Реферати українською » Математика » Математична модель цифрового вольтметра


Реферат Математична модель цифрового вольтметра

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Анотація

вимірювальний техніка інтеграторкомпаратор

У цьому курсовому проекті розроблений цифровий вольтметр (>ЦВ), який працює за принципу подвійного інтегрування і має такі технічні характеристики:

Вигляд вимірюваного напруги – постійне;

Межіизмерения-10-0 У

Точністьизмерения0.008 %

Часизмерения0.05 з

Основна елементна база цифрового вольтметра – цифрові мікросхемиТТЛ логіки. СхемаЦВ передбачає вибір однієї з двох меж виміру (ще точного виміру малих напруг), захист вхідний ланцюга від перенапруги і подача напруги зворотної полярності. Для харчуванняЦВ розроблено схему блоку харчування, який виробляє всі необхідні для вольтметра напруги


Зміст

Запровадження

1. Структурна схема цифрового вольтметра

2. Розрахунок основних параметрів вольтметра

3.Схемотехника вузлів цифрового вольтметра

3.1 Розрахунок вхідного устрою.Рассчитаем дільник:

3.2 Електронний перемикач

3.3Интегратор

3.4Компаратор

3.5Триггер

>3.8Генератор рахункових імпульсів і пристрій управління

4 Розрахунок похибки вольтметра

5 Розрахунок споживаної потужностіЦВ

6 Блок харчування

Укладання

Література

Додаток А

Додаток Б

Додаток У

 

Запровадження

 

>Измерительная техніка - одне з найважливіших чинників прискорення науково-технічного прогресу практично в усіх галузях народного господарства.

При описі явищ і процесів, і навіть властивостей матеріальних тіл використовуються різні фізичні величини, кількість яких сягає тисяч: електричні, магнітні, просторові і тимчасові; механічні, акустичні, оптичні, хімічні, біологічні та інших. У цьому зазначені величини відрізняються як якісно, а й кількісно і оцінюються різними числовими значеннями.

Встановлення числового значення фізичної величини здійснюється шляхом виміру. Результатом виміру слугує кількісна характеристика як іменованого числа з одночасної оцінкою ступеня наближення отриманого значення вимірюваною величини до справжнього значенням фізичної величини. Перебування числового значення вимірюваною величини можливе лише дослідним шляхом, тобто. у процесі фізичного експерименту.

>Измерительная техніка розпочала свій розвиток з 40-х років XVII в. разом й характеризується послідовним переходом від що б (середина й інша половина в XIX ст.), аналоговихсамопишущих (кінець XIX – початок XX в.), автоматичних та на цифрових приладів (середина XX в. – 50-ті роки) доинформационно-измерительним системам.

Кінець ХІХ ст. характеризувався першими успіхами радіозв'язку і радіоелектроніки. Її розвиток призвело до необхідність створення коштів вимірювальної техніки нових типів, розрахованих малі вхідні сигнали, високі частоти івисокоомние входи. У цих засобах вимірювальної техніки використовувалися радіоелектронні компоненти -випрямители, підсилювачі, модулятори і генератори (лампові, транзисторні, на мікросхемах),електронно-лучевие трубки (при побудові осцилографів) та інших.

Розвиток дискретних коштів вимірювальної техніки нині створило цифрових вольтметрів постійного струму, похибка показань яких суттєво нижча 0,0001%, а швидкодія перетворювачівнапряжение-код сягає кількох мільярдів до секунду.

Широкі можливості відкрилися перед вимірювальної технікою у зв'язку з появою мікропроцесорів імикроЭВМ. Завдяки ним значним чином розширилися області застосування коштів вимірювальної техніки, поліпшилися їх технічні характеристики, підвищилися надійність і швидкодія, відкрилися шляху реалізації завдань, які раніше було неможливо бути вирішені.

За шириною та ефективності застосування мікропроцесорів одне з перших місць займає вимірювальна техніка, причому всі ширше застосовуються мікропроцесори в системах управління. Важко переоцінити значення мікропроцесорів імикроЭВМ під час створення автоматизованих коштів вимірів, виділені на управління, дослідження, контролю та випробувань складних об'єктів.

Розвиток науку й техніки вимагає постійної вдосконалення коштів вимірювальної техніки, роль якої неухильно зростає.


1. Структурна схема цифрового вольтметра

Структурна схема цифрового вольтметра з подвійним інтегруванням приведено малюнку 1. Цикл перетворення і двох інтервалів часу Т1 і Т2.

