Розробка цифрового пристрою вимірювання ємності конденсаторів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Вступ

1. Ескізний проект

1.1 Особливості проектованого пристрою

1.2 Схема електрична структурна та принцип дії

1.3 Основні параметри генерації сигналів

2. Технічний проект

2.1 Вибір елементної бази

2.1.1 Вибір елементів блоку індикації

2.1.2 Вибір елементів блоку генератора опорних частот

2.1.3 Вибір елементів блоку вибору межі вимірювання

2.2 Параметри функціональних вузлів

2.2.1 Параметри одно вібратору

2.2.2 Параметри генерації сигналів

Висновки

Список використаних джерел



Вступ

В даній курсовій роботі розроблено цифровий пристрій вимірювання ємності конденсаторів. За його допомогою можна виміряти будь яку ємність від 10 мкФ, до 9999 мкФ. Актуальність його розробки обумовлена необхідністю в постійному моніторингу достовірності маркування електролітичних компонентів, так як з часом їх ємність може змінитися досить суттєво. Також іноді потрібний точний підбір ємності, наприклад в частотозадаючих ланцюгах, фільтрах, резонансних контурах і т.д. Вимірювачем ємності можна перевірити наприклад оксидні конденсатори, включені в діючій схемі, без їх демонтажу. Крім того, даний пристрій може використовуватися для перевірки довжини коаксіальних кабелів або відстані до місця обриву. В даному випадку проводиться вимірювання ємності кабелю, і отримане значення ділиться на погонну ємність одного метру кабелю, значення якої береться із довідника, або отриману дослідним шляхом.



1. Ескізний проект

Для побудови цифрового приладу вимірювання ємності конденсаторів потрібно реалізувати можливість виконання вимірювання ємності, наприклад шляхом підрахунку часу повної зарядки вимірюваного конденсатору та виводу отриманих результатів на семи сегментний пристрій індикації у вигляді чисельних значень. В зв'язку з тим, що більшість електронних елементів фактично не мають своїх табличних значень, потрібно реалізувати можливість вимірювання нецілочисельних значень. Дану опцію можна реалізувати за допомогою блоку генерації та порівняння вхідних сигналів з сигналами, які поступають з виходу блоку перевірки конденсатора, під час його зарядки.

Для керування блоком індикації потрібно реалізувати можливість встановлення та відображення номіналу вимірюваного конденсатора, який отримується під час вимірювання. Для цього до схеми додається мультиплексор, який буде обирати потрібну частоту для порівняння, а також ще декілька програмованих лічильників, які виконуватимуть роль дільників частоти. цифровий електрична генерація функціональний

1.1 Особливості проектованого пристрою

Так як вимірювана ємність не завжди відповідає своїм заявленим значенням, то для забезпечення точності потрібно збільшити точність вимірювання приладу. Також треба мати на увазі, що є нагальна необхідність в системі скидання як індикації, так і самого приладу для можливості вимірювання різних елементів без постійного знеструмлення приладу.

Ще одним фактором для вибору елементів та принципу конструювання приладу буде вимушена компактність, так як даний прилад може використовуватись як в лабораторних умовах в якості стенду, так і для виконання вимірювання в полових умовах. Також треба забезпечити його автономність, шляхом встановлення в якості джерела живлення акумулятору або організації батареї акумуляторів. Так як на даний момент самим ефективним рішенням в огляді на параметри вага-розмір-ємність-напруга є акумулятори літій іонного типу, а напруга акумуляторів, які можна знайти звичайним споживачам в більшості випадків не перевищує 12 В, то за напругу живлення даного приладу прийнято саме це значення. Це забезпечить можливість використання його як в лабораторних умовах, так і в якості портативного приладу.

1.2 Схема електрична структурна та принцип дії

Цифровий вимірювач ємності призначений для вимірювання ємності конденсаторів. Результати отримуються завдяки принципу перетворення ємності, яка вимірюється, в тривалість імпульсів. Конденсатор, який вимірюють, заряджається від стабілізованого джерела струму. В період зарядки на виході одновібратора підтримується високий рівень напруги, який поступає на вхід системи порівняння, яка виконана на базі логічного елемента "І-Ні". На вхід цієї системи подаються імпульси від одно вібратора стабілізованого кварцевим резонатором. Структурна схема приладу показана на рисунку 1.1.

Мірою імпульсів зарядки конденсатора, котра пропорційна його ємності, являється число імпульсів стабільної частоти, які поступають на вхід системи порівняння за період зарядки. Дані імпульси підраховуються лічильником-дешифратором і виводяться на семисегментні індикатори. В момент завершення зарядки конденсатора, який вимірюється, система порівняння запирається і підрахунок імпульсів припиняється. Остаточний результат проявляється на чотирьохрозрядному цифровому табло.



Рисунок 1.1 - Структурна схема пристрою

На рисунку 1.2 зображена докладна структурна схема пристрою з відображенням сигналів, які перебувають в системі. Після запуску пристрою запускається одновібратор. Він формує імпульс, який прямо пропорційний часу заряду конденсатора, який вимірюється. Одночасно з цим формується сигнал скидання для дешифраторів. Запуск одновібратора запускає електронний ключ, функцію якого виконує система порівняння, який дозволяє проходження імпульсів від генератора тактових імпульсів. Дешифратор буде відображати на елементах індикації поточну кількість таких імпульсів в режимі реального часу. При переповнені розрядності першого дешифратора, він передає імпульс на другий і т.д. Імпульс переповнення останнього дешифратора посилає сигнал на тригер, який в свою чергу посилає сигнал на входи скидання дешифраторів. Той самий сигнал переповнення поступає на вхід лічильника. Лічильник посилає сигнал мультиплексору, і той приймає наступне значення границі вимірювання.

Рисунок 1.2 - Докладна структурна схема приладу

1.3 Основні параметри генерації сигналів

Принцип дії приладу оснований на підрахунку числа імпульсів за інтервал часу, пропорційний ємності конденсатора. Даний блок можна реалізувати за допомогою одновібратора. [1] Схема електрична принципова приведена на рисунку 1.3.

Резистори R7 і R8 підібрані таким чином, щоб тривалість імпульсів в мілісекундах була чисельно рівна ємності в мікрофарадах. Для запуску одно вібратора використовується кнопка. Вона формує імпульс негативної полярності, довжина якого відповідає тривалості замикання контактів, а фронт і спад імпульсу затримані на деякий час відносно моментів відмикання і розмикання. Запуск одно вібратора забезпечується ланцюгом, що диференціює спад імпульсу негативної полярності в короткий позитивний імпульс.

Рисунок 1.3 - Схема електрична принципова одновібратора

Умовне позначення ланцюга, що диференціює вказано на рисунку 1.4.

Рисунок 1.4 - Умовне позначення ланцюга, що диференціює

Для керування індикацією, на схему треба додати лічильники, а для встановлення їх в початковий стан під час запуску системи, використовується інвертор, на вхід якого подається імпульс, який співпадає по часу з імпульсом формування.

Основною частиною генератора опорних частот є мультивібратор. Для забезпечення точності вимірювання опорну частоту треба поділити. Для цього використовується блок дільників частоти, які ділять опорну частоту на 10. Таким чином, при опорній частоті в 1 МГц, на виході отримаємо ще три частоти: 100 кГц, 10 кГц і 1 кГц. Вибірка потрібної частоти забезпечується мультиплексором. Так як на його вхід надходить чотири сигнали, то керування буде відбуватися двома сигналами. Ці сигнали можна отримати, якщо встановити лічильник, на вхід якого буде надходити одиниця переповнення з виходу останнього лічильника блоку індикації. Скидання даного лічильника відбуватиметься під час запуску системи, проте для його коректної роботи можливо знадобиться додатковий обмежуючий резистор.



2. Технічний проект

Так як даний прилад повинен мати малий розмір та вагу, вибір елементної бази повинен враховувати ці фактори.

2.1 Вибір елементної бази

2.1.1 Вибір елементів блоку індикації

В якості індикаторів можна використовувати вакуумно-люмінесцентні індикатори, які мають низьке токоспоживання і кращими, порівняно з світлодіодними матрицями, характеристиками яскравості. Також факторами, які впливають на вибір індикаторів є максимальна робоча напруга в 12 В та необхідність в наявності десятинного знаку, для відображення десятинних значень вимірюваної величини.

Для даних цілей був обраний індикатор ИВ-6. Його характеристики:

- маса: 7 г;

- число сегментів: 10;

- розмір знаку: 5,9 х 9,1 мм;

- робоча напруга: 12 В;

- яскравість: не менше 500 кд/м².

Його умовне позначення вказано на рисунку 2.1.

