Разработка цифрового вольтметра
Разработка цифрового вольтметра
Аннотация
вольтметр схема цифровой электронный
В данном курсовом проекте “Разработка цифрового вольтметра” изложены цели
и задачи курсового проекта, дается анализ структурной схемы и расчет основных
параметров цифрового вольтметра постоянного напряжения.
В проекте указывается на достоинства и недостатки метода двойного
интегрирования напряжения. На основе этого метода и выбранной элементной базы
разработана принципиальная схема цифрового вольтметра с время-импульсным
преобразованием напряжения, дано подробное описание принципа его работы. Также
описано функционирование основных узлов цифрового вольтметра и сделан краткий
вывод по данному курсовому проекту.
Исходные данные:
Вид изменяемого напряжения - постоянное.
Структурная схема вольтметра - С (двойное интегрирование)
Пределы измерения - 0-1; 0-10; 0-100 В.
Точность измерения - 0.1%
Время измерения - 0.1 с.
Элементная база - ТТЛ (155 серия)
Конструктивное исполнение - светодиодная индикация.
Введение
Цифровая измерительная техника является основной и наиболее развивающейся
частью измерительной техники, представляет собой совокупность цифровых
измерительных приборов (ЦИП), методов их проверки и правил эксплуатации.
Средства цифровой измерительной техники наилучшим образом сопрягаются со
средствами вычислительной техники, обладают высокой точностью и
быстродействием.
Цифровыми называются такие измерительные устройства, в которых измеряемая
величина автоматически в результате квантования и цифрового кодирования
представляется кодовым сигналом, выражающим значение измерительной величины.
Цифровые измерительные устройства разделяются на цифровые измерительные
приборы (ЦИП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП), ЦИП являются
автономными устройствами, выдают значения измеряемой величины автоматически в
визуальном виде на отдельном цифровом отсчётном или регистрирующем устройстве.
АЦП не имеет отсчётных или регистрирующих устройств. Являются частью ЦИП
или более сложных измерительно-информационных систем и выдают результат
измерения обычно в виде электрического кодового сигнала.
Основные направления создания ЦИП:
разработка ЦИП со встроенным микропроцессором, с автоматизацией выбора
пределов и рода измеряемой величины;
разработка ЦИП высокого быстродействия с параллельными и комбинированными
структурами.
Разработка ЦИП с узлами различного функционального преобразования.
Одну из групп среди ЦИП составляют цифровые вольтметры (ЦВ) постоянного
тока. ЦВ используются как отдельные приборы, служат основой цифровых мультиметров
(ЦМ), позволяющих измерять различные электрические величины и параметры
электрических цепей.
ЦВ обладают следующими свойствами (достоинствами)- высокой точностью
измерения напряжения (0.001%); широким диапазоном измерений при высокой
чувствительности (от 10 до 10 В); отсчётом в цифровой форме (практически
исключающем глазомерные ошибки и создающим удобство наблюдения на расстоянии);
быстродействием (до 10 изм/с); автоматическим выбором предела и полярности;
возможностью получения результатов наблюдений в форме, удобной для ввода в ЭВМ;
возможностью вывода на интерфейсную шину и включение в состав
измерительно-вычислительного комплекса.
По схемному решению ЦВ делят на две основные группы: с жёсткой логикой и
микропроцессорным программным управлением.
По методу аналого-цифровые преобразования различают ЦВ со следующими
видами преобразований:
время - импульсным (с одно-, двух-, и трёхкратным интегрированием);
по методу поразрядного кодирования;
напряжения в частоту (частотно- импульсным преобразованием);
комбинированные, сочетающие несколько методов.
По элементной базе ЦВ разделяются на приборы, выполненные на электронных
лампах, полупроводниковых приборах, интегральных микросхемах и
микропроцессорах. В настоящее время основной парк составляют ЦВ, выполненные на
цифровых и аналоговых микросхемах средней степени интеграции.
Широкое применение находят специальные микросхемы, заменяющие целые
функциональные блоки ЦВ. Практически все ЦВ выполняются с применением печатного
монтажа и использовании автоматизированных технологических установок при их
монтаже.
1. Структурная схема вольтметра
Структурная схема вольтметра приведена на рисунке 1, а графики,
поясняющие работу схемы на рисунке 2.
Рисунок 1 - структурная схема вольтметра с двойным интегрированием
напряжения.
В начале цикла устройство управления вырабатывает прямоугольный импульс
калиброванной длительности Т1, который подается на электронный переключатель.