На початку циклу пристрій управління виробляє прямокутний імпульскалиброванной тривалості Т1, який електронну перемикач. І з час Т1 з вхідного устрою через електронний перемикач на інтегратор подається вхідний напруга постійного струму. Починається перший такт інтегрування “вгору”, у якому вихідний напруга інтегратора зростає по лінійному закону:

;

деUвих – напруга не вдома інтегратора, У;

R – опір,Ом;

З – ємність конденсатора, Ф;

>Uвх – вхідний напруга, У;

>t1 – початковий момент інтегрування (момент появи фронту імпульсу Т1);

>t2 – кінцевий момент інтегрування.

>Крутизна цього напруги пропорційна вхідному напрузіUx. У часt1 (малюнок 2), коли настав закінчення першого імпульсу, тригер зі стану «0» перекидається до стану «1» , а електронний перемикач відключає вхідний напруга від інтегратора і доинтегратору підключається джерело опорного напруги.

Напруга накомпараторе залишається рівним «1». І тут починається другий такт інтегрування “вниз”,т.к. джерело опорного напруги має протилежну полярність стосовноизмеряемому напрузі. Напруга не вдома інтегратора лінійно убуває. І кожної митіt2, коли напруга не вдома інтегратора дорівнюватиме «0», тодікомпаратор переключиться зі стану «1» до стану «0». І цього ж момент тригер закриється, тобто. з його виході буде стан «0» Під час другого такту, коли тригер відкритий, нього проходять імпульси високої частоти на тимчасової селектор, тобто. в часі селекторі імпульс, який завжди приходить ізтриггера, заповнюється імпульсами високої частоти, які приходять з генератора тактовою частоти. Це кількість імпульсів пропорційноизмеряемому напрузі.

Початок наступного циклу задається фронтом імпульсу Т1.

>Рис.


Малюнок 2 - Графіки,поясняющие принцип роботи вольтметра


2Расч>ет основних параметрів вольтметра

Напруга не вдома інтегратора при інтегруванні «вгору» в довільний час (початок відліку часу – момент появи фронту імпульсу тривалістю Т1):

;(1)

деRC – стала часу інтегратора;t – незалежна змінна величина (час).

Наприкінці інтервалу інтегрування напруга не вдома інтегратора:

;

При інтегруванні “вниз”:

;

У час з урахуванням (1) маємо:

;(2)

Оскільки процес інтегрування опорного напруги закінчується коли вихідний напруга інтегратора стає рівним нулю, то, взявши за формулі (2) , одержимо:


(3)

>Перепишем (3) як: ; (4)

деtи - час управляючого імпульсу.

Оскільки ми час виміру одно0,05с., той час першого такту інтегрування одно : з.

Для точного розрахунку приймемос.(исходя речей, що у мережі існують перешкоди й у зменшення ймовірності появиТ1 візьмемо кратним періоду коливання (>f=50 гц,Т1=1/f=0.02 з) ).

Задля більшої заданої точності виміру (0.008%), вхідний напруга має вимірюватися з точністю0,0008В. Отже у схемі індикації ми використовуємо 5 індикаторів. Одному вольту вхідного напруги ми відповідаєNx=10000 імпульсів. Оскільки максимальне час виміруТ1=0,02с., то частотасчетних імпульсів вступників з генератора дорівнює:

>кГц

Частота управляючого імпульсу обчислимо за такою формулою:

гц


3.Схемотехника вузлів цифрового вольтметра

 

3.1 Розрахунок вхідного устрою

>Входное пристрій складається з схеми захисту від перенапруги, схеми індикації перевантаження і зворотної полярності, і навіть дільника.

>Делитель призначений для вибору меж виміру з допомогою розподілу вхідного напруги. У нашому випадку два краю виміру: -10 – 0 B, -1–0 B.

>Рассчитаем дільник:

ЯкR3,R4 іR5 використовуємо прецизійнірезистори типуС5-60 потужністю 0.25 Вт і з допуском 0.001% із граничним робочим напругою250В, що забезпечить необхідний запас міцності за напругою.Подбираем остаточно значення опорів резисторів дільника.

Сумарна максимальна похибка дільника становить

приймемо вхідний опір вольтметра рівним 10МОм, тодіR4= 9,9МОм,R3= 90кОм,R5= 10кОм.

Для захисту від перенапруги скористаємосястабилитроном ірезистором, обмежують струм на вході. Для даної схеми візьмемостабилитрон2C311 [6], I>ном якого дорівнює 5мА і непередбачуване напруження стабілізації Uст одно 1.3 У. ТодіR6 виберемо із розрахунку:

Пристрій індикації перенапруги і полярності побудовано двомакомпараторахК554СА3 і двох світлодіодахАЛ341 —DA3.2,DA4.1 іVD2,VD3 відповідно. Робота устрою: якщо напруга з дільника вбирається у десяти вольт, то, на виходікомпаратораDA3.2 – нульової сигнал. При збільшенні вимірюваного напруги до величини понад десять У не вдомакомпаратора з'являється сигнал логічного 1 і світлодіодVD1 починає світитися.

