Синтез преобразователя аналоговых сигналов на базе операционного усилителя

2. Синтез преобразователя аналоговых сигналов на базе операционного усилителя

Функция, реализуемая преобразователем:

- параметры преобразователя:

- R_вх ≥ 100кОм

- R_Нmin= 1кОм

параметры входного сигнала:

- амплитуда -2.5…+2.5В

- частота 1….100Гц.

1. Разработка схемы электрической принципиальной преобразователя аналоговых сигналов на базе операционного усилителя (ОУ).

Рассмотрим функцию, реализуемую преобразователем, как передаточную функцию некоторого звена, затем представим это звено в виде набора простейших звеньев и реализуем каждое из них на ОУ:

, где, тогда

Из этого уравнения видно, что реализуемый преобразователь, должен состоять из 3-х простейших звеньев: пропорционального, интегрального и суммирующего. Для синтеза преобразователя необходимы: масштабный усилитель на операционном усилителе (ОУ) с коэффициентом усиления К = 4; интегрирующее устройство на ОУ с постоянной времени интегрирования  и сумматор на ОУ. Принципиальная электрическая схема преобразователя аналоговых сигналов изображена на Рис.2.1

Рис.2.1. Схема преобразователя аналоговых сигналов

Расчёт инвертирующего усилителя

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен - 4, потенциал инвертирующего входа примем равным 0 (виртуальная земля), тогда коэффициент усиления равен: и по условию равен -4. Сопротивление R1, выберем 10кОм, при этом потенциалы инвертирующих входов интегратора и усилителя равны 0 (виртуальная земля), поэтому R2 = 4 R1, R2 = 40кОм. Резистор R3 обеспечивает минимальное смещение по постоянному току, его выберем из условия Ом.

Расчёт инвертирующего интегратора

На практике реализовать идеальный инвертирующий интегратор практически невозможно, т.к. всегда существует некоторое смещение между входами ОУ, так как на постоянном токе нет обратной связи, то это небольшое смещение увеличивается в коэффициент усиления ОУ без обратной связи (десятки тысяч), что проявляется как появление постоянной составляющей в выходном сигнале. Следовательно, при выборе ОУ необходимо также обратить внимание и на этот факт.

Постоянная времени интегрирования по условию , исходя из этого выберем значение емкости С = 5мкФ, а сопротивление R4 = 10кОм. Сопротивление R4 = R5 = 10кОм.

Примем R6 = R7 = R8 = 10кОм, R9 = R6|| R7|| R8 = 3.3кОм

Расчёт напряжений питания ОУ

Входной сигнал имеет вид: , рассмотрим каждый ОУ в отдельности:

– для усилителя: откуда видно, что выходной сигнал изменяется от -10…+10В, напряжение питания ОУ можно принять 12В.

– для интегратора: , при самой малой частоте входного сигнала: , видно, что выходной сигнал изменяется от -8…+8В, напряжение питания ОУ можно принять 10В.

– для сумматора: , видно, что выходной сигнал изменяется от -12.8…+12.8В, напряжение питания ОУ можно принять 18В.

Для всех ОУ можно принять U_п = 18В.

Требования к ОУ: напряжение питания U_П > 18B, выходной ток I_вых > 12мА, скорость нарастания не важна (низкие частоты), по возможности малое напряжение смещения, малые токи смещения. Выберем ОУ OPA101В – операционный усилитель со входами на полевых транзисторах с p-n переходом, прецизионный.

U_П = 10…40В, I_вых.max = 45мА, U_сдв = 50мкВ, I_см = 10рА.

В качестве схемы согласования с источником входного сигнала (необходимо обеспечить входное сопротивление схемы не менее 100кОм) применим повторитель напряжения на OУ OPA101В.

Рассмотрим передаточную функцию идеального преобразователя:

,

Определим частоту сопряжения, для этого рассмотрим 2 случая:

1.

2.

Частоту определим как:

Преобразователь на всем диапазоне частот работает как усилитель. При подаче синусоидального сигнала на вход:

Рис.2.2 Схема аналогового преобразователя в OrCAD

Моделированием в OrCAD получим ЛАХЧ преобразователя (Рис.2.3)

Рис. 2.3 ЛАЧХ преобразователя в рабочем диапазоне частот(1…100Гц)

Построим ЛАЧХ данной передаточной функции в Matlab Simulink

Рис.2.4 ЛАЧХ идеального преобразователя

Рис.2.5 Выходной сигнал при подаче синусоидального входного