234

Разработка цифрового вольтметра, на основе метода двойного интегрирования

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Структурная схема цифрового вольтметра и расчет основных его параметров. Схемотехника основных узлов цифрового вольтметра. Последовательный ввод информации с входа D и её сдвиг. Использование четырехразрядного реверсивного счетчика.

Русский

2012-11-14

139.64 KB

133 чел.

Аннотация

В данном курсовом проекте рассматривается разработка цифрового вольтметра, работающего на основе метода двойного интегрирования. Производится выбор цифровых микросхем с элементной базой серии КМОП-561. Вывод результатов измерений осуществляется на жидкокристаллический индикатор. Необходимое питание всех компонентов устройства обеспечивает блок питания.    

Основные параметры вольтметра:

Вид измеряемого напряжения: Постоянное

Пределы измерения: 0-0.1 В; 0–1 В; 0–10 В

Точность измерения: 0.2 %

Время измерения: 0.4 c

Введение

В настоящее время цифровые измерительные приборы – это высокоточные приборы с большой скоростью измерения и удобным способом отображения результата.

Структурная схема цифрового вольтметра

Цикл измерения постоянного напряжения при этом методе состоит из двух интервалов времени Т1 и Т2, задаваемых соответственно длительностью импульса Т1 и паузой Т2 между импульсами. В начальный момент времени схема управления вырабатывает прямоугольный импульс Т1 с крутыми фронтом и срезом. В момент появления фронта электронный ключ соединяет измеряемое постоянное напряжение с входом интегратора. Начинается процесс интегрирования «вниз», при котором выходное напряжение интегратора убывает по линейному закону. Скорость убывания этого напряжения пропорциональна значению измеряемого напряжения Uизм.

где  Uвых –  напряжение на выходе интегратора, В;

R –   сопротивление, Ом;

C –   емкость конденсатора, Ф;

Uвх –   входное напряжение, В;

t1 –   начальный  момент  интегрирования (момент  появления  фронта

импульса Т1);

t2 –   конечный момент интегрирования.

Продолжительность процесса интегрирования «вниз» равна длительности Т1 управляющего импульса. По окончании импульса Т1 схема управления соединяет интегратор с источником опорного напряжения, полярность которого противоположна полярности измеряемого напряжения. Начинается процесс интегрирования “вверх”,  при котором выходное напряжение интегратора линейно возрастает. Скорость возрастания этого напряжения пропорциональна Uобр и не изменяется. Напряжение на компараторе остается равным  “1”.  В результате с генератора счетных импульсов поступает определенное количество импульсов на счетное устройство через “элемент И”. Величина напряжения, пропорциональная числу импульсов, выводится на индикатор.  Момент времени, когда напряжение на выходе интегратора становится равным нулю, определяет окончание второго такта интегрирования.

Начало следующего цикла задается фронтом управляющего импульса T1 c управляющего устройства.

Расчет основных параметров вольтметра

Исходные данные

Время измерения

Tизм = 0.4 c

Точность измерения

 δ = 0.2 %

Минимальный предел измерения

 Umin = 0.1 В

Расчет

Напряжение после делителя напряжения

Uдн =  =  = 0.01 В

Минимальное измеряемое напряжение, для обеспечения заданной точности

 

Число импульсов соответствующих 1 В

 

Выбираем   равным 10k.  Таким образом .  Следовательно  в  схеме индикации мы используем k = 3 индикатора.

Время первого и второго тактов интегрирования

 
 

Частота управляющих импульсов (счетных импульсов, импульсов индикации и измерения)

  

  

  

Коэффициенты деления частоты импульсов для обеспечения нужной частоты

 

 

       


Схемотехника основных узлов цифрового вольтметра

Цифровая часть

Генератор тактовый импульсов

Рассмотрим  схему  генератора  с  кварцевым  резонатором,  выполненным на

логических элементах, осуществляющих функцию ИЛИ-НЕ, представленную на рисунке 3.

Кварцевый резонатор включен в цепь положительной обратной связи с выхода DD1.2 на вход  DD1.1.  Это обеспечивает возникновение незатухающего колебательного процесса. Элемент DD1.1 - усилитель с коэффициентом передачи 1, так как охвачен 100 % отрицательной обратной связью.  Элемент DD3.2 – логический инвертор, который компенсирует потери в кварцевом резонаторе. Для уменьшения влияния внешней цепи на его работу используется элемент DD1.3. Генератор с кварцевым резонатором выдает колебания с достаточно стабильной частотой.  Частота генератора зависит только от частоты кварца. Напряжение  на  выходе  генератора  имеет  вид  последовательности прямоугольных импульсов.