Якщо напруга наделителе позитивне, токомпараторDA4.1 не вдома має сигнал «0». Якщо ж напруга негативне, то, на виходіDA4.1 – «1», і світлодіодVD4 сигналізує про зворотної полярності вимірюваного напруги.МикросхемаК554СА3 обрано з урахуванням [4], а світлодіодиАЛ341 з урахуванням [5], там-таки залишилися їхні основні характеристики.

У схемою вхідного устрою посилення напруги удесятеро скористаємося операційним підсилювачемК140УД6.

>Рассчитаем опоруR1 іR2:

, ,

Малюнок 5 –Входное пристрій


3.2 Електронний перемикач

Електронний перемикачDA1 побудований на мікросхеміКР590КН8 [4]. Цей ключ працює так: під час подачі управляючого імпульсу на #1, з'єднується лінія 1. При подачі управляючого імпульсу на #2, з'єднується лінія 2. На виході ключа лінії 1 і 2 з'єднані разом. Елемент «>И-НЕ»DD4.1 служить для перемикання вимірюваного напруги на опорне напруження як у моментt1 (див малюнок 2), щоб інтегратор розпочала процес інтегрування «вниз». ЕлементиDD 3.1 і 3.2 служать у тому, щоб інтегрування «вниз» зупинялося нулі.

Малюнок 6 – Електронний перемикач

3.3Интегратор

>Интегратор призначений до виконання математичної операції інтегрування. Напруга не вдома цього устрою пропорційноинтегралу від вхідного напруги. Таку операцію виконуєинвертирующий підсилювач з ланцюгом зворотний зв'язок, освіченоюрезистором R і конденсатором З.

Скористаємося інтегратором побудованому на мікросхеміК544УД1 [7].Рассчитаем постійну інтегратораRC із наступного висловлювання:

НехайR5=100КОм, тоді

Малюнок 7 -Интегратор

3.4Компаратор

>Компаратор призначений порівнювати двох напруг, вступників з його входи, й видачі сигналу про їхнє співвідношенні, наприклад, у момент їх рівності. Будь-який операційний підсилювач єкомпаратором. Якщо включити операційний підсилювач без зворотного зв'язку, то, приU1>U2 вихідний напруга буде максимально позитивним, а приU1<U2 - мінімально. Точність порівняння напруг за виходами оцінюється величиною деKu – коефіцієнт посилення. ОскількиKuкомпаратораК554СА3 становить менше , то точність даногокомпаратора становитиме 66.6мкВ.


У нашому курсовому проекті використовуєтьсякомпаратор серіїК554СА3 [4].

Малюнок 9 -Компаратор

3.5Триггер

Яктриггера візьмемоJK- тригерК155ТВ1 [4], схема підключення якого зображено малюнку 10. РоботаJK-триггера пояснюється з урахуванням таблиці станів.

Малюнок 10 –Триггер


3.6 Схема тимчасового селектора

Схема тимчасового селектора складається з логічного елемента «І». При подачі на вхід імпульсу зтриггера сигналу «одиниці», не вдома буде послідовність імпульсів, що зГСИ. Якщо ж зтриггера піде сигналлогического«нуля», то, на виході завжди буде «нуль».

Кількість імпульсів минулих за проміжок (>t1;t2) підраховує лічильник, що пропорційноизмеряемому напрузі.

Малюнок 11 – Часовий селектор

3.7 Система індикації

Для індикації вимірюваного напруги необхідно, передусім, перетворити інформацію, отриману не вдомасчетчика імпульсів, в цифри на індикаторах. Оскільки використовується 5 індикаторів, необхідно розбити число не вдомасчетчика п'ять розряду. Потім отримані десяткові розряди з допомогою дешифраторів подати на входи сегментних індикаторів.

Яксчетчиков і дешифраторів виберемо 5 мікросхемК555ИЕ19 і п'ятиК555ИД2 відповідно [1]. МікросхемиК555ИЕ19 є це й чотирьох розряднідвоично-десятичние лічильники, ісчетчиками-делителями на 10. Отже, з'єднавши між собою послідовно ці мікросхеми і до них приєднатидешифратори, та був і індикатори, одержимо систему індикації вимірюваного напруги. Удешифраторах є тригери пам'яті, запис у яких проводиться у разі фронту позитивного імпульсу по входу P.S.

Як індикаторів використовуємо мікросхемиАЛС314А [8,10].

Малюнок 12 – Система індикації

Малюнок 12 – Система індикації

 

3.7Генератор рахункових і більше управляючих імпульсів

Розглянемо схему генератора з кварцовим резонатором, виконаним на логічних елементахИЛИ-НЕ. ЕлементDD14.1 охоплено тут 100 %-іншої негативною зворотної зв'язком і, отже, є просто підсилювач з коефіцієнтом передачі 1. ЕлементDD14.2 є логічний інвертор, що у моменти перемикання вже з стану до іншого вносить в ланцюг невеличке посилення, достатні компенсації втрат надходжень у кварцовомурезонаторе і, отже, до виникнення невщухаючого коливального процесу. Напруга не вдома генератора має вигляд послідовності прямокутних імпульсів.

Основне завдання генератора з кварцовим резонатором - отримання коливань з дуже стабільної частотою. І тому, у максимально можливої ступеня зменшити впливом геть роботу кварцевого резонатораподсоединяемой щодо нього зовнішньої електричної ланцюга. З цією метою додано елементDD14.3.Частотаавтогенератора визначатиметься лише частотою кварцу.

Оскільки нам потрібно частота імпульсів 500кГц і 20 гц, то скористаємося кварцовим генератором на 500кГц. Використовуючи два 4-х розрядних лічильникаК155ИЕ5 і елементК555ИЕ19 (два 4-х розрядних лічильника).Разделим частоту на 25000 й одержимо 20 гц – для управляючого імпульсу.

Малюнок 14 –Генератор управляючих імпульсів


4. Розрахунок похибки вольтметра

Похибка дискретності виникає виміру атмосферного явища інтервалу часу заповнюваного рахунковими імпульсами. Вона виникає через те, що моменти появи рахункових імпульсів не синхронізовані з фронтом заповнюваного ними тимчасового інтервалу. У реальну схему безпосередньо підраховуються лічильні імпульси, а чи не тимчасові інтервали їх прямування, тому округлення може здійснюватися як і бік більшого, і у бік меншого значення, необов'язково до найближчого цілого.

Максимальне значення абсолютної похибки становить "плюс-мінус" один період прямування рахункових імпульсів.

Так за частоти F0=500кГц період прямування тобто. максимум абсолютної похибки становить

Повна похибка вольтметра окреслюється корінь від суми похибок окремих блоків вольтметра. У разі це: похибка вхідного дільника напруги, похибка індикації, похибка дискретності і похибка задає генератора.

>s>вх – похибка вхідного дільника, позаяк уделителе використовуються прецизійнірезистори, то похибка дільника визначається похибкою цих резисторів і як 0.002%.

>sінд - похибка індикації дорівнює 0,001%

 – похибка дискретизації рівна%

Ця похибка вбирається у задану.


5. Розрахунок споживаної потужностіЦВ

У розробленому устрої застосовані різні цифрові і аналогові мікросхеми, харчування мікросхем здійснюється від різних джерел напруги, вони споживають різні струми. Для зручності розрахунку зведемо всіх параметрів в таблицю (див. таблицю 2).

Таблиця 2 – Параметри мікросхем
>Микросхема >Кол-во >Uпит, У >Iпотр,мА >Рпотр, мВт
>КР544УД1 1 15 3,5 52,5
>К554СА3 2 15 6 180
>К155ТВ1 1 6 15 90
>К155ИЕ5 1 5 20 100
>К555ИЕ19 4 5 26 520
>К555ИД2 4 5 10 200

Отже: для напруги +>5В споживана потужність становить 820 мВт чи 0.82 Вт; для напруги ±>15В споживана потужність становить 232,5 мВт чи 0.232 Вт. Отже все пристрій споживає 1,052 Вт. Для більшої надійності збільшимо споживану потужність на 30%, становитиме 1,368 Вт.


6. Блок харчування

Джерело харчування має висновки з напругою: +15, -15, +5, -5, -12.5, +10.1. Сумарна споживана потужність елементів, які увольтметре, які живилися від різних напруг дорівнює:

приUпит=+15 У »>0.3Вт(»0.02А)

приUпит=-15 У »>0.3Вт(»0.02А)

приUпит=+10.1 У »>1.385Вт(»0.277А)

Виходячи з цього найпридатнішою є трансформаторТПП258-127/220-50. З його характеристик можна дійти невтішного висновку, що припустимий струм вторинних обмоток трансформатора більше (дляUпит=±15 У, ніж у 20 раз, аU=±5 У – майже 1.5 разу) якомога більшої споживаного струму елементами вольтметра кожного зUпит, але це отже, що це трансформатор можна застосовувати щодо харчування елементів у схемі. Особливістю трансформатора типу ТПП і те, що він, зазвичай, низька напруга вторинних обмоток, а тому цей тип трансформатора застосовується

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація