Зависимость напряжения на выходе усилителя сигнала от времени (При вращении устройства вокруг своей оси.)

Индикатор положения Севера.

Постановка задачи:

Проектируемое устройство должно с максимальной точностью определять положение северного магнитного полюса Земли и по нахождении верного направления давать сигнал в виде индикации (например, светодиода). В устройстве будет учитываться только горизонтальная составляющая направления, т.е. прибор должен быть расположен перпендикулярно к оси гравитации. Прибор будет основан на высокочувствительном датчике магнитного поля (т.к. поле Земли достаточно слабо). Посторонние поля и помехи в расчете учитываться не будут.

Структурная схема:

Первичный преобразователь (датчик) даст зависимость поле/напряжение. В виду малого поля Земли это будут небольшие значения напряжения, которые затем будут усиливаться с помощью операционного усилителя. Прибор основан на принципе сравнения текущего состояния поля с пиковым состоянием за определенный промежуток времени. Оператор совершает оборот вокруг своей оси, максимальный сигнал за полный оборот будет соответствовать максимуму поля, т.е. Северу. Амплитудный детектор позволит сохранять значение максимума напряжения, а компаратор сравнит это пиковое напряжение с текущим напряжением на усилителе. Если напряжение на усилителе станет меньше напряжения на амплитудном детекторе, значит, в этой точке расположен максимум поля. Загорится сигнал – положение Севера определено. Но такой способ определения положения Севера не всегда будет работать. (См. график на следующей странице)

Зависимость напряжения на выходе усилителя сигнала от времени (При вращении устройства вокруг своей оси.)

N

U1 – локальный максимум поля

U2 – истинный максимум поля

T1 – Начало измерения

T2 – момент второго срабатывания компаратора и, соотв., определения положения Севера

Примерный вид зависимости напряжения ( магнитного поля) от времени. Время определяется скоростью вращения оператора вокруг своей оси. Соответственно, если в начальный момент времени, когда оператор не знает, где расположен Север, он расположил устройство чувствительной осью в Западном направлении и двинулся против часовой стрелки, поле станет убывать, дойдя до минимума (Юг), а затем вновь возрастать, пока не достигнет максимального значения(Север). В начальной точке измерений был локальный максимум поля, однако он не соответствовал положению Севера. Чтобы устранить эту методическую ошибку измерения, в схему добавлен счетчик до 2-х (на основе Т-триггера). Это позволит проигнорировать первое срабатывание компаратора.

Также следует отметить, что для сброса амплитудного детектора необходимо добавить в схему ключ, ускоряющий разряд конденсатора в блоке детектора. Ключ должен быть выполнен, как кнопка RESET на корпусе устройства.

Выбор элементов схемы:

1) Датчик. В результате анализа выпускаемых измерителей и датчиков магнитного поля за основу данного индикатора был взят одноосевой магниторезистивный чувствительный датчик магнитного поля HMC1001 фирмы Honeywell.

· Диапазон измеряемых полей Гаусса. (Магнитное поле Земли Гаусса)

· Высокая чувствительность -

· Низкая погрешность измерения поля (см. таблицу характеристик датчика)

· Практически линейная зависимость мВ/Гаусс

Для питания датчика рекомендовано однополярное напряжение в 5В, Выходное сопротивление (сопротивление резистивного моста) лежит в диапазоне от 600 до 1200 Ом в зависимости от величины магнитного поля.

Поле Земли Гаусса. показания датчика по направлению к Северу

Примечание. При однополярном питании может быть в два раза больше.

Примечание 2. Без учета постоянных полей смещения и намагниченности магниторезистивного слоя.

Стоимость датчика составляет примерно 450 рублей.

2) Дифференциальный усилитель на ОУ

Выходное напряжение с датчика подается как разность потенциалов на двух выводах. Нам необходимо усилить разность этих напряжений для дальнейших преобразований.

Из документации к датчикам Honeywell - Рекомендуемый коэффициент усиления = 100

Без учета конденсатора в ОС:

Для R3=R6 и R5=R4 формула будет выглядеть следующим образом:

Возьмем R3=R6=100КОм, а R4=R5=1КОм (1% С2-23 стоимость 8 рублей)

Чтобы уменьшить влияние помех, следует в цепь обратной связи усилителя добавить конденсатор. Таким образом, получится ФНЧ 1-го порядка.

Частота, на которой коэффициент усиления станет меньше в раз, будет выражаться формулой :

, (без учета конденсатора в цепи ООС)

(с ФНЧ) Следует подобрать емкость и сопротивления так, чтобы коэффициент усиления был равен 100, а колебания выше частоты среза (например, 100 Гц) не усиливались.

Так, для емкости конденсатора 47нФ (x7r 10% стоимость 6рублей) и R3=100КОм .

Тогда (на частоте 1 Гц)

Тогда при предположительно низкой частоте сигнала с датчика (в силу небольшой скорости вращения оператора вокруг своей оси) конденсатор не внесет значительной погрешности в расчет дифференциального усилителя. Коэффициент усиления допустимо принять равным 100.

Выбор реального ОУ:

С датчика будет поступать достаточно слабый сигнал, порядка 1-30мВ. Для наименьшей погрешности следует подобрать усилитель с низким значением напряжения смещения. Кроме того, точно оценить диапазон напряжений с датчика невозможно, из-за полей смещения оно может сильно варьироваться, поэтому усилитель должен иметь широкий диапазон выходного напряжения. Источник питания в идеале должен быть один, датчик питается от 5В однополярного, следовательно, следует выбирать ОУ с поддержкой SINGLE-SUPPLY (5в) и RAIL-TO-RAIL диапазона выходного напряжения.

Малыми смещениями обладают операционные усилители с автоподстройкой нуля. Например, AD8638. (См. Приложение)

Этот усилитель обладает очень низким напряжением смещения – 9 мкВ – максимальное значение, обладает низким входным током – 9пА- максимальное значение, работает от однополярного питания в 5В и имеет диапазон выходного напряжения RAIL-TO-RAIL

Стоимость этого ОУ примерно 100рублей

3)Амплитудный детектор (далее АД):

Схема простого АД на ОУ

Для правильного выбора ОУ для создания АД нужно учесть ряд параметров:

А) ОУ имеет конечную скорость нарастания сигнала.

Б) Входной ток смещения вызовет постепенный разряд конденсатора.

В) Максимальный выходной ток ОУ ограничит скорость изменения напряжения на конденсаторе.

Поле Земли не велико, а изменение напряжения по времени на входе АД связано фактически только со скоростью вращения оператора вокруг своей оси, поэтому большая скорость нарастания сигнала ОУ не является крайней необходимостью. Но из-за большого времени вращения оператора требуется минимальная скорость утечки заряда на конденсаторе.

- Эта формула приближенно описывает утечку заряда из-за наличия токов смещения

Ток смещения зависит от ОУ.

При выборе емкости важен баланс, т.к. слишком большое значение уменьшит скорость изменения напряжения на выходе усилителя

- Скорость зарядки ограничена максимальным выходным током ОУ

Выбор диода также основан на учете параметров, позволяющих замедлить скорость разряда конденсатора, - это прежде всего обратный ток, т.к. конденсатор разряжается в том числе и через диод. Следует искать диод с наименьшей величиной обратного тока.

ОУ должен иметь минимальное выходное напряжение, а ОУ, следующий далее в схеме, - максимальное входное. Ввиду того, что далее в схеме расположен компаратор на основе триггера Шмитта с ПОС, и входное сопротивление этого компаратора не максимально, целесообразно включить в схему АД повторитель. Тогда можно усовершенствовать схему АД:

Напряжение на конденсаторе повторяет входное напряжение на интервале его увеличения: ОУ1 заряжает оба диода, а выходное напряжение ОУ2 не оказывает никакого влияния на процесс. Когда значение входного напряжения становится меньше пикового, ОУ1 переходит в насыщение, а ОУ2 поддерживает напряжение в точке между диодами равным напряжению на конденсаторе и устраняет утечку в диоде Д2. Ток утечки протекает в Д1 через резистор R и создает на нем небольшое падение напряжения, но оно пренебрежимо мало. Оба ОУ по-прежнему должны иметь маленькие токи смещения, а диоды – малый обратный ток.

Ключ должен быть подобран с максимальном большим сопротивлением в разомкнутом состоянии, и минимальным сопротивлением в замкнутом состоянии. В первом случае это уменьшит падение напряжения с конденсатора на землю через разомкнутый ключ, а во втором случае – ускорит разрядку.

Емкость конденсатора = 0.1мкФ (Murata 10% стоимость 6 рублей)

Подходящие операционные усилители: AD820 на полевых транзисторах. (стоимость 200 рублей)

Iвых=15мА (для ad820) (см. приложение к ОУ)

Icм=10пА (для ad820)

Тогда:

Д1=Д2 = 1N3595 (Iобр =1нА) Влияние не учитывается за незначительностью. (Цена 2 рубля)

Rос=4,7КОм (номинал этого резистора не принципиален) (С2-23 8рублей)

4) Компаратор.

Без ПОС и, соответственно, гистерезиса, компаратор будет совершать большое количество ложных срабатываний – это неприемлемо для данного устройства. Следует добавить на неинвертирующий вход петлю обратной связи. Она должна создавать небольшой гистерезис, чтобы избежать ложных срабатываний, но ,в то же время, как можно меньше влиять на точность определения положения Севера.

Компаратор на основе триггера Шмитта

ОУ для компаратора следует выбирать по таким критерием:

· Возможность подключить однополярное питание (также, как в остальных блоках устройства)

· Максимальная скорость нарастания (влияет на время переключения)

На неинвертирующий вход будет подаваться напряжение с выхода АД, оно более статично, во-первых; во-вторых, больше подходит по условию задачи: Положительное напряжение на компараторе установится , когда значение входного напряжения станет меньше, чем выходного. (условие максимума магнитного поля)

Чтобы погрешность была не слишком большой, ширина гистерезиса должна быть очень ограничена. 1% от показаний датчика в максимуме = 0.1мВ. После усиления = 10мВ

для данной схемы – напряжение на неинверсном входе. Для оценки ширины гистерезиса возьмем = 1.2В

Из ряда номиналов можно взять R2=470КОМ. Тогда R2=1.27КОМ (С2-23 стоимость – 8рублей)

Т.к. питание однополярное, напряжения не симметричны. Подобрать следует среднее отношение резисторов.

Тогда реальные значения напряжений срабатывания и отпускания:

Из ряда номиналов можно взять R2=470КОМ. Тогда R1=1.89КОМ

Выбор реального ОУ:

Single-Supply компаратор MAX9031. 5 выводов, малое потребление, малая задержка распространения сигнала (см. приложение) (стоимость в районе 100 рублей)

5) Счетчик до 2-х (Т-триггер)

Для реализации этого блока используется микросхема к561тм2(30 рублей), состоящая из двух D-триггеров. Используется в данном устройстве только один D-триггер, собранный как T-триггер.

Остальные выводы микросхемы задействованы не будут.

Выход счетчика является входом для светодиода, который служит для индикации положения Севера. В качестве светодиода можно взять практически любой простой светодиод, такой как АЛ102АМ.(цена 15 рублей)

Iпр=5мА

Uпр макс = 2.8В

5В на выходе микросхемы ТМ2. Следует включить в цепь резистор, на котором падение напряжения составит примерно 2.5В

Rд должно быть равным 500 Ом

Можно использовать резистор 5% точности 510 Ом. Стоимость 5 рублей.

Схема устройства:

Поиск по сайту: