Разработка цифрового вольтметра
Разработка цифрового вольтметра
Аннотация
вольтметр схема цифровой электронный
В данном курсовом проекте Разработка цифрового вольтметра изложены цели и задачи курсового проекта, дается анализ структурной схемы и расчет основных параметров цифрового вольтметра постоянного напряжения.
В проекте указывается на достоинства и недостатки метода двойного интегрирования напряжения. На основе этого метода и выбранной элементной базы разработана принципиальная схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием напряжения, дано подробное описание принципа его работы. Также описано функционирование основных узлов цифрового вольтметра и сделан краткий вывод по данному курсовому проекту.
Исходные данные:
Вид изменяемого напряжения - постоянное.
Структурная схема вольтметра - С (двойное интегрирование)
Пределы измерения - 0-1; 0-10; 0-100 В.
Точность измерения - 0.1%
Время измерения - 0.1 с.
Элементная база - ТТЛ (155 серия)
Конструктивное исполнение - светодиодная индикация.
Введение
Цифровая измерительная техника является основной и наиболее развивающейся частью измерительной техники, представляет собой совокупность цифровых измерительных приборов (ЦИП), методов их проверки и правил эксплуатации.
Средства цифровой измерительной техники наилучшим образом сопрягаются со средствами вычислительной техники, обладают высокой точностью и быстродействием.
Цифровыми называются такие измерительные устройства, в которых измеряемая величина автоматически в результате квантования и цифрового кодирования представляется кодовым сигналом, выражающим значение измерительной величины.
Цифровые измерительные устройства разделяются на цифровые измерительные приборы (ЦИП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП), ЦИП являются автономными устройствами, выдают значения измеряемой величины автоматически в визуальном виде на отдельном цифровом отсчётном или регистрирующем устройстве.
АЦП не имеет отсчётных или регистрирующих устройств. Являются частью ЦИП или более сложных измерительно-информационных систем и выдают результат измерения обычно в виде электрического кодового сигнала.
Основные направления создания ЦИП:
разработка ЦИП со встроенным микропроцессором, с автоматизацией выбора пределов и рода измеряемой величины;
разработка ЦИП высокого быстродействия с параллельными и комбинированными структурами.
Разработка ЦИП с узлами различного функционального преобразования.
Одну из групп среди ЦИП составляют цифровые вольтметры (ЦВ) постоянного тока. ЦВ используются как отдельные приборы, служат основой цифровых мультиметров (ЦМ), позволяющих измерять различные электрические величины и параметры электрических цепей.
ЦВ обладают следующими свойствами (достоинствами)- высокой точностью измерения напряжения (0.001%); широким диапазоном измерений при высокой чувствительности (от 10 до 10 В); отсчётом в цифровой форме (практически исключающем глазомерные ошибки и создающим удобство наблюдения на расстоянии); быстродействием (до 10 изм/с); автоматическим выбором предела и полярности; возможностью получения результатов наблюдений в форме, удобной для ввода в ЭВМ; возможностью вывода на интерфейсную шину и включение в состав измерительно-вычислительного комплекса.
По схемному решению ЦВ делят на две основные группы: с жёсткой логикой и микропроцессорным программным управлением.
По методу аналого-цифровые преобразования различают ЦВ со следующими видами преобразований:
время - импульсным (с одно-, двух-, и трёхкратным интегрированием);
по методу поразрядного кодирования;
напряжения в частоту (частотно- импульсным преобразованием);
комбинированные, сочетающие несколько методов.
По элементной базе ЦВ разделяются на приборы, выполненные на электронных лампах, полупроводниковых приборах, интегральных микросхемах и микропроцессорах. В настоящее время основной парк составляют ЦВ, выполненные на цифровых и аналоговых микросхемах средней степени интеграции.
Широкое применение находят специальные микросхемы, заменяющие целые функциональные блоки ЦВ. Практически все ЦВ выполняются с применением печатного монтажа и использовании автоматизированных технологических установок при их монтаже.
1. Структурная схема вольтметра
Структурная схема вольтметра приведена на рисунке 1, а графики, поясняющие работу схемы на рисунке 2.
Рисунок 1 - структурная схема вольтметра с двойным интегрированием напряжения.
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;- сопротивление, Ом;- емкость конденсатора, Ф;вх - входное напряжение, В;- начальный момент интегрирования (момент появления фронта импульса Т1);- 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.
Т1.
Рисунок 2 - Графики, поясняющие принцип работы вольтметра
2. Расчёт 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=0.1, то
;
;
Из последней формулы выразим время tx:
; ;
Пусть опорное напряжение Uоп=1 В; Ux=0.1 В; тогда
с;
с;
Примем tu = 0.1c и вычислим частоту управляющего импульса по формуле:
Гц;
Теперь найдем частоту генератора счетных импульсов:
имп.
Исходя из того, что Nx=1000000, частота счетных импульсов
Таким образом частота управляющих импульсов 10 Гц, а счетных 10000 кГц.
3. Схематика основных узлов цифрового вольтметра
.1 Входной делитель напряжения
Необходимое напряжение на входе усилителя обеспечивает входной делитель напряжения, представленный на рисунке 3:
Рисунок 3 - Входной делитель напряжения
Примем сопротивление на входе делителя равным 1 МОм. То есть:
вх = R1 + R2 + R3+ R4;
= R1 + R2 + R3+ R4;
Рассчитаем номиналы резисторов по формуле:
;
Следовательно, для предела 0-1 В формула будет выглядеть следующим образом:
+ R3+ R4= 100000 Ом.
Для предела 0-10 В:
+ R4 = 10000 Ом.
Для предела 0-100 В:
= 1000 Ом.
Следовательно:
= 10000 - 1000 = 9000 Ом.= 100000 - R3 - R4;= 90000 Ом. = 1000000 - R2 - R3 - R4;= 900000 Ом.
Необходимые резисторы для делителя имеют следующие номиналы, с учётом стандартизированных значений:1 = 900 кОм. 2 = 90 кОм. 3 = 9 кОм.4 = 1000 Ом.
.2 Входной усилитель
В качестве входного усилителя используется операционный усилитель общего назначения. В данном случае применим прецизионный операционный усилитель, выполненный на микросхеме К544УД1А (рисунок 4). Данный операционный усилитель имеет коэффициент передачи 110.
Рассчитаем сопротивления R7 и R6. Примем R6 = 100кОм.
=> R7 = 910 Ом.
В качестве защиты от перенапряжения и обратной полярности используется схема, содержащая компаратор DА4, который реализован на микросхеме К1401СА1.
На вход компаратора подаются напряжения с операционных усилителей DА2 и DА3, которые сравниваются с эталонным значением. Если сравниваемое напряжение выше эталонного, то компаратор открывает транзистор VT1. Срабатывает реле К1, размыкает входную цепь и замыкает цепь питания VD5, который индицирует перегрузку.
Параметры этого операционного усилителя приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Параметры ОУ К544УД1А
Uип,ВUвх,ВUвых,ВIпот,мАRвх,ОмIвх,нА±15В±10%£10³10£3.5109..1011£200
Схема электрическая принципиальная входного устройства изображена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Схема входного усилителя и устройства защиты от перегрузки.
Кнопка SB4 служит для снятия реле с режима самопитания. Диоды VD1 и VD2 служат для фильтрации необходимой полярности входного сигнала. VD1 пропускает только положительный потенциал, VD2 - отрицательный, позволяя тем самым предусмотреть возможность измерения отрицательного потенциала на входе. Диоды VD3 - VD4 служат для фильтрации отрицательного потенциала на входе компаратора DA4, что в свою очередь обеспечивает необходимый режим работы компаратора.
.3 Генератор управляющих импульсов
Для функционирования схемы цифрового вольтметра с время - импульсным преобразованием напряжения необходим генератор эталонных импульсов, разрешающих работу схемы счёта. В данном ЦВ время измерения T0=0.1с. Таким образом, форма эталонных импульсов рассчитывается в следующем виде:
Для получения импульсов эталонной частоты используется схема формирования импульсов на основе генератора с кварцевой стабилизацией. Так как на выходе генератора частоты с кварцевой стабилизацией имеем 20000кГц, то для получения частоты эталонных импульсов Fизм=10000кГц, необходим делитель на 2. Этот делитель реализован на основе двух двоичных двенадцатиразрядных счётчиков DD2,DD4 - К155ИЕ5. На вход DD2 подаются импульсы с генератора. Параметры этого счётчика приведены в таблице 4.
Таблица 2 - Параметры микросхемы К155ИЕ5
Uип,ВU(0)вых,ВU(1)вых,ВIпот,мкА10В±10%£1.0³9.0£80
Когда на выходе счётчиков значение 400000 (1000011001000111), счётчик сбрасывается.
Схема электрическая принципиальная формирователя импульсов приведена на рисунке 5.
Рисунок 5 - Генератор управляющих сигналов
С микросхем DD2 и DD4 снимается частота 10000кГц. Когда на выходах этих микросхем появится число 10000000(10001001100), тем самым обеспечится деление тактовых импульсов на 2. С микросхем DD3 - DD6 снимается частота 5 Гц (проходит деление частоты на 400000(11000011010100000)).
Рисунок 6 - Генератор тактовых сигналов
Тактовый генератор выполнен на логических элементах D1.1 и D1.2, которые выполняют логическую функцию ИЛИ-НЕ.
Это микросхема К155ЛА3. Микросхемы типа ЛИ (ЛИ1...ЛИ7) выполняют логическую функцию mИ-НЕ. Как отмечалось ранее, функцию можно реализовать с помощью логического элемента И-НЕ, переименовав его логические уровни (такой способ непрактичен), или применив специальную ИС И-НЕ, где напряжение низкого уровня Н соответствует логическому нулю, а напряжение высокого уровня В - логической единице.
Каждый из корпусов ИС типа ЛА содержит от двух до четырёх логических элементов. Основные параметры микросхемы находятся в таблице 1.
Частота генерации задаётся с высокой точностью с помощью кварцевого генератора ZQ1. Был выбран кварцевый резонатор РВ-04 с частотным диапазоном до 20000 кГц. Кварцевый резонатор включен в цепь положительной обратной связи с выхода D1.2 на вход D1.1. Резистор R10 выводит элемент D1.1 в активный режим.
Таблица 4 - параметры микросхемы логического элемента.
Icc, mAT, C8.8-55…+125
3.4 Электронный переключатель
Электронный переключатель SW1 построен на микросхеме КР590КН9. 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».
Рисунок 7 - Электронный переключатель
.5 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 К544УД1. Рассчитаем постоянную интегратора RC из следующего выражения:
Пусть R19=100 КОм, тогда
Рисунок 8 - Генератор линейно-изменяющегося напряжения.
Таблица 3 - Основные параметры операционного усилителя.
ТипКР140УД17АКоэффициент усиления дБ>88Частота единичного усилениямГц>0.8Н-е источника питанияВ15Потребляемый токмА<2.8Макс. амплитуда вх. напряженияВ11.5Напряжение смещениямВ4Ток входнойнА<200Сопротивление входноеМОм>40Сопротивление выходноеОм<150Макс. допустимое сопр. нагрузкикОм2
.6 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 К554СА3 составляет не менее , то точность данного компаратора составит 66.6 мкВ.
В нашем курсовом проекте используется компаратор серии К554СА3. Резисторы R9 и R10 служат для преобразования сигнала на выходе компаратора под ТТЛ логику.
Рисунок 9 - Компаратор
.7 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.
Рисунок 10 - Временной селектор
3.8 Устройство индикации
Схема счёта и индикации реализована на базе четырёх счётчиков с выходом на семисегментные индикаторы (DD9 - DD12, HG1-HG4), подключённых последовательно. HG1-HG4 представляют собой семисегментные индикаторы AЛС324А. Переключатели SB1.2, SB2.2, SB3.2 служат для переключения плавающей точки индикаторов для визуального наблюдения точности результата измерения.- DD12 представляют собой десятичные счётчики с выходом на семисегментные индикаторы.. С выходов f/2 счётчиков DD9 - DD12 (К176ИЕ4) снимается старший разряд и передаётся в следующий по порядку счётчик. В соответствии с потребляемым током и входным напряжением светодиодных индикаторов индикаторов, примем сопротивление резисторов R18 - R47 равным 100 Ом.
Рисунок 8 - Устройство индикации
Подключение индикаторов осуществляется через транзисторы КТ312А. Транзисторы работают в ключевом режиме и в соответствии с двоичным кодом счётчиков открываются и передают питание 10В на семисегментные индикаторы индикаторы. Для согласования уровней ТТЛ и КМОП применяется преобразователь уровней.
3.9 Блок питания
Рассчитаем необходимую мощность и ток вторичных обмоток трансформатора для питания цифрового вольтметра:
Исходя из расчётов, возьмём трансформатор ТПП 281-127/220-50 обеспечивающий выходное напряжение на вторичных обмотках 20В и обладающий следующими параметрами:
Таблица 6 - Параметры ТПП 281-127/220-50
Номинал трансформатораНом.мощностьТок первичной обмоткиНапряжение вторичной обмотки, ВВыводы вторичных обмоток11 -1213 -1415 -1617 -1819 -2021 - 22Ток вторичной обмоткиТПП 281-127/220-5072,00,7210,010,020,020,02,622,621,1
Для получения выпрямленного пульсирующего напряжения на входе стабилизаторов применим диодные мосты К142НД1. В качестве стабилизатора используются микросхемы КР142ЕН15А. Параметры микросхемы КР142ЕН15А приведены в таблице 7.
Таблица 7 - Параметры микросхемы КР142ЕН15А
Uвых,В при Uвх=±±20ВМаксимальное падение напряжения ,ВНестабильность по напряжению, %/ВI+пот,мАI-пот,мА±±(14.5В..15.5)ЈЈ3іі0.01ЈЈ5ЈЈ6
Назначение выводов: 1 - общий; 2 - балансировка Uвых; 3,12 - частотная коррекция; 4 - выход положительный (II); 5 - выход положительный (I); 6,8,13 - свободные; 7 - вход положительный; 8 - вход отрицательный; 10 - выход отрицательный (I); 11 - выход отрицательный (II); 14 - регулировка Uвых.
В микросхеме предусмотрена возможность регулировки выходного напряжения в диапазоне 8..23В при допустимых входных напряжениях, лежащих в диапазоне ±±(10..30)В, с помощью резистора R50, R52. Также предусмотрена возможность подстройки фиксированного и регулируемого выходного напряжения в пределах ±±1В с помощью резистора R50, R51.
Конденсаторы C2,C4 = C3,C5 іі 1мкФ, C6,C8 = C7,C10 іі0.01 мкФ, C10,C12=C11,C13іі1мкФ. R50,R52 - резистор регулировки выходного напряжения; R49,R52 - резистор балансировки выходного напряжения; R52,R54 = R48,R50 = 33кОм±±10%. Таким образом, необходимо предварительно отрегулировать DD6 на выходное напряжение ±±15В, а DD7 - на ±±10В. На рисунке 11 представлена схема блока питания.
Рисунок 9 - Блок питания
Заключение
В данном курсовом проекте был разработан цифровой вольтметр. В основе работы ЦВ данного типа лежит преобразование типа двойное интегрирование, значение которой измеряется цифровым измерителем и является мерой измеряемого напряжения. Разработанный вольтметр позволяет измерять постоянное напряжение, лежащее в пределах от 0 до 1, от 0 до 10 и от 0 до 100В, и отображать соответствующую информацию на индикаторах. В состав вольтметра также включены защита (и индикация ) от перенапряжения и обратной полярности. В цифровой части вольтметра применены микросхемы на элементной базе ТТЛ. Данная серия микросхем имеет малые энергетические затраты и довольно высокое быстродействие.
Точность измерения - 0.1 %, время измерения - 0.1 с. Для повышения надёжности и точности работы устройства была применена 555 серия ТТЛ.
Литература
1 Кострома В.С. и др. Электронные устройства в железнодорожной автоматике, телемеханике и связи, Часть 1, Гомель, 1990.
Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ С.В. Якубовский и др.; Под редакцией С.В. Якубовского.- М.: Радио и связь, 1990.-496 с.: ил.
Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник/В.И. Иванов, А.И. Аксенов, А.М. Юшин; Под редакцией Н.Н. Горюнова.-М.: Энергоатомиздат, 1984.-184 с.: ил.
Аналоговые интегральные схемы: Справочник/А.Л. Булычев, В.И. Галкин, В.А. Прохоренко.-2-е изд., перераб. И доп. -Мн.: Беларусь, 1993.-382 с.: черт.
Федорко Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. М.: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1990.
Приложение
Больше работ по теме:
Предмет: Информатика, ВТ, телекоммуникации
Тип работы: Курсовая работа (т)
Новости образования
КОНТАКТНЫЙ EMAIL: [email protected]
Скачать реферат © 2017 | Пользовательское соглашение
ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТАМ