2. Структура программы, моделирующей цифровой вольтметр
Моделирующая программа состоит из одного блока (Бл1), включающего один подблок (ПБл1) из 15-ти схем (Сх1-15) для преобразования кодов , и 14-ти схем (ПСх 16-29) измерительной части, входящих в иерархическую структуру, изображенную на Рис. 3.
Рис. 3. Структура программы, моделирующей цифровой вольтметр
Элементы моделирующей программы - «Аналог ПР7», и «В код 1-2-4-5», «Дешифратор», «В код индикации» и «Усилитель» введены в программу «Вольтметр 10В (учебный)» многократным дублированием соответствующего первого файла, а каждому из остальных элементов моделирующей программы соответствует свой уникальный файл. Имя каждого файла соответствует наименованию моделирующего блока, подблока или схемы.
Схемотехника цифрового вольтметра
Нумерация блока, подблока, схем и микросхем отражает последовательность создания моделирующей программы цифрового вольтметра.
Первой разработана и отлажена индикаторная часть, далее – измерительная часть, а завершала разработку отладка взаимодействия этих частей между собой и с отдельными элементами управления и сигнализации.
Индикаторная часть модели цифрового вольтметра.
Бл1 «Преобразователь кодов» - блок комбинационных цифровых устройств, осуществляющих формирование заданного выходного кода в момент появления на входе этого блока преобразуемой кодовой комбинации.
Бл1 построен по принципу поэтапного преобразования кодов и изображен на Рис. 2.
ПБл1-входящий в Бл1 подблок содержит три типовых блока (ТБл1-3), аналогичных отечественной микросхеме К155ПР7 или иностранной микросхемы SN185N, предназначенных для преобразования двоичного кода в двоично-десятичный код.
Логика преобразования входного весового кода в другой весовой код, реализованная микросхемой К155ПР7 заключается в том, чтобы сумма весов входного кода (значений его единичных разрядов) равнялась сумме весов выходного кода (значений своих единичных разрядов). Например, если входной код имеет вес 32+16+8+4 = 60, т.е. единичными являются 5-й, 4-й, 3-й и 2-й разряды входного числового кода, то выходной код, равный ему по весу, будет 40+20 = 60.
Для иллюстрации возможности дальнейшего наращивания разрядности преобразуемого кода в схеме ПБл1, изображенной на Рис. 2, показаны входы и выходы, в которых нет необходимости для реализации цифрового вольтметра с пределом измерения 10В и с погрешностью измерения 0.05В. Ненужные для этого входы – заземлены, а выходы – не используются. Следовательно, часть из 90-ста логических микросхем в ПБл1 реально не используется.
Для преобразования исходного семиразрядного двоичного числового кода в двоично-десятичный код единиц, десятков и сотен необходимы три такие схемы.
Аналоги ПР7 (ТБл1-3) – представляют из себя одинаковые схемы – аналоги микросхемы К155ПР7, каждая из которых собрана на пяти логических схемах, преобразующих четырехразрядный двоичный весовой код в весовой код 1-2-4-5.
То есть, для реализации ПБл1 используется 15-ть таких схем пронумерованных от Сх1 до Сх15.
Дешифраторы (Сх16-18).
Используются три одинаковых схемы неполного дешифратора с инверсными выходами для входного четырехразрядного двоичного весового кода. Дешифрируются только двоичные коды десятичных цифр от 0 до 9.
Дешифраторы является первой частью преобразования двоичных кодов цифр в коды индикации.
Шифраторы в код индикации (Сх19-21).
Эти элементы представляет собой вторую часть преобразователя двоичных кодов цифр в коды индикации. Логика шифрации зависит от вида используемого знакосинтезирующего индикатора для изображения цифр.
Каждый шифратор этой модели цифрового вольтметра имеет 7-мь выходов в соответствии с входами управления сегментами используемого семисегментного индикатора (HL1-HL3), имеющими общий заземленный катод. Зажигание каждого сегмента от А доG производится уровнем логической 1.
Усилители (Сх22-24).
Усилители предназначены для обеспечения тока 5mA, минимально необходимого для свечения каждого сегмента индикатора. Кроме того, усилители позволяют переводить все выходы усилителя в третье (Z) состояние, что позволяет, при необходимости, отключать индикацию цифрового вольтметра.
Измерительная часть прототипа цифрового вольтметра.
Генератор импульсов (Сх25).
Эта часть цифрового вольтметра включает в себя не только автогенератор исходных импульсов, но и триггерные формирователи импульсов, а также элементы, обеспечивающие сигналы постоянного высокого логического уровня (Лог1.1 и Лог1.2), необходимые для работы других устройств цифрового вольтметра.
