Цифровой вольтметр

В основу работы цифрового вольтметра постоянного тока с время-импульсным преобразованием положений время-импульсный метод преобразования постоянного тока в прямо пропорционален интервал 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.

Рис.1.2.1 Схема  цифрового вольтметра с двойным интегрированием и временные диаграммы напряжений, поясняющие принцип его работы

 

Принцип его работы подобен  принципу время-мпульсного преобразования, с той разницей, что здесь образуются два временных интервала в  течение цикла измерения, длительность которого устанавливается кратной периоду помехи. Таким образом определяется среднее значение измерения напряжения, а помеха подавляется. Эти вольтметры являются более точными и помихоустойчивимы по сравнению с цифровыми вольтметрами с время-импульсным и частотным преобразованием, однако время измерения у них больше.

Метод время-импульсного  преобразования в сочетании с  двойным интегрированием позволяет  эффективно ослабить влияние помех, измерить напряжение обеих полярностей, получить входное сопротивление, равное единицам гига, и малую погрешность измерения без представления особых требований к постоянству линейно - зминюючоися напряжения.

Электронные измерительные  приборы уверенно завоевывают поддержку  пользователей. И в будущем прогнозируется повышение роли службы. Все это обусловлено рядом их неоспоримых преимуществ.

Появление широкодоступных  и сравнительно дешевых микроконтроллеров  вывела индустрию создания электронных  измерительных приборов на новый, качественный уровень. Это позволило не только устранить недостатки, а и наделило цифровые приборы значительными преимуществами по сравнению с их аналоговыми соперниками. Теперь измерения электрических величин стало легким и доступным даже для школьников. Исчезла потребность в сложных исчислении погрешностей аналоговых измерителей напряжения и тока, стали ненужными магазины добавочных сопротивлений и шунтов.

Цифровые измерительные  системы - это системы будущего, и  со временем их роль будет увеличиваться, качество улучшаться, и цены будут  становиться все доступнее.

 

          Обоснование выбора схемы и описание принципа действия

 

    Она отражает принцип работы устройства в самом общем виде и дает наглядное представление о последовательности взаимодействия функциональных частей устройства.

Проанализируем как должен работать электронный цифровой милливольтметр.

 

Структурная схема устройства состоит  из следующих частей:

А1: (Входной каскад)-регулирует измеряемое напряжение до нужного уровня;

 

  А2: (Аналого-цифровой преобразователь) - устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал)

 

   А3: (Транзисторные ключи) - Одним из основных элементов импульсной и цифровой техники ключевой устройство. Ключевые устройства (ключи) служат для коммутации (переключения) цепей нагрузки под воздействием внешних управляющих сигналов. Ключи входят как отдельные элементы в состав сложных устройств. Они коммутирует питание на отдельные разряды восьмиразрядного блока индикации.

 

   А4: (Схема определения полярности) - помогает определить полярность измеряемого напряжения;

 

   А5: (Блок индикации) - электронное табло для вывода результатов измерения;

    А6: (Блок питания) - обеспечивает питание прибора и всех элементов милливольтметра. Схема установки напряжения 5-12 В - устанавливает напряжение в 5-12 В, которая необходима для обеспечения более точных измерений.

 

В современных малогабаритных цифровых измерительных приборах в  качестве устройства управления используют микроконтроллеры. При этом стараются  подобрать такую ​​модель, чтобы  периферийные устройства использовались в максимальной степени и наиболее полно замещали функциональные узлы, предусмотренные в структурной схеме прибора. Немалую роль в выборе той или иной модели микроконтроллера играют такие характеристики как быстродействие, энергопотребление, объем встроенной памяти, его цена. К тому же большое значение следует уделить наличию или доступности инструментальных средств, таких как трансляторы, отладчики и программаторы. Для решения поставленной задачи удобным выбором является микроконтроллер типа PIC16F887 (рис.1.3.1), фирмы Microchip, так как он имеет в своем составе следующие блоки:

- Flash-память программ  объемом 8Кх14-разрядных слов;

- ОЗУ объемом 368х8  байт;

- EEPROM-память данных  объемом 256х8 байт;

- Два 8-битных таймера-счетчика;

- 10-битный, 8-канальный АЦП;

- Аналоговый компаратор;

- Четыре 8-битных порта  ввода \ вывода.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.3.1 Внешний  вид микроконтроллера PIC16F887

При выборе схемы входного усилителя необходимо учитывать  основное требование, предъявляемое  к нему: обеспечение высокого входного сопротивления каскада, необходимого для согласования усилителя с источником сигнала. ОП имеет внутреннюю схему частотной коррекции и может работать в диапазоне напряжения питания

+ / -3 ... + / -18В. Операционный усилитель предназначен для выполнения математических операций: сложения, вычитания, умножения, логарифмирования и др.. Кроме того, ОУ используют в различных электронных схемах, как аналоговой, так и импульсного действия. Это объясняется его дешевизной, надежностью и хорошими электрическими параметрами. ОУ почти всегда используется с глубокой отрицательной обратной связью. Он инверсный и прямой входы, выход, выводы, для подключения источников питания и общего провода, а также выводы для подключения пассивных цепей, корректирующих АЧХ ОУ.

 

Рис.1.3.2 Схема входного устройства

Блок питания - обеспечивает питание всего устройства. Схема  блока приведена на рис.1.3.3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                            Рис.1.3.3 Схема блока питания

Поскольку мы используем 10 - разрядный АЦП вес одного разряда будет равна:

5,12 / 512 = 0,01 В = 10 мВ, (1.3.1)

есть погрешность будет 10 мВ, поскольку для точных измерений  нужно чтобы погрешность была не более 1 мВ мы используем операционный усилитель с коэффициентом усиления 10.

