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 микропроцессоры, выполненные на одном или двух кристаллах. Этим самым упрощается цифровая часть устройства и дается возможность пользователю изменять функции прибора с помощью программ, вносимых в память микропроцессора.

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 U_вх с входного устройства и опорное U_o с преобразователя кода в напряжение ПКН. В процессе преобразования U_o изменяется по определенной программе приближаясь к U_вх. 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 U_o=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-U_вх. Если (U₀₁- U_вх)<0 – на выходе УС  «0», которым закрываются элементы «И», если же (U₀₁- U_вх)>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- U_вх)>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  U_o последовательно уменьшаются в 10 раз.

-й импульс устанавливает последний триггер младшей тетрады в состояние «1» и в зависимости от знака (U₀- U_вх), с приходом -го импульса остается в состоянии «1» или возвращается в «0». Образовавшийся на выходе регистра код соответствует значению U_вх. 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;

3. 1 – 10 В;
4. 10 – 100 В.
5. 100 – 1000 В.
6. 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 U_х.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: К_у = 120 дБ, ΔI_вх = 80 нА, U_см = 0,005 мВ, U_и.п. = ±15 В, R_вх = 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 погрешность:

,
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: К_у = 120 дБ, ΔIвх = 80 нА, Uсм = 0,005 мВ, Uи.п. = ±15 В, Rвх = 1 МОм. R₃/R₄=10.