Разработка цифрового вольтметра

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Измерительная техника - один из важнейших факторов ускорения научно-технического прогресса практически во всех отраслях народного хозяйства.

При описании явлений и процессов, а также свойств материальных тел используются различные физические величины, число которых достигает нескольких тысяч: электрические, магнитные, пространственные и временные; механические, акустические, оптические, химические, биологические и др. При этом указанные величины отличаются не только качественно, но и количественно и оцениваются различными числовыми значениями.

Установление числового значения физической величины осуществляется путем измерения. Результатом измерения является количественная характеристика в виде именованного числа с одновременной оценкой степени приближения полученного значения измеряемой величины к истинному значению физической величины. Нахождение числового значения измеряемой величины возможно лишь опытным путем, т.е. в процессе физического эксперимента.

Измерительная техника начала свое развитие с 40-х годов XVII в. и характеризуется последовательным переходом от показывающих (середина и вторая половина XIX в.), аналоговых самопишущих (конец XIX - начало XX в.), автоматических и цифровых приборов (середина XX в. - 50-е годы) к информационно-измерительным системам.

Конец XIX в. характеризовался первыми успехами радиосвязи и радиоэлектроники. Ее развитие привело к необходимости создания средств измерительной техники нового типа, рассчитанных на малые входные сигналы, высокие частоты и высокоомные входы. В этих новых средствах измерительной техники использовались радиоэлектронные компоненты - выпрямители, усилители, модуляторы и генераторы (ламповые, транзисторные, на микросхемах), электронно-лучевые трубки (при построении осциллографов) и др.

Развитие дискретных средств измерительной техники в настоящее время привело к созданию цифровых вольтметров постоянного тока, погрешность показаний которых ниже 0,0001 %, а быстродействие преобразователей напряжение-код достигает нескольких миллиардов измерений в секунду.

Широкие возможности открылись перед измерительной техникой в связи с появлением микропроцессоров и микроЭВМ. Благодаря им значительно расширились области применения средств измерительной техники, улучшились их технические характеристики, повысились надежность и быстродействие, открылись пути реализации задач, которые ранее не могли быть решены.

По широте и эффективности применения микропроцессоров одно из первых мест занимает измерительная техника, причем все более широко применяются микропроцессоры в системах управления. Трудно переоценить значение микропроцессоров и микроЭВМ при создании автоматизированных средств измерений, предназначенных для управления, исследования, контроля и испытаний сложных объектов.

Развитие науки и техники требует постоянного совершенствования средств измерительной техники, роль которой неуклонно растет.

1. Структурная схема цифрового вольтметра

Структурная схема цифрового вольтметра с двойным интегрированием приведена на рисунке 1. Цикл преобразования состоит из двух интервалов времени Т1 и Т2.

В начале цикла устройство управления вырабатывает прямоугольный импульс калиброванной длительности Т1, который подается на электронный переключатель. За время Т1 с входного устройства через электронный переключатель на интегратор подается входное напряжение постоянного тока. Начинается первый такт интегрирования “вверх”, при котором выходное напряжение интегратора растет по линейному закону:

;

где Uвых - напряжение на выходе интегратора, В; R - сопротивление, Ом; C - емкость конденсатора, Ф; Uвх - входное напряжение, В; t1 - начальный момент интегрирования (момент появления фронта импульса Т1); t2 - конечный момент интегрирования.

Крутизна этого напряжения пропорциональна входному напряжению Ux. В момент t1 (рисунок 2), когда наступило окончание первого импульса, триггер из состояния «0» перебрасывается в состояние «1» , а электронный переключатель отключает входное напряжение от интегратора и к интегратору подключается источник опорного напряжения.

Напряжение на компараторе остается равным «1». И начинается второй такт интегрирования “вниз”, т.к. источник опорного напряжения имеет противоположную полярность по отношению к измеряемому напряжению. Напряжение на выходе интегратора линейно убывает. В момент t2, когда напряжение на выходе интегратора будет равно «0», компаратор переключится из состояния «1» в состояние «0». И в этот же момент триггер закроется, т.е. на его выходе будет состояние «0». Во временном селекторе единичный импульс, который приходит с триггера, заполняется импульсами высокой частоты, приходящих с генератора тактовой частоты. Это количество импульсов пропорционально измеряемому напряжению.

Начало следующего цикла задается фронтом импульса Т1.

Рисунок 1 - Структурная схема вольтметра с двойным интегрированием



Рисунок 2 - Графики, поясняющие принцип работы вольтметра

2. Расчет основных параметров вольтметра

Напряжение на выходе интегратора при интегрировании «вверх» в произвольный момент времени (начало отсчета времени - момент появления фронта импульса длительностью Т1):

;

где RC - постоянная времени интегратора; t - независимая переменная величина (время).

В конце интервала интегрирования напряжение на выходе интегратора:

;

При интегрировании “вниз”:

(1);

В момент:

,

с учетом (1) имеем:

(2);

Так как процесс интегрирования опорного напряжения заканчивается, когда выходное напряжение интегратора становится равным нулю, то, положив в формуле (2) , получим:

(3).

Перепишем (3) в виде:

;

где tи - время управляющего импульса.

Так как у нас время измерения равно 0.5с, то время первого такта интегрирования равно:

с.

Для более точного расчёта примем с. (исходя из того, что в сети существуют помехи и для уменьшения вероятности их появления Т1 и Т2 возьмём кратным периоду колебания напряжения сети (fс=50 Гц, Тс=1/fс=0.02 c)).

Для обеспечения заданной точности измерения (0.4 %), входное напряжение Uвх=1В должно измеряться с точностью ДU=0,004В.

Исходя из этого, найдем количество импульсов Nx, соответствующее 1В:

;

Выбираем Nx равным 10k. Таким образом, Nx=1000. Следовательно, в схеме индикации мы используем k=3 индикатора. Одному вольту входного напряжения у нас соответствует Nx=1000 импульсов. Выберем максимальное время интегрирования «вниз» с., тогда частота тактовых импульсов поступающих с генератора будет равна:

кГц.

Частоту управляющих импульсов вычислим по формуле:

Гц

Как видно из формулы (3), чтобы получить время tx в 2 раза меньшее, чем время , необходимо чтобы опорное напряжение было в 2 раза больше (по модулю), чем максимальное напряжение на выходе входного устройства. Выберем опорное напряжение равным -100 В. тогда максимальное напряжение на выходе входного устройства будет равно 50 В.

3. Схемотехника узлов цифрового вольтметра

Расчет входного устройства

Входное устройство состоит из схемы защиты от перенапряжения, схемы индикации обратной полярности, а также делителя напряжения.

Делитель предназначен для выбора пределов измерения за счет деления входного напряжения. В нашем случае 3 предела измерения: 0 - 1 B; 0-10 B; 0-100 В;

Рассчитаем делитель:

Рисунок 3 - Схема делителя напряжения

Согласно выбранным пределам измерений:

U1=0,1Uвх - напряжение на резисторах R2, R3, и R4, включенных последовательно.

U2=0,01Uвх - напряжение на резисторах R3, R4, включенных последовательно.

U3=0,001Uвх - напряжение на резисторах R4, включенных последовательно.

Для резисторов, включенных последовательно, имеем:

;

;

;

или:

;

; (4)

;

Решая систему уравнений (4) относительно R1, R2, R3, получим:

R1=900?R4;

R2=90?R4;

R3=9•R4;

Пусть R4=20 кОм, тогда R1=18 МОм, R2=1,8 MОм, R3=180 кОм. Таким образом, входное сопротивление составит 20 кОм/В.

В качестве R1, R2, R3 и R4 используем прецизионные резисторы типа С5-60 мощностью 0.25 Вт и с допуском 0.001 % с предельным рабочим напряжением 1000 В., что обеспечит необходимый запас прочности по напряжению.

Суммарная максимальная погрешность делителя составляет

Для защиты от перенапряжения воспользуемся двумя диодами и резистором, ограничивающими ток на входе. Для данной схемы возьмём диод КД212А, ток Iмаx которого равен 1 А., максимальное прямое падение напряжения Uпр равно 1 В. Роль ограничительного резистора выполняет резистор R1 делителя напряжения.

В схеме входного устройства для усиления напряжения воспользуемся прецизионным операционным усилителем К140УД17.

