Измерение тока и напряжения являются основными при исследовании различных устройств и при контроле их работы. Измерение токов в электронных схемах отличаются от подобных измерений в электрических цепях, что объясняется специфическими особенностями электрических сигналов, используемых в электронике и радиотехнике.
Цифровые амперметры широко распространены в технике измерения постоянного и переменного тока. Это объясняется многими их достоинствами: высокой точностью, широким диапазоном измерений при высокой чувствительности, отсчетом в цифровой форме, автоматическими выборами пределов и полярности, относительной простотой осуществления документальной регистрации показаний, возможностью получения результатов наблюдений в форме удобной для ввода в ЭВМ, возможностью выхода на интерфейсную шину и включения в состав измерительно-вычислительного комплекса.
1. Обзор существующих приборов
1.1 Цифровой амперметр постоянного тока с использованием генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)
Рисунок 1 Цифровой амперметр постоянного тока с использованием генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)
Данная структурная схема состоит из следующих функциональных блоков:
- ВУ — входное устройство, обеспечивает значительное входное сопротивление вольтметра (порядка нескольких МОм), а также является масштабным преобразователем, для расширения пределов измерения;
- УС — устройство сравнения;
- ГЛИН — генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН);
- Кл. 1 — ключ;
- ГТИ — генератор тактовых импульсов;
- Сч — счётчик импульсов;
- УО — устройство отображения, содержит ряд преобразователей для преобразования выходных данных к необходимому виду, определяемому устройством индикации и устройство индикации, непосредственно отображающее результат измерения.
Принцип работы схемы состоит в том, что при подаче на вход ВУ измеряемого напряжения постоянного тока UX происходит преобразование величины входного напряжения к определённому уровню напряжения, на который рассчитаны последующие узлы схемы, так же ВУ обеспечивает высокое значение входного сопротивление прибора, с целью уменьшения шунтирующего действия при измерении. Преобразованное напряжение U’ поступает на устройство сравнения, в котором происходит сравнение входного напряжения и напряжения вырабатываемого генератором линейно изменяющегося напряжения UГЛИН. С момента подачи на вход УС напряжения от ВУ генератор тактовых импульсов (ГТИ) начинает формировать импульсы определенной постоянной частоты и длительности, которые через ключ (Кл. 1) поступают на вход счётчика (Сч).
Расчет электрической цепи постоянного тока и напряжения
... методы определения токов, напряжений и узловых потенциалов. Проверить на практике законы Ома, законы Кирхгофа, баланс мощностей. контурный ток напряжение ... постоянного или переменного тока. Важнейшей задачей анализа и расчета электрических цепей является определение (нахождение) токов, напряжений ... приборы, защитные устройства, а также преобразующие устройства в ... с одним и тем же током. Узлом называется ...
Одновременно с поступлением на вход УС измеряемого напряжения и генерацией тактовых импульсов начинает свою работу генератор линейно изменяющегося напряжения, при достижении величины напряжения на выходе ГЛИН равной величине напряжения U’ устройство сравнения формирует сигнал, который закрывает ключ (Кл. 1) и прекращает поступление тактовых импульсов от ГТИ на вход счётчика (Сч).
Зная коэффициент преобразования входного устройства и скорость нарастания напряжения на выходе ГЛИН (закон изменения напряжения ГЛИН) величину тактовых импульсов прошедших на вход счетчика можно связать с величиной входного напряжения. [1]
1.2 Широкополосный пиковый вольтметр
Вольтметр предназначен для измерения напряжений в диапазонах крайне низких, сверхнизких, инфранизких и очень низких частот. Вольтметр содержит модулятор, к входам которого подключены источник исследуемого сигнала и генератор несущей частоты.
Рисунок 2 Структурная схема широкополосного пикового амперметра
К выходу модулятора и другому выходу генератора несущей частоты подключены два пиковых детектора. Выходы обоих пиковых детекторов подключены к входам блока вычитания. Выход блока вычитания соединен с входом измерительного прибора. Поскольку время разряда конденсатора, входящего в состав пикового детектора, подключенного к выходу генератора несущей частоты, не зависит от периода колебаний входного напряжения, полоса частот вольтметра может быть расширена в десятки раз. Оба пиковых детектора выполняются по одинаковым схемам и из одинаковых элементов, что повышает стабильность работы вольтметра. 1 ил.
