Курсовая: 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................................................................

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

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