Разработка цифрового вольтметра постоянного напряжения, страница 3

Действие  цифрового  вольтметра  данного  типа  заключается   в  последовательном   сравнении   измеряемого   напряжения   с   рядом   образцовых  напряжений,  значения   которых   задаются   по   определенному   закону.  В  данном  случае  образцовое   напряжение   увеличивается   с   каждым   импульсом   на   определенное   значение (шаг   квантования).  Число,  соответствующее   генератора   тактовой   частоты   измеряемому   напряжению,  представляется   двоичным   кодом,  а в  данном   случае,  отображающим   число   шагов   квантования.   Таким   образом,  напряжение   преобразуется   в   числовой   эквивалент   по   формуле

           U_x= U_комп = dX_k *(a* 2+a₁*2+. . .+а_n*2ⁿ ) = dX _ka_i *2ⁱ   (1)

где   dX_k  – шаг  квантования,  n – число   разрядов   кода,  a_i–коэффициент,  принимающий   значение   1  или   0   в    зависимости   от   результатов сравнения в каждом такте.

Цифровой вольтметр данного типа содержит: входной делитель напряжения, входной усилитель или повторитель напряжения, схему сравнения, цифро-аналоговый преобразователь(ЦАП), схему управления, тактовый генератор, дешифратор, индикатор, схему запуска.

      Цифровой   вольтметр   данного   типа   работает   периодически.  Время   одного   цикла   определяется   генератором   тактовой   частоты,  алгоритмом   формирования   компенсационного   напряжения   и   значением   измеряемого   напряжения. Состояние   регистра   последовательного   приближения  изменяется   с   частотой   2 кГц,  цифро–аналоговый   преобразователь   имеет   10   разрядов,  значит   максимальная   длительность   одного   цикла  1/(2000/10)=0,01с. Для того чтобы длительность отражаемых значений на индикаторах была большей необходимо поставить логический элемент “И”, который будет ограничивать время через которое на индикаторах будут отображены новые замеренные значения. После   каждого   цикла   измерений   вольтметр   сохраняет   измеренное   значение   в   течение   1 с   и   вновь отображает принятое значение. Время 1 с выбрано для того, чтобы обеспечить меньшую погрешность измерений.

При подаче входного напряжения на выходе операционного усилителя появляется высокий уровень, который сразу подается на устройство  сравнения, тактовый генератор импульсов начинает формировать последовательность сигналов с частотой 2кГц, с этой частотой сигналы подаются на счетчик DD3, который на выходах формирует цифровую комбинацию, передаваемую на цифро-аналоговый преобразователь. Он в свою очередь преобразовывает принятую комбинацию в эквивалентное значение постоянного тока, далее этот  ток после выпрямления попадает на операционный усилитель, который на выходе трансформирует его в сравниваемое с входным напряжение. Как только значения входного напряжения равно нашему подбираемому, сигнал со схемы сравнения не поступает на последовательный вход К JK триггера, который запрещает счет импульсов и измеренное значение отображается на счётчиках – индикаторах.

     Если   входное   напряжение   превышает   допустимое   значение,  измерительная   часть   шунтируется   открытым   стабилитроном .  Резистор   во   входной   цепи   служит   для   ограничения    тока   через   стабилитрон   при   повышенном   напряжении.

Рисунок 1.2 -  Временные диаграммы работы ЦВ поразрядного кодирования.

     2. Расчёт основных параметров вольтметра

Длительность импульса на выходе триггера (интервал времени между импульсами сравнивающих устройств) пропорциональна входному напряжению Uх:

Ux=кtх ,

где к=dUглин/dt - скорость изменения (крутизна) линейно-изменяющегося напряжения.

Временной интервал tх  заполняется счетными импульсами, поэтому

                                                       tх=Nхt ,                                             (1)

где Nx - количество счетных импульсов поступивших на счетчик за время tx, от генератора счетных импульсов; t - период счетных импульсов, , Fo –частота генератора счетных импульсов.

Измеряемое напряжение с учетом формулы  (1)  принимает вид

Ux=ktNx =kUx  Fo .

Величины k и Fo  подбираются таким образом, чтобы показания счетчика Nx дало непосредственный отсчет результата в вольтах. В связи с этим принимается: