4. Структурные и функциональные схемы приборов и систем

4.1. Виды электрических схем приборов

Согласно положениям ЕСКД, изложенным в нормативном документе СТП ОмГУПС-1.4-02, различают следующие виды схем приборов.

Схема структурная определяет основные функциональные части изделия (элементы, устройства, функциональные группы), их назначение, взаимосвязи; ее разрабатывают на стадиях, предшествующих разработке схем других видов, и используют для общего ознакомления с изделием. Графическое построение схемы должно давать наиболее наглядное представление о последовательности взаимодействия функциональных частей [1].

Схема функциональная разъясняет определенные процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях или изделии в целом; ею пользуются для изучения принципов работы изделия, при его наладке, контроле и ремонте. Функциональные части и связи между ними изображают в виде условных графических обозначений, установленных в стандартах ЕСКД.

Схема принципиальная (полная) определяет полный состав электрических элементов и устройств и связей между ними, элементов подключения входных и выходных цепей, дает характеристики элементов и детальное представление о принципах работы изделия. Ее используют для изучения принципов работы, при наладке, контроле и ремонте изделия, она служит основанием для разработки других конструкторских документов.

Схема соединений (монтажная) показывает соединение составных частей изделия и определяет провода, жгуты, кабели или трубопроводы, которыми осуществляются эти соединения, а также места их присоединений и ввода (разъемы, платы, зажимы и т. п.). Ее используют в первую очередь для разработки чертежей, определяющих прокладку и способы крепления проводов, жгутов, кабелей или трубопроводов, а также для осуществления присоединений и при контроле, эксплуатации и ремонте изделия.

Рассмотрим более подробно проектирование на функциональном уровне.

4.2. Пример проектирования устройства на функциональном уровне

Рассмотрим порядок проектирования цифрового вольтметра для измерения мгновенных значений переменного напряжения. Необходимо получить цифровые коды, пропорциональные мгновенным значениям измеряемого методом последовательных приближений напряжения. Для расширения диапазона измерения переменного напряжения необходимо использовать входной делитель и масштабный усилитель. Требуется оценить погрешности измерения цифрового вольтметра, а также выполнить следующее:

1) начертить схему измерения напряжения и дать ее описание;

2) рассчитать входной делитель и измерительный усилитель;

3) определить составляющие погрешностей;

4) определить частоту следования импульсов f₀ тактового генератора (ГТИ), чтобы погрешность восстановления _max не превышала 1%;

5) начертить временную диаграмму преобразования, непрерывная величина – код для амплитудного значения измеряемого напряжения.

Исходные данные для проектирования цифрового вольтметра: мгновенные значения синусоидального напряжения вида измеряются цифровым вольтметром с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) последовательных приближений со временем дискретизации Т₀; число разрядов выходного двоичного кода АЦП R = 10; опорное напряжение U_оп = 10,23 В.

Решение задачи проектирования цифрового вольтметра выполним по порядку, приведенному ниже.

1) Схема измерений.

Функциональная схема цифрового вольтметра с АЦП последовательных приближений и масштабными преобразователями представлена на рис. 4.

Вольтметр содержит два масштабных преобразователя – входной делитель и измерительный усилитель. Это позволяет измерять переменные напряжения с амплитудой как более U_оп (большие значения коэффициента деления и единичные значения коэффициента усиления), так и существенно меньшие U_оп (единичные значения коэффициента деления и большие значения коэффициента усиления). Использование двух каскадов инвертирующего усилителя позволяет получить большие значения коэффициента усиления (10³ – 10⁶) и напряжение на входе АЦП получается синфазным со входным.

Рис. 4. Функциональная схема цифрового вольтметра

Для работы АЦП на его входы необходимо подать преобразованное измеряемое напряжение ( ), опорное напряжение U_оп, прямоугольные тактовые импульсы от генератора ГТИ с периодом следования Т₀. На выходе АЦП устанавливается двоичный код К при появлении импульса конца преобразования Т_п.

2) Расчет входного делителя и измерительного усилителя.

Максимальное измеряемое напряжение В, выбираем предел измерения U_N = 500 В. Рекомендуемые пределы для других напряжений выбираются из ряда , k = (–1; 0; 1; 2) [мВ], [В].

Ограничимся мощностью, выделяемой на входном делителе Р_дел не более 0,5 Вт, тогда сопротивление входного делителя определяется по выражению:

; (5)

Ом.

После расчета следует произвести округление сопротивления по нормальному ряду Е24 в сторону увеличения.

Входной делитель рассчитывается по соотношению:

, (6)

где U₂₃ = U_N = 500 B; – падение напряжения на резисторе R₃ выбирается меньшим опорного напряжения. Примем U₃ = 5В.

; (7)

Ом,

тогда R₂ = R₂₃ – R₃; R₂ = 500 – 5 = 495 кОм.

Масштабный коэффициент делителя вычисляется по формуле:

; (8)

Коэффициент усиления измерительного усилителя

; (9)

.

