Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Электротехника и электроника»




Скачать 134.87 Kb.
НазваниеПояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Электротехника и электроника»
Дата15.01.2013
Размер134.87 Kb.
ТипПояснительная записка


Министерство образования и науки РФ

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ОмГТУ)


Кафедра «Автоматизированные системы обработки информации и управления»


Пояснительная записка

К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

по дисциплине «Электротехника и электроника»

на тему «Функциональный преобразователь «емкость-код»






Преподаватель




Никонов А.В.










Разработала студентка гр. Ас-312

Мельникова И.В.





















Омск 2004


РЕФЕРАТ

Пояснительная записка 19 с., 9 рис., 2 табл., 6 источников, 2 л. графического материала.

ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ, БЛОК ГЕНЕРАТОРА ОПОРНОЙ ЧАСТОТЫ, МОДЕЛИРОВАНИЕ, МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

Объектом выполненной работы является цифровой измеритель.

Цель работы – выбор, проектирование и моделирование преобразователя с заданными параметрами.

В процессе работы проводились расчеты на структурном уровне, выбор элементов электрической схемы, анализ метрологических характеристик, электрическое моделирование узла схемы.

В результате исследований было определено: число разрядов счетчика импульсов, емкость счетчика, частота генератора.

Степень внедрения – проектирование для учебных целей.


СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 7

1Выбор и обоснование направления проектирования 8

2Расчёт на структурном уровне 10

2.1Преобразователь «емкость-временной интервал» 10

2.2Счетчики импульсов 10

2.3Блок генератора опорной частоты 11

2.4Регистры 11

3Расчет элементов электрической схемы 12

3.1Расчет преобразователя емкости во временной интервал 12

3.2Блок генератора опорной частоты 13

3.3Счетчики импульсов 13

3.4Регистры 13

3.5Временные диаграммы 14

4Электрическое моделирование схемы 16

5Анализ метрологических характеристик 18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 19

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 20

ВВЕДЕНИЕ

Цифровыми называются такие измерительные устройства, в которых измеряемая величина автоматически в результате квантования и цифрового кодирования представляется кодовым сигналом, выражающим значение измеряемой величины.

Цифровые измерительные устройства разделяют на цифровые измерительные приборы (ЦИП) и измерительные преобразователи аналог-код (ИПАК).

Характерной особенностью цифровых приборов и измерительных преобразователей аналог-код является дискретность выдачи результата измерения во времени, так как для определения числового значения измеряемой величины необходима затрата определенного времени.

Функциональными преобразователями ФП называются вычислительные устройства, служащие для моделирования элементарных нелинейных зависимостей одной или двух переменных:





Функциональные преобразователи пригодные лишь для моделирования функции одного вида (степенной, тригонометрической, показательной и т.д.), называются специализированными. Они обычно используются в качестве нелинейных звеньев вычислительно-управляющих и информационно-измерительных приборов или входят в состав универсальных ФП.

Работа рассматриваемого преобразователя основана на преобразовании измеряемой величины в интервал времени, заполняемый импульсами опорной частоты, количество которых подсчитывается цифровым счетчиком. В интервал времени преобразуется либо непосредственно измеряемая величина, либо величина, функционально связанная с измеряемой и полученная в результате промежуточного преобразования

  1. Выбор и обоснование направления проектирования

В ходе аналитического обзора литературы были выбраны две типовые структурные схемы простейших измерителей емкости [1, 2] (рисунок 1, рисунок 2).

Схема, представленная на рисунке 1 работает следующим образом. На цепочку, состоящую из Сх и образцового резистора R подается напряжение питания U. При этом триггер Тг открывает ключ Кл и начинается заполнение цифрового счетчика ЦС импульсами опорной частоты f0 от генератора импульсов ГИ.

Потенциал конденсатора растет по зависимости

,

где τ = RCx. Через интервал времени t = τ

,

т.е. если сравнивать на сравнивающем устройстве СУ напряжение UC с опорным напряжением U0 = 0.632 U, то СУ создаст сигнал на переброску триггера и закроет ключ Кл в момент времени tx = τ. Количество импульсов, поступивших за этот интервал времени на счетчик,

,

т.е. пропорционально значению Cx (коэффициент f0R обычно берут кратным 10).




Рисунок 1 – Первая схема преобразователя емкости

Вторая схема, представленная на рисунке 2, работает следующим образом. Управляющий сигнал от ЭВМ обнуляет счетчики ЦС и они начинают считать с нуля количество импульсов, поступивших от генератора импульсов опорной частоты ГИ. Счетчики будут считать до тех пор, пока с сравнивающего устройства СУ не поступит импульс на вход регистра Рг, разрешающего запись. Тогда регистр запоминает последнее значение, на выходе счетчиков, которое пропорционально измеряемой емкости конденсатора Сх.




Рисунок 2 – Вторая схема преобразователя емкости

Обе эти схемы работают по одному принципу временного преобразования, т.е. емкость конденсатора преобразуется во временной интервал T0, в течение которого счетчики подсчитывают импульсы опорной частоты. Количество импульсов пропорционально временному интервалу T0, а следовательно и емкости конденсатора.

Для выполнения курсового проекта была выбрана вторая схема, т.к. она проще с точки зрения реализации.

  1. Расчёт на структурном уровне

В качестве схемотехнического базиса были выбраны элементы ИС ТТЛ серий, т.к. по заданию нет специальных требований по выбору интегральных схем.

Для построения схемы на структурном уровне за основу была взята схема, реализующая метод преобразования емкости в код. В полученной схеме можно выделить такие блоки, как:

  • преобразователь емкость-временной интервал;

  • блок генераторов опорной частоты;

  • блок счетчиков;

  • блок регистров.

Рассмотрим каждый блок.

    1. Преобразователь «емкость-временной интервал»

Функциональная схема данного блока представлена на рисунке 3.



Рисунок 3 – Блок преобразователя емкости во временной интервал

Данная схема реализует принцип преобразовывания емкости конденсатора во временной интервал. На выходе данного блока формируется положительный фронт через время задержки T0 от сигнала на разрешение от внешней ЭВМ. Где время задержки Т0 пропорционально измеряемой емкости конденсатора.

    1. Счетчики импульсов

Счетчик импульсов формирует число на выходе, равное количеству импульсов за время цикла T0. Емкость счетчика Nxmax определим как Свхmax/k, где k – ступень квантования, равная абсолютной методической погрешности мет [2], которую можно принять равной половине погрешности преобразования , заданной в ТЗ (мет = 5/2 = 2,5 % или 2,5 пФ). Таким образом, емкость счетчика импульсов, должна быть не меньше Свхmax/k = 1000/2,5 = 400. Определим разрядность счетчика n из соотношения n. Так как разрядность счетчика не может быть дробной величиной, то примем ее равной 9.

    1. Блок генератора опорной частоты

На выходе данного блока формируются импульсы опорной частоты. Т.к. по заданию Тмах = 2 с. и с учетом того, что емкость счетчика Свхмах = 400 (см. выше) можно расчитать опорную частоту по формуле . Подставив в формулу значения, получаем, что частота на выходе должна быть равной 200 Гц.

    1. Регистры

Разрядность регистра должна быть такой же как у счетчика. Регистр должен обеспечивать длительное хранение и возможность считывания результата преобразования.

Таблица 2.1 – Требования к блокам

Наименование параметра

Обозначение параметра

Единица измерения

Значения параметров блоков

Преобразователь «емкость-временной» интервал

Счетчики импульсов

Блок генератора опорной частоты

Регистры

Временные

Tмах

с

2










Другие

Разрядность







9




9



Гц







200




Сх

пФ

100..1000










  1. Расчет элементов электрической схемы

В данном разделе приводится расчет основных параметров электрической принципиальной схемы. Приведен расчет преобразователя емкости во временной интервал, блока генератора опорной частоты и двоичного счетчика импульсов.

    1. Расчет преобразователя емкости во временной интервал

В качестве блока, реализующего преобразование емкости во временной интервал была разработана следующая схема (рисунок 4.1).



Рисунок 4.1 – Преобразователь «емкость-временной интервал»

Поступает импульс от внешней ЭВМ и замыкает ключ. В качестве ключа был выбран аналоговый ключ КР590КН3, который имеет четыре информационных входа, один выход и два управляющих входа. Конденсатор заряжается до напряжения приблизительно 5 В за время длительности импульса от ЭВМ 1,17 мкс, по истечении которого конденсатор начинает разряжаться через резистор R до 3,65 В при этом потенциал на входе элемента 2И-НЕ станет равным 5 - 3,65 = 1,35 В, при этом выход переключится с высокого уровня на низкий. Сопротивление R рассчитывается из формулы [3]:

,

где U0 – напряжение заряда конденсатора, равное 5 В,

С – максимальная емкость конденсатора,

Tmax – максимальное время преобразования,

U – 1,35 В.

