Разработка вольтметра

2.3.1 Обоснование и выбор цифро-аналогового преобразователя

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд).

Цифро-аналоговые преобразователи  являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами. Так как разрабатываемый вольтметр будет иметь 11 разрядов, то лучше всего для стабильности его работы подойдет ЦАП AD7545, обладающий следующими характеристиками [18]:

– разрешающая способность 12 разрядов;

– низкий коэффициент термостабильности;

– быстродействующий интерфейс загрузки данных совместимый с ТТЛ уровнями;

– одиночное питание от +5 В до +15 В;

– малогабаритные 20-выводной DIP (ширина 0,3 дюйма) и 20-выводные корпуса для поверхностного монтажа;

– исключен эффект КМОП «защелкивания» (отсутствует необходимость применения защитных диодов Шоттки).

 

 

 

 

Структурная схема AD7545 [12]:

Рисунок 13 – Структурная схема AD7545

Расположение выводов и их описание [6]:

Рисунок 14 – Расположение выводов и их описание

AD7545 – 12-разрядный КМОП умножающий ЦАП с встроенным регистром данных. Он загружается через 12-разрядный порт, совместимый с 12 или 16 разрядными шинными системами. Данные загружаются во входные регистры под управлением входов CS и WR; установка логических 0 на входе которых обеспечивают прямую передачу данных к ЦАП [22].

AD7545 наиболее эффективен для применения в системах с одиночным питанием и широким температурным диапазоном.

AD7545 может питаться любым напряжением  из диапазона от +5 В до +15 В.  С КМОП логическими уровнями  на входах микросхема потребляет  не более 0,5 мВт при VDD = +5 В [3].

Для правильного функционирования ЦАП к AD7545 необходимо подключить токовый усилитель. В данном вольтметре данную функцию будет выполнять усилитель 544YDIA, функциональная схема которого выглядит следующим образом [15]:

Рисунок  15 – 544YDIA

Для правильной работы усилителя используются 3 резистора со следующими номиналами: 120 Ом (R12), 620 Ом (R13) и 24кОм (R14).

 

Таким образом, общая схема имеет  вид [2]:

Рисунок  16 – ЦАП

 

 

 

 

 

3 Разработка цифрового отсчетного устройства

Любой цифровой измерительный прибор (ЦИП) имеет цифровое отсчетное устройство (ЦОУ). На рисунке 17 показаны три основные части ЦОУ: регистр RG, в котором хранится результат измерения; преобразователь кода X/Y; цифровые индикаторы *Н [19].

Рисунок 17 – Обобщенная структурная схема ЦОУ

 

В регистр поступает двоичный код. Этот код (К1 преобразуется в другой –семисегментный (К2), необходимый для управления цифровым индикатором. В нашем случае требуется предварительное преобразование двоичного кода в двоично-десятичный, а затем уже в семисегментный. В некоторых случаях отдельный регистр, специально предназначенный для ЦОУ, может отсутствовать: тогда на преобразователь кода поступает код со счетчика или регистра, входящего в состав преобразователя непрерывной величины в код, который имеется в любом ЦИП. При этом, однако, создается определенное неудобство: во время преобразования цифры на цифровом индикаторе мелькают. Поэтому в большинстве современных ЦИП предусматривается отдельный регистр для ЦОУ, в который переписывается код по окончании процесса преобразования. Этот код сохраняется до тех пор, пока не поступит новая команда переписи очередного результата [20].

3.1 Обоснование и выбор регистров хранения

Любой цифровой измерительный  прибор (ЦИП) имеет цифровое отсчетное  устройство (ЦОУ). На рисунке 18 показаны три основные части ЦОУ: регистр RG, в котором хранится результат измерения; преобразователь кода X/Y; цифровые индикаторы *Н.

Рисунок 18 – Обобщенная структурная схема ЦОУ

 

В регистр поступает двоичный код. Этот код (К1 преобразуется в другой –семисегментный (К2), необходимый для управления цифровым индикатором. В нашем случае требуется предварительное преобразование двоичного кода в двоично-десятичный, а затем уже в семисегментный. В некоторых случаях отдельный регистр, специально предназначенный для ЦОУ, может отсутствовать: тогда на преобразователь кода поступает код со счетчика или регистра, входящего в состав преобразователя непрерывной величины в код, который имеется в любом ЦИП. При этом, однако, создается определенное неудобство: во время преобразования цифры на цифровом индикаторе мелькают. Поэтому в большинстве современных ЦИП предусматривается отдельный регистр для ЦОУ, в который переписывается код по окончании процесса преобразования. Этот код сохраняется до тех пор, пока не поступит новая команда переписи очередного результата [20].

В качестве регистров хранения будут  использоваться микросхемы К155ТМ5. Корпус, схема включения и электрические  параметры представлены на рисунках 19,20. Они содержат по четыре D-триггера. Тактовые входы «С» (С₁, С₂, С₃, С₄) каждого из них объединены попарно. Импульсы синхронизации на вход «С» устанавливают два триггера не по фронту, а по уровню «1». При уровне «0» на входах «С» триггеры переходят в состояние хранения информации [23].

Условные обозначения:

1 – вход D₁;

2 – вход D₂;

3 – вход синхронизации C₃, C₄;

4 – напряжение питания;

5 – вход D3;

6 – вход D4;

7,10 – свободные;

8 – выход D;

9 – выход С;

11 – общий;

12 – вход синхронизации С₁,С₂;

13 – выход В [8].

Рисунок 19 – Схема включения

Рисунок 20 – Корпус К155ТМ5

Параметры К155ТМ5 описаны в таблице 1 [16]:

Таблица 1 – Параметры К155ТМ5

1	Номинальное напряжение питания	5 В   5 %
2	Выходное напряжение низкого уровня	не более 0,4В
3	Выходное напряжение высокого уровня	не менее 2,4 В
4	Напряжение на антизвонном диоде	не менее -1,5 В
5	Входной ток низкого уровня по входам 1,2,5,6  по входам 3,12	- 3,2 мА - 6,4 мА
6	Входной ток высокого уровня по входам 1,2,5,6  по входам 3,12	0,08 мА  0,16 мА
7	Входной пробивной ток	не более 1 мА
8	Ток короткого замыкания	-18...-57 мА
9	Ток потребления	не более 53 мА

3.2 Выбор цифрового индикатора

В качестве цифрового индикатора выберем  цифровой индикатор на светоизлучающих диодах АЛС320А, имеющий следующие характеристики [10]:

– цвет свечения – красный;

– длина волны излучения: l – 640-670нм;

– высота h – 5мм;

 – ток I не более – 10мА;

– прямое напряжение U_np – 2В;

– время индикации t_H – 1мс.

Внешний вид индикатора АЛС320А приведен на рисунке 21.

Цифровые индикаторы на светоизлучающих диодах представляют собой р-n переходы из фосфида галлия или карбида кремния. Это диоды, но такие, у которых при пропускании тока в прямом направлении в процессе рекомбинации неосновных носителей энергия выделяется в виде фотонов, то есть они излучает свет.

Рисунок 21 – Внешний вид микросхемы АЛС320А

3.3    Разработка преобразователя двоичного кода в двоично-десятичный код и выбор дешифратора для семисегментного индикатора

Для преобразования двоичного кода в двоично-десятичный воспользуемся 8 микросхемами К155ПР7, внешний вид  которой представлен на рисунке  22 [25].

 

Рисунок 22 – Внешний вид микросхемы К155ПР7

Микросхема К155ПР7 служит для преобразования двоичного кода в двоично-десятичный. Включение микросхемы в простейшем варианте проиллюстрировано на рисунке 23. Одну микросхему К155ПР7 можно использовать для преобразования двоичного кода чисел 0-63 в двоично-десятичный [23].

Условные обозначения:

1-32– входы;

1-40 – выходы [23].

Рисунок 23 – Простейшее включение  микросхемы К155ПР7

Вход разрешения работы микросхем  должен быть подключен  к общему проводу, при подаче на него логической единицы все выходы переходят в выключенное состояние. В нашем случае разрядности одиночных микросхем недостаточно, поэтому возьмем каскадное соединение микросхем. На рисунке 24 представлена схема, позволяющая преобразовывать коды до 11 разрядов [24].

Рисунок 24 – 11-разрядный преобразователь кода

 

Для преобразования двоично-десятичного кода в код, необходимый для управления семисегментным индикатором, воспользуемся микросхемой К155ПП5, схема включения которой представлена на рисунке 25 [16].

Рисунок  25 – Схема включения микросхемы К155ПП5

Микросхема К155ПП5 – преобразователь двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора, ее можно применять совместно с полупроводниковыми индикаторами с общим анодом. Вход  микросхемы может быть использован для гашения индикатора, которое происходит при подаче на этот вход логической единицы. Индикация осуществляется при логическом нуле [12].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Разработка принципиальной электрической схемы

4.1 Состав схемы

Принципиальная электрическая  схема представлена в приложении. Схема состоит из следующих узлов: входное устройство, выполненное на операционных усилителях DA1, DA2 и делителе на резисторах (R5 и R6, R7 и R8, R9 и R10); устройство сравнения DA3, генератор импульсов G (DD1.1-1.3), распределитель импульсов, выполненный на счетчике импульсов DD2 с преобразованием кода, цифровые индикаторы HG1-HG4. Переключатель SA1 служит для переключения диапазонов измерения [10].

4.2 Работа схемы

Напряжение постоянного тока U_вх подается через входное устройство, состоящее из шести поддиапазонов, на сравнивающее устройство DA3, выходной сигнал которого поступает на логический элемент «И» К155ЛИ1, а на второй вход поступают импульсы с распределителя DD2 и DD3.

На первом такте работы преобразователя  с выхода распределителя импульсов сигнал проходит через элементы «ИЛИ» (DD10-DD12) на входы триггеров DD14-DD18, сбрасывая тем самым показания предыдущего измерения. На втором такте сигнал поступает на S-вход триггера DD13.1, устанавливая выход Q в состояние 1. Этот вход соединен с одним из выходов ЦАП DD19, на входе которого устанавливается напряжение, пропорциональное входному коду. Оно подается на сравнивающее устройство DA3 и сравнивается с входным напряжением вольтметра. На третьем такте сигнал поступает на DD13.2, устанавливая его также в состояние 1, и на элемент «И» DD7.1, который пропустит его лишь в случае единичного сигнала компаратора DA4, то есть когда напряжение ЦАП больше преобразуемого напряжения. На четвертом такте сигнал поступает на DD7.2, устанавливая его в состояние 1, при этом не изменяет состояние DD7.1. На этом преобразование первой тетрады заканчивается [6].

Аналогично происходит на 5-13 тактах для элементов «И» DD7.2-DD7.4, DD8.1-DD8.4, DD9.1-DD9.3, для элементов «ИЛИ» DD10.2-DD10.4, DD11.1-DD11.4 и DD12.1 - DD12.3, и для триггеров DD14-DD18. Процесс измерения заканчивается, когда произойдет уравновешивание измеренного напряжения с опорным.

Таким образом, на выходах триггеров DD13-DD18 образуется искомый двоичный код. Кроме него на ЦАП DD19 подается опорное напряжение 5В и 15В через диоды VD3 и VD4.

Одновременно преобразуемый код подается на регистры хранения выполненные на триггерах DD20-DD22, но запись в них производится только на 14-м такте, так как в этом случае активируются стробирующие входы этих триггеров [1].

С выходов триггеров код подается на преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный, построенный на элементах DD23-DD30. Затем полученный код подает на преобразователь двоично-десятичного кода в семисегментный, построенный на элементах DD31-DD34. Этот код индицируется на индикаторах HG1-HG4.

На 15-м такте происходит одновременный сброс счетчика DD2, и схема приходит в исходное состояние [21].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

В результате произведённых расчётов был спроектирован цифровой вольтметр, основанный на кодоимпульсном методе преобразования. Суммарная погрешность вольтметра представляет собой сумму аддитивной и мультипликативной составляющих.

Аддитивная погрешность определяется величиной максимальной относительной погрешности квантования, приведённой к диапазону изменения входного сигнала γ_{кв.макс} [1]:

Таким образом, получена аддитивная погрешность 0,0086%, которая не превышает заданную – 0,01%.

Мультипликативная составляющая погрешности складывается из погрешностей следующих блоков: компаратора DA3, усилителей DA1 и DA2 и ЦАП DD19 [3]:

_{Получили мультипликативную  погрешность, равную 0,00028%, что меньше заданной, равной 0,02%.}

Таким образом, был спроектирован вольтметр, класс точности которого равен 0,00888/0,0086, который не превышает класс точности заданный в условии 0,03/0,01.

 

Список использованных источников

1. Лукьянов, В. Г. Методические указания к расчету и проектированию цифровых измерительных устройств для студентов специальности 19.09.00 [Текст] / В. Г. Лукьянов. – АлтГТУ им. И. И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2002. –  62 с.
2. Нестеренко, Б. К. Интегральные операционные усилители: справочное пособие по применению [Текст] / Б. К. Нестеренко. – М.: Энергоиздат, 1982. –

128 с.

3 Якубовский, С. В. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: справочное пособие [Текст] / С. В. Якубовский. – М.: Радио и связь, 1984. – 432 с.

4 Титце, У., Шенк, К. Полупроводниковая схемотехника: справочное руководство [Текст] / У. Титце, К. Шенк. – М.: Мир, 1982. – 612 с.

5. Акимов, Н. Н. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА [Текст] / Н. Н. Акимов. – Беларусь, 1994. –

591 с.

6 Волович, Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств [Текст] / Г. И. Волович. – М.: Издательский дом "Додэка-ХХГ, 2005. – 528 с.

7 Тарабрин, Б. В. Интегральные микросхемы: справочник [Текст] / Б. В. Тарабрин. – М.: Радио и связь, 1984. – 528 с.

8. Перельман, Б. Л. Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги. Справочник [Текст] / Б. Л. Перельман. – М.: Радио, 1998. – 375 с.
9. Гендин, Г. С. Все о резисторах – Массовая радиобиблиотека: справочное издание [Текст] / Г. С. Гендин. – М.: Телеком, 2001. – 192 с.
10. Кончаловский, В. Ю. Цифровые измерительные устройства: учебное пособие для вузов [Текст] / В. Ю. Кончаловский. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 304 с.