Мікроконтролерний вимірювач ємності конденсаторів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЗАКАРПАТСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАТИКИ

Кафедра інформаційних управляючих систем і технологій

МІКРОКОНТРОЛЕРНИЙ ВИМІРЮВАЧ ЄМНОСТІ КОНДЕНСАТОРІВ

Дипломний проект

Ужгород - 2010р.

АНОТАЦІЯ

ПІБ:

Назва: Мікроконтролерний вимірювач ємності конденсаторів

Факультет: інформатики

Спеціальність: інформаційні управляючі системи і технології

Науковий керівник:

За темою магістерської роботи опубліковано робіт: - 0

Дипломний проект присвячений розробці мікроконтролерного вимірювача ємності, який може знайти використання при експлуатації в польових умовах і придатний для вимірювання ємності оксидних конденсаторів великої ємності без їх відпаювання.

Проект складається: із вступу, семи розділів, висновків та трьох додатків. В проекті описанo попередні конструктивні рішення. В основу мікроконтролерного вимірювача ємності покладено мікроконтролер AT90S2313, який здійснює управління роботою приладу, в його складі використовується компаратор, який здійснює порівняння напруги яка поступає із конденсатора, що досліджується та джерела опорної напруги. Розроблено конструкторську документацію на пристрій (структурна, функціональна та електрична принципова схеми та перелік елементів). В проекті розраховано собівартість пристрою - 285,19 грн. та час безвідмовної роботи - 5,25 років. Подано основні теоретичні відомості про конденсатори, описано їх будову та класифікацію, а також розглянуто основні правила техніки безпеки при роботі з приладом.

Ключові слова: мікроконтролер AT90S2313, вимірювач ємності, часовий метод вимірювання ємності.

RESUME

The project is dedicated to the development of microcontroller's meter of capacity, which can find usage during exploitation in the field conditions and is suitable for measuring the high capacity of oxide capacitors without their soldering.

The project consists of the introduction, seven sections, conclusions and three appendixes.

The previous structural decisions are described in the project. The microcontroller AT90S2313 which carries out comparison of voltage which comes from the condenser is used in his composition, that is explored sources of supporting voltage.

The design documentation of the device (the structural, functional electric principle schemes and list of elements) is developed in this project. The microcontroller's block-scheme of the program is given, the program is developed and the basic data about codevision avr IDE is given.

The prime price of device is expected in a project - 285,19 UAH and time of faultless work -5,25 years.

The basic theoretical information is given about condensers, described their structure and classification, and also considered the basic rules of accident prevention during work with a device.

Keywords: microcontroller AT90S2313, meter capacity, sentineling measuring method of capacity.

Зміст

Вступ

1. Технічні вимоги

2. Огляд та аналіз аналогів об`єкта проектування

2.1 Радіоаматорський вимірювач ємності конденсаторів

2.2 Вимірювач ємності конденсаторів на операційному підсилювачі

2.3 Вимірювач ємності електролітичних конденсаторів

2.4 Цифровий вимірювач ємності

3. Проектно-конструкторський розділ

3.1 Структурна схема мікроконтролерного вимірювача ємності

3.2 Функціональна схема мікроконтролерного вимірювача ємності

3.3 Електрична принципова схема мікроконтролерного вимірювача ємності

3.4 Обґрунтування вибору елементної бази

3.5 Розрахунок потужності споживання схеми

4. Розрахунок надійності спроектованого приладу

5. Програмне забезпечення мікроконтролерного вимірювача ємності

5.1 Основні теоретичні відомості про пакет CodeVisionAVR

6. Техніко-економічний розділ

7. Розділ техніки безпеки

7.1 Класифікація конденсаторів і міри безпеки при роботі з ними

7.2 Міри безпеки при експлуатації і сервісному обслуговуванні приладу

Висновки

Список літератури

Додаток 1. Перелік елементів

Додаток 2. HEX-файл прошивки ППЗП мікроконтролера

ВСТУП

Поява мікропроцесорів та мікроконтролерів (обчислювальних пристроїв, виконаних у вигляді однієї ВІС, що має основні частини мікроЕОМ: МП, пам'ять програм і даних, інтерфейсні схеми, генератор тактових імпульсів, інколи таймери) створило сприятливі умови для реалізації в радіотехнічних системах (РТС) багатьох оптимальних алгоритмів обробки сигналів, раніше відкидаємих із-за складності і великих апаратурних витратах.

В результаті застосування мікропроцесорів та мікроконтролерів покращилися тактико-технічні характеристики РТС, їх маса, розміри, споживана потужність та надійність. Істотно скоротилися і строки розробки апаратури та з'явилася можливість її модифікації в процесі експлуатації за рахунок змін алгоритму функціонування, яке зберігається в ПЗП або ППЗП (EPROM).

Як правило, вироби для застосування у РТС повинні бути прості за своєю схемотехнікою, надійні, технологічні, мати низьку вартість та забезпечувати достатню безболісність модифікацію виконуваних функцій.

Розробка виробів з застосуванням мікроконтролерів не потребує великих капіталовкладень для спеціального обладнання, може бути виконана достатньо швидко і принести добрі комерційні результати.

МК-вимірювач ємності, який буде розроблено в даному дипломному проекті, може бути використаний для експлуатації в польових умовах і придатний для вимірювання оксидних конденсаторів великої ємності без їх відпаювання. Крім того, він має захист від напруги заряджених конденсаторів.

1. ТЕХНІЧНІ ВИМОГИ

Пристрій, що розробляється в даному дипломному проекті, повинен задовольняти наступним технічним вимогам:

1.1. Напруга живлення +5В±10%

1.2. Діапазон вимірювання ємності 1 нФ…12000 мкФ

1.3. Піддіапазони вимірювання нФ, мкФ

1.4. Взірцева напруга +0,5 В

1.5. Елементна база МК фірми Atmel

1.6. Час безвідмовної роботи ?5 років

1.7. Споживаний струм ?10 мА

1.8. Опір навантаження ? 10 Ом

1.9. Вихідна потужність ?5 Вт

1.9. Габаритні розміри ?100х200х50мм

1.10. Кліматичні вимоги:

- температура навколишнього середовища 0…50°С

– вологість 70…95%

– атмосферний тиск 700…800 мм.рт.ст

2. ОГЛЯД ТА АНАЛІЗ АНАЛОГІВ ОБ'ЄКТА ПРОЕКТУВАННЯ

2.1 Радіоаматорський вимірювач ємності конденсаторів

В роботі наведено опис схеми і конструкція простішого вимірювача ємності конденсаторів. Хоча він був виготовлений приблизно 10 років тому, але з успіхом може застосовуватись для домашньої лабораторії радіоаматора. (Див.рис.2.1).

Конструкція виконана на двох мікросхемах таймерів 3E555N (аналог КР1000ВИ1). Аналогічна схема того часу вміщує помилки і вимагала доопрацювання. На DA1 виконаний задавальний мультивібратор. В залежності від потрібного піддіапазона вимірювань ємності конденсаторів (пФ/мкФ) перемикачем SA1 обирають частоту мультивібратора.

