Аннотация
измерительный техника интегратор компаратор
В данном курсовом проекте разработан цифровой вольтметр (ЦВ),работающий по принципу двойного интегрирования и имеющий следующие технические характеристики:
Вид измеряемого напряжения – постоянное;
Пределы измерения-10-0 В
Точность измерения0.008 %
Время измерения0.05 с
Основная элементная база цифрового вольтметра –цифровые микросхемы ТТЛ логики. Схема ЦВ предусматривает выбор одного из двух пределовизмерения (для более точного измерения малых напряжений), защиту входной цепи отперенапряжения и подачи напряжения обратной полярности. Для питания ЦВ разработанасхема 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. Рассчитаем делитель:
3.2 Электронный переключатель
3.3 Интегратор
3.4 Компаратор
3.5 Триггер
3.8Генератор счетных импульсов и устройство управления
4 Расчет погрешности вольтметра
5 Расчет потребляемой мощности ЦВ
6 Блок питания
Заключение
Литература
Приложение А
Приложение Б
Приложение В/>
/>/>/>/>/>/>/>/>Введение
Измерительная техника — один из важнейшихфакторов ускорения научно-технического прогресса практически во всех отраслях народногохозяйства.
При описании явлений и процессов, а также свойствматериальных тел используются различные физические величины, число которых достигаетнескольких тысяч: электрические, магнитные, пространственные и временные; механические,акустические, оптические, химические, биологические и др. При этом указанные величиныотличаются не только качественно, но и количественно и оцениваются различными числовымизначениями.
Установление числового значения физической величины осуществляетсяпутем измерения. Результатом измерения является количественная характеристика ввиде именованного числа с одновременной оценкой степени приближения полученногозначения измеряемой величины к истинному значению физической величины. Нахождениечислового значения измеряемой величины возможно лишь опытным путем, т.е. в процессефизического эксперимента.
Измерительная техника начала свое развитие с 40-хгодов XVII в. и характеризуется последовательнымпереходом от показывающих (середина и вторая половина XIX в.), аналоговых самопишущих (конец XIX – начало XX в.), автоматическихи 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 новоготипа, 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 техникив настоящее время привело к созданию цифровых вольтметров постоянного тока, погрешностьпоказаний которых ниже 0,0001%, а быстродействие преобразователей напряжение-коддостигает нескольких миллиардов измерений в секунду.
Широкие возможности открылись перед измерительнойтехникой в связи с появлением микропроцессоров и микроЭВМ. Благодаря им значительнорасширились области применения средств измерительной техники, улучшились их техническиехарактеристики, повысились надежность и быстродействие, открылись пути реализациизадач, которые ранее не могли быть решены.
По широте и эффективности применения микропроцессороводно из первых мест занимает измерительная техника, причем все более широко применяютсямикропроцессоры в системах управления. Трудно переоценить значение микропроцессорови микроЭВМ при создании автоматизированных средств измерений, предназначенных дляуправления, исследования, контроля и испытаний сложных объектов.
Развитие науки и техники требует постоянногосовершенствования средств измерительной техники, роль которой неуклонно растет.
/>/>/>/>/>/>/>/>/>1.Структурная схема цифрового вольтметра
Структурная схема цифрового вольтметра с двойныминтегрированием приведена на рисунке 1. Цикл преобразования состоит из двух интерваловвремени Т1 и Т2.
В начале цикла устройство управления вырабатываетпрямоугольный импульс калиброванной длительности Т1, который подаетсяна электронный переключатель. И за время Т1 с входного устройства черезэлектронный переключатель на интегратор подается входное напряжение постоянноготока. Начинается первый такт интегрирования “вверх”, при котором выходное напряжениеинтегратора 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 входномунапряжению Ux. В момент t1 (рисунок 2), когданаступило окончание первого импульса, триггер из состояния «0» перебрасывается всостояние «1», а электронный переключатель отключает входное напряжение от интегратораи к интегратору подключается источник опорного напряжения.
