Вольтметр средневыпрямленных значений

1. Расчётно-пояснительная записка.docx

Общие теоретические сведения3
1Детекторы средневыпрямленных значений3
2Аналого-цифровой преобразователь ICL71077
Описание функциональной схемы9
Описание принципиальной электрической схемы устройства10
Выбор элементной базы11
Расчёт номинальных значений выбранных элементов13
1.Расчёт детектора средневыпрямленных значений13
2.Расчёт потребляемого тока13
3.Расчёт трансформатора14
4.Расчёт конденсаторов15
5.Расчёт погрешности измерений16
Список использованной литературы18
В данной курсовом проекте проводится разработка вольтметра средневыпрямленных значений.
Проект состоит из двух частей: практической и теоретической.
В практической части работы будет проведена разработка принципиальной электрической схемы разрабатываемого вольтметра средневыпрямленных значений будет разработан источник питания для этого прибора. Также реализуем функциональную схему устройства.
В теоретической части работы будут рассмотрены типовые схемы детекторов средневыпрямленных значений а также даны теоретические сведения по выбранному аналого-цифровому преобразователю.
Во второй главе будет дано описание функциональной схемы
В третьей главе рассмотрим принципиальную электрическую схему и принцип действия отдельных её узлов.
В четвёртой главе произведём выбор элементной базы вольтметра средневыпрямленных значений дадим их обоснование.
В пятой главе проведём расчёты потребляемого тока трансформатора сглаживающих конденсаторов и номиналы резисторов.
Общие теоретические сведения
1 Детекторы средневыпрямленных значений
Детекторами называются устройства с помощью которых из электрических сигналов выделяется информационная составляющая.
При невысокой точности преобразования и больших уровнях входного сигналаUвх m >>Uкприменяют пассивные преобразователи (рис. 1 а б). У детектора (рис. 1 а) для улучшения линейности последовательно с основным выпрямительным диодомVD2 включен резисторR3. Сопротивление его значительно больше прямого сопротивления диода. Тем самым режим работы открытого диодаVD2приближается к режиму заданного тока в котором нелинейность прямой ветви его вольт-амперной характеристики мало влияет на выходной сигнал. ДиодVD1и резисторR2включены для того чтобы в оба полупериода нагрузка резистораR1была одинаковой:R2 = R3.Это предохраняет от появления дополнительной постоянной составляющей на разделительном конденсаторе который часто устанавливается на выходе источника напряженияUвх. Недостатки такого детектора: значительная нелинейность при малых входных сигналах низкая точность и стабильность изменение характеристик преобразования при смене диодов.
Эти же недостатки присущи двухполупериодному выпрямителю (рис.1 б). В нем для линеаризации и улучшения температурных характеристик дополнительно введены диодыVD5 VD6 включенные в прямом направлении. При малых входных сигналах прямое сопротивление диодовVD1-VD4имеет повышенное значение что приводит к уменьшению выходного сигнала.
Однако при этом увеличивается и сопротивление диодовVD5 VD6 включенных параллельно сRн.
Рисунок 1. Детекторы средневыпрямленного значения: а - одноподупериодные; б – двухполунериолные
Рисунок 2. Диаграммы входного (а) и выходного сигналов при однополупериодном (б) и двухполупериодном (в) выпрямлении
Это ведет к перераспределению тока выпрямителя. Относительно большая составляющая начнет протекать через сопротивление нагрузкиRни нелинейность характеристики преобразования существенно уменьшится. Аналогично рассмотренному осуществляется компенсация температурной погрешности. При повышении температуры прямое напряжение диодов выпрямителя уменьшается на2.2 мВград что должно привести к увеличению выходного сигнала. Одинаковые с этим уменьшения прямого напряжения на диодахVD5 VD6снижают уровень выходного сигнала. В итоге результирующее изменение характеристик преобразования оказывается значительно меньше чем это было бы при отсутствии компонентов параметрической компенсации. Ее эффективность зависит от правильности выбора резисторовR4 R5 на значение которых влияет сопротивление нагрузки.
Значительно лучшие характеристики преобразования можно получить при использовании детекторов средневыпрямительного значения с активными компонентами. В них выпрямительные узлы обычно включаются в цепь отрицательной ОС что позволяет приблизительно вKuγ раз уменьшить входное напряжение при котором диоды открываются. Соответственно уменьшаются влияния нестабильности порогового напряжения и разброса прямых сопротивлений диодов.
В качестве прецизионных однополупериодных детекторов средневыпрямленного значения обычно используют ограничители имеющие хорошие характеристики преобразования в диапазоне частот до10 кГц.
На основе этой схемы создают и двухполупериодные выпрямители (рис. 3а). В таком детекторе средневыпрямленного значения напряжения ОУDA1 и DA2выпрямляют разные полуволны входного сигнала которые суммируются с противоположными знаками в ОУDA3. Коэффициент усиления каждой полуволны
причем предъявляются жесткие требования к равенству сопротивлений резисторовR1 R2 R3.
Рисунок 3. Двухполупериодные детекторы средневыпрямленных напряжений с двумя (а) и одним (б) выпрямляющими узлами; диаграмма напряжений (в)
Преимущества данной схемы — в идентичности узлов выпрямляющих разные полуволны.
Благодаря этому разница в коэффициентах преобразования напряжения каждого из полупериодов имеет минимальное значение. Однако параметры преобразования зависят от большого числа сопротивлений что требует их тщательного отбора. Кроме того погрешности вносит напряжение смещения нуля ОУDA3и его дрейф.
В двухполупериодном детекторе (рис.3 б) применен один выпрямляющий узел на ОУDA1 который инвертирует входной сигнал. Выходное напряжение ОУDA2равно:
Если выполняется условие
то коэффициенты преобразований полуволн напряжений равны и имеют разные знаки. В результате сигнал на выходе будет однополярным и пропорциональным средневыпрямленному значению напряжения (рис. 3 в).
Погрешности преобразования зависят от точности выполнения условия (3) и смещения нуля ОУDA2.
Для сглаживания пульсаций выходного напряжения к выходу детекторов средневыпрямленного значения подключены фильтры низких частот выполненные на пассивных или активных компонентах причем смещения нуля активных компонентов дополнительно увеличивают погрешность преобразования. Несмотря на эти недостатки на основе рассмотренных схем можно создать детекторы погрешности которых не превышают десятые — сотые доли процента.
2 Аналого-цифровой преобразователь ICL7107
Harris ICL7107 являются высоко производительными с низким энергопотреблением аналого-цифровыми преобразователями на 312 сегментный дисплей. Содержит семисегментные декодеры драйвер дисплея сравнивающий элемент и счетчик. ICL7107 напрямую управляет дисплеем из светодиодов (LED).
Рисунок 4. Внешний вид и обозначение выводов АЦП ICL7107
ICL7106 и ICL7107 совмещают высокую точность с универсальностью и экономичностью. Поддерживают автообнуление до менее чем 10V сдвиг нуля менее 1VoC входной ток смещения 10pA (Max) и возникающие ошибки составляют менее одной единицы счета. Прямые дифференциальные входы и внешние цепи полезны во всех системах но дают проектировщику редкое преимущество при измерении ячейки нагрузки тензодатчиков и других преобразователей мостового типа. Наконец действительная экономичность функционирования единичного источника питания (ICL7106) позволяет построить панельный КИП высокой эффективности с применениме всего 10 пассивных деталей и дисплея.
Описание функциональной схемы
Функциональная схема представлена в приложении Б.
Она состоит из четырёх блоков.
Первый блок представляет собой устройство называемое «детектор средневыпрямленного значения» преобразующий входное переменное напряжение в средневыпрямленное.
Второй блок – АЦП. Предназначен для преобразования уровня средневыпрямленного напряжения в цифровой сигнал который удобно выводить на цифровые буквенно-символьные дисплеи.
Следующий блок – дисплей визуализирующий измеренное средневыпрямленное напряжение. В данной работе реализован с помощью семисегментных индикаторов.
Последний блок(БП) отвечает за питание всех предыдущих блоков.
Описание принципиальной электрической схемы устройства
Принципиальная схема представлена в приложении В.
Она состоит из нескольких частей. Рассмотрим каждую из них по отдельности.
Первая часть – схема питания. Состоит из трансформатора со средней точкой который понижает напряжение промышленной сети до 15 вольт. Средняя точка необходима для получения двухполярного напряжения питания.
F1 – предохранитель для защиты от перегрузок.
После трансформатора стоят двухполупериодные выпрямители формирующие постоянные напряжения различных полярностей на каждой ветви схемы. Эти напряжения сглаживаются конденсаторами С6 и С7.
Полученное напряжение поступает на вход стабилизаторов фиксированного напряжения которые преобразуют входящие ±15 вольт в ±5 с высоким показателем стабильности уровня.
Вторая часть – схема детектора средневыпрямленных значений.
Измеряемое напряжение подаётся на вход операционного усилителя(ОУ) DA1 играющего роль неинвертирующего повторителя обеспечивающего высокое значение входного напряжения. С выхода DA1 сигнал поступает на вход DA2. Каскад DA2-VD1-VD2 является однополупериодным выпрямителем. Выпрямленное напряжение поступает на вход ОУ DA3 который инвертирует и усредняет сигнал. После чего это напряжение сглаживается конденсатором С5 стоящим на входе АЦП.
Выбор элементной базы
Выбор операционных усилителей детектора средневыпрямленных значений проведём из соображений о способности пропусканию напряжения максимальной частоты в 50 кГц.
Для таких целей подойдёт ОУ LA6524 частота которого 0.1 МГц.
Напряжение питания – от 4 до 24 В что позволяет использовать источник разработанный для питания АЦП. Условие минимальной частоты накладывается на DA1и DA2 т.к. на вход DA3 поступает уже выпрямленное напряжение. Однако поскольку в корпусе LA6524 реализовано 4 ОУ используем также и его для DA3.
Диоды VD1 и VD2 выполняют роль выпрямителей. Поэтому частота работы диода должна быть выше максимальной частоты входного сигнала а максимальное напряжение – больше 2 В. Под эти параметры подходит диод марки Д9Б максимальная частота переключения которого – 100 кГц при напряжении до 10 В.
В цепи источника питания стоят диоды VD3-VD6 работающие на выпрямление напряжения в 15 В промышленной частоты. Поэтому выберем диоды марки КД2998Б рассчитанные на напряжение 20 В.
Поскольку семисегментные индикаторы должны питаться постоянным напряжением в 5 В а АЦП и ОУ двухполярным напряжением того же значения на выходе источника питания необходимо поставить стабилизаторы напряжения на +5 и -5 В. Для +5 В выберем стабилизатор КР142ЕН5В а для -5 В – MC7905BT.
Основа разрабатываемо цифрового вольтметра – аналого-цифровой преобразователь позволяющий отправлять преобразованное напряжение непосредственно на семисегментный индикатор. Исходя из этих требований выберем ICL7107.
Поскольку выбранный АЦП подразумевает подключение семисегментных индикаторов по схеме с общим анодом выберем SA04-11EWA – одноразрядный красный.
Предохранитель F1 выберем исходя из расчётов потребляемого того - Н520РТ номинальный рабочий ток которого 025 А напряжение – 250 В.
Все резисторы выберем из ряда Е24 соответствующего номинала мощностью 0.25 Вт.
Конденсаторы выберем из ряда Е3.
Номиналы резисторов и конденсаторов представлены в спецификации к прибору.
Расчёт номинальных значений выбранных элементов
1.Расчёт детектора средневыпрямленных значений
Для того чтобы на выходе было средневыпрямленное напряжение необходимо чтобы R7 = R8 = R12 = R R11 = 2R13 и R11 = 3R.
R7 = R8 = R12 = 10 КОм
Номиналы R9 и R10 роли не играют. Их значение примем равное 1 КОм.
Номиналы остальных резисторов возьмём из документации к АЦП.
2.Расчёт потребляемого тока
Каждый сегмент семисегментного индикатора потребляет 5 мА. Соответственно при выводе значения равного -1999 будет задействовано 24 сегмента. Следовательно ток затрачиваемый на визуализации значения напряжения IHG = 24*5 = 120 мА.
Максимальный потребляемый ток АЦП равен 18 мА.
Потребляемый ток ОУ(DA1-DA3) равен 3*30 = 90 мА.
Соответственно полный потребляемый ток равен I = 120 + 90 + 1.8 = 2118 мА.
3.Расчёт трансформатора
Мощность вторичной обмотки P2 = U2*I2 где U2=15В I2=0.212А.
P2 = 15*0.212 = 3.2 Вт.
