Разработка цифрового частотомера

 

Рисунок 1.7 - Схема термоэлектрического преобразователя среднеквадратического значения напряжения 

  Термопары включены встречно. Применяют дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления. Выходное напряжение среднеквадратического преобразователя связано линейной зависимостью со среднеквадратическим значением измеряемого напряжения.

  Основная  погрешность преобразования обусловлена  не идентичностью параметров термопреобразователей, увеличивающейся с их старением, и составляет 2,5—6 %. 
 

2. Вольтметры  постоянного напряжения

 

   Рассмотренный выше (рисунок 1.5) универсальный вольтметр позволяет измерять постоянное напряжение от десятых долей вольта и выше. Для измерения меньших значений (от 0,5 мкВ) применяют высокочувствительные электронные вольтметры с преобразованием постоянного напряжения в переменное, которое после значительного усиления вновь преобразуется в постоянное и измеряется магнитоэлектрическим микроамперметром. 
 

3. Цифровые  электронные вольтметры

 

  Принцип работы вольтметров дискретного  действия состоит в преобразовании измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код, который отображается на табло в цифровой форме. В соответствии с этим обобщенная структурная схема цифрового вольтметра состоит из входного устройства ВхУ, аналого-цифрового преобразователя АЦП и цифрового индикатора Ц И.

    
 
 

  Рисунок 1.8 - Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра. 

  Цифровые  вольтметры с время-импульсным преобразованием. Принцип работы заключается в преобразовании измеряемого напряжения Ux в пропорциональный интервал времени ДГ, измеряемый числом N заполняющих его импульсов со стабильной частотой следования.

Вольтметр (рисунок 1.9, а) работает циклами, длительность которых Т устанавливается с помощью управляющего устройства УУ и обычно равна или кратна периоду питающей сети. Для единичного измерения Ux предусмотрен ручной запуск.

  Погрешность измерения возникает вследствие нелинейности изменения линейнопадающего напряжения, нестабильности порога срабатывания сравнивающих устройств.

 

Рисунок 1.9 - Цифровой вольтметр с время-импульсным преобразованием 

и возможности  потери счетного импульса, т. е. погрешности  дискретности. Основная погрешность  составляет обычно 0,1 %. Помехоустойчивость вольтметров с время-импульсным преобразованием низкая, так как любая помеха вызывает изменение момента срабатывания сравнивающего устройства. Главным достоинством этих вольтметров является их сравнительная простота.

  Цифровой  вольтметр с частотным  преобразованием. Принцип действия заключается в преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, измеряемую цифровым частотомером.

  Цифровой  вольтметр с двойным  интегрированием. Принцип его работы подобен принципу времямпульсного преобразования, с тем отличием, что здесь образуются два временных интервала в течение цикла измерения, длительность которого устанавливается кратной периоду помехи. Таким образом определяется среднее значение измеряемого напряжения, а помеха подавляется. Эти вольтметры являются более точными и помехоустойчивыми по сравнению с рассмотренными выше, однако время измерения у них больше.

  Вольтметр следящего уравновешивания работает не циклами, а непрерывно реагируя на изменение измеряемого напряжения: сумма образцовых напряжений принимает большее или меньшее значение в зависимости от значения измеряемого напряжения. Когда достигается равенство U_x=åU_обр. код преобразуется в показание, а состояние прибора остается неизменным до тех пор, пока не изменится значение U_x.Преимущество вольтметров следящего уравновешивания заключается в уменьшении статической и динамической погрешности и в повышении быстродействие. 
 

 

   

   2 Техническое задание 

   2.1 Требования к назначению 

   Вольтметр переменного тока средневыпрямленных значений, должен обеспечивать измерение напряжения в заданном диапазоне. 
 

   2.2 Требования к техническим характеристикам 

   Технические характеристики вольтметра должны соответствовать параметрам, приведенным в таблице 1.

   Таблица 1

     
 

   2.3 Требования к условиям эксплуатации 

   По  устойчивости к климатическим воздействиям прибор предназначен для районов  с умеренным климатом, относится  к исполнению У категории 1 по ГОСТ 15150:

   - температура – «минус» 45 – + 40 °С

   - относительная влажность воздуха - 60% - 80% при 25 °С

   - атмосферное давление - 84 – 106 кПа

   - ударопрочность - 50 м/c²

   - вибропрочность - 30 м/с² 
 

   2.4 Требования к конструкции 

   Корпус  должен быть выполнен из легкого, не токопроводящего  материала. Через прямоугольное окно в лицевой панели, выполненного из органического стекла, должны быть видны светящиеся цифры индикаторов. Все детали прибора должны быть смонтированы на двухсторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Питание вольтметра должно осуществляться от трёх аккумуляторных батарей «АА». 
 
 

   3 Разработка структурной и принципиальной  схем устройства 

   3.1 Разработка структурной схемы 

   Структурная схема вольтметра приведена на рисунке 3. 

 

   Рисунок 3 – Структурная схема вольтметра 

       Структурная схема состоит из шести блоков: преобразователь "переменное напряжение - постоянное напряжение" осуществляет простое выпрямление переменного напряжения, он формирует на выходе средневыпрямленное значение измеряемой величины; входной делитель постоянного напряжения осуществляет пропорциональное уменьшение измеряемой величины с тем, чтобы привести ее значение к заданному диапазону, в котором работают последующие цепи, этот делитель представляет собой набор калиброванных резисторов, коммутируемых электронным способом при изменении пределов измерения; фильтр НЧ подавляет высокочастотные помехи; центральный процессор содержит встроенный АЦП, на вход которого подаётся преобразованное напряжение, процессор в зависимости от величины напряжения осуществляет переключение пределов измерения; блок индикации представляет собой десятиразрядный ЖК индикатор, в левой его части отображается напряжение аккумуляторов, а в правой – измеряемое напряжение; в качестве источника питания необходимо использовать три аккумуляторных батареи типоразмера «АА», он обеспечивает питание ЦП и ЖК индикатора. 

     
 
 
 
 
 
 

   3.2 Разработка принципиальной схемы 

   В данной схеме применены импортные  резисторы С1-4 и С2-23.

   Резисторы R3, R6…R8, R10…R16 имеют номинальную мощность 0,125 Вт. Их параметры приведены в таблице 3.1. Резисторы R1, R2, R5, R9 имеют номинальную мощность 0, 5 Вт. Их параметры приведены в таблице 3.2. Параметры резистора R4 приведены в таблице 3.3. Номинальное сопротивление и точность приведены в перечне элементов (Приложение 2).

   Резисторы с углеродным проводящим слоем предназначены  для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Являются заменой отечественных резисторов С1-4. 

   Таблица 3.1 – Параметры резисторов С1-4

     

   Таблица 3.2 – Параметры резисторов С1-4

     

   Металлооксидные (металлодиэлектрические) постоянные резисторы являются аналогами отечественной серии сопротивлений С2-23. Предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока.

   Металлоксидные пленочные резисторы (metal oxide film resistors) отличает:

   • высокая надежность и стабильность,

   • широкий температурный диапазон,

   • низкий уровень шумов,

   • цветная кодировка номинала,

   • луженые выводы. 

   Таблица 3.3 – Параметры резисторов С2-23

     
 
 
 
 
 

   Конденсаторы  применены типа К10-17 и К50-35.

   Параметры конденсаторы С1 приведены в таблице 3.4. Конденсатор C2 является электролитическим. Его номинал указан в перечне элементов. Параметры конденсатора C3 приведены в таблице 3.5. 

   Таблица 3.4 – Параметры конденсатора С1