Проектирование структурной схемы цифрового вольтметра поразрядного кодирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство общего и профессионального образования Свердловской области

Филиал государственного автономного образовательного учреждения среднего профессионального образования свердловской области

Нижнетагильский государственный профессиональный колледж им. Н.А.Демидова

Курсовая работа

по предмету: Проектирование цифровых устройств

на тему: Проектирование структурной схемы цифрового вольтметра поразрядного кодирования

Выполнил:

Шавкунов В.А.

2013 г



Содержание

Введение

1. Вольтметр как цифровой измерительный прибор

1.1 Понятие цифрового вольтметра

1.2 Принцип работы схемы цифрового вольтметра

1.3 Структурная схема цифрового вольтметра поразрядного кодирования

2. Проектирование структурной схемы цифрового вольтметра поразрядного кодирования

2.1 Технические характеристики цифрового вольтметра

2.2 Проектирование структурной схемы цифрового вольтметра поразрядного кодирования в среде Multisim 12.0

2.2.1 Схема входного устройства

2.2.2 Схема генератора тактовых импульсов

2.2.3 Схема устройства управления

2.2.4 Схема цифро-аналогового преобразователя

2.2.5 Схема устройства сравнения

2.2.6 Схема дешифратора

2.2.7 Схема цифрового индикатора

2.2.8 Схема источника питания

2.3 Проверка работоспособности схемы

Заключение

Список используемых источников

Приложение



Введение

Цифровая измерительная техника является основной и наиболее развивающейся частью измерительной техники, представляет собой совокупность цифровых измерительных приборов, методов их проверки и правил эксплуатации. Средства цифровой измерительной техники наилучшим образом сопрягаются со средствами вычислительной техники, обладают высокой точностью и быстродействием.

Стремительный ход цифровых технологий привел к интенсивному использованию приборов с цифровой формой представления результатов измерений. Цифровые вольтметры прочно вошли в метрологию, что стало следствием таких их достоинств, как высокая точность и разрешение, широкий диапазон измерений, представление результатов измерений в цифровой форме возможность получения результатов наблюдений в форме, удобной для ввода в компьютер, и возможность включения их в состав вычислительных комплексов.

Целью данной работы является проектирование структурной схемы для цифрового вольтметра поразрядного кодирования.

Задачи:

1. Проанализировать литературу по данной теме.

2. Изучить цифровой вольтметр.

3. Рассмотреть принцип работы схемы цифрового вольтметра.

4. Познакомиться со структурной схемой цифрового вольтметра поразрядного кодирования.

5. Описать технические характеристики цифрового вольтметра.

6. Проверить работоспособность спроектированной схемы цифрового вольтметра.



1. Вольтметр как цифровой измерительный прибор

1.1 Понятие цифрового вольтметра

Цифровыми называются такие измерительные устройства, в которых измеряемая величина автоматически в результате квантования и цифрового кодирования представляется кодовым сигналом, выражающим значение измерительной величины.

Цифровой вольтметр часто предназначается не только для измерения собственно напряжения постоянного тока U, но и некоторых других величин, предварительно преобразованных входными устройствами в постоянный ток.

Цифровые вольтметры обладают следующими достоинствами - высокой точностью измерения напряжения (0.001%); широким диапазоном измерений при высокой чувствительности (от до В).

Отсчётом в цифровой форме (практически исключающем глазомерные ошибки и создающим удобство наблюдения на расстоянии); быстродействием (до изм/с).

Автоматическим выбором предела и полярности; возможностью получения результатов наблюдений в форме, удобной для ввода в электронно-вычислительную машину.

Возможностью вывода на интерфейсную шину и включение в состав измерительно-вычислительного комплекса.

По элементной базе цифровые вольтметры разделяются на приборы, выполненные на электронных лампах, полупроводниковых приборах, интегральных микросхемах и микропроцессорах.

В настоящее время широко используются цифровые вольтметры, выполненные на цифровых и аналоговых микросхемах средней степени интеграции.



1.2 Принцип работы цифрового вольтметра

Принцип работы цифровых измерительных приборов основан на дискретном и цифровом представлении непрерывных измеряемых величин. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра состоит из входного устройства, аналого-цифровой преобразователь, цифрового отсчетного устройства и управляющего устройства.

Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преобразователь переменного тока в постоянный.

Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровым кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и вольтметра. Использование в аналого-цифровом преобразователе цифровых вольтметров двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование цифрового кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством.

Цифровое отсчетное устройство измерительного прибора регистрирует измеряемую величину. Управляющее устройство объединяет и управляет всеми узлами вольтметра.

Устройство вольтметра: основным компонентом устройства является микроконтроллер. Аналого-цифровой преобразователь десяти разрядный, который и находится в микроконтроллере. Два восьми разрядных порта ввода-вывода. Тактовый генератор со встроенной частотозадающей цепью.

Принцип работы цифрового вольтметра от интегрального стабилизатора на микроконтроллер подается напряжение в 5В. Тактовый генератор контроллера тактируется от внутреннего источника, с частотой 1 МГц. Один бит используется для управления точкой, семь бит порта настроены на управление, включение и вывод сегментов индикатора. Оставшиеся 3 бита, настроены на вывод и используются для управления разрядами индикатора.

На входной делитель напряжения подается измеряемое напряжение, (резистором производится калибровка вольтметра под показания эталонного вольтметра). С входного делителя напряжение подается на 11-й вывод микроконтроллера (7-й бит порта), который сконфигурирован как вход аналого-цифрового преобразователя. Затем напряжение на входе аналого-цифрового преобразователя сравнивается с опорным напряжением и преобразуется в цифровое значение.

Далее контроллер преобразует шестнадцатеричный код измеренного напряжения, в десятичный код, а затем в код семи сегментный.

Таймер прерывает выполнение программы на подпрограмму управления индикатором, которая, используя вычисленный семи сегментный код, засвечивает первый из трех знаков индикатора, при следующем прерывании - второй знак, а при следующем прерывании третий.

Для измерения импульсных и переменных напряжений (пиковое, средневыпрямленное и среднеквадратическое значения), а также переменного тока обычно используются вольтметры постоянного тока совместно с соответствующими преобразователями.

1.3 Структурная схема цифрового вольтметра

Структурная схема цифрового вольтметра поразрядного кодирования приведена на рис.1(см. приложение A).

Рассмотрим принцип работы разрабатываемого устройства.

Действие цифрового вольтметра данного типа заключается в последовательном сравнении измеряемого напряжения с рядом образцовых напряжений, значения которых задаются по определённому закону, например, по закону двоичного или двоично-десятичного кода.

Число, соответствующее набору образцовых напряжений, которым компенсируется измеряемое напряжение, представляет это значение в закодированной форме.

Таким образом, напряжение преобразуется в числовой эквивалент:

? - напряжение, соответствующее единице младшего разряда (шаг квантования); n - число разрядов кода; - коэффициент, равный 1 и 0 в зависимости от результатов сравнения в каждом такте.

Цифровой вольтметр работает периодически. За один цикл измерений выполняется одно измерение.

Время цикла измерения определяется выбранным алгоритмом формирования компенсационного напряжения.

Входное напряжение поступает на вход делителя, а с его выхода через входной усилитель напряжение , (K - коэффициент передачи входной цепи) - на один вход схемы сравнения.

По сигналу запуска происходит сброс устройства управления. Импульсы с его выхода тактового генератора поступают вход схемы управления. цифровой вольтметр дешифратор ток

Под действием каждого тактового импульса на выходе схемы управления формируются кодовые сигналы, которые поступают на входы цифро-аналогового преобразователя и одновременно на входы дешифратора.

В соответствии с законом формирования кодовых сигналов на выходе аналого-цифрового преобразователя компенсирующее напряжение, которое поступает на другой вход схемы сравнения.

Схема сравнения в зависимости от знака разности и подаёт соответствующий сигнал в схему управления, который приводит к прекращению поступления импульсов.

Напряжения в момент уравновешивания связаны соотношением:

где - шаг квантования компенсационного напряжения; - порог чувствительности схемы сравнения.

Измеряемое напряжение:

Подбором , где b = 0,1,2,…, добиваются, чтобы значение компенсационного напряжения соответствовало измеряемому напряжению с учётом постоянного множителя, т.е.:

В момент уравновешивания, значение кода управления фиксируется в схеме управления и через дешифратор поступает на входы индикатора, где оно высвечивается в виде десятичных цифр. На этом один цикл измерения заканчивается.

В цифровом вольтметре данного типа погрешность составляет 0,05-0,001 при обеспечении высокого быстродействия (до 5000 преобразований в секунду). Диаграмма работы цифрового вольтметра приведена на рис.2(см. Приложение А).



2. Проектирование цифрового вольтметра поразрядного кодирования.

2.1. Технические характеристики цифрового вольтметра

При проектировании цифрового вольтметра контролируются такие характеристики как: вид измеряемого напряжения.постоянное; пределы измерения0-1; 0-10 В; точность измерения; время измерения; тип индикации светодиодная.

2.2 Проектирование структурной схемы цифрового вольтметра поразрядного кодирования в среде Multisim 12.0

Открываем программу Multisim и приступаем к проектированию схемы.

