Цифровой омметр

Содержание

Введение……………………………………………………………………......…4

1.Технико-экономическое обоснование………………………………………...6

2. Аналитический обзор существующих способов решения поставленной задачи………………….…………………………………………………………..8

3.Разработка структурной схемы…………………………………………….....23

4.Разработка функциональной схемы……………………………………...…...25

5. Разработка, расчет  и описание принципиальной схемы,  выбор и обоснование применяемой  элементной базы:

      5.1. Выбор источника опорного напряжения и расчет блока измерения………………………………………………..……………………….26

      5.2. Выбор мультиплексора……..………………………………………..27

      5.3. Выбор компаратора...…… ……………………………………..……28

      5.4. Выбор ЖК-дисплея…………..………………………………………29

          5.5. Выбор микроконтроллера……………………………………………30

          5.6. Вид принципиальной схемы…………………………………………33

6.Расчет погрешностей ………………………………………………………….34

7. Конструкторско-технологический раздел…...………………………………37

Заключение……………………………………………………………….………38

Список используемой литературы…………………………………………..….39 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     В связи с широким развитием автоматизации производственных процессов, использованием вычислительных машин для этих целей и необходимостью ускоренной автоматизации экспериментальных исследований перед измерительной техникой ставятся задачи, основными из которых являются:

        1) повышение точности, быстродействия  и чувствительности приборов, предназначенных  для измерения изменяющихся во  времени величины;

        2) осуществление полной автоматизации;

        3) выдача результатов измерений  в кодированной форме непосредственно  управляющей системе;

     Решить  эти задачи призвана область измерительных  технологий цифровая измерительная техника.

     В настоящее время широко применяются  цифровые измерительные приборы (ЦИП), имеющие ряд достоинств по сравнению  с аналоговыми электроизмерительными приборами.

     Цифровыми называются приборы, автоматически  вырабатывающие дискретные сигналы  измерительной информации, показания  которых представляются в цифровой форме. В цифровых приборах в соответствии со значением измеряемой величины образуется код, а затем в соответствии с кодом изменяемая величина представляется на  индикаторе в цифровой форме.

     Цифровой  прибор включает в себя два обязательных функциональных узла: аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровой индикатор.

     АЦП предназначены для преобразования аналоговых сигналов в соответствующие им цифровые, то есть для преобразования сигналов с непрерывной шкалой значений в сигналы, имеющие дискретную шкалу значений. А индикатор отражает значение измеряемой величины в цифровой форме.

     Современным направлением создания цифровых автоматических измерителей параметров является разработка приборов со встроенными микропроцессорами. Микропроцессоры, встроенные в приборы, выполняют все функции управления измерительным процессом, позволяют существенно улучшить метрологические, технические и экономические характеристики, расширить функциональные возможности при одновременном упрощении измерительной цепи и последующей коррекции результатов измерений путем проведения вычислительных операций. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Технико-экономическое обоснование

     В данной курсовой работе разрабатывается  цифровой омметр.  Данный прибор автоматически  определяет сопротивление резистора  и отображает данные непосредственно  на жидкокристаллическом экране, что  очень удобно.

Рассмотрим существующие приборы:

Цифровой  омметр Hioki 3541 для  высокоточных измерений

Модель 3541 –  это цифровой омметр с широким  диапазоном измерений от 0,1мкОм до 110 МОм. Имеется возможность вывода результатов на печать (при использовании дополнительной опции 9670 принтер) а так же, хранения в памяти прибора до 30 вариантов установок с разными условиями.

Рис.1.1 

– Широкий диапазон измерения

От 0.1 мкОм до 110.000 MОм

– Высокая скорость и высокая точность измерений

Скорость измерения  от 0,6 мс с точностью от 0,007% (в диапазоне 2 кОм до 110 кОм)

– 2 типа температурной  компенсации                                                                                                 

Коррекция по инфракрасному  термометру

– Оборудован внешним  вход/выходом, GP-IB и RS-232C интерфейсами

Легко интегрируется  в автоматизированные поточные линии.

Цифровой  омметр для точного  измерения сопротивления  обмотки трансформаторов CROPICO DO8000

Рис.1.2

1)двухканальный  микроомметр для одновременного  измерения сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора

2)быстрое и  точное измерение сопротивления  больших трансформаторов 

3)большой цветной  многоязычный жидкокристаллический  дисплей для одновременного представления  информации по обоим измерительным  каналам и ввода требуемых данных

4)большой объем  памяти для хранения результатов  испытаний - до                 100 файлов, содержащих результаты до 120 измерений каждый                             

5)надежный источник  питания для быстрого выполнения  измерений мощных силовых трансформаторов

6)встроенный 40-символьный  принтер для выдачи протоколов 

7)совместимость  с прикладными программами Microsoft Excel и Word

Эти 2 прибора  достаточно сложны, у них слишком  много функций, широкий диапазон измерений, высокая точность, ну и следовательно дорогая цена. Мой прибор будет более экономичен, но будет обладать не такими хорошими характеристиками. 

  Цифровой омметр низкого сопротивления DLRO 247000

• Разрешение до 0,1 мОм в диапазоне 599,9 мОм

• Стандартная  точность ±0,25%

• Цифровое табло  показаний 

Рис.1.3 

Цифровые омметры  для малых сопротивлений (DLRO®) составляют семейство высокоточных приборов, обеспечивающих простое, целесообразные и надежное средство проведения низкоомных испытаний  в полевых условиях. Они также идеально подходят для контроля качества продукции.                                                                                           

Эти приборы  работают по принципу четырехпроводных измерений, тем самым устраняя сопротивления  проводников и контактов. При основной погрешности ±0.25% и разрешающей способности до 0,1 мОм, они всё же имеют прочную конструкцию и являются переносными, поэтому их можно применять на стройплощадке. Целый ряд дополнительных диагностических выводов и калибровочных эталонных сопротивлений предлагаются для использования с цифровыми омметрами низких сопротивлений.

Омметр  цифровой Щ 306/1

Интегрирующий прецизионный малогабаритный омметр предназначен для измерения сопротивлений  в диапазоне от 100 мкОм до 1 ГОм. 

Режим работы прибора:

- ручной или  автоматический выбор диапазона  измерения;

- разовые или  периодические измерения;

- измерения  без усреднения или с усреднением  результата. 

Рис1.4

Эти приборы  проще первых двух, но тоже дорогие, мне предстоит разработать более  дешевый прибор.

Основные  характеристики приведенных  моделей

Таблица 1.1 
 
 
 
 
 
 
 

2.Аналитический обзор существующих способов решения поставленной задачи

     В зависимости от объекта измерений, требуемой точности результата,  допустимого напряжения на измеряемом объекте или внешних условий применяют различные методы. Наибольшее применение при измерении сопротивлений получили метод вольтметра-амперметра, метод непосредственной оценки, метод моста и метод дискретного счета.

     Метод амперметра- вольтметра

     Этот  метод является косвенным, так как  сводится к измерению тока и напряжения в цепи с измеряемым объектом и  последующим расчетом его параметров по закону Ома. Измерение активных сопротивлений производятся на постоянном токе, при этом включение неизвестного  резистора R_х, в измерительную цепь возможно по схемам, представленным на рис.2.1, а и б. Обе схемы приводят к методическим погрешностям, обусловленным конечными значениями внутренних сопротивлений приборов. Определим эти погрешности. Действительное значение измеряемого сопротивления в обоих случаях равно:

     Сопротивление , измеренное по схеме, приведенной на рис.2.1, а, будет меньше действительного значения, так как показание амперметра будет завышено на значение тока I_в, а показание вольтметра будет равно напряжению на R_х. При этом относительная методическая погрешность, %:

       (2.2)

     Из  этого соотношения следует, что  погрешность , тем меньше, чем больше сопротивление вольтметра.

     В случае применения схемы, приведенной на рис.2.1,б.

     где —падение напряжения на амперметре; тогда относительная методическая погрешность, %:

     Таким образом схемой, приведенной на рис.2.1, а, следует пользоваться для измерения малых сопротивлений, а схемой, приведенной на рис2.1, б — для измерения больших сопротивлений.

                                   а)                                                                     б)

     Рис.2.1

     Схема измерения активного  сопротивления методом  вольтметра – амперметра

     Этот  способ измерения сопротивлений  наиболее простой. Схемы, реализующие  его, просты, но не обеспечивают высокой  точности (погрешность до 10—15%) измерений. Способ амперметра-вольтметра используют в основном в омметрах — приборах для измерения электрического сопротивления на постоянном токе.

     Метод непосредственной оценки

     Метод непосредственной оценки реализуется в приборах прямого действия, в которых измеряемая величина оценивается непосредственно по шкале, заранее отградуированной в соответствующих единицах, или считывается с электронного табло цифровых приборов. Из приборов с непосредственным отсчетом сопротивления на практике наибольшее применение получили омметры, которые по принципу действия, заложенному в них, подразделяются на электромеханические и электронные. Электромеханические омметры делятся на две группы: омметры с однорамочным измерительным механизмом и омметры с двухрамочным измерительным механизмом логометрического типа.

     Омметры электромеханической группы в качестве отсчетного устройства используют чувствительный измеритель И магнитоэлектрической системы (обычно с током полного отклонения I_и = 50 – 100 мкА).

     Омметры с однорамочным измерительным механизмом в зависимости от значения измеряемого сопротивления выполняются по последовательной (рис.2.2, а) или параллельной (рис.2.2, б) схемам.

