Voltmetru Digital [PDF]

Zitiervorschau

Sarcina la lucrare de curs la disciplina „Măsurări electrice și electronice” studentului grupei IMC-121 Tema: „Proiectarea unui voltmetru digital”.

Varianta 23 Datele iniţiale: 1.Mărime măsurată – tensiune de curent continuu; 2.Game de măsurare 0÷0,01 V; 0÷0,1 V; 0÷1V; 0÷10V; 0÷200 V; 3. Precizia de măsurare 0,008%; 4. Timp de măsurare 0,05 s;

Data prezentării---------------

Conducător: conf. univ.,dr.

Blajă V

Introducere

MEE 112771 04 MC Mod Coal

Nr. Docum.

Semnat

Data

Coala

1

Tehnica de măsurare este unul din cei mai importanţi factori în accelerarea progresului ştiinţific şi tehnologic în aproape toate sectoarele economiei. În descrierea fenomenelor şi proceselor, dar şi a caracteristicilor materialelor, sunt folosite diverse mărimi fizice, numărul cărora poate fi de mii, cum ar fi mărimi: electrice, magnetice, de distribuţie spaţială şi temporală, mecanice, acustice, optice, chimice, biologice, etc. Mai mult decît atît, aceste mărimi sunt evaluate nu numai calitativ dar şi cantitativ şi prin diferite valori numerice. Stabilirea valorii numerice a unei mărimi fizice se efectuează prin măsurare. Rezultatul măsurării este o caracteristică cantitativă adică un număr care este definit şi prin evaluarea simultană a gradului de apropiere a valorii măsurate de valoarea reală a mărimii fizice. Găsirea valorii numerice a măsurandului este posibilă doar prin experienţă, adică în timpul experimentului fizic. Tehnica metrologică şi-a început dezvoltarea în anii ´40 ai secolului al XVII şi se caracterizează printr-o tranziţie treptată de la manifestare (mijlocul secolului XIX), la instrumente analogice cu înregistrare (sfîrşitul XIX – începutul secolului XX), la aparate de măsurat automate cu afisaj digital (mijlocul secolului XX) pînă la sistemele informaţionale de măsurare. Sfârşitul

secolului

XIX

este

caracterizat

prin

primele

succese ale

comunicaţiilor radio şi ale radioelectronicii. Această evoluţie a dus la necesitatea unor mijloace de măsurat de tip nou, destinate pentru semnale de intrare mici, de înaltă frecvenţă şi intrări de mare impedanţă. În aceste mijloace noi de măsurat au fost

folosite

componente

de

radio-electronice:

redresoare,

amplificatoare,

modulatoare şi generatoare (cu tuburi electronice cu vid, tranzitoare, circuite integrate), tuburi catodice (în oscilocoape), etc. Dezvoltarea instrumentelor de măsurare digitale a rezultat în crearea voltmetrelor digitale de curent continuu cu erori mai mici de 0,0001%, iar viteza de conversie analog – digital este mai mare ca miliarde de măsurări pe secundă. Largi oportunităţi au apărut în domeniul mijloacelor de măsurat odată cu apariţia microprocesoarelor şi microcontroalelor. Datorită acestora s-au extins foarte mult domeniile de utilizare a instrumentelor de măsurare, au crescut performanţele şi

MEE 112771 04 MC Mod Coal

Nr. Docum.

Semnat

Data

Coala

2

caracteristicile tehnice, fiabilitatea, viteza de funcţionare, a devenit posibilă soluţionarea unor probleme tehnice care anterior nu au putut fi rezolvat. Aplicarea microprocesoarelor ţi găsit cea mai înaltă amploare şi eficienţă în echipamentele de măsurare. Pe scară foarte largă sunt utilizate microprocesoarele în sistemele de control şi comandă. Este greu de supraestimat importanţa microprocesoarelor şi a microcontrolelor în domeniul creării sistemelor de măsurare destinate pentru comanda, monitorizarea şi testarea obiectelor şi sistemelor complexe. Dezvoltarea ştiinţei şi tehnologiei necesită perfecţionarea continuă a mijloacelor de măsurare, iar rolul lor este în continuă creştere.

1.

Schema bloc a voltmetrului digital

MEE 112771 04 MC Mod Coal

Nr. Docum.

Semnat

Data

Coala

3

Schema bloc a unui voltmetru digital cu dublă integrare este prezentă în figura 1. Ciclul de conversie este format din două interval de timp (tacte) T1 şi T2. Ux

Circuitul de intrare

Comutator electronic

Integrator

Comparator

Bistabil

Poartă de timp

Numărător de impulsuri Indicatorul supratensiunii și polarității Decodificator

Tensiune de referință

Circuit de comandă

Clock

Sistemul de afișare

Fig.1. Schema bloc a voltmetrului digital La începutul ciclului circuitul de comandă generează un puls dreptunghiular cu durată calibrate T1, care este aplicat pe un comutator electronic. Pe parcursul intervalului de timp T1 de la dispozitivul de intrare prin comutatorul electronic la intrarea integratorului este aplicată tensiunea de intrare de current continuu (c.c. sau DC). Se începe primul tact de integrare de măsurare ”up”, în timpul cărui tensiunea de ieşire a integratorului creşte linear:

Unde Uout este tensiunea de ieşire a integratorului, V; R – rezistenţa, Ω; C – capacitatea, F; Uin – tensiunea de intrare, V; t1 – momentul inţial al integrării (momentul apariţiei impulsului T1); t2 – momentul final de integrare.

MEE 112771 04 MC Mod Coal

Nr. Docum.

Semnat

Data

Coala

4

Fig.2. Conversie A-D cu dublă integrare Panta de creştere a acestei tensiuni este proportional cu valoarea tensiunii de intrare Ux. În momentul t1 (figura 2), la sfîrşitul primului impuls, bistabilul este basculat din starea ”0” logic în starea ”1” logic, iar comutatorul electronic deconectează tensiunea de intrare de la integrator şi conectează la intarea integratorului este tensiunea de referinţă. Tensiunea comparatorului rămîne la nivelul ”1” logic şi începe al doilea tact de intrare ”down” deoarice tensiunea de referinţă are polaritate opusă în raport cu tensiunea măsurată. Tensiunea de ieşire a integratorului scade linear şi în momentul t2 , cînd tensiunea de ieşire a integratorului este ”0” logic, comparatorul basculează din ”1” în ”0”. În acelaşi moment de timp bistabilul este basculat în ”0”. În tactul second bistabilul permite trecerea impulsurilor de tact de înaltă frecvenţă spre poarta de timp (selectorul de timp). Prin urmare, selectorul de timp acumulează impulsurile de înaltă

MEE 112771 04 MC Mod Coal

Nr. Docum.

Semnat

Data

Coala

5

frecvenţă de la generatorul de tact Clock. Numărul acestor impulsuri este proportional cu tensiunea măsurată. Începutul ciclului următor este declanşat de frontal anterior al impulsului T1.

2. Calculul parametrilor principali ai voltmetrului Tensiunea de ieşire a integratorului la integrare ”up”, într-un moment dat de timp (momentul de referinţă – momentul apariţiei frontului impulsului cu durata T1) este: (1) Unde RC este constanta de timp a integratorului, t – variabilă independentă (timpul). La sfîrşitul intervalului de integrare tensiunea de oeşire a integratorului este:

La integrarea ”down” avem:

În momentul de timp t2=T1+tx , dacă ţinem cont de expresia (1) avem: (2) Avînd în vedere că procesul de integrare a tensiunii de referinţă se încheie atunci cînd tensiunea de ieşire a integratorului devine zero, din expresia (2) pentru Uout(t)=0, vom obţine: (3) Scriem expresia (3), după cum urmează: (4)

MEE 112771 04 MC Mod Coal

Nr. Docum.

Semnat

Data

Coala

6

unde ti este durata impulsului de comandă. Deoarece din datele sarcinii timpul de măsurare este 0,05 s, durata primului ciclu de integrare este:

Pentru un calcul mai exact vom lua T1=0,02 s (reeşind din considerentele că în reţea există perturbaţii şi pentru a reduce probabilitatea de apariţie a lor vom lua durata T1 multiplă perioadei oscilaţiilor din reţea (f=50 Hz, T1=1/f=0,02 s)). Pentru asigurarea preciziei de măsurare date în sarcina de proiectare (0,001%), tensiunea de intrare trebuie să fie măsurată cu o precizie de 0,0001V. Prin urmare, în circuitul de indicaţie vom folosi indicatori de afişare. Unei tensiuni de intrare de 1 V îi corespund Nx=1000000 impulsuri. Deoarice timpul maxim de măsurare T1=0,02 s, frecvenţă impulsurilor de tact de la generatorul de tact Clock este egală cu:

Frecvenţa impulsurilor de comandă o calculăm conform expresiei:

MEE 112771 04 MC Mod Coal

Nr. Docum.

