Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Разработка цифрового вольтметра

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 0-10 В

Точность измерения 0.1 %

Время измерения 0,25 с

Основная элементная база цифрового вольтметра – цифровые микросхемы ТТЛ 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

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.

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 микро-ЭВМ 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.

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: ; (4)

где tи - время управляющего импульса.

Так как у нас время измерения равно 0,2с., то время первого такта интегрирования равно : с.

Для обеспечения заданной точности измерения (0.1%), входное напряжение должно измеряться с точностью 0,1В. Следовательно в схеме индикации мы используем 4 индикатора. Одному вольту входного напряжения у нас соответствует импульсов. Так как максимальное время измерения Т1=0,1с., то частота счётных импульсов поступающих с генератора равна: Гц. Частоту управляющего импульса вычислим по формуле: Гц

3 Схемотехника узлов цифрового вольтметра

3.1 Расчет входного устройства

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

Роль делителя напряжения состоит в том, чтобы обеспечить ЦВ высокое входное сопротивление и чтобы разбить диапазон измерения на 3 диапазона:

диапазон, соответствующий измерению напряжения от 10 до 0В;
диапазон от 1 до 0В;
диапазон от 0.1 до 0В.

Напряжение на выходе делителя примем 0.1В. Таким образом, коэффициент деления для каждого из диапазонов составит: k1=100, k2=10, k3=1.

Рассчитаем сопротивления резисторов по закону Ома, для делителя на рисунке 4.

Рисунок 4 – Делитель напряжения

Применительно к нашему случаю выражение запишется следующим образом: ;

Рисунок 5 – Делитель напряжения. U1=Uвх; U2=Uдел.

Для обеспечения достаточно высокого входного сопротивления примем сопротивление R2=3Мом. Тогда для каждого из диапазонов выражение запишется:

Решая данную систему уравнений, находим сопротивления резисторов R3 и R4.

Для обеспечения точности при работе вольтметра необходимо использовать прецизионные резисторы. Это удорожает конструкцию, но благодаря этой мере мы входим в погрешность.

Подберём резисторы, которые будут входить в делитель:

R2: C2-29B 3MОм ±0,05%;

R3: C2-29B 300кОм ±0,05%;

R4: C2-29B 33кОм ±0,05%;

Таким образом, схема делителя примет вид:

Рисунок 6 – Входное устройство

Для защиты от перенапряжения воспользуемся компаратором DA3. 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 10.1 В. 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». Благодаря чему загорается светодиод, сигнализирующий о подаче обратной полярности.

Для увеличения напряжения, подаваемого на устройство сравнения УС1 от 0,1В до 10В используем операционный усилитель выполненный на микросхеме К140УД7 с коэффициентом усиления К=100.

Так как коэффициент усиления равен 100 то сопротивление R14 относится к R13 как . Примем сопротивление R13=1 кОм, тогда сопротивление R14=100 кОм.

На вход усилителя через делитель напряжения, собранный на резисторах R1,R2,R3, подаётся напряжение, равное 0,1В (рисунок 7). На выходе усилителя напряжение, подаваемое на устройство сравнения УС1, увеличивается до 10В, за счёт обратной связи образованной за счёт резисторов R14 и R13. На выходах усилителя NC происходит балансировка его за счёт резистора R17.

3.2 Электронный переключатель

Электронный переключатель SW1 построен на микросхеме КР590КН8. 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 (рисунок 8). 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 К140УД7. Рассчитаем постоянную интегратора RC из следующего выражения:

Пусть R8=100 КОм, тогда

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 К554СА3 составляет не менее , то точность данного компаратора составит 66.6 мкВ.

В нашем курсовом проекте используется компаратор серии К554СА3.

3.5 Схема триггера и 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» (DD2.1). 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 11 – Временной селектор

3.6 Система индикации

Система индикация состоит из четырех двоично-десятичных счетчиков DD4-DD7, служащих для подсчета числа импульсов попавших в интервал. Четырех дешифраторов DD8-DD11 (КМ555ИД18), состоящий из семи узлов формирующих управляющий сигнал для одного из сегментов индикатора и индикатора отображающего число подсчитанных импульсов, эквивалентных измеряемому напряжению. Схема подключения полупроводникового семисегментного индикатора к двоично-десятичному счетчику сделана по схеме с общим катодом.

Выводы счётчика КР1533ИЕ2:

D0,D1,D2 – информационные входы; С1,С2–счётные входы; Q1,Q2,Q4,Q8 – выходы счётчика;

3.7 Генератор счетных и управляющих импульсов

Рассмотрим схему генератора с кварцевым резонатором, выполненным на логических элементах ИЛИ-НЕ. Элемент DD3.1 охвачен здесь 100 %-ной отрицательной обратной связью и, следовательно, представляет собой просто усилитель с коэффициентом передачи 1. Элемент DD3.2 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 DD3.3.Частота автогенератора будет определяться только частотой кварца.

Так как нам требуется частота импульсов 800 Гц и 4 Гц, то воспользуемся кварцевым генератором на 8 кГц. Используя счётчик DD12, который делит частоту с генератора на 10, и элемент «И» (DD2.2) снимаем счётные импульсы 800 Гц.

При помощи счетчики DD13,DD14 и DD15 разделим частоту генератора на 10000 и получим 8 Гц, а JK триггерам DD16 на 2 получим 4 Гц (управляющий импульс).

4 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.

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.

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

sинд - погрешность индикации равна 10-3

– погрешность дискретизации равная %

sген – так как в генераторе используется кварц, то погрешность генератора составляет 0,01%

Данная погрешность не превышает заданную.

5 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, мкА	Рпотр, мВт
К140УД7	2	15	280	340
К554СА5	3	15	600	1500
КР1533ЛА3	2	5	<0,5	600
КР1533ЛИ1	2	5	<2	300
КР1533ЛН1	1	5	<0,5	300
КР1533ИЕ2	4	5	<0,2	1200
КМ555ИД18	4	5	<0,16	800
КР1533ИЕ5	4	5	<25	1500
КР1533ТВ15	1	5	<1	300
3ЛС324А1	4	2,5	200	800

Таким образом: для напряжения +5В потребляемая мощность составляет 3380 мВт или 3.38 Вт; для напряжения ±15В потребляемая мощность составляет 375,1 мВт или 0.38 Вт. Следовательно все устройство потребляет 3,76 Вт. Для большей надежности увеличим потребляемую мощность на 30%, она составит 4,89 Вт.

6 Блок питания

Рассчитаем необходимую мощность и ток вторичных обмоток трансформатора для питания цифрового вольтметра:

Исходя из расчётов, возьмём трансформатор ТПП 218-127/220-50 обеспечивающий выходное напряжение на вторичных обмотках 20В. Параметры этого трансформатора приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Параметры трансформатора ТПП 218-127/220-50

U(I),В	I (I),А	P,Вт	I (II),А	U(II),В
220	0.061	9	0.128	11,12	15,16	19,20
				10	20	5

Для получения выпрямленного пульсирующего напряжения на входе стабилизаторов применим диодные мосты К142НД1. В качестве стабилизатора используются микросхемы КР142ЕН15А и КР142ЕН5А. Параметры данных микросхем приведены в таблицах 3 и 4..

Таблица 3 – Параметры микросхемы КР142ЕН15А

Uвых,В при Uвх=±20В	Максимально падение напряжения,В	Нестабильность по напряжению, %/В	I+пот,мА	I-пот,мА
±(14.5В..15.5)	£3	³0.01	£5	6

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 5..20В при допустимых входных напряжениях, лежащих в диапазоне ±(5..25)В, с помощью резистора R1. Также предусмотрена возможность подстройки фиксированного и регулируемого выходного напряжения в пределах ±1В с помощью резистора R2.

Таблица 4 – Параметры микросхемы К142ЕН5

Тип стабилизатора	КнU,%	КнI,%	Uвых, В	Iпот, мА
К142ЕН5А	0,05	3	4,9..5,1	10

Конденсаторы C7, C13 = C8, C14 ³ 1000мкФ, C9, C15 = C10, C16 ³ 0.01мкФ, C11, C17 = C12, C18 ³ 10мкФ. Рекомендуется выдерживать соотношения
C11, C17 / C9, C15 = C12, C18 / C10, C16 = 50:100; R1 – резистор регулировки выходного напряжения; R2 – резистор балансировки выходного напряжения; R1, = R2 = 33кОм±10%.

Таким образом, необходимо предварительно отрегулировать DA1 на выходное напряжение ±15В, а DA2 – на ±5В. Схема электрическая принципиальная блока питания приведена в приложении В.

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 0-10 В

Точность измерения 0.1%

Время измерения 0,25 с

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.
О.А. Шульгин, И.Б. Шульгина, А.Б. Воробьёв«Электронный справочник по цифровым логическим микросхемам»,1997 г.

Приложение А – принципиальная схема ЦВ

Приложение Б – Перечень элементов на ЦВ

Приложение В – принципиальная схема блока питания

Приложение Г – Перечень элементов БП