Амплитудный электронный вольтметр

 

 

Рисунок 8. Измерительная головка SD-38

 

Источник питания.

Любая электронная схема, начиная от самых простых схем на транзисторах и до сложнейших цифровых и микропроцессорных систем, требует для своей работы одного или нескольких стабилизированных источников питания. Поэтому в источниках питания применяются стабилизаторы напряжения. В настоящее время существует широкий выбор стабилизаторов, которые отличаются напряжением стабилизации, мощностью и отклонением выходного напряжения от номинала.

 

 

При проектировании источника питания устройства необходимо руководствоваться техническими требованиями, предъявляемыми к проектируемому устройству, характеристиками применяемой элементной базы, потребляемой мощностью и количеством номиналов источника питания.

В первую очередь анализируется принципиальная схема, определяются номиналы напряжений источника питания и потребление тока по каждому номиналу. Для этого необходимо определить потребление тока каждой микросхемой и найти суммарное потребление по каждому номиналу напряжения. Исходя из полученного результата, выбирается тип трансформатора, его мощность, типы выпрямителей и стабилизаторов напряжений, если для питания элементов схемы требуется стабилизированное напряжение.

В таблице 2.4 представлены электрорадиоэлементы, применяемые в проектируемом устройстве, и потребляемый ими ток.

 

Таблица 2.4. Микросхемы, применяемые в устройстве

Наименование ЭРЭ	Ток потребления (мА)	Количество (шт)	Суммарный потребляемый ток (мА)
			+5В	-5В
К140УД7	8	3	12	12
АЛ307А	10	1	10	-
Итого			28	12

 

По данным, представленным в таблице, находим ток, потребляемый устройством. Источник +5В потребляет 28 мА, -5В потребляет 12 мА.

Исходя из полученных расчетов, выбираем малогабаритный понижающий трансформатор для установки на печатную плату BV EI 481 0136, который имеет следующие технические характеристики:

- напряжение  первичой обмотки – 230В/50-60Гц;

- напряжение  вторичной обмотки – 6В;

- мощность  вторичной обмотки – 4Вт;

- количество  вторичных обмоток -2.

Сетевое напряжение 220 В/50 Гц поступает через контакты 1, 2 разъема Х2 на сетевой выключатель SA1. Через выключатель и предохранитель входное напряжение подается на первичную обмотку трансформатора Т1. Параллельно первичной обмотке трансформатора для уменьшения сетевых помех включается фильтр, состоящий из RC цепи.

С выходов вторичных обмоток переменное напряжение поступает на  входы ~ диодных мостов VD1 и VD2. В качестве диодных мостов применяются  W04M со следующими характеристиками:

- максимальное  обратное напряжение – 400В;

- максимальный  прямой ток – 1А.

 С  выходов диодных мостов постоянное  напряжение поступает на входы  стабилизаторов напряжения DA5 КР1157ЕН5А (+5В) и DA6 КР1168ЕН5А (-5В).

 Стабилизаторы имеет следующие характеристики:

- максимальное  входное напряжение – +35В;

- номинальное  выходное напряжение – +5В (для  КР1168ЕН5А -5В);

- пульсация  выходного напряжения - 2%;

- выходной  ток – 0,1 А;

- рабочая  температура – -55…150°С;

- тип  корпуса – ТО92.

 Следует отметить то обстоятельство, что указанные выше стабилизаторы имеют встроенную защиту ограничения тока и термовыключатель.

 Фильтры, подключаемые к выходам стабилизатора, содержит электролитические К53-14 и керамические К10-17 конденсаторы. Электолитические конденсаторы предназначены для сглаживания низкочастотных, а керамические – высокочастотных колебаний питающего напряжения. При этом электролитические конденсаторы располагаются, как правило, вблизи разъема, а керамические вблизи корпусов интегральных микросхем, причем количество последних определяется количеством ИМС, входящих в состав прибора.

  2.4 Описание работы устройства по принципиальной схеме.

 

  Схема электрическая принципиальная разрабатываемого прибора представлена в приложении А.

Питание прибора осуществляется от сети переменного тока  220 В/50 Гц. После включения электропитания напряжение ±5В с выходов стабилизаторов DA4, DA5 поступает на входы питания микросхем  DА1…DА4. Конденсаторы на входе шин питания используются в качестве фильтров для снижения помех в цепях питания прибора.

          При подаче на контакты разъема ХР1 измеряемого напряжения, оно поступает на ВУ, которое предназначено для преобразования диапазона измеряемого напряжения. С выхода делителя измеряемый сигнал поступает на повторитель, предназначенный для сопряжения ВУ и ПД. Детектор DA2…DA3, представляющий собой двухполупериодный выпрямитель напряжения.

         Детектор преобразует напряжение переменного тока, поступающего на его вход, в постоянное. С выхода детектора выпрямленное напряжение поступает на неинвертирующий вход УПТ, реализованного на ОУ DA4. Он представляет собой неинвертирующий усилитель с ООС и предназначен для усиления входного сигнала. Коэффициент усиления Кu усилителя выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимую точность измерений.

Выходной сигнал УПТ подключается к измерительной головке, второй контакт которой соединяется с нулевой шиной. Таким образом при изменении входного измеряемого сигнала от 0 до 500 В напряжение на выходе УПТ будет изменяться в пределах 0-5 В.

 

 

 

 

 

 

 

Расчет элементов и узлов прибора.

Расчет входного устройства

Предел 1В.

Расчет сопротивления резисторов.

, где

 

 

 

Принимаем

 

Условие выполняется.

Принимаем

 

 

 

 

 

Из ряда Е24 выбираем

Расчет емкостей конденсаторов.

 

, где ;

 

 

 

 

 

Из ряда Е24 выбираем ;

Предел 5В.