Рис.2.1 Радіоаматорський вимірювач ємності конденсаторів

На DA2 виконано мультивібратор, що очікує. В залежності від потрібного піддіапазона вимірювань ємності конденсторів (пФ/мкФ) перемикачі SA2-SA5 забезпечують вибір межі вимірювання (100 пФ, 1000 пФ, 10 нФ/1 мкФ, 100 нФ/10 мкФ). Конденсатори С2, С3 можуть бути і більшої ємності. На роботу пристрою це не впливає. Ланка R10, VD1, VD2 є простим обмежувачем напруги. Вона запобігає сильним зашкалюванням стрілки приладу при неправильно вибраній межі вимірювання. Опір резистора R11 обирають при настройці із врахуванням опору мікроамперметру. У тестері ТЛ-4 опір головки складає приблизно 987 Ом. Резистором R13 встановлюють покази приладу на нуль перед вимірюванням. У варіанті описаному в [1] схема живиться від джерела живлення цифрових мікросхем (+5В), можна використовувати будь-які блоки живлення напругою до 15 В. При вимірюваннях цифровим тестером, наприклад, М830В вмикаємо в режим вимірювання малих напруг.

2.2 Вимірювач ємності конденсаторів на операційному підсилювачі

На сайті [2] опублікована відносно проста схема вимірювача ємності на операційному підсилювачі. Пристрій, схема якого приведена на Рис.2.2, дозволяє вимірювати ємність конденсаторів від декількох пікофарад до 1 мкф. Нижня межа вимірювань багато в чому залежить від конструкції приладу, зокрема, від паразитної ємності між клемами для підключення досліджуваного конденсатора.

Рис.2.2 Вимірювач ємності конденсаторів на операційному підсилювачі

Прилад має шість піддіапазонів, верхні межі для яких рівні відповідно 10пф, 100пф, 1000пф, 0,01мкф, 0,1мкф і 1мкф. Відлік ємності виконується за лінійною шкалою мікроамперметра.

Принцип дії приладу заснований на вимірюванні змінного струму, що протікає через досліджуваний конденсатор. На операційному підсилювачі DA1 зібраний генератор прямокутних імпульсів. Частота повторення цих імпульсів залежить від ємності одного з конденсаторів С1-С6 і положення движка підлаштовочного резистора R5. Залежно від піддіапазону, вона змінюється від 100Гц до 200кГц. Підлаштовочним резистором R1 встановлюємо симетричну форму коливань (меандр) на виході генератора.

Діоди D3-D6, підлаштовочні резистори R7-R11 і мікроамперметр PA1 утворюють вимірювач змінного струму. Для того, щоб похибка вимірювань не перевищувала 10% на першому піддіапазоні (ємність до 10пФ), внутрішній опір мікроамперметра повинен бути не більш 3кОм. На решті піддіапазонів паралельно PA1 підключають підлаштовочні резистори R7-R11.

Необхідний піддіапазон вимірювань встановлюють перемикачем SA1. Однією групою контактів він перемикає частотозадавальні конденсатори С1-С6 в генераторі, іншою - підлаштовочні резистори в індикаторі. Для живлення приладу необхідне стабілізоване двополярне джерело на напругу від 8 до 15 В. Номінали частотозадавальних конденсаторів С1-С6 можуть відрізнятися на 20%, але самі конденсатори повинні мати достатньо високу температурну і часову стабільність.

Налагодження приладу виконують в наступній послідовності. Спочатку на першому піддіапазоні добиваються симетричних коливань резистором R1. Движок резистора R5 при цьому повинен бути в середньому положенні. Потім, підключивши до клем "Сх" еталонний конденсатор 10пф, підлаштовочним резистором R5 встановлюють стрілку мікроамперметра на поділку, яка відповідає ємності еталонного конденсатора (при використовуванні приладу на 100 мкА, на кінцеву поділку шкали).

Після цього перевіряють форму коливань на виході генератора і, при необхідності, ще раз підстроюють резистори R1,R5. На решті піддіапазонів калібрування приладу також виконуватись по еталонних конденсаторах, використовуючи для цього підлаштовочні резистори R7-R11.

Оскільки змінна напруга на виході генератора двох полярна (практично, воно змінюється від +U_жив до -U_жив),то вимірювати цим приладом ємність електролітичних конденсаторів не можна.

2.3 Вимірювач ємності електролітичних конденсаторів

Однією з найчастіших причин виходу радіоелектронної апаратури з ладу або погіршення її параметрів є зміна властивостей електролітичних конденсаторів. Іноді при ремонті апаратури (особливо виробленої в колишньому СРСР), виготовленої із застосуванням деяких типів електролітичних конденсаторів (наприклад, K50-...), для відновлення працездатності пристрої вдаються до повної або часткової заміни старих електролітичних конденсаторів. Все це доводиться робити через те, що властивості матеріалів, що входять в електролітичний (саме електролітичний, оскільки в складі використовується електроліт) конденсатор, під електричною, атмосферною, тепловою діями з часом змінюються. І таким чином найважливіші характеристики конденсаторів, такі як ємність і струм витоку - так само змінюються (конденсатор "висихає" і ємність його збільшується, часто навіть більш ніж на 50% від первинної, а струм витоку зростає, тобто внутрішній опір, що шунтує конденсатор зменшується), що природно приводить до зміни характеристик, а у гіршому разі і до повної відмови апаратури.

Вимірювач володіє наступними якісними і кількісними характеристиками [3]:

1) вимірювання ємності на 8 піддіапазонах:

0 ... 3 мкф;

0 ... 10 мкф;

0 ... 30 мкф;

0 ... 100 мкф;

0 ... 300 мкф;

0 ... 1000 мкф;

0 ... 3000 мкф;

0 ... 10000 мкф.

2) оцінка струму витоку конденсатора по світлодіодному індикатору;

3) можливість точного вимірювання при зміні напруги живлення і температури навколишнього середовища (вбудоване калібрування вимірника);

4) напруга живлення 5-15 В ;

5) визначення полярності електролітичних (полярних) конденсаторів;

6) струм споживання в статичному режимі не більш 6 мА;

7) час вимірювання ємності не більш 1 с;

8) струм споживання під час вимірювання ємності з кожним піддіапазоном зростає, але не більш 150 мА на останньому піддіапазоні.

Суть роботи приладу полягає у вимірюванні напруги на виході диференціюючого ланцюга, рис.2.3.

Рис.2.3. Ланцюг, що диференціює

Напруга на резисторі: Ur = i R,

де i - загальний струм через ланцюг, R - зарядний опір ;

Оскільки ланцюг диференціюючий, то струм, що протікає через нього:

i = С(dUc/dt), (2.3)

де С - заряджена ємність ланцюга, але конденсатор лінійно заряджатиметься через джерело струму, тобто стабілізованим струмом : i = С*const значить напругу на опорі (вихідне для цього ланцюга): Ur = i*R = C*R*const - прямо пропорційна ємності заряджаючого конденсатора, а значить вимірюючи вольтметром напругу на резисторі ми вимірюємо в деякому масштабі і досліджувану ємність конденсатора.

Схема пристрою представлена на Рис.2.4.

Рис.2.4 Принципова електрична схема вимірювача ємності електролітичних конденсаторів

У початковому положенні випробовуваний конденсатор Сх (або калібрувальний С1 при включеному тумблері SA2) розряджений через R1. Вимірювальний конденсатор, на якому (не на випробовуваному безпосередньо) вимірюється напруга, пропорційна ємності випробовуваного Сх, розряджений через контакти SA1.2. При натисненні кнопки SA1 випробовуваний Сх (С1) заряджає через відповідні піддіапазони (галетний перемикач SA3) резистори R2... R11. При цьому зарядний струм Сх (С1) проходить через світлодіод VD1, чия яскравість свічення дозволяє судити про струм витоку (опорі, що шунтує конденсатор) в кінці заряду конденсатора. Одночасно з Сх (С1) через джерело стабілізованого струму VT1,VT2,R14,R15 заряджає і вимірювальний (явно справний і з малим струмом витоку) конденсатор С2. VD2, VD3 використовуються для запобігання розряду вимірювального конденсатора через джерело напруги живлення і стабілізатор струму відповідно. Після заряду Сх (С1) до рівня, який визначається резисторами R12, R13 (в даному випадку до рівня зразково половини напруги джерела живлення), компаратор DA1 відключає джерело струму, синхронне з Сх (С1) заряд С2 припиняється і напруга з нього, пропорційна ємності випробовуваного Сх (С1) відображається мікроамперметром PA1 (дві шкали із значеннями кратними 3 і 10, хоча можна налаштувати на будь-яку шкалу) через повторювач напруги DA2 з високим вхідним опором, що також забезпечує довге збереження заряду на С2.

При налаштуванні положення калібрувального змінного резистора R17 фіксується в яким-небудь положенні (наприклад, в середньому). Підключаючи еталонні конденсатори з точно відомими значеннями ємності у відповідному діапазоні, резисторами R2, R4, R6-R11 виконується калібрування вимірювача - підбирається такий струм заряду, щоб еталонні значення ємностей відповідали певним значенням на вибраній шкалі.

Після калібрування один з еталонних конденсаторів стає калібрувальним С1. Тепер при зміні напруги живлення (зміни температури навколишнього середовища, наприклад при сильному охолоджуванні готового відладженого приладу на морозі покази ємності виходять заниженими відсотків на 5 або просто для контролю точності вимірювань достатньо підключити С1 тумблером SA2 і, натиснувши SA1, калібрувальним резистором R17 виконати підстроювання PA1 на вибране значення ємності С1.

При роботі з приладом потрібно бути уважним з полярністю підключення електролітичних (полярних) конденсаторів. При будь-якій полярності підключення індикатор показує одне і те ж значення ємності конденсатора, але при неправильній полярності підключення, тобто «+» конденсатора до «-» приладу, світлодіод VD1 відображає великий струм витоку (після заряду конденсатора світлодіод продовжує яскраво горіти), тоді як при правильній полярності підключення світлодіод спалахує і поступово гасне, демонструючи зменшення зарядного струму до дуже малої величини, практично до повного затухання (слід спостерігати 5-7 секунд), за умови, що випробовуваний конденсатор володіє малим струмом витоку. Неполярні неелектролітичні конденсатори мають дуже малий струм витоку, що і видно по дуже швидкому і повному гасінню світлодіода. А якщо ж струм витоку великий (опір, що шунтує конденсатор малий), тобто конденсатор старий і «тече», то свічення світлодіода видно вже при Rвитікання = 100 кОм, а при менших шунтуючих опорах світлодіод горить ще яскравіше.

Таким чином можна по свіченню світлодіода визначати полярність електролітичних конденсаторів: при тому підключенні, коли струм витоку менше (світлодіод менш яскравий) - полярність конденсатора відповідає полярності приладу.

2.4 Цифровий вимірювач ємності

В роботі наведено відносно простий цифровий вимірювач ємності. Є декілька методів вимірювання ємності, наприклад, за допомогою моста опорів або вимірюючи відхилення магнітної стрілки. Останнім часом типові вимірювачі ємності вимірюють ємність і деякі додаткові характеристики, вимірюючи вектор струму, подаючи на вимірювану ємність змінну напругу. Деякі прості вимірювачі ємності використовують метод інтеграції, вимірюючи короткочасний відгук RC-ланки при перехідному процесі.

У приладі, описаному в використовується метод інтеграції. Перевага цього методу у тому, що результат легко може бути одержаний відразу в цифровому вигляді, тому як метод заснований на вимірюванні часових інтервалів, точної аналогової схеми не вимагається, вимірювач легко може бути відкалібрований при використовуванні мікроконтролера. Таким чином метод інтеграції найбільш підходить для вимірювання ємності ручної збірки.

Явище, що проявляється доти, поки стан ланцюга не стабілізується після зміни стану, називається перехідним процесом. Перехідний процес це одне з фундаментальних явищ в імпульсних схемах. Коли вимикач на Рис.2.5, а розімкнеться, конденсатор С заряджатиме через резистор R і напругу Vc змінюватиметься так, як показано на Рис.2.5, б. Для зміни стану ланцюга на Рис.2.5. а, також можливо змінювати ЕРС Е, замість використання вимикача, ці два методи будуть еквівалентні. Залежність напруги Vc від часу t виражається формулою.

(2.4)

Розмірності величин: t - секунди, R - Оми, C - Фаради, число - е, приблизно 2,72. коли напруга Vc досягне деякого значення Vc1, час t₁ може бути виражене по формулі:

(2.5)

Це означає, що час t₁ пропорційний С. Таким чином ємність може бути обчислена з часу заряду і інших фіксованих параметрів.

Рис.2.5. Еквівалентна схема перехідного процесу (а), графік залежності напруги Vc від часу (б)

Щоб виміряти час заряду потрібно тільки компаратор напруги, лічильник і деяка сполучна логіка. Проте, мікроконтролер AT90S2313, що використовується в цьому пристрої дозволяє реалізувати це простіше. В даній схемі використовується внутрішній аналоговий компаратор контролерів AVR.

Рис.2.6. Електрична принципова схема цифрового вимірювача ємності

Інтегруюча схема може бути спрощена, як показано на схемі пристрою (див. рис.2.6). Опорна напруга створюється резистивним дільником. З вигляду здається, що використовування дільника робить результат нестабільним до зміни напруги живлення, проте час заряду не залежить від напруги живлення. Використовуючи формулу (2.5), ви можете знайти, що напруга взагалі можна замінити параметром Vc1/E, який залежить тільки від співвідношення опорів дільника. Ця перевага використовується в мікросхемі таймера NE555 зрозуміло, напруга живлення повинна бути стабільною під час вимірювання.