где k_U1, k_U2 – коэффициенты усиления двух каскадов по напряжению.

Зададимся R₁ =10 кОм > R₃ = 5 кОм, тогда R₀ = k_U R₁ = 2×10 =20 кОм, R₄ = R₅ = 10 кОм.

3) Составляющие погрешностей.

3.1) Методическая погрешность.

Возникает из-за наличия входного сопротивления измерительного усилителя. Для инвертирующего усилителя, включенного по рассматриваемой схеме, R_вх = R₁. В этом случае измеряемое напряжение на выходе делителя определяется по формуле:

, (10)

где . (11)

кОм; В.

Действительное значение напряжения определяется по формуле:

; (12)

В.

Относительная методическая погрешность рассчитывается по выражению:

; (13)

.

Для уменьшения методической погрешности следует увеличить сопротивление R₁ на этапе выбора параметров схемы измерительного усилителя.

3.2) Оценка динамической погрешности.

Оценку динамической погрешности выполним по методике, приведенной в работе [5].

Истинное значение синусоидального сигнала x₀(t) будем считать интерполированным параболой, измеренное будет кусочно-линейным приближением, тогда наибольшая абсолютная погрешность выражается формулой:

, (14)

где – вторая производная, характеризующая кривизну для формы сигнала, приведенной на рис. 5.

Д

Рис. 5. Динамическая погрешность

ля приведенной погреш-ности , где X_N – предел измерения, время дискретизации, при котором погрешность восстановления меньше значения _, можно определить по формуле:

. (15)

Для синусоидального сигнала вторая производная , тогда

(16)

и число отсчетов на периоде

, (17)

где _m = 1% = 0,01.

Число отсчетов для восстановления сигнала синусоидальной формы с различной степенью точности представлено в табл. 1.

Таблица 1

Число отсчетов для восстановления сигнала вида

	0,1	1	10	20
n	70	22	7	5

По условию задачи , что соответствует 22 точкам на периоде сигнала. Для с^-1 период сигнала с. Преобразование АЦП мгновенных значений сигнала выполняется за время , где R – число разрядов АЦП, тогда мкс. Округлим время преобразования в меньшую сторону, тогда T₀ = 20 мкс и частота тактового генератора f₀ = 1/T₀ = 50 кГц.

3.3) Погрешность квантования.

Абсолютная погрешность квантования определяется по формуле:

; (18)

В.

Относительная погрешность квантования вычисляется по выражению:

, (19)

%.

4) Построение временной диаграммы.

Измеряемая величина B. Напряжение на входе АЦП равно В.

Данные о весе разрядов выходного цифрового кода в долях опорного напряжения представлены в табл. 2.

Таблица 2

Вес разрядов выходного кода

Разряд	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Код	1	2	4	8	16	32	64	128	256	512
Вес разряда, мВ	10	20	40	80	160	320	640	1280	2560	5120

Диаграмма преобразования измеряемой непрерывной величины (НВ) в цифровой код методом последовательных приближений представлена на рис. 6.

Рис. 6. Временная диаграмма преобразования «НВ – код»

Как видно из диаграммы, представленной на рис. 6, на восьмом шаге преобразования текущее значение сравниваемого напряжения точно совпало с преобразуемым напряжением. Таким образом, выходной двоичный код, соответствующий амплитудному значению измеряемого напряжения принимает значение К = 1001100100.

5. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

Схемы электрические принципиальные входят в комплект конструк-торской документации радиоэлектронных устройств, к которым относятся современные приборы и системы управления, контроля и диагностики.

Схемы электрические принципиальные необходимо разрабатывать с использованием систем автоматизированного проектирования (САПР). Результатом проектирования должны стать непосредственно сама схема электрическая принципиальная, а также чертеж печатной платы, выполненный по ней.

Для удобства разработки схемы электрической принципиальной и последующей разработки печатной платы устройства следует пользоваться готовыми библиотеками радиоэлементов.

Подробные сведения по разработке радиоэлектронных устройств с применением САПР изложены в работах [11, 12]. В перечне выполняемых лабораторных работ предусмотрена самостоятельная работа с системой САПР, включающая в себя следующие темы: разработка основной надписи чертежа; формирование библиотеки изображений и корпусов элементов; разработка схемы электрической принципиальной; трассировка печатной платы устройства.

Примеры схемы электрической принципиальной и чертежа печатной платы, выполненные в САПР P-CAD [11] для разрабатываемого устройства, показаны на рис. 7 – 9. Перечень элементов, использованных в разработке схемы электрической принципиальной, приведен в табл. 3.

Правила оформления схемы электрической принципиальной и перечня элементов следует выполнять, согласно требованиям нормативных документов СТП ОмГУПС-1.5-02, СТП ОмГУПС-1.6-02, СТП ОмГУПС-1.7-04.

Р

ис. 7. Схема электрическая принципиальная цифрового вольтметра