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

Теоретически оценить погрешность ЦВ можно из анализа выражения:

U_x = (K₁K₂T_o)^-1 N_x

Абсолютная погрешность результата измерений [1]:

U_x = [(N_x / K₁²K₂T_o)² (DK₁)² + (N_x / K₁K₂²T_o)² (DK₂)² + (N_x / K₁K₂T_o²) ( DT_o²) +

(K₁K₂T_o)^–2 (DN_x)²]^1/2,

где DK₁ , DK₂ , DT_o , DN_x – абсолютные ошибки значений K₁, K₂, T_o и N_x соответственно.

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

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

DU_x » DN_x / K₁K₂T_o

Относительная погрешность результата измерений:

DU_x / U_x » DN_x / N_x

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

          На рисунке 1 представлена структурная схема вольтметра.

Гц

 

                                                                                F_x = K₁K₂ U_x                                                 

                                                                                    U, В

 U, В                                      K₁ U_x                   

                                                            Tx = 1 / F_x = 1 / (K₁K₂ U_x)

                                                                                  t, с

                              t_x = 1 / F_x

U, В

                                                                                N_x = T_o / T_x = K₁K₂ U_x T_o

 t, с

                                             T_o

U, В

                                                                      Ux = N_x  / (K₁K₂ U_x)

 t, с

                                           N_x

Рисунок 2  -- Временные диаграммы работы ЦВ

2 Расчет основных параметров и погрешностей.

          Так как погрешность измерения DU_x 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 P_инд=10^-3, где 3 – число разрядов индикатора.

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

P=P_Изм+P_ПНЧ+Р_ОУ+P_Инд=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: I_пр.min=100мА, U_пр=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 К_И 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,В	Uвх,В	Uвых,В	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