Відповідно до фундаментальних принципів, при вимірюванні ємності може бути використане тільки одна опорна напруга. Проте використовування вхідної напруги близької до нуля проблематичне з наступних причин:

Напруга ніколи не впаде до нуля вольт. Напруга на конденсаторі не може впасти до 0 В. Потрібен час, щоб розрядити конденсатор до достатньо низького рівня напруги, що дозволяє виконувати вимірювання. Це збільшуватиме інтервал вимірювань. Падіння напруги на ключі розряду також збільшить цей ефект.

Є час між запуском заряду і стартом таймера. Це може викликати помилку вимірювань. Цим можна нехтувати на AVR, так як їм потрібен тільки один цикл тактової частоти, для цього. На інших контролерах можливо потрібно буде вирішувати цю проблему.

Струм витоку в аналоговому ланцюзі. Відповідно до специфікації AVR, струм витоку на аналогових входах зростає при напрузі на них близькій до нуля. Це може стати причиною помилки вимірювань.

Щоб уникнути використання близької до нульового напруги, використовуються дві опорні напруги V_c1 (0,17 Vcc) і V_c2 (0,5 Vcc) і вимірюється різниця часових інтервалів t2-t1 (0,5RC). Це дозволяє уникнути вищеописаних проблем і затримка компаратора також компенсується. Друкована плата пристрою повинна міститися в чистоті, щоб мінімізувати витік струму по поверхні.

Напруга живлення генерується перетворювачем, який живиться від 1,5 В батарейки. Ключове джерело живлення непридатне для схеми вимірювань, хоча з вигляду здається що схема не схильна до коливань напруги, оскільки в ланцюзі живлення застосовані два фільтри. Рекомендовано використовувати 9 В батарею з 5 В стабілізатором 78L05 замість ключового джерела живлення, і не виключайте функцію BOD, щоб уникнути псування даних в незалежній пам'яті контролера.

Коли живлення подане вперше, користувач побачить «Е4» і декілька пікофарад. Це значення означає паразитну ємність пристрою. Паразитна ємність може бути врахована натисненням перемикача SW1. Для калібрування пристрою використовуються два прецизійні конденсатори 1 нФ і 100 нФ. Цей вимірювач ємності не має жодного підлаштовочного елементу, він калібрується вимірюванням ємності еталонних конденсаторів і записує значення коефіцієнта посилення автоматично.

Щоб прокалібрувати нижній діапазон в першу чергу необхідно встановите 0 кнопкою SW1. Потім підключити прецизійний конденсатор ємністю 1 нФ, замкнути контакти #1 і #3 роз'єму Р1 і натиснути кнопку SW1.

Щоб прокалібрувати верхній діапазон: підключіть прецизійний конденсатор ємністю 100 нФ, замкнути контакти #4 і #6 роз'єму Р1 натиснути кнопку SW1. «Е4» при ввімкненні означає, що каліброване значення в незалежній пам'яті пошкоджене. Це повідомлення ніколи не буде показано, якщо калібрування вже проводилося. Що стосується установки нуля, це значення не записується в незалежну пам'ять і вимагає повторної установки при кожному ввімкненні і перед кожним вимірюванням.

Процес вимірювання запускається з інтервалом 500 мілісекунд, з моменту підключення вимірюваної ємності. Вимірювання починається з нижнього діапазону (3,3 мОм). Якщо напруга на конденсаторі не досягне 0,5 Vcc впродовж 130 мілісекунд (>57 нФ), конденсатор розряджається і вимірювання перезапускається на верхньому діапазоні (3,3 кОм). Якщо напруга на конденсаторі не досягне 0,5 Vcc впродовж 1 секунди (>440 мкФ), вимірювання відміняється і виводиться повідомлення «E2». У разі, коли допустиме значення часу виміряне, ємність обчислюється і відображається. Значення ємності відображається таким чином, що на дисплеї відображаються тільки перші три цифри зліва. Таким чином автоматично вибираються два діапазони вимірювань і три діапазони відображення.

Остання цифра відображає десяті частки пікофаради, при вимірюванні ємностей менше 100 пкФ. Будь-які зміни паразитної ємності впливають на точність вимірювань. В даній роботі використовують роз'єм, який може використовуватися з більшістю конденсаторів з виводами і пакетними конденсаторами. Механізм з'єднання конденсатора з пристроєм впливає на точність вимірювань, довгі дроти не повинні використовуватися для підключення вимірюваної ємності. Щоб підвищити стабільність можна використовувати металевий корпус або металеве екранування.

3. ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСЬКИЙ РОЗДІЛ

3.1 Структурна схема мікроконтролерного вимірювача ємності

Структурна схема мікроконтролерного вимірювача ємності конденсаторів зображена на рис.3.1 та на кресленні ДП.КН5Д.05/ДК67.10.001 Е1. Вона складається із наступних основних вузлів:

Рис.3.1 Структурна схема мікроконтролерного вимірювача ємності конденсаторів

· мікроконтролера (МК), який є центральним вузлом пристрою і служить для загального керування схеми, в його склад входить аналоговий компаратор, який здійснює порівняння напруги яка отримана, від досліджуваного конденсатора Сх та опорної напруги +0,5В;

· 3-розрядного світлодіодного індикатора, який служить для візуалізації показів виміряної ємності з інтерфейсом динамічної індикації;

· кнопок управління, які здійснюють перемикання піддіапазонів вимірювання та вмикання приладу;

· двох резистивних дільників, на яких проходить спад напруги заряду і розряду досліджуваного конденсатора Сх;

· джерела опорної напруги, яке використовується для одержання опорної напруги +0,5В.

· блоку контролю рівня опорної напруги, який здійснює вимкнення пристрою, при зменшенні рівня опорної напруги певного допустимого рівня;

· кварцового резонатора, який подає необхідну частоту на МК;

· пристроїв виведення інформації 3-розрядного світлодіодного індикатора та п`єзокерамічного звуковипромінювача (показаний схематично).

На схемі також зображено блок живлення, який здійснює подачу стабілізованої напруги живлення +5 В на вузли схеми.

3.2 Функціональна схема мікроконтролерного вимірювача ємності

Функціональна схема мікроконтролерного вимірювача ємності конденсаторів зображена на рис.3.2 та на кресленні ДП.КН5Д.05/ДК67.10.002 Е2.

Функціональна схема є проміжним етапом на таких стадіях створення конструкторської документації на пристрій, як структурна та принципова електричні схеми. На ній, на відміну від структурної схеми деталізовано схемні рішення основних вузлів. Зокрема обрано МК DD1 AT90S2313 здійснено підключення до нього пристроїв виведення інформації: трьох семисегментних світлодіодних індикаторів HG1-HG3 по типовій схемі та п`єзоелектричного звуковипромінювача HA1.

Показано також підключення джерела опорної напруги та конденсатора у якого вимірюється ємність Сх через резистивний дільник до мікроконтролера DD1.

Обрано також і підключено кварцовий резонатор ZQ1 за типовою зовнішньою схемою.

Рис.3.2 Функціональна схема мікроконтролерного вимірювача ємності конденсаторів

Хоча деякі вузли представлені структурно, їх опис та розробка буде проводитись у наступному розділі.

3.3 Електрична принципова схема мікроконтролерного вимірювача ємності

Пропонований вимірювач розроблений для експлуатації в польових умовах і придатний для вимірювання оксидних конденсаторів великої ємності без їх відпаювання. Крім того, він має захист від напруги заряджених конденсаторів.

У основу роботи пристрою закладений відомий метод вимірювання тривалості зарядки і розрядки конденсатора від джерела напруги через резистор відомого опору. Діапазон вимірюваних значень ємності - від 1 нФ до 12 000 мкФ. Він роздільний на два піддіапазони, які умовно названі «нф» і «мкФ». Для вимірювання ємності конденсаторів без їх випаювання з плати необхідна мала амплітуда напруги на конденсаторі, щоб цьому процесу не заважали р-n переходи напівпровідникових приладів, тому зразкове джерело має напругу 0,5 В.

Електрична принципова схема пристрою показана на рис.3.3. та на кресленні ДП.КН5Д.05/ДК67.10.003 Е3.

Основну "роботу" виконує мікроконтролер DD1. Синхронізація роботи його вузлів здійснюється від вбудованого генератора із зовнішнім кварцовим резонатором ZQ1. У складі мікроконтролера DD1 є аналоговий компаратор, який використаний для контролю за напругою зарядки і розрядки вимірюваного конденсатора. Входи цього компаратора сполучені з портами РВ0, РВ1. Вимірюваний конденсатор підключають до гнізд XS1, XS2, і напругами високого або низького рівня з порту РВ3 через резистивний дільник R1-R3R7R10 здійснюється його зарядка і розрядка. Контакти перемикача SA1.1 шунтують резистор R2 на межі "мкФ", збільшуючи значення як зарядного, так і розрядного струму. Контакти перемикача SA1.2 на піддіапазоні "нф" з`єднують лінії PD1 і PD3 через резистор R19, що фіксується мікроконтролером DD1 як установка цього піддіапазону. Резистивний дільник R9R6 при напрузі високого рівня на лінії РВ2 формує на резисторі R6 зразкову напругу 0,316 В для інвертуючого входу вбудованого компаратора (лінія РВ1), яке є пороговим для зарядки вимірюваного конденсатора.

Рис.3.3 Принципова електрична схема мікроконтролерного вимірювача ємності

При переведенні лінії РB2 у високоімпедансний стан зразкова напруга відключається і вхід компаратора буде підключений через резистор R6 і гніздо XS2 до вимірюваного конденсатора - це "загальний" вивід конденсатора, що забезпечує фіксацію нульової напруги на конденсаторі при його розрядці. Напруга з конденсатора через резистор R4 поступає на інший вхід компаратора (лінія РВ0) Ланцюг C3R5, який підключено паралельно входам компаратора, сприяє зниженню "цифрового" шуму. Ланцюг R8VD5 "допоможе" мікроконтролеру DD1 визначити, чи підключений до гнізд XS1, XS2 конденсатор або вони замкнуті.

Ще одне джерело зразкової напруги, відносно якого виконуються вимірювання, зібране на операційному підсилювачі OП DA2. Дільник R27R29 формує напругу близько 2.5 В, воно поступає на ОП DA2, який виконує роль буферного підсилювача.

Виведення результатів вимірювання мікроконтролер здійснює на світлодіодні семиелементні індикатори HG1-HG3 в динамічному режимі з періодичністю близько 20 мс. Комутація анодів індикаторів здійснюється транзисторами VT1, VT3, VT4, а на їх катоди сигнали у відповідному коді поступають з ліній PD0-PD6 через резистори R12-R18. Коди зберігаються в пам'яті мікроконтролера DD1 і заносяться в неї на етапі програмування. Запалення на індикаторах десяткової точки здійснюється через лінію РВ4 і резистори R11, R21.

Та ж лінія використовується для формування імпульсних сигналів звукової частоти, які поступають на акустичний п`єзовипромінювач НА1 через резистор R24.

Живлення пристрою здійснюється від батареї, що складається з двох Ni-Cd акумуляторів типорозміру АА із загальною напругою 2,4 В, яка перетворювачем DA1 підвищується до стабілізованого 5 В для живлення мікроконтролера DD1 і джерела опорної напруги на ОП DA2. Конденсатор С7 - погладжуючий, резистивний дільник R23R25 задає нижню межу напруги акумуляторної батареї. При його зниженні до 2...2,1 В на виході LBO (вивід 2) перетворювача DA1 формується напруга низького рівня, яка через резистори R33 і R12 поступає на лінію РD0 (вивід 2) мікроконтролера DD1. При черговому опитуванні цієї лінії мікроконтролер DD1, знайшовши низький рівень, зупиняє роботу основної програми, відключає світлодіодний індикатор, генерує тривалий сигнал, що поступає на акустичний випромінювач НА1, і переходить в "сплячий" економічний режим, з якого він виходить тільки при відключенні живлячої напруги і подальшому його підключенні.

Для захисту мікроконтролера і інших елементів пристрою від напруги зарядженого вимірюваного конденсатора застосований вузол активного захисту, що складається з діодного моста VD6, транзистора VT2 і світлодіода HL1. При підключенні зарядженого конденсатора, напруга на якому перевищує 4...5 В, через світлодіод HL1 протікає струм, який відкриває транзистор VT1. В цьому випадку велика частина напруги конденсатора прикладена до резисторів R3, R7 - відбувається розрядка цього конденсатора. Як додатковий захист лінії РВ3 мікроконтролера DD1 застосовані діоди VD3, VD4 і резистор R10, а лінії РВО - VD1, VD2 і R4. Для програмування мікроконтролера до вилки ХР1 підключають програматор.

У пристрої використані резистори МЛТ, ОМЛТ з допуском не більш 5%, оксидні конденсатори - К53-16, інші -К10-17. КМ, КД, кварцовий резонатор - НС-49, дроселі L1, L2 - ELC06D фірми Panasonic. Вилка XP1 є відповідною частиною розетки IDC-10. Такі вилки продаються в магазинах радіодеталей у вигляді лінійок, від них відокремлюють необхідне число контактів. Перемикач SA1 - будь-який малогабаритний на два напрями і два положення, бажано в металевому корпусі, наприклад В1561, що дозволить закріпити його на платі паянням. П`єзовипромінювач НА1 - п`єзокерамічний FML-15T-7,9F1-50 з резонансною частотою близько 8 кГц. В якості XS1 -XS3 застосовані контакти з внутрішнім діаметром 1,5 мм (вони припаяні до контактних площадок на платі) від розібраного роз'єму РГ4Т. Для вимірювань окремих конденсаторів використані затискачі "крокодил", які припаяні до вилок, що підключаються до гнізд XS1, XS2 Сх, а для вимірювання впаяних конденсаторів застосовують сполучні екрановані дроти, екрани яких сполучені з вилкою, що підключається до гнізда XS3 «Загальний». Необхідно пам'ятати, що вимірювальний кабель вносить додаткову похибку при вимірюванні конденсаторів з малою ємністю.

