Преобразователь тока в напряжение на оу. Преобразователи ток-напряжение Коэффициент преобразования напряжения в ток

Министерство Образования РФ

Новосибирский Государственный Технический Университет

Кафедра ССОД

Курсовой проект по дисциплине:

«СХЕМОТЕХНИКА»

Преобразователь тока в напряжение

Выполнила: Проверил:

Голдобина Елена Пасынков Ю.А.

Группа: АО-91

Факультет: АВТ

НОВОСИБИРСК-2001

1. Введение

2. Технические данные для проектирования

3. Структурная схема преобразователя

4. Уравнение преобразования

5. Анализ погрешностей

6. Принципиальная схема

7. Расчет инструментальных погрешностей

8. Заключение

9. Список используемой литературы

10. Спецификация элементов

Введение

В настоящее время существуют различные преобразователи физических величин, например: напряжения в ток, сопротивления в постоянное напряжение, частоты в напряжение.

Преобразователи одной величины в другую широко применяются в радиоэлектронике, микроэлектронике и системах сбора и обработки данных. При построении таких преобразователей используются операционные усилители. Это позволяет значительно увеличить выходное сопротивление схемы, тем самым, уменьшив влияние на работу последующих звеньев.

2. Технические данные для проектирования.

а) Основные данные

б) Дополнительные

3. Структурная схема преобразователя.

Схему преобразователя структурно можно представить в следующем виде:

2) – усилитель

I BX – входной ток

U ВЫХ – номинальное напряжение на выходе.

4. Уравнение преобразования тока в напряжение.

Сопротивление R3 равное параллельному соединению R1 и R2 включено в цепь для устранения погрешности от входных токов.

Сопротивление R кор -корректирующее – включено в схему для устранения погрешности от допусков резисторов (R кор = 10 Ом)

Выходное напряжение прямо пропорционально току, сопротивлению шунта и коэффициенту усиления масштабного усилителя:

Расчет элементов схемы:

Начальные данные:

Выбор операционного усилителя.

Выберем операционный усилитель с малым температурным дрейфом E см для того чтобы минимизировать погрешность от влияния дрейфа.

Возьмем ОУ 140УД21.(ТКЕ см =0,5·10 -6 В, I вх =0,5нА, ΔI вх =0,5нА, К=1000000 U вых =10,5В М сф =110 дБ).

Расчет резисторов.

Выберем шунт с номинальным напряжением U шном =30мВ.

Сопротивление шунта , следовательно входное сопротивление преобразователя равно 3 мОм, что соответствует заданным параметрам.

Напряжение на входе усилителя равно U шном. На выходе необходимо получить напряжение U вых =1В. Следовательно, коэффициент усиления с обратной связью

I R – ток протекающий через сопротивления R1, R2.

где, I вх_оу – входной ток операционного усилителя, К – коэффициент усиления без обратной связи.

Решая данную систему, находим значения резисторов.

R1 = 60 Ом R2 = 1900 Ом.

5. Анализ погрешностей

В данной схеме присутствует только инструментальная погрешность, так как методическая погрешность, связанная с сопротивлением источника, равна нулю (считаем, что источник идеальный, т.е. его внутреннее сопротивление равно ∞).

Поэтому рассмотрим только инструментальные погрешности:

1. Погрешность от допусков резисторов.

Данная погрешность устраняется путем ввода в систему корректирующего сопротивления, равного 10 Ом.

2 . Погрешность от ТКС резисторов

3. Погрешность от дрейфа Е см.

Влияние этой погрешности будет рассмотрено ниже.

4. Погрешность от Е см усилителя.

Эта погрешность устраняется с помощью подстроечного резистора R4.

5. Погрешность от входных токов.

Эта погрешность устраняется путем включения в преобразователь сопротивления R3, равного параллельному сопротивлению R1 и R2.

6. Погрешность от дрейфа Δ I ВХ .

Воздействие этой погрешности также рассматривается ниже.

7. Погрешность от коэффициента подавления синфазного сигнала.

Воздействие этой погрешности будет рассмотренно ниже.

7. Расчет погрешностей

Уравнение выходного напряжения:

Рассчитаем следующие погрешности:

а) Погрешность от допуска сопротивления шунта

Погрешность допуска сопротивления шунта составляет 0,05% или 15нОм.

Другими словами

R шреал – реальное сопротивление шунта.

U хреал – напряжение на выходе усилителя при R ш = R шреал

б) Погрешность от ТКС резисторов:

Выберем резисторы R1,R2 из серии С2-29В.

У данного типа резисторов

погрешность d 1 от ТКС R 2

погрешность d 2 от ТКС R 1

в) Погрешность от ТКЕ СМ

г) Погрешность от ΔI BX .

д) Погрешностьот коэффициента подавления синфазного сигнала.

Общая погрешность

Это значение удовлетворяет заданной погрешности. Следовательно подтверждается правильность выбора операционного усилителя с малым дрейфом смещения нуля.

8. Заключение.

Данная схема преобразователя напряжения в ток достаточно проста, но в то же время обеспечивает необходимую точность преобразования (погрешность преобразования не более 0,05) . Данные качества позволяют широко использовать эту схему в измерительных системах и системах обработки сигналов.

9. Список используемой литературы:

1. Конспект лекций Пасынкова Ю.А.по схемотехнике за 2001 год.

2. Хоровиц П., Хилл У. ”Искусство схемотехники”

3. Кунов В.М. Операционные усилители. Справочник. Новосибирск, 1992.

11. Технические характеристики элементов.

Обозначение на схеме	Тип элемента	Количество	Примечание

	Опер. усилитель
			U ВЫХ = 10,5 В, ТКЕ СМ = 0,5 мкВ/К

	Резисторы
			Прецизионные, ТКС =

			подстроечный
			корректировка нуля

Шунты.

Шунт является простейшим измерительным преобразователем тока в напряжении. Он предназначен для расширения пределов измерения по току. При этом большую часть измеряемого тока пропускают через шунт, а меньшую - через измерительный механизм прибора. Шунты имеют небольшое сопротивление и применяются, главным образом, в цепях постоянного тока с магнитоэлектрическими измерительными механизмами.

Шунт представляет собой четырёхзажимный резистор. Два входных (силовых) зажима, через которые шунт включается в измеряемую цепь, называются токовыми, а два других, с которых снимается напряжение U, подводимое к измерительному механизму – потенциальными – рис.3.1.

I u И М

Рис. 3.1. Схема включения шунта.

Шунт характеризуется номинальным значением I ном и номинальным значением выходного напряжения U ном . Их отношения определяет номинальное сопротивление шунта:

R ш =U ном /I ном.

В измерительный механизм прибора отбирается часть измеряемого токаI :

I u = I R ш / (R ш + R u)

где R u – сопротивление измерительного механизма. Если необходимо, чтобы ток I u был вn раз меньше тока I , то сопротивление шунта должно быть:

R ш = R u / (n-1)

где n = I /I u - коэффициент шунтирования.

Шунты изготавливаются из манганина, сопротивление которого незначительно меняется от температуры. Шунты могут быть встроенные в прибор (при токах до 30 А) или наружные. Наружные шунты изготавливаются калиброванными, рассчитанными на определённые токи и имеющие одно из стандартных значений выходного напряжения: 10; 15; 30; 50; 75; 100; 150 и 300 мВ. Серийные шунты выпускаются для токов до 5000А. Классы точности серийных шунтов от 0,02 до 0,5.

Для многопредельных магнитоэлектрических приборов

Чувствительность измерительного преобразователя – это отношение изменения выходного сигнала к вызвавшему его изменению входного сигнала. Отношение S=ΔY/ΔX есть средняя чувствительность преобразователя на интервале ΔХ, а предел, к которому стремится это отношение при ΔХ→ 0, есть чувствительность преобразователя в точке Х:

S ═ lim S cp ═ -- .

ΔX→0 dX

Если Y и Х величины однородные, то чувствительность величина безразмерная. Различают абсолютную и относительную чувствительности преобразователя. Абсолютная чувствительность – это S=dY/dX, а относительная – S 0 =(dY/Y)/(dX/X). Например, чувствительность тензо-метрического преобразователя определяется как отношение относительного изменения электрического сопротивления ΔR/R к относительной деформации Δl/l.

Если функция преобразования линейна, то S - соnst и не зависит от Х. Например, если у=ах+ b, то S=а.

Если функция преобразования нелинейна, то S≠S cp и зависит от Х. Например, если у=ах 2 +b, то а=2ах.

Порог реагирования – это минимальное изменение входной величины, вызывающее уверенно различимое приращение выходной величины преобразователя на фоне шумов, смещения нуля, гистерезиса характеристики и прочих мешающих факторов.

Входное и выходное сопротивления определяют степень согласования преобразователя с источником сигнала и с нагрузкой. Так, если преобразуемый сигнал напряжение, то Z вх должно быть максимальным, а если ток – то минимальным. В общем виде входное сопротивление должно быть таким, чтобы минимизировать мощность, потребляемую от источника сигнала.

Быстродействие характеризует способность быстро реагировать на

изменение входного сигнала. В общем виде динамические свойства преобразователя характеризуются дифференциальным уравнением, связывающим выходную и входную величины. Решение этого уравнения при известном х(t) дает значение у(t). Порядок уравнения и его коэффициенты определяются структурой и параметрами преобразователи. На практике такую методику в прямом виде практически не используют в связи со сложностью решения дифференциальных уравнений высоких порядков.

Чаще для описания динамических свойств преобразователей используют характеристические функции, которые можно получить экспериментально, подавая на вход специальный тестовый сигнал, например, скачкообразный или гармонический. Реакция преобразователи на скачкообразное входное воздействие единичной амплитуды называется переходной функцией преобразователя h(t). Очень часто сложный преобразователь при анализе динамических процессов разбивают на простейшие динамические звенья. Переходные функции основных

не зависит от температуры. Температурный коэффициент прибора с дополнительным сопротивлением меньше температурного коэффициента измерительного механизма в R u / (R u + R д) раз.

В многопредельных приборах добавочные резисторы изготавливаются секционными – рис. 3.3.

Большой собственный коэффициент усиления О У приводит к тому, что инвертирующий вход является виртуальной землей, поэтому протекающий через резистор ток равен току Следовательно, выходное напряжение определяется соотношением . Показанная на рис. 4.3 схема хорошо подходит для измерения малых токов - от десятков миллиампер и менее, вплоть до долей иикоампера. Верхний предел тока ограничивается выходным током ОУ. Недостаток схемы состоит в том, что ее нельзя включать в произвольной точке контура с током, так как входной ток должен замыкаться на землю.

Рис. 4.3. Преобразователь тока в напряжение с виртуальной землей.

Коэффициент преобразования:

где - коэффициент усиления ОУ и - эквивалентное сопротивление между входом ОУ и землей, включающее в себя сопротивление источника тока и дифференциальное входное сопротивление ОУ.

Входное сопротивление:

Выходное напряжение смещения:

где - входное напряжение смещения ОУ, - входной ток смещения ОУ.

Нижний предел измеряемого тока определяется входным напряжением: смещения, входными токами ОУ и их дрейфами. Для того, чтобы свести к минимуму погрешности схемы, учтите следующие моменты.

1. Погрешности смещения.

При малых входных токах (менее 1 мкА) лучше использовать ОУ с полевыми входами, имеющие незначительные входные токи.

Нужно стремиться к тому, чтобы выполнялось условие так как иначе входное напряжение смещения будет дополнительно усиливаться.

Погрешность, связанную с входными токами, можно уменьшить, включая дополнительный резистор, равный между неинвертирующим входом и землей. При этом общее входное смещение будет равно где - разность входных токов ОУ. Для ограничения высокочастотных шумов дополнительного резистора и предотвращения самовозбуждения ОУ можно параллельно ему включить шунтирующий конденсатор (10 нФ - 100 нФ).

Соблюдайте аккуратность при работе с очень малыми токами, потому что значительные погрешности могут быть связаны с токами утечки. Используйте охранное кольцо (рис. 4.4) для того, чтобы токи утечки замыкались на него, а не на вход схемы. Охранные кольца должны быть на обеих сторонах платы. Плату нужно тщательно очистить и изолировать для предотвращения поверхностной утечки. Наконец, для получения очень малых токов утечки (порядка пикоампер) при монтаже входноых цепей можно использовать дополнительные стойки из фторопласта.

Рис. 4.4. Применение охранного кольца для уменьшения токов утечки.

Чтобы уменьшить дрейф входных токов от температуры, следует ограничить тепло, выделяемое самим ОУ. Для этого лучше снизить напряжение питания до минимума. Кроме того, к выходу ОУ не стоит подключать низкоомную нагрузку (общее сопротивление нагрузки должно быть не менее 10 кОм).

При измерении малых токов регулировать смещение лучше в последующих каскадах схемы, или воспользоваться подходом, показанным на рис. 4.7, при котором не требуется слишком высокая чувствительность усилителя.

2. Погрешности коэффициента усиления.

ОУ и резистор обратной связи необходимо выбирать так, чтобы иначе могут возникнуть большие погрешности коэффициента усиления и нелинейность характеристики. Необходимо подобрать прецизионные резисторы с малым дрейфом. Лучше всего использовать высокостабильные резисторы на основе металлических или металлоокисных пленок. Лучшей конструкцией для высокоомных резисторов (более 1 ГОм) является стеклянный корпус, покрытый силиконовым лаком для исключения влияния влажности. Некоторые резисторы имеют внутренний металлический защитный экран.

