Курсовая работа: Математическая модель цифрового вольтметра
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.
sвх – погрешность входного делителя, так как в делителе используются прецизионные резисторы, то погрешность делителя определяется погрешностью этих резисторов и составляет 0.002%.
sинд - 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).
| Таблица 2 – Параметры микросхем | ||||
| Микросхема | Кол-во | Uпит, В | Iпотр, мА | Рпотр, мВт |
| КР544УД1 | 1 | 15 | 3,5 | 52,5 |
| К554СА3 | 2 | 15 | 6 | 180 |
| К155ТВ1 | 1 | 6 | 15 | 90 |
| К155ИЕ5 | 1 | 5 | 20 | 100 |
| К555ИЕ19 | 4 | 5 | 26 | 520 |
| К555ИД2 | 4 | 5 | 10 | 200 |
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.
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
| Номинальная мощность, ВА | Напряжение вторичных обмоток, В | Допустимый ток вторичных обмоток, А | ||||
| 31,0 | 11-12 | 13-14 | 15-16,17-18 | 19-20 | 21-22 | 0,475 |
| 10 | 9,98 | 20 | 2,6 | 2,6 | ||
Таблица 4 – Параметры стабилизаторов
| Тип стабилизатора |
КнU,% |
КнI,% |
Uвых, В |
Iпот, мА |
| К142ЕН5А | 0,05 | 3 | 4,9..5,1 | 10 |
| К142ЕН8Б | 0,05 | 1 | 14,55..15,45 | 10 |
Рисунок 15- Блок питания
Заключение
В данном курсовом проекте был разработан цифровой вольтметр (ЦВ), работающий по принципу двойного интегрирования и имеющий следующие технические характеристики:
Вид измеряемого напряжения – постоянное;
Пределы измерения0-10 В
Точность измерения0.1%
Время измерения0.01 с
Для питания цифрового вольтметра был разработан блок питания, вырабатывающий все необходимые напряжения.
Литература
1. В.Л. Шило «Популярные цифровые микросхемы»; Справочник. Челябинск. «Металлургия», 1989 г.
2. «Резисторы». Справочник. М. «Радио и связь», 1993г.
3. «Конденсаторы». Справочник. М. «Радио и связь», 1993г.
4. «Цифровые и аналоговые интегральные схемы». Справочник. М. «Радио и связь», 1990г.
5. «Диоды». Справочник. М. «Радио и связь», 1990г.
6. «Полупроводниковые приборы: диоды, выпрямители, стабилитроны, тиристоры». Справочник. М «КУБ-а». 1994г.
7. В.С Гутников «Операционные усилители». М. «Энергия». 1975г.
8. Б.Л. Лисицын «Отечественные приборы индикации и их зарубежные аналоги».
9. «Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА». Справочник. Минск. «Беларусь». 1994г.
10. Вуколов Н.И, Михайлов А.Н., «Знакосинтезирующие индикаторы». Справочник. М. «Радио и связь», 1993г.
11. А.В. Шилейко «Электронные устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи», 1989 г.
12. Цифровые интегральные микросхемы; Справочник. Минск. «Беларусь», 1991г. 13 В.С. Кострома, В.Я. Яцкевич «Электронные устройства в железнодорожной автоматике, телемеханике и связи». Методические указания по курсовому проектированию. Часть I. Разработка цифрового вольтметра.