И за время Т1 с входного устройства через электронный переключатель
на интегратор подается входное напряжение постоянного тока. Начинается первый
такт интегрирования “вверх”, при котором выходное напряжение интегратора растет
по линейному закону:
;
где Uвых - напряжение на выходе интегратора, В;- сопротивление,
Ом;- емкость конденсатора, Ф;вх - входное напряжение,
В;- начальный момент интегрирования (момент появления фронта импульса Т1);-
конечный момент интегрирования.
Крутизна этого напряжения пропорциональна входному напряжению Ux. В
момент t1 (рисунок 2), когда наступило окончание первого импульса,
триггер из состояния «0» перебрасывается в состояние «1» , а электронный
переключатель отключает входное напряжение от интегратора и к интегратору
подключается источник опорного напряжения.
Напряжение на компараторе остается равным «1». И начинается второй такт
интегрирования “вниз”, т.к. источник опорного напряжения имеет противоположную
полярность по отношению к измеряемому напряжению. Напряжение на выходе
интегратора линейно убывает. И в момент t2, когда напряжение на
выходе интегратора будет равно «0», тогда компаратор переключится из состояния
«1» в состояние «0». И в этот же момент триггер закроется, т.е. на его выходе
будет состояние «0» (рисунок 2) во время второго такта, когда триггер открыт (
рисунок 2.г), через него проходят импульсы высокой частоты (рисунок 2.е) на
временной селектор, т.е. во временном селекторе импульс, который приходит с
триггера, заполняется импульсами высокой частоты, приходящих с генератора
тактовой частоты. Это количество импульсов пропорционально измеряемому
напряжению.
Начало следующего цикла задается фронтом импульса Т1.
Т1.
Рисунок 2 - Графики, поясняющие принцип работы вольтметра
2. Расчёт основных параметров вольтметра
Напряжение на выходе интегратора при интегрировании «вверх» в
произвольный момент времени (начало отсчета времени - момент появления фронта
импульса длительностью Т1):
; (1)
где RC - постоянная времени интегратора; t - независимая переменная
величина (время).
В конце интервала интегрирования напряжение на выходе интегратора:
;
При
интегрировании “вниз”:
;
В
момент с учетом (1) имеем:
; (2)
Так
как процесс интегрирования опорного напряжения заканчивается когда выходное
напряжение интегратора становится равным нулю, то, положив в формуле (2) , получим:
(3)
перепишем
(3) в виде:
;
где
tи время управляющего импульса. Т.к. ;
где
Т время измерения и так как по условию Т=0.1, то
;
;
Из последней формулы выразим время tx:
; ;
Пусть опорное напряжение Uоп=1 В; Ux=0.1 В; тогда
с;
с;
Примем
tu = 0.1c и вычислим частоту
управляющего импульса по формуле:
Гц;
имп.
Исходя
из того, что Nx=1000000, частота счетных импульсов
Таким образом частота управляющих импульсов 10 Гц, а счетных 10000 кГц.
3. Схематика основных узлов цифрового вольтметра
.1 Входной делитель напряжения
Необходимое напряжение на входе усилителя обеспечивает входной делитель
напряжения, представленный на рисунке 3:
Рисунок 3 - Входной делитель напряжения
Примем сопротивление на входе делителя равным 1 МОм. То есть:
вх = R1 + R2 + R3+ R4;
= R1 + R2 + R3+ R4;
Рассчитаем номиналы резисторов по формуле:
;
Следовательно, для предела 0-1 В формула будет выглядеть следующим
образом:
+ R3+ R4=
100000 Ом.
Для
предела 0-10 В:
+ R4
= 10000 Ом.
Для
предела 0-100 В:
= 1000 Ом.
Следовательно:
= 10000 - 1000 = 9000 Ом.=
100000 - R3 - R4;= 90000 Ом. = 1000000 - R2 - R3 - R4;= 900000 Ом.
Необходимые
резисторы для делителя имеют следующие номиналы, с учётом стандартизированных
значений:1 = 900 кОм. 2 = 90 кОм. 3 = 9 кОм.4
= 1000 Ом.
.2
Входной усилитель
В
качестве входного усилителя используется операционный усилитель общего
назначения. В данном случае применим прецизионный операционный усилитель,
выполненный на микросхеме К544УД1А (рисунок 4). Данный операционный усилитель
имеет коэффициент передачи 110.
Рассчитаем
сопротивления R7 и R6. Примем R6 = 100кОм.
=> R7
= 910 Ом.
В
качестве защиты от перенапряжения и обратной полярности используется схема,
содержащая компаратор DА4, который реализован на микросхеме К1401СА1.
На
вход компаратора подаются напряжения с операционных усилителей DА2 и DА3,
которые сравниваются с эталонным значением. Если сравниваемое напряжение выше
эталонного, то компаратор открывает транзистор VT1. Срабатывает реле К1,
размыкает входную цепь и замыкает цепь питания VD5, который индицирует
перегрузку.
Параметры
этого операционного усилителя приведены в таблице 1.
Таблица
1 - Параметры ОУ К544УД1А
Uип,В
|
Uвх,В
|
Uвых,В
|
Iпот,мА
|
Rвх,Ом
|
Iвх,нА
|
±15В±10%
|
£10
|
³10
|
£3.5
|
109..1011
|
£200
|
Схема электрическая принципиальная входного устройства изображена на
рисунке 4.
Рисунок
4 - Схема входного усилителя и устройства защиты от перегрузки.
Кнопка
SB4 служит для снятия реле с режима самопитания. Диоды VD1 и VD2 служат для
фильтрации необходимой полярности входного сигнала. VD1 пропускает только
положительный потенциал, VD2 - отрицательный, позволяя тем самым предусмотреть
возможность измерения отрицательного потенциала на входе. Диоды VD3 - VD4
служат для фильтрации отрицательного потенциала на входе компаратора DA4, что в
свою очередь обеспечивает необходимый режим работы компаратора.
.3
Генератор управляющих импульсов
Для
функционирования схемы цифрового вольтметра с время - импульсным
преобразованием напряжения необходим генератор эталонных импульсов, разрешающих
работу схемы счёта. В данном ЦВ время измерения T0=0.1с. Таким
образом, форма эталонных импульсов рассчитывается в следующем виде:
Для
получения импульсов эталонной частоты используется схема формирования импульсов
на основе генератора с кварцевой стабилизацией. Так как на выходе генератора
частоты с кварцевой стабилизацией имеем 20000кГц, то для получения частоты
эталонных импульсов Fизм=10000кГц, необходим делитель на 2. Этот
делитель реализован на основе двух двоичных двенадцатиразрядных счётчиков
DD2,DD4 - К155ИЕ5. На вход DD2 подаются импульсы с генератора. Параметры этого
счётчика приведены в таблице 4.
Таблица
2 - Параметры микросхемы К155ИЕ5
Uип,В
|
U(0)вых,В
|
U(1)вых,В
|
Iпот,мкА
|
10В±10%
|
£1.0
|
³9.0
|
£80
|
Когда на выходе счётчиков значение 400000 (1000011001000111), счётчик
сбрасывается.
Схема электрическая принципиальная формирователя импульсов приведена на
рисунке 5.
Рисунок 5 - Генератор управляющих сигналов
С микросхем DD2 и DD4 снимается частота 10000кГц. Когда на выходах этих
микросхем появится число 10000000(10001001100), тем самым обеспечится деление
тактовых импульсов на 2. С микросхем DD3 - DD6 снимается частота 5 Гц (проходит
деление частоты на 400000(11000011010100000)).
Рисунок 6 - Генератор тактовых сигналов
Тактовый генератор выполнен на логических элементах D1.1 и D1.2, которые
выполняют логическую функцию ИЛИ-НЕ.
Это микросхема К155ЛА3. Микросхемы типа ЛИ (ЛИ1...ЛИ7) выполняют
логическую функцию mИ-НЕ. Как отмечалось ранее, функцию можно реализовать с
помощью логического элемента И-НЕ, переименовав его логические уровни (такой
способ непрактичен), или применив специальную ИС И-НЕ, где напряжение низкого
уровня Н соответствует логическому нулю, а напряжение высокого уровня В -
логической единице.
Каждый из корпусов ИС типа ЛА содержит от двух до четырёх логических
элементов. Основные параметры микросхемы находятся в таблице 1.
Таблица 4 - параметры микросхемы логического элемента.
Icc, mA
|
T, C
|
8.8
|
-55…+125
|
3.4
Электронный переключатель
Электронный переключатель SW1 построен на микросхеме КР590КН9. Этот ключ
работает следующим образом: при подаче управляющего импульса на #1, соединяется
линия 1. При подаче управляющего импульса на #2, соединяется линия 2. На выходе
ключа линии 1 и 2 соединены вместе. Элемент «И-НЕ» служит для переключения
измеряемого напряжения на опорное напряжение в момент t1 (см. рисунок 2). Для
того чтобы интегратор начал процесс интегрирования «вниз».
Рисунок
7 - Электронный переключатель
.5 Интегратор
Интегратор предназначен для выполнения математической операции
интегрирования. Напряжение на выходе этого устройства пропорционально интегралу
от входного напряжения. Такую операцию выполняет инвертирующий усилитель с
цепью обратной связи, образованной резистором R и конденсатором С.
Воспользуемся интегратором построенном на микросхеме К544УД1. Рассчитаем
постоянную интегратора RC из следующего выражения:
Пусть
R19=100 КОм, тогда
Рисунок 8 - Генератор линейно-изменяющегося напряжения.
Таблица 3 - Основные параметры операционного усилителя.
Тип
|
|
КР140УД17А
|
Коэффициент усиления
|
дБ
|
>88
|
Частота единичного усиления
|
мГц
|
>0.8
|
Н-е источника питания
|
В
|
15
|
Потребляемый ток
|
мА
|
<2.8
|
Макс. амплитуда вх. напряжения
|
В
|
11.5
|
Напряжение смещения
|
мВ
|
4
|
Ток входной
|
нА
|
<200
|
Сопротивление входное
|
МОм
|
>40
|
Сопротивление выходное
|
Ом
|
<150
|
Макс. допустимое сопр. нагрузки
|
кОм
|
2
|
.6 Компаратор
Компаратор предназначен для сравнения двух напряжений, поступающих на его
входы, и выдачи сигнала об их соотношении, например в момент их равенства.
Любой операционный усилитель является компаратором. Если включить операционный
усилитель без обратных связей, то при U1>U2 выходное напряжение будет
максимально положительным, а при U1<U2 - минимально. Точность сравнения
напряжений по выходам оценивается величиной
где
Ku - коэффициент усиления. Поскольку Ku компаратора К554СА3 составляет не менее
, то точность данного компаратора составит 66.6 мкВ.
В
нашем курсовом проекте используется компаратор серии К554СА3. Резисторы R9 и
R10 служат для преобразования сигнала на выходе компаратора под ТТЛ логику.
Рисунок
9 - Компаратор
.7
Схема временного селектора
Схема временного селектора состоит из трех элементов логических «И-НЕ».
При подаче на вход управляющего импульса сигнала «единицы», не смотря, что
подаем на вход с компаратора, с выхода временного селектора будет выходить
сигнал логического «нуля». А если на вход управляющего импульса подается
уровень «нуля», а с компаратора поступает сигнал логической «единицы», то на
выходе будет «единица».
Сам же временной селектор состоит из одного логического элемента «И». При
подаче сигнала логической «единицы» в момент t1 на временной селектор он
начинает пропускать импульсы от генератора счетных импульсов. В момент t2
поступает сигнал логического «нуля» и временной селектор закрывается. Число
импульсов прошедших за промежуток (t1;t2) подсчитывает счетчик, что
пропорционально измеряемому напряжению.
Рисунок
10 - Временной селектор
3.8 Устройство индикации
Схема счёта и индикации реализована на базе четырёх счётчиков с выходом
на семисегментные индикаторы (DD9 - DD12, HG1-HG4), подключённых
последовательно. HG1-HG4 представляют собой семисегментные индикаторы AЛС324А.
Переключатели SB1.2, SB2.2, SB3.2 служат для переключения плавающей точки индикаторов
для визуального наблюдения точности результата измерения.- DD12 представляют
собой десятичные счётчики с выходом на семисегментные индикаторы.. С выходов
f/2 счётчиков DD9 - DD12 (К176ИЕ4) снимается старший разряд и передаётся в
следующий по порядку счётчик. В соответствии с потребляемым током и входным
напряжением светодиодных индикаторов индикаторов, примем сопротивление
резисторов R18 - R47 равным 100 Ом.
Рисунок
8 - Устройство индикации
Подключение
индикаторов осуществляется через транзисторы КТ312А. Транзисторы работают в
ключевом режиме и в соответствии с двоичным кодом счётчиков открываются и
передают питание 10В на семисегментные индикаторы индикаторы. Для согласования
уровней ТТЛ и КМОП применяется преобразователь уровней.
3.9 Блок питания
Рассчитаем необходимую мощность и ток вторичных обмоток трансформатора
для питания цифрового вольтметра:
Исходя из расчётов, возьмём трансформатор ТПП 281-127/220-50
обеспечивающий выходное напряжение на вторичных обмотках 20В и обладающий
следующими параметрами:
Таблица 6 - Параметры ТПП 281-127/220-50
Номинал трансформатора
|
Ном.мощность
|
Ток первичной обмотки
|
Напряжение вторичной обмотки, В
|
|
|
|
|
Выводы вторичных обмоток
|
|
|
|
11 -12
|
13 -14
|
15 -16
|
17 -18
|
19 -20
|
21 - 22
|
Ток вторичной обмотки
|
ТПП 281-127/220-50
|
72,0
|
0,72
|
10,0
|
10,0
|
20,0
|
20,0
|
2,62
|
2,62
|
1,1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для получения выпрямленного пульсирующего напряжения на входе
стабилизаторов применим диодные мосты К142НД1. В качестве стабилизатора
используются микросхемы КР142ЕН15А. Параметры микросхемы КР142ЕН15А приведены в
таблице 7.
Таблица 7 - Параметры микросхемы КР142ЕН15А
Uвых,В при Uвх=±±20ВМаксимальное
падение напряжения ,ВНестабильность по напряжению, %/ВI+пот,мАI-пот,мА
|
|
|
|
|
±±(14.5В..15.5)ЈЈ3іі0.01ЈЈ5ЈЈ6
|
|
|
|
|
Назначение выводов: 1 - общий; 2 - балансировка Uвых; 3,12 -
частотная коррекция; 4 - выход положительный (II); 5 - выход положительный (I);
6,8,13 - свободные; 7 - вход положительный; 8 - вход отрицательный; 10 - выход
отрицательный (I); 11 - выход отрицательный (II); 14 - регулировка Uвых.
В
микросхеме предусмотрена возможность регулировки выходного напряжения в
диапазоне 8..23В при допустимых входных напряжениях, лежащих в диапазоне
±±(10..30)В, с помощью резистора R50, R52. Также предусмотрена возможность
подстройки фиксированного и регулируемого выходного напряжения в пределах ±±1В
с помощью резистора R50, R51.
Конденсаторы
C2,C4 = C3,C5 іі 1мкФ, C6,C8 = C7,C10 іі0.01 мкФ, C10,C12=C11,C13іі1мкФ.
R50,R52 - резистор регулировки выходного напряжения; R49,R52 - резистор
балансировки выходного напряжения; R52,R54 = R48,R50 = 33кОм±±10%. Таким
образом, необходимо предварительно отрегулировать DD6 на выходное напряжение
±±15В, а DD7 - на ±±10В. На рисунке 11 представлена схема блока питания.
Рисунок 9 - Блок питания
Заключение
В данном курсовом проекте был разработан цифровой вольтметр. В основе
работы ЦВ данного типа лежит преобразование типа двойное интегрирование,
значение которой измеряется цифровым измерителем и является мерой измеряемого
напряжения. Разработанный вольтметр позволяет измерять постоянное напряжение,
лежащее в пределах от 0 до 1, от 0 до 10 и от 0 до 100В, и отображать
соответствующую информацию на индикаторах. В состав вольтметра также включены
защита (и индикация ) от перенапряжения и обратной полярности. В цифровой части
вольтметра применены микросхемы на элементной базе ТТЛ. Данная серия микросхем
имеет малые энергетические затраты и довольно высокое быстродействие.
Точность измерения - 0.1 %, время измерения - 0.1 с. Для повышения надёжности и точности работы
устройства была применена 555 серия ТТЛ.
Литература
1 Кострома В.С. и др. ”Электронные устройства в
железнодорожной автоматике, телемеханике и связи”, Часть 1, Гомель, 1990.
Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/
С.В. Якубовский и др.; Под редакцией С.В. Якубовского.- М.: Радио и связь,
1990.-496 с.: ил.
Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник/В.И.
Иванов, А.И. Аксенов, А.М. Юшин; Под редакцией Н.Н. Горюнова.-М.:
Энергоатомиздат, 1984.-184 с.: ил.
Аналоговые интегральные схемы: Справочник/А.Л. Булычев, В.И.
Галкин, В.А. Прохоренко.-2-е изд., перераб. И доп. -Мн.: Беларусь, 1993.-382
с.: черт.
Федорко Б.Г., Телец В.А. “Микросхемы ЦАП и АЦП:
функционирование, параметры, применение”. М.: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1990.
Приложение