Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Вступ

1. Порівняльний аналіз та обґрунтування вибору схеми вольтметра змінного струму

1.1 Класифікація схем для вимірювання напруги

1.2 Основні технічні параметри

1.3 Аналіз та обґрунтування вибору принципової схеми для вимірювання напруги

2. Розроблення структурної схеми вольтметра змінного струму

3. Розроблення електричної принципової схеми вольтметра змінного струму

4. Розрахунок електричної принципової схеми вольтметра

Висновки

Перелік використаної літератури

напруга змінний струм вольтметр

Вступ

Засіб вимірювальної техніки (прилад) в даний час є тим інструментом, який дозволяє отримати необхідну інформацію про відповідний технічний процес, навколишнє середовище тощо.

В останні два десятиліття сучасні радіоелектронні та мікроелектронні технології розвиваються надзвичайно високими темпами. Вони знаходять все більш широке використання в багатьох областях народного господарства та в значній мірі визначають та впливають на рівень науково-технічного прогресу. Без даних технологій теперішнє життя звичайної людини уявити нереально.

Електромніка (від грец. Злекфсьнйп -- електрон) -- наука про взаємодію електронів з електромагнітними полями і про методи створення електронних приладів і пристроїв, в яких ця взаємодія використовується для перетворення електромагнітної енергії, в основному для передачі, обробки і зберігання інформації. Також електроніка -- це галузь фізики та техніки, в якій досліджуються електронні процеси, що пов'язані з утворенням та керуванням руху вільних електронів та/або інших заряджених частинок в різноманітних середовищах (вакуум, тверде тіло, газ, плазма) та на їх границях, а також проблеми і методи розробки електронних приладів різного призначення. Обмін інформацією в електронних системах відбувається за допомогою сигналів, носіями яких можуть бути різного типу фізичні величини -- струми, напруги, світлові хвилі та інші. Одна з основних проблем, що стоять перед електронікою, пов'язана з вимогою збільшення кількості оброблюваної інформації обчислювальними електронними системами управління, з одночасним зменшенням їх габаритів і споживаної енергії.

В цьому випадку виникає необхідність у розширенні та вдосконаленні функціональних можливостей радіоелектронної апаратури і серйозному покращенні таких техніко-економічних показників як надійність, вартість, габарити, маса.

Головна вимога при проектуванні та покращенні такої радіоелектронної апаратури полягає в тому, щоб створюваний прилад був ефективніший за свого попередника, тобто перевершував його за якістю функціонування, ступені мініатюризації і технічно-економічної доцільності. Перевагами цифрових засобів і систем порівняно з аналоговими є висока надійність, можливість збереження інформації без її втрати, економічна й енергетична ефективність, сумісність з інтегральною технологією, висока технологічність і повторюваність.

Отже, основа розвитку сучасних електронних систем -- безперервне ускладнення та вдосконалення всіх функцій, що на сьогоднішній день дає можливість вирішувати надскладні завдання.

1. Порівняльний аналіз та обґрунтування вибору схеми вольтметра змінного струму

1.1 Класифікація схем для вимірювання напруги

Схеми для вимірювання напруги бувають електромеханічні, аналогові, цифрові. Коротко розглянемо деякі з них.

Цифровий вимірювальний прилад (ЦВП) -- це вимірювальний прилад, в якому вхідний сигнал вимірювальної величини перетворюється у дискретний сигнал та представляється у цифровій формі.

В цифровому вимірювальному приладі (ЦВП) обов'язково автоматично виконується такі операції: квантування вимірювальної величини за рівнем, дискретизація її в часі, кодування інформації.

Переваги ЦВП перед аналоговими: зручність і об'єктивність відліку, висока точність результатів вимірювання, висока швидкодія, можливість автоматизації процесу вимірювання, висока стійкість до зовнішніх механічних та магнітних впливів.

Прилади, що призначені для прямого вимірювання напруг, називають вольтметрами. Їх підключають паралельно до ділянки кола, напругу на якому можна виміряти.

В цифрових вольтметрах результат вимірювання представляється у вигляді цифр, що виключає ряд суб'єктивних похибок. В основу їх роботи покладений принцип перетворення аналогової величини в дискретну.

ЦВП безпосередньо можуть вимірювати постійну напругу. Вони поділяються на прилади прямої зрівноважуючої дії (присутній зворотній зв'язок). У свою чергу ЦВП прямої дії поділяються на прилади з реалізацією часового перетворення, частотного перетворення, безпосереднього перетворення напруги в код.

Принцип роботи ЦВП прямої дії з часовим перетворенням базується на перетворенні вимірювальної напруги в інтервал часу, а потім в цифровий код. У свою чергу дані ЦВП поділяються на вольтметри розгортаючого часового перетворення та інтегруючі.

