Содержание

3.1. Активно-емкостная цепь. Стабилизатор напряжения. Делитель напряжения 14

3.2. Компаратор 15

3.3. Аналоговый ключ 16

3.4. Блок управления 16

3.5. Логический элемент И 18

– среднее время задержки распространения 23 нс; 18

3.6. Генератор тактовых импульсов 18

– среднее время задержки распространения 19 нс; 18

3.7. Счетчик импульсов 19

3.8. Регистр 20

5.1 Диапазон емкости измеряемого конденсатора 24

5.2 Время преобразования 24

5.3 Автоматический режим работы 24

5.4 Погрешность преобразования 24

ВВЕДЕНИЕ

Функциональный преобразователь «емкость-код» предназначен для преобразования емкости конденсатора в двоичный код с малым временем преобразования.

Средства электрических измерений физических величин в настоящее время являются элементами практически каждой системы автоматизации научных исследований и управления технологическими процессами в промышленности. Важную роль в таких устройствах играют преобразователи для электрического измерения параметров первичных измерительных преобразователей. Их функциональное назначение заключается в обеспечении связи измерительных с измерительными приборами, средствами передачи и обработки данных. В настоящее время на практике часто появляется необходимость измерения емкости конденсаторов, так как их емкость со временем может измениться весьма значительно.

В данной работе рассмотрена реализация функционального преобразователя «емкость-код». Приводятся функциональная и принципиальная схемы преобразователя, описываются его основные характеристики, принцип работы и построения.

1 Выбор и обоснование направления проектирования

Выберем разновидность метода преобразования емкости конденсатора в код в соответствии с требуемыми точностью и быстродействием.

При проектировании функционального преобразователя «емкость-код» был проведен обзор и анализ литературы. Помимо исходной рекомендуемой литературы были использованы другие радиотехнические 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] (схема преобразователя показана на рисунке 1.1), частота колебания которого зависит от величины емкости конденсатора Сx следующим образом

, (1) гдеk- некоторая константа. Суть прибора заключается в следующем:RC-генератор вырабатывает гармонические колебания с частотойf_x, которые затем попадают на формирователь, вырабатывающий сигналы прямоугольной формы и той же частоты. Эти сигналы поступают на один из входов логического элемента И. На другой вход подается импульс, имеющий заданную длительность ∆t₀. На выходе логического И формируется импульсы, которые подсчитываются счетчиком. Результат работы счетчика – код емкости конденсатора. На рисунке 1.2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу метода.

Рисунок 1.1– Структура измерителя емкости, основанного на RC-генераторе

Рисунок 1.2 – Временные диаграммы, поясняющие работу метода

Характеристики данного метода не соответствует техническому заданию: изменяя R, можно менять пределы измерения от 10³пФ до 10³мкФ; 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) и зависит от емкости конденсатора и сопротивления резистора

(2)

В течение этого времени счетчик подсчитывает импульсы, поступившие на его вход, и выдает результат в двоичном коде. Изменяя значение R, можно изменять диапазон измеряемой емкости. ПриС=constприбор может использоваться для цифрового измеренияR. По такому принципу работает цифровой польский вольтомметр типаV552. Данный метод обладает малыми погрешностью и временем преобразования [3].

Рисунок 1.3 – Структура цифрового измерителя сопротивления и емкости

В качестве устройства-прототипа данного проекта был выбран цифровой измеритель сопротивления и емкости. Для соответствия техническому заданию в схему добавим запоминающее устройство, а также блок управления для размыкания/замыкания ключа и обнуления счетчика. Для обеспечения диапазона емкостей, предложенного в техническом задании, проведем соответствующие расчеты. Функциональная схема функционального преобразователя «емкость-код» выбранного метода приведена на рисунке 1.4, а временные диаграммы – на рисунке 1.5.

Рисунок 1.4 – Функциональная схема

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.

Рассмотрим каждый блок данной схемы более подробно:

Компараторомназывают функциональный узел сравнения чисел. Это простейший преобразователь непрерывного сигнала в дискретный. Напряжение на выходе может находиться на одном из двух фиксированных уровней, условно называемых «логической еденицей» и «логическим нулем». В данной работе компаратор сравнивает напряжение, поступающее на его вход с конденсатора, с постоянным напряжением, равное начальному значению конденсатора, уменьшенному вераз.

Блок управления– это блок, предназначенный для управления ключом и обнуления счетчика импульсов. Более подробно о работе этого блока см. 3.2.

Генератор тактовых импульсов создает периодическую последовательность импульсов.

Логический элемент И. Логические элементы предназначены для выполнения различных логических (функциональных) операций над дискретными сигналами при двоичном способе их представления. В данном случае используемый логический элемент И пропускает импульсы, поступающие на его вход, если выходное значение компаратора соответствует единице.

Счетчик импульсов– устройство, на выходе которого сигналы в определенном коде отображают число импульсов, поступивших на счетный вход. В данном проекте, поступившие на вход счетчика импульсы, подсчитываются в двоичном коде.

Регистровая памятьпредназначена для сохранения и считывания результатов преобразования.

Ключпредставляет собой одну из простейших разновидностей аналого-цифровых схем. Управляется он дискретными сигналами, а переключает непрерывные.

Рисунок 1.5 – Временные диаграммы, поясняющие работу выбранного метода преобразования