3.2 Электронный переключатель

 

     Электронный переключатель DA1 построен на микросхеме КР590КН8 [4]. Этот ключ работает следующим образом: при подаче управляющего импульса на #1, соединяется линия 1. При подаче управляющего импульса на #2, соединяется линия 2. На выходе ключа линии 1 и 2 соединены вместе. Элемент «И-НЕ» DD4.1 служит для переключения измеряемого напряжения на опорное напряжение в момент t1 (см рисунок 2), для того чтобы интегратор начал процесс интегрирования «вниз». Элементы DD 3.1 и 3.2 служат для того, чтобы интегрирование «вниз» останавливалось на нуле. 

     

     Рисунок 6 – Электронный переключатель

     3.3 Интегратор

 

     Интегратор  предназначен для выполнения математической операции интегрирования. Напряжение на выходе этого устройства пропорционально  интегралу от входного напряжения. Такую операцию выполняет инвертирующий  усилитель с цепью обратной связи, образованной резистором R и конденсатором С.

     Воспользуемся интегратором построенном на микросхеме К544УД1 [7]. Рассчитаем постоянную интегратора  RC из следующего выражения:

     

     Пусть R5=100 КОм, тогда  

     

     Рисунок 7 - Интегратор

     3.4 Компаратор

 

     Компаратор  предназначен для сравнения двух напряжений, поступающих на его входы, и выдачи сигнала об их соотношении, например в момент их равенства. Любой  операционный усилитель является компаратором. Если включить операционный усилитель  без обратных связей, то при U1>U2 выходное напряжение будет максимально положительным, а при U1<U2 - минимально. Точность сравнения напряжений по выходам оценивается величиной где Ku – коэффициент усиления. Поскольку Ku компаратора К554СА3 составляет не менее , то точность данного компаратора составит 66.6 мкВ. 
 

 

       

     В нашем курсовом проекте используется компаратор серии К554СА3 [4].

     

     Рисунок 9 - Компаратор

     3.5 Триггер

 

     В качестве триггера возьмём JK- триггер К155ТВ1 [4], схема подключения которого изображена на рисунке 10. Работа JK- триггера объясняется на основе таблицы состояний. 

     

      Рисунок 10 – Триггер

 

      3.6 Схема временного  селектора

 

     Схема временного селектора состоит из логического элемента «И». При подаче на вход импульса с триггера сигнала «единицы», на выходе будет последовательность импульсов, идущих с ГСИ. А если с триггера пойдет сигнал логического«нуля», то на выходе всегда будет «ноль».

     Число импульсов  прошедших за промежуток (t1;t2) подсчитывает счетчик, что пропорционально измеряемому напряжению. 

     

     Рисунок 11 – Временной селектор 

     3.7 Система индикации 

     Для индикации измеряемого напряжения необходимо, прежде всего, преобразовать  информацию, полученную на выходе счётчика импульсов, в цифры на индикаторах. Так как используется 5 индикаторов, то необходимо разбить число на выходе счётчика на 5 разряда. Затем полученные десятичные разряды с помощью дешифраторов подать на входы сегментных индикаторов.

     В качестве счётчиков и дешифраторов выберем 5 микросхем К555ИЕ19 и 5 К555ИД2 соответственно [1]. Микросхемы К555ИЕ19 являются одновременно и четырех разрядные двоично-десятичные счетчики, и счётчиками-делителями на 10. Таким образом, соединив между собой последовательно эти микросхемы и к ним присоединить дешифраторы, а затем и индикаторы, получим систему индикации измеряемого напряжения. В дешифраторах имеются триггеры памяти, запись в которые производится по фронту положительного импульса по входу S.

     В качестве индикаторов используем микросхемы АЛС314А [8,10]. 

     

     Рисунок 12 – Система индикации

     3.7 Генератор счетных  и управляющих  импульсов

 

     Рассмотрим  схему генератора с кварцевым  резонатором, выполненным на логических элементах ИЛИ-НЕ. Элемент DD14.1 охвачен здесь 100 %-ной отрицательной обратной связью и, следовательно, представляет собой просто усилитель с коэффициентом передачи 1. Элемент DD14.2 представляет собой логический инвертор, который в моменты переключения из одного состояния в другое вносит в цепь небольшое усиление, достаточное для компенсации потерь в кварцевом резонаторе и, значит, для возникновения незатухающего колебательного процесса. Напряжение на выходе генератора имеет вид последовательности прямоугольных импульсов.

     Основная  задача генератора с кварцевым резонатором - получение колебаний с весьма стабильной частотой. Для этого, нужно в максимально возможной степени уменьшить влияние на работу кварцевого резонатора подсоединяемой к нему внешней электрической цепи. Для этой цели добавлен элемент DD14.3.Частота автогенератора будет определяться только частотой кварца.