                                     а)                                                       б)

     Рис.2.2 Схемы электромеханических омметров с однорамочным измерительным механизмом

     В качестве измерителя И в омметрах этого типа используется обычно однорамочный магнитоэлектрический измерительный механизм с добавочным сопротивлением R_д. Источником питания омметров подобного вида, как правило, служит батарея.

     Ток, протекающий через измерительный  механизм при разомкнутом ключе  Кл, в последовательной схеме омметра равен

     I = U/(R_x + R_и + R_д + R_б) = K_Iα    (2.5)

     где — сопротивление измерительного механизма; — постоянная измерительного механизма по току; — угол поворота подвижной части измерительного механизма. Из этого выражения следует:

     При постоянных значениях  , , и угол поворота измерительного механизма определяется значением измеряемого сопротивления , т. е. шкала прибора может быть проградуирована в единицах сопротивления. Шкала омметра  неравномерна. Начало отсчета (нуль шкалы) у этого омметра справа, т. е. соответствует максимальному углу поворота подвижной части измерительного механизма, так как при

→0, =max. С течением времени ЭДС батареи уменьшается, это вызывает погрешность в показаниях прибора. Для поддержания напряжения на измерительном механизме постоянным применяется добавочный резистор . С этой целью при замкнутом ключе Кл производится установка нуля изменением сопротивления добавочного резистора . Омметры с последовательной схемой используются при измерении сравнительно больших сопротивлений (единиц кОм), так как при малых значениях эта схема имеет малую чувствительность. При измерении небольших сопротивлений применяются омметры, выполненные по параллельной схеме (рис.2.2, б), для которой уравнение шкалы имеет вид:

где ,

     Как и в случае использования последовательной схемы, угол поворота подвижной части измерительного механизма зависит от сопротивления при условии, что остальные члены уравнения (2.6) постоянны. В этом случае нулевое положение указателя совпадает с нулевым значением измеряемого сопротивления, т. е. нуль на шкале слева. Контроль правильности показаний прибора производится при разомкнутом ключе Кл. При этом указатель прибора находится в крайнем правом положении ( ). Компенсация изменения ЭДС батареи производится изменением сопротивления .

     Обычно  погрешности измерения таких  омметров лежат в пределах (при измерении на рабочем участке шкалы). У краёв шкалы погрешности сильно возрастают.

     Основным  недостатком омметров с однорамочным измерительным механизмом является зависимость показаний от напряжения источника питания, что вызывает необходимость предварительной регулировки прибора. 

     Омметры с логометрическим  измерительным механизмом являются двухрамочными приборами, выполняются по последовательной (рис.2.3, а) и параллельной (рис.2.3, б) схемам.

                            а)                                                       б)

     Рис.2.3

       Схемы электромеханических  омметров с логометрическим  измерительным механизмом

        Для схемы на рис.2.3, а имеем: где и – сопротивление рамок прибора.

      Для схемы на рис.2.3, б имеем: , .

     Угол  поворота подвижной части зависит  от отношения токов  . Видно, что при постоянных значениях , , и показания прибора определяются значением измеряемого сопротивления и не зависят от напряжения источника питания. Схема с последовательным включением применяется для измерения больших сопротивлений (сотен мегаом). При использовании параллельной схемы включения предел измерения прибора снижается до сотен кОм. В качестве источников питания в логометрах используется генератор индукторного типа, который приводится во вращение оператором или электродвигателем. Основным достоинством приборов логометрического типа является независимость показаний прибора от напряжения источника питания.

     Электронные омметры. При построении схем электронных омметров используются два метода: метод стабилизированного тока в цепи делителя и метод преобразование измеряемого параметра в пропорциональное ему напряжение.

                                  а)                                                               б)                                                   

     Рис.2.4

       Схема измерения  сопротивлений по  методу стабилизированного  тока в цепи  делителя

     На  рис.2.4, а приведена схема измерения сопротивления по методу стабилизированного тока в цепи делителя. Делитель, составленный из известного образцового и измеряемого сопротивлений, питается от источника напряжения . Падение напряжения на образцовом резисторе усиливается усилителем У с большим входным сопротивлением. Выходное напряжение усилителя  зависит от значения измеряемого сопротивления. В качестве индикатора обычно применяется магнитоэлектрический микроамперметр, шкала которого градуируется в единицах сопротивления. Если усилитель имеет коэффициент усиления К и входное сопротивление , то измеряемое сопротивление будет определяться выражением:

при получим: . Эта схема применяется при измерении достаточно больших сопротивлений, когда .

      Для измерения малых сопротивлений  применяется схема, представленная на рис.2.4, б. Измеряемое сопротивление определяется выражением:

а при  : . Данная схема позволяет измерять сопротивление в диапазоне .

      Измерение средних и больших (до 10¹⁸ Ом) сопротивлений осуществляется с использованием метода преобразования измеряемого параметра в пропорциональное ему напряжение. Такие электронные омметры выполняются на основе усилителя постоянного тока (УПТ) с большим коэффициентом усиления охваченного отрицательной обратной связью рис.2.5. Напряжение на выходе усилителя равно:

где —коэффициент усиления УПТ без обратной связи; —

коэффициент обратной связи. При большом коэффициенте усиления и выражение (2.9) имеет вид: .

     Как видно из выражения (2.9) выходное напряжение будет пропорционально значению Вольтметр можно отградуировать в единицах сопротивления. Шкала такого омметра получается равномерной. Относительная погрешность не превышает обычно ±2,5%. Для расширения пределов измерения используют набор резисторов. В приборах для измерения особо больших сопротивлений — тераомметрах — сопротивление включают на входе УПТ. Как следует из формулы (2.9), шкала прибора получается обратной. Относительная погрешность возрастает до ±10% при измерении сопротивлений 10¹² Ом.

Рис.2.5 

     Мостовой  метод

     Мостовая  схема может быть представлена в виде четырех последовательно включённых сопротивлений образующих четырехполюсник (рис.2.6), к двум зажимам которого (диагональ питания) подключен источник питания, а к двум другим (измерительная диагональ) — индикатор (указатель равновесия). Ветви, включающие в себя эти сопротивления, называются плечами моста

     Рис. 2.6

       Схема одинарного  четырёхплечного  моста постоянного  тока

     При определенном подборе сопротивлений  резисторов создается равновесие (баланс) моста, при котором ток в измерительной диагонали отсутствует ( ) и стрелочный указатель нуль—индикатора устанавливается на нулевую отметку шкалы. Условием равновесия моста является равенство произведений сопротивлений противоположных плеч:               (2.11)

     Если  одно из этих сопротивлений является измеряемым , его можно определить из соотношения:

Формула (2.11) называется рабочей формулой моста. Для определения необходимо знать сопротивление плеча , называемого плечом сравнения, и отношение сопротивлений плеч и , называемых плечами отношения. Таким образом, сопротивление измеряется методом сравнения с образцовыми сопротивлениями , , , из которых одно или несколько для обеспечения равновесия должны быть регулируемыми.

     Если  измеряемая величина определяется при  значении тока , мост называется уравновешенным. В неуравновешенных мостах постоянного тока измеряемое сопротивление определяется по значению тока гальванометра, проградуированного в единицах сопротивления, т. е. . Причинами погрешностей измерения сопротивлений уравновешенным одинарным четырехплечным мостом являются недостаточно точная подгонка и регулировка образцовых сопротивлений , , , ограниченная чувствительность гальванометра и мостовой схемы.

     Для измерения малых активных сопротивлений ( ), с целью исключения влияния сопротивлений соединительных проводов применяют двойные мосты (рис.2.7). В цепь источника питания входят регулировочное сопротивление , измеряемое малое сопротивление , образцовое сопротивление , которое выбирают одного порядка с и сопротивление соединительной шины .

     Рис.2.7

     Схема двойного моста постоянного  тока

        Сопротивления   , ,  входящие в измерительную цепь, выбирают достаточно большими (сотни и тысячи Ом). Таким образом, при работе двойного моста в цепи источника питания обеспечивается достаточно большой ток (5—10 А), позволяющий получить заметное падение напряжения на малых сопротивлениях и , чем обеспечивается                        требуемая чувствительность схемы. Резисторы и подключаются в цепь по четырёхзажимной схеме включения: двумя токовыми зажимами присоединяются в цепь источника питания моста, а двумя потенциальными в измерительную цепь, благодаря этому через потенциальные зажимы в высокоомную измерительную цепь будут ответвляться малые токи, создающие малые падения напряжений в соединениях, что заметно снижает их влияние на погрешность измерения.

     При равновесии моста ток через указатель равновесия для схемы на рис.2.7 можно составить следующие уравнения:

При соблюдении равенства:    и достаточно малом сопротивлении рабочая формула двойного моста постоянного тока запишется в следующем виде:

  (2.13)

     На  практике изготавливаются комбинированные мосты постоянного тока. Общая погрешность измерения одинарного моста при измерении сопротивлений от 50 Ом до 100 кОм—0,05%,  и двойного при измерении сопротивлений от 100 Ом до 1 мкОм—0,5-1,5%.

     Основными достоинствами мостов постоянного  тока являются высокая чувствительность и точность измерений. Для повышения чувствительности равноплечего моста увеличивают напряжение питания и применяют высокочувствительный магнитоэлектрический прибор—гальванометр, показания которого заметны при незначительном изменении сопротивления в одном из плеч моста. Очень малую погрешность измерений (порядка 0,5-0,05% и меньше) получают при высокой точности фиксации состояния равновесия и применении точных и стабильных резисторов и магазинов.