Цифровые амперметры и вольтметры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Обзор существующих приборов

1.1 Цифровой вольтметр постоянного тока с использованием генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)

1.2 Широкополосный пиковый вольтметр

1.3 Цифровой вольтметр с самокоррекцией

2. Разработка структурной схемы

3. Разработка функциональной схемы

4. Разработка принципиальной схемы

5. Расчет погрешностей

6. Временные диаграммы

Заключение

Список использованной литературы



Введение

Измерение тока и напряжения являются основными при исследовании различных устройств и при контроле их работы. Измерение токов в электронных схемах отличаются от подобных измерений в электрических цепях, что объясняется специфическими особенностями электрических сигналов, используемых в электронике и радиотехнике.

Цифровые амперметры широко распространены в технике измерения постоянного и переменного тока. Это объясняется многими их достоинствами: высокой точностью, широким диапазоном измерений при высокой чувствительности, отсчетом в цифровой форме, автоматическими выборами пределов и полярности, относительной простотой осуществления документальной регистрации показаний, возможностью получения результатов наблюдений в форме удобной для ввода в ЭВМ, возможностью выхода на интерфейсную шину и включения в состав измерительно-вычислительного комплекса.



1. Обзор существующих приборов

1.1 Цифровой амперметр постоянного тока с использованием генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)

Рисунок 1 Цифровой амперметр постоянного тока с использованием генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)

Данная структурная схема состоит из следующих функциональных блоков:

- ВУ - входное устройство, обеспечивает значительное входное сопротивление вольтметра (порядка нескольких МОм), а также является масштабным преобразователем, для расширения пределов измерения;

- УС - устройство сравнения;

- ГЛИН - генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН);

- Кл. 1 - ключ;

- ГТИ - генератор тактовых импульсов;

- Сч - счётчик импульсов;

- УО - устройство отображения, содержит ряд преобразователей для преобразования выходных данных к необходимому виду, определяемому устройством индикации и устройство индикации, непосредственно отображающее результат измерения.

Принцип работы схемы состоит в том, что при подаче на вход ВУ измеряемого напряжения постоянного тока UX происходит преобразование величины входного напряжения к определённому уровню напряжения, на который рассчитаны последующие узлы схемы, так же ВУ обеспечивает высокое значение входного сопротивление прибора, с целью уменьшения шунтирующего действия при измерении. Преобразованное напряжение U' поступает на устройство сравнения, в котором происходит сравнение входного напряжения и напряжения вырабатываемого генератором линейно изменяющегося напряжения UГЛИН. С момента подачи на вход УС напряжения от ВУ генератор тактовых импульсов (ГТИ) начинает формировать импульсы определенной постоянной частоты и длительности, которые через ключ (Кл. 1) поступают на вход счётчика (Сч). Одновременно с поступлением на вход УС измеряемого напряжения и генерацией тактовых импульсов начинает свою работу генератор линейно изменяющегося напряжения, при достижении величины напряжения на выходе ГЛИН равной величине напряжения U' устройство сравнения формирует сигнал, который закрывает ключ (Кл. 1) и прекращает поступление тактовых импульсов от ГТИ на вход счётчика (Сч). Зная коэффициент преобразования входного устройства и скорость нарастания напряжения на выходе ГЛИН (закон изменения напряжения ГЛИН) величину тактовых импульсов прошедших на вход счетчика можно связать с величиной входного напряжения. [1]

1.2 Широкополосный пиковый вольтметр

Вольтметр предназначен для измерения напряжений в диапазонах крайне низких, сверхнизких, инфранизких и очень низких частот. Вольтметр содержит модулятор, к входам которого подключены источник исследуемого сигнала и генератор несущей частоты.



Рисунок 2 Структурная схема широкополосного пикового амперметра

К выходу модулятора и другому выходу генератора несущей частоты подключены два пиковых детектора. Выходы обоих пиковых детекторов подключены к входам блока вычитания. Выход блока вычитания соединен с входом измерительного прибора. Поскольку время разряда конденсатора, входящего в состав пикового детектора, подключенного к выходу генератора несущей частоты, не зависит от периода колебаний входного напряжения, полоса частот вольтметра может быть расширена в десятки раз. Оба пиковых детектора выполняются по одинаковым схемам и из одинаковых элементов, что повышает стабильность работы вольтметра. 1 ил.