Измеряемый сигнал усиливается до определенной величины усилителем 1 и затем подается на один из входов модулятора 2; на другой его вход поступает напряжение от генератора несущей частоты 3. Таким образом, измеряемый сигнал преобразуется в амплитудно-модулированное напряжение, которое воздействует на вход пикового детектора 4. Одновременно напряжение с выхода генератора 3 воздействует на вход пикового детектора 5. В результате на выходе детектора 4 образуется постоянное по величине напряжение U10, пропорциональное сумме амплитуд несущего и модулирующего колебаний, а на выходе детектора 5 — постоянное напряжение U20 , пропорциональное лишь амплитуде несущего колебания.[2]
1.3 Цифровой вольтметр с самокоррекцией
Рисунок 3 Структурная схема цифрового вольтметра с самокоррекцией
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля и коррекции погрешностей измерительных преобразователей, каналов измерительных систем, аналого-цифровых преобразователей и измерительных приборов.
Сущность изобретения: цифровой вольтметр с самокоррекцией содержит последовательно соединенные блок приращений, блок выбора диапазона измерения, аналого-цифровой преобразователь и блок управления и вычисления, причем блок приращений состоит из источника образцового напряжения, двух двухпозиционных переключателей, резистора, двух управляемых резисторов, инвертирующего усилителя, ключа.
Электрооптические методы измерения высоких напряжений и больших токов
... А.Я., Шапиро Е.З. Измерение электрической мощности. Спектор С.А. Измерение больших постоянных токов. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Шваб А. Измерения на высоком напряжении. Оглавление Электрооптические методы измерений высоких напряжений и больших то ...
Недостатками этого известного устройства являются большое время коррекции результата измерения, связанное с наличием трех тактов измерения, занимающих основную часть этого времени и снижающих быстродействие, и низкая достоверность контроля, связанная с тем, что результат измерения неизвестной величины непосредственного участия в операциях контроля не принимает.
Целью предлагаемого изобретения является увеличение быстродействия и повышение достоверности контроля вольтметра.
Поставленная цель достигается тем, что в микропроцессорный вольтметр с самокоррекцией, содержащий блок выбора диапазона измерения, блок аналого-цифрового преобразования, вход которого связан с выходом блока выбора диапазона измерения, и блок управления и вычисления, информационные входы которого соединены с информационными выходами аналого-цифрового преобразования, а управляющие выходы — с управляющими входами блока выбора диапазона измерения и блока аналого-цифрового преобразования, введен блок приращений, управляющие входы которого соединены с управляющими выходами блока управления и вычисления, выход — со входом блока выбора диапазона измерения, первый и второй сигнальные входы, предназначенные для подключения измеряемого сопротивления, являются первым и вторым входами вольтметра, а третий сигнальный вход, предназначенный для подключения измеряемого напряжения, — третьим входом вольтметра.
Этот вольтметр содержит блок преобразования сопротивления в напряжение, блок выбора диапазона измерения, блок аналого-цифрового преобразования и блок управления и вычислителя, реализованный на микроЭВМ, причем первый и второй входы блока преобразования сопротивления в напряжение, предназначенные для подключения измеряемого сопротивления, являются первым и вторым входами вольтметра, вход блока выбора диапазона измерения соединен с выходом блока преобразования сопротивления в напряжение и является третьим входом вольтметра, выход блока выбора режима измерения соединен со входом блока аналого-цифрового преобразования, информационные выходы которого соединены с информационными входами блока управления и вычисления, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами блока преобразования сопротивления в напряжение, блока выбора режима измерения и блока аналого-цифрового преобразования [3].
2. Разработка структурной схемы
Рисунок 4 Структурная схема универсального цифрового амперметра
ВБ — Входной блок
АЦП — Аналого — цифровой преобразователь
БВ — Блок вывода
БП — Блок питания
Измеряемый ток подается на входной блок, где его уровень приводится к допустимому значению входного тока на компаратор, затем подается на АЦП, где сигнал оцифровывается и выводится значение тока на блок вывода. Блок питания питает схему.
3. Разработка функциональной схемы
Рисунок 5 Функциональная схема цифрового универсального амперметра
Принцип измерения тока основан на методе одностадийного интегрирования — преобразования напряжения, снимаемого с токоизмерительного шунта в частоту. Это позволяет по сравнению с микроконтроллерами, имеющими встроенные десятиразрядные АЦП, получить большую разрешающую способность в широком интервале измеряемого тока. Подсчет частоты, переключение пределов и вывод результатов измерения на светодиодный индикатор осуществляет микроконтроллер.
4. Разработка принципиальной схемы
Рисунок 6 Схема делителя напряжения
Разделим диапазон измеряемого напряжения на поддиапазоны:
По заданным пределам измерения определяем число ступеней делителя m=3.
Коэффициент деления а=10.
Зададим напряжение R=1 КОм.
Тогда по формуле:
Находим сопротивления плеч делителя:
;
;
- Выбираем значения резисторов из ряда Е192: R2=898 Ом;
- R3=89,8 Ом;
- R4=8,98 Ом.
Согласно стандартной схеме включения выбираем конденсаторы с значениями С1=0,25 мкФ, С2=150 Ф, С3=С4=22 Ф.
Стабилитрон VD1 типа BZX55C12 с параметрами:
- Мощность рассеяния, Вт — 0.5;
- Минимальное напряжение стабилизации, В — 11.4;
- Номинальное напряжение стабилизации, В — 12;
- Максимальное напряжение стабилизации, В — 12.7;
- Статическое сопротивление Rст., Ом — 20;
- При токе I ст, мА — 5;
- Максимальный ток стабилизации Iст.макс., мА — 32;
- Рабочая температура, С — 55…200;
- Способ монтажа — в отверстие;
- Корпус — DO35 [6].
Резисторы с значениями R5=470 КОм, R6=117 КОм, R7=13 КОм, (R8-R15)=150 Ом.
Разъем типа СР-50 с параметрами:
- Волновое сопротивление — 50 Ом;
- Тип используемого кабеля — РК-50;
- Материал контактов -латунь покрытая серебром;
- Материал изолятора — тефлон;
- Сопротивление изолятора не менее, Мом — 1000;
- Сопротивление контактов не более, Ом — 0.01;
- Рабочее напряжение — 10В;
- Диапазон частот — 0..3ГГц;
- Рабочая температура, °С -60…85 [7].
Генератор на кварце ZQ1 с значением 8 МГц.
Транзистор VT1типа КП505А с параметрами:
- Структура: N-FET;
- Максимальное напряжение сток-исток Uси, В — 50;
- Максимальное напряжение затвор-исток Uзи макс., В — 20;
- Сопротивление канала в открытом состоянии Rси вкл., мОм — 300;
- Максимальная рассеиваемая мощность Pси макс., Вт — 1;
- Крутизна характеристики S,мА/В — 500 [8].
Транзистор VT2-VT7 типа КТ3102А с параметрами:
Характеристики транзистора КТ3102А
- Структура — n-p-n;
- Максимально допустимое (импульсное) напряжение коллектор-база — 50 В;
- Максимально допустимое (импульсное) напряжение коллектор-эмиттер — 50В;
- Максимально допустимый постоянный(импульсный) ток коллектора — 100(200) мА
- Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора без теплоотвода (с теплоотводом) — 0.25 Вт;
- Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером — 100-200;
- Обратный ток коллектора <=0.05 мкА;
- Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером =>150 МГц:
- Коэффициент шума биполярного транзистора <=10 дБ [9].
Светодиодные индикаторы HG1-HG3 типа Е20361 параметрами:
|
Параметр |
Обозначение |
MIN |
TYP |
MAX |
UNIT |
LOCATION |
TEST CONDITION |
|
|
Forward Voltage |
VF |
— |
1.82 |
2.25 |
V |
Per Chip |
If=20mA |
|
|
Сила света |
IV |
17.0 |
19.0 |
21.0 |
mcd |
Per Chip |
If=20mA |
|
|
Peak Emission Wavelength |
лp |
— |
655 |
— |
nm |
Per Chip |
If=20mA |
|
|
Dominant Emission Wavelength |
лd |
640 |
644 |
646 |
nm |
Per Chip |
If=20mA |
|
|
Spectral Line Half-Width |
Дл1/2 |
— |
20 |
— |
nm |
Per Chip |
If=20mA |
|
|
Capacitance |
C |
— |
40 |
— |
pF |
Per Chip |
VF=0;f=1MHz |
|
|
Reverse Current |
IR |
— |
— |
10 |
uA |
Per Chip |
VR=5V |
|
|
Температурный диапазон |
TA |
-40°C +85°C |
||||||
Выбираем компаратор — электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логическую «1», если сигнал на прямом входе («+») больше чем на инверсном входе («?»), и логический «0», если сигнал на прямом входе меньше, чем на инверсном входе типа LN393N с техническими характеристиками:
- Количество каналов — 2;
- Напряжение питания, В — 16;
- Время задержки, нс- -300;
- Ток потребления, мА — 1;
- Температурный диапазон, С — 0…70;
- Тип корпуса — DIP8-300;
- Напряжение компенсации, мВ — 2;
В качестве АЦП выбираем микроконтроллер с АЦП типа ATTINY2313-20PI имеющий следующие характеристики:
- Корпус (размер) — 20-DIP (0.300″, 7.62mm);
- Рабочая температура — 40°C ~ 85°C;
- Тип осциллятора — Internal;
- Напряжение источника (Vcc/Vdd) — 2.7 V ~ 5.5 V;
- Размер памяти — 128 x 8;
- EEPROM Size 128 x 8;
- Тип программируемой памяти — FLASH;
- Размер программируемой памяти — 2KB (1K x 16);
- Число вводов/выводов — 18;
- Периферия — Brown-out Detect/Reset, POR, PWM, WDT;
- Подключения SPI, UART/USART;
- Скорость — 20MHz;
- Диапазон напряжения питания — от 1.8 до 5.5 В;
- Рабочая частота — 0 — 16 МГц;
- Потребление:
Активный режим:
300 мкА при частоте 1 МГц и напряжении питания 1.8 В;
20 мкА при частоте 32 кГц и напряжении питания 1.8 В;
Режим пониженного потребления:
0.5 мкА при напряжении питания 1.8 В;
- Размер ядра — 8 Bit;
- Процессор — AVR;
- Серия — AVR® ATtiny;
- Lead Free Status / RoHS Status — Contains lead / RoHS non-compliant [5].