Принимая КПД трансформатора равный 80% определим первичную мощность: P1 = P2 0.8 = 3.20.8 = 4 Вт.
Мощность передается из первичной обмотки во вторичную через магнитный поток в сердечнике. Поэтому от значения мощности Р1 зависит площадь поперечного сечения сердечника S которая возрастает при увеличении мощности. Для сердечника из нормальной трансформаторной стали можно рассчитать S по формуле:
По значению S определяется число витков w' на один вольт. При использовании трансформаторной стали: .
Теперь можно рассчитать число витков обмоток:
Поскольку трансформатор со средней точкой W2 = W21 + W22 W21 =
Т.е. число витков вторичной обмотки необходимо брать в 2 раза больше(375*2=750).
Диаметры проводов обмоток определяются по значениям токов и исходя из допустимой плотности тока которая для трансформаторов принимается в среднем 2 Амм2. При такой плотности тока диаметр провода без изоляции любой обмотки в миллиметрах определяется вычисляется по формуле: .
4.Расчёт конденсаторов
К таковым относятся конденсаторы C5 C6 и C7.
Основным условием для выбора сглаживающих конденсаторов является следующее:
Где С – ёмкость конденсатора Rн – сопротивление нагрузки.
Для С5 Rн равно внутреннему сопротивлению АЦП которое можно определить зная потребляемый ток. Его значение возьмём из документации. Тогда .
Следовательно С5 >> 2*10-4 Ф = 200 мкФ. Исходя из этого C5 возьмём равное 4700 мкФ и напряжением 6.3 В.
Для С6 и C7 подобный расчёт не проводится т.к. находятся они во входной цепи. Номиналы выбираются максимального значения ёмкости для номинала протекающего напряжения. На выходе выпрямителя напряжение равное 15 В. Возьмём значение с запасом – 16 В. Для такого номинала напряжения выберем конденсатор ёмкостью 10 мФ.
Ёмкости С8-С11 возьмём на 100 нФ. Номиналы остальных конденсаторов возьмём из документации к АЦП.
5.Расчёт погрешности измерений
Напряжение на выходе ОУ DA3 определяется выражением:
Из этого следует что погрешность выходного напряжения будет равна сумме квадратов погрешностей сопротивлений под корнем. По условию задано что погрешность не должна превышать 2% следовательно сумма квадратов величины погрешностей должна быть равна четырём:
Исходя из этого отношения резисторы R7 R8 R11 – с допустимым отклонением 1% резисторы R12 R13 – с отклонением 0.5%. Тогда
В работе был разработан вольтметр средневыпрямленных значений.
Была реализована функциональная схема описание которой дано во второй главе.
Также была спроектирована принципиальная электрическая схема разработанного вольтметра дано подробное описание принципа её работы.
Далее был проведен расчёт необходимых элементов таких как трансформатор потребляемый ток сглаживающие фильтры.
Дано обоснование выбора элементной базы составлена спецификация.
Список использованной литературы
Гусев В.Г. – Электроника и микропроцессорная техника В.Г. Гусев. – Москва: КНОРУС. - 2005 г. – 396 с.

2. Графический материал.dwg

Вольтметр средневыпрямленных значений Функциональная схема
К50-35-6.3В-47 мФ±10%
Вольтметр средневыпрямленных значений
Вольтметр средневыпрямленных значений Принципиальная схема

3. Техническое задание.docx

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Приборостроительный факультет
Кафедра «Информационно-измерительная техника и технологии»
Заведующий кафедрой ИИТТ
__7__" сентября 2013 г.
ВОЛЬТМЕТР СРЕДНЕВЫПРЯМЛЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ
НАИМЕНОВАНИЕ ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ И НАЗНАЧЕНИЕ ИЗДЕЛИЯ
1Наименование изделия: "Вольтметр".
2Обозначение разработки: БНТУ 113319.005 КП.
3Область применения – тех. процессы в быту.
4Назначение изделия – определение уровня сигналов.
5Область использования – предприятия организации объекты государственной и частной собственности Республики Беларусь.
6Основание для разработки – основанием для разработки является задание на курсовое проектирование утвержденное кафедрой ИИТТ от 03.09.2013 г.
1Исполнитель – студент Гундин А. А. группа 113319
2Место выполнения проекта – БНТУ кафедра Информационно- измерительная техника и технологии» г. Минск пр. Независимости 65 корп. 17
3Консультант проекта – доцент Тявловский А.К.
4Руководитель проекта – доцент Тявловский А.К.
ИСТОЧНИКИ РАЗРАБОТКИ
Источниками разработки являются: задание по курсовому проектированию; материалы информационного исследования; научно- технические разработки.
Начало работы над проектом – 30.09.2013 г. окончание – 15.12.2013 г.
Разработка схемы и алгоритма вольтметра средневыпрямленных значений удовлетворяющего следующим параметрам:
- диапазон измерения 0 – 2 В;
- приведенная погрешность измерения – ±2%;
- входное сопротивление – не менее 10 Мом.
- диапазон частот измеряемого сигнала: 50 Гц – 50 КГц.
- индикация – светодиодная(семисегментные индикаторы 4 разряда).
- источник питания – сеть переменного тока 230 В 50 Гц.
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИЗДЕЛИЮ
1Требования назначения:
- обеспечить измерение напряжений средневыпрямленных значений;
- диапазон измерения от 0 до 2 В;
- номинальное напряжение питания от сети 220В± 10%;
- цифробуквенный индикатор для отображения измеряемого напряжения;
- погрешность измерения напряжения ±2%;
Изделие рассчитано на непрерывную круглосуточную работу и применяются в закрытых помещениях производственных и жилых зданий и сооружений. Изделие имеет полную защиту от контакта а также защиту от внутренних повреждений оборудования вследствие пылевых отложений и от капель воды падающих вертикально.
2Требования к взаимозаменяемости и унификации:
Система или изделие должно иметь следующие возможности:
взаимозаменяемость с изделиями той же серии;
задание новых режимов работы системы для изделий или систем других производителей должно производиться путем внутрисистемной инсталляции.
3Условия эксплуатации (использования) требования к техническому обслуживанию и ремонту:
питание от сети переменного тока частотой 50 Гц напр. 220В± 10%;
пределы рабочей температуры – от 5 ºС до плюс 35 ºС;
пределы температуры хранения - от минус 20 ºС до плюс 40 ºС;
влажность – от10% до90%;
климатическое исполнение У3;
степень защиты IP 51;
ЭТАПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1Работа должна быть выполнена в 5 этапов:
Подпись руководителя
ПОРЯДОК ПРИЕМКИ РАБОТЫ
1Материалы по мере выполнения этапов должны быть согласованы с консультантами проекта и представлены руководителю курсового проекта в сроки указанные в п. 7. По результатам рассмотрения материалов уточняется направление дальнейших работ по проекту.
2Для приемки курсового проекта в целом студент представляет руководителю проекта:
техническое задание;
пояснительную записку содержащую разработку следующих вопросов:
Анализ характеристик вольтметра и обзор существующих решений;
Описание функциональной схемы устройства;
Обоснование выбора элементов расчет основных параметров схемы;
Описание работы схемы;
Анализ результатов. Выводы. Перечень использованных источников. Перечень элементов схемы.
структурная иили функциональная схемы принципиальная схема алгоритм.
CD-R или DVD-R носитель информации в электронном виде и или программное обеспечение (при необходимости по согласованию с руководителем проекта).
3На основании результатов рассмотрения представленных материалов руководитель проекта выносит решение о допуске проекта к защите. Допуск к защите оформляется записью на титульном листе пояснительной записки и заверяется подписью руководителя проекта.
4Кафедра устанавливает день (дни) защиты курсового проекта по дисциплине с указанием времени места защиты и состава комиссии по приему курсового проекта
5В процессе защиты заслушивается доклад студента (не более 7 минут) затем студент отвечает на вопросы членов комиссии. Вопросы могут касаться как темы курсового проекта так и носить общий характер в пределах программы дисциплин специальности и специализации.
6Студенту защитившему курсовой проект выставляется оценка по десятибальной шкале (от 4 до 10) с соответствующей записью в ведомость (экзаменационный лист) и зачетную книжку с указанием темы курсового проекта
7Студенту не защитившему курсовой проект а также студенту не представившему проект с отметкой о допуске к защите выставляется оценка по десятибальной шкале (от 1 до 3) или запись "не явился" (при отсутствии студента на защите) с соответствующей записью в ведомость (экзаменационный лист). При этом запись в зачетную книжку не производится.