Для керування даним індикатором можна застосувати лічильник К 176ИЕ 4. Це лічильник імпульсів з виводом стану лічильника на семи сегментний індикатор. Він рахує імпульси, які поступають на вхід "С". По спадаючому фронту цих імпульсів відбувається перемикання лічильника. З виводу "J" знімається частота в 4 рази менша тактової, а з виводу "P" частота в 10 разів менша тактової. На ній відбувається підключення наступного лічильника вищого розряду.



Рисунок 2.1 - Умовне позначення семи сегментного індикатора ИВ-6

Вхід "R" служить для скидання лічильника в робочий стан і відбувається під час надходження на нього логічної 1. Вхід "S" призначений для перемикання режимів роботи мікросхеми з різними індикаторами. Якщо цей вихід підключити до + живлення, то мікросхема переходить в режим роботи з індикаторами з загальним анодом, а при підключенні до - живлення - то в режим індикатора з загальним катодом. Інші виводи використовуються для підключення індикатора. Умовне позначення вказано на рисунок 2.2.

Рисунок 2.2 - Умовне зображення лічильника К 146ИЕ 1

Принципова електрична схема блоку індикації показано на рисунку 2.3

2.1.2 Вибір елементів блоку генератора опорних частот

В якості генератора використовується кварцовий резонатор частотою 1 МГц. Для даних цілей підходить резонатор моделі НС 51. Він входить до складу мультивібратора з кварцовою стабілізацією частоти. В якості елементів "І-НЕ" використовується мікросхема К 561ЛА 7. В зв'язку с необхідністю використовувати елементи "І-НЕ" в інших частинах приладу, доцільніше використовувати саме схему К 561ЛА 7, так як вона складається з чотирьох двох-входових логічних елементів "І-НЕ". Її елементна схема зображена на рисунку 2.4 а), умовне позначення зображене на рис. 8 б) (див. стор. 16).

Для формування одно вібратора будуть задіяні лише входи 1, 2, 5, 6 з відповідно виходами 3, 4. Таблиця істинності схеми К 561ЛА 7:

А	B	C
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0



Рисунок 2.3 - Електрична принципова схема блоку індикації



Рисунок 2.4 - а) Елементне зображення схеми К 561ЛА 7; б) Умовне зображення схеми К 561ЛА 7

Для забезпечення лінійки ділення частоти можна використати десятинний лічильник дешифратор К 561ИЕ 8. Його умовне позначення зображене на рисунку 2.5 а). В своїй структурі вона має п'ятикаскадний лічильник Джонсона і дешифратор, який дозволяє переводити код в двійковій системі в сигнал, який з'являється на одному з десяти виходів лічильника. Щоб реалізувати його в якості дільника частоти, треба на тактовий вхід (14) подавати сигнал з позитивним фронтом, частотою в 1 МГц. При створенні багато каскадного лічильника використовується вивід 12, який з'єднується з тактовим виходом (14) попередньої схеми К 561ИЕ 8. Позитивний фронт на виході (12) з'явиться через кожні 10 тактових періодів на вході (14). Часова діаграма роботи показана на рисунку 2.5 б).



Рисунок 2.5 - а) Умовне позначення схеми К 561ИЕ 8; б) часова діаграма роботи схеми К 561ИЕ 8

Принципова електрична схема блоку генерації опорних сигналів показана на рисунку 2.6.

Рисунок 2.6 - Принципова схема блоку генерації опорних сигналів

2.1.3 Вибір елементів блоку вибору межі вимірювання

Даний блок складається з лічильника та мультиплексора. Принци його роботи дуже простий: у випадку, коли кількість сигналів опорних частот молодших розрядів перевищує 999, на виході переповнення останнього лічильника блоку індикації з'являється одиниця, яка служить сигналом рахунку у двійковій системі лічильника. Вихідний сигнал лічильника надходить на входи вибору каналів мультиплексора. Мультиплексор має два канали. Перший це входи з блоку генерації опорних частот. Він складається з чотирьох входів, на які подаються частоти, з лінійки ділення частоти на 1000. Другий канал складається з трьох виходів, які надсилатимуть сигнали на вхід індикації, який відповідає знаку.

Для даних цілей підходить мультиплексор К 561КП 1. Його зображення показано на рисунку 2.7.

Рисунок 2.7 - Умовне зображення схеми К 561КП 1

Ця схема має вісім каналів комутації цифрових та аналогових сигналів. Вони організовані в якості чотирьох канального диференціального комутатору. На вхід 6 доцільно подавати низький рівень, так як при наявності високо рівня всі канали розмикаються. Номер включеного каналу можна виявити згідно з таблицею 2.1.



