Цифровой вольтметр

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра МИТ

Реферат

По дисциплине: Разработка и проектирование средств измерения

Тема проекта: Цифровой вольтметр

Выполнил: Проверил:

Ст. гр. МВТс-08-1 доц. Штефан Н.В.

Синица В.Ю.

2008

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Обоснование перечня контролируемых эксплуатационных и метрологических характеристик

2. Основные принципы работы ЦВ

2.1 Вольтметр с двойным интегрированием

2.2 Цифровой вольтметр с преобразованием напряжения в частоту

3. Разработка ЦВ

Выводы

Список используемой литературы

ВВЕДЕНИЕ

Вольтметр цифровой постоянного тока (ЦВ) часто предназначается не только для измерения собственно напряжения постоянного тока U, но и некоторых других величин, предварительно преобразованных входными устройствами в U.

В настоящее время ЦВ применяются для повышения производительности труда при автоматизации научных исследований; для повышения производительности труда в промышленности; при поверке и градуировке точных приборов; при наладке и регулировке сложной электронной аппаратуры на конвейере.

1. ОБОСНОВАНИЕ ПЕРЕЧНЯ НЕОБХОДИМЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

При проектировании ЦВ контролируются такие характеристики как:

Погрешность на постоянном напряжении 0.1/0.005

Погрешность на переменном напряжении 0.5/0.2

Диапазон измерений 0.1…100 В

Диапазон частот 20 Гц…10 КГц

Форма сигнала sin

Коофициент гармоник < 2%

Условия эксплуатации прибора нормальные , источник питания сеть.

2. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЦВ

Для измерения импульсных и переменных напряжений (пиковое, средневыпрямленное и среднеквадратическое значения), а также переменного тока обычно используются вольтметры постоянного тока совместно с соответствующими преобразователями.

Вольтметр с время-импульсным преобразованием. На рис. 1 показана его структурная схема. Измеряемое постоянное напряжение преобразуется в интервал времени, который заполняется счетными импульсами. Число импульсов, подсчитываемое счетчиком, пропорционально измеряемому напряжению. Измерение осуществляется циклами, задаваемыми устройством управления (вручную или автоматический режим)[1].

Рис. 1. Структурная схема вольтметра с время-импульсным преобразованием.

2.1 Вольтметр с двойным интегрированием

На рис. 2 дана структурная схема вольтметра, а на рис. 6 -временные диаграммы, поясняющие его работу. Цикл измерения Г„ состоит из интервалов времени Тi и Г2, задаваемых соответственно длительностью импульсов и паузой между ними (рис. 3).

Рис. 2. Структурная схема вольтметра с двойным интегрированием

В начале цикла устройство управления вольтметра (см. рис. 5) вырабатывает импульс калиброванной длительности с крутым фронтом и срезом. На время, равное длительности этого импульса, переключатель S1 замыкается в положение 1 и на вход интегратора подается измеряемое постоянное напряжение. Начинается процесс интегрирования «вверх». Крутизна напряжения «1 (угол наклона а) пропорциональна значению измеряемого напряжения Uх- Продолжительность процесса интегрирования «вверх» определяется длительностью T1 управляющего импульса uупр. В момент окончания импульса (t - Tt) триггер перебрасывается из состояния 0 в состояние 1. Переключатель S1 переводится в положение 2, и вход интегратора подключается к источнику эталонного напряжения U эт , полярность которого противоположна полярности измеряемого напряжения[2].

Рис 3. Временная диаграмма работы вольтметра о двойным интегрированием

Начинается процесс интегрирования «вниз» - напряжение на выходе интегратора линейно убывает.

Скорость убывания этого напряжения пропорциовальна значению эталонного напряжения U ЭТ.

В момент прохождения линейно-падающего напряжения через нуль компаратор выдает импульс, размыкающий переключатель S2 и возвращающий триггер в исходное состояние. На выходе триггера образуется импульс длительностью At, который заполняется счетными импульсами, подсчитываемыми счетчиком[2].

К концу интервала Т1 напряжение на выходе интегратора будет

(2.1)

С момента начала интервала T2 это напряжение снижается со скоростью убывания, определяемой эталонным напряжением U,T. Через время

(2.2)

Дt выходное напряжение вернется в нулевое положение. При этом

Учитывая, что Дt=т/Есч, получаем:

(2.3)

где Fсч - частота следования счетных импульсов.

Погрешность преобразователя напряжение - интервал времени получается достаточно малой, так как длительность импульса Т, и эталонное напряжение U эт могут поддерживаться постоянными с высокой точностью. При выборе интервала усреднения равным или кратным периоду сетевого напряжения, например 40 мс, вольтметр с двойным интегрированием позволяет осуществить эффективную защиту от помех, имеет малую погрешность измерения (примерно 0,01% Uх ±1 младшего разряда счета)[3].

2.2 Цифровой вольтметр с преобразованием напряжения в частоту

Его структурная схема дана на рис. 4. В этом вольтметре преобразование напряжения импульсы, частота следования которых Fк пропорциональна измеряемому напряжению (Fх -k-Ux), позволяет заменить интегрирование суммированием «а определенный интервал времени. Основными узлами вольтметра с преобразованием напряжения в частоту являются: входное устройство, измерительный преобразователь и цифровой частотомер, в котором генератор калиброванных; временных интервалов времени совместно с устройством управления вырабатывает стробирующий импульс длительностью Дtк.

Этот импульс подается на вход 2 временного селектора, ко входу 1 которого подводится последовательность импульсов с частотой следования Fх. Счетчик подсчитывает число импульсов, заполняющих интервал.[4]

Рис. 4. Структурная схема вольтметра с преобразованием напряжения в частоту

Начальная частота (при Uх = 0) должна быть минимальной и составлять единицы герц. Иначе потребуются специальные меры для устранения ее влияния на показания.

Погрешность измерения вольтметров с преобразованием напряжения в частоту составляет 0,01 - 0,5%.

Цифровой вольтметр с подразрядным уравновешиванием (рис. 5). Работа такого вольтметра основана на последовательном сравнении значения измеряемого напряжения с рядом эталонных напряжений, значения которых различаются по определенному закону (чаще всего по закону размещения разрядов в двоичной системесчисления), т. е.

(2.4)

где аt принимает значение либо 0, лило 1, а n представляет собой число двоичных разрядов разложения. Таким образом, для определения измеряемого напряжения Uх необходимо найти разрядные коэффициенты a1.

Рис. 5. Структурная схема вольтметра с поразрядным уравновешиванием

Один из вариантов решения этой задачи методом взвешивания и показан на рис. 5. Измеряемое напряжение со входного устройства поступает на один из входов компаратора. На второй его вход поступает напряжение из блока эталонных напряжений. Устройство управления, определяющее алгоритм работы всего прибора, выдает в блок эталонных напряжений тактовые импульсы. В соответствии с тактовыми импульсами на компаратор последовательно поступают эталонные напряжения, соответствующие разрядам кода. Цикл начинается со старшего, разряда. В компараторе измеряемое напряжение сравнивается с эталонным, т. е. из Ux вычитается Uвт*2n. Если разность положительна, то напряжение на выходе компаратора не меняется и устройство управления не меняет своего режима работы. Оно вырабатывает следующий тактовый импульс, который к предыдущему U эт*2n подключает напряжение следующего, более младшего, разряда и т. д. Если же после какого-либо тактового импульса разность становится отрицательной, то компаратор, переключившись, воздействует на устройство управления, которое выдает в блок эталонных напряжений импульс, снимающий эталонное напряжение подключенного в этом такте разряда. Этот разряд пропускается. А в следующий такт подключается напряжение, соответствующее следующему, более младшему, разряду.[5]

Процесс заканчивается после сравнения измеряемого напряжения с полным набором эталонных напряжений. Эталонные напряжения, оставшиеся включенными к моменту равновесия, дают значение измеряемого напряжения Ux в определенном коде. С помощью дешифратора, входящего в устройство вывода, данный код преобразуется в десятичный, а число, соответствующее использованному набору эталонных напряжений, передается в устройство цифрового отсчета.

Приборы этого типа имеют высокую точность (при стабильных питающих напряжениях) и высокое быстродействие.[6]

Измерители постоянного тока. Они строятся на базе цифровых вольтметров постоянного тока. Принцип измерения постоянного тока основан на измерении постоянного напряжения, образующегося на эталонном резисторе (шунте) за счет протекания через него измеряемого тока. Эталонные шунты, переключаемые в зависимости от диапазона измерения, включаются в масштабный усилитель на интегральном ОУ. Рассчитывают шунты обычно так, чтобы падение напряжения на них (при любом диапазоне измерения) не превышало 100 мВ при предельном значении измеряемого тока. Напряжение, усиленное масштабным усилителем, подается на цифровой вольтметр, выполненный по любой из приведенных ранее структурных схем.[7]

3. РАЗРАБОТКА ЦВ

Исходя из вышеизложенных принципов построения приборов выбираем ЦВ основанный на время-импульсном преобразовании. Структурная схема показана на рис. 1. Рассмотрим принцип работы такого ЦВ.

.

Рис. 6. Временная диаграмма работы вольтметра с время-импульсным преобразованием

В начале цикла тактовый импульс устройства управления, устанавливает счетчик в исходное состояние и запускает генератор пилообразного напряжения. В момент прохождения пилообразного напряжения через нуль компаратор 2 выдает короткий импульс, который переключает триггер. Временной селектор открывается, и на счетчик поступают счетные импульсы. В момент совпадения пилообразного напряжения с измеряемым срабатывает компаратор 1 и переводит триггер в исходное состояние. Временной селектор закрывается, прекращая прохождение счетных импульсов на счетчик. Таким образом счетчик подсчитывает счетные импульсы в течение времени Дt.[1]

Как видно из рис. 6, измеряемое напряжение Ux=Дt tgз. Численное значение tgз равно скорости изменения пилообразного напряжения и, a Дt=m/F СЧ (Fсч - частота следования счетных импульсов; т число счетных импульсов, поступивших на счетчик). Поэтому Uх=тv/Fс4.

Для каждого вольтметра число FCЧ/u=const и его выбирают равным 10k, где k=0, 1, 2, 3. Тогда показания счетчика дают непосредственное значение измеряемого напряжения в цифровом выражении Uх=т-10-к, В [14].

Для измерения переменного напряжения необходимо на вход поставить преобразователь «переменное-постоянное», применим термопреобразователь, который позволяет измерять переменное напряжение на низких и высоких частотах. В них используется тепловой преобразователь тока в виде небольшого откачанного стеклянного баллончика с нагревательной проволочкой (длиной 0,5-1 см), к средней части которой крохотной бусинкой прикреплен горячий спай термопары. Бусинка обеспечивает тепловой контакт и одновременно электро-изоляцию. При повышении температуры, прямо связанном с эффективным значением тока в нагревательной проволочке, на выходе термопары возникает термо-ЭДС (напряжение постоянного тока).[8]

Такие преобразователи пригодны для измерения силы переменного тока с частотой от 10 Гц до 20 МГц. На рис. 7 показана принципиальная схема теплового электроизмерительного прибора с двумя подобранными по параметрам тепловыми преобразователями тока. При подаче на вход схемы напряжения переменного тока Vас на выходе термопары преобразователя ТС1 возникает напряжение постоянного тока, усилитель А создает постоянный ток в нагревательной проволочке преобразователя ТС2, при котором термопара последнего дает такое же напряжение постоянного тока, и обычный прибор постоянного тока измеряет выходной ток.[9]

Рисунок 7 - Принципиальная схема термопреобразователя переменного напряжения в постоянное.

На рис. 8 показана структурная схема ЦВ с термопреобразователем.

Переключение “постоянное-переменное “ осуществляется с помощью переключателя SA 1(на схеме в положении “переменное”), который коммутирует входной сигнал на преобразователь или сразу на вольтметр, в зависимости от необходимого типа измерений.

Рисунок 8- Структурная схема ЦВ с термопреобразователем

ВЫВОДЫ

ЦВ являются необходимыми приборами в радиоэлектронике. Разрабатываемый вольтметр также может измерять переменное напряжение, за счёт входного термопреобразователя, который имеет малую погрешность, что положительно скажется на общей точности прибора.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Алексеенко А. Г. Основы микросхемотехники. -- М.: Советское радио, 1977. -- 408 с.

Алексеенко А. Г., Коломбет Е. А., Стародуб Г. И. Применение прецизионных аналоговых ИС. -- М.: Радио и связь, 1981. -- 224 с.

Афанасьев Г. Я., Мальцев Ю. С. Цифровые авометры. -- М.: Энергия, 1975. -- 72 с.

Бартеньев В. Г. Универсальный измерительный прибор. -- М.: Энергия, 1079. -- 48 с.

Бахтияров Г, Д. и др. Аналого-цифровые преобразователи. -- М.: Советское радио, 1980. -- 277 с.

Бездельев Ю. В, Малогабаритные любительские электроизмерительные приборы. -- М.: Энергия, 19712.

--176 с.

Бирюков С. А. Радиолюбительские цифровые устройства. -- М.: Радио и связь, 1982.

Букреев И. М., Мансуров Б. М., Горячев В. И. Микроэлектронные схемы -цифровых устройств. -- М.: Советское радио, 1975. -- 368 с.

Волгин Л. И. Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. -- М.: Советское радио, 1977. -- 240 с.