Цифровой измерительный вольтметр
Цифровой измерительный вольтметр
Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации
Новосибирский Государственный Технический
Университет
Факультет Автоматики и Вычислительной Техники
Кафедра Сбора и Обработки Данных
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисцеплине :
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
Тема:
«Цифровой измерительный вольтметр»
Принял:
Группа: А-51 Подпись:
Выполнил: Рарова Т. Л. Дата:
Оглавление .
1.
Оглавление................................................................
..................2
2.
Введение..................................................................
....................3
3. Техническое задание на курсовой проект................................4
4. Разработка структурной
схемы.................................................5
5. Разработка принципиальной схемы.........................................
5.1 Входной
делитель................................................................
6 Входной
усилитель.............................................................
7 Устройство
сравнения..........................................................
8 Аналогово-цифровой преобразователь............................
9
Переключатель...........................................................
...
10
Интегратор..............................................................
..
11
Компаратор..............................................................
..
12
13. Анализ
погрешностей..............................................................
14. Проверка класса
точности.........................................................
15.
Заключение................................................................
................39
16. Список литературы.
.................................................................40
1. Введение.
В настоящее время широко применяются цифровые измерительные
приборы(ЦИП) , имеющие ряд достоинств по сравнению с аналоговыми
электроизмерительными приборами.
Цифровыми называются приборы, автоматически вырабатывающие
дискретные сигналы измерительной информации, показания которых
представляются в цифровой форме. В цифровых приборах в соответствии
со значением мзмеряемой величины образуется код, а затем в
соответствии с кодом изменияемая величина представляется на отчетном
устройсве в цифровой форме.
Цифровой прибор включает в себя два обязательных функциональных
узла: аналогово-цифровой преобразователь(АЦП) и цифровое отчетное
устройство.
Аналогово-цифровые преобразователи предназначены для преобразования
аналоговых сигналов в соответствующие им цифровые, то есть для
преобразования сигналов с неприрывной шкалой значений в сигналы ,
имеющие имеющие дискретную шкалу значений. А отчетное устройство
отражает значение измеряемой величины в цифровой форме.
Классификация методов преобразования напряжения в цифровой код
весьма разнообразна. По виду алгоритма работы АЦП подразделяются на
преобразователи , использующие методы последовательного счета,
поразрядного кодирования и считывания.
Метод преобразования выбирается в зависимости от конкретных условий
использования вольтметров , назначения вольтметра и их стоимости.
Одним из отличительнх признаков , характеризующих свойства
преобразователей , является наличие или отсутствие в структурной
схеме обратной связи. Поэтому по принципу действия АЦП делятся на
преобразователи прямого преобразования (без обратной связи) и с
обратной связью(уравновешиваемые , замкнутые), например следящие и
поразрядного кодирования.
Представителями алгоритма последовательного счета являются
преобразователи с промежуточным преобразованием напряжения в другую
аналоговую величину ( временный интервал, частоту ), а также
интегрирующего типа. Последние обеспечивают высокую
помехоустойчивость и точность , но уступают по быстродействию другим
АЦП.
Наиболее распространненым вариантом пребразователей интегрирующего
типа являются АЦП с двухтактным интегрированием (dual slope).
Интегрирующие двухтактные преобразователи обладают прекрасной
точностью исключают ошибки при распространении сигналов в схеме и
компенсируют изменения частоты синхроимпульсов и постоянной времени
интегратора, поскольку эти изменения воздействуют в равной степени на
оба фронта пилообразного импульса . Преобразователь компенсирует
также токи и напряжения смещения компататора , поскольку
предусмотрены два перехода через нуль, обеспечивающие это.
Этот метод экономичен при применении в преобразователях высокого
разрешения , но из-за большой постоянной времени цепей быстродействие
преобразователей не превышает 100 преобразований/ секунду. Как
правило, цифровая информация на выходе этих АЦП представляется в
специальном коде, предназначенном для непосредственного управления
светодиодными цифровыми табло с семисегментными индикаторами либо
табло, выполненными на жидких кристаллах.
2. Разработка структурной схемы.
В цифровых измерительных приборах показания представляются в виде
дискретных чисел на отсчетном устройстве. Преимущества такого
представления связаны с уменьшением субъективных ошибок из-за
параллакса и ускорением считывания.
В измерительных вольтметрах используются ,в основном, схемы
интегрирующего АЦП(смотри ранее).
В состав двухтактных интегрирующих АЦП обычно входят
операционные усилители, компаратор напряжения, аналоговые ключи,
источник опорного напряжения, двоично-десятичный счетчик, регистр
,дешифратор, генератор тактовых импульсов, выходные схемы
управления(устройство индикации).
На рисунке 1 изображена структурная схема цифрового измерительного
вольтметра.
Работа прибора ,согласно схеме, происходит следующим образом : входной
сигнал проходит через входной аттенюатор(делитель и буферный
усилитель) , управляемый устройством управления аттенюатором. Схема
реализована так, что на устройство сравнения попадает всегда сигнал
имеющий величину близкую к 0,1 вольт, то есть импульс сравнения равен
0,1 вольт. Этот импульс сравнения поступат с источника опорного
напряжения.
Атоматический выбор пределов измерения происходит следующим образом :
Работа интегрирующих АЦП происходит в два такта:
первый такт: аналоговые ключи К2 и К3 разомкнуты, ключ К1 замкнут , так
что неизвестное напряжение U1 подаётся в интегратор в течении времени
T0 . Импульсы синхронизации обеспечиваются устройстовом управления.
После фиксированного числа синхроимпульсов общей продолжительностью Т0
ключ К1 размыкается, а ключи К2 и К3 замыкаются, начался
второй такт:
в этот момент времени значение Uм равно :
Uм=U1*T0\t (1),
где t- постоянная времени интегратора.
На вход интегратора подключается опорный входной сигнал, имеющий
обраттую полярность по отношению к аналоговому входному напряжению U1,
так что выходной сигнал интегратора уменьшается от Uм до нуля, и в
этот момент устройстово управления блокируется до начала следующего
цикла сброса. Напряжение на выходе интегратора теперь равно нулю, так
что имеем
0=Uм - Е0*T2/t (2)
Из выражения (1) и (2) получаем
U1=E0*T2/T1.
Поскольку E0 и Т1 постоянны , показание счетчика (Т2) дает значение
неизвестного аналового входного сигнала.
Благодаря ключу К3 интегратор разряжается на землю .
Из последнего уравнения видно , что метод двойного интегрирования
обеспечивает независимость точности прибора от долговременной
нестабильности элементов цепи интегрирования RC , а также от
долговременной нестабильности частоты генератора тактовых импульсов .
Медленные изменения величин R, C и частоты повторения счетных
импульсов , из которых формируется интервал интегрирования первого
такта T1 , могут привести лишь к небольшим изменениям общего времени
измерения . Это объясняется тем , что влияние указанных изменений
взаимно компенсируется на двух интервалах интегрирования. Если ,
например, возрастает частота появления импульсов , то до момента
начала компенсации выходного напряжения интегратора будет проходить
меньшее время (T1 уменьшится). Выходное напряжение интегратора U01
будет несколько меньшим ,чем оно было бы при прежней частоте , но на
интервале интегрирования опорного напряжения разместится несколько
большее число счетных импульсов , так как частота их стала выше.
Таким образом, уменьшение выходного напряжения интегратора будет
скомпенсировано. Если сопротивление или емкость цепи интегрирования
изменяется , то это приведет к соответствующему изменению
измеряемого и опорного напряжений на выходе интегратора , так что
эти изменения взаимно компенсируются. Погрешность измерения прибора в
основном определяется нестабильностью источника опорного напряжения
и нестабильностью коэффициента усиления входного усилителя.
Структурная схема одного из цифровых вольтметров , основанных на этом
методе , и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены в
приложении 2 .ЦВ содержит усилитель А1 входного сигнала, интегратор,
компаратор, триггеры Т1,Т2, одновибратор Ов ,логическую схему
управления, источник опорного напряжения, генератор пуска , двоично-
десятичный счетчик СТ с индикатором .В исходном состоянии RS-
триггеры Т1 и Т2 находятся в состоянии «0» . Ключ К3 , управляемый
инверсным выходом триггера Т2 , замкнут , и на выходе ОУ будет
потенциал входа, близкий к нулю. Счетный вход СТ заперт сигналом 0
прямого выхода Т2 , и счетчик хранит результат предыдущего
преобразования. Счетчик СТ устанавливается в состояние «0» сигналом
ПУСК , который задерживается одновибратором Ов и поступает на вход S
триггера Т2 , устанавливая его в состояние «1» . Это приводит к
размыканию ключа К3 и отпиранию счетного входа СТ , который начинает
считать импульсы генератора Гн тактовой частоты ft Входное измеряемое
напряжение ,поступающее на вход интегратора через замкнутый ключ К2 ,
интегрируется .Интегрирование продолжается до переполнения счетчика
СТ . Импульс переноса СТ устанавливает Т1 в «1» , размыкая тем самым
К2 и замыкая К1.Опорное напряжение имеет противоположную полярность
по отношению к измеряемому напряжению и выходное напряжение
интегратора начинает изменяться в обратную сторону. Когда выходное
напряжение интегратора станет равным U сравнения , компаратор
срабатывает , и его выходной импульс устанавливает оба триггера в
состояние «0». Схема приходит в исходное состояние.
Пусковой импульс
t
опорное напряжение
t
U1
выходное напряжение интегратора
t
Uсравнения
импульс компаратора
t
t0 t1 t2 t3
импульс конец интервала
переполнения счета
[pic] |
