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

16 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

14605. Разработка презентаций 413.5 KB
  Практическая работа № 24 Тема: Разработка презентаций. Цель: научится создавать новую презентацию средствами PowerPoint форматировать и редактировать слайды. Ход работы Создать электронную иллюстрацию выступления касающегося структуры построения курса лекций п
14606. Создание эффектов и демонстрация презентации 89 KB
  Практическая работа № 25 Тема: Создание эффектов и демонстрация презентации Цель: научится осуществлять демонстрацию слайдфильма настройку эффектов анимации объектов и переходов слайдов. Ход работы Откройте созданный вами ранее файл Презентация 1. ...
14607. Поиск информации в Интернете 49 KB
  Практическая работа № 26 Тема: Поиск информации в Интернете. Цель: знать и уметь пользоваться правилами поиска информации в глобальной сети Интернет уметь работать с Webстраницами. Программное обеспечение: программа – браузер Internet Explorer. Теоретическая ча
14608. Работа со служебными приложениями (архивация данных, дефрагментация диска), антивирусной программой 284 KB
  Практическая работа № 29 Тема: Работа со служебными приложениями архивация данных дефрагментация диска антивирусной программой Ход работы: 1. Дефрагментация диска С Выберите программу для дефрагментации диска Пуск Стандартные Служебные Дефраг
14609. Засоби створення сховищ даних 137.96 KB
  Доповідь з дисципліни: Технології сховищ даних на тему: Засоби створення сховищ даних Створення сховищ даних. Технології OLAP та Data Mining Структура сховища даних та оптимізація його обсягів Методи інтелектуального аналізу інформації час...
14610. Проектування логічної структури сховища даних з архітектурою Корпоративна фабрика 335.55 KB
  Лабораторна робота № 1 з дисципліни: Технології сховищ даних на тему: Проектування логічної структури сховища даних з архітектурою Корпоративна фабрика Мета роботи: Вивчення порядку методів та засобів проектування і побудови сховища даних з ко
14611. Проектування логічної структури сховища даних з архітектурою шини 242.47 KB
  8 Лабораторна робота № 2 з дисципліни: Технології сховищ даних на тему: Проектування логічної структури сховища даних з архітектурою шини Мета роботи: Вивчення порядку методів та засобів проектування і побудови сховища даних з архітекту...
14612. Проектування логічної структури сховища даних з архітектурою зведення даних 181.48 KB
  7 Лабораторна робота № 3 з дисципліни: Технології сховищ даних на тему: Проектування логічної структури сховища даних з архітектурою зведення даних Мета роботи: Вивчення порядку методів та засобів проектування і побудови сховища даних з ар...