Разработка цифрового вольтметра с точностью измерения напряжения 0.001%

квантования, N – число разрядов кода,  – коэффициент, принимающий значение 1 или 0 в зависимости от результатов сравнения в каждом такте.

          Цифровой вольтметр данного типа содержит: входное устройство (ВУ), сравнивающее устройство (СУ), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), устройство управления (УУ), генератор счётных импульсов (ГСИ), устройство индикации (УИ). При подаче входного напряжения на выходе ВУ появляется высокий уровень напряжения, который сразу подаётся на СУ, ГСИ начинает формировать последовательность сигналов с частотой 10 кГц, с этой частотой сигналы подаются на счётчик, который на выходах формирует цифровую комбинацию, передаваемую на цифроаналоговый 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 напряжением. Как только значения входного напряжения равно подбираемому, сигнал со схемы сравнения не поступает на последовательный вход K JK-триггера, который запрещает счёт импульсов и  измеренное значение отображается на счётчиках – индикаторах.

Рисунок 3 - Временные диаграммы вольтметра поразрядного кодирования.

2 РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОЛЬТМЕТРА

Для данного вольтметра определим значения входных параметров. Вольтметр работает периодически. За один цикл выполняется одно измерение. Время цикла  определяется выбранным алгоритмом формирования компенсационного напряжения. Длительность импульса на выходе триггера (интервал времени между импульсами сравнивающих устройств) пропорциональна входному напряжению Uх:

где  - крутизна линейно-изменяющегося напряжения. Временной интервал   заполняется счётными импульсами, поэтому:

где  - количество счётных импульсов поступивших на счётчик за время , от генератора счётных импульсов;  - период счётных импульсов, , - частота генератора счётных импульсов.

Измеряемое напряжение с учётом формулы  принимает вид:

Величины  и   подбираются таким образом, чтобы показания счётчика  дало непосредственный отсчёт результата в вольтах. В связи с этим принимается:

где b – целое число.

Напряжение  согласно формуле определится , т.е. прибор непосредственно показывает значение измеряемого напряжения, при этом величина b определяет положение запятой в числе  .

Погрешность вольтметра определяется погрешностью преобразования напряжения  во временной интервал   и погрешностью преобразования временного интервала  в количество импульсов , поступивших на счетчик Относительная погрешность преобразования временного интервала  в  может быть представлена в виде:

где  – относительная частотная погрешность кварцевого генератора;  – погрешность дискретности.

Величина  в основном определяется погрешностью дискретности, так как нестабильность частоты кварцевого генератора легко может быть доведена до значения порядка 10^-5. Частота генератора счетных импульсов будет определяться исходя из времени измерения и количества импульсов, максимально возможных за этот промежуток.

где - время измерения одного цикла.

Произведём расчёт основных параметров цифрового вольтметра для данного курсового проекта. Определим  исходя из следующих данных:

Точность измерения: ,  тогда

 , где

Значит

Для повышения точности измерения возьмем  = 1000; 

По формуле  найдем частоту генератора счётных импульсов, для    

Определим частоту управляющих импульсов:

3 СХЕМОТЕХНИКА ОСНОВНЫХ УЗЛОВ ЦИФРОВОГО ВОЛЬТМЕТРА

3.1 Входное устройство

Данное входное устройство включает в себя входной делитель напряжения (ДН), устройство защиты от перенапряжения в случае повышенного уровня сигнала на линии (УЗ), а также усилитель сигнала для согласования входного уровня с уровнем работы микросхем 1533 серии (УС). Структурная схема входного устройства приведена на Рисунке 4. Работа цифрового вольтметра должна поддерживать три режима измерения в различных диапазонах. Предел измерений для вольтметра включает в себя диапазоны 0..0,1 В, 0..1В, 0..10В.

Рисунок 4 – Структурная схема входного устройства

Для измерения напряжения вольтметр подключают параллельно проверяемому участку цепи. Поскольку вольтметр обладает определенным внутренним сопротивлением, то общее напряжение проверяемого участка цепи и соответственно падение напряжения на нем уменьшаются, влияние вольтметра на проверяемую цепь тем сильнее, чем меньше его входное сопротивление.

Рисунок 5 – Принципиальная схема делителя напряжений

Входное сопротивление R_В равна сумме сопротивлений добавочного резистора R_Д этого предела и внутреннего сопротивления R_И измерителя с током полного отклонения I_И. Принимая значение сопротивления измерителя ничтожно малым, по сравнению с делителем, получим R_В≈R_Д. Очевидно, что на разных пределах измерения у вольтметра будут и разные входные сопротивления.

Значит для удобства сравнения данного вольтметра будем использовать значение относительного входного сопротивления  R_В.О., которое численно равно сопротивлению, численно приходящемуся на 1 В предельного сопротивления:

Для предотвращения случаев, когда на вход вольтметра поступает напряжение, существенно превышающее предел измерений, на который он в данный момент включён, применим защиту из двух включённых встречно-параллельно диодов, схема устройства защиты приведена на Рисунке 6.

Рисунок 6 – Принципиальная схема устройства защиты

Диодная защита работает на особых свойствах прямой ветви вольт-амперной характеристики кремниевого диода. При малых (менее 0,7 В) прямых напряжениях на диоде ток через него практически отсутствует и сопротивление диода составляет, в зависимости от типа диода, единицы и десятки МОм. Когда же напряжение на диоде превышает 0,7 В, диоде открывается