Разработка цифрового вольтметра с точностью измерения 0.02% и временем измерения 0.01с

Страницы работы

Фрагмент текста работы

Теоретически оценить погрешность ЦВ можно из анализа выражения:

Ux = (K1K2To)-1 Nx

Абсолютная погрешность результата измерений [1]:

Ux = [(Nx / K12K2To)2 (DK1)2 + (Nx / K1K22To)2 (DK2)2 + (Nx / K1K2To2) ( DTo2) +

(K1K2To)–2 (DNx)2]1/2,

где DK1 , DK2 , DTo , DNx – абсолютные ошибки значений K1, K2, To и Nx соответственно.

          Из этого выражения видно, что основными составляющими погрешности являются погрешности задания коэффициентов  DK1 и DK2 , временного интервала DTo и ошибка счета импульсов DNx.

          При формировании интервала времени с высокой точностью и стабильном задании коэффициентов абсолютная погрешность результата измерений:

DUx » DNx / K1K2To

Относительная погрешность результата измерений:

DUx / Ux » DNx / Nx

где DNx –ошибка счета импульсов, обычно DNx » 1,2.

          На рисунке 1 представлена структурная схема вольтметра.


Ux             Делитель                                 Усилитель           K1 Ux    Преобразователь                       Схема «И»      

             напряжения                              напряжения                     «напряжение-частота»

                                                                                                                                                                                                 Nx

                                                                      задающий                                Делитель                                           счетчик         

          Схема Запуска                           генератор                                 частоты                               импульсов

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             индикатор                              дешифратор              

Рисунок 1 -- Структурная схема.


Гц

 


                                                                                Fx = K1K2 Ux                                                 

                                                                                    U, В

 U, В                                      K1 Ux                   

                                                            Tx = 1 / Fx = 1 / (K1K2 Ux)

                                                                                  t, с

                              tx = 1 / Fx

U, В

                                                                                Nx = To / Tx = K1K2 Ux To

 t, с

                                             To

U, В

                                                                      Ux = Nx  / (K1K2 Ux)

 t, с

                                           Nx

Рисунок 2  -- Временные диаграммы работы ЦВ

2 Расчет основных параметров и погрешностей.


          Так как погрешность измерения DUx не должна превышать 0.02%, то с учётом максимального измеряемого напряжения (1В) эта погрешность составит ±0,0002В. Тогда, с учётом этой погрешности, минимальное число импульсов, поступающих с выхода преобразователя напряжение-частота при максимальном измеряемом напряжении (1В) будет определяться:

          Таким образом за время измерения Т0=0.01с схемой счёта и индикации должны быть зафиксированы 5000 импульсов. Тогда частота преобразования при максимальном измеряемом напряжении составит:


          Из приведенных выкладок следует, что  при данном времени измерения минимальная погрешность измерения составляет ровно ±0.02%. Для уменьшения погрешности необходимо частоту увеличить в 2 раза. В этом случае погрешность измерения уменьшиться в 2 раза и будет составлять ±0.01%. Так как  ПНЧ – КР1108ПП1 преобразует напряжение от 0 до 10 В в частоту до 100 кГц, то для измерения напряжения до 1В, необходимо усилить сигнал в 10 раз. В данном случае в схеме не надо делителя напряжения.

Для ПНЧ – КР1108ПП1 нелинейность преобразования на используемом диапазоне 5..100000 Гц составляет порядка 0.003%.

Погрешность операционного усилителя составляет порядка 10-3.

Погрешность индикации можно вычислить как Pинд=10-3, где 3 – число разрядов индикатора.

Таким образом суммарная погрешность цифрового вольтметра может быть вычислена в следующем виде:

P=PИзм+PПНЧОУ+PИнд=0.01+0.003+0.001+0.001=0.015%. 

Полученная погрешность не превышает заданную.


3.Схемотехника узлов цифрового вольтметра

3.1 Входное устройство

Входное устройство состоит из защиты от перенапряжения, защиты от обратной полярности и усилителя.

В качестве защиты от перенапряжения используется полевой транзистор КП302А на затвор которого подается напряжение от старшего разряда счетчика переполнения.

Таким образом напряжение на входе ПНЧ не превысит 10В. В случае превышения напряжения 10В для соответствующих пределов произойдёт переполнение счётчика старшего разряда схемы счёта и индикации, дальнейший счёт заблокируется и загорится VD3, индицируя перегрузку.


Для защиты от обратной полярности используется диод VD1 – КД522Б, параметры которого: Iпр.min=100мА, Uпр=1.1В. Рассчитаем сопротивление R5:

Для обеспечения большого входного сопротивления применим инвертирующий ОУ с коэффициентом усиления равным 10. Для этого рассчитаем сопротивления усилителя. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется соотношением.

,

Так как КИ равен 10, то необходимо рассчитать сопротивления резисторов R2 и R1. Примем R1 равным 100 кОм для обеспечения большого внутреннего сопротивления. Тогда R2 будет равен 1мОм.

 Усилитель реализован на базе операционного усилителя К544УД1А.

К544УД1А – DA1                                                                 Таблица 1

Uип

Uвх

Uвых

Iпот,мА

Rвх,Ом

Iвх,нА

±15В±10%

Ј10

і10

Ј3.5

109..1011

Ј200

На рисунке 3 представлена схема входного устройства.


                              Рисунок 3 -- Входное устройство


3.2 Генератор импульсов

Для построения генераторов, у которых частота колебаний поддерживается с очень высокой точностью, используются кварцевые резонаторы.

При включении кварцевого резонатора в электрическую цепь происходит преобразование электрической энергии в механическую и накопление этой энергии в кварцевой пластине. Затем механическая энергия превращается в электрическую, и электрическая энергия возвращается в электрическую

Похожие материалы

Информация о работе