Система измерений, обработки и регистрации постоянного напряжения

 

 

 

2 ОБЗОР  АНАЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Рассмотрим методы технических решений существующих цифровых мультиметров

Сравнительная таблица цифровых мультиметров

Название	M890G	M890C+	M890F	EM31	MS8201H	DT5808	MS8209	MY64
Цена	156	156	150	204	401	227	749	264
Макс значение	1999	1999	1999	2400	1999	1999	3999	1999
Вес, г	300	300	300	230	285	310	260	487
Точность, %	0.7	0.7	0.7	0.7	0,5	0.5	0,7	0,7
U_(пост. напр.), В	1000	1000	1000	600	1000	1000	600	1000
U~(перемен.), В	750	750	750	600	700	750	600	750
I_(пост. ток), А	20	20	20	10	10	20	10	10
I~(перемен.), А	20	20	20	10	10	20	10	10
Сопротивление	20 МОм	200 МОм	200 МОм	24 МОм	20 МОм	200 МОм	40 МОм	200 МОм
Емкость	20 мкФ	20 мкФ	20 мкФ	25 мкФ	20 мкФ	20 мкФ	200 мкФ	20мкФ
Температура	-40…1000	-40…1000	+	+	-20…1000	-40…1000	-20…1000	-40…1400
Частота	20 кГц	-	20 кГц	5МГц	20 кГц	20 кГц	100 кГц	20кГц

 

 

 

3 ОПИСАНИЕ И РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Наше устройство допускового контроля тока будет состоять из последовательности блоков, которые будут выполнять определённые изменения сигнала.

Структурную схему требуемого прибора можно представить следующим образом:

 

Рисунок 3

Принцип действия основан на преобразовании измеряемой величины в пропорциональный ей интервал времени с последующим преобразованием этого интервала в дискретную форму и цифровой код.

Измерение величины U_, посредством делителя напряжения и соответствующих преобразователей трансформируются в нормированное постоянное аналоговое напряжение.

Делитель напряжения предназначен для переключения диапазонов входного напряжения. С его помощью предусматривается дополнительная возможность расширения пределов измерения.

Преобразователь импеданса обеспечивает трансформацию высокого входного сопротивления в малое входное сопротивление усилителя. Для обеспечения выполнения условий ТЗ,  в приборе для обеспечения данных пределов измерений должно присутствовать два усилительных каскада с коэффициентом усиления 10 (так как  для малых напряжений нижний предел 1мВ а верхний 1В, то есть появится возможность усиления в 1000 раз).

Усилитель предназначен: для преобразования уровней измеряемых напряжений к уровням диапазона входных значений аналого-цифрового преобразователя, т.е. к уровням, не превышающим 2 В; для обеспечения высокого входного сопротивления и малых входных токов миллиамперметра.

 

 Аналогово-цифровой преобразователь осуществляет основную функцию преобразования нормированного аналогового напряжения в цифровой код.

Микроконтроллер предназначен для преобразования измерительной информации в форму удобную для восприятия пользователем и дальнейшей ее выдачи на контроллер жидкокристаллического индикатора, а также передачи через интерфейс сопрягаемым устройствам.

Индикатор предназначен для индикации результата измерения.

Входной делитель,  подключенный к входу на который подается напряжение от 1 В до 1000 В напряжения  построен по схеме частотно-компенсированного делителя напряжения на высокостабильных резисторах, которая обеспечивает стабильное значение коэффициента деления в широкой области частот. Схема делителя приведена на электрической принципиальной схеме прибора. Деление входного напряжения прибора в области частот до десятков килогерц осуществляется резистивным делителем, а на более высоких – емкостным. Настройка значения коэффициента деления емкостного делителя осуществляется подстроечными конденсаторами С1 и C2.

Ко входу, предназначенному для измерения напряжений свыше 1000 В, подключен резистивный делитель с коэффициентом деления 1000. Выбор резистивного делителя обусловлен высокими входными напряжения.

Преобразователь импеданса построен по схеме повторителя напряжения, на основе операционного усилителя ОРА621.

 

3.1 Расчет структурной схемы для измерения постоянного напряжения

 

ДН - делитель напряжения приводит все номинальные значения      напряжений (согласно ТЗ) со входа к 1000; 100; 10; 1; 0,1; 0,01 мВ.

Коэффициенты рассчитаны по формуле (3.1.1):

                                         ;            (3.1.1)                                                             

Для диапазонов  0,01 В, 0,1 В, 1 В, 10 В, 100 В и 1000 В, коэффициент делителя напряжения будет равен К=0,001:

 

 

Для диапазонов  1000 мВ, 100 мВ, 10 мВ, 1 мВ, 0,1 мВ и 0,01 мВ:  К=1:

 

 

Рассмотрим диаграмму уровней напряжения мультиметра

 

Коэффициенты усиления для делителя (К1, К2, К3, К4) напряжения и усилителя рассчитываем по приведенной ниже формуле (3.1.2):

;        (3.1.2)

где - выходное напряжение делителя, - входное напряжение делителя.

Для пределов измерения: 1; 0,1; 0,01 В.

  

 

 

ПИ – преобразователь импеданса, служит для обеспечения высокого входного сопротивления мультиметра.  Коэффициент преобразования для ПИ К=1.

    

 

3.2 Разработка функциональной схемы

 

На основании спроектированной структурной схемы разработана функциональная схема, которая представлена на рисунке 3.2.1.

 

Рисунок 3.2.1 – Функциональная схема

 

Целью разработки функциональной схемы является:

1. уточнение алгоритма функционирования;
2. создание возможностей для более полного анализа погрешностей;
3. формирование обоснования для выбора элементной базы.

