РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ

2 РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ

 

Цифровий вимірювальний прилад (ЦВП) автоматично виробляє дискретні сигнали вимірювальної інформації, показання якого представлені в цифровій формі, тобто перетворює безперервну в часі і по розміру вимірювану величину в цифровий код. Цей процес, який включає в себе дискретизацію, квантування і кодування безперервної вхідної величини, називають аналого-цифровим перетворенням, а вимірювальний перетворювач, який автоматично здійснює цей процес і виробляє дискретні сигнали вимірювальної інформації про числове значення вхідної величини, - аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). Цей перетворювач покладений в основу класифікації цифрових вольтметрів. Серед яких: АЦП з час-імпульсним перетворенням; АЦП з частотно-імпульсним перетворенням та ін.

Виходячи із поставленої умови задачі (не обумовлені завадостійкість, швидкодія; велика похибка) вибираємо відносно простий АЦП - з час-імпульсним перетворенням.

В цих АЦП вхідна напруга U_x послідовно перетворюється в пропорційний їй часовий інтервал, а потім часовий інтервал t_x - в цифровий код. Перетворення напруги в пропорційний часовий інтервал здійснюється або за допомогою допоміжного генератора лінійно змінюваної напруги, або за допомогою інтегрування вимірюваної напруги. Вибираємо АЦП з генератором лінійно змінюваної напруги, структурна схема і часові діаграми роботи якого наведені на рисунку 2.1.

У момент часу t₀ запускається генератор лінійно змінюваної напруги G1, що виробляє пилоподібний сигнал U_Г , який подається на входи компараторів А1 і А2, які почергово спрацьовують у моменти часу t₁ і t₂ .

При переході напруги U_Г через рівень нуля (момент часу t₁ ) спрацьовує компаратор А2 і на його виході формується імпульс “Старт”, який по S-входу встановлює в одиничний стан тригер Т.

2

1

 

a)

t2

t1

t

“Старт”

1

t

“Стоп”

2

Tx

t

3 t

Т₀ = 1/f₀

 

4  t

5 t

б)

Рисунок 2.1 – Структурна схема (а) і часові діаграми роботи (б) вольтметра час-імпульсного перетворення

Рівнем логічної одиниці відкривається схема співпадання SW й імпульси опорної частоти f_o з виходу генератора G2 надходять на вхід лічильника СТ. Напруга U_Г на виході генератора G1 зростатиме доти, доки не дорівнюватиме U_x. Момент рівності U_Г = U_х(t₂) фіксує компаратор А1 шляхом формування на своєму виході сигналу “Стоп”. Сигналом “Стоп” по R-входу тригер обнуляється і тим самим закривається схема співпадання. Процес вимірювання напруги U_х закінчується.

Таким чином, на виході тригера формується імпульс довжиною

Т_х = U_x/ v , (2.1)

де v - швидкість зміни напруги U_Г .

Цей імпульс з виходу тригера відкриває схему співпадання на час Т_х ,

й імпульси опорної частоти поступають на лічильник.

Число підрахованих імпульсів

N = f₀×T_x= . (2.2)

Таким чином, число імпульсів, що пройшли на лічильник, пропорційне U_х і статична характеристика цього АЦП є лінійною (рисунок 2.2).

N_x

N = .

U_x

Рисунок 2.2 – Статична характеристика АЦП

При f₀/v = 10ⁿ, де n – ціле число, множник f₀/v можна врахувати відповідним положенням коми на цифровому відліковому пристрої або вказівкою одиниці вимірювання (В, мВ, мкВ).

Похибка квантування

, (2.3)

а залежність похибки квантування від вимірюваної величини є нелінійною (рисунок 2.3).

d

d =F(U_x).

U_x

Рисунок 2.3 – Залежність похибки квантування від вхідної величини

 

3 РОЗРОБКА ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ СХЕМИ ЦИФРОВОГО ТЕРМОМЕТРА

 

Виходячи з аналітичного огляду вимірювальних перетворювачів температури (див.розділ 1) та умови завдання на розробку (точність вимірювання невисока 5%, діапазон вимірювання від 600 до 1000 ^оС) вибираємо для реалізації цифрового термометра термопару типу ТХА і включаємо після підсилення в коло цифрового вольтметра час-імпульсного перетворення.

Розрахунок параметрів схеми.

Термо-е.р.с. термопари типу ТХА при 100 ^оС робочих кінців має

U_р.к = 4,1 мВ (при t_р.к = 100 ^оС).

Тоді, виходячи з умови (600 ÷ 1000 ^оС) матимемо напругу від 24,6 мВ до 41 мВ.

Для роботи цифрових мікросхем необхідна напруга до 5 В. Тому термо-пару включаємо в коло підсилювача з коефіцієнтом підсилення k = 1000.

Виходячи з (2.2) можна записати рівняння перетворення

N =  (3.1)

Визначимо час вимірювання Т_вим і частоту f₀ виходячи із умови

Т_вим = Т_х.

Задамося швидкістю зміни напруги U_Г

v = 10 В/c.

Тоді за формулою (2.1)

Т_х = U_x/ v = 4,1/ 10 = 0,41 c.

Знаходимо частоту генератора G2 із (2.3)

f₀

Частіше вибирають генератор з частотою f₀ = 100 Гц.

Визначимо максимальне значення коду N_x з рівняння перетворення (2.2)

N_x =  =

Знайдемо розрядність n необхідну для реалізації двійкового лічильника.

D = lоg₂ N_x ≈ 6.

ВИСНОВКИ

В курсовій роботі розроблено цифровий термометр, який дозволяє вимірювати температуру в діапазоні від 600 до 1000 ^оС.

В якості вимірювального перетворювача вибрано термопару типу ТХА.

Для аналого-цифрового перетворення (АЦП) використано цифровий вольтметр час-імпульсного перетворення. Описано його роботу і проведено розрахунок основних параметрів.

Наведено рівняння перетворення.

Розраховано частоту генератора зразкової частоти, розрядність двійкового лічильника.

Розроблено функціональну схему цифрового термометра.

ЛІТЕРАТУРА

 

1 Поджаренко В.О. та ін. Метрологія та вимірювальна техніка. Для самостійної роботи студентів та виконання курсових робіт. Вінниця: ВДТУ, 2000 – 65с.

2. Поджаренко В.О., Кухарчук В.В. Вимірювання і комп’ютерно- вимірювальна техніка. –Київ : НМК ВО, 1991.

3. Основы метрологии и электричесике измерения: Учебник для вузов / Б.Я.Авдеев, Е.М.Антонюк, Е.М.Душин и др.; Под ред. Е.М.Душина.-Л.: Энерго-атомиздат, 1987. - 480 с.

4. Электрические измерения электрических и неэлектрических величин. Под ред. Е.С.Полищука.-К.:Вища шк. Головное изд-во, 1984.-359 с.