При використанні періодичного сигналу інформативним параметром може бути його миттєве, амплітудне, діюче або середнє значення, частота, період, фаза.

Цифрові вольтметри для вимірювання амплітудного значення змінної гармонійної напруги працюють на методі вимірювання, який оснований на запам'ятовуванні амплітуди вимірювальної напруги.

Напругу вимірюють в діапазоні від одиниць до сотень кіловольт. Різні методи та засоби вимірювання дозволяють одержати результати вимірювань з похибками, які складають тисячні долі відсотка.

1.2 Основні технічні параметри

Напруги вимірюють як приладами безпосередньої оцінки (електромеханічної та електронної груп), так і приладами, що реалізують методи порівняння. Електромеханічні вольтметри (рисунок 1.1) складаються із електричного вимірювального механізму та вимірювального перетворювача у вигляді додаткових резисторів або шунтів.

Властивості вимірювальних механізмів описуються рівнянням шкали, яке встановлює залежність між лінійним (або кутовим) переміщенням показника механізму та вимірювальної величини, що діє на механізм.

В стрілочних (аналогових) вимірювальних приладів найбільше застосування знаходять магнітоелектричні вимірювачі.

Аналогові електронні вольтметри використовуються для вимірювання постійних напруг, змінних та імпульсних напруг. Електронні універсальні вольтметри можуть вимірювати і постійні, і змінні напруги.

Рисунок 1.1 Схеми електромеханічних вольтметрів

Електронні вольтметри змінного струму виконують за однією із схем: «підсилювач змінного струму -- випрямляч (детектор) -- вимірювач» (рисунок 1.2,а) або «детектор -- ППС -- вимірювач» (рисунок 1.2,6).

По схемі рис. 1.2,а виготовляють мілівольтметри. Але у таких вольтметрів верхня границя області робочих частот не перевищує декілька мегагерц. За схемою рис. 1.2,6 виконують вольтметри з верхньою границею області робочих частот в декілька сотень мегагерц. Але такі вольтметри мають низьку чутливість.

Властивості електронних вольтметрів в значній мірі визначаються видом використовуваного детектора. В електронних вольтметрах використовують пікові детектори з відкритим входом (рисунок 1.3) та інші детектори.

а)

б)

Рисунок 1.2 Схеми електронних вольтметрів

Рисунок 1.3 Схема амплітудного детектора

В цифрових вольтметрах результат вимірювання представляється у вигляді цифр, що виключає ряд суб'єктивних похибок. Сигнали, які виробляються цифровими вольтметрами в процесі вимірювання напруги, зручні для їх використання в цифрових обчислювальних машинах. Точність таких вольтметрів звичайно значно більша точності аналогових вольтметрів.

Схема такого вольтметра представлена на рисунку 1.4. При побудові даних схем в якості джерела сигналу використовують як правило операційний підсилювач з від'ємним зворотнім зв'язком, що володіє дуже малим вихідним опором, тому його впливом можна знехтувати. Перевагою такої схеми цифрового вольтметра є також те, що змінюючи опір одного резистора, можна регулювати диференційний коефіцієнт підсилення.

Цифрові вольтметри постійного струму складають найбільш розповсюджену групу ЦВП. Вони дозволяють вимірювати напругу від 1 мкВ до 1 кВ із похибкою 0.01... 0.1 % при швидкодії від 2 до 5000 вимірювань в секунду та вхідному опорі 10⁹... 10⁷ Ом. Для вимірювання змінної напруги такі вольтметри комплектуються детекторами. Розроблені також цифрові вольтметри прямого вимірювання змінної напруги.

Їх робота базується на принципі перетворення аналогової величини в дискретну. За способом такого перетворення розрізняють цифрові вольтметри з часоімпульсним перетворювачем, вольтметри з розрядним зрівноваженням та інші.

Рисунок 1.4 Схема інструментального підсилювача для цифрового вольтметра

1.3 Аналіз та обґрунтування вибору принципової схеми для вимірювання напруги

Провівши порівняльний аналіз всіх попередньо розглянутих схем для вимірювання напруги та їхніх характеристик вибираємо схему цифрового вольтметра, тому що цифрові вимірювальні прилади на відміну від аналогових мають такі переваги: зручність та об'єктивність відліку; висока точність результатів вимірювання; висока швидкодія, так як відсутні електромеханічні елементи; можливість автоматизації процесу вимірювання, включаючи автоматичний вибір полярності і діапазонів вимірювання; висока стійкість до зовнішніх механічних і магнітних впливів.

Елементною базою цифрових приладів є інтегральні мікросхеми, що дає можливість досягати великої швидкодії та малих габаритних розмірів, розширює функціональні можливості і підвищує надійність приладів.

