3. Разработка схемы устройства

3.1 Разработка структурной схемы устройства

цифровой вольтметр электрический интегрирование

Схема электрическая структурная (см. приложение ФИРЭ.ИИТ.КП.607433 Э1) отображает принцип работы устройства измерения в общем виде. На схеме изображают все основные структурные части проектируемого устройства, а также основные взаимосвязи между ними.

В структуру цифрового вольтметра входят:

• управляющие ключи SW1 – SW4

• интегратор

• триггер Шмитта, выполненный на компараторе

• генератор

• счетчики

• регистры и дешифратор с цифровым индикатором.

В исходном состоянии ключи SW1 и SW2 разомкнуты, а SW3 – замкнут, что обеспечивает нулевое выходное напряжение на выходе интегратора. На выходе компаратора логический нуль, который закрывает стробирующий элемент «И», в результате чего импульсы с выхода генератора GN на счетчик на проходят. Преобразование начинается с подачи на вход «Start» схемы единичного импульса

Интегратор производит интегрирование входного U_вх и опорного U напряжения.

Компаратор выполнен так, что когда выходное напряжение с интегратора, реализованного на операционном усилителе, равно нулю, то на его выходе устанавливается уровень логического нуля. Если выходное напряжение интегратора меньше нуля, то на выходе компаратора устанавливается логическая единица.

Интегрирование входного напряжения прекращается сигналом переноса P счетчика.

3.2 Разработка функциональной схемы устройства

На схеме электрической функциональной (см. приложение ФИРЭ.ИИТ.КП.

607433 Э2) изображены функциональные части измерительной системы (элементы, устройства, функциональные группы) и связи между ними.

Согласно алгоритму работы аналого-цифрового преобразователя интегрирующего типа процесс измерения происходит в три последовательных стадии:

1 стадия (начальное состояние) – Ключи SW1 и SW2 закрыты, а ключ SW3 – открыт. Переход на стадию 2 происходит при наличии на входе START высокого уровня сигнала.

2 стадия (стадия интеграции T_ИНТ) – Ключ SW1 открыт, а ключи SW2 и SW3 закрыты. Переход на стадию 3 происходит при наличии на выходе P (перенос) высокого уровня сигнала.

3 стадия (стадия интеграции t_ИНТ) – Ключ SW2 открыт, а ключи SW1 и SW3 закрыты. Переход на стадию 1 происходит при наличии на выходе компаратора низкого уровня сигнала.

Для управления ключами SW1 и SW2 используется триггер Т1. Состояние его информационных выходов исключают возможность включения сразу двух ключей SW1 и SW2, но так как на одном из двух выходах триггера Т1 всегда присутствует логическая единица, то необходимо с помощью логических элементов И заблокировать прохождение дальше сигнала – на вход инвертора.

Для расшунтировки интегратора И (ключ SW3 в открытом состоянии) необходимо сбросить триггер T2 и наоборот для шунтирования интегратора записываем триггер Т2 в логическую единицу.

При включении питания цифрового вольтметра формируется логический сигнал аппаратного сброса RESET, который сбрасывает триггер T2 и тем самым запускает процесс измерения.

Установка триггера Т2 происходит при установки триггера выходным сигналом компаратора. Чтобы при сбросе триггера Т2 автоматически не установился еще не сформировавшимся выходным сигналом компаратора, его необходимо блокировать сигналом, который был активным в момент сброса триггера и неактивным в момент реальной установки триггера Т2.

В схеме используются двоично-десятичные счетчики, которые упрощают преобразования кода измеренного сигнала в цифровые значения, что соответственно ведет к упрощению схемы. Двоично-десятичные счетчики подключены каскадно и последовательно друг другу, то есть переполнение одного счетчика является тактом старшего двоично-десятичного счетчика.

В момент счета Т_ИНТ двоично-десятичные счетчики производят счет до переполнения в этот момент растет выходное напряжение интегратора до напряжении U_вх. По окончанию счета на выходе счетчика Сч3 формируется сигнал переполнения, который поступает на тактовый вход триггера Т1 и производит переключения состояния с логическое единицы в логический нуль. Тем самым закрывает транзистор VT1 или VT2 и открывает транзистор VT3. На вход интегратора поступает напряжение – U_вх, который уменьшает выходное напряжение интегратора до нуля.

При выходном напряжении интегратора 0 В переключает свое состояние компаратор и на его выходе формируется логический нуль. Нулевой сигнал Интегратора устанавливает триггер Т2, что приводит к шунтированию интегратора И. Прекращается счет счетчиков Сч1 – Сч3, а его выходные значения записываются в регистры RG1 – RG3, после окончания записи происходит сброс счетчиков и сброса триггера Т2.

По окончанию счета выходные значения счетчика записываются в регистры декад и хранятся в них до нового значения счетчиков.