4.2. Измерительная часть прототипа цифрового вольтметра.

Генератор импульсов (Сх9).

Эта часть цифрового вольтметра включает в себя, как следует из листа 12 чертежей его принципиальной электрической схемы, не только подсхему автогенератора исходных импульсов (ПСх17), но и формирователи импульсов на триггерах DD121, а также элементы, обеспечивающие сигналы постоянного высокого логического уровня (Лог1.1 и Лог1.2), необходимые для работы других устройств цифрового вольтметра.

Для улучшения формы эталонных импульсов, генерируемых в ПСх17, они поступают на внешние устройства через триггер-делитель DD121A.

Триггер DD121B формирует импульс сброса низкого логического уровня в момент включения электропитания для цифровой части цифрового вольтметра от источника VCC = 5V.

Через резисторы R8 и R9 от этого же источника питания обеспечивается два выхода высокого логического уровня для внешних устройств. Один из выходов используется измерительной частью цифрового вольтметра, а другой - его индикаторной частью. Каждый выход обеспечивает коэффициент разветвления, не превышающий 10.

Для увеличения нагрузочной способности выхода «Сброс» используется микросхема DD116B с выходом повышенной мощности, у которой исключено третье состояние выхода заземлением ее управляющего входа.

Двулучевой осциллограф и частотомер подключены для контроля наличия сигнала «Сброс», а также для контроля формы и частоты последовательности эталонных импульсов.

Автогенератор импульсов (ПСх17).

Автогенератор импульсов, схема которого изображена на листе13 чертежей принципиальной электрической схемы цифрового вольтметра, собран на микросхеме DD115B, имеющей гистерезисный выход. Элементы R11 и C1 являются времязадающими. Резистором R11 регулируется частота импульсов.

При указанных на этом листе номиналах R11 и C1 генерируются импульсы с частотой приблизительно 2 кГц.

Счетчик импульсов (Сх10).

Используемый в цифровом вольтметре семиразрядный асинхронный суммирующий счетчик с последовательным переносом изображен на листе 14 чертежей электрической схемы вольтметра.

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 = 128 показаний.

Счетчик собран на семи D-триггерах (DD122-DD125), в каждом из которых для обеспечения счетного режима инверсный выход соединен с входом данных D. Сигнал «Сброс» низкого логического уровня подается на объединенные входы CLR для установки исходного нулевого состояния триггеров счетчика. На незадействованные входы PR (Preset) всех триггеров подан сигнал высокого логического уровня.

Выходные линии счетчика пронумерованы весовым кодом его показаний (от 2⁰ = 1 до 2⁶ = 64).

Регистр (Сх11).

Параллельный регистр собран на семи D-триггерах (DD126-DD129) как это показано на листе 15 чертежей принципиальной электрической схемы цифрового вольтметра.

У этих триггеров объединены входы CLR для возможности одновременной установки их начального нулевого состояния.

Объединенные входы CLK используются для входного сигнала «Запись», на фронт которого в регистр записываются выходные данные счетчика, поступающие на входы D этих триггеров.

На незадействованные входы триггеров подан сигнал высокого логического уровня.

Сигналы с этих триггеров поступают по шине «ПрКд» на вход преобразователя кодов (Бл1).

Регистр также является входной частью ЦАП, поэтому его выходы одновременно подают сигналы цифрового числового кода и на резисторную часть ЦАП.

Резисторы ЦАП (Сх12).

Резисторная схема, которая является выходной частью ЦАП, построена по принципу резисторной матрицы R-2R.

Матрица, как это следует из ее изображения на листе 16 чертежей принципиальной электрической схемы цифрового вольтметра, 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 (Сх13).

Компаратор напряжений в схеме цифрового вольтметра является единственным аналоговым, а не цифровым устройством.

Это устройство, согласно листу 17 чертежей принципиальной электрической схемы цифрового вольтметра, 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-R32 для калибровки усиленияDA1 и DA2, а также резистор R33 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 = V2 = 12V).

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 R28/R27.

Причем, при положительном входном напряжении отрицательное выходное напряжения не может превышать напряжения 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 неинверсный (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 R29 и R30.

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. Эти выходные напряжения приблизительно равны напряжению положительного источника питания микросхемы усилителя (V1) или приблизительно равны напряжению отрицательного источника питания микросхемы такого усилителя (V2).

Диод D1 исключает отрицательное напряжение на выходе «Останов.», а диод-стабилитрон D2 приводит уровень положительного напряжения на этом выходе к уровню стандарта ТТЛШ.

На листе 17 чертежей принципиальной электрической схемы цифрового вольтметра показано также подключение двулучевого усилителя, необходимого при калибровке цифрового вольтметра, с целью обеспечения им заданного предела измеряемого напряжения и погрешности измерения этого напряжения.

Приложение 5. Пример оформления чертежей в стандарте ANSI

Приложение 6. Пример выполнения чертежей в стандарте ГОСТ ЕСКД

Приложение 7. Пример выполнения таблицы спецификации (фрагменты)

Спецификация элементов принципиальной электрической схемы

Поз. обозн.	Наименование	Кол-во	Примечание
DD1	Микросхема SN7400	1	Аналог К155ЛА3
DD2	Микросхема SN7404	1	Аналог К155ЛН1
DA1,2	Микросхема AD707AH	2	Аналогов нет
R1-7	Резистор М0-500. 600 ohm. 5%. 5 W.	1	Аналог Р1-12 или С2-33Н
C1*	Конденсатор 298D. 50-200 pF, 20%. 20V.	1	Аналог К50-68

* подбираются при настройке.

Приложение 8. Пример выполнения перечня использованных источников

Перечень использованных источников

1. Степаненко Д.П. Конспект лекций по дисциплине «Схемотехника». Часть 1. Схемотехника дискретных цифровых устройств-Калининград: БГАРФ, 2009.-158с.: ил.

2. Пухальский Г.И, Новосельцева Е.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник-М.: Радио и связь,1990.-304с.:ил.

http://www.litasens.ru/library/books/proectirovanie_diskretnih_ustroystv_na_integralnih_microchem.html

3. Совместимость отечественных ТТЛ и импортных микросхем 74 серии. http://gete.ru/page_229.html

ОГЛАВЛЕНИЕ