Рисунок 4 - Схема включения ИМС К140УД17

Таблица 1 - Назначение выводов ИМС К140УД17

Вывод	Назначение
1	Корректировка
2	Инвертирующий вход
3	Прямой вход
4	-Uпит
5	Не подключен
6	Выход
7	+Uпит
8	Корректировка

Таблица 2 - Параметры ИМС К140УД17

Параметр
Напряжение питания, В	±3…18
Потребляемая мощность, мВт	160
Коэффициент усиления, дБ	88
Входной ток, нА	4
Входное сопротивление, МОм	40
Напряжение смещения, мкВ	75
Скорость наростания входного напряжения, В/мкс	0,1
Граничная частота, МГц	0,4

Рассчитаем сопротивления R5 и Rос:

, , .

Резистор Rос заменяем двумя соединенными последовательно резисторами R12=470 кОм и R13=20 кОм.

Рисунок 5 - Входное устройство

3.2 Электронный переключатель

Электронный переключатель построен на двух микросхемах. Микросхема DA6 типа КР590КН9 представляет собой интегральный коммутатор напряжений, управляемый КМОП уровнями. 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. Микросхема DD1 типа К561ПУ4 представляет собой интегральный преобразователь уровней и предназначена для согласования управляющих входов DA6 с ТТЛ уровнями.

Рисунок 6 - Электронный переключатель

3.3 Интегратор

Интегратор предназначен для выполнения математической операции интегрирования. Напряжение на выходе этого устройства пропорционально интегралу от входного напряжения. Если на вход интегратора подано напряжение положительной полярности, то напряжение на выходе интегратора возрастает по линейному закону. Крутизна этого напряжения пропорциональна входному напряжению. Такую операцию выполняет инвертирующий усилитель с цепью обратной связи, образованной резистором R и конденсатором С.

Воспользуемся интегратором, построенным на микросхеме К140УД17.

Рассчитаем постоянную интегратора RC из следующего выражения. Чтобы напряжение на выходе интегратора изменялось линейно, необходимо выполнение условия RC?20?T1.

Пусть С14=10 мкФ, 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. Типовой компаратор имеет два входа для аналоговых сигналов:U1вх и U2вх и выход логического сигнала. Таким образом, компараторы можно рассматривать как линейно-дискретные схемы.

Компараторы напряжения характеризуются рядом параметров, важнейшими из которых являются чувствительность, быстродействие. Чувствительность, или разрешающая способность - это минимальная разность аналоговых сигналов, которую можно обнаружить компаратором и зафиксировать на выходе как цифровой сигнал, соответствующий переходу из одного логического состояния в другое.

Быстродействие определяется таким параметром как время переключения. Время переключения оценивают с момента подачи входного скачка до момента, когда выходной сигнал превысит пороговый уровень напряжения, соответствующий логическим 1 или 0 в зависимости от того, в каком начальном состоянии находился компаратор.

Пока идет процесс измерения, на выходе интегратора положительное напряжение, на выходе компаратора высокий уровень. Когда напряжение на выходе интегратора достигнет 0, на выходе компаратора появится низкий уровень.

В качестве компаратора в данной схеме используется ИМС К521СА3А, описание которой приведено выше.

Рисунок 8 - Схема включения компаратора

3.5 Триггер

В данной схеме используется сдвоенный JK-триггер типа К555ТВ6, схема подключения которого изображена на рисунке 11. Работа JK- триггера объясняется на основе таблицы состояний. Описание микросхемы К555ТВ6 приведено ниже:

Рисунок 9 - Цоколевка ИМС К555ТВ6

Таблица 3 - Назначение выводов ИМС К555ТВ6

Вывод	Назначение	Вывод	Назначение
1	Вход J	8	Вход J
2	Инверсный выход	9	Вход С
3	Прямой выход	10	Вход R
4	Вход К	11	Вход К
5	Инверсный выход	12	Вход С
6	Прямой выход	13	Вход R
7	Общий	14	+Uпит

Таблица 4 - Таблица истинности JK-триггера

R	C	J	K	Q Q
0	x	x	x	1 0
1	x	x	x	0 1
0	x	x	x	Неопределенное
1		0	0	Q0 Q0
1		1	0	1 0
1		0	1	0 1
1		1	1	инверсия выходов

Таблица 5 - Параметры ИМС К555ТВ6

Параметр
Напряжение питания, В	5
Потребляемый ток, мА	8
Время переключения, нс:
из 1 в 0	22
из 0 в 1	28
Граничная частота, МГц	24
Диапазон температур, єС	0…+70

Микросхема представляет собой два независимых тактируемых J-K триггера с установкой в 0.

