Компьютерная Томография

* При токе стабилизации равном 7,5 мА.      

     Для обеспечения нормальной работы ограничителей напряжения, необходимо сигнал от датчика подавать через резистор. Номинал резистора должен быть таким, чтобы при срабатывании одного из ограничителей, ток через соответствующий стабилитрон не превышал установленного предела. Максимально возможный уровень сигнала, поступающий на схему при предельном повороте гантрии симулятора не превышает 9 В. Ограничение сигнала проводится на уровне 7,3 В. Значит падение напряжения на входном резисторе R3 не превысит 1,7 В. Выбрав номинал резистора R1 равным 5,1 кОм, максимальный ток ограничителя устанавливается на уровне 0,3 мА. Т.е. при срабатывании ограничителей, приращение тока через любой из стабилитронов не превысит 0,3 мА, что не выведет его из рабочего режима.

     Определим номиналы резисторов R1 и R2, задающих ток через стабилитроны VD1, VD2. Т.к. стабилизированное напряжение 6,6 В будет получаться из 15 В, а номинальный ток стабилизации равный 7,5 мА, можно определить номиналы резисторов:

       Ом;

Выбрав ближайшее стандартное значение 1,1 кОм, и взяв резистор с допуском ±5% ток стабилизации ограничиться в пределах 7,2...8,0 мА, что допустимо для выбранных стабилитронов.

     Ограничение сигнала на уровне 7,3 В обеспечивается подключением сигнальной линии к источникам опорного напряжения через диоды VD3,VD4. Для этого используются германиевые диоды Д18, имеющие номинальное прямое падение напряжения 0,7 В. Выбор данных приборов обусловлен подходящим прямым падением напряжения, а также дешевизной и их малыми размерами. Максимальный постоянный прямой ток через диод равен 16 мА.

4.3 Преобразование аналогового сигнала

     После устройств ограничения уровня входного сигнала необходимо этот сигнал уменьшить для того, чтобы он подходил под параметры АЦП. Это можно сделать несколькими способами. Самый простой и дешевый способ - использование резистивного делителя. Но это не очень хорошее решение: потребуется учитывать входное сопротивление АЦП, сопротивление, стоящее на входе (необходимое для ограничителей), а также параметры самого датчика. При этом схема потребует сложной настройки, и при изменении какого-либо параметра, произойдут нарушения в ее работе - изменения напряжений срабатывания ограничителей, уровня сигнала на входе АЦП. Приемлемым решением является использование операционного усилителя (ОУ) в качестве устройства преобразования напряжения сигнала для подачи на вход АЦП, а также в качестве буфера. Входные токи ОУ ничтожно малы, и поэтому ограничивающий резистор, стоящий на входе, не окажет влияния на уровень (напряжение) сигнала. Кроме того напряжение входного сигнала не будет зависеть от входного сопротивления АЦП. ОУ необходимо использовать в неинвертирующем режиме, для обеспечения максимального входного сопротивления. Но при таком включении нельзя добиться требуемого коэффициента усиления (<1). Поэтому после буферного неинвертирующего ОУ будет использоваться еще один ОУ, работающий в инвертирующем режиме с коэффициентом усиления <1. Применение для этой цели делителя вряд ли является приемлемым, т.к. при расчете делителя потребуется учитывать входное сопротивление АЦП. А это может привести к погрешности при изменении этого параметра.

     Коэффициент усиления первого ОУ, работающего в неинвертирующем режиме и используемого в качестве буфера равен 1. Рассчитаем необходимый коэффициент усиления второго ОУ, работающего в инвертирующем режиме и используемого для уменьшения уровня сигнала. Т.к. сигнал, поступающий от датчика симметричен относительно земли, можно производить расчет, например, только для положительного его значения. Для этого разделим уровень, соответствующий полной шкале АЦП на максимальный уровень входного сигнала:

     ;

где K - необходимый коэффициент усиления; Uвх.АЦП  - уровень сигнала, соответствующий полной шкале АЦП; Uвх.макс  - максимальный уровень входного сигнала (соответствует 180 градусов поворота гантрии).

     Таким образом необходимо уменьшить сигнал в 1,71 раза или, что эквивалентно, увеличить в 0,71 раза. Рассчитаем номиналы резисторов цепи обратной связи. Задавшись номиналом резистора R4=10 кОм (±5 %)  (см рис.4.6) и зная что коэффициент усиления должен быть равен -0,71 определим номинал резистора R5:

      Ом;

     Но из-за неточности номиналов, а также отсутствия резисторов номиналом 7,1 кОм, необходимо предусмотреть возможность регулировки в некоторых пределах коэффициента усиления. Для этого номиналом R5  выбирается меньшее стандартное значение 6,2 кОм (±5 %) , а последовательно с ним включается переменный резистор R6 сопротивлением 2 кОм. При этом обеспечивается необходимая регулировка коэффициента усиления для компенсации неточности  номиналов резисторов R4 и R5. Так при их погрешностях изготовления резисторов, приводящих к максимальному коэффициенту усиления (R4 = 9500 Ом,  R5 = 6510 Ом), с помощью уменьшения сопротивления R6 до 0, коэффициент усиления можно понизить до:

А при погрешностях, приводящих к минимальному усилению (R4 = 10500 Ом, R5  =  5890 Ом , коэффициент усиления можно повысить до:

     Т.о. при любых допустимых отклонениях (±5%), сопротивлений резисторов задающих коэффициент усиления, от номинальных значений, коэффициент усиления можно отрегулировать, и установить равным номинальному: -0,71.

     Схема преобразования входного сигнала, с цепями защиты представлена на рис. 4.7.

Рис. 4.7 Схема преобразования входного сигнала.

     Как было сказано выше, резисторы задающие коэффициент усиления, а также входной резистор имеют допуски  ±5%, что вполне достаточно для обеспечения нормальной работы устройства.

     Операционные усилители для устройства необходимо выбирать из соображений получения погрешностей, не выходящих за рамки допустимых. При использовании ОУ необходимо учитывать ряд ограничений и отличий идеального ОУ от реального которые могут в некоторых случаях привести к ощутимым погрешностям. [7] Определи предельные значения некоторых параметров ОУ, для использования в данном устройстве.

     Напряжение сдвига. Благодаря входному напряжению сдвига, при нулевом напряжении на входе напряжение на выходе равно  . Максимальный коэффициент усиления, равный 1, имеет первый ОУ. Второй ОУ имеет коэффициент усиления 0,71. Если задаться максимальной погрешностью из-за напряжения сдвига равной 0,1 младшего разряда АЦП  (т.е. 1 мВ), то очевидно требуется ОУ с максимальным напряжением сдвига не превышающем 1 мВ. Можно конечно применить ОУ и с большим напряжением сдвига, но тогда придется использовать схему регулировки смещения нуля, которая потребует настройки. Проще и эффективнее использовать ОУ с подходящим напряжением сдвига. В этом случае отпадает необходимость в настройке нуля. Кроме того, ОУ с низкими напряжениями сдвига как правило имеют и более низкий дрейф этого параметра.

     Входной ток смещения. Если в инвертирующем усилителе один из входов заземлен, то даже при условии идеальной настройки (т.е. напряжение сдвига равно нулю), на выходе усилителя будет присутствовать отличное от нуля выходное напряжение. Это происходит из-за тока смещения, который создает падение напряжения на резисторах. Он порождает смещение выхода, определяемое как:

Для обеспечения погрешности за счет тока смещения, меньшей 1мВ необходим ОУ с током смещения:

     Входной ток сдвига. Этот параметр обусловлен асимметрией входных токов ОУ. Но входной ток сдвига как правило меньше входного тока смещения в 10 - 20 раз, и в данном случае им можно пренебречь.

     Скорость нарастания ОУ. Т.к. ОУ будут работать с низкочастотными сигналами, этот параметр не имеет в данном случае определяющего значения.

     Выходной ток. В связи с тем, что выходной ток операционного усилителя ограничен, размах выходного напряжения на низкоомных нагрузках также ограничен, но это не приведет к появлению погрешностей, т.к. нагрузкой первого ОУ является второй ОУ с входным сопротивлением порядка 10 кОм, а нагрузкой второго ОУ является АЦП, входное сопротивление которого также составляет 10 кОм.

     Коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи. Значение этого параметра нет необходимости учитывать, т.к. коэффициенты усиления

первого и второго ОУ равны соответственно 1 и 0,71,  а частота обрабатываемого сигнала очень мала.

     Исходя из вышеизложенных требований, следует вывод о необходимости применения прецизионного ОУ, т.к. только они могут обеспечить необходимые параметры (в основном - малое напряжение смещения). Существует довольно много ОУ, подходящих установленным критериям - отечественных и импортных. Но надо отметить, что нецелесообразно применять микросхемы с параметрами, намного превосходящие требуемые, т.к. это приведет лишь к неоправданным расходам.

     Наиболее подходящим представляется ОУ К140УД25А. Это прецизионный усилитель со низким входным напряжением шума, внутренней частотной коррекцией и высоким коэффициентом усиления напряжения. [9] Особенностями данного ОУ являются: малое напряжение смещения, широкий диапазон напряжения питания, высокий коэффициент усиления (1млн.). Электрические параметры ОУ и предельные режимы эксплуатации приведены соответственно в таблицах 4.3 и 4.4.

Табл. 4.3

Электрические параметры ОУ К140УД25А.

(при Uп= ± 15 В, Rн = 2 кОм, Т = +25°С)    

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10