 

 

Общий алгоритм работы функциональной схемы представлен

на Рисунке 3.2.2

 

Рисунок 3.2.2 – Алгоритм работы схемы

 

3.3 Микросхема MAX232

 

MAX232 — интегральная схема, преобразующая сигналы последовательного порта RS-232 в сигналы, пригодные для использования в цифровых схемах на базе ТТЛ или КМОП технологий. MAX232 работает приемопередатчиком и преобразует сигналы RX, TX, CTS и RTS.

Функциональность и цоколевка микросхемы стала стандартом де-факто и ее аналоги (с другой маркировкой) выпускаются множеством производителей полупроводников.

Схема обеспечивает уровень выходного напряжения, используемый в RS-232 (приблизительно ± 7.5 В), преобразуя входное напряжение + 5 В при помощи внутреннего зарядового насоса на внешних конденсаторах. Это упрощает реализацию RS-232 в устройствах, работающих на напряжениях от 0 до + 5 В, так как не требуется усложнять источник питания только для того, чтобы использовать RS-232.

3.4 Матричная клавиатура

Количество выходов микроконтроллера, необходимых для подключения такой клавиатуры определяется перемножением количества  строк на количество столбцов. Для подключения клавиатуры из 4 строк и 3 столбцов будут задействованы 4x3=12 выходов.

Временная диаграмма напряжений на портах вывода при выполнении программы опроса клавиатуры приведена на Рисунке 3.4

 

 

Рисунок 3.4 – Временные диаграммы работы порта вывода 

4 ОПИСАНИЕ И РАСЧЕТ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Исходные данные для расчета устанавливаются исходя из структурной функциональной схем, представленных в разделе описание и обоснование выбранной конструкции.

Расчет производится на основе рекомендаций, приведенных в литературе [1,2]

Целью данного расчета является установление размера и типа комплектующих элементов.

4.1 Расчет делителя напряжения

Делитель напряжения ДН на входе вольтметра предназначен для того, чтобы привести входное напряжение в диапазоне 0,01 – 1 В к значению 0,001 В. При этом коэффициент деления входного напряжения Uвх составит (4.1):

;         (4.1)

 где  - выходное напряжение ДН;

        - входное напряжение.

Все входные диапазоны напряжения необходимо привести к номинальному значению на входе усилителя (0,001 В). На рисунке 4.1 показана принципиальная схема делителя напряжения.

 

Рисунок 4.1

Так как на вход делителя подается и постоянное и переменное напряжения ставим емкости для частотной коррекции ( ). Для расчета резисторов составим 4 уравнения (количество уравнений равно количеству неизвестных)

Рассчитываем ДН

для предела 1000 В:

для предела 100 В:

для предела 10 В:

Получаем систему уравнений, которая выглядит следующим образом:

Значения резисторов берем со стандартного ряда, тогда:

Рассчитываем значения емкостей из уравнения (4.1)

                                          

;     (4.1)                                  

Выбираем значение емкости ,тогда:

Выбираем значения емкостей из стандартного ряда:

4.2 Расчет преобразователя импеданса

Преобразователь импеданса должен  передавать неискаженное напряжение на вход следующего блока для более точной передачи входного напряжения обусловим, что такой ПИ качественно и просто выполнить на операционном усилителе.

Для обеспечения выполнения условий ТЗ,  в приборе для обеспечения данных пределов измерений должно присутствовать два усилительных каскада с

 

 

 

коэффициентом усиления 10 (так как  для малых напряжений нижний предел 1мВ а верхний 1В, то есть появится возможность усиления в 1000 раз).

В общей схеме мультиметра присутствует 1 преобразователь импеданса (ИП). Он обеспечивает трансформацию высокого входного сопротивления в малое входное сопротивления усилителя. В качестве ПИ наиболее часто используют повторитель напряжения на полевом транзисторе с глубокой ООС. Схема которого показана на рисунке 4.2

Рисунок 4.2

 

4.3 Расчет усилителя AD2

Усилитель предназначен: для преобразования уровней измеряемых напряжений к уровням диапазона входных значений аналого-цифрового преобразователя, т.е. к уровням, не превышающим 2 В; для обеспечения высокого входного сопротивления и малых входных токов вольтметра

Произведем расчет усилителя

Схема усилителя изображена на рисунке 4.3 Резисторы R8, R10, R12 – подстроечные. Значения резисторов подбираем соответственно из стандартного ряда значений.

Рисунок 4.3

Необходимо обеспечить коэффициенты усиления К1=5; К2=50; К3=500.

Расчет усилителя:

Резисторы R6 - R12 обеспечивают     необходимый  коэффициент  передачи    сигнала.

    ; 

Задаем значение R6 = 1 кОм, отсюда  R7+0,5R8=5 кОм. Выбираем ближайшее стандартное значение для R7=4,7 кОм. Тогда для осуществления диапазона регулировки коэффициента усиления в пределах , принимаем значение R8=0,6 кОм, тогда R9+0,5R10=50 кОм,

Выбираем ближайшее стандартное значение для R9=47 кОм. Тогда для осуществления диапазона регулировки коэффициента усиления в пределах , принимаем значение R10=6 кОм.

 R11+0,5R12=500 кОм. Выбираем ближайшее стандартное значение для R11=499 кОм. Тогда для осуществления диапазона регулировки коэффициента усиления в пределах , принимаем значение R12= 2 кОм.

Сопротивление R13 рассчитаем по формуле (4.3):