Измеряемый сигнал усиливается до определенной величины усилителем 1 и затем подается на один из входов модулятора 2; на другой его вход поступает напряжение от генератора несущей частоты 3. Таким образом, измеряемый сигнал преобразуется в амплитудно-модулированное напряжение, которое воздействует на вход пикового детектора 4. Одновременно напряжение с выхода генератора 3 воздействует на вход пикового детектора 5. В результате на выходе детектора 4 образуется постоянное по величине напряжение U10, пропорциональное сумме амплитуд несущего и модулирующего колебаний, а на выходе детектора 5 - постоянное напряжение U20 , пропорциональное лишь амплитуде несущего колебания.[2]

1.3 Цифровой вольтметр с самокоррекцией

Рисунок 3 Структурная схема цифрового вольтметра с самокоррекцией

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля и коррекции погрешностей измерительных преобразователей, каналов измерительных систем, аналого-цифровых преобразователей и измерительных приборов.

Сущность изобретения: цифровой вольтметр с самокоррекцией содержит последовательно соединенные блок приращений, блок выбора диапазона измерения, аналого-цифровой преобразователь и блок управления и вычисления, причем блок приращений состоит из источника образцового напряжения, двух двухпозиционных переключателей, резистора, двух управляемых резисторов, инвертирующего усилителя, ключа.

Недостатками этого известного устройства являются большое время коррекции результата измерения, связанное с наличием трех тактов измерения, занимающих основную часть этого времени и снижающих быстродействие, и низкая достоверность контроля, связанная с тем, что результат измерения неизвестной величины непосредственного участия в операциях контроля не принимает.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение быстродействия и повышение достоверности контроля вольтметра.

Поставленная цель достигается тем, что в микропроцессорный вольтметр с самокоррекцией, содержащий блок выбора диапазона измерения, блок аналого-цифрового преобразования, вход которого связан с выходом блока выбора диапазона измерения, и блок управления и вычисления, информационные входы которого соединены с информационными выходами аналого-цифрового преобразования, а управляющие выходы - с управляющими входами блока выбора диапазона измерения и блока аналого-цифрового преобразования, введен блок приращений, управляющие входы которого соединены с управляющими выходами блока управления и вычисления, выход - со входом блока выбора диапазона измерения, первый и второй сигнальные входы, предназначенные для подключения измеряемого сопротивления, являются первым и вторым входами вольтметра, а третий сигнальный вход, предназначенный для подключения измеряемого напряжения, - третьим входом вольтметра.

Этот вольтметр содержит блок преобразования сопротивления в напряжение, блок выбора диапазона измерения, блок аналого-цифрового преобразования и блок управления и вычислителя, реализованный на микроЭВМ, причем первый и второй входы блока преобразования сопротивления в напряжение, предназначенные для подключения измеряемого сопротивления, являются первым и вторым входами вольтметра, вход блока выбора диапазона измерения соединен с выходом блока преобразования сопротивления в напряжение и является третьим входом вольтметра, выход блока выбора режима измерения соединен со входом блока аналого-цифрового преобразования, информационные выходы которого соединены с информационными входами блока управления и вычисления, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами блока преобразования сопротивления в напряжение, блока выбора режима измерения и блока аналого-цифрового преобразования [3].



2. Разработка структурной схемы

Рисунок 4 Структурная схема универсального цифрового амперметра

ВБ - Входной блок

АЦП - Аналого - цифровой преобразователь

БВ - Блок вывода

БП - Блок питания

Измеряемый ток подается на входной блок, где его уровень приводится к допустимому значению входного тока на компаратор, затем подается на АЦП, где сигнал оцифровывается и выводится значение тока на блок вывода. Блок питания питает схему.



3. Разработка функциональной схемы

Рисунок 5 Функциональная схема цифрового универсального амперметра

Принцип измерения тока основан на методе одностадийного интегрирования - преобразования напряжения, снимаемого с токоизмерительного шунта в частоту. Это позволяет по сравнению с микроконтроллерами, имеющими встроенные десятиразрядные АЦП, получить большую разрешающую способность в широком интервале измеряемого тока. Подсчет частоты, переключение пределов и вывод результатов измерения на светодиодный индикатор осуществляет микроконтроллер.



4. Разработка принципиальной схемы

Рисунок 6 Схема делителя напряжения

Разделим диапазон измеряемого напряжения на поддиапазоны:

По заданным пределам измерения определяем число ступеней делителя m=3.

Коэффициент деления а=10.

Зададим напряжение R=1 КОм.

Тогда по формуле:

.

Находим сопротивления плеч делителя:

;

;

.

Выбираем значения резисторов из ряда Е192: R2=898 Ом; R3=89,8 Ом; R4=8,98 Ом.

Согласно стандартной схеме включения выбираем конденсаторы с значениями С1=0,25 мкФ, С2=150 Ф, С3=С4=22 Ф.

Стабилитрон VD1 типа BZX55C12 с параметрами:

- Мощность рассеяния, Вт - 0.5;

- Минимальное напряжение стабилизации, В - 11.4;

- Номинальное напряжение стабилизации, В - 12;

- Максимальное напряжение стабилизации, В - 12.7;

- Статическое сопротивление Rст., Ом - 20;

- При токе I ст, мА - 5;

- Максимальный ток стабилизации Iст.макс., мА - 32;

- Рабочая температура, С - 55…200;

- Способ монтажа - в отверстие;

- Корпус - DO35 [6].

Резисторы с значениями R5=470 КОм, R6=117 КОм, R7=13 КОм, (R8-R15)=150 Ом.

Разъем типа СР-50 с параметрами:

- Волновое сопротивление - 50 Ом;

- Тип используемого кабеля - РК-50;

- Материал контактов -латунь покрытая серебром;

- Материал изолятора - тефлон;

- Сопротивление изолятора не менее, Мом - 1000;

- Сопротивление контактов не более, Ом - 0.01;

- Рабочее напряжение - 10В;

- Диапазон частот - 0..3ГГц;

- Рабочая температура, °С -60...85 [7].

Генератор на кварце ZQ1 с значением 8 МГц.

Транзистор VT1типа КП505А с параметрами:

- Структура: N-FET;

- Максимальное напряжение сток-исток Uси, В - 50;

- Максимальное напряжение затвор-исток Uзи макс., В - 20;

- Сопротивление канала в открытом состоянии Rси вкл., мОм - 300;

- Максимальная рассеиваемая мощность Pси макс., Вт - 1;

- Крутизна характеристики S,мА/В - 500 [8].

Транзистор VT2-VT7 типа КТ3102А с параметрами:

Характеристики транзистора КТ3102А

- Структура - n-p-n;

- Максимально допустимое (импульсное) напряжение коллектор-база - 50 В;

- Максимально допустимое (импульсное) напряжение коллектор-эмиттер - 50В;

- Максимально допустимый постоянный(импульсный) ток коллектора - 100(200) мА

- Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора без теплоотвода (с теплоотводом) - 0.25 Вт;

- Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером - 100-200;

- Обратный ток коллектора <=0.05 мкА;

- Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером =>150 МГц:

- Коэффициент шума биполярного транзистора <=10 дБ [9].

Светодиодные индикаторы HG1-HG3 типа Е20361 параметрами:

Параметр	Обозначение	MIN	TYP	MAX	UNIT	LOCATION	TEST CONDITION
Forward Voltage	VF	-	1.82	2.25	V	Per Chip	If=20mA
Сила света	IV	17.0	19.0	21.0	mcd	Per Chip	If=20mA
Peak Emission Wavelength	лp	-	655	-	nm	Per Chip	If=20mA
Dominant Emission Wavelength	лd	640	644	646	nm	Per Chip	If=20mA
Spectral Line Half-Width	Дл1/2	-	20	-	nm	Per Chip	If=20mA
Capacitance	C	-	40	-	pF	Per Chip	VF=0;f=1MHz
Reverse Current	IR	-	-	10	uA	Per Chip	VR=5V
Температурный диапазон	TA	-40°C +85°C

Выбираем компаратор - электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логическую «1», если сигнал на прямом входе («+») больше чем на инверсном входе («?»), и логический «0», если сигнал на прямом входе меньше, чем на инверсном входе типа LN393N с техническими характеристиками:

- Количество каналов - 2;

- Напряжение питания, В - 16;

- Время задержки, нс- -300;

- Ток потребления, мА - 1;

- Температурный диапазон, С - 0…70;

- Тип корпуса - DIP8-300;

- Напряжение компенсации, мВ - 2;

В качестве АЦП выбираем микроконтроллер с АЦП типа ATTINY2313-20PI имеющий следующие характеристики:

- Корпус (размер) - 20-DIP (0.300", 7.62mm);

- Рабочая температура - 40°C ~ 85°C;

- Тип осциллятора - Internal;

- Напряжение источника (Vcc/Vdd) - 2.7 V ~ 5.5 V;

- Размер памяти - 128 x 8;

- EEPROM Size 128 x 8;

- Тип программируемой памяти - FLASH;

- Размер программируемой памяти - 2KB (1K x 16);

- Число вводов/выводов - 18;

- Периферия - Brown-out Detect/Reset, POR, PWM, WDT;

- Подключения SPI, UART/USART;

- Скорость - 20MHz;

- Диапазон напряжения питания - от 1.8 до 5.5 В;

- Рабочая частота - 0 - 16 МГц;

- Потребление:

Активный режим:

300 мкА при частоте 1 МГц и напряжении питания 1.8 В;

20 мкА при частоте 32 кГц и напряжении питания 1.8 В;

Режим пониженного потребления:

0.5 мкА при напряжении питания 1.8 В;

- Размер ядра - 8 Bit;

- Процессор - AVR;

- Серия - AVR® ATtiny;

- Lead Free Status / RoHS Status - Contains lead / RoHS non-compliant [5].



5. Расчёт погрешностей

ток напряжение вольтметр пиковый

Общая погрешность амперметра складывается из погрешности дискретизации сигнала , погрешности нелинейности АЦП , погрешности компаратора дк и погрешности входного блока.

По заданию погрешность не должна превышать 0,5%.

Примем погрешность дискретизации равной 0,1%. Погрешность нелинейности АЦП равна 0,1% тогда рассчитаем разрядность АЦП:

Смещение нуля компаратора типа LN393N 250 мкВ, тогда дк рассчитается по формуле:

Расчёт погрешности входного блока:



Расчёт погрешности резисторов от выбора из ряда:

,

,

,

Тогда:

Общая погрешность амперметра:

Погрешность по заданию: 0,5%. Рассчитанная погрешность не превышает заданную.



6. Временные диаграммы

Рисунок 7 Моделируемая схема разрабатываемого устройства

При моделировании схемы сравниваются два сигнала один IN1-входное напряжение после делителя, другой IN2-пилообразное напряжение (эталонное, ток заряда уменьшила в 10 раз, чтобы было видно линейный процесс заряда ёмкости). В момент равенства сигналов компаратор сбрасывает выходное напряжение в 0. Интервал времени между началом замера - подача сигнала upr1 и срабатыванием компаратора и будет временем замера = количество импульсов пропорционально входному напряжению.



Рисунок 8 Временные диаграммы цифрового вольтметра постоянного тока



Заключение

В результате выполнения курсового проекта, был спроектирован и рассчитан цифровой вольтметр постоянного тока для измерения напряжения 0 до 1000 В с тремя поддиапазонами измерения и погрешностью измерений 0,5%.

Было проведено моделирование, а также построены временные диаграммы работы разрабатываемого устройства с помощью схемотехнической САПР Micro-Cap 9.0, а также проведен расчет всех элементов, входящих в данное устройство, разработаны структурная, функциональная и принципиальная электрическая схемы вольтметра постоянного тока. Рассчитанные погрешности полностью удовлетворяют заданным условиям.

В результате чего было установлено, что цифровой вольтметр постоянного тока полностью удовлетворяет заданным параметрам и является надежным.



Список использованной литературы

1. Sxem.net. Форум по электронике. - URL:http://forum.cxem.net/index.php?showtopic=82498 (дата обращения: 17.05.2012).

2. WWW.NTPO.com. Широкополосный пиковый вольтметр. - URL:http://ntpo.com/patents_electronics/electronics_5/electronics_228.shtml (дата обращения: 17.05.2012).

3. Mail.ru. Цифровой вольтметр с самокоррекцией. - URL:http://ru-patent.info/20/15-19/2018141.html (дата обращения: 17.05.2012).

4. Electronics - lab.ru. Вольтметр на микроконтроллере Attiny1213. - URL:http://electronics-lab.ru/blog/mcu/8.html(дата обращения:17.05.2012)

5. WWW.kontest.ru. Закрытое акционерное общество КОНТЕСТ. - URL:http://www.kontest.ru/catalog/item/4066890?mode=print (дата обращения: 17.05.2012).

6. WWW.chipdip.ru. Мастер электроники. Сеть профессиональных магазинов. - URL:http://www.chipdip.ru/product/bzx55c12.aspx (дата обращения: 17.05.2012).

7. 24au.ru. Интернет - Аукцион. - URL:http://kansk.24au.ru/879370/ (дата обращения: 17.05.2012).

8. WWW.escor.ru. Компания эскор. -URL:http://escor.ru/catalog/product/otechestvennye_tr/kp505a/ (дата обращения: 17.05.2012).

9. WWW. Radiolibrary.ru Справочник радиолюбителя.- URL:http://www.radiolibrary.ru/reference/transistor/kt3102a.html (дата обращения: 17.05.2012).

Размещено на Allbest.ru