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]