Разработка вольтметра
Содержание
Введение
Данная курсовая работа посвящена разработке электронного цифрового вольтметра. В качестве метода преобразования аналоговой величины используется кодоимпульсный метод. Электронные вольтметры можно разделить на аналоговые и дискретные. В аналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в пропорциональное значение постоянного тока. 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.
При разработке цифровых 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. Цифровые вольтметры предназначены для измерения, поэтому они должны обладать высокой точностью и иметь отсчетное устройство [6].
Результат измерения представляется в десятичном коде на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ).
Цифровые вольтметры могут быть классифицированы по ряду признаков: по значению измеряемой величины, по виду измеряемой величины, по методу преобразования измеряемой величины в цифровой эквивалент, по способу осуществления процесса преобразования, по типу используемых элементов [1].
В зависимости от того, какое значение напряжения измеряется, цифровые вольтметры делятся на приборы для измерения мгновенного значения и среднего значения за определенный интервал времени.
Цифровые вольтметры по виду измеряемой величины подразделяют на приборы:
– для измерения напряжения постоянного тока;
– для измерения напряжения переменного тока – средневыпрямленного или среднеквадратичного значения гармоничного сигнала, а также параметров видео и радиоимпульсных сигналов (импульсные цифровые вольтметры);
– универсальные вольтметры, предназначенные для измерения напряжения и ряда других, электрических и неэлектрических величин (мультиметры) [10].
Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра состоит из входного устройства ВУ, аналого-цифрового преобразователя АЦП и цифрового индикатора ЦИ:
Рисунок 1 – Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра
Современные цифровые измерительные устройства (ЦИУ) состоят из многих узлов и блоков, построенных в основном на элементах электроники. В конструкциях новых ЦИП и АЦП все шире используются микроэлектронные (инте-гральные) схемы, что привело к резкому улучшению многих характеристик и параметров цифровых измерительных устройств (точность, надежность, потребление мощности, габариты, вес). Промышленность выпускает большие интегральные схемы (БИС), в которых содержатся готовые функциональные схемы, такие как схемы ЦАП и АЦП на 10–12 разрядов [12].
В настоящее время на основе двух–трех микросхем можно собрать такое сложное устройство, как АЦП, обладающее достаточно высокими техническими характеристиками.
Наличие широкой номенклатуры готовых элементов и узлов в виде микросхем (цифровые и аналоговые) с известными характеристиками значительно облегчает задачу разработчика, но в то же время перед ним встают новые задачи, связанные со спецификой применения микроэлектронных схем (анализ характеристик микросхем, согласование параметров, выбор оптимального варианта). Наличие готовых микросхем с заданными характеристиками явилось предпосылкой к машинному проектированию сложных цифровых устройств, например ЭВМ. Имеется также большая вероятность, что и ЦИУ в будущем будут проектироваться аналогичным способом [21].
В последних разработках ЦИУ
для управления работой прибора
стали применять
При курсовом проектировании ЦИУ в первую очередь рассматриваются и рассчитываются основные технические характеристики [1].
К числу основных технических характеристик ЦИП и АЦП можно отнести следующие:
– диапазон изменения входных величин;
– основная погрешность преобразования или класс точности;
– быстродействие или время одного преобразования;
– характер выходного кода или отсчетного устройства;
– входное сопротивление.
К числу основных характеристик ЦАП можно отнести:
– характер входного кода и число разрядов;
– значение выходной величины, соответствующее единице младшего разряда;
– основная погрешность преобразования;
– быстродействие;
– выходное сопротивление [25].
Кроме указанных выше характеристик ЦИП, АЦП и ЦАП имеется еще целый ряд других характеристик, которые в некоторых условиях могут стать важнейшими и повлиять на всю конструкцию. Это, например, надежность, степень помехозащищенности, габариты, масса [6].
Цель данной курсовой работы – разработка кодоимпульсного цифрового вольтметра, с техническими характеристиками, соответствующими варианту задания №3 и приведёнными ниже:
– диапазон измерения: 10-2÷104 В;
– класс точности: 0,03/0,01 С/Д;
– входное сопротивление: 5 МОм;
– время одного преобразования: 0,5 сек;
– выходной код: десятичный с ЦОУ.
Задачи работы предусматривают:
- разработку функциональной и электрической схемы цифрового вольтметра;
- обоснование и разработку отдельных блоков ЦВ;
- расчёт технических характеристик ЦВ;
– расчёт погрешности отдельных блоков и ЦВ в целом.
1 Разработка структурной схемы кодоимпульсного цифрового вольтметра
В основу принципа работы кодоимпульсных вольтметров, в отличие от других, положен метод уравновешивания измеряемого напряжения с компенсирующим напряжением, изменяющимся по определенной программе. Этот метод получил название кодоимпульсный [4].
Разработанная структурная схема и временная диаграмма сигналов представлены на рисунках 2 и 3 [18].
Рисунок 2 – Структурная схема кодоимпульсного вольтметра
Рисунок 3 – Временная диаграмма кодоимпульсного вольтметра
Схема включает: входное устройство (ВУ), генератор (G), распределитель импульсов (РИ), логические элементы И, ИЛИ, триггеры (Т1-Т5), преобразователь кода в напряжение (ПКН), дешифратор, ЦОУ [4].
Рассмотрим принцип работы. На входы УС подают преобразуемое напряжение Uвх с входного устройства и опорное Uo с преобразователя кода в напряжение ПКН. В процессе преобразования Uo изменяется по определенной программе приближаясь к Uвх. Эту программу реализует УУ, содержащее генератор G, распределитель импульсов (РИ), логические элементы И, ИЛИ и регистр RG, состоящий из набора триггеров. Количество триггеров и логических элементов определяется количеством разрядов кода. Триггеры Т1-Т4 – старшая тетрада, Т5 – младший разряд младшей тетрады. Общее число триггеров , m – число тетрад .
Импульсы 1 от G последовательно появляются на выходах РИ. Первый импульс (сброс) сигнал 2 – проходит через ИЛИ на вход – R триггеров и устанавливает их в «0». На выходе ПКН Uo=0. Второй импульс (сигнал 3) – поступает на S – вход Т1 и устанавливает его в «1». На выходе ПКН появляется напряжение, значение которого соответствует весовому коэффициенту , что соответствует:
|
УС определяет знак разности U01-Uвх. Если (U01- Uвх)<0 – на выходе УС «0», которым закрываются элементы «И», если же (U01- Uвх)>0 – на выходе УС «1» и элемента «И» открываются.
Третий импульс (сигнал 4) устанавливает Т2 в единичное состояние и не изменяет состояние Т1. На выходе ПКН образуется U02, которое равно:
|
Четвертый импульс (сигнал 5) устанавливает Т3 в единичное состояние и не изменяет состояние Т1 и Т2. На выходе ПКН:
|
Если при этом (U03- Uвх)>0, то на выходе УС устанавливается «1», которая открывает элементы «И» [1].
Пятый импульс (сигнал 6) устанавливает в «1» Т4 и проходя на вход R Т3 сбрасывает его в «0». Получаем:
|
Состояние триггеров Т1-Т4 после 5-го импульса выражают код старшего десятичного разряда.
Количество выходов с РИ определяется из выражения:
|
– для управления триггерами;
– для управления триггерами и сброса в исходное нулевое состояние;
– для управления триггерами, сброса в исходное нулевое состояние.
Погрешность дискретности определяется по общим формулам. Инструментальная погрешность создается ПКН и УС. В каждом такте на выходе УУ образуется код, который поступает на ПКН и преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный и далее через дешифратор на индикатор [1].
В каждой следующей тетраде изменение Uo последовательно уменьшаются в 10 раз.
-й импульс устанавливает последний триггер младшей тетрады в состояние «1» и в зависимости от знака (U0- Uвх), с приходом -го импульса остается в состоянии «1» или возвращается в «0». Образовавшийся на выходе регистра код соответствует значению Uвх. Последним импульсом этот код переписывается в регистр ЦОУ [25].
