Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

В данном курсовом проекте разработан цифровой вольтметр (ЦВ), работающий по принципу двойного интегрирования и имеющий следующие технические характеристики:

Вид измеряемого напряжения - постоянное;

Пределы измерения - 100 - 0 В

Точность измерения - 0.3%

Время измерения - 0,05 с

Основная элементная база цифрового вольтметра - цифровые микросхемы КМОП логики. Схема ЦВ предусматривает выбор одного из трех пределов измерения (для более точного измерения малых напряжений), защиту входной цепи от перенапряжения и подачи напряжения обратной полярности. Для питания ЦВ разработана схема блока питания, вырабатывающего все необходимые для вольтметра напряжения.

Содержание

• Введение
• 1. Структурная схема цифрового вольтметра
• 2. Расчет основных параметров вольтметра
• 3. Схемотехника узлов цифрового вольтметра
• 3.1 Расчет входного устройства
• 3.2 Электронный переключатель
• 3.3 Интегратор
• 3.4 Компаратор
• 3.5 Схема временного селектора
• 3.6 Система индикации
• 3.7 Генератор счетных и управляющих импульсов
• 4. Разработка Омметра
• 5. Расчет погрешности вольтметра
• 6. Расчет потребляемой мощности ЦВ
• 7. Блок питания
• Заключение
• Литература
• Приложения

Введение

Измерительная техника - один из важнейших факторов ускорения научно-технического прогресса практически во всех отраслях народного хозяйства.

При описании явлений и процессов, а также свойств материальных тел используются различные физические величины, число которых достигает нескольких тысяч: электрические, магнитные, пространственные и временные; механические, акустические, оптические, химические, биологические и др. При этом указанные величины отличаются не только качественно, но и количественно и оцениваются различными числовыми значениями. вольтметр микросхема компаратор стабилизатор

Установление числового значения физической величины осуществляется путем измерения. Результатом измерения является количественная характеристика в виде именованного числа с одновременной оценкой степени приближения полученного значения измеряемой величины к истинному значению физической величины. Нахождение числового значения измеряемой величины возможно лишь опытным путем, т.е. в процессе физического эксперимента.

Измерительная техника начала свое развитие с 40-х годов XVII в. и характеризуется последовательным переходом от показывающих (середина и вторая половина XIX в.), аналоговых самопишущих (конец XIX - начало XX в.), автоматических и цифровых приборов (середина XX в. - 50-е годы) к информационно-измерительным системам.

Конец XIX в. характеризовался первыми успехами радиосвязи и радиоэлектроники. Ее развитие привело к необходимости создания средств измерительной техники нового типа, рассчитанных на малые входные сигналы, высокие частоты и высокоомные входы. В этих новых средствах измерительной техники использовались радиоэлектронные компоненты - выпрямители, усилители, модуляторы и генераторы (ламповые, транзисторные, на микросхемах), электронно-лучевые трубки (при построении осциллографов) и др.

Развитие дискретных средств измерительной техники в настоящее время привело к созданию цифровых вольтметров постоянного тока, погрешность показаний которых ниже 0,0001%, а быстродействие преобразователей напряжение-код достигает нескольких миллиардов измерений в секунду.

Широкие возможности открылись перед измерительной техникой в связи с появлением микропроцессоров и микроЭВМ. Благодаря им значительно расширились области применения средств измерительной техники, улучшились их технические характеристики, повысились надежность и быстродействие, открылись пути реализации задач, которые ранее не могли быть решены.

По широте и эффективности применения микропроцессоров одно из первых мест занимает измерительная техника, причем все более широко применяются микропроцессоры в системах управления. Трудно переоценить значение микропроцессоров и микроЭВМ при создании автоматизированных средств измерений, предназначенных для управления, исследования, контроля и испытаний сложных объектов.

Развитие науки и техники требует постоянного совершенствования средств измерительной техники, роль которой неуклонно растет.

1. Структурная схема цифрового вольтметра

Структурная схема цифрового вольтметра с двойным интегрированием приведена на рисунке 1. Цикл преобразования состоит из двух интервалов времени Т1 и Т2.