Счетчик импульсов (Сх26).
В модели цифрового вольтметра используется семиразрядный асинхронный суммирующий счетчик с последовательным переносом.
Семь разрядов минимально обеспечивают заданную дискретность измерений входного напряжения 0.1В при заданном максимальном значении этого напряжения 10В, поскольку счетчик должен обеспечить 10В/0.1В = 100 показаний, а у используемого семиразрядного счетчика возможно 27 - 1 = 127 показаний.
Выходные линии счетчика пронумерованы весовым кодом его показаний.
Регистр (Сх27).
Семиразрядный параллельный регистр является входной частью ЦАП, поэтому его выходы одновременно подают сигналы и на его резисторную часть.
Этот регистр предназначен для хранения кодов показаний счетчика.
Резисторы ЦАП (Сх28).
Резисторная схема, которая является выходной частью ЦАП, построена по принципу резисторной матрицы R-2R.
Матрица резисторов состоит из 15-ти резисторов двух номиналов. Семь входных сигналов логических уровней (D), поступающие с регистра по шине ПрКд, формируют на выходе «А2» напряжение, величина которого зависит от количества этих сигналов, имеющих уровень логической 1, а также от двоичного веса каждого из таких сигналов.
Компаратор напряжений (Сх29).
Компаратор напряжений в схеме модели цифрового вольтметра является единственным аналоговым, а не цифровым устройством.
Это устройство, согласно Рис. 4 включает в себя следующее:
инвертирующий усилитель сигнала, поступающего с резистивной матрицы (вход ЦАП2), который построен на микросхеме дифференциального усилителя DA1;
инвертирующий усилитель измеряемого напряжения, который построен на микросхеме дифференциального усилителя DA2;
микросхему компарирующего дифференциального усилителя DA3;
резисторные элементы R27-R35 для калибровки усиления и диодные элементы D1 и D2 для формирования выходного сигнала «Останов.».
Дифференциальный усилитель представляет собой усилитель разности напряжений между своим прямым (положительным) и инверсным (отрицательным) входом. Такой усилитель должен иметь два источника равного напряжения электропитания разной полярности (V1 и V2).
Регулировка усиления осуществляется введением резистивной отрицательной обратной связи между выходом и инверсным входом усилителя. Коэффициент усиления по инверсному входу определяется отношением сопротивления резистора обратной связи к сопротивлению резистора, через который подается входной сигнал. Например, для усилителя DA1 это R21/R20.
Причем, при положительном входном напряжении отрицательное выходное напряжения не может превышать напряжение источника отрицательного напряжения питания, то есть V2 = – 12В.
Для дифференциальных усилителей характерен спонтанный дрейф нуля, поэтому в некоторых микросхемах предусматриваются выводы для подключения балансирующего сопротивления. В рассматриваемой схеме эти выводы не используются. В этом нет необходимости, поскольку выбраны микросхемы со сверхмалым дрейфом нуля.
Подачей напряжения на не инверсный (положительный) вход можно смещать входное напряжение дифференциального усилителя при нулевом входном сигнале. Таким способом, при необходимости, можно вводить постоянную составляющую входного напряжения. В усилителе DA1 введение такого отрицательного смещения производится резистивным делителем напряжения, состоящим из R22 и R23.
Резистивный делитель напряжения, построенный на R26-R28, позволяет без перестройки коэффициента усиления дифференциального усилителя DA2 изменять предел измеряемого входного напряжения.
Компаратор напряжений, также как и усилители, выполнен на дифференциальном усилителе (DA3), но без введения отрицательной обратной связи. Поэтому при положительной разности сравниваемых напряжений напряжение на выходе этого усилителя равно максимальному положительному напряжению, при отрицательной разности этих напряжений – максимальному отрицательному напряжению.
Рис. 4. Электрическая схема компаратора напряжений (Сх29).
Эти выходные напряжения приблизительно равны напряжению положительного источника питания микросхемы усилителя (V1 =12V) или приблизительно равны напряжению отрицательного источника питания микросхемы такого усилителя (V2 = - 12V).
Диод D1 исключает отрицательное напряжение на выходе «Останов.», а диод-стабилитрон D2 приводит уровень положительного напряжения на этом выходе к уровню стандарта ТТЛ.
На Рис. 4 принципиальной электрической схемы цифрового вольтметра показано также подключение двулучевого усилителя, необходимого для калибровки цифрового вольтметра для обеспечения им заданного предела измеряемого напряжения и погрешности измерения этого напряжения.