Разработка цифрового частотомера

   Содержание 

   Введение          3

   1 Анализ объекта измерения       4

   1.1 Виды вольтметров        4

   1.1.1 Вольтметры переменного напряжения     4

   1.1.2 Вольтметры постоянного напряжения     8

   1.1.3 Цифровые электронные вольтметры     9

   2 Техническое задание        11

   2.1 Требования к назначению       11

   2.2 Требования к техническим характеристикам    11

   2.3 Требования к условиям эксплуатации     11

   2.4 Требования к конструкции       11

   3 Разработка структурной и принципиальной схем устройства 12

   3.1 Разработка структурной схемы      12

   3.2 Разработка принципиальной схемы     12

3.2.1 Преобразователь "переменное напряжение - постоянное напряжение"         14

   3.2.2 Входной делитель постоянного напряжения    15

   3.2.3 Фильтр НЧ         15

   3.2.4 Центральный процессор       15

   3.2.5 Блок индикации        16

   3.2.6 Источник питания        16

   4 Разработка алгоритма работы с вольтметром    17

   5 Расчет погрешности вольтметра       19

   Заключение          20

   Список  использованных источников      21 

 

   

   Введение 

   Наибольшее  использование в современной  науке и технике получают цифровые измерительные и интеллектуальные устройства и преобразователи, применяемые  для измерений, дистанционной передачи измерительной информации, в системах централизованного обегающего контроля, в качестве промежуточных преобразователей для ввода информации в цифровые вычислительные машины и др.

   К преимуществам цифровых измерительных  и интеллектуальных устройств относятся: удобство и объективность отсчета  и регистрации, широкий диапазон измерения при высокой разрешающей  способности, высокое быстродействие за счет отсутствия электромеханических  переходных процессов, свойственных обычным  стрелочным приборам и т. п.

   В настоящее время отечественная  и зарубежная промышленность выпускает  большое количество цифровых измерительных  устройств для измерения самых разнообразных величин (вольтметры, амперметры, измерители активных сопротивлений, емкостей и индуктивностей, частотомеры, фазометры, счетчики, измерители интервалов времени, тахометры, манометры, часы и т. п.) с широким диапазоном технических характеристик.

 

    1 Анализ объекта измерения 

   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.

   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. 
 

   1.1 Виды вольтметров 

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

1. Вольтметры  переменного напряжения

 

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.

 
 

  Рисунок 1.1 - Структурная схема аналогового электронного вольтметра с амплитудным преобразователем 

Однако  следует иметь в виду, что шкалу  любого электронного вольтметра градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряжения синусоидальной формы. Исключение составляют импульсные вольтметры, шкалу которых градуируют в амплитудных значениях.

  Вольтметр амплитудного (пикового) значения (рисунок 1.1) состоит из амплитудного преобразователя АПр, усилителя постоянного тока УПТ и магнитоэлектрического индикатора, градуированного в вольтах. На входе вольтметра иногда предусматривается делитель напряжения ДН. Амплитудный преобразователь выполняют по схеме с открытым или закрытым входом.

  Амплитудный преобразователь с открытым входом (рисунок 1.2, а) представляет собой последовательное соединение вакуумного диода Д с параллельно соединенными резистором Л? и конденсатором С. Если к зажимам 1—2 приложено напряжение u = U_m sinwt от источника с внутренним сопротивлением r_i, то конденсатор через диод заряжается до некоторого значения U_c, которое приложено к электродам диода так, что он большую часть периода закрыт, т. е. работает в режиме отсечки (рисунок 1.2, б). В течение каждого периода диод открывается на некоторый промежуток времени 't₁ - 't₂ тогда и>U_c и конденсатор подзаряжается импульсом тока i_Д до напряжения Uc   • постоянная времени заряда t_з = (R_i +R_Д ) С, где R_Д — сопротивление открытого диода. Затем диод закрывается и конденсатор разряжается через резистор R в течение интервала t₂ - 't₁ постоянная времени разряда t_p = RC.

  Постоянные  времени должны отвечать следующим  условиям: t_з < 1/f_в и t_p > I/f_н где f_в и f_н — границы частотного диапазона вольтметра. Очевидно, что t_з << t_p и R >> R_i +R_Д. В широкодиапазонных вольтметрах неравенство: t_з < 1/f_в выполнить не удается, и потому на высоких частотах процесс установления длится в течение нескольких периодов измеряемого напряжения.

                        а)      б)

Рисунок 1.2 - Амплитудный преобразователь с открытым входом 

Результатом амплитудного преобразования является среднее значение слабопульсирующего напряжения Uc, которое в отличие от Um называют пиковым значением U_пик.