Перспективним напрямком розвитку цифрових вимірювальних приладів застосування в них мікропроцесорів для керування процесом вимірювання, для первинного оброблення результатів вимірювання (лінеаризації функції перетворення, корекції похибок тощо).

Недоліками ЦВП є: висока складність виконання схем, відносно висока вартість.

В цифрових вольтметрах результат вимірювання подається у вигляді цифр, що виключає ряд суб'єктивних похибок. Сигнали, які виробляються цифровими вольтметрами в процесі вимірювання напруги, зручні для їх використання в цифрових обчислювальних машинах. Точність таких вольтметрів звичайно значно більша точності аналогових вольтметрів.

Однією з перевагою такої схеми цифрового вольтметра є також те, що змінюючи опір одного резистора, можна регулювати диференційний коефіцієнт підсилення.

2. Розроблення структурної схеми вольтметра змінного струму

Розглянемо принцип роботи цифрового вольтметра за допомогою його структурної схеми, що представлена на рисунку 2.1.

За допомогою подільника А1 з контактами атенюатора S вибирається діапазон вимірювання вольтметра. На подільник вимірювальна величина потрапляє з щупів вольтметра. З подільника вимірювана величина надходить на інструментальний підсилювач А2, що підсилює дану величину.

Сигнал з інструментального підсилювача через лінійний детектор АЗ поступає в аналого-цифровий пристрій А4 в якому перетворюється в деякий цифровий код.

Цей цифровий код в свою чергу перетворюється і відображається у вигляді семисегментних цифр на індикаторі А5.

Для живлення даної схеми використовується блок живлення GB, що забезпечує напругу 15В та 5В.

Блок живлення складається з таких елементів як трансформатор Т, випрямляч U і фільтр Z та працює наступним чином. Трансформатор Т напругу мережі 220В перетворює в напругу 15В та 5В. Випрямлення даної величини здійснює випрямляч блоку живлення U. Випрямлена напруга стабілізується за допомогою 2, її регулюють змінним резистором.

Як показано на рис.2.1 за допомогою БЖ живляться також такі елементи схеми, як А2, АЗ, А4, А5.

Рисунок 2.1 Структурна схема цифрового вольтметра змінного струму (А1 -- подільник; А2 -- інструментальний підсилювач; АЗ -- лінійний детектор; А4 -- аналого-цифровий перетворювач; А5 -- індикатор; U1, U2 -- випрямляч та стабілізатор відповідно; Т -- трансформатор; Z -- фільтр; S -- ступінчастий атенюатор)

3. Розроблення електричної принципової схеми вольтметра змінного струму

Принципова схема приладу складається з таких функціональних блоків подільника, блока живлення, інструментального підсилювача, лінійного детектора, аналогово-цифрового перетворювача та цифрового індикатора.

Даний вольтметр працює на шести діапазонах вимірювання. Діапазони забезпечуємо за допомогою подільника, який складається з опорів R1 -- R6 та перемикачів SB1 -- SB6 можна вибирати певний діапазон вимірювання вольтметра. На подільник вимірювальна величина потрапляє з входу X1. З подільника вимірювана величина надходить на інструментальний підсилювач, який представляє собою схему, яка складається з електрометричного вичислювача DA1 -- DA3 та струмо-вимірювального резистора, який під'єднуємо між його входами. Через введення цього резистора втрачається така важлива перевага, як малий вхідний опір. Але якщо в коло від'ємного зворотного зв'язку вхідних підсилювачів ввімкнути вимірювальний резистор, спад напруги на цій схемі буде достатньо малий. Даний інструментальний підсилювач підсилить виміряне значення напруги після чого поступає на лінійний детектор.

Для схем детектування напруга відмикання р-n переходу вносить дуже великі похибки в їхню роботу. Схема випрямляча мікросхема DD4 з діодами VD16, VD17, VD18 в зворотному зв'язку, використана в даній роботі, дає змогу знизити поріг відмикання діода у К разів, де K=KU_підс із 33. Тобто схема дає змогу знизити поріг вимикання діода до рівня порядку 1мВ.

Для позитивних півхвиль сигналу U_вих=0, діод VDІ6 допоміжний, він захищає вхід ОП від перевантаження вхідного негативного сигналу. Для негативної півхвилі сигналу діод VD18 відкривається й отримуємо підсилювач з інвертуванням.

Лінеаризований сигнал з лінійного детектора поступає в аналого-цифровий перетворювач. АЦП КР572ПВ2 призначений для перетворення напруги аналогового сигналу в цифрову форму для подальшого відображення рівня сигналу цифровим індикатором. Мікросхему КР572ПВ2 виготовляють за технологією КМОП. Підключенні до мікросхеми DD5 трьох зовнішніх резисторів (R37, R38, R39) і п'яти конденсаторів (С8, С9, С10, С11, С12) КР572ПВ2 виконує функцію АЦП, яке працює за принципом подвійного інтегрування з автоматичною корекцією нуля і автоматичним визначенням полярності сигналу. Таким чином, ця інтегральна мікросхема представляє собою електронну частину даного цифрового вольтметра. Шкали вимірюваного вхідного сигналу -- до ±1,999В і до ±199,9мВ.

Цифрова інформація на виході АЦП представляється в семи сегментному коді. Цифрове відображення показів амперметра здійснюється на 3,5 декадному цифровому індикаторі DD6, DD7. DD8.

Живлення всієї схеми вольтметра забезпечується за допомогою блока живлення, який складається з двох частин. Перша частина представляє собою трансформатор Т1, однин діодний міст VD1 -- VD4, фільтр що складається з конденсатора СЗ та стабілізатор напруги який побудований на транзисторах VT1, VT4, опорах (R14, R17, R21--R23) і стабілітроні VD13. Ця частина забезпечує живлення схеми напругою в 5В, яка надходить до виводу 37 мікросхеми DD5.

Друга частина блоку живлення складається з трансформатора з двома вторинними обмотками Т2 та здвоєної схеми яка складена аналогічно до першої частини розглядуваного блоку живлення. Вона живить схему напругою величиною +15В, що поступає на виводи 5 мікросхем DD1, DD2, DDЗ, DD4 та вивід 36 DD5; -15В надходить до виводів 6 мікросхем DD1, DD2, DDЗ, DD4 та вивід 35 DD5.

4. Розрахунок електричної принципової схеми вольтметра

Розрахуємо основні функціональні частини цифрового вольтметра, тобто подільник напруги, інструментальний підсилювач та лінійний детектор врахувавши всі особливості даної схеми.

Тобто, завдяки від'ємному зворотному зв'язку через резистори R9 і R11 потенціал V_N буде рівним Ve=1·10^-2В. Припустимо, що на вході DD1 протікає струм І=0,0001 А, а величини опорів рівні R10=1000 Ом, R9=500 Ом, R11=1000 Ом, R35=2000 Ом, R32=1000 Ом. Тоді вихідний потенціал операційного підсилювача DD2 завдяки від'ємному зворотному зв'язку буде рівний:

(4.1)

При V_N=Ve маємо:

(4.2)

На операційний підсилювач DD3 поступає різниця потенціалів V1--V2. Згідно формул (4.1) і (4.2) його вихідна напруга складе:

(4.3)

Здійснивши підстановку отримаємо:

Дана напруга пропорційна струму, що протікає.

Знаходимо значення напруги на виході лінійного детектора за такою формулою:

(4.4)

Підставивши дані отримаємо:

Отже, розрахована напруга 0,3В поступає на вхід АЦП КР572ПВ2. Подільник розраховуємо з умови, що вхідний опір повинен бути не менше 1МОм/В. Тобто складаємо таку пропорцію:

звідси R6=10⁶·10^-2=10⁴ (Ом), при діапазоні 0--10мВ.

В подальшому розрахунок опорів для подільника проводимо за законом Ома:

R=U/I (4.5)

Вважаючи з'єднання опорів подільника послідовним визначимо струм, що протікає крізь нього:

I=10^-2/10⁴=10^-6 А

Тоді

для діапазону 0--100 мВ, R_5--6=100·10^-3/10^-6 (Ом), R5= R_5--6 - R6=9·10⁴ Ом;

для діапазону 0--1 В, R_4--6=1/10^-6 Ом, R4= R_4--6 - R_5--6=9·10⁵ Ом;

для діапазону 0--10 В, R_4--6=10/10^-6=10⁷ Ом, R3= R₃--₆ - R₄--₆=9·10⁶ Ом;

для діапазону 0--100 В, R_4--6=100/10^-6=10⁸ Ом, R3= R₂--₆ - R₃--₆=9·10⁷ Ом;

для діапазону 0--1 кВ, R_4--6=1000/10^-6=10⁹ Ом, R3= R₁--₆ - R₂--₆=9·10⁸ Ом.

Висновки

В даній курсовій роботі проведено порівняльний аналіз різних схем для вимірювання напруги, розглянуто їх основні параметри, характеристики та переваги і недоліки. Обґрунтовано вибір схеми, яка взята за основу для розробки цифрового вольтметра змінного струму.

Розроблено і описано функціональну і принципову схему цього приладу. Також виконано розрахунок принципової схеми приладу.

Перелік використаних джерел

1. Хоровиц П. Хилл У. Искусство схемотехники. Т1-Т2, М.: 1983, 358 с.

2. Лебедев О. І. Цифрова техніка: Підручник. Київ, «Політехніка» 2004 - 312 с.

3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем.: Мир, 1982. 512 с.

Размещено на Allbest.ru