Пояснительная записка

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;

• визуальная сигнализация: о выходе измеряемого напряжения за установленные пределы измерения.

1.2. Состав цифрового вольтметра:

Цифровой вольтметр представляет собой аналого-цифровой преобразователь с визуальной 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 (Лист1 чертежей схем принципиальных электрических цифрового вольтметра):

• генератор импульсов (Сх9);

• счетчик импульсов (Сх10);

• цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) показаний счетчика в напряжение, состоящий из регистра (Сх11) и резистивной матрицы (Сх12);

• масштабирующие усилители входного напряжения и напряжения на выходе ЦАП, а также компаратор отмасштабированных напряжений (все в Сх13);

• дополнительные логические и триггерные схемы управления (DD114-DD120).

В цифровом вольтметре используется динамический принцип индикации показаний, при котором коды индикации десятичных цифр, формируемые блоком преобразования кодов (Бл1), поочередно подаются по общей шине кодов индикации (Бл1/Код.Инд) на индикаторы значений десятков, единиц и долей единиц вольт (соответственно, HL1-HL3) с помощью коммутатора (Сх8) синхронно с коммутацией соответствующего индикатора.

При достаточно высокой скорости коммутации, благодаря инерционности человеческого зрения, одновременно читаются показания всех индикаторов. При такой индикации экономится энергопотребление цифрового вольтметра и упрощается схемотехника необходимого преобразования кодов в Бл1.

В блок Преобразователя кодов (Бл1) входят:

• преобразователь двоичного кода АЦП в двоично-десятичный код, в виде отдельного подблока (ПБл1), включающего несколько цифровых логических схем и подсхем;

• формирователь общей шины двоичных кодов десятичных цифр показаний вольтметра (Сх4);

Приложение 4. Пример 2-го и последующих листов пояснительной записки

• устройства для последовательного преобразования двоичного кода такой цифры в код индикации: дешифратор двоичных кодов десятичных цифр (Сх5), шифратор в код семисегментного индикатора (Сх6), а также управляемый усилитель сигналов шифратора, обеспечивающий необходимые токи для свечения сегментов индикатора (Сх7).

1.3. Принцип работы цифрового вольтметра

На листе 1 чертежей принципиальной электрической схемы цифрового вольтметра приведена общая схема этого устройства.

При включении моделирования цифрового вольтметра сигналом «Сброс», который формируется в Сх9, осуществляется установка в исходное нулевое состояние триггеров счетчика (Сх10), триггеров регистра (Сх11), триггеров схемы коммутатора (Сх8), а также триггера управления DD119A. Соответственно, индикаторы цифрового вольтметра поочередно покажут исходные нулевые значения единиц, десятков и сотен Вольт.

Эталонные импульсы, непрерывно генерируемые схемой Сх9, не поступают на счетчик импульсов (Сх10) и в регистр (Сх11), поскольку при нулевом состоянии триггера DD119А через логическую схему ИЛИ (DD142A) на управляющий вход логической схемы DD116A поступает высокий уровень логической 1. Этот уровень обеспечивает схеме DD116A третье (высокоимпедансное) состояние выхода.

Для начала измерений необходимо, предварительно установив на Источнике U_изм (V3) измеряемое значение напряжения, кратковременно нажать на кнопку «Измерить»(SW1).

При этом управляющий триггер DD119A устанавливается в единичное состояние, обеспечивая высокий уровень сигнала на входе Вкл.Инд. у блока преобразователя кодов (Бл1). При этом происходит отключение (гашение) индикации во время измерения, а появившийся низкий уровень логического 0 на управляющем входе схемы DD118A, обеспечивает начало поступления импульсов на счетчик (Сх10) и в регистр (Сх11).

Причем, благодаря инвертору DD117A импульсы записи в регистр (Сх11) поступают инвертированными относительно эталонных импульсов, которые поступают на счетчик (Сх10). 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 (Сх12), преобразующей этот код в напряжение, происходит пропорциональный рост напряжения ЦАП2.

В Сх13 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 (Сх13), поступающим на управляющий триггер DD119A, 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 поочередно показывается код, на котором произошла остановка роста показаний счетчика. При соответствующей разрядности цифрового кода, поступающего со счетчика на ЦАП, состоящий из регистра (Сх11) и резисторов ЦАП (Сх12), а также при надлежащей калибровке элементов компаратора напряжений (Сх13) эти показания будут соответствовать значению измеряемого напряжения с заданной погрешностью.

Очевидно, что максимальное время измерения (от начала поступления импульсов на счетчик (Сх10) 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 DD115A 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 DD120A и DD120B, 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 DD119A 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 (DD118A) одновременно с включением сигнализации HL4 на управляющий вход схемы DD116A поступает высокий уровень логической 1 с инверсного выхода триггера DD119A.