В начале цикла устройство управления вырабатывает прямоугольный импульс калиброванной длительности Т1, который подается на электронный переключатель. И за время Т1 с входного устройства через электронный переключатель на интегратор подается входное напряжение постоянного тока. Начинается первый такт интегрирования "вверх", при котором выходное напряжение интегратора растет по линейному закону:

;

где Uвых - напряжение на выходе интегратора, В;

R - сопротивление, Ом;

C - емкость конденсатора, Ф;

Uвх - входное напряжение, В;

t1 - начальный момент интегрирования (момент появления фронта импульса Т1);

t2 - конечный момент интегрирования.

Крутизна этого напряжения пропорциональна входному напряжению Ux. В момент t1 (рисунок 2), когда наступило окончание первого импульса, триггер из состояния "0" перебрасывается в состояние "1", а электронный переключатель отключает входное напряжение от интегратора и к интегратору подключается источник опорного напряжения.

Напряжение на компараторе остается равным "1". И начинается второй такт интегрирования "вниз", т.к. источник опорного напряжения имеет противоположную полярность по отношению к измеряемому напряжению. Напряжение на выходе интегратора линейно убывает. И в момент t2, когда напряжение на выходе интегратора будет равно "0", тогда компаратор переключится из состояния "1" в состояние "0". И в этот же момент триггер закроется, т.е. на его выходе будет состояние "0" (рисунок 2) во время второго такта, когда триггер открыт (рисунок 2.г), через него проходят импульсы высокой частоты (рисунок 2.е) на временной селектор, т.е. во временном селекторе импульс, который приходит с триггера, заполняется импульсами высокой частоты, приходящих с генератора тактовой частоты. Это количество импульсов пропорционально измеряемому напряжению.

Начало следующего цикла задается фронтом импульса Т1.



Рисунок 2. Графики, поясняющие принцип работы вольтметра

2. Расчет основных параметров вольтметра

Напряжение на выходе интегратора при интегрировании "вверх" в произвольный момент времени (начало отсчета времени - момент появления фронта импульса длительностью Т1):

; (1)

где RC - постоянная времени интегратора; t - независимая переменная величина (время).

В конце интервала интегрирования напряжение на выходе интегратора:

;

При интегрировании "вниз":

;

В момент с учетом (1) имеем:

; (2)



Так как процесс интегрирования опорного напряжения заканчивается когда выходное напряжение интегратора становится равным нулю, то, положив в формуле (2) , получим:

(3)

перепишем (3) в виде:

;

где tи время управляющего импульса. Т.к.

;

где Т время измерения и так как по условию Т=0.5, то

;

;

Из последней формулы выразим время tx:

; ;

Пусть опорное напряжение Uоп=6 В; Ux=1 В; тогда

с; с;

Вычислим частоту управляющего импульса по формуле:

Теперь найдем частоту генератора счетных импульсов:

Исходя из того, что Nx=1000 частота счетных импульсов

Таким образом частота управляющих импульсов 2 Гц, а счетных 2 кГц.

3. Схемотехника узлов цифрового вольтметра

3.1 Расчет входного устройства

Входное устройство состоит из делителя напряжения, схемы защиты от перенапряжения и подачи напряжения обратной полярности.

Роль делителя напряжения состоит в том, чтобы разбить наш диапазон на 3 диапазона:

1-й диапазон соответствует измеряемому напряжению от 0 до 1 В;

2-й диапазон соответствует измеряемому напряжению от 0 до 10 В;

3-й диапазон соответствует измеряемому напряжению от 0 до 100 В;

Напряжение на выходе делителя примем 1 В. Таким образом коэффициент деления для каждого из поддиапазонов составит: К 1=1; К 2=10; К 3=100.

Рассчитаем сопротивления резисторов R1,R2,R3 по закону Ома, записанного для схемы (рисунок 3).

;

Входное сопротивление R=R1+R2+R3 примем равным 1 МОм, R=1 МОм, для обеспечения достаточно высокого сопротивления. Тогда

для 1-го диапазона:

Uвх=1 В; Uдел 1=1 В;

Для 2-го диапазона: Uвх=10 В;

;

;;

=150 кОм;

Для 3-го диапазона: Uвх=100 В;

;;;

=15 кОм; тогда

;

Из последней системы находим, что R3=15 кОм; R2=135 кОм; R1=1.35 МОм;

Если на вход схемы будет подано отрицательное напряжение, а с отрицательным напряжением неудобно работать, то после делителя напряжения ставится инвертор напряжения DA1 с коэффициентом усиления равным 1 основанный на операционном усилителе с отрицательной обратной связью, построенном на микросхеме К 544УД 1. Коэффициент усиления равен единице Кu=1. Входное сопротивление операционных усилителей этой серии порядка 1 ГОм, что обеспечивает большое входное сопротивление. Сопротивления резисторов R13 и R14 должны быть одинаковыми, так как коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен Ки=R14/R13 [8]. Из [8] сопротивления резисторов равны 100 кОм.

Для защиты от перенапряжения воспользуемся компаратором DA3 и двумя стабилитронами, ограничивающими ток на входе. Компаратор предназначен для сравнения двух напряжений, поступающих на его входы, и выдачи сигнала об их соотношении, например, в момент равенства. В принципе любой интегральный операционный усилитель является компаратором. Если включить операционный усилитель без обратных связей, то при U1>U2 выходное напряжение будет максимально положительным, а при U1<U2 - минимально. В нашей схеме на прямой вход компаратора подадим контролируемое напряжение, а на инверсный напряжение равное 1.1 В, получаемое с делителя напряжения. Если напряжение на прямом входе сравняется или превысит напряжение инверсного входа, то на выходе компаратора установится напряжение высокого уровня и загорится светодиод.

Для показания обратной полярности входного напряжения на прямой вход компаратора DA2 поступает напряжение с инверсного входа повторителя напряжения, а инверсный обнулен. При подаче отрицательного напряжения на прямой вход повторителя напряжения, а на компаратор положительное напряжение на инверсный вход (нулевое на прямой). На выходе компаратора будет "ноль". С помощью логического элемента "И-НЕ" сигнал инвертируется и на его выходе сигнал равен "единице". Благодаря чему загорается светодиод, сигнализирующий о подаче обратной полярности.



3.2 Электронный переключатель

Электронный переключатель SW1 построен на микросхеме КР 590КН 8. Этот ключ работает следующим образом: при подаче управляющего импульса на #1, соединяется линия 1. При подаче управляющего импульса на #2, соединяется линия 2. На выходе ключа линии 1 и 2 соединены вместе. Элемент "И-НЕ" служит для переключения измеряемого напряжения на опорное напряжение в момент t1 (см. рисунок 2). Для того чтобы интегратор начал процесс интегрирования "вниз"

3.3 Интегратор

Интегратор предназначен для выполнения математической операции интегрирования. Напряжение на выходе этого устройства пропорционально интегралу от входного напряжения. Такую операцию выполняет инвертирующий усилитель с цепью обратной связи, образованной резистором R и конденсатором С.

Воспользуемся интегратором, построенном на микросхеме К 544УД 1. Рассчитаем постоянную интегратора RC из следующего выражения:

Пусть R8=100 КОм, тогда

Рисунок 7. Интегратор

3.4 Компаратор

Компаратор предназначен для сравнения двух напряжений, поступающих на его входы, и выдачи сигнала об их соотношении, например в момент их равенства. Любой операционный усилитель является компаратором. Если включить операционный усилитель без обратных связей, то при U1>U2 выходное напряжение будет максимально положительным, а при U1<U2 - минимально. Точность сравнения напряжений по выходам оценивается величиной

где Ku - коэффициент усиления. Поскольку Ku компаратора К 554СА 3 составляет не менее , то точность данного компаратора составит 66.6 мкВ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В нашем курсовом проекте используется компаратор серии К 554СА 3. Резисторы R9 и R10 служат для преобразования сигнала на выходе компаратора под ТТЛ логику.

Рисунок 9. Компаратор

3.5 Схема временного селектора

Схема временного селектора состоит из трех элементов логических "И-НЕ". При подаче на вход управляющего импульса сигнала "единицы", не смотря, что подаем на вход с компаратора, с выхода временного селектора будет выходить сигнал логического "нуля". А если на вход управляющего импульса подается уровень "нуля", а с компаратора поступает сигнал логической "единицы", то на выходе будет "единица".

Сам же временной селектор состоит из одного логического элемента "И". При подаче сигнала логической "единицы" в момент t1 на временной селектор он начинает пропускать импульсы от генератора счетных импульсов. В момент t2 поступает сигнал логического "нуля" и временной селектор закрывается. Число импульсов прошедших за промежуток (t1;t2) подсчитывает счетчик, что пропорционально измеряемому напряжению.

3.6 Система индикации

Система индикация состоит из четырех двоично-десятичных счетчиков, служащих для подсчета числа импульсов попавших в интервал. Четырех дешифраторов, преобразующих двоичный код в десятичный и индикатора отображающего число подсчитанных импульсов, эквивалентных измеряемому напряжению. Схема подключения полупроводникового семисегментного индикатора к двоично-десятичному счетчику сделана по схеме с общим катодом.

3.7 Генератор счетных и управляющих импульсов

Рассмотрим схему генератора с кварцевым резонатором, выполненным на логических элементах ИЛИ-НЕ. Элемент DD13.1 охвачен здесь 100 %-ной отрицательной обратной связью и, следовательно, представляет собой просто усилитель с коэффициентом передачи 1. Элемент DD13.2 представляет собой логический инвертор, который в моменты переключения из одного состояния в другое вносит в цепь небольшое усиление, достаточное для компенсации потерь в кварцевом резонаторе и, значит, для возникновения незатухающего колебательного процесса. Напряжение на выходе генератора имеет вид последовательности прямоугольных импульсов.

Основная задача генератора с кварцевым резонатором - получение колебаний с весьма стабильной частотой. Для этого, нужно в максимально возможной степени уменьшить влияние на работу кварцевого резонатора подсоединяемой к нему внешней электрической цепи. Для этой цели добавлен элемент DD11.3.Частота автогенератора будет определяться только частотой кварца.

Так как нам требуется частота импульсов 20 кГц и 20 Гц, то воспользуемся кварцевым генератором на 100 кГц. Используя два счетчика, разделим частоту генератора на 5 и получим 20 кГц и на 50 и получим 20 Гц - для управляющего импульса.

4. Разработка Омметра

По заданию необходимо с помощью разработанного вольтметра измерять сопротивление до 50 кОм с точностью 10%.

Сопротивление преобразуется в напряжение в соотношении: 49.99 кОм равно 4.99 Вольт, т.е. точность равна плюс-минус 10 Ом или 0.01 процента. Данное преобразование осуществляется с помощью схемы, в которой преобразуемое сопротивление используется в качестве нагрузки для стабилизатора тока.

Рисунок 13 Преобразователь сопротивления в напряжение

Между входами операционного усилителя DA4 (К 140УД 11) напряжение равно 0, напряжение на стабилитроне VD1 и на сопротивлении R2 приблизительно одинаковы, но разнонаправлены, следовательно, ток стабилизации равен:

(4)

Суммарный ток через стабилитрон VD1 и резистор R2 задается транзистором VT1, у которого затвор соединен с истоком, таким образом:

 (5)

Зададимся напряжением стабилизации 3.3 вольта, тогда при выходном напряжении равным 1 вольт и измеряемом сопротивлении 100кОм, сопротивление R2 равняется 330кОм.

5. Расчет погрешности вольтметра

Погрешность дискретности возникает при измерении интервала времени заполняемого счетными импульсами. Она возникает вследствие того, что моменты появления счетных импульсов не синхронизированы с фронтом заполняемого ими временного интервала. В реальной схеме непосредственно подсчитываются счетные импульсы, а не временные интервалы их следования, поэтому округление может производиться как в сторону большего, так и в сторону меньшего значения, не обязательно до ближайшего целого.

Максимальное значение абсолютной погрешности составляет "плюс-минус" один период следования счетных импульсов.

Так при частоте F0=20 кГц период следования т.е. максимум абсолютной погрешности составляет

За это время измеренное напряжение:

Таким образом, максимальная абсолютная погрешность на каждом пределе составит:

1 В - 0.001 В.

10 В - 0.01 В.

100 В - 0.1 В.

Приведенная погрешность измерения выражается отношением максимальной абсолютной погрешности к конечному значению предела измерения

.

Полная погрешность вольтметра определяется как сумма погрешностей отдельных блоков вольтметра. В данном случае это: погрешность входного делителя напряжения, погрешность индикации, погрешность дискретности и погрешность задающего генератора.

=вх+инд+дис+ген

вх - погрешность входного делителя, так как в делителе используются прецизионные резисторы, то погрешность делителя определяется погрешностью этих резисторов и составляет 0.05%.

инд - погрешность индикации равна 10-3

ген - так как в генераторе используется кварц, то погрешность генератора составляет 0,01%

=0,05+0,001+0,01+0,1=0,161

Данная погрешность не превышает заданную.

6. Расчет потребляемой мощности ЦВ

В разработанном устройстве применены различные цифровые и аналоговые микросхемы, питание микросхем осуществляется от различных источников напряжения, они потребляют различные токи. Для удобства расчета сведем все параметры в таблицу (см. табл.1).

Таблица 1. Параметры микросхем
Микросхема	Кол-во	Uпит, В	Iпотр, мА	Рпотр, мВт
КР 544УД 1	3	15	3,5	157,5
К 554СА 3А	3	15	6	270
К 561ЛЕ 1	2	5	5,4	54
К 561ЛБ 1	3	5	4,4	66
К 561ЛИ 1	1	5	6,8	34
К 561ИЕ 2	5	5	15	375
К 561ИЕ 5	1	5	15	75
К 561ИД 1	4	5	50	1000

Таким образом: для напряжения +5В потребляемая мощность составляет 1604 мВт или 1.6 Вт; для напряжения 15В потребляемая мощность составляет 427.5 мВт или 0.4 Вт. Следовательно, все устройство потребляет 2.031 Вт. Для большей надежности увеличим потребляемую мощность на 30%, она составит 2.64 Вт.

7. Блок питания

Блок питания цифрового вольтметра содержит несколько жестко стабилизированных источников питания: выпрямитель для питания операционных усилителей (ОУ), обеспечивающий напряжение 15 В, выпрямитель на микросхеме DA1 для питания микросхем ТТЛ, построенном на микросхеме К 140ЕН 5В, и выпрямитель для опорного напряжения.

Исходя из потребляемой устройством мощности, выберем для блока питания трансформатор ТПП 281-127/220-50, обеспечивающий выходное напряжение на вторичных обмотках 20В и обладающий следующими параметрами:

U1=220В; I1=0.1A; P=14.5 Вт; U2=20 В.

Таким образом, с обмоток 4-5 и 5-6, соединенных последовательно, через диодный мост, стабилизатор фиксированного двухполярного напряжения DA4 (К 142ЕН 6А) будет получено напряжение плюс-минус 15В (максимальная мощность равна 6Вт) с коэффициентом нестабильности равным 0,0016 процента, чего вполне достаточно для самых высокоточных приборов.

Конденсаторы С 4-С 12 служат для сглаживания пульсаций входного и выходного напряжения.

С обмотки 1-2 через диодный мост напряжение подается на стабилизатор напряжения DA1 (К 142ЕН 5В), причем с выхода DA1 снимается напряжение плюс 5В (номинал). На выходе DA1 ток до 150 мА. Коэффициент нестабильности данной микросхемы по напряжению КнсU=0.3% (не более), по току КнсI=0.5% (не более).

Выпрямитель для опорного напряжения построен на микросхеме К 142ЕН 5А и операционном усилителе К 140УД 7.

Коэффициент нестабильности этого выпрямителя 0.001% в широком интервале напряжений и токов. Повышение точности достигается путем введения отрицательной обратной связи (ООС), состоящей из измерительного моста R1-R3;VD1; ОУ DA3. Выходное напряжение на данном выпрямителе "минус" 12 В. Далее, с помощью делителя напряжения, мы получаем требуемое опорное напряжение.

Заключение

В данном курсовом проекте был разработан цифровой вольтметр (ЦВ), работающий по принципу двойного интегрирования и имеющий следующие технические характеристики:

Вид измеряемого напряжения - постоянное;

Пределы измерения - 100-0 В

Точность измерения - 0.3%

Время измерения - 0,05 с

Так же был разработан омметр, измеряющий сопротивление до 50 кОм с точностью 10%.

Для питания цифрового вольтметра был разработан блок питания, вырабатывающий все необходимые напряжения.

Литература

Радио 91 №3 стр.50

А.В. Шилейко "Электронные устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи", 1989 г.

С.В. Якубовского "Аналоговые и цифровые интегральные схемы", 1979 г.

Б.В. Тарабрин "Справочник по интегральным микросхемам", 1980 г.

Б.В. Тарабрин "Справочник по интегральным микросхемам", 1977 г.

М.И. Богданович и др. "Цифровые интегральные микросхемы", 1991 г.

Е.С. Липин "Применение полупроводниковых индикаторов", 1991 г.

Б.В. Тарабрин "Интегральные микросхемы", 1985 г.

Н.Н. Акимов и др. "Резисторы. Конденсаторы. Трансформаторы. Дроссели. Коммутационные устройства. РЭА", 1994 г.

А.Г. Алексеенко "Применение прецизионных аналоговых микросхем", 1985 г.

Размещено на Allbest.ru