Таблиця 2.1 - Таблиця істинності схеми К 561КП 1

Вхід	Обраний канал
S	CD1	CD2
0	0	0	(x1, y1)
0	0	1	(x2, y2)
0	1	0	(x3, y3)
0	1	1	(x4, y4)

Роль двійкового лічильника може виконати схема К 176ИЕ 1. Його умовне позначення показано на рисунку 2.8.

Рисунок 2.8 - Умовне позначення схеми К 176ИЕ 1

Це шістнадцяти розрядний двійковий лічильник-дільник. Кожен відлік коду на виходах відповідає перепаду на тактовому вході С. Скидання вихідних даних в нуль - асинхронне, коли на вході R буде високий рівень.

2.2 Параметри функціональних вузлів

2.2.1 Параметри одно вібратору

Даний одно вібратор входить до блоку вимірювання і будується на основі логічних елементів "АБО-НІ". Схема електрична принципова приведена на рисунку 2.9.



Рисунок 2.9 - Схема електрична принципова одно вібратора на основі елементів "АБО-НІ"

Довжина імпульсу, який формується таким одно вібратором визначається за емпіричною формулою:

.

Часова діаграма роботи даної схеми показана на рисунку 2.10. Для того, щоб вихідний опір логічних елементів не впливав на точності розрахунку, а також не перегрупував вихід, резистор R2 повинен бути номіналом не менше 10-20 кОм. Для отримання високої температурної стабільності часового інтервалу номінал резистора R2 повинен бути менший за 200 кОм.

Рисунок 2.10 - Часова діаграма роботи одно вібратора на основі елементу "АБО-НІ"

2.2.2 Параметри генерації сигналів

З пункту 1.2 відомо, що підрахунок кількості сигналів відбувається за умови відповідності високих рівнів напруги на обох з них. Також відомо, що в даному приладі реалізовано чотири діапазони вимірюваних величин. Так як в блоці генерації опорних частот одно вібратор стабілізований кварцевим резонатором з частотою 1 МГц, то тривалість опорних імпульсів першого діапазону визначається з формули:

.

Так як ланцюг ділення опорної частоти ділить її на 10 ще три рази, то умовно можна виразити відношення:

.

.

.

При цьому кількість імпульсів визначається за формулою:

.

Відомо, що опір резистору ланцюга, що диференціює рівний 1 кОм, а максимальна кількість імпульсів, які можуть бути підраховані в кожному діапазоні рівна 9999, мінімальна - 1.

,

.

Таким чином можна знайти значення вимірюваної ємності в першому діапазоні частот, при тривалості опорних імпульсів 1 мкс:

.

.

Саме значення з цього діапазону відображатимуться на індикаторах, якщо вимірювана ємність лежить в даному діапазоні. Якщо ні, то сигнал переповнення з блоку індикації спричинить перемикання границі вимірювання в блоці генерації опорних частот.

Аналогічним чином знайдемо діапазони ємності, яку можна виявити при трьох інших границях вимірювання:

.

.

.

.

.

.

Таким чином, у випадку, коди ємність вимірюваного конденсатору виходить за границі вимірювання, по сигналу переповнення обирається границя вимірювання більших значень на 10.



Висновки

В ході виконання курсової роботи студент розвинув навички і уміння розробки окремих вузлів і елементів, використання їх для побудови більш складних пристроїв і навіть приладів.

Після виконання курсової роботи були отримані навички в розробці цифрового приладу для вимірювання ємності електричних компонентів. Для цього були застосовані різні принципи аналізу технічних умов та методики побудови структурної та електричної схем.

Також буди отримані навички розрахунку схем на основі таймерів, одно вібраторів, схем генерації та ділення частоти, опановані принципи роботи лічильників та мультиплесорів. Закріплені знання в принципах роботи індикації.



Список використаних джерел

1. Курочкина Л.А. Цифровой Измеритель емкости оксидных конденсаторов. - Радио, 1988, №8, с. 50-52.

2. Шелестов И.П. Радиолюбителям: полезные схемы. Кн. 2. - М.: "Солон", 1998.

3. Бирюков С.А. Цифровые устройства на КМОП-интегральных микросхемах. 2-е изд., перераб. И доп. - М.: Радио и связь, 1996.

4. Быстров Ю.А. и др. Оптоэлектронные устройства в радиолюбительской практике - М.: Радио и связь, 1995.

Размещено на Allbest.ru