ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ
Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота
Кафедра судовых радиотехнических систем
Дисциплина: Схемотехника
Часть 1: Схемотехника цифровых устройств лабораторная работа №9
НАСТРОЙКА И КАЛИБРОВКА ЦИФРОВОГО ВОЛЬТМЕТРА,
ПОСТРОЕННОГО НА БАЗЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СЧЕТА
Калининград
2012
Цель работы: подготовиться к выполнению курсового проектирования путем изучения взаимодействия цифровых и цифро-аналоговых микросхем в типовых узлах цифровой электроники, а также путем получения навыков отладки и калибровки этих узлов программой NI Multisim.
Краткие теоретические сведения
1. Описание цифрового вольтметра.
1.1. Параметры и характеристики цифрового вольтметра:
полярность измеряемого напряжения: положительная;
пределы измерения: 0.05-10.5 Вольт;
дискретность измерения: 0.1В;
время измерения: не более 100 миллисекунд;
индикация измеренного напряжения: десятичная семисегментная;
сигнализация: о выходе измеряемого напряжения за установленные пределы измерения.
1.2. Состав цифрового вольтметра:
Цифровой вольтметр представляет собой аналого-цифровой преобразователь с индикацией в десятичном виде результатов преобразования измеряемого напряжения в цифровой код.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) построен по принципу последовательного счета и включает в себя следующие электронные устройства (Рис. 1);
счетчик импульсов (Сх25);
цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) показаний счетчика в напряжение, состоящий из регистра (Сх27) и резистивной матрицы (Сх28);
масштабирующие усилители входного напряжения и напряжения на выходе ЦАП, а также компаратор отмасштабированных напряжений (все в Сх29);
дополнительные логические и триггерные схемы управления (DD139-DD44).
В цифровом вольтметре используется динамический принцип индикации показаний, при котором коды индикации десятичных цифр, формируемые блоком преобразования кодов (Бл1) подаются по шине кодов индикации (Бл1/Код.Инд) на индикаторы значений десятков, единиц и долей единиц вольт (соответственно, HL1-HL3).
В блок Преобразователя кодов (Бл1), согласно его электрической схеме, изображенной на Рис. 2, входят:
преобразователь двоичного кода АЦП в двоично-десятичный код, в виде отдельного подблока (ПБл1), включающего несколько цифровых логических схем и подсхем;
устройства для последовательного преобразования двоично-десятичного кода в код индикации десятичных цифр: дешифраторы двоичных кодов десятичных цифр (Сх16-18), шифраторы в коды семисегментных индикаторов (Сх19-21), а также управляемые усилители сигналов шифраторов, обеспечивающий необходимые токи для свечения сегментов индикатора (Сх22-24)).
1.3. Принцип работы цифрового вольтметра
На Рис. 1 приведена принципиальная электрическая схема цифрового вольтметра
При включении моделирования цифрового вольтметра сигналом «Сброс», который формируется в Сх25, осуществляется установка в исходное нулевое состояние триггеров счетчика (Сх26), триггеров регистра (Сх27), а также триггеров управления DD143A и DD144. Соответственно, индикаторы цифрового вольтметра поочередно покажут исходные нулевые значения единиц, десятков и сотен Вольт.
Эталонные импульсы, непрерывно генерируемые схемой Сх25, не поступают на счетчик импульсов (Сх26) и в регистр (Сх27), поскольку при нулевом состоянии триггера DD143А через логическую схему ИЛИ (DD142A) на управляющий вход логической схемы DD142A поступает высокий уровень логической 1. Этот уровень обеспечивает схеме DD140A третье (высокоимпедансное) состояние выхода.
Рис.1. Электрическая схема цифрового вольтметра.
Рис. 2. Электрическая схема блока преобразования кодов (Бл1).
Для начала измерений необходимо, предварительно установив на Источнике Uизм (V3) измеряемое значение напряжения, кратковременно нажать на кнопку «Измерить»(SW1).
При этом управляющий триггер DD143A устанавливается в единичное состояние, обеспечивая высокий уровень сигнала на входе Вкл.Инд. у блока преобразователя кодов (Бл1). Происходит отключение (гашение) индикации во время измерения, а появившийся низкий уровень логического 0 на управляющем входе схемы DD140A, обеспечивает начало поступления импульсов на счетчик (Сх26) и в регистр (Сх27).
Причем, благодаря инвертору DD141A импульсы записи в регистр (Сх27) поступают инвертированными относительно эталонных импульсов, которые поступают на счетчик (Сх26). Это обеспечивает запись в регистр показания суммирующего счетчика только спустя время равное длительности каждого эталонного импульса, на фронт которого срабатывает этот счетчик. Такая задержка записи, при достаточной длительности эталонных импульсов, гарантирует к моменту записи завершение в счетчике всех переходных процессов от момента поступления фронта эталонного импульса до установившихся стационарных состояний триггеров счетчика.
По мере увеличения двоичного кода показаний суммирующего счетчика, которые записываются в регистр, на выходе резистивной матрицы (Сх28), преобразующей этот код в напряжение, происходит пропорциональный рост напряжения ЦАП2.
В Сх29 это напряжение одновременно с измеряемым напряжением U ИЗМ поступает на компаратор напряжений. Пока входное напряжение U ИЗМ превышает напряжение ЦАП2, компаратор не вырабатывает сигнал для остановки счета. Этот сигнал формируется, как только произошло такое превышение.
Сигналом «Останов.» с компаратора напряжений (Сх29), поступающим на управляющий триггер DD143A, изменяется состояние этого триггера на нулевое. И, как следствие этого, запрещается дальнейшее прохождение эталонных импульсов в счетчик и импульсов записи в регистр, а также разрешается индикация разрешающим низким уровнем сигнала на входе «Вкл.Инд» блока. преобразователя кодов (Бл1).
На индикаторах HL1-HL3 в десятичной форме показывается код, на котором произошла остановка роста показаний счетчика. При соответствующей разрядности цифрового кода, поступающего со счетчика на ЦАП, состоящий из регистра (Сх27) и резисторов ЦАП (Сх28), а также при надлежащей калибровке элементов компаратора напряжений (Сх29) эти показания будут соответствовать значению измеряемого напряжения с заданной погрешностью.
Очевидно, что максимальное время измерения (от начала поступления импульсов на счетчик (Сх26) до прекращения их поступления) будет пропорционально максимальному значению измеряемого напряжения. Уменьшить это время можно, увеличивая частоту эталонных импульсов. Пределом увеличения этой частоты является сбои в показаниях цифрового вольтметра. Такие сбои происходят при записи в регистр кода во время переходных процессов в счетчике, то есть до установки стационарного показания всех триггеров счетчика.
Схема DD139A вырабатывает сигнал низкого уровня логического нуля при прохождении счетчиком показания на единицу превышающем то, что соответствует заданному пределу измерений. Этот сигнал с помощью триггера, собранного на схемах DD144A и DD144B, включает сигнализатор HL4 о том, что измеряемое входное напряжение U ИЗМ превысило этот предел.
Этот же индикатор сигнализирует о том, что измеряемое напряжения находится ниже нижнего предела измерения, поскольку при этом Сх13 также не вырабатывает сигнал «Останов.».
Одновременно с этой сигнализацией запрещается индикация показаний счета путем установки управляющего триггера DD143A в единичное состояние низким уровнем, поступающим через верхние замкнутые контакты кнопки SW1. Однако это состояние триггера уже не может разрешить прохождение импульсов на счетчик, поскольку через логическую схему ИЛИ (DD142A) одновременно с включением сигнализации HL4 на управляющий вход схемы DD140A поступает высокий уровень логической 1 с инверсного выхода триггера DD143A.