76039

Функциональный преобразователь «напряжение переменного тока - код»

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Цель работы - изучение этого устройства и принципа работы выпрямителя среднеквадратичного значения переменного напряжения изучение работы интегральных микросхем в учебных целях; проектирование преобразователя напряжения переменного тока промышленной частоты в цифровой код.

Русский

2015-01-28

181.5 KB

19 чел.

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Омский государственный технический университет"

Кафедра "Автоматизированные системы обработки информации и управления"

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему «Функциональный преобразователь “напряжение переменного тока - код”»

по дисциплине «Электротехника и электроника»

студента  Лымарь Павла Викторовича группы АС-223

Пояснительная записка

Шифр проекта КП – 2068998-43-AC223-15 ПЗ

Специальность  230102

Преподаватель                               А.В. Никонов

Студент П.В. Лымарь

Омск 2005


Содержание

Введение 6

1 Выбор и обоснование направления проектирования 7

2 Расчёт на структурном уровне 9

3 Выбор и расчёт элементов электрической схемы 10

    3.1 Выпрямитель 10

    3.2 Аналого-цифровой преобразователь 10

    3.3 Блок памяти 12

4 Электрическое моделирование 14

5 Анализ метрологических характеристик 16

Заключение 17

Список литературы 18


РЕФЕРАТ

Пояснительная записка 17 с., 9 рис., 2 табл., 8 источников, 2 л. графического материала.

ВЫПРЯМИТЕЛЬ, БЛОК ПАМЯТИ, АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, РЕЖИМ РАБОТЫ

Объектом выполненной работы является функциональный преобразователь «напряжение переменного тока - код».

Цель работы – изучение этого устройства и принципа работы выпрямителя среднеквадратичного значения переменного напряжения, изучение работы интегральных микросхем в учебных целях; проектирование преобразователя напряжения переменного тока промышленной частоты в цифровой код.

В процессе работы проводились расчеты на структурном уровне, выбор элементов и разработка принципиальной электрической схемы.

В результате был спроектирован функциональный преобразователь «напряжение переменного тока - код», соответствующий требованиям технического задания.

Основные технико-эксплуатационные показатели: высокое быстродействие и точность преобразования.

Степень внедрения – учебное проектирование.

Эффективность преобразователя определяется его малым влиянием на ход внутренних процессов управляемых устройств.


ВВЕДЕНИЕ

Функциональный преобразователь «напряжение переменного тока - код» применяется для преобразования входной информации в аналоговой форме (напряжение переменного тока) в выходную информацию в цифровой форме (код).

Преобразователь «напряжение - код» является важным узлом современной измерительной и вычислительной техники. Он служит для согласования аналоговых сигналом датчиков, измерительных устройств с цифровыми управляющими, измерительными и вычислительными системами. Преобразователь используют для управления и цифровой обработки сигналов в микропроцессорах, для управления акустическими системами, формирователями, дисплеями, измерительными аналоговыми индикаторами и другими устройствами.

Основные технические требования, предъявляемые к преобразователям, это универсальность, высокая быстрота и точность преобразования.

В данной работе рассмотрена реализация преобразователя напряжения переменного тока в код. Приводятся функциональная и принципиальная схемы преобразователя, описываются его основные характеристики, принцип работы и построения.


1 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

При проектировании преобразователя «напряжения переменного тока - код» был проведен обзор и анализ литературы. Помимо исходной рекомендуемой литературы были использованы другие радиотехнические издания и собственные радиолюбительские наработки. При обзоре были выбраны основные блоки устройства и элементы блоков, позволяющие реализовать требования проекта.

Из обзора информационных материалов были выделены аналоги разрабатываемого устройства, которые выполняют схожие задачи [1]. Это аналого-цифровой измерительный преобразователь переменного напряжения для полевых условий эксплуатации (рисунок 1) и линейный преобразователь эффективных значений напряжения (рисунок 2). Оба они схожи с техническим заданием, но не до конца удовлетворяют его требованиям.

Аналого-цифровой измерительный преобразователь переменного напряжения для полевых условий эксплуатации представляет собой функциональный узел, состоящий из термисторного самобалансирующего моста, усилителя постоянного тока, квадратора, переключателей, запоминающих устройств, источника опорного напряжения, сумматора и аналого-цифрового преобразователя.

Рисунок 1 – Схема АЦИП переменного напряжения для полевых условий эксплуатации

При подаче напряжения на вход преобразователя происходит его изменение за счет термисторного моста. Это выходное напряжение  возводится в квадрат с помощью квадратора КВ и запоминается в запоминающем устройстве ЗУ1. Во второй такт переключатели S1 и S2 находятся в положении 2. Выходное напряжение с термисторного моста через квадратор поступает уже на вход ЗУ2. Затем напряжения  и   с источника опорного напряжения поступают на входы сумматора  и вычитаются, то есть выходное напряжение сумматора, поступающее на вход АЦП (1):

.  (1)

Для получения числового значения с АЦП должна быть предусмотрена операция корнеизвлечения.

Линейный преобразователь эффективных значений напряжения работает по методу кусочно-линейной аппроксимации. Преобразуемое напряжение  прежде всего детектируется в детекторе Д и поступает на кусочно-линейный квадратичный преобразователь. На выходе фильтра Ф образуется постоянное напряжение , пропорциональное эффективному значению входного напряжения. Это напряжение поступает на выход квадратичного преобразователя КВ, изменяя его коэффициент передачи. При этом (2):

. (2)

В блоке КВ осуществляется операция деления среднего квадрата модуля входного напряжения на выходное. В результате выходное напряжение, поступающее на АЦП, равно корню квадратного значения входного напряжения, то есть (3):

. (3)

Рисунок 2 – Линейный преобразователь эффективных значений напряжения

Преобразователь, изображенный на рисунке 1, имеет наиболее высокое быстродействие, но из-за нестабильности таких звеньев, как квадратор, запоминающие устройства и т.д. дают дополнительную погрешность, вследствие чего существенно понижается точность преобразования.

Преобразователь, изображенный на рисунке 2, хоть и имеет невысокое быстродействие, но обладает высокой точностью преобразования, которое достигается за счет квадратичного преобразователя.

На основе рассмотренного материала базовой схемой для проектирования выберем схему преобразователя напряжения переменного тока в код (рисунок 3), так как основные технические характеристики данной схемы схожи с характеристиками проектируемого управляемого делителя частоты.

Рисунок 3 – Функциональная схема преобразователя напряжения переменного тока в код

2  РАСЧЕТ НА СТРУКТУРНОМ УРОВНЕ

Проведём назначение требований к блокам функциональной схемы, представленной на рисунке 3, в соответствии с техническим заданием. 

Для преобразования переменного напряжения в постоянное вводим выпрямитель, сопротивлением  не менее 50 кОм, который:

- принимает сигнал в диапазоне от 1 до 10 В с частотой Гц

- преобразует напряжение по среднеквадратичному значению (коэффициент передачи равен 0,77) с погрешностью не более 1,5  %

- передаёт преобразованное напряжение на вход АЦП.

Для преобразования постоянного напряжения в цифровой код вводим 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь, который:

- преобразует среднеквадратичное значение напряжения (7,7 В) в цифровой код с низкой погрешностью за время не более 1 с

- передает цифровой сигнал на вход блока памяти.

Для обеспечения доступа со стороны внешней ЭВМ к результату преобразования вводим блок памяти, состоящий из двух 8-разрядных регистров, которые осуществляют запись и хранение цифрового кода.


3 ВЫБОР И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

3.1 Выпрямитель

Выпрямитель применяют как наиболее универсальный преобразователь переменного аналогового сигнала в постоянный. В данном проекте выпрямитель применяется для преобразования переменного тока в постоянный по среднеквадратичному значению, которое определяется как (4):

. (4)

Основные требования к выпрямителю – диапазон входного напряжения 1 – 10 В, частота входного сигнала Гц, погрешность преобразования среднеквадратичного значения напряжения не более 1,5%.

Для получения постоянного напряжения  будем использовать выпрямительную  мостовую схему (рисунок 4)  совместно с сглаживающим фильтром, которая позволяет существенно сгладить колебания сигнала.

Рисунок 4 - Мостовой выпрямитель

В схеме мостового выпрямителя были использованы германиевые диоды низкой мощности Д7А (Iобр=100 мА, Uобр=50 В, Uпр=5 В, Iпр=300 мА) [3], благодаря таким диодам удалось обеспечить низкое падение напряжения на выпрямлении.

Для сглаживания выходного сигнала нужен конденсатор большой емкости, поэтому использован конденсатор номинала 20000 мкФ.

3.2 Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровым преобразователем (АЦП) называют преобразователь аналогового сигнала в цифровой код. В данной работе применяется АЦП, преобразующий постоянное напряжение в код. Основным требованием к АЦП является его высокое быстродействие.

В данной работе в качестве АЦП используется микросхема К1113ПВ1А (рисунок 5) [4], которая является быстрым 10-разрядным АЦП последовательного приближения.

Рисунок 5 – Функциональная схема  К1113ПВ1А

Запуск преобразователя осуществляется путем подачи лог.0 на вывод 11. Через время, необходимое для преобразования, на выводе 17 появляется сигнал 1 и информация поступает на цифровые выходы. При подаче на вывод 11 лог.1 в регистре последовательного приближения (РПП) информация стирается, и АЦП подготовлен к новому преобразованию. При работе с однополярными входными сигналами до 11 В не используется вывод управления сдвигом нуля -  вывод 15 (рисунок 6).

Рисунок 6 – Схема включения К1113ПВ1А

Основные параметры микросхемы К1113ПВ1А:

– диапазон входного напряжения 0-10 В;

– напряжения питаний +5 В и -15 В;

– время преобразования 30 мкс;

– абсолютная погрешность преобразования 0,1%.

3.3 Блок памяти

Блок памяти представляет собой узел, предназначенный для приема и хранения информации и обеспечения доступа со стороны внешней ЭВМ. Он состоит из двух параллельных регистров (рисунок 7), в качестве которых используются микросхемы 1533ИР33, [8] которые является микромощными скоростными 8-разрядными регистрами.

Время задержки регистра К1533ИР33 – 15 нс.

Потребляемая мощность регистра К1533ИР33 – 130 мВт.

Основные требования к блоку памяти – экономичность и высокая скорость запоминания информации.

Рисунок 7 – Схема блока памяти

Режимы работы регистра К1533ИР33 представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Режимы работы регистра

Входы

Выходы

С

D

O

0

1

1

1

0

1

0

0

0

0

x

Q0

1

x

x

Z


4 ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Моделирование схемы проводилось в пакете программ схемотехнического моделирования Micro-Cap 7.

Для моделирования был взят мостовой выпрямитель с сглаживающим фильтром электрическая схема представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Электрическая схема мостового выпрямителя

Синусоидальный источник напряжения V1 имеет заданные параметры, описанные в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры синусоидального источника напряжения

Имя параметра

Параметр

Значение

Ед. измерения

A

Амплитуда сигнала

10

B

F

Частота сигнала

50

Гц

Диоды D1, D2, D3, D4 имеют параметры, описанные в таблице 2.

Таблица 2 – Параметры операционного усилителя

Имя параметра

Параметр

Значение

Единицы измерения

IS

Ток насыщения при температуре 27оС

10-4

А

М

Коэффициент лавинного умножения

0,5

-

VJ

Контактная разность потенциалов

0,3

с

EG

Ширина запрещённой зоны

0,75

эВ

Результат моделирования выпрямителя представлен ниже на рисунке 9.

Рисунок 9 - Моделирования мостового выпрямителя

Из рисунка 11 видно, что установившееся значение равно 0,77 амплитудного значения, что соответствует среднеквадратичному значению.

Погрешность преобразования среднеквадратичного значения (5):

. (5)


5 АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Для подтверждения работоспособности проекта преобразователя «напряжение переменного тока - код» и соответствия его требованиям технического задания приведем его основные характеристики:

- Удалось обеспечить диапазон входного напряжения 1-10 В с частотой Гц.

- Время преобразования напряжения переменного тока в код не более 1 с удалось обеспечить параметрами выпрямителя, АЦП и регистрами (tпреобр=0,247+с).

- Погрешность преобразования среднеквадратичного значения напряжения не более 1,5% удалось обеспечить параметрами выпрямителя ().

-Удалось обеспечить доступ со стороны внешней ЭВМ к результату преобразования, благодаря использованию в схеме блока памяти.

- Входное сопротивление не менее 50 кОм обеспечено параметрами выпрямителя.


Заключение

В результате проектирования было разработано устройство для преобразования напряжения переменного тока в код. Преобразование осуществляется посредством преобразования переменного напряжения в постоянное, которое затем уже преобразуется в цифровой код. За основу данного преобразователя был взят уже существующий прибор. Был проведен расчет функциональных узлов данного устройства на структурном уровне, после которого были проведены необходимые изменения и дополнения в структуре прототипа. При проектировании использовались микросхемы серий К1533 и К1113

ТТЛ-типа, имеющие малое время задержки сигнала и поддерживающие диапазон частот необходимых для функционирования спроектированного устройства. Устройство обеспечивает преобразование переменного напряжения от 1 до 10 В с частотой 50 Гц в цифровой код за время, меньшее одной секунды. Полученный преобразователь полностью соответствует требованиям технического задания.


Список использованных источников

  1.  Губарь В.И. и др. Аналого-цифровые измерительные преобразователи переменного тока. К.: Техника, 1979. – 192 с., ил.
  2.  Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.: Энергия. Ленингр. Отд-ние, 1980. – 248 с., ил.
  3.  Иванов-Цыганов А.И.. Электро-измерительные устройства РЭС: Учебник для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1991. – 272 с.: ил.
  4.  Изделия электронной техники. Цифровые микросхемы: Справочник/ О.Н. Лебедев, А.И.Мирошниченко и др./ под ред. А.И.Ладика. – Радио и связь, 1994. – 247 с.
  5.  Кончаловский В.Ю. Цифровые измерительные устройства. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 304 с.
  6.  Никонов А.В. Основные узлы цифровых измерительных устройств: Учеб. пособие.- Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. – 52 с.
  7.  Одинец А.И. Цифровые устройства: Учеб. Пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2000. – 64 с.
  8.  Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ С.В.Якубовский, Л.Н.Ниссельсон, В.И. Кулешова и др./ под ред. С.В.Якубовского. – Радио и связь, 1989. – 496 с.: ил.

к ЭВМ

От АЦП

D0

    0

   1

    2

   3

    4

    5

   6

   7

Q0

0

1

2

3

4

5

6

7

С

0E

к ЭВМ

Напряжение

220 В, 50Гц

Блок памяти

АЦП

Выпрямитель

К1533ИР33

RG

D0

    0

   1

    2

   3

    4

    5

   6

   7

Q0

0

1

2

3

4

5

6

7

С

0E

К1533ИР33

RG

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

52449. ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПЕОМ. Завантаження операційної системи Windows. Робота в середовищі Windows 175 KB
  МАТЕРІАЛИ МЕТОДИЧНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ВІДКРИТОГО ПРАКТИЧНОГО ЗАНЯТТЯ № 11 З ПРЕДМЕТУ: КОМП′ЮТЕРНА ТЕХНІКА ПО ТЕМІ:ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПЕОМ. УКЛАДАЧ: ВИКЛАДАЧ ПРЕДМЕТУ ІНФОРМАТИКА ТА КОМП′ЮТЕРНА ТЕХНІКА ФЕДІЙ О.Актуальність теми: Бурхливий розвиток інформатизації суспільства впровадження нових комп′ютерних технологій навчання масове застосування...
52450. Использование компьютерных технологий в исследовательской деятельности 29 KB
  Исследовательские работы учащихся в наши дни часто опираются на возможности которые даёт компьютер. Подчас использование компьютерных технологий сводится к представлению результатов исследования ребёнок создаёт презентацию своей работы. На самом деле презентация это самый последний этап работы и самый сложный из всех. Сложный этап определение целей и постановка задач исследовательской работы.
52451. Environmental Situation And Climate In The World 146.5 KB
  Procedure Stges Chirmn Guests Students Notes Introduction Wrmingup Speking Summing up Home ssignment Ldies nd gentlemen Let me open our conference. There re representties of the Ecologicl orgniztions from meric Gret Britin Ukrine the Climte Experts the Professor of Oxford University nd Students of this University t our conference. Mr Simon nd Mr Winter their interesting story of mking the cquintnce of the pretty girl nd invittion her to our conference.
52455. Національна кухня 11.66 MB
  CDplyer crds. Pudding is typicl English dish. Stek nd fries risotto but we lso do severl English dishes s well. Were rgentinin people surprised when they herd tht n English chef ws going to open resturnt here Yes they were very I think people do not usully expect the English to be good cooks.
52456. National cuisine 532 KB
  Tody we continue to discuss different questions nd fcts bout mels nd food. ll living things need food becuse it is the bsic fuel of our life. Wht food is very good for us Which of the foods re not so good for us nd wht food cn even cuse illnesses Write list of 15 best nd 15 worst foods. Nowdys in spoken English you my often come cross such phrse s junk food.
52457. Cultural Development of Young People 45 KB
  Der friends Tody t the lesson well try to revel the notion “Culturl development of young peopleâ€.: I think Ill be doctor becuse its n importnt nd necessry profession which helps people to keep in good helth. Pupils brinstorm their ides nd come to the conclusion tht “ culturl development†includes the following things: eduction upbringing socil surroundings trditions the wy we tret other people the wy we work nd study the wy we dress...