Цифровой вольтметр

Введение

Основной задачей при  проектировании измерительных приборов было и остается достижение определенных метрологических характеристик. На разных этапах развития вычислительной техники эта задача решалась различными методами. Эти и технологические  методы, сводились к совершенствованию технологии и конструктивные, и структурные. Структурные методы получили особое развитие при создании цифровых измерительных приборов. Улучшение метрологических характеристик и расширение функциональных возможностей приборов достигалось реализацией определенных структур, которые находятся в большинстве случаев эвристическим путем. Совершенствование элементной базы и большая интеграция цифровых схем привели к разработке структурно-алгоритмических методов, в которых усовершенствованные структуры сочетаются с реализацией вычислительных операций. Использование указанных методов позволило выполнять автоматическую коррекцию ряда производных измерений, сочетать различные методы преобразования формы информации и обеспечивать при этом высокое быстродействие и расширение функциональных возможностей приборов.

Последние годы отмечены массовым наполнением рынка всевозможной автоматизированной аппаратурой различного назначения и различной сложности.

Микроконтроллеры входят во все сферы жизнедеятельности человека, их насыщенность в нашем окружении растет ежегодно.

Широкой областью применения микроконтроллеров является измерительная  техника. Появление первых микроконтроллерных измерительных приборов, так называемых "интеллектуальных" устройств, определило новое направление развития приборостроения.

По мере совершенствования  микропроцессорной техники сложность  таких приборов растет и это еще  в большей степени реализуются  возможности микроконтроллеров. Использование  микроконтроллеров определило новый подход как к проектированию, так и к эксплуатации измерительных приборов.

Микроконтроллер (англ. microcontroller), или однокристальная микроЭВМ - выполнена  в виде микросхемы специализированная микропроцессорная система, включающая процессор, блоки памяти для сохранения кода программ и данных, порты ввода-вывода и блоки со специальными функциями (счетчики, компараторы, АЦП и другие).

Используется микроконтроллер  для управления электронными устройствами. По сути, это - однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

Микроконтроллеры можно  встретить во многих современных  приборах, таких как телефоны, стиральные машины, они отвечают за работу двигателей и систем торможения современных автомобилей, с их помощью создаются системы контроля и системы сбора информации. Подавляющее большинство процессоров, выпускаемых в мире - микроконтроллеры.

Измерение физических величин обычно осуществляется путем эксперимента и вычислений с помощью специальных технических средств. В зависимости от вида измеряемых величин, необходимой точности их, условий проведения эксперимента и вида необходимой информации используются различные средства измерительной техники, которые выдают соответствующие сигналы измерительной информации. Любая физическая измеряемая величина благодаря средствам измерения превращается в соответствующий сигнал,наблюдатель воспринимает непосредственно на шкале прибора, или после преобразования и обработки передается через каналы связи на другие средства измерения в виде сигнала совершенно другой физической величины.

Стремительный ход цифровых технологий привел к интенсивному использованию приборов с цифровой формой представления результатов измерений. Цифровые вольтметры прочно вошли в метрологии, что стало следствием таких их достоинств, как высокая точность и разрешение, широкий диапазон измерений, представление результатов измерений в цифровой форме (что сводит к минимуму ошибки и считывания показаний прибора на расстоянии), возможность получения результатов наблюдений в форме, удобной для ввода в компьютер, и возможность включения их в состав вычислительных комплексов.

Рассматриваемый в дипломном  проекте электронной цифровой милливольтметр постоянного тока с светодиодным дисплеем является примером широкого применения микроконтроллеров. Благодаря тому, что микроконтроллер легко перепрограммировать, прибор можно усовершенствовать, изменив только программу.

 

Описываемая часть

Ремонт, наладка и регулирование  любого радиоэлектронного устройства невозможны без радиоизмерительных приборов, среди которых вольтметр, амперметр и омметр.

Электронные вольтметры составляют наиболее многочисленную группу среди радиоизмерительных приборов. Эти вольтметры имеют большое сопротивление, как на низких, так и на высоких частотах, высокую чувствительность, потребляют малую мощность от измерительной цепи, пригодные для измерения средних выпрямительных, средних квадратических и максимальных значений переменных напряжений и импульсных сигналов длительностью, начиная с наносекунд.

Электронным вольтметром  называется прибор, показания которого соответствуют величине измеряемого  напряжения. Измеряемое напряжение поступает  на входы высокоомных схем электронных приборов, благодаря чему входное сопротивление электронных вольтметров достигает весьма больших значений и они допускают значительные перегрузки.

Электронные вольтметры по роду измеряемого напряжения подразделяют на виды:

- Вольтметры постоянного напряжения;

- Вольтметры переменного  напряжения;

- Вольтметры импульсного  напряжения;

- Селективные вольтметры;

- Универсальные вольтметры;

- Измерители отношения  напряжений и их разности.

Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дискретные. В аналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в пропорциональное значение постоянного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроамперметром, шкала которого градуируется в единицах напряжения (вольты, милливольт, микровольт). В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду преобразований, в результате которых аналоговая измеряемая величина преобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается на индикаторном устройстве в виде цифр, светящиеся. Аналоговые и дискретные вольтметры часто называют стрелочными и цифровыми соответственно.

В настоящее время  цифровые измерительные приборы  применяются очень широко, поскольку  имеют такой ряд преимуществ  по сравнению с аналоговыми приборами - высокая точность и разрешение, широкий диапазон измерений, представление результатов измерений в цифровой форме.

