Содержание.

Задание.

Разработать электрические структурную, функциональную и принципиальную схемы цифрового вольтметра постоянного напряжения, работающего по методу следящего аналого-цифрового преобразования, с диапазоном входного напряжения (010) В, разрядностью десятичного индикатора – 3 разряда и классом точности 0,1. Обновление показаний – 0,5 с. При разработке АЦП реализовать на логических микросхемах.

Введение.

Преимущества обработки информации и осуществления функций управления с использованием цифровых методов становятся все бо­лее очевидными. Однако данные, которые мы получаем из реально­го мира, обычно представлены в аналоговой форме. Необходимый аналого-цифровой интерфейс обеспечивает система сбора данных. Она преобразует исходные данные от одного или нескольких изме­рительных преобразователей в выходной сигнал, пригодный для цифровой обработки; преобразование осуществляется с помощью таких компонентов, как усилители, фильтры, схемы выборки — хранения, мультиплексоры и аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

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.

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

Цифровые вольтметры широко распространены в технике измерения напряжений постоянного и переменного тока. Это объясняется многими достоинствами их: высокой точностью (на несколько порядков выше, чем у анало­говых вольтметров), широким диапазоном измерений при вы­сокой чувствительности, отсчетом в цифровой форме (практически исключающим глазомерные ошибки и создающим удобство на­блюдения на расстоянии), автоматическим выбором предела и по­лярности, относительной простотой осуществления документаль­ной регистрации показаний, возможностью получения результатов наблюдений в форме, удобной для ввода в ЭВМ, возможностью выхода на интерфейсную шину и включения в состав измеритель­но-вычислительного комплекса.

1. Структурная схема и функциональная схема вольтметра.

Классифицировать цифровые вольтметры можно по различ­ным признакам. Здесь ограничимся тремя признаками:

По назначению (возможности применения) различают цифро­вые вольтметры постоянного тока, универсальные (для измерения напряжений постоянного и переменного токов), импульсные, специальные (измерители нестабильности напряжения и т. п.).

По схемному решению вольтметры делят на две основные группы: с жесткой логикой и микропроцессорным про­граммным управлением.

По методу аналого-цифрового преобразования, которое явля­ется непременной процедурой измерения напряжения циф­ровым вольтметром, различают приборы со следующими видами преобразований: время-импульсным (с одно-, двух- и трехкрат­ным интегрированием), по методу взвешивания или поразрядного кодирования, напряжения в частоту (частотно-импульсным пре­образованием), по методу считывания.

Число разрядов и расширение диапазона показаний. В циф­ровых вольтметрах показание отображается цифровым дисплеем. Поскольку цифровые вольтметры — приборы высокой точности, выполняющие измерения в широком диапазоне, то для них ха­рактерны многоразрядные цифровые дисплеи. К таким приборам можно отнести например, 3 1/2-разрядный (полной шкале соответствует число 1999) или 6 1/2-разрядный (полная шкала —число 1499999) вольтметры.

Вольтметр,как любой цифровой прибор включает в себя два обязательных функциональных узла: аналогово-цифровой преобразователь(АЦП) и цифровое отчетное устройство.

Аналогово-цифровые преобразователи предназначены для преобразования аналоговых сигналов в соответствующие им цифровые, то есть для преобразования сигналов с неприрывной шкалой значений в сигналы , имеющие имеющие дискретную шкалу значений. А отчетное устройство отражает значение измеряемой величины в цифровой форме.

Классификация методов преобразования напряжения в цифровой код весьма разнообразна. По виду алгоритма работы АЦП подразделяются на преобразователи , использующие методы последовательного счета, поразрядного кодирования и считывания.

Метод преобразования выбирается в зависимости от конкретных условий использования вольтметров , назначения вольтметра и их стоимости. Одним из отличительнх признаков , характеризующих свойства преобразователей , является наличие или отсутствие в структурной схеме обратной связи. Поэтому по принципу действия АЦП делятся на преобразователи прямого преобразования (без обратной связи) и с обратной связью(уравновешиваемые , замкнутые), например следящие и поразрядного кодирования.

В данном курсовом проекте рассмотрим цифровой вольтметр постоянного напряжения, работающий по методу следящего аналого-цифрового преобразования. В рассматриваемом преобразователе используется ЦАП в качестве источника опорного напряжения. С помощью этого ЦАП и единственного аналогового компаратора аналоговый сигнал, фактически действующий на входе, непрерывно сравнивается с цифровым отсчетом на выходе реверсивного счетчика. Если цифровой отсчет слишком мал, то счетчик переключается компаратором на счет в прямом направлении, а если цифровой отсчет слишком велик, то счетчик считает в обратном направлении. Имеющаяся в схеме обратная связь быстро приводит к точному преобразованию. Структурная схема следящего АЦП приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема работы следящего АЦП.

Важно отметить, что скорость изменения амплитуды входного аналогового сигнала, подаваемого на следящий АЦП, не должна превышать частоты следования тактовых импульсов. В противном случае, АЦП не будет успевать отслеживать изменение входного сигнала.Функциональная схема и временные диаграммы показаны на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная и временная диаграмма работы следящего АЦП.

2. Схемотехника основных узлов вольтметра.

   1. ГЕНЕРАТОР ТАКТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ.

Рассмотрим схему генератора с кварцевым резонатором, выполненным на логических элементах 2И-НЕ. Элемент DD1.1 охвачен здесь 100 %-ной отрицательной обратной связью и, следовательно, представляет собой просто усилитель с коэффициентом передачи 1. Элемент DD1.3 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. Частота автогенератора будет определяться только частотой кварца. Частота генерируемых колебаний 0.032768 МГц.Корпус DT-26.

Так как КМОП технология обладает более стабильными входными параметрами,чем технологияя ТТЛ,то генератор импульсов лучше делать на микросхемах этого типа.Серия 1554 была выбрана из-за простоты согласования с микросхемами серии ТТЛ,так как при управлении микросхемами ТТЛ сигналами микросхем серии КР1554, питающихся от того же источника питания, никаких мер по согласованию применять не требуется.

В качестве элементов НЕ используются элементы микросхемы КР1554ЛН1, описание которой представлено ниже.

Рисунок 3 – Цоколевка ИМС КР1554ЛН1

Таблица 1 – Назначение выводов ИМС КР1554ЛН1

№ выв.	Назначение	№ выв.	Назначение
1	Вход	8	Выход
2	Выход	9	Вход
3	Вход	10	Выход
4	Выход	11	Вход
5	Вход	12	Выход
6	Выход	13	Вход
7	Общий	14

Таблица 2 – Параметры ИМС КР1554ЛН1

Параметр	Величина
Напряжение питания, В	2 … 6
Потребляемый ток, мкА	<4
Т, ºС	-45 … +85
Потребляемая мощность, мВт	300

Рисунок 4– Схема генератора тактовых импульсов (ГТИ)