Рисунок 3 – Генератор тактовых импульсов

В качестве элементов ИЛИ-НЕ используется схема К561ЛЕ5, параметры которой предоставлены ниже

Рисунок 4 – Цоколевка ИМС К561ЛЕ5

Таблица 1 – Назначение выводов ИМС К561ЛЕ5

Вывод

Назначение

Вывод

Назначение

1

Вход элемента 1

8

Вход элемента 3

2

Вход элемента 1

9

Вход элемента 3

3

Выход элемента 1

10

Выход элемента 3

4

Выход элемента 2

11

Выход элемента 4

5

Вход элемента 2

12

Вход элемента 4

6

Вход элемента 2

13

Вход элемента 4

7

Общий

14

+Uпит

Таблица 2 – Параметры ИМС К561ЛЕ5

Таблица 3 – ТИ ИМС К561ЛЕ5

Входы

Выходы

1

2

5

6

8

9

12

13

3

4

10

11

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

0

0

0

1

0

1

0

1

0

1

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

Генератор периода измерения

Генератор периода измерения  уменьшает частоту счетных импульсов до расчетной частоты периода измерения. На выходе формируются импульсы управления и индикации. Деление частоты производится на счетчиках с предварительной записью числа. На тактовый вход счетчиков поступают импульсы с генератора тактовых импульсов. Коэффициент деления частоты:

 

Первые два счетчика ДД2, ДД3 производят деление частоты на 100, последующие счетчики ДД4, ДД7 на 25.

Рисунок 5 – Схема обеспечения

Рисунок 6 – Схема обеспечения

ИМС К561ИЕ14 является четырехразрядным реверсивным счетчиком с предварительной записью числа. От ГТИ на тактовые входы счетчиков поступают счетные импульсы. При высоком уровне на выводе 9 осуществляется двоичный счет, при низком - двоично-десятичный.  При появлении десятого импульса производится сброс счетчика и на выходе появляется логическая единица.  Так частота делится в десять раз. Для деления в пять раз на входе установки появляется единица при пятом импульсе и счетчик сбрасывается.  Неиспользованные входы на счетчиках или заземляются, или питаются от напряжения 15 В. Для выявления определенных импульсов используются вспомогательные логические элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ, НЕ. Триггер в конце используется для удержания требуемых интервалов времени.


Индикация

На тактовый вход счетчиков поступают импульсы. Регистр обеспечивает статический вывод на ЖКИ данных после подсчета всех счетных импульсов. Дешифратор преобразует двоичный код от счетчиков в семисегментный.   


Рисунок - Цоколевка ИМС К561ИЕ14

Таблица – Назначение выводов К561ИЕ14

Вывод

Назначение

Вывод

Назначение

1

Вход разрешения установки

9

Вход двоичный / двоично/десятичный 2/10

2

Выход

10

Вход сложения вычитания 1

3

Вход

11

Выход

4

Вход

12

Вход

5

Вход переноса

13

Вход

6

Выход

14

Выход

7

Выход переноса

15

Тактовый вход

8

Общий

16

Ucc

Таблица – Таблица истинности К561ИЕ14

Перенос

Сложение/вычитание

Разрешение установки

Десятичный/двоично-десятичный

Режим работы

V

2/10

1

X

0

X

Запрещение счета

0

1

0

1

Сложение в двоичном режиме

0

1

0

0

Сложение в двоично-десятичном режиме

0

0

0

1

Вычитание в двоичном режиме

0

0

0

0

Вычитание в двоично-десятичном режиме

X

X

1

X

Предварительная установка по входам D

Таблица – Основные параметры счетчика К561ИЕ14

В

В

В

мкА

мА

мА

мкА

нс

нс

мГц

мГц

пФ

15

1,0

9,0

0,3

0,6

0,2

100

320

320

3

10

В схеме индикации используются четырехразрядные реверсивные счетчики K561ИЕ14 с предварительной записью числа. Они производит подсчет числа импульсов поступающих на тактовый вход. В момент появления десятого импульса на первом счетчике на тактовом входе второго счетчика появляется логический ноль, и первый счетчик сбрасывается в начальное состояние благодаря его работе в двоично-десятичном режиме. Здесь обеспечивается последовательное формирование переноса.

Как видно из таблицы истинности счет на увеличение выполняется при высоком уровне на входе  и на уменьшение – при низком уровне на входе . При высоком уровне на выводе 9 осуществляется двоичный счет, при низком – двоично-десятичный. При высоком уровне на входе V, производится установка счетчика по входам D.

К561ИР6 является восьмиразрядным регистром сдвига с последовательным и параллельным вводом информации. Регистр имеет переключатель направления обмена информацией. Выбор направления передачи информации определяется входом A/B. При высоком уровне на входе A/B шины A1..A8 подключаются к входам триггера регистра, а шины B1..B8 – к выходам триггеров регистра. При этом выходы триггеров подключены постоянно, а входы триггеров подключаются к входам A1..A8 при наличии разрешающего высокого уровня на входе EA и разрешающего высокого уровня на P/S (переключатель “параллельная-последовательная запись информации”). Запись информации в триггеры производится с шин A1..A8  синхронно с фронтом синхроимпульса на входе C, если на входе A/S (переключатель “асинхронный-синхронный режим записи”) присутствует низкий уровень, и асинхронно (независимо от импульсов на входе C) – при высоком уровне на входе A/S.

При низком уровне на входе A/B шины B1..B8 подключаются к входам триггеров регистра и параллельная запись в регистр с шин B1..B8 может производиться синхронно с фронтом импульса на входе C, если на входе P/S высокий уровень, а на входе A/S низкий. Асинхронная запись информации производится с шин B1..B8, если на входах P/S и A/S высокие уровни. Параллельное считывание информации с триггеров регистра в этом режиме производится при высоком уровне входа EA.

Последовательный ввод информации с входа D и её сдвиг осуществляется при низком уровне на входе P/S по фронтам синхроимпульсов на входе C. Асинхронный последовательный ввод информации в регистр невозможен.

Шины A1..A8 имеют разрешающий вход EA, а шины B1..B8 такого входа не имеют, поэтому при записи информации с шин A1..A8 на шины B1..B8 будет выводиться эта информация.   

Здесь регистр используется для хранения на время  результатов счетчиков. Регистр находится в режиме хранения информации, пока на входе синхронизации нет импульса. После его появления производиться параллельная запись информации с входов A1..A8. Благодаря этому информация на индикаторы выводится не непрерывно, а после окончания подсчета всех импульсов, попавших в выделенный интервал.

Перенос

Сложение/вычитание

Разрешение установки

Десятичный/двоично-десятичный

Режим работы

0

0

0

X

Последовательный синхронный ввод данных;

данных на параллельных выходах А нет

0

0

1

X

Последовательный синхронный ввод данных;

данные появляются на выходе B 

0

1

0

1

Параллельный режим синхронных входов B;

данных на выходах А нет

1

1

0

0

Параллельный режим асинхронных входов B;

данных на выходах А нет

0

1

1

1

Параллельные входы данных A отключены; параллельные данные на выходах B; данные синхронно рециркулируют;

0

1

1

0

Параллельные входы данных A отключены; параллельные данные на выходах B; данные асинхронно рециркулируют;

1

1

0

X

Синхронный последовательный ввод данных;

есть данный на параллельных выходах A

1

0

1

X

Синхронный последовательный ввод данных;

есть данный на выходах B

1

1

0

0

Входы B синхронно параллельно принимают данные; на выходах A есть данные

1

1

0

1

Входы B асинхронно параллельно принимают данные; на выходах A есть данные

1

1

1

0

Входы A синхронно параллельно принимают данные; на выходах B - параллельные данные.

1

1

1

1

Входы A асинхронно параллельно принимают данные; на выходах B - параллельные данные.

Вывод

Назначение

Вывод

Назначение

1

Выход/вход

13

Вход “Парал./посл.”

2

Выход/вход

14

Вход “Асинх./синх.”

3

Выход/вход

15

Вход синхронизации

4

Выход/вход

16

Вход/выход

5

Выход/вход

17

Вход/выход

6

Выход/вход

18

Вход/выход

7

Выход/вход

19

Вход/выход

8

Выход/вход

20

Вход/выход

9

Вход разрешения “A”

21

Вход/выход

10

Вход послед. Кода

22

Вход/выход

11

Вход управления

23

Вход/выход

12

Общий

24

Ucc

В

В

В

мкА

мА

мА

мкА

нс

нс

пФ

5

0,8

4,2

-

0,05

-0,02

50

1250

1250

-

Рисунок – Цоколевка микросхемы К564ИД4

Микросхема К564ИД4 представляет собой дешифратор двоично-десятичного кода в код для управления семисегментными цифровыми индикаторами. ИС состоит из семи узлов, формирующих управляющий сигнал для одного из сегментов индикатора. Наличие цепи управления выводом DF позволяет получить переменное выходное напряжение, необходимое для возбуждения ЖКИ. При подаче сигнала управления на вход DF изменяется полярность выходных сигналов. При логической единице на этом входе, включение сегментов на выходах соответствует логическому нулю, при логическом нуле на входе DF, включению сегментов соответствует логическая единица.  

На вход DF подаются управляющие импульсы с частотой 50 Гц. Этот сигнал проходит без инверсии на выход D, увеличиваясь по амплитуде. При подаче на входы 5, 3, 2, 4 двоичного кода на выходах, соответствующих индицируемым сегментам, напряжение начинает меняться в противофазе с напряжением на выходе D и эти сегменты становятся темными. На тех же выходах, которые соответствуют не индицируемым сегментам, напряжение меняется синфазно с напряжением на выходе D, и сегменты неотличимы от фона. При подаче на входы кодов чисел 0..9 на ЖКИ формируется изображение соответствующих цифр.

Вывод

Назначение

Вывод

Назначение

1

Выход Display FREQ

9

Семисегм. выход а

2

Вход BCD

10

Семисегм. выход “b”

3

Вход BCD

11

Семисегм. выход “c”

4

Вход BCD

12

Семисегм. выход “d”

5

Вход BCD

13

Семисегм. выход e

6

Вход Display FREQ

14

Семисегм. выход “f”

7

Uee

15

Семисегм. выход “g”

8

Общий

16

Ucc

Входы

Выходы

5

3

2

4

9

10

11

12

13

14

15

0

0

0

0

1

1

1

1

1

0

1

1

0

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

1

0

0

1

1

0

1

1

1

0

1

1

0

0

1

1

1

1

0

1

0

0

0

1

0

0

1

1

0

0

1

1

1

0

1

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

0

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

1

1

1

1

1

0

1

1

0

1

0

1

0

0

0

1

1

0

1

1

1

0

1

0

1

1

0

1

1

1

0

0

1

1

1

1

0

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

0

0

0

0

1

0

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

В

В

В

мкА

мА

мА

мкА

нс

Нс

пФ

+5, -5

-4,0

4,0

0,05

0,9

-0,45

10

1200

1200

7,5

Для вывода результатов работы цифрового вольтметра используется одноразрядный цифро-знаковый индикатор ИЖКЦ1-1/18

Таблица – Электрические и световые параметры при  ИЖКЦ1-1/18

Контрастность при

83,3%

Ток потребления, не более

8 мкА

Напряжение управления эффективное

7 В

Рабочая частота управляющего напряжения

50 Гц

Суммарное время реакции

800 мс

Таблица – Предельные эксплуатационные данные ИЖКЦ1-1/18

Минимальное напряжение управления

4 В

Максимальное напряжение управления

10 В

Диапазон рабочих частот

30…1000 Гц

Диапазон рабочих температур

-10…+55


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

67647. Русский язык. 7 класс. (Ответы с комментариями к итоговым контрольным работам) 17.77 MB
  Итоговая контрольная работа проводиться в письменной форме чтобы приобрести устойчивый навык, постарайтесь выполнить как можно больше вариантов контрольной работы из вышеназванного сборника и проверить себя по данному пособию-репетитору
67648. ГДЗ Русский язык. 10-11кл 871.88 KB
  Русский язык в современном мире. Стили и типы речи. Понятие о норме литературного языка. Типы норм. Слово и его лексическое значение. Многозначные слова и их употребление. Заимствование стилистически ограниченной лексики. Орфоэпические нормы русского языка. Принципы русской орфографии.
67649. ГДЗ по алгебре за 7 класс. Домашняя работа по алгебре за 7 класс 1.37 MB
  Домашняя работа по алгебре за 7 класс к учебнику «Алгебра: Учеб. для 7 кл. общеобразоват. учреждений / Ю.Н. Макарычев, Н.Г. Миндюк, К.И. Нешков, С.Б. Суворова; Под ред. С.А. Теляковского — 12-е изд. — М.: Просвещение, 2003 г.»
67650. ГЗД. Алгебра и начала математического анализа10 класс 12.35 KB
  Домашняя работа по алгебре и началам математического анализа за 10 класс. Пособие адресовано родителям, а в случае необходимости помочь детям в выполнении домашней работы по алгебре и началам математического анализа. Преобразование тригонометрических выражений. Тригонометрические уравнения.