Для того чтобы правильно спроектировать нашу схему, мы должны рассмотреть принципиальную схему каждого элемента, располагающегося в структурной схеме цифрового вольтметра.

2.2.1 Схема входного устройства

Схема входного устройства приведена на рис.3(см. Приложение В). Входное устройство состоит из схемы защиты от перенапряжения и делителя напряжения.

Делитель предназначен для выбора пределов измерения за счет деления входного напряжения.В схеме входного устройства для усиления напряжения воспользуемся прецизионным операционным усилителем D555_ЛН1 7404, параметры которого приведены в табл.1(см. Приложение В).



Так как мы проектируем схему простейшего вольтметра, то для нее будет достаточно трех резисторов R.

В итоге, схема входного устройства будет выглядеть так:

В данной схеме включения используется обратная отрицательная связь. Отрицательная обратная связь делает систему более устойчивой к случайному изменению параметров в случае возникновения помех. Так как усилитель применяется для усиления постоянного напряжения, то его применение вполне оправдано.

2.2.2 Схема генератора тактовых импульсов

Рассмотрим принципиальную схему генератора тактовых импульсов, выполненную на логических элементах 2И-НЕ, приведенную на рис.4(см. Приложение С).

Напряжение на выходе генератора имеет вид последовательности прямоугольных импульсов.

Основная задача генератора тактовых импульсов - 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.

В качестве элементов 2И-НЕ используется элемент микросхемы BC547B, параметры которой приведены в табл.2(см. Приложение С).

В собранном виде схема генератора тактовых импульсов будет выглядеть так:

2.2.3 Схема устройства управления

Устройство управления, схема которого показана на рис.5(см. Приложение D), предназначено для формирования кодовой последовательности, управляющей работой цифро-аналогового преобразователя, а также для формирования пачек импульсов, поступающих на схему индикации.

Устройство управления выполнено на счетчике A1 типа КР1554ИЕ7, параметры которого приведены в табл.3(см. Приложение D).

Работать устройство управления будет следующим образом. Пока на выходе устройства сравнения высокий уровень напряжения, импульсы от генератора тактовых импульсов проходят на счетчики через элемент A1. Счетчики подсчитывают импульсы и формируют кодовую последовательность. Когда напряжение на выходе цифро-аналогового преобразователя достигнет напряжения на выходе входного устройства, на выходе устройства сравнения появится низкий уровень и поступление импульсов от генератора прекращается. Таким образом, формируется пачка импульсов, которая поступает на схему индикации. В таком состоянии счетчики будут находиться до поступления импульса сброса, после чего процесс повторится.

Спроектированная схема устройства управления будет выглядеть так:



2.2.4 Схема цифро-аналогового преобразователя

Схема цифро-аналогового преобразователя приведена на рис.6(см. Приложение Е). В данной схеме используется 12-разрядный цифро-аналоговый преобразователь типа К572ПА2А, параметры которого приведены в табл.4(см. Приложение Е).

Микросхемы умножающего цифро-аналогового преобразователя К572ПА2А является универсальным структурным звеном для построения микроэлектронных цифро-аналоговых преобразователей. Она предназначена для преобразования 12-разрядного прямого двоичного кода на цифровых входах в ток на аналоговом выходе, который пропорционален значениям кода и (или) опорного напряжения.

В среде Multisim схема цифро-аналогового преобразователя будет выглядеть так:

2.2.5 Схема устройства сравнения

Устройство сравнения, схема и параметры которого показаны на рис.7 и в табл.5(см. Приложение F), предназначено для сравнения напряжения на выходе входного устройства с напряжением на выходе цифро-аналогового преобразователя.

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.

Схема устройства сравнения будет выглядеть так:

Входное устройство, устройство формирования импульсов, устройство управления, цифро-аналоговый преобразователь и устройство сравнения подключаются к схеме индикации.

2.2.6 Схема дешифратора

Дешифратор - это комбинационное устройство, предназначенное для преобразования параллельного двоичного кода в унитарный, т.е. позиционный код. Схема дешифратора приведена на рис.8(см. Приложение G).



Схема дешифратора в среде Multisim будет выглядеть так:

В дешифраторах каждой выходной функции соответствует только один мин терм, а количество функций определяется количеством разрядов двоичного числа.

2.2.7 Схема цифрового индикатора

Схема счета и индикации предназначена для подсчета количества импульсов, формируемых временным селектором и вывода подсчитанного числа на светодиодные индикаторы.

В данном случае цифровой индикатор мы можем найти в программе Multisim в списке компонентов:

2.2.8 Схема источника питания

Нам необходимо спроектировать схему источника питания, который выдает двух полярное напряжение +15В при максимальном токе 6 мА и напряжение +5В при максимальном токе 20 мА. Потребляемая от источника +5В мощность составляет 5,12 Вт, а от источника +15В - 0,43 Вт. Таким образом, мощность, потребляемая всем устройством, составляет 5,55 Вт.

В итоге, схема источника питания будет выглядеть следующим образом:

2.2 Проверка работоспособности схемы

Запустим спроектированную схему.

Для этого нажимаем кнопку на панели инструментов.

Цифровой индикатор спроектированной схемы цифрового вольтметра показал значение напряжения, которое вырабатывает наш источник питания:

А время, которое понадобилось данной схеме для выдачи значения, показал меньше, чем задумывалось изначально:



Заключение

В данном курсовом проекте была спроектирована структурная схема цифрового вольтметра, работающая по принципу поразрядного кодирования. Подобное устройство может найти самое широкое применение в различных областях электроники. В системе есть все блоки, необходимые для работы реальных цифровых вольтметров. Есть блок обнаружения информации (входное устройство), блок обработки информации (устройство сравнения), блок синхронизации (генератор тактовых импульсов и делители частоты), преобразователь кода и блок индикации. При незначительных изменениях данная схема может быть применена для решения реальных задач.

Для питания цифрового вольтметра была спроектирована схема блок питания, вырабатывающая все необходимые напряжения.



Список используемых источников

1. Л.М. Гольденберг «Импульсные и цифровые устройства»

2. Я.С. Ицхоки, Н.И. Овчинников «Цифровые устройства»

3. Якубовский С. В., Кудряшов Б. П. «Аналоговые и цифровые интегральные схемы», 1979.

4. Балашов Е. П., Пузанков Д. В. «Микропроцессоры и микропроцессорные системы», 1981.

5. Бахтиаров Г. Д., Малинин В. В., Школин В. П. «Аналого-цифровые преобразователи», 1980.

6. Балакай В. Г., Крюк И. П., Лукьянов JI. М. «Интегральные схемы ана¬лого-цифровых преобразователей», 1978.

7. Голд Б., Рэйдер Ч. «Цифровая обработка сигналов».

8. Клингман Э. «Проектирование микропроцессорных систем», 1980.

9. Каган Б. М., Сташин В. В. «Микропроцессоры в цифровых системах.

10. Карцев М. А. «Архитектура цифровых вычислительных машин».

11. Кузьмин С. 3. «Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации», 1971.

12. Лихарев В. А. «Цифровые методы и устройства в радиолокации» 1973.

13. «Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи информации» Смолов В. Б., Угрюмов Е. П., Шмидт В. К.

14. Мейвда Ф. «Интегральные схемы. Технология и применение» Пер. с англ.

15. Папернов А. А. «Логические основы цифровой вычислительной техники», 1972.



Приложения

Приложение A

Структурная схема цифрового вольтметра

Рис. 1 - Структурная схема цифрового вольтметра поразрядного кодирования



Рис. 2 - Диаграмма работы цифрового вольтметра поразрядного кодирования



Приложение B

Схема входного устройства

Рис. 3 - Принципиальная схема входного устройства

Параметры усилителя D555_ЛН1 7404.

Параметр

Напряжение питания, В ±(13,5…16,5)В

Потребляемая мощность, мВт 160

Коэффициент усиления, дБ 88

Входной ток, нА не более 4

Входное сопротивление, Мом 40

Напряжение смещения, мкВ не более 75

Скорость наростания входного напряжения, В/мкс 0,1

Граничная частота, МГц не менее 0,4



Приложение С

Схема генератора тактовых импульсов

Рис. 4 - Схема генератора тактовых импульсов

Параметры микросхемы BC547B.

Параметр

Величина

Напряжение питания, В -0,5 … +18

Потребляемый ток, мкА <4

Т, єС -45 … +85

Потребляемая мощность, мВт 300



Приложение D

Схема устройства управления

Рис. 5 - Схема устройства управления

Параметры счетчика КР1554ИЕ7.

Параметр

Величина

Напряжение питания, В +5

Потребляемый ток, мкА<8

Т, єС-45 … +85

, МГц >130



Приложение E

Схема цифро-аналогового преобразователя

Рис. 6 - Схема Цифро-аналогового преобразователя

Параметры ИМС К572ПА2А

Параметр

Величина

Число разрядов 12

Время преобразования, мкс 15

Интегральная нелинейность, %

Напряжение питания, В

+5, +15

Ток потребления, мА 2,0

Опорное напряжение, В 10,24



Приложение F

Схема устройства сравнения.

Рис. 7 - Схема устройства сравнения

Параметры устройства сравнения.

Параметр

Величина

8

100

6



Приложение G

Схема дешифратора.

Рис. 8 - Схема дешифратора

Размещено на Allbest.ru

...