Подставив в формулу значения, получаем, что R = 6349 MОм. В качестве инвертора выбран элемент 2И-НЕ К133ЛА3.

    1. Блок генератора опорной частоты

Данный блок содержит генератор импульсов, построенный на логических элементах 2И-НЕ К133ЛА3, кварцевый резонатор и резистор (рисунок 4.2).



Рисунок 4.2 – Блок генератора опорной частоты

В данной схеме R = 390 Ом служит для задания рабочей точки элементов 2И-НЕ [3]. Кварцевый резонатор ZQ образует частотозадающую цепь. Как было определено ранее нам необходима частота f = 200 Гц. Т.к. кварцевый резонатор не может обеспечить частоту менее 1 кГц, то необходимо поставить делитель частоты, например, на 16. Тогда частота генератора должна быть равной 200·16 = 3,2 кГц. В качестве делителя возмем 4-разрядный двоичный счетчик КР1533ИЕ5, импульсы с генератора подаются на его счетный вход, а на выход поступает сигнал со старшего разряда счетчика.

    1. Счетчики импульсов

Для подсчета импульсов используются 3 4-разрядных двоичных счетчика импульсов К155ИЕ5.

Для обеспечения заданной погрешности, в счетчике используется 9 разрядов, формирующих цифровой код на выходе данного устройства.

Цифровой код с выхода счетчиков подается на регистры.

    1. Регистры

Выбранный параллельный регистр К531ИР18 является 6-разрядным, поэтому для обеспечения девяти разрядов надо взять два регистра. Регистр имеет вход разрешения записи С, на который необходимо подавать сигнал высокого уровня в момент, когда необходимо запомнить значение на выходах счетчиков. А так как с блока преобразователя емкости во временной интервал выходит сигнал низкого уровня, то надо поставить инвертор К133ЛА3 (рисунок 4.3).



Рисунок 4.3 – Блок регистров

Регистр обеспечивает хранение результата преобразования.

    1. Временные диаграммы

Д
V
алее на рисунке 4.4 приведены временные диаграммы работы устройства.



Рисунок 4.4 – Временные диаграммы работы устройства

На первом графике показан управляющий сигнал от ЭВМ в уровнях ТТЛ. На втором графике показано изменение потенциала в точке 2. Сначала потенциал в этой точке равен 5 В. Затем, когда поступает импульс от ЭВМ и на протяжении его длительности, пока ключ замкнут, потенциал равен нулю. По истечении импульса он начинает нарастать до 5 В. На третьем графике показан сигнал на выходе блока преобразования емкости во временной интервал. Когда потенциал в точке 2 становится равным 1,35, сигнал на выходе данного блока переключается с высокого уровня на низкий. На четвертом графике показано состояние на входах регистров, разрешающих запись. Т.к. на эти входы необходимо подавать сигнал высокого уровня, то прежде мы его инвертируем, и как только на входы подается сигнал высокого уровня, регистры фиксируют последнее значение на выходах счетчиков и хранят его до тех пор, пока сигнал не переключится с высокого уровня на низкий.

  1. Электрическое моделирование схемы

Для электрического моделирования был выбран процесс разряда конденсатора через резистор (рисунок 4.1).



Рисунок 4.1 – Модель устройства разряда конденсатора

Моделирование блока проводилось в ППП Micro-Cap 7. Параметры построенной модели приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Параметры элементов модели

Обозначение в MC7

Параметр

Значение

Генератор импульсного сигнала:




VZERO

Уровень нуля, В

0

VONE

Уровень единицы, В

5

P1

Временные характеристики, с

0.035

P2

0.035

P3

0.04

P4

0.04

P5

3

Ключ




RON

Сопротивление открытого ключа, мкОм

1

ROFF

Сопротивление закрытого ключа, МОм

10000000

VON

Управляющий сигнал для включения, В

5

VOFF

Управляющий сигнал для выключения, В

0

Источник напряжения

75

VALUE

Напряжение, В

5

Далее приведены графики, на одном из которых показан управляющий сигнал, а на другом процесс зарядки и разрядки конденсатора (рисунок 4.2). В качестве устройства, имитирующего управляющий сигнал от ЭВМ, приведен генератор импульсного сигнала.



Рисунок 4.2 – Иллюстрация разряда конденсатора

  1. Анализ метрологических характеристик

Заданный диапазон емкости (100-1000 пФ) и время преобразования (Тmax = 2 с) были обеспечены путем выбора резистора R = 6349 МОм (см. п. 3.1), который формирует цепь разряда конденсатора.

Погрешность, заданная в техническом задании поровну распределяется на методическую погрешность и погрешность устройства. Т.е. 2,5 % было отведено на погрешность дискретности, исходя из этого была определена ступень квантования. Остальные 2,5 % отводятся на погрешность устройства.

Погрешность устройства является аддитивной и состоит из погрешности опорного напряжения и погрешности ключа. Погрешность опорного напряжения имеет место из-за помех сигнала от источника напряжения (приблизительно 0,1 В), поэтому время ∆t1 и ∆t2, определяемые по формуле (1) будут различны из-за различных U0 с учетом и без учета помех.

(1)

Затем по формулам (2), (3) находим погрешность опорного напряжения.

U = ∆t2 – ∆t1, (2)

δU = (∆U / ∆t1) ∙ 100%. (3)

Рассчитав погрешность, получаем, что она равна 2,4 %.

По формуле (1) находим Uидеал при R = 300 Ом (сопротивление закрытого ключа) и Uреал при R = (300 + 0,1) Ом (сопротивление ключа + внутреннее сопротивление источника напряжения).

Абсолютная и относительная погрешности рассчитываются по формулам (4) и (5). В результате получаем, что погрешность равна 0,03 %

кл = UреалUидеал, (4)

δкл = (∆кл / Uидеал) ∙ 100%. (5)

Погрешность преобразования находится по формуле (6)

ад = δмет + δU + δкл (6)

и равна 2,5 + 2,4 + 0,03 = 4,93. Т.к. погрешность ключа пренебрежимо мала по сравнению с другими, то ей можно пренебречь.

Управляющий сигнал от ЭВМ поступает в виде импульса в уровнях ТТЛ, который замыкает ключ в блоке преобразователя емкости во временной интервал и обнуляет счетчики.

Управляющий сигнал от ЭВМ должен отвечать следующим требованиям:

  1. импульс от внешней ЭВМ должен быть в уровнях ТТЛ;

  2. импульс должен быть любой длительности не менее 1,17 мкс;

  3. преобразование начинается по спаду импульса.

Регистры обеспечивают хранение результата преобразования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполненной работы был рассчитан и промоделирован цифровой измеритель емкости в соответствии с требованиями технического задания. Особенностью данного преобразователя является то, что емкость конденсатора сначала преобразуется в интервал времени, а затем уже в цифровой код.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Шляндин В.М. Цифровые измерительные преобразователи и приборы. - М.: Высшая школа, 1973. - 280 с.

2 Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. - Киев: Вища школа, 1980. -560 с.

3 Никонов А.В. Электротехника и электроника: Электр. учебник / ОмГТУ, фак. Авт. каф. АСОИУ.- Омск, 2004.

4 Александров К.К. Электротехнические чертежи и схемы. - М.: Энергоатомиздат, 1990. -288 с.

5 Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочное пособие/ С.В.Якубовский, Н.А.Барканов, Л.Н.Ниссельсон и др.; Под ред. С.В.Якубовского. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985.- 432 с.

6 Алексенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем/ А.Г. Алексенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985. - 256 с.


Похожие:

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Электротехника и электроника» iconРеферат Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Детали машин»
Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Детали машин» содержит: 55 страниц, 12 таблиц, 11 рисунка, 6 источников
Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Электротехника и электроника» iconПояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Основы конструирования и технологии рэс»

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Электротехника и электроника» iconУчебно-методический комплекс дисциплины «Электротехника и электроника»
Проектирование учебного процесса по учебной дисциплине «Электротехника и электроника» (6 семестр)
Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Электротехника и электроника» iconПояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Электронные промышленные устройства»
...
Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Электротехника и электроника» iconМетодические указания по дисциплине “Электротехника и электроника” предназначены для реализации Государственных
Методические указания составлены в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Электротехника и электроника» для специальности...
Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Электротехника и электроника» iconРасчетно-пояснительная записка к курсовому проекту по теории машин и механизмов на тему задание

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Электротехника и электроника» iconПояснительная записка к курсовому проекту на тему «Основные законы распределения дискретных случайных величин»

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Электротехника и электроника» iconПояснительная записка к курсовому проекту на тему «Оптимизация функции двух переменных методом покоординатного спуска»

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Электротехника и электроника» iconПояснительная записка к курсовому проекту Тема: «Проектирование технологического процесса механической обработки детали «Полумуфта» N=7000 шт. /год

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Электротехника и электроника» iconПояснительная записка к курсовому проекту по теории машин и механизмов Синтез плоского кулачкового механизма
Масштабы графиков второй производной
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница