Федеральное агентство по образованию      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   (Курсовая работа) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Студент гр. 6851         _____________________________     Иванов И.И

                                                                                            (подпись) 

   Руководитель              _____________________________     Петров П.П

                                                                                            (подпись) 
 

                                        _____________________________

                                                                                              (дата) 

   Томск - 2009 

   Содержание: 

   Техническое задание 

   Разработать и рассчитать цифровой вольтметр постоянного тока. Провести обзор методов измерения напряжения постоянного тока. Выбрать метод. Представить структурную схему прибора, принципиальную  схему и спецификацию на элементы принципиальной схемы. 

   Исходные  данные:

• Пределы измерений: U₁=1 В,  U₂ =10 В, U₃=100 В
• Число разрядов: 4
• Класс точности: с=0,1%
• Входное сопротивление не менее 10 МОм

   Технические характеристики цифрового вольтметра постоянного тока:

   • диапазон измерения: 100 мВ, 1 В, 10 В, 100 В, 1000 В;

   • порог чувствительности (уровень  квантования амплитуды напряжения или единица дискретности) на диапазоне  напряжения в 100 мВ может быть 1мВ, 10ОмкВ, 10мкВ;

   • количество знаков (длина цифровой шкалы) — отношение максимальной измеряемой величины на этом диапазоне к минимальной; например: диапазону измерения 100 мВ при уровне квантования 10 мкВ соответствует 104 знаков;

   • входное сопротивление электрической  схемы — очень высокое, обычно более 100 МОм;

   • помехозащищенность — так как  цифровые вольтметры обладают высокой чувствительностью, очень важно обеспечить хорошую помехозащищенность. 

   Нормальные  условия эксплуатации прибора являются:

• Температура окружающего воздуха 293±5К (+20±5^оС);
• Относительная влажность 65±15% при температуре воздуха 293±5К (+20±5^оС);
• Атмосферное давление 10⁶ ±4*10³Н/м² (750±30мм.рт.ст.).

   Рабочие условия эксплуатации:

• Температура окружающего воздуха от 283 до 308К (от +10 до +35^оС);
• Относительная влажность воздуха до 80% при температуре 293К (+20^оС);
• Атмосферное давление 10⁶±4*10³Н/м² (750±30мм.рт.ст.);
• Питание прибора от сети переменного тока напряжения 220В±10% частотой 50Гц±1%.

   Введение 

     По виду измеряемой величины  цифровые вольтметры делятся  на: вольтметры постоянного тока, переменного тока (средневыпрямленного  или среднего квадратического значения), импульсные вольтметры — для измерения параметров видео- и радиоимпульсных сигналов и универсальные вольтмет­ры, предназначенные для измерения напряжения постоянного и переменного тока, а также ряда других электрических и неэлектрических величин (сопротивления, температуры и прочее).

   Принцип работы цифровых измерительных приборов основан на дискретном и цифровом представлении непрерывных измеряемых величин. Упрощенная структурная схема  цифрового вольтметра состоит из входного устройства, АЦП, цифрового отсчетного устройства и управляющего устройства.

   Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преобразователь  переменного тока в постоянный.

   АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровом кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и вольтметра. Использование в ацп цифровых вольтметров двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование цифрового кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством.

   Цифровое  отсчетное устройство измерительного прибора регистрирует измеряемую величину. Управляющее устройство объединяет и управляет всеми узлами вольтметра.

   По  типу АЦП цифровые вольтметры могут быть разделены на четыре основные группы:           

   • кодоимпульсные (с поразрядным уравновешиванием);

   • времяимпульсные;

   • частотно-импульсные;

   • пространственного кодирования.

   В настоящее время цифровые вольтметры строятся чаще на основе кодо-импульсного и времяимпульсного преобразования.

   АЦП вольтметров преобразуют сигнал постоянного тока в цифровой код, поэтому и цифровые вольтметры также  считаются приборами постоянного  тока.

   Методы  измерения напряжения постоянного тока

   Метод измерения – это совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

   В зависимости от совокупности приемов  использования принципов и средств  измерений все методы делятся  на метод непосредственной оценки и  методы сравнения.

   Сущность  метода непосредственной оценки заключается в том, что о значении измеряемой величины судят по показанию одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) приборов, заранее проградуированных в единицах измеряемой величины или в единицах других величин, от которых зависит измеряемая величина.

   Вторая  большая группа методов электрических  измерений объединена под общим  названием методов сравнения. К ним относятся все те методы электрических измерений, при которых измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой.  Методы сравнения делятся на следующие: нулевой, дифференциальный, замещения и совпадения.

   1 Методы непосредственной оценки 

   1.1 Метод преобразования напряжения в угол отклонения

   Рис. 1

    Постоянное напряжение  преобразуется непосредственно в угол отклонения. Данный метод можно реализовать при помощи электростатического механизма. Рассмотрим механизм с изменением емкости вследствие изменения активной площади пластин. Он используется главным образом для создания вольтметров на низкие напряжения (в десятки и сотни вольт): 

   Рис.2 Электростатический измерительный механизм.

           1- алюминиевые пластины  подвижной   части,

           2 - неподвижная часть состоит из  одной или нескольких камер (чем больше камер тем выше чувствительность прибора),

          3- ось, на которой крепится подвижная часть,

          4- упругий элемент.

   Принцип работы: неподвижная часть этих механизмов с изменяющейся активной площадью пластин  состоит из одной, двух или большего числа камер (2). Увеличивая число камер, можно повысить чувствительность. Каждая камера представляет собой две металлические пластины с воздушным зазором между ними. В зазоры свободно входят тонкие алюминиевые пластины (1) подвижной части. Если к подвижным пластинам подвести измеряемое напряжение, то они окажутся заряженными противоположными по знаку зарядами, в результате чего под действием электростатических сил притяжения подвижные пластины будут стремиться войти внутрь камер. Поворот подвижных пластин, жестко укрепленных на оси (3), вызовет закручивание упругих элементов (4), создающих противодействующий момент. При равенстве вращающего и противодействующего моментов подвижная часть остановится, и по положению указателя на шкале можно будет определить измеряемое напряжение.

   Уравнение преобразования:

   Выражение для угла отклонения подвижной части  электростатического измерительного механизма может быть получено на основании следующих рассуждений.

   Энергия электростатического поля, запасенная электростатическим измерительным механизмом, равна:

                                                                                                       (2)

   где  С – емкость между пластинами, зависящая от их взаимного расположения;

            U – напряжение, подведенное к пластинам.

   Таким образом, вращающий момент равен:

                                                                                    (3)

   Противодействующий  момент М_ПР=W·α  при равновесии равен М_ВР. Итак, уравнение преобразования электростатического прибора имеет вид:

                                                                                             (4) 

   К достоинствам метода относится:

   1. широкий частотный диапазон f = 20Гц ÷ 30МГц,

   2. малое потребление энергии,

   3. довольно большая точность измерений,  до  ,

   4. на показания электростатических  приборов почти не влияют частота  измеряемого напряжения, изменения  температуры окружающего воздуха и посторонние магнитные поля,

   5. собственное потребление приборов  мало.

   К недостаткам метода относится то, что на прибор в очень сильной степени влияют внешние электрические поля.  

   1.2 Метод косвенного измерения постоянного напряжения, путём преобразования тока в угол отклонения.

   Рис. 3 

   В качестве измерительного механизма (ИМ) может использоваться магнитоэлектрический, электродинамический и электромагнитный ИМ. 

   1.2.1  Электродинамический ИМ

   Рис.4 Электродинамический ИМ 

   В электродинамических измерительных  механизмах вращающий момент возникает  в результате взаимодействия магнитных  полей неподвижной и подвижной  катушек с токами.

   Неподвижная катушка (1) обычно состоит из двух одинаковых частей, разделенных воздушным зазором. От расстояния между катушками зависит до некоторой степени конфигурация магнитного поля, что влияет на характер шкалы. Неподвижные катушки изготовляют из медного провода намоткой его на изоляционный каркас. Подвижная катушка (2) выполняется обычно бескаркасной из медного или алюминиевого провода. Для включения обмотки подвижной катушки в цепь измеряемого тока используются пружинки или растяжки.

   При наличии тока в обмотках катушек  измерительного механизма возникают  силы, стремящиеся повернуть подвижную часть так, чтобы магнитные потоки неподвижных и подвижных катушек совпали. 

   Определим вращающий момент  электродинамического ИМ. Электромагнитная энергия двух контуров с токами:

                                                        (5)

   где L1 и L2 – индуктивности неподвижных и подвижных катушек,

         М 1,2- взаимная индуктивность между  ними.

   Индуктивности катушек не зависят от угла поворота, поэтому

   где Мвр -  вращающий момент,

         I₁ - ток через неподвижную катушку,

         I₂ - ток через подвижную катушку,

         θ - фазовый сдвиг между токами,                    

      М - коэффициент взаимной индуктивности катушек.

   Для режима установившегося отклонения:

   Откуда  выражение для угла отклонения:

   Достоинства электродинамического ИМ:

   1 высокая точность,

   2 предел основной приведенной  погрешности может быть 0,01 - 0,02 %,              поэтому электродинамические приборы  используются как образцовые  лабораторные измерительные приборы. 

   Недостатком данного ИМ является большое потребление мощности. 

   1.2.2 Электромагнитный ИМ

   Вращающий момент в электромагнитных измерительных  механизмах возникает в результате взаимодействия магнитного поля катушки, по обмотке которой протекает  ток, с одним или несколькими ферромагнитными сердечниками, обычно составляющими подвижную часть механизма.

   Рис 5. Электромагнитный измерительный  механизм с плоской  катушкой. 