Чтобы не использовать резисторы слишком больших номиналов (у них низкая стабильность и они довольно дороги), можно использовать Т-образную обратную связь (рис. 4.5). Такое соединение позволяет повысить коэффициент преобразования без использования высокоомных резисторов, но это возможно только при достаточном запасе собственного коэффициента усиления ОУ. Отметим, что монтаж схемы должен быть выполнен так, чтобы предотвратить шунтирование Т-звена сопротивлением утечки, т.е. обеспечить хорошую изоляцию точек А и В. Т-образное соединение имеет серьезный недостаток, заключающийся в усилении напряжения смещения ОУ раз, что иногда может ограничить его применение.

3. Частотная характеристика.

Конечная емкость источника сигнала Си может привести к неустойчивости схемы, особенно при использовании длинных входных кабелей. Этот конденсатор на высоких частотах вносит фазовое запаздывание в петле обратной связи ОУ. Проблема решается включением конденсатора небольшой емкости параллельно резистору , графическая иллюстрация этого способа показана на рис. 4.6.

5. Помехи.

Преобразователи тока в напряжение с большим усилением являются высокочувствительными, высокоомными схемами. Поэтому для защиты от помех их необходимо заключать в экранирующий корпус. Важное значение имеет хорошая развязка по питанию. Наконец, эти схемы могут быть очень чувствительными к механическим вибрациям.

На рис. 4.7 показана схема усилителя сигнала фотодиода. Для регулировки смещения используется потенциометр.

Рис. 4.7. Усилитель тока фотодиода.

В радиотехнике часто возникает необходимость в преобразователях. Многие источники сигнала имеют токовый выход. К таким источникам относятся ЦАПы, фоторезисторы, фототранзисторы и др… Для последующих манипуляций с сигналом необходимо преобразовывать его в напряжение. Рассмотрим проверенный временем преобразователь тока в напряжение на ОУ с разными источниками сигнала.

Преобразователь тока в напряжение (или сокращенно I-U преобразователь) — это схемное решение, позволяющее преобразовывать выходной токовый сигнал источника в напряжение.

Так же его называют усилитель — преобразователь сопротивления . Такое название в технической литературе было дано за то, что простейший преобразователь тока в напряжение — это резистор.

Вся магия преобразования происходит по закону дедушки Ома. Ток i вх протекая через резистор R вызывает на нем падение напряжение U вых . Величина этого напряжения прямо пропорциональна произведению сопротивления резистора и входного тока. Пожалуй формулой все звучит даже проще:

U вых = R × i вх

Основной недостаток использования одного резистора состоит в его ненулевом сопротивлении. Это обстоятельство становится серьезной проблемой, когда источник не в состоянии обеспечить необходимый уровень напряжения на резисторе. Результатом буду просадки напряжения на выходе.

Еще больше сопротивление сказывается на работе преобразователя, если у источника тока малый выходной рабочий диапазон. К таким источникам относится, например, фотодиод. Его выходной ток составляет единицы мкА.

В случае же ЦАПа , особенно высококачественного, использование резистора для преобразования предпочтительнее. Почему и зачем читайте в статье . Это обусловлено некоторыми фазовыми проблемами схем, которые будут рассмотрены. К счастью для нас, источникам вроде фотодиода фазовые искажения безразличны.

Схема преобразователя ток-напряжение на ОУ

Схема преобразователя тока в напряжение, совсем не нова, но проверенна и безотказна. В общем виде она выглядит следующим образом:

Ток сигнала i вх втекает в инвертирующий вход. Поскольку входной ток идеального ОУ равен нулю, то весь входящий ток поступает на резистор R цепи обратной связи. Этот ток создает на резисторе падение напряжения по закону все того же Ома.

Как результат ОУ будет стараться поддерживать на сопротивлении нагрузки R Н напряжение, пропорциональное величине входного тока. Коэффициент усиления схемы в, таком случае, имеет размерность сопротивления. Что еще раз объясняет советское название усилитель-преобразователь сопротивления:

K = U вых ÷ i вх = R

Преобразователь для заземленного источника

Рассмотрим несколько схем преобразователя тока в напряжение на ОУ, подходящие для любого случая. Начнем со схемы преобразователя для фотодиода.

Направление протекания тока показано стрелкой, и для данного случая величина выходного напряжения составит:

U вых = − i вх × R

Знак минус появляется из-за выбранного направления протекания тока фотодиода. (Указано стрелкой на схеме выше)

На этой схеме так же показан дополнительный резистор в 1 МОм, с неинвертирующего(+ ) входа ОУ на землю. Схема останется работоспособной и без этого резистора, а вход операционного усилителя в таком случае заземляется напрямую.

Однако имея резистор в 1 МОм в цепи обратной связи, на каждый 1 мкА входного тока на выходе будет создан 1 Вольт напряжения. При таком коэффициенте усиления (миллион раз ) резистор желателен из-за неидеальности операционных усилителей.

Преобразователь тока в напряжение используют и с источниками сигнала, подключенными к шине питания. Такая схема часто применяется с элементами вроде фототранзисторов. Фототранзистор потребляет (пропускает ) ток, под действием внешнего источника света, положительной шины питания.

Преобразователь тока в напряжение для незаземленного источника

Такой преобразователь отличается наличием второго токочувствительного резистора в цепи прохождения сигнального тока, который заземлен. Схема симметричного преобразователя ток-напряжение это подобие дифференциального усилителя.

В следствии падения напряжения так же и на заземленном резисторе, потенциал входа ОУ падает ниже потенциала земли, а на выходе устанавливается напряжение:

U вых = −2 × i вх × R

Симметричный преобразователь тока в напряжение — пример операционной схемы, которой необходим незаземленный (плавающий ) источник сигнала. Таким источником может послужить все тот же фотодиод. При этом фотодиод может быть вынесен за пределы платы. Для еще большей минимизации помех, желательно использовать экранированный кабель, экран которого должен быть соединен с землей.

Заключение

Материал подготовлен исключительно для сайта

Преобразователи напряжения в ток (U/I) нашли широкое применение при передаче информации в аналоговом виде на значительные расстояния. Большинство измерительных устройств, применяемых при автоматизации нефтяной промышленности, имеют токовый выход. Преобразователи U/I являются практически идеальными источниками тока. Значение тока, несущего информацию о некоторой физической величине (давление, температура, уровень), не зависит от сопротивления линии связи (в некоторых пределах), что позволяет исключить ее влияние.

Один из вариантов преобразователя построен на основе инвертирующей схемы, где взамен резистора включена нагрузка
(рисунок 7.5).

Рисунок 7.5 - Инвертирующий преобразователь напряжение – ток

Функцию преобразования легко получить из следующих выражений

. (7.28)

В этой схеме реализована отрицательная обратная связь по току, это обстоятельство обеспечивает большое выходное сопротивление преобразователя

Поэтому изменение сопротивления нагрузки в широких пределах не влияет на значения тока . Однако, возможное изменение сопротивления нагрузки не беспредельное. Следует учесть, что ток в нагрузке поддерживается за счет напряжения
, которое не может быть больше, чем
. Отсюда следует, что максимальное сопротивление, которое можно включить в нагрузку без изменения функции преобразования равно

. (7.30)

Недостаток этой схемы – малое входное сопротивление
, который устраняется в схеме преобразователя, построенного на основе неинвертирующего включения ОУ (рисунок 7.6).

Рисунок 7.6 - Неинвертирующий преобразователь напряжение – ток

В этой схеме введена последовательная отрицательная обратная связь по току, что и обеспечивает большое входное сопротивление. Преобразователь имеет потенциальный вход и не нагружает источник сигнала, который может иметь большое входное сопротивление.

Функцию преобразования можно получить из следующих уравнений

, (7.31)

. (7.32)

Достаточно часто требуется обеспечить передачу большого тока на значительное расстояние, для этого можно применить более мощный ОУ или добавить умощняющий транзистор (рисунок 7.7).

Рисунок 7.7 - Преобразователь напряжение – ток

с умощняющим транзистором

В этой схеме
, но токбольше тока нагрузки на ток базы, который может быть не стабильным. Для исключения этого эффекта биполярный транзистор заменяют полевым транзистором с изолированным каналом. У него токи стока и истока всегда одинаковы.

7.5. Преобразователь ток – напряжение

При измерении тока важно, чтобы входное сопротивление прибора, включаемого в цепь было близким к нулю и не влияло на режим работы цепи. Таким свойством обладает преобразователь ток – напряжение (рисунок 7.8). Преобразователь имеет токовый вход и потенциальный выход. Этот вывод можно сделать, определив вид, способ введения и способ снятия обратной связи.

Рисунок 7.8 - Преобразователь ток – напряжение

В преобразователе реализована отрицательная обратная связь по напряжению с параллельным способом введения.

Ток , втекающий в точкуa равен току. Ток, проходящий через резистор, равен нулю, т.к. напряжение
, приложенное к резистору, равно нулю. Токравен току, а ток
=0 из условия идеальности ОУ.