Напряжение на компараторе остается равным «1». Иначинается второй такт интегрирования “вниз”, т.к. источник опорного напряженияимеет противоположную полярность по отношению к измеряемому напряжению. Напряжениена выходе интегратора линейно убывает. И в момент t2, когда напряжение на выходе интегратора будет равно «0», тогдакомпаратор переключится из состояния «1» в состояние «0». И в этот же момент триггерзакроется, т.е. на его выходе будет состояние «0» Во время второго такта, когдатриггер открыт, через него проходят импульсы высокой частоты на временной селектор,т.е. во временном селекторе импульс, который приходит с триггера, заполняется импульсамивысокой частоты, приходящих с генератора тактовой частоты. Это количество импульсовпропорционально измеряемому напряжению.
Начало следующего цикла задается фронтом импульсаТ1.
/>/>
Рис.
/>
Рисунок 2 — Графики, поясняющие принцип работы вольтметра
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>2 Расч/>ет основных параметров вольтметра
Напряжение на выходе интегратора при интегрировании «вверх»в произвольный момент времени (начало отсчета времени – момент появления фронтаимпульса длительностью Т1):
/>;(1)
где RC – постоянная времениинтегратора; t – независимая переменнаявеличина (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 заканчиваетсякогда выходное напряжение интегратора становится равным нулю, то, положив в формуле(2) />, получим:
/>(3)
Перепишем (3) в виде: />; (4)
где tи — время управляющего импульса.
Так как у нас время измерения равно 0,05с., то время первоготакта интегрирования равно: />с.
Для более точного расчёта примем />с.(исходя из того, что в сетисуществуют помехи и для уменьшения вероятности их появления Т1 возьмём кратным периодуколебания (f=50 Гц, Т1=1/f=0.02 c) ).
Для обеспечения заданной точности измерения (0.008%), входноенапряжение должно измеряться с точностью 0,0008В. Следовательно в схеме индикациимы используем 5 индикаторов. Одному вольту входного напряжения у нас соответствуетNx=10000импульсов. Так как максимальное время измерения Т1=0,02с., то частота счётных импульсовпоступающих с генератора равна:/>кГцЧастота управляющего импульсавычислим по формуле:/>Гц
/>/>/>/>/>/>/>/>3. Схемотехника узлов цифровоговольтметра/>/>/>/>/>/>/>/>/>/> 3.1 Расчет входного устройства
Входное устройство состоит из схемы защиты от перенапряжения,схемы индикации перегрузки и обратной полярности, а также делителя.
Делитель предназначен для выбора пределов измерения за счетделения входного напряжения. В нашем случае два предела измерения: -10 – 0 B, -1–0 B.Рассчитаемделитель:
В качестве R3, R4 и R5 используемпрецизионные резисторы типа С5-60 мощностью 0.25 Вт и с допуском 0.001% с предельнымрабочим напряжением 250В, что обеспечит необходимый запас прочности по напряжению.Подбираем окончательно значения сопротивлений резисторов делителя.
Суммарная максимальная погрешностьделителя составляет/>/>
примем входное сопротивление вольтметра равным 10 МОм, тогдаR4=9,9 МОм, R3= 90 кОм, R5= 10 кОм.
Для защиты от перенапряжения воспользуемся стабилитроном и резистором,ограничивающими ток на входе. Для данной схемы возьмём стабилитрон 2C311 [6], Iном которого равен 5 мА и напряжение стабилизации Uст равно 1.3 В. Тогда R6 выберем из расчёта:
/>
Устройство индикации перенапряжения и полярностипостроено на двух компараторах К554СА3 и двух светодиодах АЛ341 — DA3.2, DA4.1 и VD2,VD3 соответственно.Работа устройства: если напряжение с делителя не превышает десяти вольт, то на выходекомпаратора DA3.2 – нулевой сигнал. При увеличении измеряемого напряжениядо величины более 10 В на выходе компаратора появляется сигнал логической 1 и светодиодVD1начинает светиться.
Если напряжение на делителе положительное, то компараторDA4.1на выходе имеет сигнал «0». Если же напряжение отрицательное, то на выходе DA4.1 – «1», и светодиодVD4сигнализирует об обратной полярности измеряемого напряжения. Микросхема К554СА3выбрана на основе [4], а светодиоды АЛ341 на основе [5], там же находятся их основныехарактеристики.
В схеме входного устройства для усиления напряженияв 10 раз воспользуемся операционным усилителем К140УД6.
Рассчитаем сопротивления R1 и R2:
/>, />, />
/>
Рисунок 5 – Входное устройство
/>3.2 Электронный переключатель
Электронный переключатель DA1 построен на микросхемеКР590КН8 [4]. Этот ключ работает следующим образом: при подаче управляющего импульсана #1, соединяется линия 1. При подаче управляющего импульса на #2, соединяетсялиния 2. На выходе ключа линии 1 и 2 соединены вместе. Элемент «И-НЕ» DD4.1 служит дляпереключения измеряемого напряжения на опорное напряжение в момент t1 (см рисунок 2),для того чтобы интегратор начал процесс интегрирования «вниз». Элементы DD 3.1 и 3.2 служат для того, чтобы интегрирование «вниз» останавливалосьна нуле.
/>
Рисунок 6 – Электронный переключатель/>/>/>/>/>/>/>/>/>3.3 Интегратор
Интегратор предназначен для выполнения математической операцииинтегрирования. Напряжение на выходе этого устройства пропорционально интегралуот входного напряжения. Такую операцию выполняет инвертирующий усилитель с цепьюобратной связи, образованной резистором R и конденсатором С.
Воспользуемся интегратором построенном на микросхеме К544УД1[7]. Рассчитаем постоянную интегратора RC из следующего выражения:
/>
Пусть R5=100 КОм, тогда />
/>
Рисунок 7 — Интегратор/>/>/>/>/>/>/>/>3.4 Компаратор/>
Компаратор предназначен для сравнения двух напряжений, поступающихна его входы, и выдачи сигнала об их соотношении, например в момент их равенства.Любой операционный усилитель является компаратором. Если включить операционный усилительбез обратных связей, то при U1>U2 выходное напряжение будет максимально положительным, а приU1 где Ku – коэффициент усиления. Поскольку Ku компаратора К554СА3 составляет не менее />, то точность данного компараторасоставит 66.6 мкВ.
/>
В нашем курсовом проекте используется компаратор серии К554СА3[4].
/>
Рисунок 9 — Компаратор/>/>/>/>/>/>/>/>3.5 Триггер
В качестве триггера возьмём JK- триггер К155ТВ1[4], схема подключения которого изображена на рисунке 10. Работа JK- триггера объясняетсяна основе таблицы состояний.
/>
Рисунок 10 – Триггер
3.6 Схема временного селектора
Схема временного селектора состоит из логического элемента «И».При подаче на вход импульса с триггера сигнала «единицы», на выходе будет последовательностьимпульсов, идущих с ГСИ. А если с триггера пойдет сигнал логического«нуля», то навыходе всегда будет «ноль»./>
Число импульсов прошедших за промежуток (t1;t2) подсчитываетсчетчик, что пропорционально измеряемому напряжению.
/>
Рисунок 11 – Временной селектор
/>
3.7 Система индикации
Для индикации измеряемого напряжения необходимо, прежде всего,преобразовать информацию, полученную на выходе счётчика импульсов, в цифры на индикаторах.Так как используется 5 индикаторов, то необходимо разбить число на выходе счётчикана 5 разряда. Затем полученные десятичные разряды с помощью дешифраторов податьна входы сегментных индикаторов.
В качестве счётчиков и дешифраторов выберем 5 микросхем К555ИЕ19и 5 К555ИД2 соответственно [1]. Микросхемы К555ИЕ19 являются одновременно и четырехразрядные двоично-десятичные счетчики, и счётчиками-делителями на 10. Таким образом,соединив между собой последовательно эти микросхемы и к ним присоединить дешифраторы,а затем и индикаторы, получим систему индикации измеряемого напряжения. В дешифраторахимеются триггеры памяти, запись в которые производится по фронту положительногоимпульса по входу S.
В качестве индикаторов используем микросхемы АЛС314А [8,10].
/>
Рисунок 12 – Система индикации
Рисунок 12 – Система индикации />/>3.7 Генератор счетных и управляющихимпульсов
Рассмотрим схему генератора с кварцевым резонатором, выполненнымна логических элементах ИЛИ-НЕ. Элемент DD14.1 охвачен здесь 100 %-нойотрицательной обратной связью и, следовательно, представляет собой просто усилительс коэффициентом передачи 1. Элемент DD14.2 представляет собой логический инвертор, который в моментыпереключения из одного состояния в другое вносит в цепь небольшое усиление, достаточноедля компенсации потерь в кварцевом резонаторе и, значит, для возникновения незатухающегоколебательного процесса. Напряжение на выходе генератора имеет вид последовательностипрямоугольных импульсов.
Основная задача генератора с кварцевым резонатором — получениеколебаний с весьма стабильной частотой. Для этого, нужно в максимально возможнойстепени уменьшить влияние на работу кварцевого резонатора подсоединяемой к немувнешней электрической цепи. Для этой цели добавлен элемент DD14.3.Частота автогенераторабудет определяться только частотой кварца.
Так как нам требуется частота импульсов 500 кГц и 20 Гц, товоспользуемся кварцевым генератором на 500 кГц. Используя два 4-х разрядных счетчикаК155ИЕ5 и элемент К555ИЕ19 (два 4-х разрядных счетчика). Разделим частоту на 25000и получим 20 Гц – для управляющего импульса.
/>
Рисунок 14 – Генератор управляющих импульсов
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>4. Расчет погрешности вольтметра
Погрешность дискретности возникает при измерении интервала временизаполняемого счетными импульсами. Она возникает вследствие того, что моменты появлениясчетных импульсов не синхронизированы с фронтом заполняемого ими временного интервала.В реальной схеме непосредственно подсчитываются счетные импульсы, а не временныеинтервалы 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=500 кГц период следования/>/> т.е. максимум абсолютной погрешности составляет />
Полная погрешность вольтметра определяется как корень из суммыпогрешностей отдельных блоков вольтметра. В данном случае это: погрешность входногоделителя напряжения, погрешность индикации, погрешность дискретности и погрешностьзадающего генератора.
/>
sвх – погрешность входногоделителя, так как в делителе используются прецизионные резисторы, то погрешностьделителя определяется погрешностью этих резисторов и составляет 0.002%.
sинд — погрешность индикацииравна 0,001%
/> – погрешность дискретизацииравная/>%
/>
Данная погрешность не превышает заданную.
5. Расчет потребляемой мощности ЦВ
В разработанном устройстве применены различные цифровые и аналоговыемикросхемы, питание микросхем осуществляется от различных источников напряжения,они потребляют различные токи. Для удобства расчета сведем все параметры в таблицу(см. таблицу 2).Таблица 2 – Параметры микросхем Микросхема Кол-во Uпит, В Iпотр, мА Рпотр, мВт КР544УД1 1 15 3,5 52,5 К554СА3 2 15 6 180 К155ТВ1 1 6 15 90 К155ИЕ5 1 5 20 100 К555ИЕ19 4 5 26 520 К555ИД2 4 5 10 200
Таким образом: для напряжения +5В потребляемая мощностьсоставляет 820 мВт или 0.82 Вт; для напряжения ±15В потребляемаямощность составляет 232,5 мВт или 0.232 Вт. Следовательно все устройство потребляет1,052 Вт. Для большей надежности увеличим потребляемую мощность на 30%, она составит1,368 Вт.
6. Блок питания
/>
Источник питания имеет выводы с напряжением: +15, -15, +5, -5,-12.5, +10.1. Суммарная потребляемая мощность элементов, используемых в вольтметре,питающихся от различных напряжений равна:
при Uпит=+15 В »0.3Вт(»0.02А)
при Uпит=-15 В »0.3Вт(»0.02А)
при Uпит=+10.1 В »1.385Вт(»0.277А)
Исходя из этого наиболее подходящим является трансформатор ТПП258-127/220-50. Исходя из его характеристик можно сделать вывод, что допустимыйток вторичных обмоток трансформатора больше (для Uпит=±15 В более, чем в 20раз, а для U=±5 В – почти в 1.5 раза) максимально возможного потребляемоготока элементами вольтметра для каждого из Uпит, а это значит, что данныйтрансформатор можно применять для питания элементов в схеме. Особенностью трансформаторатипа ТПП является то, что у него, как правило, низкое напряжение вторичных обмоток,поэтому данный тип трансформатора применяется в основном для питания устройств врадиоэлектронике.
В качестве выпрямительных элементов используем микросхемы К142НД1- набор диодов. Нумерация выводов приведена на рисунке 13.
/>
Рисунок 13 — Выпрямительный элемент К142НД1
В блоке питания также применяются схемы делителейнапряжения для получения+10.1в на резисторахс2-29в равных r2=1ком и r3=2ком;-12.5в на резисторахr4=1ком и r5=0.2комс допусками 0.05%.
Для сглаживания пульсацийприменены конденсаторы конденсаторы типов К50-20 на 2000мкФ (С1, С3, С5, С7, С9,С11) для сглаживания пульсаций, К40У-9 на 1мкФ (С2, С4, С6, С8, С10, С12) для борьбыс ВЧ помехами.
Схемы стабилизации напряженияслужат для стабилизации в цепи выходного напряжения и выполнена согласно требованиямнашего вольтметра на стабилизаторах К142ЕН5А и К142ЕН8Б.
Схема включения приведена на рисунке 14.
/>
Рисунок 14- Схема включения стабилизатора напряжения
Основные параметры трансформатора ТПП258-127/220-50приведены в таблице 3, стабилизаторов К142ЕН5А и К142ЕН8Б – в таблице 4.
Таблица 3 – Параметры трансформатораНоминальная мощность, ВА Напряжение вторичных обмоток, В Допустимый ток вторичных обмоток, А 31,0 11-12 13-14 15-16,17-18 19-20 21-22 0,475 10 9,98 20 2,6 2,6
Таблица 4 – Параметры стабилизаторовТип стабилизатора
КнU,%
КнI,%
Uвых, В
Iпот, мА К142ЕН5А 0,05 3 4,9..5,1 10 К142ЕН8Б 0,05 1 14,55..15,45 10
/>
Рисунок 15- Блок питания
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>Заключение
В данном курсовом проекте был разработан цифровой вольтметр(ЦВ), работающий по принципу двойного интегрирования и имеющий следующие техническиехарактеристики:
Вид измеряемого напряжения – постоянное;
Пределы измерения0-10 В
Точность измерения0.1%
Время измерения0.01 с
Для питания цифрового вольтметра был разработан блок питания,вырабатывающий все необходимые напряжения.
Литература
/>/>/>/>
1. В.Л. Шило «Популярныецифровые микросхемы»; Справочник. Челябинск. «Металлургия», 1989 г.
2. «Резисторы». Справочник. М. «Радио и связь», 1993г.
3. «Конденсаторы». Справочник. М. «Радио и связь», 1993г.
4. «Цифровые и аналоговые интегральные схемы». Справочник. М.«Радио и связь», 1990г.
5. «Диоды». Справочник. М. «Радио и связь», 1990г.
6. «Полупроводниковые приборы: диоды, выпрямители, стабилитроны,тиристоры». Справочник. М «КУБ-а». 1994г.
7. В.С Гутников «Операционные усилители». М. «Энергия». 1975г.
8. Б.Л. Лисицын «Отечественные приборы индикации и их зарубежныеаналоги».
9. «Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационныеустройства РЭА». Справочник. Минск. «Беларусь». 1994г.
10. Вуколов Н.И, Михайлов А.Н., «Знакосинтезирующие индикаторы».Справочник. М. «Радио и связь», 1993г.
11. А.В. Шилейко «Электронные устройства железнодорожной автоматики,телемеханики и связи», 1989 г.
12. Цифровые интегральные микросхемы; Справочник. Минск. «Беларусь»,1991г. 13 В.С. Кострома, В.Я. Яцкевич «Электронные устройства в железнодорожнойавтоматике, телемеханике и связи». Методические указания по курсовому проектированию.Часть I. Разработка цифрового вольтметра.