Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Амплитудный электронный вольтметр

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Пензенский государственный университет»

Кафедра «Информационно-измерительная техника».

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине

«Аналоговые измерительные устройства»

на тему: «Амплитудный электронный вольтметр»

Принял: д.т.н., профессор

Нефедьев Д. И.

Выполнил: ст. гр.11ПП2

Ежков А.Ю.

Пенза 2014

Реферат

Пояснительная записка содержит 31 лист формата А4, 10 рисунков, 4 таблицы, 1 схему электрическую принципиальную, 1 схему электрическую структурную, 2 приложения.

Объектом разработки является амплитудный электронный вольтметр.

Цель – разработка электрической принципиальной схемы вольтметра, расчет основных узлов и элементов, анализ погрешностей.

Содержание

Реферат………………………………………………………………..………… 3

Введение…………………………………………………………………………	4
1 Техническое задание…………………………………………………………	7
2 Разработка вольтметра…………….………………………………………....	8
2.1 Выбор электрической структурной схемы…..……………………………	8
2.2 Описание работы устройства по структурной схеме…………………….	10
2.3 Разработка электрической принципиальной схемы.……………..………	12
2.4 Описание работы устройства по принципиальной схеме………………..	12
2.5 Расчет элементов и узлов вольтметра...…………………………………...	19
3 Анализ погрешности вольтметра……………………………………..……..	23
4 Моделирование схемы……………………………………………………….	27
Заключение……………………………………………………………………..	29
Перечень используемой литературы………………………………………….	30
Приложение А…………………………………………………………………..	31
Приложение Б…………………………………………………………………...	33

Введение

Электронным вольтметром называется прибор, показания которого вызываются током электронных приборов, т. е. энергией источника питания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет током электронных приборов, благодаря чему входное сопротивление электронных вольтметров достигает весьма больших значений и они допускают значительные перегрузки.

Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дискретные. В аналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в пропорциональное значение постоянного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроамперметром, шкала которого градуируется в единицах напряжения (вольты, милливольты, микровольты). В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду преобразований, в результате которых аналоговая измеряемая величина преобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается на индикаторном устройстве в виде светящихся цифр. Аналоговые и дискретные вольтметры часто называют стрелочными и цифровыми соответственно.

По роду тока электронные вольтметры делятся на вольтметры постоянного напряжения, переменного напряжения, универсальные и импульсные. Кроме того, имеются вольтметры с частотно-избирательными свойствами — селективные.

При разработке электронных вольтметров учитываются следующие основные технические требования: высокая чувствительность; широкие пределы измеряемого напряжения; широкий диапазон рабочих частот; большое входное сопротивление и малая входная емкость; малая погрешность; известная зависимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения. Перечисленные требования нельзя удовлетворить в одном приборе, поэтому выпускаются вольтметры с разными структурными схемами.

Электронный вольтметр переменного напряжения состоит из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического индикатора. Часто на входе вольтметра устанавливается калиброванный делитель напряжения, с помощью которого увеличивается верхний предел измеряемого напряжения. В зависимости от вида преобразования показание вольтметра может быть пропорционально амплитудному (пиковому), средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения.

Электронные вольтметры переменного тока являются наиболее распространёнными и универсальными приборами. Их основными особенностями являются: высокая чувствительность и широкие пределы измерений, которые при использовании усилителей и делителей напряжения охватывают область напряжений от единиц микровольт до тысяч вольт; малая входная ёмкость (единицы пикофарад) и высокое входное активное сопротивление (до десятков мегом); обширный диапазон рабочих частот (от десятков герц до сотен мегагерц); способность выдерживать большие перегрузки. К недостаткам электронных вольтметров относятся: необходимость питания от стабильных источников постоянного или переменного напряжения; необходимость в электрической установке стрелки измерителя на нуль или калибровке вольтметра перед началом измерений.

По принципу действия электронные вольтметры разделяются на две основные группы: вольтметры типа «усилитель - детектор», в которых измеряемое напряжение вначале усиливается, а затем выпрямляется для целей индикации измерителем постоянного тока, и вольтметры типа «детектор - усилитель», в которых измеряемое напряжение выпрямляется, а затем усиливается на постоянном токе.

1 Техническое задание

Спроектировать электронный вольтметр переменного тока амплитудных значений, обеспечивающий измерение напряжения в заданном диапазоне со следующими характеристиками (параметрами):

Диапазон измерения, В: до 500;

Пределы измерения, В:1, 5, 50, 500.

Диапазон частот, кГц: 20 – 200;

Входное сопротивление, МОм: не менее 2.0;

Входная ёмкость, не более, пФ: 20;

Основная приведенная погрешность, %: не более 1,0;

Рабочий диапазон температур, о С: от 10 до 30;

Напряжение питания, В/частота, Гц: 220 /50.

2 Разработка вольтметра.

2.1 Выбор электрической структурной схемы.

В соответствии с заданием схема проектируемого устройства предназначена для измерения переменного напряжения. На основе анализа технического задания предполагается выбор такой схемы, которая обеспечивала бы заданную точность измерений и при этом обладала малой потребляемой мощностью и габаритами. Для выполнения этих условий наиболее приемлемой представляется схема, реализованная с применением входного устройства, пикового (амплитудного) детектора, усилителя постоянного тока и измерительного механизма, т.е представленная на рисунке 2.

Такой вариант реализации схемы предусматривает применение следующих узлов:

- входное устройство (ВУ);

- пиковый детектор (ПД);

- повторитель (П);

- усилитель постоянного тока (УПТ);

- измерительный механизм (ИМ).

Схема электрическая структурная проектируемого прибора представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема амплитудного электронного вольтметра.

2.2 Описание работы устройства по структурной схеме

После включения электропитания начинается функционирование прибора.

При подаче измеряемого напряжения на схему прибора оно поступает на вход ВУ, которое представляет собой резистивный делитель. Схема ВУ ослабляет входной сигнал и передает его на повторитель, который используется для сопряжения ВУ и детектора. Затем детектор преобразует сигнал переменного тока в сигнал постоянного тока. После чего сигнал поступает на вход УПТ. Величина коэффициента усиления Кu УПТ выбирается таким, чтобы обеспечить необходимую точность измерений;

Далее полученный сигнал с выхода УПТ поступает на ИМ отградуированного соответствующим образом. Отклонение стрелки ИМ показывает значение измеряемого напряжения с учетом выбора предела измерения.

2.3 Разработка электрической принципиальной схемы

Выбор элементной базы проектируемого устройства во многом определяют такие его технические характеристики как быстродействие, помехоустойчивость, потребляемая мощность, габариты и др.

Исходя из вышесказанного, проектируемый прибор будет строиться на элементах отечественного производства с использованием в качестве индикатора измерительной головки.

Входное устройство (ВУ) предназначено для ослабления измеряемого напряжения и реализовано на резистивном делителе и переключателе SA2. Схема ВУ представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема ВУ

С целью повышения точности измерений резисторы, входящие в состав ВУ необходимо выбирать высокого класса точности.

Детектор представляет собой двухполупериодный выпрямитель, реализованный на ОУ. Схема детектора представлена на рисунке 5.

Рисунок 3. Схема детектора

Детектирование осуществляется детектором на ОУ DA1, который разделяет положительные и отрицательные полуволны входного сигнала (рисунок 3.). Поскольку сопротивления открытых диодов разные, то необходим подбор резистора R8, которым добиваются равенства сигналов на входах усилителя DA1. Второй усилитель объединяет полуволны входного сигнала и усиливает их в 2 раза. На выходе схемы присутствует сигнал положительной полярности. Схема осуществляет детектирование сигналов от 10 мВ при 1 В на выходе. Чувствительность детектора можно повысить, если увеличить коэффициент усиления обоих усилителей, однако при этом уменьшается верхняя граничная частота детектора. Частотный диапазон детектора определяется частотными свойствами используемых ОУ. В данном детекторе используются микросхемы К140УД7. Микросхемы представляют собой операционые усилители средней точности с внутренней частотной коррекцией и защитой выхода от короткого замыкания. Корпус К140УД7 типа 301.8-2 рисунок 4, КР140УД7 типа 201.14-1 рисунок 5.

Рисунок 4. Корпус микросхемы К140УД7 типа 301.8-2

Рисунок 5. Корпус микросхемы К140УД7 типа 201.14-1

Схема балансировка микросхемы К140УД7 представлена на рисунке 6.

Рисунок 6. Балансировка микросхемы К140УД7.

Назначение выводов КР140УД7:
1,2,7,8,13,14 - свободные;
3,9 - балансировка;
4 - вход инвертирующий;
5 - вход неинвертирующий;
6 - напряжение питания -Uп;
10 - выход;
11 - напряжение питания +Uп;
12 - коррекция;

Электрические параметры микросхемы КР140УД7 и предельно допустимые режимы эксплуатации приведены в таблицах 2.1 и 2.2 соответственно.

Таблица 2.1. Электрические параметры микросхемы КР140УД7.

1	Напряжение питания	15 В 10%
2	Максимальное выходное напряжение при Uп= 15 В, Uвх= 0,1 В, Rн = 2 кОм	10,5 В
3	Входной ток при Uп= 15 В, Rн = 2 кОм	не более 400 нА
4	Разность входных токов при Uп= 15 В, Rн = 2 кОм	не более 200 нА
5	Ток потребления при Uп= 15 В, Rн = 2 кОм	не более 3,5 мА
6	Коэффициент усиления напряжения	не менее 30000
7	Входное сопротивление	не менее 400 кОм

Таблица 2.2. Предельно допустимые режимы эксплуатации

1	Напряжение питания	(5...17) В
2	Входное синфазное напряжение	12 В
3	Входное дифференциальное напряжение	не более 24 В
4	Время, в течении которого допустимо короткое замыкание выхода при T=-45...+35 ° C при T=+35...+85 ° C для КФ140УД7 при T=-10...+70 ° C	не ограниченно 60 c 5 c

Усилитель постоянного тока (УПТ) предназначен для усиления сигнала, поступающего с выхода детектора. Коэффициент усиления выбирается таким образом, чтобы сигнал на выходе усилителя не превышал допустимый уровень сигнала, обеспечивающий необходимую точность измерений.

Схема УПТ представлена на рисунке 6.

Рисунок 7 - Схема УПТ

УПТ, изображенный на рисунке 7 представляет собой неинвертирующий усилитель, построенный также на микросхеме К140УД1(параметры, которой представлены в таблицах 1 и 2). Кu усилителя определяется следующим выражением:

Кu = 1+ R2/R1.

В качестве индикатора в приборе предполагается использовать измерительную головку SD-38, которая предназначена для измерения напряжения постоянного тока 0-50В. Изображение головки представлено на рисунке 8. Параметры измерительной головки представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.3. Параметры измерительной головки SD-38.

1	Тип индикации	аналоговый
2	Вид измерений	DC напряжение
3	Разрешение дисплея	0-1 А
4	Диапазон измерений	0-1
5	Напряжение питания В,	-
6	Дополнительная шкала	нет
7	Нагрузочная способность	-
8	Размеры (ШхВ), мм	45х45

Рисунок 8. Измерительная головка SD-38

Источник питания.

Любая электронная схема, начиная от самых простых схем на транзисторах и до сложнейших цифровых и микропроцессорных систем, требует для своей работы одного или нескольких стабилизированных источников питания. Поэтому в источниках питания применяются стабилизаторы напряжения. В настоящее время существует широкий выбор стабилизаторов, которые отличаются напряжением стабилизации, мощностью и отклонением выходного напряжения от номинала.

При проектировании источника питания устройства необходимо руководствоваться техническими требованиями, предъявляемыми к проектируемому устройству, характеристиками применяемой элементной базы, потребляемой мощностью и количеством номиналов источника питания.

В первую очередь анализируется принципиальная схема, определяются номиналы напряжений источника питания и потребление тока по каждому номиналу. Для этого необходимо определить потребление тока каждой микросхемой и найти суммарное потребление по каждому номиналу напряжения. Исходя из полученного результата, выбирается тип трансформатора, его мощность, типы выпрямителей и стабилизаторов напряжений, если для питания элементов схемы требуется стабилизированное напряжение.

В таблице 2.4 представлены электрорадиоэлементы, применяемые в проектируемом устройстве, и потребляемый ими ток.

Таблица 2.4. Микросхемы, применяемые в устройстве

Наименование ЭРЭ	Ток потребления (мА)	Количество (шт)	Суммарный потребляемый ток (мА)
Наименование ЭРЭ	Ток потребления (мА)	Количество (шт)	+5В	-5В
К140УД7	8	3	12	12
АЛ307А	10	1	10	-
Итого			28	12

По данным, представленным в таблице, находим ток, потребляемый устройством. Источник +5В потребляет 28 мА, -5В потребляет 12 мА.

Исходя из полученных расчетов, выбираем малогабаритный понижающий трансформатор для установки на печатную плату BV EI 481 0136, который имеет следующие технические характеристики:

- напряжение первичой обмотки – 230В/50-60Гц;

- напряжение вторичной обмотки – 6В;

- мощность вторичной обмотки – 4Вт;

- количество вторичных обмоток -2.

Сетевое напряжение 220 В/50 Гц поступает через контакты 1, 2 разъема Х2 на сетевой выключатель SA1. Через выключатель и предохранитель входное напряжение подается на первичную обмотку трансформатора Т1. Параллельно первичной обмотке трансформатора для уменьшения сетевых помех включается фильтр, состоящий из RC цепи.

С выходов вторичных обмоток переменное напряжение поступает на входы ~ диодных мостов VD1 и VD2. В качестве диодных мостов применяются W04M со следующими характеристиками:

- максимальное обратное напряжение – 400В;

- максимальный прямой ток – 1А.

С выходов диодных мостов постоянное напряжение поступает на входы стабилизаторов напряжения DA5 КР1157ЕН5А (+5В) и DA6 КР1168ЕН5А (-5В).

Стабилизаторы имеет следующие характеристики:

- максимальное входное напряжение – +35В;

- номинальное выходное напряжение – +5В (для КР1168ЕН5А -5В);

- пульсация выходного напряжения - 2%;

- выходной ток – 0,1 А;

- рабочая температура – -55…150°С;

- тип корпуса – ТО92.

Следует отметить то обстоятельство, что указанные выше стабилизаторы имеют встроенную защиту ограничения тока и термовыключатель.

Фильтры, подключаемые к выходам стабилизатора, содержит электролитические К53-14 и керамические К10-17 конденсаторы. Электолитические конденсаторы предназначены для сглаживания низкочастотных, а керамические – высокочастотных колебаний питающего напряжения. При этом электролитические конденсаторы располагаются, как правило, вблизи разъема, а керамические вблизи корпусов интегральных микросхем, причем количество последних определяется количеством ИМС, входящих в состав прибора.

2.4 Описание работы устройства по принципиальной схеме.

Схема электрическая принципиальная разрабатываемого прибора представлена в приложении А.

Питание прибора осуществляется от сети переменного тока 220 В/50 Гц. После включения электропитания напряжение ±5В с выходов стабилизаторов DA4, DA5 поступает на входы питания микросхем DА1…DА4. Конденсаторы на входе шин питания используются в качестве фильтров для снижения помех в цепях питания прибора.

При подаче на контакты разъема ХР1 измеряемого напряжения, оно поступает на ВУ, которое предназначено для преобразования диапазона измеряемого напряжения. С выхода делителя измеряемый сигнал поступает на повторитель, предназначенный для сопряжения ВУ и ПД. Детектор DA2…DA3, представляющий собой двухполупериодный выпрямитель напряжения.

Детектор преобразует напряжение переменного тока, поступающего на его вход, в постоянное. С выхода детектора выпрямленное напряжение поступает на неинвертирующий вход УПТ, реализованного на ОУ DA4. Он представляет собой неинвертирующий усилитель с ООС и предназначен для усиления входного сигнала. Коэффициент усиления Кu усилителя выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимую точность измерений.

Выходной сигнал УПТ подключается к измерительной головке, второй контакт которой соединяется с нулевой шиной. Таким образом при изменении входного измеряемого сигнала от 0 до 500 В напряжение на выходе УПТ будет изменяться в пределах 0-5 В.

Расчет элементов и узлов прибора.

Расчет входного устройства

Предел 1В.

Расчет сопротивления резисторов.

, где

Принимаем

Условие выполняется.

Принимаем

Из ряда Е24 выбираем

Расчет емкостей конденсаторов.

, где ;

Из ряда Е24 выбираем ;

Предел 5В.

Пусть при подаче на вход проектируемого ЭВ подается напряжение 1 В на пределе 1 В и при подаче напряжения 5 В на приделе 5 В стрелка ИМ отклоняется на одинаковый угол. Следовательно:

, из ряда Е24 выбираем

Предел 50В.

, из ряда Е24 выбираем

Предел 500В.

, из ряда Е24 выбираем

Выбор параметров повторителя.

Для сопряжения частотно-компенсированного высокоомного входного делителя с преобразователем служит операционный усилитель серии К140УД12, работающий в режиме повторителя.

ОУ К140УД12 имеет следующие параметры:

1. Коэффициент усиления Ку=50 тыс.

2. Входной ток Iвх=50 нА.

3. Входное сопротивление Rвх=5 МОм.

4. Входная емкость Свх=100 пФ.

5. Напряжение смещения Uсм= ±6 мВ.

6. Разность входных токов ∆Iвх=50 нА.

Расчет УПТ

Усилитель предназначен для усиления напряжения постоянного тока. Коэффициент усиления усилителя равен отношению Uвых/Uвх. Учитывая, что Uвх усилителя не превышает 2 В, а Uвых меньше или равно 4 В, получим

Ку =2

Принимаем

R12 =100 кОм

Из выражения

Кu = 1 + R13/R12

находим

R13 = 100∙(2 – 1) = 100 кОм

3 Анализ погрешности вольтметра.

Расчет погрешности входного устройства

На пределе 1 В.

На пределе 5 В.

На пределе 50 В.

На пределе 500 В.

Расчет погрешности повторителя.

Погрешность, обусловленная нестабильностью входного сопротивления ОУ.

Погрешность, вызванная наличием есм.

Погрешность от наличия разности входных токов.

Расчет погрешности пикового детектора.

Погрешность, вызванная наличием есм ОУ.

В.

Расчет погрешности УПТ

При расчете погрешности усилителя принимаем за погрешность разность между расчетным и фактическим значением коэффициента усилителя Кур и Куф соответственно.

Кур = 1 + R13р/R12p =1+100/100 = 2

Куф = 1 + R13ф/R12ф =1+99,9/100,1 = 1,998

Отсюда находим погрешность усилителя

σУ = (Кур-Куф)∙100/Куф =((2-1,998)/2)∙100% = 0,1%

Расчет погрешности измерительного механизма.

Погрешность ИГ принимается равной ½ деления шкалы головки. Так как шкала содержит 100 делений и максимальное значение измерения равно 500 В, то вычисляем абсолютную погрешность ИГ по следующему выражению

ΔИМ = UИЗ.МАХ/2N

где N – количество делений ИМ.

Находим

ΔИМ = 500/2∙100 =2,5

Отсюда находим относительную погрешность ИМ

σ ИМ = (ΔИМ / RИЗ.МАХ)∙100% = (2,5/500)∙100% = 0,5%

Расчет основной погрешности прибора

Основная погрешность прибора определяется по формуле

σ = √( σ ВУ)2 + ( σ П)2 + ( σ ПД)2 + ( σ У)2 + ( σ ИМ)2

или

σ = √0,0022 + 0,0032 +0,00582 + 0,0012 + 0,0052 = 0,84 %

6 Моделирование схемы

Моделирование работы прибора осуществляется в среде моделирования NI Multusim. Она представляет собой один из самых известных пакетов схематического моделирования цифровых, аналоговых и аналогово-цифровых электронных схем высокой сложности.

NI Multusim включает инструменты для моделирования, редактирования, анализа и тестирования электрических схем. Программа имеет простой интерфейс и идеально подходит для начального обучения электронике. Библиотеки предлагают огромный набор моделей радиоэлектронных устройств от самых известных иностранных производителей с широким диапазоном значений параметров. Кроме этого, есть возможность создания собственных компонентов. Активные элементы могут быть показаны как идеальными, так и реальными моделями. Всевозможные приборы (мультиметры, осциллографы, вольтметры, амперметры, частотные графопостроители, динамики, светодиоды, лампы накаливания, логические анализаторы, сегментные индикаторы) позволяют делать измерения любых величин, строить графики. NI Multusim может провести анализ цепи по постоянному и переменному току, исследовать переходные процессы при любом внешнем воздействии с помощью генераторов сигнала разной формы.

Схема амплитудного вольтметра, предназначенная для моделирования, представлена на рисунке 9.

Пример работы устройства продемонстрирован на рисунке 10.

Рисунок 9. – Схема моделирования

Рисунок 10. - Пример работы схемы

Заключение

В результате выполнения курсового проекта в соответствии с техническим заданием был разработан амплитудный вольтметр.

Схема вольтметра реализована на базе ОУ.

В качестве индикатора применяется измерительная головка.

На основе выбранного технического решения были разработаны схемы электрическая структурная и электрическая принципиальная. Составлен перечень элементов для принципиальной схемы.

Произведен расчет элементов электрической схемы прибора и расчет его погрешности. Погрешность прибора составляет 0,84%, что не превышает значения, заданного в ТЗ на проектирование.

Было проведено моделирование работы части схемы в среде моделирования Electronics Workbench. Результаты моделирования подтверждают работоспособность схемы прибора.

Все этапы проектирования отражены в пояснительной записке, в которой представлены все необходимые разделы.

Амплитудный электронный вольтметр 📙 Курсовая → 🆔 7142