Разработка цифрового вольтметра двойного интегрирования с точностью до 0,003 процента

АННОТАЦИЯ

Курсовой проект «Разработка цифрового вольтметра»  является заключительным этапом изучения дисциплины «Электронные устройства в железнодорожном транспорте, телемеханике и связи» для студентов специальности «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте».

В данном курсовом проекте разработан цифровой вольтметр с двойным интегрированием. Разработанный цифровой вольтметр позволяет измерять напряжение  постоянного тока от -1000 до 0 вольт с точностью до 0,003%. Основная элементная база цифрового вольтметра - цифровые микросхемы КМОП-структуры.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап научно-технического прогресса характеризуется внедрением принципиально новой техники. Одним из главных направлений технического развития является цифровая техника. Цифровые вольтметры составляют большую группу цифровых измерительных приборов. На их основе строятся мультиметры, позволяющие измерять токи, напряжения, сопротивления, временные интервалы, отношения двух напряжений, частоту переменного напряжения и т.д.

Цифровыми называют такие измерительные устройства, в которых измеряемая величина автоматически в результате квантования и цифрового кодирования представляется кодовым сигналом, выражающим значение этой величины. Цифровые вольтметры обладают следующими достоинствами:

высокой точностью измерения напряжения;

широким диапазоном измерений;

высокой чувствительностью;

отсчетом в цифровой форме;

быстродействием;

возможностью автоматического выбора предела измерения;

возможностью вывода результата измерения на интерфейсную шину и включения в состав измерительного комплекса.

Благодаря своим высоким характеристикам цифровые вольтметры находят широкое применение в различных областях промышленности, в частности на железнодорожном транспорте.

1 СТРУКТУРНА Я СХЕМА ЦИФРОВОГО ВОЛЬТМЕТРА

Структурная схема цифрового вольтметра приведена на рисунке 1.1, а временные диаграммы, поясняющие его работу, на рисунке 1.2.

Принцип действия цифрового вольтметра с двойным интегрированием заключается  в преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональный ему интервал времени, который заполняется счетными импульсами.

 Цикл образования Ти состоит из двух равных интервалов времени Т1 и Т2. В начале цикла устройство управления вырабатывает прямоугольный импульс калиброванной длительности Т1, который подаётся на адресный вход электронного переключателя. Поэтому в течение интервала Т1, с входного устройства через электронный переключатель на вход интегратора подаётся измеряемое напряжение.

Начинается первый такт интегрирования «вверх»,    при котором выходное напряжение интегратора возрастает по линейному закону:

                 ,

где   RC - постоянная времени интегрирования,

          Ux - измеряемое напряжение.

Если измеряемое напряжение будет более заданного предела или оно будет обратной полярности, то сработает устройство защиты от перенапряжения и индикации неправильной полярности.

Второй такт интегрирования начинается с подачей устройством управления на адресный вход электронного ключа калиброванного импульса длительностью Т2. С подачей этого импульса электронный переключатель отключает от входа интегратора измеряемое напряжение и подключает опорное, имеющее противоположную полярность входному напряжению. В течение второго такта интегрирования «вниз», который начинается с этого момента, напряжение на выходе интегратора линейно убывает:

                        ,   

             где     Uoп - опорное напряжение,

                         Т1   - длительность первого такта интегрирования,

                         t2   - время окончания второго такта интегрирования. В этот момент на выходе интегратора напряжение становится равным нулю,  и  поэтому  сработает  устройство   сравнения,  на выходе  которого появится  сигнал логического  нуля.  Этим   сигналом  временной  селектор отключит генератор счетных импульсов от счётчика, который был включён тем же импульсом управляющего устройства , что и подключён к входу интегратора источник  опорного   напряжения.  Т.о.   счетчик  подсчитывает импульсы в течении второго такта интегрирования (от tl до t2). За время второго такта счетчик подсчитает Nx импульсов:

Nx=Tx/To,

где Тх - длительность второго такта интегрирования,

       То - период импульсов генератора счетных импульсов.

Подсчитанное количество импульсов, т.е. число, будет помещено в регистр для хранения, и пройдя через дешифратор отобразится на цифровом индикаторе   в   виде   привычного   десятичного   числа,   которое   и   будет показывать измеренное напряжение.

Рисунок 1.1  – Структурная схема вольтметра с двойным интегрированием.

Рисунок 1.2  – Графики, поясняющие принцип работы вольтметра с двойным интегрированием.