Екость-КодМАРИНА / КОММЕНТАРИИ

В наше время существует высокая потребность в измерении электрических величин различных устройств, так как любой прибор со временем теряет свою точность и выходит из строя. Это является следствием того, что какой-то элемент устройства изменил свои электрические свойства. Для обнаружения и устранения неполадок создаются различные измерительные приборы. К элементарным средствам измерения относятся измерительный преобразователь. Конденсатор, как и другой элемент схемы может изменять свои свойства, примером одного такого изменения – «высыхание», т.е. конденсатор теряет емкость. Вследствие этого электролитические конденсаторы нередко являются причиной неисправности радиоаппаратуры.

В данном проекте требовалось разработать функцион. преобразователь емкость-код, сущность данного преобразователя заключается в преобразовании емкости конденсатора в код. Преобразователь должен обладать следующими техническими характеристиками: диапазон емкости 100пФ-1000пФ, хранение и считывание преобразования внешней ЭВМ, автоматический режим работы, время преобразования не более 1 с, погрешность преобразования на верхней границе динамического диапазона не более 3 %.

При проектировании функционального преобразователя «емкость-код» был проведен обзор и анализ литературы. Помимо исходной рекомендуемой литературы были использованы другие технические издания и глобальная сеть Internet. При обзоре были выбраны основные блоки устройства и элементы блоков, позволяющие реализовать требования проекта.На основе аналитического обзора были выделены устройства аналоги, реализующие схожие функции. В качестве аналогов рассматривались

1. измеритель емкости, основанный на RC-генераторе [3, 9], частота колебания которого зависит от величины емкости конденсатора Сx следующим образом. Характеристики данного метода не соответствует техническому заданию: изменяя R, можно менять пределы измерения от 103 пФ до 103 мкФ; погрешность измерения зависит от предела измерения и колеблется от 0.1 до 10 %.

2. цифровой измеритель сопротивления и емкости [3] (структурная схема показана на рисунке 1.3), в котором используются свойства затухающих процессов. Суть данного устройства заключается в измерении времени, за которое напряжение на конденсаторе уменьшается в е раз (е = 2,718). Этот промежуток времени равен τ (постоянной времени цепи) зависит от емкости конденсатора и сопротивления резистора. Данный метод обладает малыми погрешностью и временем преобразования.

В качестве устройства-прототипа данного проекта был выбран цифровой измеритель сопротивления и емкости.

Функциональная схема содержит следующие обозначения:

1. компаратор;

2. блок управления;

3. генератор тактовых импульсов;

4. логический элемент И;

5. счетчик импульсов;

6. регистровая память;

7. ключ SW.

Конденсатор заряжается до напряжения U₀, после чего ключ SW закрывается, и напряжение за счет действия сопротивления цепи уменьшается. На вход компаратора, поступают два сигнала: уменьшающееся напряжение цепи и напряжение, равное u/e_. В апериодическом затухающем процессе, интервал времени между началом процесса затухания, когда напряжение равно U₀, и моментом, когда напряжение уменьшается до U =u/e, равен постоянной времени цепи τ. Постоянная времени активно-емкостной цепи равна R*C.

В ходе работы были проведены расчеты на структурном уровне, выбор элементов электрической цепи, анализ метрологических характеристик, электрическое моделирование.

Рассмотрим принципиальную схему. Сначала было определено значение активного сопротивления в цепи. В данном проекте конденсатор заряжается постоянным напряжением. Поэтому необходимо устранить возможные пульсации поступающего напряжения от источника питания. Для этого воспользуемся стабилизатором, который будет обеспечивать поддержание с необходимой точностью требуемой величины постоянного напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети. В данной работе простейшим стабилизатором напряжения служит обычный зенеровский диод-стабилитрон (рисунок 3.1). На одном из входов компаратора значение напряжения в е раз меньше U₀, на электрической схеме это реализуется с помощью делителя напряжения. Компаратор выберем из требования быстродействия и погрешности. Он реализован на микросхеме К521СА3 (рисунок 3.3) и сравнивает входной сигнал с убывающим напряжением. Сигнал с компаратора поступает на триггер блока управления. Блок управления включает в себя генератор импульсов, ждущий мультивибратор ЖМ и D-триггер Т. Генератор тактовых импульсов основан на базе кварцевого резонатора и дискретных ИС [7]. Частота генератора была вычислена в разделе 2 и составляет 200 Гц. Но генераторы с различными кварцевыми резонаторами могут обеспечить частоту от 100 кГц до 10 МГц [2]. Поэтому снабдим генератор частотой 200 кГц, а для обеспечения частоты 200 Гц воспользуемся делителем частоты. Для этого возьмем три счетчика К155Ие2 с коэффициентом счета 10. Для обеспечения автоматического режима выберем несимметричный мультивибратор, который будет воспроизводить импульс длительностью 1с и паузу между циклами преобразования равную 10^-4с. Сигнал на одновибратор будет подавать генератор тактовых импульсов. Длительность формируемого импульса одновибратором не зависит от рабочего напряжения и температуры и определяется параметрами навесных элементов, а период следования импульсов определяется периодом следования запускающих импульсов на вход мультивибратора. В качестве элемента делителя частоты импульсов, поступающих на вход ST3 ждущего мультивибратора от ГТИ, возьмем два счетчика К155ИЕ2 с коэффициентом счета 10 и для деления частоты на два возьмем триггер К155ТМ2. Сигнал с выхода ждущего мультивибратора идет на триггер Т. По быстродействию и функциональным возможностям выберем триггер К155ТМ2 (рисунок 3.7). С – управляющий вход разрешения приема информации. Триггер переводиться в состояние “0” R-входом и в состояние “1” – D-входом при действии импульса по входу С. Выход Q управляет логическим элементом И. Выход управляет сбросом счетчика. В зависимости от состояния триггера, ключ SW либо открыт, либо закрыт.