Конденсаторы С1, С2, - сглаживают выходное напряжение. Микросхема DA1 типа КР142Н12А - трехвыводный стабилизатор с регулируемой выходным напряжением. Ее особенность: встроенная защита от перегрева, коррекция зоны безопасной работы выходного транзистора. Микросхема КР142Н12А дает стабильное напряжение 5-12В, которая является напряжением питания для операционного усилителя входного устройства.

Устройство содержит светодиодный индикатор. Выберем для  этих целей матрицу светодиодную CA56-21SRWA с общим анодом (рис.1.3.4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

             Рис.1.3.4 Матрица светодиодная CA56-21SRWA.

            Для того, чтобы не использовать большое количество портов ввода-вывода микроконтроллера удобно использовать принцип динамической индикации. В этом случае одноименные катоды всех индикаторов через струмозадаючи резисторы подключаются к какому-либо порту микроконтроллера, например к порту C. Включение того или иного индикатора осуществляется подачей на аноды избранное индикатора напряжения, близкого к напряжению питания. Подключить индикатор можно так, как это показано на рис.1.3.5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

               Рис.1.3.5 Включение семисигментного индикатора.

 

Для включения того или  иного светодиодного сегмента необходимо установить в состояние логического  нуля соответствующую линию порта С, установить в единицу линию РС0. Резисторы R17 ... R23 задают ток через сегменты. 
 
                                ПРОГРАММНАЯ ЧАСТЬ

 

Алгоритмом называется директива, которая определяет порядок  выполнения действий (операций) над данными с целью получения искомого результата.

Процесс подготовки решения  задачи на ЭВМ называется алгоритмизацией.

 

Разработка алгоритма  состоит из нескольких этапов:

 

1) Изучение задачи  данного для алгоритма задачи. Часто задача представлено в  описательной форме с использованием формул, таблиц, графиков и т. .. Необходимо глубоко изучить процесс, алгоритмизуемый, выявить закономерности явлений, составляющих его. Определяется входная выходная информация, задаются области изменения аргументов, точность вычислений. Входная информация должна быть полной.

2) Выполняется математическая  формализация описательной условия  задачи. Ее цель - построить массивы  арифметических и логических  операторов. К массиву логических  операторов входят все условия  отражающие закономерности процесса который алгоритмизуеться.

3) Строится схема алгоритма.  

 

 

Микроконтроллер под  управлением программы должен выполнять  следующие функции:

- Подключать к каналу  АЦП канал измерения;

- Запускать АЦП и  высчитывать код результата;

- По получению кода АЦП рассчитывать значение напряжения, которое измеряется;

- Преобразовывать значение  напряжения, которое измеряется  в семисегментный код и выводить  данные на индикатор;

- Поддерживать процесс  динамической индикации.

Основная программа  должна выполнять следующую инициализуючу последовательность действий:

- Инициализация портов  ввода \ вывода микроконтроллера;

- Инициализация семисигментного  индикатора;

- Установления рабочего  режима для АЦП;

- Инициализировать показатель  адресом буфера индикации;

- Установление глобального разрешения прерывания.

В рабочем цикле программа  должна выполнять следующие действия:

- Вывести сообщение  о нормальной работе устрой, при  удачном процессе инициализации  микроконтроллера и семисигментного  индикатора;

- Измерить с помощью АЦП входное напряжение;

- Рассчитать выходное  значение;

- Скачать результаты  в буфер индикатора;

- Вывести данные на  семисегментный индикатор;

Общий вид алгоритма  решения задачи показано на

рисунке 3.1.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3.1.1 Алгоритм приложения для цифрового милливольтметра  постоянного тока.

Основная работа процессора - организация трех разрядной динамической индикации. Время индикации каждого разряда примерно 5 мс. Отсчет этого времени организован с помощью прерывания по переполнению таймера TMR0. 

Таймер имеет коэффициент  деления 256, передподилювач - 4. После  индикации нулевого разряда выполняется  измерение напряжения.

Результат измерений заносится в 2 регистра с правым выравниванием. Далее выполняется перекодировка 16 разрядов двоичного кода в 3 разряда двоично-десятичного кода. Результат перекодировки заносится в регистр индикации.

После индикации второго  разряда программа повторяется. 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНИЧЕСКАЯ  ЧАСТЬ

                  Сборка элементов на печатной плате

При разработке радиоэлектронной аппаратуры этап проектирования печатных плат является одним из наиболее трудоемких.

Для начала работ по разработке печатной платы требуется принципиальная электрическая схема, перечень элементов, чертежи или эскиз с желаемым размещением элементов (если есть такая необходимость). Для элементов, чтобы исключить возможные ошибки в разводке платы, необходимо иметь чертежи или эскизы элементов цоколивку, чертежи посадочного места.

Конструирование печатных плат осуществляется ручным, пол автоматизированным и  автоматизированным методами.

При ручном методе размещения навесных элементов и трассировки печатных проводников осуществляется вручную непосредственно конструктором. Данный метод обеспечивает оптимальный результат.

Пол автоматизированный метод предусматривает размещение навесных элементов с помощью  ЭВМ при ручном трассировке печатных проводников, ручное размещение навесных элементов при автоматизированном трассировке печатных проводников и автоматизированным переносом рисунка на носителе. Метод обеспечивает высокую производительность труда.

Автоматический метод  предполагает кодирование исходных данных, размещение навесных элементов  и трассировки печатных проводников  с помощью ЭВМ. При этом допускается  доработки отдельных соединений вручную. Метод обеспечивает высокую производительность труда.