Разработка вольтметра

Так как R₃ + R₄ = 5 МОм, решим систему уравнений [17]:

.

Выберем резисторы типа С2-29В с  допуском ΔR=0,01% и номиналами из ряда Е192: R₃ = 4,5 МOм, R₄ = 0,5 МOм.

 Расчёт погрешности ОУ:

Найдём мультипликативную погрешность:

.

 

 

Найдём аддитивную погрешность:

.
.

Выберем наибольшее значение погрешности

Третий поддиапазон – основной, с коэффициентом преобразования К = 1.

Для четвёртого поддиапазона (10-100 В) необходимо определить номиналы резисторов R₅ и R₆, при условии, что R₅+R₆=5 МОм. Из условия входного сопротивления получим коэффициент усиления:

.

Решая эту систему, найдём R₅ и R₆:

Выберем резисторы типа С2-29В с допуском ΔR = ±0,01% и номиналами из ряда Е192: R₅=4,5 МОм и R₆=500 кОм. В связи с тем, что были подобраны стандартные значения резисторов, систематическая составляющая погрешности исключается [13].

Для пятого поддиапазона (100-1000 В) необходимо определить номиналы резисторов R₇ и R₈, при условии, что R₇+R₈=5 МОм. Из условия входного сопротивления получим коэффициент усиления:

.

Решая эту систему найдём R₇ и R₈:

Так как суммарное входное сопротивление  должно быть 5 МОм, то выберем резисторы типа С2-29В с допуском ΔR = ±0,01% и номиналами из ряда Е192: R₇=4,95 МОм и R₈=50 кОм. В связи с тем, что были подобраны стандартные значения резисторов, систематическая составляющая погрешности исключается [5].

 

Для шестого поддиапазона (1000-10000 В) необходимо определить номиналы резисторов R₉ и R₁₀, при условии, что R₉+R₁₀=5 МОм. Из условия входного сопротивления получим коэффициент усиления [9]:

.

Решая эту систему найдём R₉ и R₁₀:

Так как суммарное входное сопротивление должно быть 5 МОм, то выберем резисторы типа С2-29В с допуском ΔR = ±0,01% и номиналами из ряда Е192 R₉=4,995 МОм и R₁₀=5 кОм. В связи с тем, что были подобраны стандартные значения резисторов, систематическая составляющая погрешности исключается [13].

Оценим погрешность, обусловленную  допуском на отклонение величины сопротивления от номинального значения для блоков с усилителями:

,
,
,
,
.
,

 

Для второго блока:

,
,
,
,

Таким образом, суммарная погрешность входного устройства составит [1]:

,
,

Суммарная мультипликативная погрешность  входного устройства составит [2]:

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Разработка аналого-цифрового преобразователя напряжения в код

2.1 Определение параметров преобразователя

Определим исходя из заданной погрешности  квантования d шаг квантования ΔU_к.  Для преобразователей поразрядного кодирования предельная величина абсолютной погрешности квантования Δ_{кв.макс} составляет 0,5ΔU_к. Тогда:

.

где  γ_{кв.макс} – максимальное значение относительной погрешности квантования, приведённой к диапазону изменения входного сигнала [16]. 

.

Выбираем ΔU_к = 5 мВ.

Определим необходимое число двоичных разрядов n. Имея диапазон изменения входной величины U_х, определим число уровней квантования N.

Число уровней квантования

.

Отсюда число двоичных разрядов:

.

_{Выбираем ближайшее  большее число: n=11.}

Максимальное значение кода, которое  может быть получено на выходе одиннадцатиразрядного  преобразователя, равно 2ⁿ – 1 = 2047. Этот код является эквивалентным максимальному значению входной величины U_х.макс, равной [20]:

.

2.1.1 Обоснование и выбор устройства  сравнения

В качестве сравнивающего устройства можно выбрать один из выпускаемых промышленностью компараторов в интегральном исполнении.

Основные требования к компараторам:

– сравнительно низкий порог чувствительности;

– малое время установления сигнала  на выходе.

_{В качестве сравнивающего  устройства выберем  компаратор LM211D со следующими характеристиками: напряжение смещения нуля Uсм = 0,05 мВ, ΔIвх = 4 нА, время установления сигнала на выходе 200 нс. Рассчитаем погрешность, вносимую компаратором [23]:}

,
.

 

2.2 Обоснование и выбор схемы генератора и ее элементной базы

В тех случаях, когда не требуется  обеспечивать высокую стабильность частоты, генератор импульсов G может быть выполнен в виде мультивибратора, построенного на базе логических элементов 2И-НЕ, охваченных положительной обратной связью с помощью конденсатора (рисунок 5). Логические элементы включены, как инверторы [7].

Рисунок 5 – Генератор импульсов на ЛЭ К155ЛАЗ

В качестве логических элементов для  данной схемы выберем микросхему К155ЛАЗ, содержащую 4 элемента «2И-НЕ».  Ее схема включения и внешний  вид представлены на рисунках 6 и 7.

Рисунок 6 – Схема включения микросхемы К155ЛАЗ

 

Рисунок 7 – Внешний вид микросхемы К155ЛАЗ

2.2.1 Расчет генератора тактовых импульсов

Определим, приближённо тактовую частоту  генератора импульсов. По заданию время одного преобразования не должно быть больше 0,5 секунды. Такое время необходимо, чтобы сбросить предыдущие показания в отсчётном устройстве, включить последовательно необходимое количество разрядов, произвести считывание кода. Тогда на каждый такт будет приходиться время, равное [25]:

.
.

Примем R = 1 кОм [1].

Тогда С [11]:

 

2.3 Обоснование и выбор распределителя импульсов, логических элементов

Распределитель импульсов РИ построен на применении счетчика импульсов с преобразованием кода.

На вход счетчика импульсов СТ поступает  сигнал от генератора импульсов  G. На выходе счетчика последовательно образуются коды чисел, соответствующие количеству импульсов, поступивших на его вход. С помощью дешифратора эти коды образуют на выходе РИ пространственно-временную последовательность: на каждом выходе последовательно появляется по одному импульсу [24].

В качестве счетчика возьмем 4-разрядный двоичный счетчик К155ИЕ5, схема включения которого представлена на рисунке 8.

Данная микросхема - четырехразрядный двоичный счетчик, выполненный на двухступенчатых J-K триггерах. Счетчик имеет два счетных входа С₁ и С₂, и два входа установки нуля R₀₁ и R₀₂. Вход Q1 внутренне не соединен с последующими триггерами. Когда входные счетные импульсы поступают на вход С1, схема работает в режиме двоичного счетчика. Установочные входы микросхемы обеспечивают прекращение счета и возвращают все четыре триггера в состояние низкого уровня, когда на входы R₀₁ и R₀₂ одновременно подается высокий уровень напряжение.

 

 

 

 

 

 

Условные обозначения:

1 – входной счетный C₂;

2 – вход установки;

3 – вход установки «0»  R₀(2);

4,6,7,13 – свободные;

5 – напряжение питания +U_п;

8 – выход Q3;

9 – выход Q2;

10 – общий;

11 – выход Q4;

12 – выход Q1;

14 – вход счетный С₁.

Рисунок 8 – Схема включения  микросхемы К155ИЕ5

В качестве дешифратора  возьмем двоичный дешифратор К155ИДЗ, схема включения которого представлена на рисунке 9 [14].

При высоком напряжении на входе разрешения  выходы устанавливаются в состояние высокого уровня [10].

 

 

 

 

 

 

Условные обозначения:

1-11 – выходы 0-10;

12 – общий;

13-17 – выходы 11-15;

18,19 – вход стробирующий;

23. – вход информационный;

24 – напряжение питания +U_п.

Рисунок 9 – Схема включения  микросхемы К155ИДЗ

В качестве логических элементов И  для данной схемы выберем 3 микросхемы К155ЛИ1, содержащие 4 элемента 2И. Их схема включения  представлена на рисунке 10 [12]:

В качестве логических элементов ИЛИ  для данной схемы выберем 3 микросхемы К155ЛЛ1, содержащие 4 элемента 2ИЛИ. Их схема включения представлена на рисунке 11 [23].

 

Условные обозначения:

1,2,4,5,9,10,12,13 – входы;

3,6,8,11 – выходы;

7– общий;

14 – напряжение питания [7].

Рисунок 10 – Схема включения микросхемы К155ЛИ1

Условные обозначения:

1,2,4,5,9,10,12,13 – входы;

3,6,8,11 –выходы;

7 – общий;

14 – напряжение питания [14].         

Рисунок 11 – Схема включения  микросхемы К155ЛЛ1

Для построения регистра RG воспользуемся шестью триггерами К155ТМ2. Их схема включения представлена на рисунке 12.

Условные обозначения:

1 – инверсный вход установки  «0» R₁;

2 – вход D₁;

3 – вход синхронизации С₁;

4 – инверсный вход установки «1» S₁;

5 – выход Q₁;

6 – выход инверсный Q₁;

7 – общий;

8 – выход инверсный Q₂;

9 – вход Q₂;

10 – инверсный вход установки  «1» S₂;

11 –вход синхронизации С₂;

12 – вход D₂;

13. – инверсный вход установки «0» R₂;

14 – напряжение питания [7].

Рисунок 12 – Схема включения  микросхемы К155ТМ2

Микросхема содержит два независимых  D-триггера, срабатывающих, по положительному фронту тактового сигнала [10].

Низкий уровень напряжения на входах установки или сброса устанавливает выходы триггера в соответствующее состояние вне зависимости от состояния на других входах (С и D). При наличии на входах установки и сброса напряжения высокого уровня для правильной работы триггера требуется предварительная установка информации по входу данных относительно положительного фронта тактового сигнала, а также соответствующая выдержка информации после подачи положительного фронта синхросигнала [8].