коэффициенты передачи преобразователя при соответствующих входных напряжениях Ki=UВЫХОДА i/UВХОДА i. Определить средний коэффициент передачи по формуле
Ki=40; 25; 26.7; 25; 16.7; 22.5; K=26
.
4.4.6. Определить приведенную погрешность нуля (аддитивную погрешность) γ0 по формулам:
где UBXM – максимальное значение входного напряжения.
4.4.7. Определить погрешность чувствительности по формуле:
%
где (Ki – K) MAX – максимальная из разностей.
Примечание. Все расчеты по п.п. 4.4.5 – 4.4.7 могут выполняться после выполнения всех экспериментов.
4.4.8. По данным п. 4.4.4 построить график зависимости величины выходного сигнала в функции от величины входного напряжения (статическая функция преобразования).
4.5. Определение погрешности от изменения несущей частоты преобразователя
4.5.1. Установить на ЗГ частоту 9,5 кГц и повторить эксперименты и расчеты п.п. 4.4.2-4.4.5.
| Uвх, мВ | |||||||
| Uвых, мВ | 0.01 |
4.5.2. Вычислить величину 
, где К и К9 – средние коэффициенты передачи соответственно по п.п. 4.4.5 и 4.5.1. Если 
, то можно считать влияние нестабильности несущей частоты на погрешность преобразования незначимой.
К9 =38.1
тогда
Mожно считать влияние нестабильности несущей частоты на погрешность преобразования незначимой.