Триггер работает следующим образом.

Пусть в начальный момент на выходе триггера логический «0». Пока идет процесс интегрирования «вверх» от устройства управления на вход J подается сигнал логического «0». На выходе компаратора «1», которая инвертируется элементом DD9.4 в «0». Следовательно на входе К также «0» и триггер своего состояния не изменяет.

Когда начинается процесс интегрирования «вниз», на вход J подается «1», а на вход К по-прежнему «0» и триггер переключается в единичное состояние. По окончании процесса интегрирования на выходе компаратора «0», следовательно на входе К «1», на входе J также «1» и триггер изменяет свое состояние на противоположное т. е. на его выходе появляется логический «0».



Рисунок 10 - Схема включения триггера

3.6 Временной селектор

Схема временного селектора состоит из логического элемента «И». При подаче на вход единичного импульса от триггера, на выходе будет последовательность импульсов, идущих с ГТИ. А если от триггера придет сигнал логического «0», то на выходе всегда будет «0».

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

Рисунок 11 - Временной селектор на основе элемента «И»

В качестве элемента «И» в данной схеме используется один из 4-х элементов ИМС К555ЛИ1, параметры которой приведены ниже.



Рисунок 12 - Цоколевка ИМС К555ЛИ1

Таблица 6 - Назначение выводов ИМС К555ЛИ1

Вывод	Назначение	Вывод	Назначение
1	Вход элемента 1	8	Выход элемента 3
2	Вход элемента 1	9	Вход элемента 3
3	Выход элемента 1	10	Вход элемента 3
4	Вход элемента 2	11	Выход элемента 4
5	Вход элемента 2	12	Вход элемента 4
6	Выход элемента 2	13	Вход элемента 4
7	Общий	14	+Uпит

Таблица 7 - Параметры ИМС К555ЛИ1

Параметр
Напряжение питания, В	5
Патребляемый ток, мА	8,8
Время переключения, нс:
из 1 в 0	24
из 0 в 1	24
Граничная частота, МГц	25
Диапазон частот, єС	0…+70

3.7 Схема счета и индикации

Схема счета и индикации предназначена для подсчета количества импульсов, формируемых временным селектором и вывода полученной информации на ЖКИ.

Схема счета представляет собой десятичный счетчик с коэффициентом счета равным 1000. Его основой являются 3 интегральных двоичных счетчика DD12 - DD14 типа К555ИЕ5. Эти счетчики включены как десятичные.

Счетчик DD15 не сбрасывается каждым 10-м импульсом. В случае его переполнения на выходе элемента DD8.4 появляется «1», на выходе DD11.3 «0» и на вход С счетчика подача импульсов прекращается, т. е. счетчик блокируется. Высокий уровень на выходе элемента DD8.4 открывает транзистор VT2 и зажигается светодиод HL2 «Перегрузка». Все счетчики принудительно сбрасываются импульсами, вырабатываемыми устройством сброса.

Двоичные коды с выходов счетчиков поступают на преобразователи двоичного кода в семисегментный DD16 - DD18 типа КМ555ИД18. Их описание приведено ниже.

Микросхема КМ555ИД18 представляет собой преобразователь двоично-десятичного кода в семисегментный с низким активным уровнем на выходе. Микросхема имеет выходы с открытым коллектором.

Таблица 8 - Назначение выводов ИМС КМ555ИД18

Таблица 9

Таблица 10 - Параметры ИМС КМ555ИД18

Вход LT предназначен для тестирования индикаторов. При подаче на него логического «0» на индикаторе отображается «0».

В качестве индикаторов в данной схеме используются одноразрядные ЖКИ HL3- HL5 типа ИЖКЦ1-1/18, параметры которых приведены в таблицах 11 и 12.

Таблица 11 - Электрические и световые параметры ИЖКЦ1-1/18

Контрастность при Uупр=7 В, fраб=50 Гц не менее	83,30 %
Ток потребления не более	8 мкА
Напряжение управления эффективное	7 В
Рабочая частота	50 Гц
Суммарное время реакции	800 мс

Таблица 12 - Предельные параметры ИЖКЦ1-1/18

Минимальное напряжение управления	4 В
Максимальное напряжение управления	10 В
Диапазон рабочих частот	30…1000 Гц
Диапазон температур	-10…+55єС

Рисунок 13 - Схема индикации

3.8 Генератор тактовых импульсов

Рассмотрим схему генератора с кварцевым резонатором, выполненным на логических элементах И-НЕ. Элемент DD9.1 охвачен здесь 100 %-ной отрицательной обратной связью и, следовательно, представляет собой просто усилитель с коэффициентом передачи 1. Элемент DD9.2 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 DD9.3.Частота автогенератора будет определяться только частотой кварца.

Так как нам требуется частота импульсов 8.333 кГц, то воспользуемся кварцевым генератором на 100 кГц, а затем разделим частоту на 12 при помощи счетчика DD6 типа К555ИЕ5.

Данная микросхема - 4-разрядный двоичный счетчик, выполненный на JK-триггерах. Счетчик имеет 2 счетных входа С1 и С2 и 2 входа сброса R1 и R2. Выход Q1 внутренне не соединен с другими триггерами, что позволяет использовать его в двух независимых режимах. При подаче высокого уровня на входы R1 и R2 происходит обнуление всех триггеров. Таблица истинности указана для случая когда С2 соединен с выходом Q1.

Чтобы из данного счетчика получить 12-й счетчик, необходимо сбрасывать его каждым 12-м импульсом. Из таблицы истинности видно, что по приходу 12-го импульса на выходах Q4 и Q8 присутствует сигнал логической единицы, причем такая комбинация единиц при счете от 0 встречается впервые. Следовательно, для сброса счетчика необходимо (и достаточно) подать на входы R1 и R2 результат перемножения сигналов на выходах Q4 и Q8. Для этого в схеме используется логический элемент 2И (микросхема К555ЛИ1).

Рисунок 14 - Генератор тактовых импульсов

В качестве элементов И-НЕ используется ИМС К555ЛА3, описание которой приведено ниже.

Рисунок 15 - Цоколевка ИМС К555ЛА3

Таблица 13 - Назначение выводов ИМС К555ЛА3

Вывод	Назначение	Вывод	Назначение
1	Вход элемента 1	8	Выход элемента 3
2	Вход элемента 1	9	Вход элемента 3
3	Выход элемента 1	10	Вход элемента 3
4	Вход элемента 2	11	Выход элемента 4
5	Вход элемента 2	12	Вход элемента 4
6	Выход элемента 2	13	Вход элемента 4
7	Общий	14	+Uпит

Таблица 14 - Параметры ИМС К555ЛА3

Параметр
Напряжение питания, В	5
Потребляемый ток, мА	6
Время переключения, нс:
из 1 в 0	18
из 0 в 1	31
Граничная частота, МГц	25
Диапазон частот, єС	0…+70

3.9 Устройство управления

Устройство управления вырабатывает последовательность управляющих импульсов частотой 2,083Гц, а также импульсы сброса устройства счета. Так как частота тактовых импульсов равна 8,333кГц, а частота управляющих импульсов 2,083Гц, то коэффициент деления делителя частоты будет равен:

.

Делитель частоты выполнен на счетчиках DD2 - DD5 типа К555ИЕ5, параметры которых представлены ниже.



Рисунок 16 - Цоколевка ИМС К555ИЕ5

Таблица 15 - Назначение выводов ИМС К555ИЕ5

Вывод	Назначение	Вывод	Назначение
1	Вход счетный	8	Выход 1-го разряда
2	Вход установки "0"	9	Выход 2-го разряда
3	Вход установки "0"	10	Общий
4	Свободный	11	Выход 3-го разряда
5	+Uпит	12	Выход 4-го разряда
6	Свободный	13	Свободный
7	Свободный	14	Вход счетный

Таблица 16 - Параметры ИМС К555ИЕ5

Параметр
Напряжение питания, В	5
Потребляемый ток, мА	20
Время переключения, нс:
из 1 в 0	18
из 0 в 1	16
Граничная частота, МГц	32
Диапазон температур, єС	0…70

Таблица 17 - Таблица истинности счетчика

Счет	Q8	Q4	Q2	Q1
0	0	0	0	0
1	0	0	0	1
2	0	0	1	0
3	0	0	1	1
4	0	1	0	0
5	0	1	0	1
6	0	1	1	0
7	0	1	1	1
8	1	0	0	0
9	1	0	0	1
10	1	0	1	0
11	1	0	1	1
12	1	1	0	0
13	1	1	0	1
14	1	1	1	0
15	1	1	1	1

Данная микросхема - 4-разрядный двоичный счетчик, выполненный на JK-триггерах. Счетчик имеет 2 счетных входа С1 и С2 и 2 входа сброса R1 и R2. Выход Q1 внутренне не соединен с другими триггерами, что позволяет использовать его в двух независимых режимах. При подаче высокого уровня на входы R1 и R2 происходит обнуление всех триггеров. Таблица истинности указана для случая когда С2 соединен с выходом Q1.

Чтобы из данного счетчика получить десятичный счетчик, необходимо сбрасывать его каждым 10-м импульсом. Из таблицы истинности видно, что по приходу 10-го импульса на выходах Q2 и Q8 присутствует сигнал логической единицы, причем такая комбинация единиц при счете от 0 встречается впервые. Следовательно, для сброса счетчика необходимо (и достаточно) подать на входы R1 и R2 результат перемножения сигналов на выходах Q1 и Q8. Для этого в схеме используется логический элемент 2И (микросхема К555ЛИ1).

Первые три счетчика делят частоту на 1000. Для деления частоты на 4 используется счетчик DD5.

На элементе DD11.2 построен формирователь управляющих импульсов. Если на выходе 2 счетчика DD6 высокий уровень, то на выводе 15 коммутатора DA6 также высокий уровень и на интегратор подается измеряемое напряжение. Идет процесс интегрирования «вверх». Если на выходе счетчика низкий уровень и на выходе компаратора DA8 высокий уровень, то высокий уровень присутствует на выводе 10 коммутатора и на интегратор подается опорное напряжение. Идет процесс интегрирования «вниз». Если напряжение на выходе интегратора достигнет 0, то на выходе компаратора появится низкий уровень и, следовательно, низкий уровень появится на выводе 10 коммутатора. Процесс интегрирования прекратится.

Устройство сброса схемы счета построено на элементах DD11.1 и DD8.1, диоде VD5 и конденсаторе C15. Пока на выходе прямом выходе триггера DD10.1 «0» на выводах 1 элемента DD11.1 и 1 элемента DD8.1 также «0», конденсатор С15 разряжен и, следовательно, на выводе 2 DD11.1 также низкий уровень, на выводе 3 DD11.1 «1», на выводе 3 DD8.1 «0». Как только на выходе триггера появится «1», то «1» появится и на выводах 1 DD11.1 и 1 DD8.1 диод VD5 закроется и конденсатор начнет заряжаться эмиттерным током входного транзистора элемента DD11.1. Пока напряжение на конденсаторе будет меньше порогового, на выходе элемента DD11.1 будет высокий уровень, следовательно, на выходе DD8.1 будет также высокий уровень. Когда напряжение на конденсаторе достигнет порогового значения, на выходе элемента DD11.1 появится «0» и, следовательно, «0» появится и на выходе DD8.1. Таким образом, происходит формирование импульса сброса. Длительность этого импульса определяется емкостью конденсатора С15 и при величине емкости 1 нФ составляет приблизительно 5 мкс.



Рисунок 17 - Устройство управления

4. Разработка блока питания

Определим мощность, потребляемую устройством.

Таблица 18 - Ток и мощность, потребляемые ИМС

Микросхема	Кол-во	Uпит, В	Iпотр, мА	Pпотр, мВт
К140УД17А	2	15	5	160
К521СА3А	2	15	6	180
К555ЛА3	3	5	6	30
К555ЛИ1	2	5	8,8	44
К555ИЕ5	9	5	20	100
К555ТВ6	1	5	8	40
КМ555ИД18	3	5	13	65
КР590КН9	1	15	2	60

Таким образом, нам необходимо построить схему блока питания, который выдает двуполярное напряжение +15 В. при максимальном токе 24 мА и напряжение +5 В. при максимальном токе 263 мА. Потребляемая от источника +5 В. мощность составляет 1,3 Вт, а от источника +15 В - 0,74 Вт. Таким образом, мощность, потребляемая всем устройством, составляет 2,05 Вт.

В качестве трансформатора данной схеме использован трансформатор ТПП258-127/220-50, параметры которого приведены в таблице 19.

Таблица 19 - Параметры трансформатора

Номинальная мощность, ВА	Напряжение вторичных обмоток, В	Допустимый ток вторичных обмоток, А
31,0	1 11-12	13-14	15-16, 17-18	19-20	21-22	0,475
	10 10	10	20	2,6	2,6

В качестве выпрямителей используем диодные мосты VD3 типа КЦ407А и VD4 типа КЦ405Е.

Таблица 20 - Параметры выпрямительных мостов КЦ407А и КЦ405Е

Параметр	КЦ407А	КЦ405Е
Максимальный прямой ток, А	0,5	1
Максимальное обратное напряжение, В	400	100
Максимальное прямое напряжение, В	2,5	2,5
Максимальная рабочая частота, кГц	20	5
Диапазон рабочих температур, °С	-60…+85	-40…+85
Максимальный обратный ток, мкА	5	125

В качестве стабилизатора напряжения +15 В. используется микросхема DA2 типа КР142ЕН6А, представляющая собой интегральный двуполярный стабилизатор с фиксированным выходным напряжением +15 В. Для получения напряжения +5 В. в данной схеме используется интегральный стабилизатор DA3 типа КР142ЕН5А. Параметры этих микросхем приведены в таблице 21.

Таблица 21 - Параметры стабилизаторов

Тип стабилизатора	КнU, %	КнI, %	Uвых, В	Iпот, мА	Uвх, В	Imax, А
КР142ЕН6А	0,0015	0,2	14,7…15,3	7,5	+20..30	0,2
КР142ЕН5А	0,05	2	4,9…5,1	10	7,5…15	3
79L12	0.0015	0.2	-11,9…12,1	3	-14..30	0,1

Источник опорного напряжения построен на стабилизаторе отрицательного напряжения DA4 типа 79L12, параметры которого приведены в таблице 21. Выходное напряжение -10 В. устанавливается подстроечным резистором R11.

Рисунок 18 - Блок питания

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.

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

где вх - погрешность входного делителя, так как в делителе используются прецизионные резисторы, то погрешность делителя определяется погрешностью этих резисторов и составляет 0.002 %. инд - погрешность индикации равна 0,1 %

- погрешность дискретизации равная:

%.

- погрешность, вызванная нестабильностью опорного напряжения. Она равна 0,0015 %.

Тогда:

Данная погрешность не превышает заданную.

Заключение

В данном курсовом проекте был разработан цифровой вольтметр (ЦВ), работающий по принципу двойного интегрирования. Был изучен метод и технология построения электрических принципиальных схем на основе элементной базы ТТЛ. Было изучено множество микросхем. Успешно были закреплены знания по дисциплине «Электронные устройства», по правильному выбору методики расчёта схем, анализу исходных данных. Разработанный ЦВ имеет следующие технические характеристики:

Вид измеряемого напряжения - постоянное;

Пределы измерения 0-1;0-10;0-100 В.;

Точность измерения 0.4 %

Время измерения 0.5 с.

Для питания цифрового вольтметра был разработан блок питания, вырабатывающий все необходимые напряжения.

вольтметр селектор двоичный импульс

Литература

1. В.Л. Шило «Популярные цифровые микросхемы»; Справочник. Челябинск. «Металлургия», 1989 г.

2. «Резисторы». Справочник. М. «Радио и связь», 1993 г.

3. «Конденсаторы». Справочник. М. «Радио и связь», 1993 г.

4. «Цифровые и аналоговые интегральные схемы». Справочник. М. «Радио и связь», 1990 г.

5. «Диоды». Справочник. М. «Радио и связь», 1990 г.

6. «Полупроводниковые приборы: диоды, выпрямители, стабилитроны, тиристоры». Справочник. М «КУБ-а». 1994 г.

7. В.С. Гутников «Операционные усилители». М. «Энергия». 1975 г.

8. Б.Л. Лисицын «Отечественные приборы индикации и их зарубежные аналоги».

9. «Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА». Справочник. Минск. «Беларусь». 1994 г.

Размещено на Allbest.ru

...