Описание цифрового вольтметра.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9

НАСТРОЙКА И КАЛИБРОВКА ЦИФРОВОГО ВОЛЬТМЕТРА,

ПОСТРОЕННОГО НА БАЗЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СЧЕТА

Калининград

Цель работы: подготовиться к выполнению курсового проектирования путем изучения взаимодействия цифровых и цифро-аналоговых микросхем в типовых узлах цифровой электроники, а также путем получения навыков отладки и калибровки этих узлов программой NI Multisim.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

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;

· сигнализация: о выходе измеряемого напряжения за установленные пределы измерения.

1.2. Состав цифрового вольтметра:

Цифровой вольтметр представляет собой аналого-цифровой преобразователь с 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 (Рис. 1);

· счетчик импульсов (Сх25);

· цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) показаний счетчика в напряжение, состоящий из регистра (Сх27) и резистивной матрицы (Сх28);

· масштабирующие усилители входного напряжения и напряжения на выходе ЦАП, а также компаратор отмасштабированных напряжений (все в Сх29);

· дополнительные логические и триггерные схемы управления (DD139-DD44).

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

В блок Преобразователя кодов (Бл1), согласно его электрической схеме, изображенной на Рис. 2, входят:

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

· устройства для последовательного преобразования двоично-десятичного кода в код индикации десятичных цифр: дешифраторы двоичных кодов десятичных цифр (Сх16-18), шифраторы в коды семисегментных индикаторов (Сх19-21), а также управляемые усилители сигналов шифраторов, обеспечивающий необходимые токи для свечения сегментов индикатора (Сх22-24)).

Структура программы, моделирующей цифровой вольтметр

Моделирующая программа состоит из одного блока (Бл1), включающего один подблок (ПБл1) из 15-ти схем (Сх1-15) для преобразования кодов, и 14-ти схем (ПСх 16-29) измерительной части, входящих в иерархическую структуру, изображенную на Рис. 3.

Рис. 3. Структура программы, моделирующей цифровой вольтметр

Элементы моделирующей программы - «Аналог ПР7», и «В код 1-2-4-5», «Дешифратор», «В код индикации» и «Усилитель» введены в программу «Вольтметр 10В (учебный)» многократным дублированием соответствующего первого файла, а каждому из остальных элементов моделирующей программы соответствует свой уникальный файл. Имя каждого файла соответствует наименованию моделирующего блока, подблока или схемы.

Схемотехника цифрового вольтметра

Нумерация блока, подблока, схем и микросхем отражает последовательность создания моделирующей программы цифрового вольтметра.

Первой разработана и отлажена индикаторная часть, далее – измерительная часть, а завершала разработку отладка взаимодействия этих частей между собой и с отдельными элементами управления и сигнализации.

Дешифраторы (Сх16-18).

Используются три одинаковых схемы неполного дешифратора с инверсными выходами для входного четырехразрядного двоичного весового кода. Дешифрируются только двоичные коды десятичных цифр от 0 до 9.

Дешифраторы является первой частью преобразования двоичных кодов цифр в коды индикации.

Шифраторы в код индикации (Сх19-21).

Эти элементы представляет собой вторую часть преобразователя двоичных кодов цифр в коды индикации. Логика шифрации зависит от вида используемого знакосинтезирующего индикатора для изображения цифр.

Каждый шифратор этой модели цифрового вольтметра имеет 7-мь выходов в соответствии с входами управления сегментами используемого семисегментного индикатора (HL1-HL3), имеющими общий заземленный катод. Зажигание каждого сегмента от А доG производится уровнем логической 1.

Усилители (Сх22-24).

Усилители предназначены для обеспечения тока 5mA, минимально необходимого для свечения каждого сегмента индикатора. Кроме того, усилители позволяют переводить все выходы усилителя в третье (Z) состояние, что позволяет, при необходимости, отключать индикацию цифрового вольтметра.

Измерительная часть прототипа цифрового вольтметра.

Генератор импульсов (Сх25).

Эта часть цифрового вольтметра включает в себя не только автогенератор исходных импульсов, но и триггерные формирователи импульсов, а также элементы, обеспечивающие сигналы постоянного высокого логического уровня (Лог1.1 и Лог1.2), необходимые для работы других устройств цифрового вольтметра.

Счетчик импульсов (Сх26).

В модели цифрового вольтметра используется семиразрядный асинхронный суммирующий счетчик с последовательным переносом.

Семь разрядов минимально обеспечивают заданную дискретность измерений входного напряжения 0.1В при заданном максимальном значении этого напряжения 10В, поскольку счетчик должен обеспечить 10В/0.1В = 100 показаний, а у используемого семиразрядного счетчика возможно 2⁷- 1 = 127 показаний.

Выходные линии счетчика пронумерованы весовым кодом его показаний.

Регистр (Сх27).

Семиразрядный параллельный регистр является входной частью ЦАП, поэтому его выходы одновременно подают сигналы и на его резисторную часть.

Этот регистр предназначен для хранения кодов показаний счетчика.

Резисторы ЦАП(Сх28).

Резисторная схема, которая является выходной частью ЦАП, построена по принципу резисторной матрицы R-2R.

Матрица резисторов состоит из 15-ти резисторов двух номиналов. Семь входных сигналов логических уровней (D), поступающие с регистра по шине ПрКд, формируют на выходе «А2» напряжение, величина которого зависит от количества этих сигналов, имеющих уровень логической 1, а также от двоичного веса каждого из таких сигналов.

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

Задание 1. Подготовить моделирующую программу к проведению перестройки модели цифрового вольтметра, для этого:

Откройте проект «Вольтметр 10В (лабораторная работа)» программой NI Multisim.

Сохраните проект функцией Сохранить как … программы Multisim под именем, включающем в себя фамилии исполнителей и номер лабораторной работы, например, Иванов_Петров_лр9.

Файл поместите во вновь созданную электронную папку с таким же именем, вложенную в папку, где сохранены результаты выполнения своих предшествующих лабораторных работ.

Дерево каталогов (папок) с результатами лабораторной работы должно выглядеть как на Рис. 5.

Рис.5. Размещение файлов с результатами лабораторных работ.

Установите режим «Панели разработки» в меню «Вид».

Откройте с помощью панели разработки схему генератора импульсов (Сх25).

Откройте панель двулучевого осциллографа и панель частотомера схемы генератора импульсов (Сх25).

Включите моделирование.

Убедится по осциллографу в наличии генерации последовательности исходных импульсов.

частота исходных импульсов должна быть около 2 кГц.

Выключите моделирование и закройте Сх25.

Откройте с помощью панели разработки схему «Вольтметр 10В (лабораторная работа) и, используя кнопку «прикрыть» окна этой схемы, уменьшите ее размеры и поместите ее изображение в левой половине основного окна.

Откройте с помощью панели разработок схему компаратора напряжений (Сх29), также уменьшить ее размеры, но поместить ее изображение в правой половине основного окна (рядом с изображением схемы «Вольтметр 10В (лабораторная работа)»).

Задание 2. Убедиться в работоспособности исходной модели цифрового вольтметра.

Задаваясь значениями измеряемого напряжения у источника V3 = 0.5V-10.4V, убедитесь в соответствии показаний цифрового вольтметра измеряемому напряжению с погрешностью не более 0.05V.

Обратите внимание на то, что время измерения зависит от величины измеряемого напряжения.

Установив значения измеряемого напряжения вне указанных пределов измерения, убедитесь в срабатывании индикатора «U _ИЗМвне пределов измерения».

Занесите значения сопротивлений резисторов и потенциометров в Сх29, а также положения движков потенциометров в Таблицу 1, которую сохраните в виде текстового файла редактора Word c именем, включающем в себя фамилии исполнителей и номер лабораторной работы, например, Иванов_Петров_лр9.

Таблица 1. Исходные значения резисторов и потенциометров схемы компаратора напряжений (Сх29).

Обозначение резистора, потенциометра R20 R21 R22 R23 R24 R25

Номинал резистора, потенциометра

% положения ползунка потенциометра

Файл поместите в ту же электронную папку, что и файл, созданный в Задании 1.

Задание 3. Провести регулировку усилителя сигнала ЦАП и усилителя входного сигнала, для этого

· Установите номинал R20 равным 300 + YX кОм, где YX две последние цифры индивидуального шифра курсанта (студента) (при индивидуальном выполнении лабораторной работы) или среднее арифметическое чисел, определяемых этими цифрами из шифров участников рабочей группы (при групповом выполнении).

· Измерьте с помощью осциллографа U _MAX– величину максимального отрицательного напряжения сигнала ЦАП2.

· Вычислите величину сопротивления R21, следующим образом: 10B/ U _MAXх R20.

· Установите вычисленное значение R21.

· Установите R24 = R20, R25 = R21.

· Изменяя шкалу канала А осциллографа до величины 50-20 mV/Div, измерьте в mV величину одной ступеньки Uд (дискрета) сигнала ЦАП на выходе своего усилителя.

· Вычислите коэффициент усиления усилителей К_УС= R21/R20.

Задание 4. Провести регулировку резистивного делителя смещения сигнала ЦАП, для этого:

· R23 примите равным 0.01 от R20.

· Рассчитайте величину резистора R24 при заданном значении R23 по следующей формуле:

R24, kOm = (U_Д, mV x R23, kOm) /(10 000, mV х К_УС).

· Установите это значение сопротивления R24 и среднее положение движка потенциометра R23.

Задание 5. Провести регулировку резистивного делителя входного сигнала.

· R28 примите равным 0.01 от R24 = R20, а R27 = 0.1M. Установите эти значения сопротивлений при среднем положении движка потенциометра R27 (50%).

· Вычислите (R26 + R27) = R28, М х [(U _{ИЗМ МАХ}, mV х К_УС / U_Д, mV х N _МАХ) – 1)], где U _{ИЗМ МАХ}максимальное значение измеряемого напряжения, а N _МАХмаксимальное число дискретов измеряемого напряжения (максимальное число различных показаний индикаторов вольтметра). Например, N _МАХ = 100 при U _{ИЗМ МАХ} = 10В = 10 000 mV и показаниях вольтметра с точностью 0.1В

· Вычислите значение сопротивления R26 = (R26 +R27) – 0.1 М. Установите это значение сопротивления и при среднем положении движка потенциометра R27 (50%).

Задание 6. Провести грубую регулировку максимального предела измерения, для этого:

· Установите максимальное значение измеряемого сигнала U _{ИЗМ МАХ} = 10В.

· Запустите моделирование и измерение вольтметра.

· При малом показании вольтметра, постепенно уменьшая величину сопротивления R26, а при срабатывании сигнализации «U _ИЗМвне пределов измерения», увеличивая это сопротивление добейтесь показания вольтметра 10.0В так, чтобы при дальнейшем увеличении этого сопротивления на величину 0.01М = 10 k будет срабатывать сигнализация «U _ИЗМвне пределов измерения». Оставьте R26 соответствующим показанию вольтметра 10.0В.

Задание 7. Провести грубую регулировку минимального предела измерения, для этого:

· Установите значение измеряемого входного сигнала 0.04В.

· Уменьшая величину сопротивления R22 добейтесь гашения индикатора после запуска измерения вольтметра так, чтобы, при увеличении после этого сопротивления R22 на величину 0.01М = 10.k, вольтметр показывал 0.01В. Оставьте R22 соответствующим гашению индикатора.

Задание 8. Проверить правильность минимальных и максимальных показаний вольтметра, для этого:

· Установите входное напряжение равным 0.05В. Запустите моделирование и измерения вольтметра. Вольтметр должен показать 0.01В.

· Установите входное напряжение равным 10.04В. Запустите моделирование и измерения вольтметра. Вольтметр должен показать 10.0В.

· Установите входное напряжение равным 10.05В. Запустите моделирование и измерения вольтметра. У вольтметра должна сработать сигнализация «U _ИЗМвне пределов измерения».

· Установите входное напряжение равным 0.04В. Запустите моделирование и измерения вольтметра. У вольтметра должна сработать сигнализация «U _ИЗМвне пределов измерения».

· При любом отрицательном результате проверки необходима тонкая настройка вольтметра (калибровка) с помощью осциллографа.

Задание 9. Проведите, при необходимости, калибровку вольтметра с помощью осциллографа, для этого:

· Установите входное напряжение 10.05В. Запустите моделирование и измерения вольтметра.

· Изменяя одновременно шкалы каналов А и В до 100 mV/Div, а положительное смещение этих каналов от 0 до 99, наблюдайте одновременно линию входного напряжения (канал В) и завершение роста ступенчатого отрицательного напряжения ЦАП.

· С помощью потенциометра R27 установите линию входного напряжения чуть ниже начала последней ступеньки напряжения ЦАП (как это показано на Рис. 6), если сработала сигнализация «U _ИЗМвне пределов измерения») или чуть ниже (но насколько можно ближе) конца последней ступеньки напряжения ЦАП (если вольтметр показал 10.0В).

Рис. 6. Осциллограммы при калибровке верхнего предела измерения вольтметра.

· Если пределов изменения сопротивления потенциометра R27 недостаточно для выполнения такой установки, произведите уточнение грубой регулировки, изменяя R26 при среднем положении движка потенциометра R27, приблизительно до нужного положения линии входного напряжения, а затем добейтесь точного положения изменением сопротивления потенциометра R27.

· Проверьте, аналогично заданию 8, правильность показаний вольтметра для U _ИЗМ = 10.04В и U _ИЗМ = 10.05В. При необходимости повторите эту калибровку и эту проверку.

· Установите входное напряжение 0.05В. Запустите моделирование, не запуская измерения вольтметра.

· Изменяя одновременно у осциллографа шкалы каналов А и В до 20 mV/Div, а отрицательное смещение этих каналов от 0 до -60, наблюдайте одновременно линию входного напряжения (канал В) и линию нулевого сигнала ЦАП2 (канал А), соответствующую начальному сбросу регистра.

· С помощью потенциометра R23 установите линию входного сигнала чуть ниже (но насколько можно ближе) линии нулевого сигнала ЦАП2, как это показано на Рис. 7.

Рис.7. Осциллограммы при калибровке нижнего предела измерения вольтметра.

· Проверьте, аналогично заданию 8, правильность показаний вольтметра для U _ИЗМ = 0.05В и U _ИЗМ = 0.05В. При необходимости повторите эту калибровку и эту проверку.

· Ответьте в виде выводов, размещенных в текстовом файле, в котором уже находится Таблица 1, на следующие вопросы, при затруднениях проверяя ответы экспериментально.

9.1. Что изменится в показаниях цифрового вольтметра, если при калибровке верхнего предела измерений, уровень линия 10.05 V будет установлен посередине линии последней «ступеньки» линии напряжения ЦАП?

9.2. Что изменится в показаниях цифрового вольтметра, если при калибровке его нижнего предела измерений, уровень линии 0.05 V установить выше уровня нулевой линии напряжения ЦАП?

Задание 10. Проконтролировать пределы, дискретность и погрешность измерений, для этого:

· Проверьте, аналогично заданию8, правильность показание вольтметра для U _ИЗМ = 10.04В и U _ИЗМ = 10.05В. При необходимости повторите задание 6 и задание 7.

Задание 11. Измерить максимальное время измерения цифровым вольтметром, для этого:

· Установите на V3 максимальную величину измеряемого напряжения U _ИЗМ=10.04В.

· Запустите моделирование и измерение вольтметра.

· Дождитесь показания вольтметра 10.0В.

· Остановите моделирование.

· Откройте панель управления осциллографа в Сх29.

· Определите, используя шкалу 10 ms/Div, промежуток времени с момента начала роста отрицательного напряжения до момента срабатывания компаратора (момента прекращения роста этого напряжения).

· Ответьте в виде выводов, размещенных в текстовом файле, в котором уже находится Таблица 1, на следующие вопросы, при затруднениях проверяя ответы экспериментально.

11.1. От каких из перечисленных параметров зависит максимальное время измерения цифровым вольтметром: от нижнего предела измеряемого напряжения, от верхнего предела измеряемого напряжения, от погрешности измерения напряжений в заданных пределах, от частоты импульсов задающего генератора?

11.2. Почему скорость измерения линейно зависит от величины измеряемого напряжения?

11.3. Чем ограничено минимально возможное время измерения заданного напряжения при использовании исследованного цифрового вольтметра?

Задание 12. Записать втекстовый файл редактораWord, в виде таблицы по форме Таблицы 2, значения всех резисторов электрической схемы компаратора (Сх29), включая положения ползунков потенциометров, и поместить эту таблицу в файл, где находится Таблица 1..

Таблица 2. Рассчитанные и установленные значения

резисторов и потенциометров компаратора напряжений

Обозначение резистора, потенциометра R20 R21 R22 R23 R24 R25

Номинал резистора, потенциометра

% положения ползунка потенциометра

Задание 13. Продемонстрировать настроенную и откалиброванную модель цифрового вольтметра преподавателю.

Задание 14. Используя данные Таблицы 1 вернуть схему компаратора напряжений (Сх29) в исходное состояние и проверить ее полную работоспособность, аналогично выполнению Задания 2.

Сохраните свой проект функцией Сохранить программы Multisim.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА И ЭЛЕКТРОННЫЕ ИСТОЧНИКИ

4.1.Степаненко Д.П. Конспект лекций по дисциплине «Схемотехника». Часть 1. Схемотехника дискретных цифровых устройств.-Калининград: БГАРФ, 2009.-158с.: ил.

4.2.Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для вузов.-М.: Горячая линия-Телеком, 2002.-768с.: ил.

4.3. Пухальский Г.И, Новосельцева Е.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник.-М.: Радио и связь, 1990.-304с.: ил.

http: //www.shema.ru/files/view/3123/

4.4.Кондюкова Е.И. и Редькин Б.Е. Аналого-цифровые устройства систем автоматического контроля. -М.: Энергия, 1967.- 80сю: ил. (Б-ка по автоматике, Вып. 248).

http: //www.nppsaturn.ru/kondiukovaEI, htm