Разработка структурной схемы и её описание

Для полноценной работы измерительной системы необходимо предусмотреть все необходимые узлы.

Любой измерительный прибор обязан иметь перестройку по диапазону

Для этого необходимо использовать усилитель с переменным коэффициентом деления. Однако, для того чтобы дойти до этого этапа необходимо чтобы в схеме были другие не менее важные узлы.

Первым узлом является входная цепь

Назначение данной цепи – защита последующих каскадов от высокого напряжения тока, который может вывести из строя последующие узлы. А так же важно обеспечить высокое входное сопротивление для согласования датчиков и выполняет роль аналогового повторителя. В данном случае использована классическая схема высокостабильного малошумящего повторителя с применением полевых транзисторов с обратным типом проводимостей. В последующих разделах данная схема будет рассмотрена более подробно.

Второй каскад усилитель с перестраиваемым коэффициентом деления, о котором упоминалось ранее. При низком уровне сигнала позволяет его увеличить до такого уровня, которого достаточно для дальнейшей оцифровки аналогово-цифровым преобразователем.

Коэффициент деления управляемый напрямую с портов микроконтроллера, если на вход переключающей микросхемы поступает определенная последовательность, то формируется такой коэффициент деления, которому соответствует данная комбинация.

Усилитель выполнен по схеме классического неинвертирующего усилителя.

Так как сигнал чаще всего находится в широком диапазоне напряжений включая не только положительный но и отрицательный диапазон. Аналого-цифровой преобразователь не в состоянии охватить весь этот диапазон, а усилитель расширяет сигнал только в пределах его амплитуды. Поэтому необходимо проводить смещение постоянной составляющей на такое значение, которого было бы достаточно для охвата всего диапазона.

В заводской схеме включения аналого-цифрового преобразователя предусмотрен развязывающий трансформатор. Однако в виду того, что данный трансформатор имеет высокую стоимость и большие габариты, его можно заменить альтернативной схемой на основе операционного усилителя.

Рассмотренные ранее АЦП, микроконтроллер, подключаются к общей шине данных.

После этого микроконтроллер транслирует сигнал по последовательному порту

 

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

Выбор элементной базы

Высокая надежность радиоаппаратуры достигается за счет правильного выбора элементной базы, которая удовлетворяет всем функциональным требованиям устройства. Радиоэлементы, выбранные для использования в проектируемом устройстве должны соответствовать следующим требованиям:

– технические параметры компонентов должны обеспечить выходные характеристики устройства, с необходимой безопасностью;

– элементы должны соответствовать требованиям, предъявляемым к радиотехническому оборудованию и условиям эксплуатации;

– компоненты должны иметь оптимальную себестоимость с высоким показателем цена/качество

Выбор конкретного типа компонентов обусловлено детальным анализом функций в конкретной электрической цепи. На основе этого анализа формируют список требований к функциональности предлагаемых основных параметров и элементов. На основании детального анализа всех требований, проводится выбор компонента, который будет частью элементной базы устройства.

Резисторы должны учитывать следующие их параметры: номинальные параметры и допустимый разброс номиналов, в том числе в процессе эксплуатации, допустимые режимы работы, мощность, допустимые размеры, способ монтажа и метод установки, безопасность и себестоимость.

Так как особых требований к разбросам номиналов резисторов нет, а проходящая через них суммарная мощность сигналов не превышает 0,25Вт, то применимы широко распространенные резисторы С2-23-0.25

Чтобы выбрать необходимый тип конденсатора нужно учитывать следующие технические параметры: номинальные параметры и допустимый разброс номиналов, в том числе в процессе эксплуатации, допустимые режимы работы, пиковое напряжение, допустимые размеры, материал изготовления, способ монтажа и метод установки, безопасность и себестоимость.

В данной работе используются 2 вида конденсаторов - полярные больших номиналов, и неполярные. Полярные конденсаторы применяются исключительно в цепях питания, стабилизации и сглаживания. В качестве этих конденсаторов применимы конденсаторы К50-38. Спектр использования неполярных конденсаторов более широк. Так как данные конденсаторы, в данной схеме не применяются в задающих цепях (а вместо них используется кварцевый резонатор), то применимы популярные керамические конденсаторы К10-17.

Полупроводниковые приборы выбираются на основе их узкоспециализированного назначения, типоразмера, функциональности, а также за счет второстепенных параметров: напряжение питания, назначение выводов, требований к трассировке и топологии платы и т.д.

В разрабатываемой схеме используются несколько видов диодов. В первую очередь это диоды выпрямителей, во вторую вспомогательные диоды, предусмотренные схемой.

Вспомогательный диод, должен соответствовать допустимому рабочему напряжению, и чтобы обратное напряжение и ток не могли вывести его из строя. В качестве такого диода выбран недорогой диод кд226, данные которого представлены в таблице 3.1

 

Табл 3.1 – Параметры диода кд226

 

	Максимальный прямой ток	Обратное напряжение	Максимальная рабочая частота МГц
0,1

 

 

Транзисторы, применяемые в данном устройстве играют важную роль. За счет них, как силовых устройств задаются режимы работы устройства. Дополнительно используются маломощные транзисторы, исключительно в вспомогательных целях.

Основную роль изменения диапазона усиления играет одинарный операционный усилитель микросхема AD8051/8052

Табл 3.2 – Параметры AD8052/8052

	В	мА	дБ
	1.5		100/200	-80…95

 

 

В качестве маломощного транзистора используется хорошо зарекомендовавший себя и популярный n-p-n транзистор КТ315Г. В таблице приведены параметры и внешний вид транзистора представлены в таблице 3.3

 

Табл 3.3 – Параметры транзистора КТ315Б

	В	В	А
		0.1	> 250	-80…95

 

Для переключения поддиапазонов служит микросхема HEF4051

Микросхема HEF4051- это четырехканальный коммутатор цифровых и аналоговых сигналов. Каждый ключ имеет вход и выход сигнала, а также вход разрешения прохождения сигнала EI. В HEF4051-ключ двойной, оппозитный: когда проходной канал разомкнут, вход заземляется, если канал замкнут, то вход его отмыкается от нуля напряжения. Управляются оба «контакта» от одного входа EI. Активный уровень на входе EI, замыкающий канал, для HEF4051 - высокий.

 

Рис 3.1 – Микросхема HEF4051

В повторителе используются доступные полевые транзисторы разной проводимости КП103 и КП303, которые себя хорошо зарекомендовали в измерительной технике

Требования к условиям установки датчика

Основным требованием является то что все высокочастотные каскады должны быть экранированы. Это необходимо для того чтобы наводки питания, высокочастотные наводки ни в коем случае не влияли на работу последующих каскадов. Важно чтобы общий проводник и контакты питания были такими чтобы их собственное сопротивление никак не влияло на работу микросхем. Важно чтобы от выхода источника питания к каждой микросхеме шел свой собственный проводник