U_пик = U_mcos q

Где q - угол отсечки диода.

  Напряжение  U_пик поступает на вход усилителя постоянного тока, входное сопротивление которого большое, а выходное — малое. УПТ служит для согласования выходного сопротивления преобразователя с сопротивлением индикатора и для повышения чувствительности вольтметра.

  Амплитудный преобразователь с закрытым входов (рисунок 1.3) представляет собой последовательное соединение конденсатора постоянной емкости С с параллельно соединенными диодом Д и резистором R. Процесс преобразования переменного напряжения в постоянное U_пик аналогичен рассмотренному выше, с тем отличием, что на зажимах 3—4 имеются значительные пульсации напряжения, для сглаживания которых предусмотрен фильтр. 

  

 

Рисунок 1.3 - Принципиальная схема амплитудного преобразователя с закрытым входом 

  Процессы   преобразования пульсирующего    напряжения преобразователем с открытым и закрытым входом различны и зависят  от полярности подключения к входным  зажимам 1—2 постоянной составляющей пульсирующего напряжения. Если на вход амплитудного преобразователя с открытым входом включено пульсирующее напряжение так,

 

Рисунок 1.4 - Диаграммы напряжении в амплитудных преобразователях: а—с открытым входом; б — с закрытым входом 

что «+»  постоянной составляющей приложен к  аноду| диода, то выходное напряжение U_пик»U_max=U₀+U_m+, где Uo — постоянная составляющая, а U_m+ — амплитуда положительного полупериода переменной составляющей (рисунок 1.4, а). Если к аноду диода приложен «—» постоянной составляющей, то диод закрыт все время и преобразования нет. Если к аноду амплитудного преобразователя с закрытым входом приложено пульсирующее напряжение, то конденсатор С заряжен постоянной составляющей U₀ преобразователь реагирует только на переменную составляющую. если к аноду диода приложен «+», то выходное напряжение U_пик» U_m+, a если «—», то U_пик» U_m- (рис. 4, б). Это полезное свойство вольтметров с закрытым входом измерять отдельно значения напряжения положительного или отрицательного полупериодов широко используется для определения симметричности амплитудной модуляции, наличия ограничения сигналов и т.д. Амплитудные (пиковые вольтметры характеризуются невысокой чувствительностью (порог чувствительности »0.1В) и широкой полосой частот (до 1 ГГц).

  Вольтметр средневыпрямленного  значения (рисунок 1.6) состоит из входного делителя напряжения ДЯ, широкополосного транзисторного усилителя ШУ, выпрямительного преобразователя Пр и магнитоэлектрического индикатора. 

 

Рисунок 1.5 - Структурная схема универсального вольтметра 

Входное сопротивление делителя напряжения высокое, и если усилитель имеет  низкое входное сопротивление, то между  ними ставится узел согласования —  преобразователь сопротивлений (с  высоким входным и низким выходным сопротивлениями). Выходное напряжение усилителя поступает на выпрямительный преобразователь, и через микроамперметр протекает постоянная составляющая выпрямленного тока, пропорциональная средневыпрямленному значению измеряемого напряжения. 

 
 
 

Рисунок 1.6 - Структурная схема вольтметра высокой чувствительности 

 Шкалу  индикатора градуируют в среднеквадратических  значениях синусоидального напряжения.

  Вольтметры, построенные по такой структурной  схеме, характеризуются высокой  чувствительностью (микро- и милливольты) и сравнительно узкой полосой  частот измеряемых напряжений (1; 5; 10МГц). Обе эти характеристики определяются усилителем переменного напряжения.

  Вольтметр среднеквадратического (действующего) значения строится по структурной схеме рис.6. Применяются преобразователи с квадратичной характеристикой, обеспечивающей измерение среднеквадратического значения напряжения любой формы. К таким преобразователям относятся, в первую очередь, термоэлектрические и оптронные. На базе термоэлектрических преобразователей создан преобразователь среднеквадратического значения [б], работающий на двух идентичных элементах ТПр1 и ТПр2 (рисунок 1.7) и дифференциальном усилителе ДУ (микросхеме). Нагреватель первого термопреобразователя подключен к выходу широкополосного усилителя, т. е. в цепь измеряемого напряжения Ux, а нагреватель второго — к выходу дифференциального усилителя ДУ, т. е. в цепь отрицательной обратной связи. ТермоЭДС первого преобразователя Е_т1 =a_тU²_x второго — Е_т2 =a_тU²_вых, где Ux и (Uвых —среднеквадратические значения измеряемого и выходного напряжений соответственно.