Анализ функциональной схемы цифрового измерителя углового перемещения. Анализ электрической принципиальной схемы прибора

Глава 2  Анализ функциональной схемы прибора

 Функциональная  схемацифрового измерителя углового перемещения состоит из:

2.1Блок питания – это опорный источник питания. Он обеспечивает напряжение питания для микросхем 15 В. Блок питания состоит из выпрямителя на основе диодного моста, сглаживающего фильтра, стабилизатора и трансформатора.

·  трансформатор – преобразует большое значение переменного напряжения  в малое переменное напряжение.

·  диодный выпрямительный мост - он используется для преобразования переменного   напряжения поступающего с трансформатора питающей сети в постоянное;

·  сглаживающие фильтры, которые включаются между диодным мостом и стабилизатором для уменьшения пульсаций (переменной составляющей) выпрямленного напряжения. Фильтр, сглаживающий низкие частоты, электролитического типа ЭМ-М (тип диода выбирался в соответствии с номинальным рабочим напряжением и диапазоном рабочих температур), фильтр, сглаживающий высокие частоты, полярного типа КСО-1.

·  невысокая стабильность напряжения в сети обуславливает применение стабилизации выходного напряжения выпрямителя. Для получения стабильного по величине постоянного напряжения между выпрямителем и дальнейшей схемой включается стабилизатор напряжения (интегральный стабилизатор К142ЕН8В на 15 В). 

2.2 Блок преобразования постоянного напряжения в меандр. Используется для преобразования постоянного стабилизированного напряжения в напряжение, которое имеет форму меандра, чтобы устранить возникновение контактных ЭДС (для мостовой схемы в узловых точках, где соединяются различные проводники, при воздействии температуры возникают термоэлектрические напряжения – термоЭДС). Это приводит к самопроизвольному изменению напряжения на выходе мостовой схемы, не зависящему от изменения измеряемого перемещения. Состоит из: интегрального стабилизатора, усилительного каскада,  ключевой микросхемы, мультивибратора, триггера.

·  интегральный стабилизатор на 6 В, он представляет собой систему регулирования, в которой с заданной точностью поддерживается постоянным напряжение на выходе независимо от изменения входного напряжения и тока нагрузки. Он используется для задания амплитуды напряжения для мостовой схемы (эта величина будет в дальнейшем рассчитана);

·  усилительный каскад состоит из 4-х усилителей (2-х операционных и 2-х на биполярных транзисторах);

·  ключевая микросхема управляется сигналом триггера;

·  мультивибратор – генератор прямоугольных импульсов. Он задает период изменения напряжения из положительного в отрицательное. Частота должна лежать в пределах 5 кГц до 20 МГц, если она меньше этого диапазона, то будет происходить сильная дискретизация сигнала, если меньше – будет происходить влияние высокой частоты на распределенные параметры цепи;

·  триггер, т.к. мультивибратор имеет не идеальную характеристику преобразования, поэтому после него ставится триггер, который делит частоту следования импульсов мультивибратора на 2, в итоге получаем сигнал со скважностью равной 2;

2.3 Блок датчика преобразует приложенное угловое перемещение в электрический сигнал, пропорциональный угловому перемещению. Информация заложена в изменении амплитуды выходного сигнала.  Блок датчика состоит из: индуктивного датчика, который включен в мостовую схему.

2.4 Блок вторичного измерительного преобразователя состоит из:

·  стабилитронной защиты, которая служит для защиты входных каскадов усилителя от случайных повышений напряжений на выходе моста, из-за которых могут сгореть входные каскады ВИПа.

·  мультиплексора, который необходим для калибровки мостовой схемы. Использован для передачи сигналов с образцового откалиброванного моста и измерительного моста. Т. е. посредством данного коммутатора будет проводиться калибровка моста.

·  усилительного каскада, который   используется для масштабного преобразования измеряемого сигнала до уровня, установленного в техническом задании.

·  Ключевая микросхема, которая управляет логическими элементами в блоке преобразования постоянного напряжения в меандр.

·   Амплитудный  детектор– это амплитудный выпрямитель, который предназначен для преобразования переменного напряжения в постоянное стабильное напряжение одного знака;

·  Фильтра – применяется для сглаживания пульсаций после преобразования меандра в постоянное напряжение.

2.5 Датчик температуры – подает цифровой сигнал на микропроцессор о температуре окружающей среды, согласно которому, микропроцессор выбирает поправку для результата измерения из таблицы, которая составлена по экспериментальным исследованиям датчика.

2.6 АЦП - применяется для согласования аналогового источника измерительного сигнала с цифровым устройством обработки и представления  результатов измерения; в данном курсовом проекте это микропроцессор;

                  2.7 Микропроцессор – для обработки результатов измерений,  компенсации температурной погрешности, линеаризации функции преобразования.

2.8 ОЗУ – оперативно – запоминающее устройство предназначенное для хранения временной информации поступающей с микропроцессора.

2.9 Супервизор – предназначен для отслеживания сбоев в программе выполняемой микропроцессором, и если сбой произошёл, то супервизор перезапускает микропроцессор.

2.10 Интерфейс – предназначен для согласования сигналов между блоками схемы.

2.11Клавиатура – предназначена для внешний связи оператора с прибором при выполнении измерений.

 2.12 4-х разрядный индикатор -  применяется для отображения результата измерения.

Глава 3 Анализ электрической принципиальной схемы прибора

3.1  Выбор и расчет преобразования постоянного напряжения в меандр.

·  Расчет мультивибратора

В современной цифровой аппаратуре очень часто используются генераторы тактовых импульсов  со скважностью 50 %, часто называемые генераторами меандра. Такие генераторы удобно строить на таймерах в режиме мультивибратора  [2].

В связи с тем, что времязадающая цепь управляется выходным напряжением таймера, между выводом 3 и источником  питания включен резистор R_н , позволяющий увеличить размах выходного напряжения почти до U_п. Высокая точность при формировании меандра получается благодаря тому, что заряд и разряд конденсатора С_t осуществляются через резистор R_t. На точность влияют стабильность высокого и низкого уровней выходного напряжения и их симметричность относительно пороговых напряжений U_п/3 и 2U_п/3. При рекомендуемом R_н=1 кОм сопротивление резистора необходимо выбрать из условия (15)

R_t>> R_н,                                     (15)

 т.е. R_t>10 кОм. Частота выходного сигнала рассчитываем по формуле (16)

f_м=                                   (16)

Частота должна лежать в пределах 5 кГц до 20 МГц, если она меньше этого диапазона, то будет происходить сильная дискретизация сигнала, если меньше – будет происходить влияние высокой частоты на распределенные параметры цепи.

Частоту сигнала меандра выберем из предложенного диапазона, f_м=40 кГц. Рассчитаем параметры RC-цепи пользуясь формулами (15), (16):

Из параметрического ряда для резисторов, учитывая (15) выберем R_t.

R_t=100 кОм, следовательно, C_t можно выразить следующей формулой:

C_t===1.18*10^-10 Ф=118 пФ

По параметрическому ряду[1] для конденсаторов уточняем номинал конденсатора C_t=100 пФ.

Характеристики таймера:

U_пит=5-15 В

I_пит=15 мА

U_oi=2.5 – выходное напряжение низкого уровня

U_oн=2.5 – выходное напряжение высокого уровня