1.1 Разработка функциональной схемы входного устройства и расчет погрешностей
Основной диапазон измеряемых напряжений разобьем на несколько поддиапазонов. Это позволит в значительной степени уменьшить относительную погрешность измерений в начале диапазона, а также позволит упростить отсчет значений измеряемой величины. Отношение наибольших значений измеряемых величин в двух соседних поддиапазонах (пределах) выбираем равным 1:10 [14].
Диапазон измеряемых напряжений - 10-2÷104 разобьём на шесть поддиапазонов:
1) 0,01 – 0,1В;
2) 0,1 – 1;
- 1 – 10 В;
- 10 – 100 В.
- 100 – 1000 В.
- 1000 – 10000 В.
В качестве основного диапазона будем использовать третий поддиапазон. Для установления необходимых коэффициентов преобразования на первом и втором поддиапазоне используются усилители, а на четвёртом, пятом и шестом – делитель. При измерении напряжения менее 1 В используем усилители напряжения с коэффициентами усиления К1 = 100, К2 = 10. При измерении напряжения свыше 1 В необходимо ослабление входного сигнала. Таким образом, для напряжений четвёртого поддиапозона будем использовать делитель с коэффициентами деления К4 = 1/10, для пятого К5 = 1/100, а для шестого К6 = 1/1000 . Все расчёты будем вести для основного поддиапазона Uх.макс = 10 В. Разработанная функциональная схема ВУ представлена на рисунке 4 [19].
Рисунок 4 – Функциональная схема входного устройства
Коэффициент преобразования первого поддиапазона (0,01-0,1 В) равен 100. На этом поддиапазоне для усиления входного сигнала будем использовать неинвертирующую схему включения ОУ КР140УД18 с характеристиками: Ку = 120 дБ, ΔIвх = 80 нА, Uсм = 0,005 мВ, Uи.п. = ±15 В, Rвх = 1 Мом [8].
Неинвентирующая схема включения выбрана потому, что при этом не происходит изменение сигнала (инвертирование) и устраняется влияние резистора, подключенного к инвертирующему входу на входное сопротивление прибора [22].
Если коэффициент усиления неинвертирующего усилителя равен 100, то отношение R2 / R1 = 100.
Так как R1 + R2 = 5 МОм, решим систему уравнений:
|
Выберем резисторы типа С2-29В с допуском ∆R=0,01% и номиналами из ряда Е192: R1=5 МОм, R2=0,05 Мом [5].
Расчёт погрешности ОУ:
Найдём мультипликативную
|
|
Найдём аддитивную погрешность: |
|
|
Коэффициент преобразования второго поддиапазона (0,1-1 В) равен 10.
На этом поддиапазоне для усиления входного сигнала будем использовать неинвертирующую схему включения ОУ КР140УД18 с характеристиками: Ку = 120 дБ, ΔIвх = 80 нА, Uсм = 0,005 мВ, Uи.п. = ±15 В, Rвх = 1 МОм. R3/R4=10.
Так как R3 + R4 = 5 МОм, решим систему уравнений [17]:
|
Выберем резисторы типа С2-29В с допуском ΔR=0,01% и номиналами из ряда Е192: R3 = 4,5 МOм, R4 = 0,5 МOм.
Расчёт погрешности ОУ:
Найдём мультипликативную
|
Найдём аддитивную погрешность:
|
|
|
Выберем наибольшее значение погрешности
Третий поддиапазон – основной, с коэффициентом преобразования К = 1.
Для четвёртого поддиапазона (10-100 В) необходимо определить номиналы резисторов R5 и R6, при условии, что R5+R6=5 МОм. Из условия входного сопротивления получим коэффициент усиления:
|
Решая эту систему, найдём R5 и R6:
Выберем резисторы типа С2-29В с допуском ΔR = ±0,01% и номиналами из ряда Е192: R5=4,5 МОм и R6=500 кОм. В связи с тем, что были подобраны стандартные значения резисторов, систематическая составляющая погрешности исключается [13].
Для пятого поддиапазона (100-1000 В) необходимо определить номиналы резисторов R7 и R8, при условии, что R7+R8=5 МОм. Из условия входного сопротивления получим коэффициент усиления:
|
Решая эту систему найдём R7 и R8:
Так как суммарное входное
Для шестого поддиапазона (1000-10000 В) необходимо определить номиналы резисторов R9 и R10, при условии, что R9+R10=5 МОм. Из условия входного сопротивления получим коэффициент усиления [9]:
|
Решая эту систему найдём R9 и R10:
Так как суммарное входное сопротивление должно быть 5 МОм, то выберем резисторы типа С2-29В с допуском ΔR = ±0,01% и номиналами из ряда Е192 R9=4,995 МОм и R10=5 кОм. В связи с тем, что были подобраны стандартные значения резисторов, систематическая составляющая погрешности исключается [13].
Оценим погрешность, обусловленную допуском на отклонение величины сопротивления от номинального значения для блоков с усилителями:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для второго блока:
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, суммарная погрешность входного устройства составит [1]:
|
|
|
Суммарная мультипликативная погрешность входного устройства составит [2]:
|
2 Разработка аналого-цифрового преобразователя напряжения в код
2.1 Определение параметров преобразователя
Определим исходя из заданной погрешности квантования d шаг квантования ΔUк. Для преобразователей поразрядного кодирования предельная величина абсолютной погрешности квантования Δкв.макс составляет 0,5ΔUк. Тогда:
|
где γкв.макс – максимальное значение относительной погрешности квантования, приведённой к диапазону изменения входного сигнала [16].
|
Выбираем ΔUк = 5 мВ.
Определим необходимое число двоичных разрядов n. Имея диапазон изменения входной величины Uх, определим число уровней квантования N.
Число уровней квантования
|
Отсюда число двоичных разрядов:
|
Выбираем ближайшее большее число: n=11.
Максимальное значение кода, которое может быть получено на выходе одиннадцатиразрядного преобразователя, равно 2n – 1 = 2047. Этот код является эквивалентным максимальному значению входной величины Uх.макс, равной [20]:
|
2.1.1 Обоснование и выбор
В качестве сравнивающего устройства можно выбрать один из выпускаемых промышленностью компараторов в интегральном исполнении.
Основные требования к компараторам:
– сравнительно низкий порог чувствительности;
– малое время установления сигнала на выходе.
В качестве сравнивающего устройства выберем компаратор LM211D со следующими характеристиками: напряжение смещения нуля Uсм = 0,05 мВ, ΔIвх = 4 нА, время установления сигнала на выходе 200 нс. Рассчитаем погрешность, вносимую компаратором [23]:
|
|
|
|
2.2 Обоснование и выбор схемы генератора и ее элементной базы
В тех случаях, когда не требуется обеспечивать высокую стабильность частоты, генератор импульсов G может быть выполнен в виде мультивибратора, построенного на базе логических элементов 2И-НЕ, охваченных положительной обратной связью с помощью конденсатора (рисунок 5). Логические элементы включены, как инверторы [7].
Рисунок 5 – Генератор импульсов на ЛЭ К155ЛАЗ
В качестве логических элементов для данной схемы выберем микросхему К155ЛАЗ, содержащую 4 элемента «2И-НЕ». Ее схема включения и внешний вид представлены на рисунках 6 и 7.
Рисунок 6 – Схема включения микросхемы К155ЛАЗ
Рисунок 7 – Внешний вид микросхемы К155ЛАЗ
2.2.1 Расчет генератора тактовых импульсов
Определим, приближённо тактовую частоту генератора импульсов. По заданию время одного преобразования не должно быть больше 0,5 секунды. Такое время необходимо, чтобы сбросить предыдущие показания в отсчётном устройстве, включить последовательно необходимое количество разрядов, произвести считывание кода. Тогда на каждый такт будет приходиться время, равное [25]:
|
|
|
Примем R = 1 кОм [1].
Тогда С [11]:
|
2.3 Обоснование и выбор распределителя импульсов, логических элементов
Распределитель импульсов РИ построен на применении счетчика импульсов с преобразованием кода.
На вход счетчика импульсов СТ поступает сигнал от генератора импульсов G. На выходе счетчика последовательно образуются коды чисел, соответствующие количеству импульсов, поступивших на его вход. С помощью дешифратора эти коды образуют на выходе РИ пространственно-временную последовательность: на каждом выходе последовательно появляется по одному импульсу [24].
В качестве счетчика возьмем 4-разрядный двоичный счетчик К155ИЕ5, схема включения которого представлена на рисунке 8.
Данная микросхема - четырехразрядный двоичный счетчик, выполненный на двухступенчатых J-K триггерах. Счетчик имеет два счетных входа С1 и С2, и два входа установки нуля R01 и R02. Вход Q1 внутренне не соединен с последующими триггерами. Когда входные счетные импульсы поступают на вход С1, схема работает в режиме двоичного счетчика. Установочные входы микросхемы обеспечивают прекращение счета и возвращают все четыре триггера в состояние низкого уровня, когда на входы R01 и R02 одновременно подается высокий уровень напряжение.
Условные обозначения:
1 – входной счетный C2;
2 – вход установки;
3 – вход установки «0» R0(2);
4,6,7,13 – свободные;
5 – напряжение питания +Uп;
8 – выход Q3;
9 – выход Q2;
10 – общий;
11 – выход Q4;
12 – выход Q1;
14 – вход счетный С1.
Рисунок 8 – Схема включения микросхемы К155ИЕ5
В качестве дешифратора возьмем двоичный дешифратор К155ИДЗ, схема включения которого представлена на рисунке 9 [14].
При высоком напряжении на входе разрешения выходы устанавливаются в состояние высокого уровня [10].
Условные обозначения:
1-11 – выходы 0-10;
12 – общий;
13-17 – выходы 11-15;
18,19 – вход стробирующий;
- – вход информационный;
24 – напряжение питания +Uп.
Рисунок 9 – Схема включения микросхемы К155ИДЗ
В качестве логических элементов И для данной схемы выберем 3 микросхемы К155ЛИ1, содержащие 4 элемента 2И. Их схема включения представлена на рисунке 10 [12]:
В качестве логических элементов ИЛИ для данной схемы выберем 3 микросхемы К155ЛЛ1, содержащие 4 элемента 2ИЛИ. Их схема включения представлена на рисунке 11 [23].
Условные обозначения:
1,2,4,5,9,10,12,13 – входы;
3,6,8,11 – выходы;
7– общий;
14 – напряжение питания [7].
Рисунок 10 – Схема включения микросхемы К155ЛИ1
Условные обозначения:
1,2,4,5,9,10,12,13 – входы;
3,6,8,11 –выходы;
7 – общий;
14 – напряжение питания [14].
Рисунок 11 – Схема включения микросхемы К155ЛЛ1
Для построения регистра RG воспользуемся шестью триггерами К155ТМ2. Их схема включения представлена на рисунке 12.
Условные обозначения:
1 – инверсный вход установки «0» R1;
2 – вход D1;
3 – вход синхронизации С1;
4 – инверсный вход установки «1» S1;
5 – выход Q1;
6 – выход инверсный Q1;
7 – общий;
8 – выход инверсный Q2;
9 – вход Q2;
10 – инверсный вход установки «1» S2;
11 –вход синхронизации С2;
12 – вход D2;
- – инверсный вход установки «0» R2;
14 – напряжение питания [7].
Рисунок 12 – Схема включения микросхемы К155ТМ2
Микросхема содержит два независимых D-триггера, срабатывающих, по положительному фронту тактового сигнала [10].
Низкий уровень напряжения на входах установки или сброса устанавливает выходы триггера в соответствующее состояние вне зависимости от состояния на других входах (С и D). При наличии на входах установки и сброса напряжения высокого уровня для правильной работы триггера требуется предварительная установка информации по входу данных относительно положительного фронта тактового сигнала, а также соответствующая выдержка информации после подачи положительного фронта синхросигнала [8].
