Цифровой вольтметр постоянного тока

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 11 Января 2012 в 22:09, курсовая работа

Описание

Разработать и рассчитать цифровой вольтметр постоянного тока. Провести обзор методов измерения напряжения постоянного тока. Выбрать метод. Представить структурную схему прибора, принципиальную схему и спецификацию на элементы принципиальной схемы.
Исходные данные:
Пределы измерений: U1=1 В, U2 =10 В, U3=100 В
Число разрядов: 4
Класс точности: с=0,1%
Входное сопротивление не менее 10 МОм

Содержание

Техническое задание 3
Введение 4
Методы измерения напряжения постоянного тока 5
1 Метод непосредственной оценки 6
1.1 Метод преобразования напряжения в угол 6
1.2 Метод косвенного измерения постоянного напряжения, путём преобразования тока в угол отклонения
7
1.2.1 Электродинамический ИМ

1.2.2 Электромагнитный ИМ

1.2.3 Магнитоэлектрический ИМ 8

9

11
1.3 Осциллографический метод 13
1.4 Метод преобразования постоянного напряжения во временной интервал 13
1.5 Метод преобразования постоянного напряжения в частоту 15
Метод сравнения 17
2.1 Компенсационный метод 17
2.2 Дифференциальный метод 18
2.3 Метод поразрядного уравновешивания 19
2.4 Метод считывания 21
2.5 Метод двойного интегрирования 22
Выбор метода измерения 24
3 Структурная схема вольтметра переменного тока 24
4 Градуировка 24
5 Расчет принципиальной схемы 25
6 Расчет погрешностей 34
Заключение 38
Список литературы 39

Работа состоит из  1 файл

1.doc

— 1.23 Мб (Скачать документ)

   

   

   

     

     

   

      

   

     
 
 

   Измеряемое  напряжение Ux уравновешивают компенсирующим напряжением UK поразрядно, последовательно включая все разряды ЦАП, начиная со старшего. При uk>ux сравнивающее устройство (СУ) выдает в устройство управления сигнал на отсоединение последнего включенного разряда ЦАП, а при UK<.UX выходной сигнал СУ отсутствует и соответствующий разряд ЦАП остается включенным. В результате перебора всех разрядов измеряемое напряжение компенсируется образцовым рис.14б. По окончании цикла сравнения:     

                                                      

   где n-число разрядов кода; q-напряжение, соответствующее единице младшего разряда; аi-коэффициент, равный 1 или 0 в зависимости от результатов сравнения в каждом такте.

       Код, полученный на выходе устройства  управления, подается на цифровое  отсчетное устройство, где после  перехода к десятичной системе  счисления воспроизводится результат  измерения. Последовательность работы определяется генератором тактовых импульсов.

       Достоинством данного метода является: высокое быстродействие и возможность измерения напряжения с наибольшей точностью.

       Погрешность ЦАП зависит от  точности задания и стабильности опорного напряжения u0 , значений сопротивлений резисторов и остаточных сопротивлений электронных ключей.

   Характеристики  метода:

   Погрешность 0.01-0.001%, чувствительность 10 мкВ, быстродействие 0.2-500 мс, подавление помех нормального вида без фильтра. 
 

   2.4 Метод считывания.

   Параллельный  преобразователи применяются главным  образом там, где требуется максимально  высокое быстродействие. Последовательное преобразование обладает достоинством, заключающимся в том, что время  распространения через цепочку усилителей равно квадратному корню из произведения числа каскадов на время установления одного каскада в отличие от суммирования по каждому каскаду. В параллельном АЦП используется один компаратор на каждый входной уровень квантования (т. е. 6 - разрядный преобразователь должен иметь 6 компараторов). Преобразование осуществляется без обратной связи, единственное, что требуется наряду с компараторами, так это логическое устройство для декодирования выходных сигналов компараторов. Так как между аналоговыми входами и цифровыми выходами находятся только компараторы и логические элементы, то может быть получено максимально высокое быстродействие: вплоть до 50000000 выборок в секунду при низких разрешающих способностях, до 6 разрядов или менее. Тот факт, что число компараторов и логических элементов увеличивается с повышением разрешающей способности, безусловно, делает практически нереальной реализацию этого преобразователя для разрешающей способности выше 6 разрядов.

   

   Рис15. Структурная схема АЦП считывания. 

   Входной сигнал одновременно подается на входы компараторов, в которых он сравнивается с опорным напряжением, подаваемым на другие входы компараторов.

   Ui=UoR/∑Ri 

   В зависимости  от значения Uх часть компараторов срабатывает, при этом на Ui выходах  получается единичный позиционный код. Этот код подается на индикатор и преобразуется в n разрядный ПДК.

   Модифицированные  параллельные схемы, как, например, последовательно-параллельные, могут обеспечить хороший компромисс между объемом аппаратурной части  и сочетанием разрешающая способность — быстродействие за счет незначительного увеличения аппаратурной части и ухудшения быстродействия. Они могут выполнять до 100 000 преобразований в секунду при разрешающей способности вплоть до 14 разрядов.

   Последовательное  преобразование применяется там, где требуется высокоскоростное преобразование информации. Однако из-за увеличения числа компараторов и необходимости использования усилителя для каждой взвешенной цепи, оно стоит дороже,

   чем преобразование по методу последовательного приближения. Несмотря на то, что в последнее время был создан ряд изделий, построенных по этой последовательной основной схеме, они не получили столь широкого распространения, как их модифицированные варианты, в которых используется преимущество преобразования в коде Грея для улучшения быстродействия или комбинация последовательного метода и метода последовательного приближения с целью снижения стоимости. 

   Характеристики  метода:

         Время преобразования  0.1 мкс. 

   2.5 Метод двойного интегрирования.

   В этих приборах измеряемое напряжение Ux сначала интегрируется за определенное время tи, т.е. преобразуется в пропорциональное значение напряжения на выходе интегратора Uи. Затем в течении второго шага напряжение Uи преобразуется в пропорциональный интервал времени tx путем возврата интегратора в исходное состояние с постоянной скоростью.

   В исходном состоянии ключи K1, K2, K3 закрыты (K1, K2 – аналоговые ключи).

   Цикл  измерения начинается с того, что  в момент времени t1 генератором импульса заданной длительности ГИЗД через триггер Тг1,  открывается ключ K1 Напряжение на выходе интегратора начинает возрастать по закону . Через интервал времени tи, когда напряжение , генератор ГИЗД закрывает ключ K1 и открывает K2. Таким образом, в момент t2 к входу ИН оказывается приложенным напряжение Uо, противоположное во знаку Ux. Кроме того, в момент t2 импульсом от ГИЗД через триггер Тг2 открывается ключ К и импульсы частотой f0 начинают поступать на вход пересчетного устройства ПУ. В момент t3 когда Uи= Uо=0, сравнивающее ycтройство через триггер Тг2 включает ключ К и прекращает доступ импульсов на ПУ.  
 
 
 

     

     
 
 
 
 
 
 
 

   Время tx поступления импульсов на вход ПУ определяется из условия

     или

   

   Отсюда

   

   где - среднее за время tи значение входного напряжения.

   Таким образом, число импульсов, зафиксированных  отсчетным устройством ОУ за время tx,

   

   Характеристики  метода:

   Достоинства:

      повышенная  помехоустойчивость

      многопредельность диапазонов измерения

      низкая  погрешность

      чувствительность

    Недостатки:

      сложность конструкции 
     
     

   Выбор метода измерения

   В современной электронике все  больший уклон идет на точность измерения, наибольшее распространение получил метод двойного интегрирования, связи с этим наибольшее распространение получили цифровые вольтметры с преобразованием напряжения в код. Практически все современные ЦВ строятся на основе метода двойного интегрирования. ЦВ, реализованные на этом методе, имеют погрешность измерений 0,02 – 0,005%, подавление помех нормального вида 40-60 дБ, общего вида 100-160 дБ. Для этого метода приведем расширенную структурную схему.  

    3 Структурная схема вольтметра постоянного тока 
 

   Рис16. Структурная схема вольтметра постоянного тока 

   Вх.дел  – входной резистивный делитель, предназначенный для установки пределов измерения

   П  –  повторитель, операционный усилитель с единичным коэффициентом усиления, предназначенный для формирования необходимого напряжения

   АЦП –  аналого-цифровой преобразователь, используется для преобразования аналоговой величины в дискретную;

   Ин  – индикатор, предназначен для наглядного отображения измеряемого напряжения 

   4 Градуировка

   Так как  известна входные величины напряжений и выходная величина показаний индикатора, то можно найти результирующий коэффициент, при числе разрядов, равном 4 максимальное значение Nmax, при 10В составляет 10 000:

   

    1.              , общий коэффициент передачи вольтметра для первого, второго и третьего пределов

   2. , коэффициент передачи резистивного делителя для

    , коэффициент передачи резистивного делителя для

    , коэффициент передачи резистивного делителя для

   3. , коэффициент передачи повторителя

   4. , коэффициент передачи АЦП 

       5 Выбор принципиальной схемы

       Так как создается вольтметр на 3 предела, то можно использовать либо 3 резистивных делителя либо один трехзвенный резистивный делитель. В данном случае используется трехзвенный делитель. Входные напряжения на трех пределах соответственно равны 1В, 10В, 100В, тогда входной резистивный делитель должен поделить верхний предел в 100 раз, второй – в 10 раз и нижний предел остается без изменений, т.е. передаточные коэффициенты резистивного делителя соответственно равны: k3=0,01, k2=0,1 и k1=1.  Так как входной делитель высокоомный и определяется  Rвх10 МОм, то для согласования с низкоомной нагрузкой необходимо поставить повторитель с Rвх10 МОм.

       Выбранное АЦП может работать на пределе 0,1В  или 1В, следовательно, после повторителя  не нужны дополнительные преобразователи  и АЦП будет работать на пределе 1В. Так как по заданию требуется результат измерения представить  четырьмя разрядами, то на индикаторе при соответствующих напряжениях отобразятся:

       1В  – 1.000

       10В  – 10.00

       100В  – 100.0

   

       Т.е. результирующие коэффициенты передачи на трех пределах соответственно равны:

       

        

       5.1 Резистивный делитель (переключатель напряжений)

   Делитель  напряжения — устройство для пропорционального уменьшения постоянного или переменного напряжения. Строится на основе активных или реактивных сопротивлений.

   Теоретически  определим необходимые номиналы резисторов для расчета данной схемы, определим коэффициенты передачи.

   С помощью данного резистивного делителя устанавливается диапазон измерений.

   Выбираем  входное сопротивление Rвх равное 10 МОм. Рассчитаем резисторы  R1, R2 и R3:

   Резистивный делитель в соответствии с градуировкой имеет следующие коэффициенты:

    Дано:

     

                           

                                                              Рис17. Принципиальная схема делителя напряжения

     

       ,

   Выберем номинальные сопротивления типа С2-13 из ряда Е192:

   

   А так же сопротивление типа С2-29В  из ряда Е192:

   

    5.2 Повторитель 

     
 

                                               
 

                                                                    Рис18.  Схема повторителя 
 

   Технические характеристики ОУ КР140УД17А

Uп, В  Eсм, мВ Входной ток, мкА    Kу    Rвхдиф,МОм
   ±3—±18    0,25    0,01    1,5*105    10
 

Информация о работе Цифровой вольтметр постоянного тока