     Так как нам требуется частота  импульсов 500 кГц и 20 Гц, то воспользуемся  кварцевым генератором на 500 кГц. Используя два 4-х разрядных счетчика К155ИЕ5 и элемент К555ИЕ19 (два 4-х  разрядных счетчика). Разделим частоту  на 25000 и получим 20 Гц – для управляющего импульса. 

     

     Рисунок 14 – Генератор управляющих импульсов 

 

      4. Расчет погрешности  вольтметра

 

     Погрешность дискретности возникает при измерении  интервала времени заполняемого счетными импульсами. Она возникает  вследствие того, что моменты появления счетных импульсов не синхронизированы с фронтом заполняемого ими временного интервала. В реальной схеме непосредственно подсчитываются счетные импульсы, а не временные интервалы их следования, поэтому округление может производиться как в сторону большего, так и в сторону меньшего значения, не обязательно до ближайшего целого.

     Максимальное  значение абсолютной погрешности составляет "плюс-минус" один период следования счетных импульсов.

     Так при частоте F₀=500 кГц период следования т.е. максимум абсолютной погрешности составляет

     Полная  погрешность вольтметра определяется как корень из суммы погрешностей отдельных блоков вольтметра. В данном случае это: погрешность входного делителя напряжения, погрешность индикации, погрешность дискретности и погрешность задающего генератора. 

       

     s_вх – погрешность входного делителя, так как в делителе используются прецизионные резисторы, то погрешность делителя определяется погрешностью этих резисторов и составляет 0.002%.

     s_инд - погрешность индикации равна 0,001%

       – погрешность дискретизации  равная %

     

     Данная  погрешность не превышает заданную.

 

      5. Расчет потребляемой  мощности ЦВ

 

     В разработанном устройстве применены  различные цифровые и аналоговые микросхемы, питание микросхем осуществляется от различных источников напряжения, они потребляют различные токи. Для  удобства расчета сведем все параметры  в таблицу (см. таблицу 2). 

 

     Таким образом: для напряжения +5В потребляемая мощность составляет 820 мВт или 0.82 Вт; для напряжения ±15В потребляемая мощность составляет 232,5 мВт или 0.232 Вт. Следовательно все устройство потребляет 1,052 Вт. Для большей надежности увеличим потребляемую мощность на 30%, она составит 1,368 Вт.

 

      6. Блок питания 

     Источник питания  имеет выводы с напряжением: +15, -15, +5, -5, -12.5, +10.1. Суммарная потребляемая мощность элементов, используемых в  вольтметре, питающихся от различных  напряжений равна:

     при Uпит=+15 В »0.3Вт(»0.02А)

     при Uпит=-15 В »0.3Вт(»0.02А)

     при Uпит=+10.1 В »1.385Вт(»0.277А)

     Исходя  из этого наиболее подходящим является трансформатор ТПП258-127/220-50. Исходя из его характеристик можно сделать вывод, что допустимый ток вторичных обмоток трансформатора больше (для Uпит=±15 В более, чем в 20 раз, а для U=±5 В – почти в 1.5 раза) максимально возможного потребляемого тока элементами вольтметра для каждого из Uпит, а это значит, что данный трансформатор можно применять для питания элементов в схеме. Особенностью трансформатора типа ТПП является то, что у него, как правило, низкое напряжение вторичных обмоток, поэтому данный тип трансформатора применяется в основном для питания устройств в радиоэлектронике.

     В качестве выпрямительных элементов  используем микросхемы К142НД1 - набор  диодов. Нумерация выводов приведена на рисунке 13. 

     

     Рисунок 13 - Выпрямительный элемент К142НД1

 

      В блоке питания также применяются схемы делителей напряжения для получения +10.1в на резисторах с2-29в равных r2=1ком и r3=2ком;-12.5в на резисторах r4=1ком и r5=0.2ком с допусками 0.05%.

     Для сглаживания пульсаций применены  конденсаторы конденсаторы типов К50-20 на 2000мкФ (С1, С3, С5, С7, С9, С11) для сглаживания  пульсаций, К40У-9 на 1мкФ (С2, С4, С6, С8, С10, С12) для борьбы с ВЧ помехами.

     Схемы стабилизации напряжения служат для стабилизации в цепи выходного напряжения и выполнена согласно требованиям нашего вольтметра на стабилизаторах К142ЕН5А и К142ЕН8Б.

     Схема включения приведена на рисунке 14. 

     

     Рисунок 14- Схема включения стабилизатора  напряжения 

     Основные  параметры трансформатора ТПП258-127/220-50 приведены в таблице 3, стабилизаторов К142ЕН5А и К142ЕН8Б – в таблице 4. 

     Таблица 3 – Параметры трансформатора