Semnat

Data

Coala

7

3. Dimensionarea componentelor voltmetrului digital 3.1.

Dimensionarea circuitului de intrare

Circuitul de intrare include un circuit de protecţie la supratensiuni, circuitul indicaţie suprasarcină şi polaritate inversă şi divizor. Divizorul este destinat pentru alegerea gamei de măsurare prin divizarea tensiunii de intrare. În cazul nostru, sunt cele cinci game de măsurare: de la 0 la 0,01 V; de la 0 la 0,1 V; de la 0 la 1 V; de la 0 la 10 V şi de la 0 la 200 V. Dimensionarea divizorului: Ca R1, R2, R3, R4, R5 alegem rezistoarele cu rezistenţe de precizie

C5-60A cu

puterea de 0,25 W şi o toleranţă de 0,001 %, cu tensiunea maximală de 350 V, care vor oferi o marjă de siguranţă în tensiune. Să calculăm valorile rezistenţelor divizorului. Eroarea maximă totală a divizorului constituie Alegem impedanţă de intrare a voltmatrului de 10 MΩ. În acest caz alegem: R1=9 MΩ, R2=0,9 MΩ, R3=90 kΩ, R4=5 kΩ, R5=5 kΩ şi Ca protecţie la supratensiuni vom utiliza dioda Zener cu rezistor de limitare a curentului la intrare. Pentru acest sistem vom alege dioda Zener 1N4989, este egal cu curentul nominal de 5mA şi tensiunea de stabilizare Uz de 200 V. Prin urmare, R7 se alege din calculul: R7=Uz/In=200/0,0216=9,25 kΩ . Indicatorul de supratensiuni şi polaritate inversă va fi constituit din două comparatoare de tip K554CA3 şi două LED-uri AL341 – DA3.2, DA4.1 şi VD2,VD3, respectiv. Funcţionare: dacă tensiunea de pe divizor nu depăşeşte 300 V la ieşirea comparatorului DA3.2 semnalul este nul. Odată cu o creştere a tensiunii măsurate peste limita de 200 V la ieşirea comparatorului este format nivelul corespunzător unităţii logice şi, prin urmare, se aprinde LED-ul VD1.

MEE 112771 04 MC Mod Coal

Nr. Docum.

Semnat

Data

Coala

8

Dacă tensiunea pe divizor este pozitivă, la ieşirea comparatorului DA4.1 este format nivelul ”0” logic. Dacă tensiunea pe divizor este negativă, la ieşirea comparatorului DA4.1 este format nivelul ”1” logic şi LED-ul VD4 se aprinde semnalizînd despre polaritate opusă a tensiunii măsurate. Circuitul integrat K554CA3şi sunt alese pe caracteristicilor sale.

Fig.3. Schema circuitului de intrare Pentru amplificarea tensiunii în circuitul de intrare de 10 ori vom folosi amplificatorul operaţional K140УД6. Calculăm rezistenţele R8 şi R9: ku=R8/R9=10, R9=4,7 kΩ, R8=R9∙ku=47 kΩ.

MEE 112771 04 MC Mod Coal

Nr. Docum.

Semnat

Data

Coala

9

3.2.

Comutatorul electronic

Comutatorul electronic DA1 este construit pe un circuit integrat de tip KR590KH8. Această poartă (comutator) electronică funcţionează în modul următor: la aplicarea unui impuls de comandă pe #1, se conectează linia 1. Cînd se aplică un impuls de comandă #2, este conectată linia 2. La ieşirea porţii liniile 1 şi 2 sunt conectate împreună. Poarta NAND DD4.1 serveşte pentru comutarea de la tensiunea măsurată la tensiunea de referinţă în momentul t1, pentru ca integratorul să înceapă procesul de integrare ”down”. Porţile DD3.1 şi DD3.2 sunt destinate pentru ca procesul de integrare ”down” să se oprească la zero.

Fig.4. Schema comutatorului electronic

MEE 112771 04 MC Mod Coal

Nr. Docum.

Semnat

Data

Coala

10

3.3.

Integrator

Integratorul este destinat pentru efectuarea a operaţiei matematice de integrare. Tensiunea de ieşire a acestui dispozitiv este proporţională cu integrala tensiunii de intrare. Această operaţie este efectuată de un amplificator inversor cu o buclă de reacţie formată de rezistorul R şi condensatorul C. Noi folosim integrator construit pe un circuit integrat K544YD1. Să calculăm constanta RC a integratorului din următoarea expresie:

; prin urmare, Dacă R5=100kΩ, atunci: Alegem rezistorul R5 şi condensatorul C1 din catalog.

Fig.5. Schema integratorului

MEE 112771 04 MC Mod Coal

Nr. Docum.

Semnat

Data

Coala

11

3.4.

Comparatorul

Comparatorul este destinat pentru compararea celor două tensiuni aplicate la intrările sale, şi formarea unui semnal despre raportul între valorile acestor tensiuni, de exemplu, despre momentul egalităţii acestora. Orice amplificator operaţional este un comparator. La ieşirea unui amplificator operaţional fără buclă de reacţie negativă, atunci cînd U1>U2 tensiunea de ieşire va fi pozitivă, iar dacă U1