Разработка цифрового вольтметра с точностью измерения 0.4 % и временем измерения 2.8 с, страница 2

Входное измеряемое постоянное напряжение поступает на входной делитель, где происходит его деление и поступает на устройство сравнения (рис. 1).

Величину напряжения, поступающего на вход время-импульсного модулятора, контролирует устройство индикации перегрузки и полярности, которое ограничивает напряжение подаваемое на устройство сравнения в случае проникновения опасного напряжения или напряжения обратной полярности.

Генератор управляющих импульсов вырабатывает импульсы Uупр (рис. 2), которые преобразуются в импульсы с линейным участком Uлин. Это линейно возрастающее напряжение,  сравниваясь с  измеряемым напряжением Ux’(поделенное на делителе напряжения), порождает цифровой импульс Uмод, длительность которого оказывается пропорциональна  аналоговой  величине  измеряемого  напряжения Ux. Этот импульс формируется в результате сравнения Uлин с измеряемым напряжением Ux (УС 1) и напряжением равным нулю (УС 2).

На УС 2 формируется импульс Uk1, который устанавливает триггер в состояние логической «1» и соответственно задаст начало модулирующего импульса Uмод, т.е. перейдет в состояние логической «1». Когда от ГЛИНа Uлин станет равным по значению с Ux’ на УС 1 сформируется импульс Uk2, в следствии чего триггер перейдет в состояние логического «0» и соответственно задаст конечное значение Uмод во времени, т.е. перейдет в состояние логического «0».

Импульс  Uмод  поступает на разрешающий вход счетчика, и способствует счету счетных импульсов Uсч вплоть до его спада от генератора счетных импульсов Uгси. Двоично-десятичные коды преобразуются  в  коды  сегментных  индикаторов, с помощью которых  мы  с вами  можем  судить о величине измеряемого напряжения.

          Рисунок 1 -  Структурная схема вольтметра

Рисунок 2 – Временная диаграмма импульсов вольтметра

2  Расчет основных параметров вольтметра

Рассчитаем основные параметры вольтметра, руководствуясь методическим пособием [9].

Для обеспечения точности измерения, примем число счётных импульсов, проходящих за время измерения, равным 1000. Найдём частоту генератора счётных импульсов по формуле

,

где Nmax – число импульсов, проходящих за время измерения,

tизм – время измерения.

Таким образом, Fo =357 Гц.

Рассчитаем крутизну ГЛИН. Так как с делителя будет поступать напряжение не выше 10 вольт, то можем рассчитать крутизну ГЛИН по формуле

,

где k – крутизна ГЛИН,

Fo – частота генератора счётных импульсов,

Nmax - число импульсов, проходящих за время измерения.

Отсюда k = 3.571 В/c.

Определим число элементов индикации, необходимых для отображения измеряемого напряжения. Так как по заданию вольтметр должен измерять напряжение от 0 до 100 В с точностью 0.1%, то абсолютная погрешность измерения равна – 0.1 В. Таким образом, необходимы 4 элемента индикации – 3 для отображения целой части измеренного напряжения и 1 для дробной части.

Проверим, как повлияют выбранные параметры на относительную погрешность преобразования временного интервала tx в Nx. Эта погрешность определяется соотношением:

,

где - относительная частотная погрешность кварцевого генератора,

- погрешность дискретности.

Погрешность кварцевого генератора имеет порядок , поэтому  в основном определяется величиной . В нашем случае  составляет

Погрешность вольтметра помимо  зависит ещё и от погрешности преобразования измеряемого напряжения во временной интервал, которая определяется коэффициентом нелинейности ГЛИН. Из других причин, вызывающих погрешность измерений, можно назвать конечную крутизну фронтов сигнала на выходе триггера и неточность работы временного селектора.

3  Схемотехника узлов вольтметра

3.1 Входное устройство