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 (частотноимпульсным 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;

R — сопротивление, Ом;

C — емкость конденсатора, Ф;

Uвх — входное напряжение, В;

t1 — начальный момент интегрирования (момент появления фронта импульса Т₁);

t2 — 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 t_u = 0.1c и вычислим частоту управляющего импульса по формуле:

Гц;

Теперь найдем частоту генератора счетных импульсов:

имп.

Исходя из того, что Nx=1 000 000, частота счетных импульсов

Таким образом частота управляющих импульсов 10 Гц, а счетных 10 000 кГц.

3. Схематика основных узлов цифрового вольтметра

3.1 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:

R_вх = R1 + R2 + R3+ R4;

1 000 000 = R1 + R2 + R3+ R4;

Рассчитаем номиналы резисторов по формуле:

;

Следовательно, для предела 0−1 В формула будет выглядеть следующим образом:

R2 + R3+ R4= 100 000 Ом.

Для предела 0−10 В:

R3+ R4 = 10 000 Ом.

Для предела 0−100 В:

R4 = 1000 Ом.

Следовательно:

R3 = 10 000 — 1000 = 9000 Ом.

R2 = 100 000 — R3 — R4;

R2 = 90 000 Ом.

R1 = 1 000 000 — R2 — R3 — R4;

R1 = 900 000 Ом.

Необходимые резисторы для делителя имеют следующие номиналы, с учётом стандартизированных значений:

R₁ = 900 кОм.

R₂ = 90 кОм.

R₃ = 9 кОм.

R₄ = 1000 Ом.

3.2 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

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.

3.3 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 20 000кГц, то для получения частоты эталонных импульсов F_изм=10 000кГц, 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

Когда на выходе счётчиков значение 400 000 (1 000 011 001 000 111), счётчик сбрасывается.

Схема электрическая принципиальная формирователя импульсов приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 — Генератор управляющих сигналов С микросхем DD2 и DD4 снимается частота 10 000кГц. Когда на выходах этих микросхем появится число 1 000 0000(10 001 001 100), тем самым обеспечится деление тактовых импульсов на 2. С микросхем DD3 — DD6 снимается частота 5 Гц (проходит деление частоты на 40 0000(11 000 011 010 100 000)).

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.

Частота генерации задаётся с высокой точностью с помощью кварцевого генератора ZQ1. Был выбран кварцевый резонатор РВ-04 с частотным диапазоном до 20 000 кГц. Кварцевый резонатор включен в цепь положительной обратной связи с выхода D1.2 на вход D1.1. Резистор R10 выводит элемент D1.1 в активный режим.

Таблица 4 — параметры микросхемы логического элемента.

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

3.5 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.

3.6 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

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

3.7 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.

DD9 — 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 10 В 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 20 В и обладающий следующими параметрами:

Таблица 6 — Параметры ТПП 281−127/220−50

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

Назначение выводов: 1 — общий; 2 — балансировка U_вых; 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 U_вых.

В микросхеме предусмотрена возможность регулировки выходного напряжения в диапазоне 8.23 В 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 ±1 В с помощью резистора R50, R51.

Конденсаторы C2, C4 = C3, C5 і 1мкФ, C6, C8 = C7, C10 і0.01 мкФ, C10, C12=C11,C13і1мкФ. 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 ±15 В, а DD7 — на ±10 В. 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 100 В, 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.

1 Кострома В. С. и др. «Электронные устройства в железнодорожной автоматике, телемеханике и связи», Часть 1, Гомель, 1990.

2 Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ С. В. Якубовский и др.; Под редакцией С. В. Якубовского.- М.: Радио и связь, 1990.-496 с.: ил.

3 Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник/В.И. Иванов, А. И. Аксенов, А. М. Юшин; Под редакцией Н. Н. Горюнова.-М.: Энергоатомиздат, 1984.-184 с.: ил.

4 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.

5 Федорко Б. Г., Телец В. А. «Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение». М.: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1990.

Приложение