Разработка структурной схемы.

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................................................................

5.2 Входной усилитель.............................................................

5.3 Устройство сравнения..........................................................

5.4 Аналогово-цифровой преобразователь............................

5.4.1 Переключатель..............................................................

5.4.2 Интегратор................................................................

5.4.3 Компаратор................................................................

5.4.4

1. Анализ погрешностей..............................................................

2. Проверка класса точности.........................................................

3. Заключение................................................................................39

4. Список литературы..................................................................40

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.

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 О в,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 О в 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 Г н тактовой частоты f t 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