Пусть при подаче на вход проектируемого ЭВ подается напряжение 1 В на пределе 1 В и при подаче напряжения 5 В на приделе 5 В стрелка ИМ отклоняется на одинаковый угол. Следовательно:

 

 

, из ряда Е24 выбираем 

 

, из ряда Е24 выбираем 

Предел 50В.

 

, из ряда Е24 выбираем 

 

, из ряда Е24 выбираем 

Предел 500В.

 

, из ряда Е24 выбираем 

 

, из ряда Е24 выбираем 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор параметров повторителя.

Для сопряжения частотно-компенсированного высокоомного входного делителя с преобразователем служит операционный усилитель серии К140УД12, работающий в режиме повторителя.

ОУ К140УД12 имеет следующие параметры:

1. Коэффициент  усиления Ку=50 тыс.

2. Входной  ток Iвх=50 нА.

3. Входное  сопротивление Rвх=5 МОм.

4. Входная  емкость Свх=100 пФ.

5. Напряжение  смещения Uсм= ±6 мВ.

6. Разность  входных токов ∆Iвх=50 нА.

Расчет УПТ

Усилитель предназначен для усиления напряжения постоянного тока. Коэффициент усиления усилителя равен отношению Uвых/Uвх. Учитывая, что Uвх усилителя не превышает 2 В, а Uвых меньше или равно 4 В, получим

Ку =2

Принимаем

R12 =100 кОм

Из выражения

Кu = 1 + R13/R12

находим

R13 = 100∙(2 – 1) = 100 кОм

 

3 Анализ погрешности  вольтметра.

Расчет погрешности входного устройства

На пределе 1 В.

 

 

 

 

На пределе 5 В.

 

 

 

 

На пределе 50 В.

 

 

 

 

На пределе 500 В.

 

 

 

 

 

 

 

Расчет погрешности повторителя.

Погрешность, обусловленная нестабильностью входного сопротивления ОУ.

 

 

Погрешность, вызванная наличием есм.

 

 

Погрешность от наличия разности входных токов.

 

 

 

Расчет погрешности пикового детектора.

Погрешность, вызванная наличием есм ОУ.

В.

 

 

 

Расчет погрешности УПТ

При расчете погрешности усилителя принимаем за погрешность разность между расчетным и фактическим значением коэффициента усилителя Кур и Куф соответственно.

Кур = 1 + R13р/R12p =1+100/100 = 2

Куф = 1 + R13ф/R12ф =1+99,9/100,1 = 1,998

Отсюда находим погрешность усилителя

 σУ = (Кур-Куф)∙100/Куф =((2-1,998)/2)∙100% = 0,1%

 

Расчет погрешности измерительного механизма.

Погрешность ИГ принимается равной ½ деления шкалы головки. Так как шкала содержит 100 делений и максимальное значение измерения равно 500 В, то вычисляем абсолютную погрешность ИГ по следующему выражению

ΔИМ  = UИЗ.МАХ/2N

 

где N – количество делений ИМ.

Находим

ΔИМ  = 500/2∙100 =2,5

 

Отсюда находим относительную погрешность ИМ

σ ИМ = (ΔИМ / RИЗ.МАХ)∙100% = (2,5/500)∙100% = 0,5%

 

Расчет основной погрешности прибора

Основная погрешность прибора определяется по формуле

σ = √( σ ВУ)2 + ( σ П)2 + ( σ ПД)2 + ( σ У)2 + ( σ ИМ)2

или

σ = √0,0022 + 0,0032 +0,00582 + 0,0012 + 0,0052 = 0,84 %

 

 

6 Моделирование схемы

Моделирование работы прибора осуществляется в среде моделирования NI Multusim. Она представляет собой один из самых известных пакетов схематического моделирования цифровых, аналоговых и аналогово-цифровых электронных схем высокой сложности.

NI Multusim включает инструменты для моделирования, редактирования, анализа и тестирования электрических схем. Программа имеет простой интерфейс и идеально подходит для начального обучения электронике. Библиотеки предлагают огромный набор моделей радиоэлектронных устройств от самых известных иностранных производителей с широким диапазоном значений параметров. Кроме этого, есть возможность создания собственных компонентов. Активные элементы могут быть показаны как идеальными, так и реальными моделями. Всевозможные приборы (мультиметры, осциллографы, вольтметры, амперметры, частотные графопостроители, динамики, светодиоды, лампы накаливания, логические анализаторы, сегментные индикаторы) позволяют делать измерения любых величин, строить графики. NI Multusim может провести анализ цепи по постоянному и переменному току, исследовать переходные процессы при любом внешнем воздействии с помощью генераторов сигнала разной формы.

Схема амплитудного вольтметра, предназначенная для моделирования, представлена на рисунке 9.

Пример работы устройства продемонстрирован на рисунке 10.

 

Рисунок 9. – Схема моделирования

 

Рисунок 10. - Пример работы схемы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

В результате выполнения курсового проекта в соответствии с техническим заданием был разработан амплитудный вольтметр.

Схема вольтметра реализована на базе ОУ.

В качестве индикатора применяется измерительная головка.

На основе выбранного технического решения были разработаны схемы электрическая структурная и электрическая принципиальная. Составлен перечень элементов для принципиальной схемы.

Произведен расчет элементов электрической схемы прибора и расчет его погрешности. Погрешность прибора составляет 0,84%, что не превышает значения, заданного в ТЗ на проектирование.

Было проведено моделирование работы части схемы в среде моделирования  Electronics Workbench. Результаты моделирования подтверждают работоспособность схемы прибора. 

Все этапы проектирования отражены в пояснительной записке, в которой представлены  все необходимые разделы.