2.2. Расчет преобразователя ток-напряжение

Схема преобразователя ток-напряжение представлена на рисунке 16.

Рис. 16. Преобразователь ток-напряжение

Зададимся выходным напряжением на выходе преобразователя ток-напряжение, равным максимальному значению . Тогда ; .

.

Выбираем [1] резистор

.

Тогда на выходе ПНТ максимальное напряжение будет равно для

: ;

: .

Доля напряжения от ёмкостного тока в выходном напряжении ПНТ будет соответственно составлять:

: ;

: .

С учетом того, что на рабочей частоте коэффициент усиления ОУ должен быть не менее 100, выбираем [5] усилитель К544УД2А. Принципиальная схема ПНТ представлена на рисунке 2б. Характеристики DA представлены в приложении.

2.3. Расчет фазочувствительного выпрямителя

Функциональная схема ФЧВ представлена на рисунке 17. Это ФЧВ с последовательно-параллельными ключами (расчет см. в примере для индукционного датчика).

Рис. 17. Схема фазочувствительного выпрямителя

В результате на выходе ФЧВ среднее значение напряжения будет равно

;

;

.

Расчёт ФУН, ФНЧ и ПНТ ведётся аналогично расчёту данных блоков при расчёте измерительного преобразователя для индукционного датчика.

2.4. Расчет генератора квадратурных напряжений

Схема генератора квадратурных напряжений представлена на рисунке 18.

Рис. 18. Квадратурный генератор синусоидальных колебаний

Передаточная функция петлевого усиления для этого генератора будет иметь вид: , а комплексный коэффициент передачи

.

Баланс фаз будет сохранен только на частоте , при которой мнимая часть знаменателя равна нулю.

, где ; ; ; .

; .

Обозначая через коэффициент передачи звена на основе ОУ₁, а через – коэффициент передачи звена на основе ОУ₂ – интегратора, получим: ,

.

Обозначим отношение к через . .

.

Тогда можно записать:

или .

По заданному и выбирая стабилитрон на можно найти . .

Положим, что коэффициент передачи . Выберем , ; . Тогда , , .

,

.

При этом , следовательно .

По заданию , тогда .

Зададим значение емкости , тогда .

.

Выбираем [1]

.

В качестве конденсатора выбираем слюдяной конденсатор КС0-1 [2]

,

.

Для расчета постоянной времени интегратора имеем , .

; , следовательно, .

.

Выбираем , тогда .

Выбираем [ ], [1]

,

.

В качестве стабилитрона выбираем стабилитрон КС133Г [3].

.

Используем два стабилитрона, поскольку необходимо двухполярное ограничение. Тогда резистор r рассчитываем из следующих соображений

.

Выбираем r [1]

.

Принципиальная схема генератора дана на рисунке 19.

Рис. 19. Принципиальная схема генератора квадратурных колебаний

3. Измерительный преобразователь для ёмкостного датчика с заземлённым электродом.

Рис. 20. Функциональная схема измерительного преобразователя для ёмкостного датчика с заземлённым электродом

Инв	– инвертор выходного напряжения генератора ГКН, получает напряжение противоположной фазы по сравнению с напряжением на датчике ;
Сумм	– суммирует напряжения с выходов усилителя Ус и инвертора Инв для компенсации неинформативной составляющей;
Ус	– усилитель с большим коэффициентом усиления (операционный усилитель) служит для преобразования значения электрической ёмкости в напряжение пропорциональное ;
ПЕН	– преобразователь значения емкости в напряжение ;
	– выходное напряжение генератора, оно же и напряжение питания емкостного датчика ;
	– выходное напряжение преобразователя емкости в напряжение;

Эквивалентная схема представлена на рисунке 21. На рисунке 21а представлена схема преобразователя в напряжении , на рисунке 21б – векторная диаграмма токов в датчике.

Рис. 21. Эквивалентная схема преобразователя емкости в напряжение

Поскольку в датчике существуют потери, то ток через него сдвинут по фазе относительно напряжения не на , а на угол несколько меньше , где – недосдвиг до .

В задании задан . Пусть, например, , а частота , диапазон изменения емкости . Из этих данных находим диапазон изменения сопротивления потерь.

, следовательно .

,

.

Таким образом, , .

Напряжение на выходе преобразователя будет иметь следующий вид (это усилитель с последовательной отрицательной обратной связью):

.

В комплексном виде: .

Найдем диапазон изменения выходного напряжения :

,

.

Пусть напряжение с выхода генератора Е равно , тогда задаваясь резистором R, равным можно получить:

,

.

Из значений напряжений для диапазона изменения емкости видно, что полезная составляющая значительно уступает составляющей синфазной с питающим напряжением Е. Для ее компенсации служит сумматор и инвертор.

2.1. Расчет преобразователя емкости в напряжение

Принципиальная схема преобразователя в напряжение представлена на рисунке 22.

Рис. 22. Принципиальная схема преобразователя электрической емкости датчика в напряжение.

В качестве резистора выбираем [1] резистор типа С2 – 29 В:

.

В качестве микросхемы операционного усилителя выбираем микросхему К544УД2А [5]. Быстродействующий операционный усилитель.

2.2. Расчет инвертора и сумматора

Схема инвертора и сумматора представлена на рисунке 23.

Рис. 23. Схема инвертора (ОУ₁) и сумматора (ОУ₂)

Выходное напряжение будет иметь вид:

.

С учетом значения

.

Необходимо рассчитать компоненты – , , , таким образом, чтобы первые два слагаемых равнялись нулю. Пусть для значения соответствующего значению , .

Выберем , тогда или .

Тогда ; .

Тогда задаваясь , получаем .

Согласно [1] имеем:

,

.

Для выбора резистора зададимся полезной составляющей напряжения на выходе сумматора. Пусть она равна для . Тогда из следует

.

Выбираем [1]

.

Принципиальная схема имеет вид, представленный на рисунке 24.

Рис.24. Схема электрическая принципиальная инвертора (DA₁) и сумматора (DA₂)

В качестве ОУ 1,2 выбираем микросхему [5] К544УД2А. Таким образом, , . Будем считать, что это среднеквадратическое значение. , .

Расчет остальных элементов функциональной схемы аналогичен расчету, приведенному в примере для ёмкостного датчика с изолированными электродами.

Пример расчета преобразователя напряжение-ток.

Пусть задано: выходной ток должен поменяться в диапазоне , при изменении ёмкости в диапазоне .

После фазочувствительного преобразования полезной составляющей и компенсации составляющей синфазной с питающим напряжением, выходные напряжения ФЧВ будут соответственно равны. Выходные напряжения ФЧВ – это средние значения .

Тогда выходные напряжения ФЧВ будут изменяться в пределах:

; .

Если коэффициент передачи фильтра нижних частот равен 1, то эти напряжения приходят на преобразователь напряжение-ток, в котором должны выполняться следующие пропорции:

, ;

, .

Выбирая схему ПНТ с повторителем в обратной связи (см. рисунок 25) можно получить .

Рис. 25. Схема преобразователя напряжение-ток

С учетом сказанного можно записать:

; ; ; .

Решая систему уравнений относительно и можно получить

; . Выбираем [1]

.

Ни один усилитель общего применения не в состоянии отделить в нагрузку ток больший, чем . Поэтому необходимо выходной ток усиливать по току. Это можно сделать с использованием эмиттерного повторителя, а можно сделать так как показано на рисунке 26.

Рис. 26. Пример использования микросхемы LH324А для построения преобразователя напряжение-ток.

В данном случае для увеличения выходного тока используется дополнительный повторитель на , резисторы для защиты выходов во время переходного процесса, например, после включения питания. Для этой микросхемы выходной одиного ОУ не более . Для двух и не более , чего вполне достаточно для обеспечения тока нагрузки .