5. Расчёт погрешностей
ток напряжение вольтметр пиковый
Общая погрешность амперметра складывается из погрешности дискретизации сигнала , погрешности нелинейности АЦП , погрешности компаратора дк и погрешности входного блока.
По заданию погрешность не должна превышать 0,5%.
Примем погрешность дискретизации равной 0,1%. Погрешность нелинейности АЦП равна 0,1% тогда рассчитаем разрядность АЦП:
Смещение нуля компаратора типа LN393N 250 мкВ, тогда дк рассчитается по формуле:
Расчёт погрешности входного блока:
Расчёт погрешности резисторов от выбора из ряда:
Тогда:
Общая погрешность амперметра:
Погрешность по заданию: 0,5%. Рассчитанная погрешность не превышает заданную.
6. Временные диаграммы
Рисунок 7 Моделируемая схема разрабатываемого устройства
При моделировании схемы сравниваются два сигнала один IN1-входное напряжение после делителя, другой IN2-пилообразное напряжение (эталонное, ток заряда уменьшила в 10 раз, чтобы было видно линейный процесс заряда ёмкости).
В момент равенства сигналов компаратор сбрасывает выходное напряжение в 0. Интервал времени между началом замера — подача сигнала upr1 и срабатыванием компаратора и будет временем замера = количество импульсов пропорционально входному напряжению.
Рисунок 8 Временные диаграммы цифрового вольтметра постоянного тока
Заключение
В результате выполнения курсового проекта, был спроектирован и рассчитан цифровой вольтметр постоянного тока для измерения напряжения 0 до 1000 В с тремя поддиапазонами измерения и погрешностью измерений 0,5%.
Было проведено моделирование, а также построены временные диаграммы работы разрабатываемого устройства с помощью схемотехнической САПР Micro-Cap 9.0, а также проведен расчет всех элементов, входящих в данное устройство, разработаны структурная, функциональная и принципиальная электрическая схемы вольтметра постоянного тока. Рассчитанные погрешности полностью удовлетворяют заданным условиям.
В результате чего было установлено, что цифровой вольтметр постоянного тока полностью удовлетворяет заданным параметрам и является надежным.
Список использованной литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/tsifrovoy-ampermetr/
1. Sxem.net. Форум по электронике. — URL:http://forum.cxem.net/index.php?showtopic=82498 (дата обращения: 17.05.2012).
2. WWW.NTPO.com. Широкополосный пиковый вольтметр. — URL:http://ntpo.com/patents_electronics/electronics_5/electronics_228.shtml (дата обращения: 17.05.2012).
3. Mail.ru. Цифровой вольтметр с самокоррекцией. — URL:http://ru-patent.info/20/15-19/2018141.html (дата обращения: 17.05.2012).
4. Electronics — lab.ru. Вольтметр на микроконтроллере Attiny1213. — URL:http://electronics-lab.ru/blog/mcu/8.html (дата обращения:17.05.2012)
5. WWW.kontest.ru. Закрытое акционерное общество КОНТЕСТ. — URL:http://www.kontest.ru/catalog/item/4066890?mode=print (дата обращения: 17.05.2012).
6. WWW.chipdip.ru. Мастер электроники. Сеть профессиональных магазинов. — URL:http://www.chipdip.ru/product/bzx55c12.aspx (дата обращения: 17.05.2012).
7. 24au.ru. Интернет — Аукцион. — URL:http://kansk.24au.ru/879370/ (дата обращения: 17.05.2012).
8. WWW.escor.ru. Компания эскор. -URL:http://escor.ru/catalog/product/otechestvennye_tr/kp505a/ (дата обращения: 17.05.2012).
9. WWW. Radiolibrary.ru Справочник радиолюбителя.- URL:http://www.radiolibrary.ru/reference/transistor/kt3102a.html (дата обращения: 17.05.2012).