Для приладу може бути використаний пластмасовий корпус від калькулятора БЗ-26, його відсік живлення був зменшений для розміщення двох акумуляторів. З внутрішньої сторони корпус обклеєний екраном з тонкої алюмінієвої фольги. Для контакту з цим екраном застосовані пружні пластини покриті шаром срібла, які припаяні до загального дроту на платі. Штатний вимикач живлення калькулятора використаний для включення живлення приладу, а гніздо блоку живлення - для підключення зарядного пристрою. Блок живлення БП2-1М від калькулятора перероблено під зарядний пристрій для акумуляторної батареї. Для цього в плюсову лінію живлення встановлюють два резистори і світлодіод По яскравості свічення цього світлодіода можна судити про ступінь зарядженої акумуляторної батареї.

Для вимірювання конденсатор підключають до гнізд "С_х". Мікроконтролер, знайшовши підключений конденсатор, почне процес вимірювання його ємності, при цьому стане світити десяткова точка на індикаторі HG3. Після закінчення процесу результат виводиться на світлодіодні індикатори, потім виводяться символи одиниць намірі, при підключеному конденсаторі процес вимірювання періодично повторюватиметься. З метою економії енергії акумуляторної батареї, яка максимально витрачається при індикації результатів, необхідно своєчасно відключати вимірюваний конденсатор. Якщо при включенні приладу або під час його роботи зазвучить довгий звуковий сигнал без включення індикації, потрібно зарядити акумуляторну батарею.

Для відображення одиниць вимірювання використані символи: "nF" - нанофаради; "uF" - мікрофаради; "nnF"- тисячі мікрофарад. Для відображення різних ситуацій, що вимагають виконання яких-небудь дій, спільно із звуковою індикацією застосовані символи:

«ссс» - вимірюваний конденсатор має залишковий заряд, його необхідно відключити і повністю розрядити до повторного вимірювання;

«rrr» - замикання у вимірювальному ланцюзі, необхідно переконатися у відсутності випадкового замикання вимірювальних гнізд (дротів) або перевірити вимірюваний конденсатор на пробій;

«nnn» - ємність конденсатора виходить за межі діапазону вимірювання, необхідно вибрати інший піддіапазон або переконатися, що очікувана ємність вимірюваного конденсатора відповідає вимірювальним можливостям пристрою;

- втрата значень поправочних коефіцієнтів, необхідне повторне завантаження.

При підключенні зарядженого конденсатора з напругою більше 4...5 В включається система захисту і спалахує світлодіод HL1. Мікроконтролер знайде заряджений конденсатор і повідомить про це світловою і звуковою індикацією, але з деякою затримкою. Тому при підключенні вимірюваного конденсатора необхідно стежити за індикатором захисту і негайно відключати такий конденсатор. При проведенні вимірювань потрібно пам'ятати, що до пристрою не можна підключати конденсатор, заряджений до напруги більше 100 В.

У пристрої відсутній режим самокалібрування. Тому використана більш трудомістка, але, на нашу думку, надійніша процедура установки поправочних коефіцієнтів за допомогою програматора, яка може виконуватись на етапі виготовлення, так і після його ремонту або при виникненні великої похибки вимірювання. Для даної роботи можна використовувати будь-який доступний засіб програмування мікроконтролерів ATMEL.

Перш за все, використовуючи, наприклад, програму "Блокнот" в ОС WINDOWS, відкривають файл cmelr.eep і переконуються, що третій рядок має вигляд

:0C002000FFFF00FFFF00FFFF00FFFF00DC

Тут в першому байті вказане число байтів даних в рядку. Наступні два байти - адресу елементу пам'яті, в якій зберігається перший байт даних рядка, четвертий байт - службовий. Потім слідують дванадцять байтів даних, і останній байт - контрольна сума. Тепер можна завантажити файли cmetr.hex і cmetr.eep в пам'ять мікроконтролера наявними програмними і апаратними засобами. Якщо все зроблено правильно, при включенні пристрою зазвучить короткий звуковий сигнал і пройде тест цифрових світлодіодних індикаторів зсув цифри 8 по всіх розрядах. Потім індикатори згаснуть, і вимірювач чекатиме підключення конденсатора, подаючи короткі звукові сигнали з періодом слідування близько 4 с.

Після перевірки працездатності пристрою необхідно визначити поправочні коефіцієнти для двох піддіапазонів. Для цього потрібно зразкові конденсатори (Ссбр), бажано з малими втратами. Наприклад, для піддіапазону "мкФ" підійде конденсатор місткістю 100 мкФ. Якщо такої можливості немає, то слід вибрати неполярний конденсатор з ємністю не менше 10 мкФ.

Припустимо, що при підключенні зразкового конденсатора ємністю 100 мкФ покази приладу складають 106 мкФ (С_Х). Значення поправочного коефіцієнта визначають по формулі:

K = С_х/(С_сбр - С_х ) = 106/(100 - 106) = -17,66

Приймаємо значення K= -18. У піддіапазоні "нф" як зразкові можна використовувати доступніші конденсатори К71, К73 ємністю близько 0.1 мкФ. Припустимо, що зміряне пристроєм значення зразкової ємності (0,1 мкФ) складає 99,7 нФ, тоді поправочний коефіцієнт буде рівний:

K= 99.7/(100 - 99.7) = 332,3 Приймаємо K=332

Отримані значення коефіцієнтів переводять в шістнадцятковий вигляд, вони будуть 12Н і 14СН відповідно. Немає суперечності в тому, що чим менше похибка вимірювання, тим більше поправочний коефіцієнт, просто такий алгоритм обчислення поправки. Тепер необхідно повернутися до опису процесу програмування і у файлі cmetr.eep в третьому рядку замінити значення дванадцяти байтів даних, щоб рядок мав вигляд:

:0С0020001200FF1200FF4C01004С010064

Перші шість байтів даних містять продубльовану інформацію про коефіцієнт для піддіапазону "мкФ", далі слідують шість байт (також продубльовані) для піддіапазону "нФ". Причому перші два байти - чисельне значення коефіцієнта, а третій вказує на його знак. Наприклад, на піддіапазоні "мкФ" отримано від`ємне значення коефіцієнта, тому третій і шостий байти даних містять число FF. що "повідомляє" мікроконтролеру про необхідність віднімання поправочного коефіцієнта. Для піддіапазон "нф" коефіцієнт додатній, тому дев'ятий і дванадцятий байти містять число 00, це означає, що поправочний коефіцієнт потрібно додавати.

Тепер слід підрахувати значення контрольної суми в цьому рядку. Зробити це можна за допомогою спеціалізованих програм або інженерного калькулятора ОС WINDOWS в режимі Hex. Для цього необхідно скласти всі байти цього рядка, включаючи байт числа байтів даних в рядку, два байти адреси комірки пам`яті і всі байти даних, потім визначити, яке число потрібно додати до цієї суми, щоб молодший байт результату був рівний нулю. Це число і буде контрольною сумою, в приведеному вище прикладі вийде 64н. Потім слід виконати стирання інформації в пам'яті мікроконтролера і повторне завантаження файлів cmetr.hex і cmetr.eep. Вимірюючи зразкові конденсатори, переконуються в правильній установці поправочних коефіцієнтів.

При вимірюванні необхідно враховувати, що в піддіапазоні "нФ" ємність вимірюваного конденсатора не повинна перевищувати 12мкФ, в піддіапазоні "мкФ" - 12000 мкФ, а вимірювання конденсаторів ємністю менше 1000 пФ має наближений характер, оскільки позначається ємність вимірювального ланцюга.

3.4 Обґрунтування вибору елементної бази

AT90S2313 - економічний 8 бітовий КМОН-мікроконтролер, побудований з використанням розширеної RISC архітектури AVR. Виконуючи по одній команді за період тактової частоти, AT90S2313 має продуктивність близько 1 MIPS на 1 Мгц, що дозволяє розробникам створювати системи оптимальні за швидкості і споживаною потужністю.

В основі ядра AVR лежить розширена RISC архітектура, об'єднуюча розвинений набір команд і 32 регістри загального призначення. Всі 32 регістри безпосередньо підключені до арифметико-логічного пристрою (АЛП), що дає доступ до будь-яких двох регістрів за один машинний цикл.

Подібна архітектура забезпечує десятиразовий виграш в ефективності коду в порівнянні з традиційними CISC мікроконтролерами.

Табл.3.1 Основні характеристики МК AT90S2313

Кількість команд	120
FLASH-пам'ять програм, Кбайт	2
EEPROM-пам'ять, байт	128
Оперативна пам'ять, байт	128
Тактова частота, МГц	1...16
Кількість ліній вводу-виводу	15
Аналоговий компаратор	+
8-розрядний таймер/лічильник	+
16-розрядний таймер/лічильник	+
Широтно імпульсний модулятор (ШІМ)	-
UART	+
Послідовний інтерфейс SPI	-
Сторожовий таймер	+
Кількість виводів	20

АT90S2313 пропонує наступні можливості: 2кБ завантажуваної флеш-пам'яті; 128 байт EEPROM; 15 ліній введення-виведення загального призначення; 32 робочих регістри; таймери/лічильники, що настроюються, з режимом збігу;

Структурна схема мікроконтролера AT90S2313 зображена на рис.3.4 Його характерні риси:

· 2 порти вводу/виводу: В (8-розрядний) і D (7-розрядний);

· вбудований тактовий кварцовий генератор;

· 16-розрядний таймер/лічильник (Таймер Т1);

· аналоговий компаратор;

· універсальний асинхронний приймач-передавач - UART.

Ядро мікроконтролерів AVR виконано за вдосконаленою RISC (enhanced RISC) архітектура, в котрій використовується ряд рішень, направлений на підвищення швидкодії мікроконтролерів.

Арифметико-логічний пристрій (АЛП), виконуються всі обчислення, безпосередньо підключені до 32 робочих регістрів, об`єднаних в регістровий фйл. Завдяки цьому АЛП виконує одну операцію (читання вмісту регістрів, виконання операцій і запис результату обратно в регістровий фйл) за один машинний цикл.

Рис.3.4 Структура МК АТ90S2313 [4]

В мікроконтролерах AVR практично всі команди (за виключенням команд, у котрих одним із операндів є 16-розрядна адреса) займає одну комірку пам`яті програм.

Мікроконтролери AVR побудовані за Гарвардською архітектурою, котра характерна окремою пам`яттю програм і даних, кожна із котрих має власні шини доступу до них. Така організація дозволяє одночасно працювати як з пам`яттю програм, так і з пам`яттю даних. Розділення шин доступу дозволяє використовувати для кожного типу пам`яті шини даних різної розрядності, а також реалізовувати конвеєризації. Конвеєризації заклечається в тому, що під час виконання текучої команди виконується вибірка із пам`яті і дешифрації коду. На відміну від RISC-мікроконтролерів друдих фірм, в мікроконтролерах AVR використовується 2-рівневий конвеєр, а тривалість машинного циклу складає всього один період коливань кварцового резонатора. У результаті вони забезпечує ту ж продуктивність, що і RISC-мікроконтролери інших фірм, при більш низькій тактової частоті.

Табл.3.2 Опис виводів МК AT90S2313

Позначення	Номер виводу	Тип виводу	Опис
XTAL1	5	I	Вхід інвертора генератора у вхід зовнішього тактового сигнала
XTAL2	4	O	Вихід інвертора генератора
RESET*	1	I	Вхід скиду. При утриманні на вході НИЗЬКОГО рівня впродовж 50 нс виконується скид пристрою
Порт В, 8-розрядний двонаправлений порт вводу/виводу із внутрішнімі підтягуючими резисторами
PB0 (AIN0)	12	I/O	В0 (Додатній вхід компаратора)
PB1(AINI)	13	I/O	В1 (Від`ємний вхід компаратора)
PB2	14	I/O	В2
PB3(OC1)	15	I/O	В3 (Вихід таймера/лічильника Т1(режими порівняння, ШІМ))
PB4	16	I/O	В4
PB5(MOSI)	17	I/O	В5 (Вхід даних при послідовному програмуванні (SPI))
PB6 (MISO)	18	I/O	В6 (Вихід даних при послідовному програмуванні (SPI))
PB7(SCK)	19	I/O	В7 (Вхід тактового сигналу при послідовному програмуванні (SPI)
Порт D. 7-розрядний двонаправлений порт вводу/виводу із внутрішніми підтягуючими резисторами
PD0 (RXT)	2	I/O	D0 (Вхід UART)
PD1 (TXT)	3	I/O	D1 (Вихід UART )
PD2 (INT0)	6	I/O	D2 (Вхід зовнішнього переривання)
PD3 (INT1)	7	I/O	D3 (Вхід зовнішнього переривання)
PD4 (T0)	8	I/O	D4 (Вхід зовнішнього тактового сигналу таймера/лічильника Т0)
PD5 (T1)	9	I/O	D5 (Вхід зовнішнього тактового сигналу таймера/лічильника Т1)
PD6 (ICP)	11	I/O	D6 (Вхід захоплення таймера/лічильника Т1 (режиму захоплення))
GND	10	P	Загальний вивід
Vcc	20	P	Вивід джерела живлення

КР1407УД2А - представляє собою мікросхему програмованого широкополосного операційного підсилювача із пониженим рівнем надлишкових шумів. Призначені для застосування в якості повторювача, низьковольтного звукового генератора і у мікроамперметрі. Діапазон струмів управління 0,1 мкА…1 мА. Вміщує 36 інтегральних елементів. Корпус типу 301.8-2, маса не більше 1,5 г, 2101.8-1, маса не більше 1 г.