   Принцип работы: через катушку (1) проходит ток, пропорциональный измеряемому напряжению и сопротивлению добавочного резистора преобразователя «напряжение – ток». При наличии тока в катушке сердечник (2) стремится расположиться в месте с наибольшей концентрацией поля, т.е. втягивается в зазор катушки. При этом закручиваются пружинки (9), следовательно, возникает противодействующий момент. Для успокоения движения подвижной части применяют воздушные успокоители, он состоит из камеры (13) и крыла (12).

   Уравнение преобразования напряжения в угол отклонения выражается из следующих соотношений.

   Электромагнитная энергия катушки, по обмотке которой протекает ток:

   Выражение для вращающего момента: 

   Если  противодействующий момент создается  с помощью упругих элементов, то для режима установившегося отклонения:

   Откуда:

   где L – индуктивность катушки,

              W-удельный противодействующий момент пружины,

              I –ток в катушке.

   Достоинства электромагнитных приборов:

   1 простота и надежность,

   2 хорошая перегрузочная способность  и одинаковая пригодность для  измерений в цепях постоянного  и переменного токов. 

   Недостатки:

   1 большое собственное потребление  энергии,

   2 невысокая точность,

   3 малая чувствительность,

   4 влияние внешних магнитных полей из-за слабого собственного магнитного поля.

   1.2.3  Магнитоэлектрический ИМ

   Рис. 6. Магнитоэлектрический механизм с  подвижной катушкой. 

   В магнитоэлектрических измерительных  механизмах вращающий момент создается  в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля проводника с током, выполняемого обычно в виде катушки – рамки.

   Измерительный механизм состоит из подвижной катушки - рамки с протекающим по ней  током и помещенной в поле постоянного магнита  с магнитопроводом. Поле в зазоре, где находится рамка, равномерно, за счет особой конфигурации магнитопровода.

   Подвижная часть МЭ измерительного механизма  закреплена на двух растяжках (3). С подвижной  частью жестко связана стрелка (5), которая при повороте подвижной части перемещается над неподвижно укрепленной шкалой (6).

   На  шкале установлены упоры 7, чтобы  уберечь стрелку и подвижную  часть от повреждений.   При протекании по обмотке рамки тока  возникают силы, стремящиеся повернуть рамку так, чтобы магнитные потоки совпадали. При   равенстве  вращающего и противодействующего    моментов подвижная часть останавливается.

     Для получения зависимости между  углом отклонения и током в  рамке используем уравнение:

   где Ф - поток, сцепляющейся с обмоткой рамки,

   I - ток в обмотке рамки.

   где r - радиус рамки относительно оси вращения,

                 l - длина рамки,

                α - угол отклонения рамки от нейтрального положения,

   ω - число витков обмотки,

   S - площадь катушки.

   Подставив Ф в формулу (13), и продифференцировав, получим

                                                                                          (15)

   Т.к. противодействующий момент создается  с помощью упругих элементов, то для режима установившегося отклонения:

                                                                (16)

                                                                                               (17)

    откуда   

                                                                  (18)

   где B – индукция в воздушном зазоре,

          W – удельный противодействующий момент,

        U_X  – измеряемое напряжение,

         R- сопротивление преобразователя напряжения в ток.

   Достоинства метода:

   1 магнитоэлектрические  приборы относятся  к одним из наиболее точных, они изготавливаются вплоть до  класса точности 0,1

   2 наличие равномерной шкалы уменьшает погрешности градуировки и отсчета,

   3 благодаря сильному собственному  магнитному полю влияние посторонних  полей на показания приборов  весьма незначительно, поэтому  внешние электрические поля на  работу приборов практически  не влияют.,

   4 температурные погрешности могут быть скомпенсированы с помощью специальных схем,

   5 высокая чувствительность.

   Недостатки  метода:

   1 сложная и дорогая конструкция,

   2 невысокая перегрузочная способность,

   3 возможность использования только  на постоянном токе. 
 
 
 
 
 
 
 
 

   1.3 Осциллографический метод измерения постоянного напряжения 

   Измерение напряжения происходит методом калиброванной  шкалы.

   Метод основан на измерении линейных размеров изображения непосредственно по шкале экрана осциллографа. Измеряемое напряжение будет равно

   U_x=k∙h                                                                                                                (19)

   где h-высота в клетках шкалы экрана,

          k-коэффициент пропорциональности (цена деления клетки).

   Рис.7  Экран осциллографа

   К достоинствам метода относится наглядность.

   Недостатки  метода: точность измерения напряжения с помощью осциллографа невелика, погрешность 5-10%, это объясняется

   1 влиянием нестабильности коэффициента  усиления, ограниченного точностью  калибровки чувствительности,

   2 конечными размерами пятна на  экране,

   3 изменением чувствительности трубки. 

   1.4 Метод преобразования постоянного напряжения во временной интервал.

        Наибольшее распространение из  времяимпульсных методов, реализуемых  в ЦВ, нашли различные методы двойного интегрирования, обеспечивающего измерение среднего (за интервал интегрирования) значения U_x. Распространение этого метода обусловлено его очевидными достоинствами – возможностью подавления напряжения помех, получения высокой точности относительной простате.