К недостаткам использования  цифровых вольтметров относят сложность  схем и конструкции, высокой стоимости, малой надежности, поскольку использование  высококачественных электронных приборов всегда требовало высокой точности и качества работы. По сути, эти недостатки являются ретроспективой данного вида измерительных приборов. Их можно отнести к разряду временных, поскольку уже в настоящее время они устраняются благодаря быстрому развитию микроэлектроники. И чем интенсивнее будет развиваться эта наука, тем эффективнее будет становиться использование всего семейства электронных измерительных приборов.

Принцип работы ГО состоит  в преобразовании измерительной  постоянной или напряжения, медленно меняется в электрический код, который отображается на табло в цифровой форме. Согласно этим обобщенная структурная схема цифрового вольтметра состоит из входного устройства (ВХП), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифрового индикатора (ЦИ).

Аналого-цифровые преобразователи предназначены для преобразования аналоговых сигналов в соответствующих им цифровые, то есть для преобразования сигналов с непрерывной шкале значений в сигналы, имеющие дискретную шкалу значений. А на отчетном экране отображается значение измеряемой величины в цифровой форме.

В измерительных вольтметрах  используются, в основном, схемы  интегрирующего АЦП, и проектируемый  прибор не является исключением. В состав двухтактных интегрирующих АЦП  обычно входят операционные усилители, компаратор напряжения, аналоговые ключи, источник опорного напряжения, двоично-десятичный счетчик, регистр дешифратор, генератор тактовых импульсов, выходные схемы управления.

Вольтметры переменного  напряжения. Электронный вольтметр  переменного напряжения состоит из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического индикатора. Часто на входе вольтметра устанавливается делитель напряжения, калибруется. с помощью которого увеличивается верхний предел измеряемого напряжения. В зависимости от вида преобразования показания вольтметра может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному или среднестатистическому значению напряжения, которое измеряется.

При разработке электронных  вольтметров учитываются следующие  основные технические требования: высокая чувствительность; широкие пределы измеряемого напряжения; широкий диапазон рабочих частот, большой входное сопротивление и малая входная емкость; малая погрешность; известна зависимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения.

 

 

 

 

 

Аналитический обзор

 

Наиболее удобными в  эксплуатации приборами для измерения  напряжения являются цифровые вольтметры. Они могут измерять как постоянные, так и переменные напряжения. Класс  точности - до 0,001, диапазон - от единиц микровольт до нескольких киловольт. Современные микропроцессорные цифровые вольтметры оснащены клавиатурой и часто позволяют проводить измерения не только напряжения, но и тока, сопротивления и т.п., то есть являются многофункциональными измерительными приборами - тестерами (мультиметр или авометр).

Среди измерительных  приборов цифровые вольтметры занимают особое место, так как они позволяют  обеспечить автоматический выбор предела  и полярности измеряемых напряжений; автоматическую коррекцию ошибок; малые  погрешности измерения (0,01 - 0,001%) при широком диапазоне измеряемых напряжений (от 0,1 мкВ до 1000 В), выдачу результатов измерения в цифровом виде, документальную регистрацию, ввод измерительной информации в ЭВМ и сложные информационно-измерительные системы. Цифровой вольтметр по сравнению с аналоговым содержит аналогово-цифровой преобразователь (кодирующее устройство) (АЦП), устройство цифровой отсчета.

Цифровые вольтметры классифицируют по способу преобразования непрерывной величины в дискретную; структурной схемы АЦП; техническими средствами; способа компенсации.

По способу преобразования различают цифровые вольтметры с поразрядным кодированием и частотно-импульсными преобразованиями.

 

По способу структурной  схемы АЦП цифровые вольтметры делятся  на вольтметры прямого преобразования и уравновешивающего преобразования.

Под техническими средствами цифровые вольтметры делятся на электромеханические вольтметры и электронные вольтметры.

По способу в равновесие цифровые вольтметры делятся на вольтметры с следящей и разворачивающей в равновесие.

 

Основные параметры цифрового вольтметра

 

Точность преобразования определяется погрешностью квантования  по уровню, что характеризуется количеством  разрядов в исходном коде.

Погрешность цифрового  вольтметра имеет две составляющие, одна из которых зависит от измеряемой величины (мультипликативная), а другая зависит (аддитивное). Такое представление связано с дискретным принципу измерения непрерывной величины, так как в процессе квантования возникает абсолютная погрешность, обусловленная конечным количеством уровней квантования. Абсолютная погрешность измерения напряжения:

ΔU = ± (yвидн Ux + m знаков), или  ΔU = ± (yивидн Uкз + m знаков),

где, yвидн - относительная  погрешность измерения; Ux-значение измеряемого напряжения; Uкз - конечное значение на выбранной предела измерения; m знаков - значение, определяет его единицей младшего разряда цифрового отсчетного устройства (аддитивная погрешность дискретности).

Основная допустимая относительная погрешность представляется и в другом виде: yвидн = ± (a + bUкз / Ux), где а и b - постоянные числа, характеризующие класс точности прибора. Первый член погрешности не зависит от показаний прибора, а второй увеличивается при уменьшении Ux, по гиперболическому закону.

 

В качестве примера рассмотрим схему цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием (рис.1.2.1) и цифрового вольтметра с двойным интегрированием (ис.1.2.2).

Рис.1.2.1 Схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием  и временные диаграммы напряжений, поясняющие принцип компенсации

В основу работы цифрового  вольтметра постоянного тока с время-импульсным преобразованием положений время-импульсный метод преобразования постоянного тока прямопропорционален интервалу времени с последующим измерением длительности интервала.

Погрешности прибора  зависят от линейности и скорости измерений компенсирующего напряжения, стабильности генератора, генератора счетных импульсов, чувствительности устройства уравнивания, точности установки  нуля или опорного напряжения.