Електричні параметри:

Номінальна напруга живлення ± 6 В ±10%

Максимальна вихідна напруга ? (РU_{П, НОМ}Р-2) В

Напруга зміщення 0: ? 3 мВ

Струм споживання ? 100 мкА

Вхідний струм ? 150 нА

Різниця вхідних струмів ? 50 нА

Коефіцієнт підсилення напруги ? 5 ^.10⁴

Нормована напруга шуму ? 15 нВ/vГц

Максимальна швидкість збільшення вихідної напруги ? 0,5 В/ мкс

Частота одиничного підсилення ? 3 МГц

Коефіцієнт послаблення синфазних вхідних напруг ? 70 дБ

Гранично допустимі режими експлуатації:

Напруга живлення ± 10,8…±13,2 В

Максимальні синфазні вхідні напруги ± 5 В

Максимальна вхідна напруга 1 В

Мінімальний опір навантаженню 2 кОм

Температура навколишнього середовища - 60…+85°С

Рис.3.5 Електрична принципова схема К1407УД2

Призначення виводів: 1- корекція (баланс); 2- вхід (-); 2- вхід (+); напруга живлення (-U_ж); 5- корекція (баланс); 6 -вихід; 7 - напруга живлення (U_ж); 8- струм управління.

3.5 Розрахунок потужності споживання схеми

Розрахунок потужності виконуємо виходячи з типових струмів споживання окремих ІМС.

Таблиця 3.2. Струми споживання елементів

Елемент	Струм споживання, мА	Кількість	Загальний струм споживання, мА
DA1	40	1	40
DA2	20	1	20
DD1	5	1	5

Підсумовуючи струми всіх елементів одержуємо струм споживання

I = 65 мА?0,065 А (3.1)

При напрузі живлення U_ж=5 В одержуємо потужність пристрою :

P=I*U= 0,325 (Вт), (3.2)

що відповідає, технічним вимогам на пристрій.

4. РОЗРАХУНОК НАДІЙНОСТІ СПРОЕКТОВАНОГО ПРИЛАДУ

Надійність цифрової системи якісно визначається як ймовірність того, що вона працює правильно, коли це від неї вимагається [7]. Розробнику цифрової системи часто доводиться розраховувати надійність системи, яку вони проектують; в будь-якому випадку вони повинні знати фактори, які впливають на надійність. Кількісно надійність виражається математичною функцією часу

P(t)-ймовірність того, що система продовжить правильно працювати в момент часу t.

Надійність представляє собою дійсне число від 0 до 1: в будь-який момент часу 0?P(t) ?1. Ми покладаємо, що P(t) є монотонно спадаюча функція, і після виникнення відмови вона зберігається; ми не приймаємо до уваги можливість відновлення. Поняття надійності покладає, що відоме математичне визначення ймовірності. Якщо це не так, то простіше всього надійність і відповідну ймовірність виразити у термінах, які використовують при проведенні експерименту. Покладемо, що ми повинні побудувати і використати N ідентичних екземплярів пристрою, що розглядається. Нехай W_N(t) означає число пристроїв, котрі продовжують робити в момент часу t. Тоді

(4.1)

Іншими словами, якщо ми побудуємо багато пристроїв, то P(t) -це доля пристроїв, котрі залишаються працездатними до моменту часу t. Коли ми говоримо про надійність одного пристрою, ми просто використовуємо досвід роботи із великою сукупністю пристроїв в якості оцінки наших шансів у відношенні даного пристроя.

Якщо б єдиним способом знаходження P(t) було б проведення експерименту, то це коштувало б значних витрат: прийшлось би виготовляти та випробувати N екземплярів одного і того ж пристрою. Гірше того, для будь - якого t ми не знали б значення P(t) до тих пір, поки реально би не пройшов інтервал часу тривалості t. Таким чином, щоб відповісти на поставлене замовником питання, ми повинні були взяти велику кількість пристроїв і чекати впродовж року; до того часу потенційний замовник купив би щось інше.

Замість цього надійність системи можна оцінити з допомогою простої математичної моделі, використовуючи інформацію про надійність окремих компонентів. Надійність компонентів, що давно випускаються (наприклад, надійність КМОП мікросхем), що може бути відома за результатами фактично проведених експериментів і опублікована, в той час як надійність нових компонентів (наприклад, надійність мікропроцесора Sexium) можна оцінити екстраполюючи досвід роботи із подібними пристроями, в будь-якому випадку надійність компоненту звичайно задається одним числом -«інтенсивністю відмов».

Інтенсивність відмов (failure rate) - це число відмов компоненту або системи в одиницю часу. В математичних формулах інтенсивність відмов звичайно позначають грецькою літерою ?. Так як відмови в електронному обладнанні виникають рідко, інтенсивність відмов вимірюється або оцінюється шляхом дослідження великої кількості ідентичних екземплярів даного компоненту або пристрою. Якщо ми, наприклад, спостерігаємо за роботою 10000 мікропроцесорів впродовж 1000 годин і за цей час вісім з них вийшли з ладу, то можна сказати, що інтенсивність відмов рівна

Таким чином, інтенсивність відмов в розрахунку на одну мікросхему складає 8^.10^-7 відмов/год.

В дійсності, процес оцінки надійності сукупності мікросхем не такий простий, як було описано вище; для отримання більш повної інформації слід звернутися до спеціальної літератури.

Оскільки у типових електронних компонентів інтенсивність відмов дуже мала, прийнято вказувати її числом одиниць в тому або іншому часовому масштабі: процент відмов за 10³ годин, число відмов за 10⁶ годин або за 10⁹ годин. Остання одиниця називається FIT:

1FIT=1відмова /(10⁹ годин) . (4.2)

можна сказати, що в попередньому прикладі із мікропроцесором ?=800FIT.

Для типового електронного компоненту інтенсивність відмов є функцією часу. Типовий компонент має високу інтенсивність відмов впродовж початкового строку служби, коли проявляється велика кількість виробничих дефектів; відмови впродовж цього часу називають відмовами в початковий період експлуатації (infant mortality). В зв'язку з великою ймовірністю відмов в початковий період експлуатації при виробництві високоякісного обладнання проводиться його випробування на відмову (burn-in), яке полягає в тому, що перед відправленням обладнання замовнику в продовж деякого часу спостерігають за його роботою - від 8 годин до 8 діб. При випробуванні на відмову більшість збоїв, які можуть вникнути в початковий період, проходять на підприємстві, а не у замовника. По-видимому, навіть без вичерпної перевірки на відмову в початковий період роботи, гарантія строком 90 днів, яка оговорюється багатьма виробниками електронного обладнання, фактично охоплює більшість відмов, які виникають впродовж декількох перших років експлуатації. Ситуація тут принципово відрізняється від тої, котра має місце у випадку із автомобілем або вузлом іншого механічного пристрою, коли в результаті зносу інтенсивність відмов із часом збільшується.