РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ АЦП

2. РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ АЦП

Принцип дії цих АЦП грунтується на підрахунку імпульсів, частота слідування яких f пропорційна вимірюваній величині за чітко визначений інтервал часу Т₀ [2]. Т₀ – ще називають зразковим часовим інтервалом.

Структурна схема цифрового частотоміра середніх значень наведена на рисунку 2.1 , а часові діаграми роботи – на рисунку 2.2.

T₀

f_кв

F – формувач імпульсів; Т – RS-тригер; SW1 i SW2 – схеми збігу; G – генератор стабільної частоти, ПЧ – подільник частоти; ЛТ – лічильник; ВП – відліковий пристрій

Рисунок 2.1 - Структурна схема цифрового частотоміра середніх значень

Схема починає працювати за командою “Пуск”, яка встановлює тригер Т у стан логічної одиниці і таким чином відкриває схеми збігу SW1 і SW2. Імпульси, які слідують із частотою fx через формувач F і відкриту схему збігу SW1, надходять на вхід двійкового лічильника ЛТ, який їх підраховує. В цей самий момент часу через відкриту схему збігу SW2 імпульси зразкової частоти f₀ з виходу генератора G надходять на вхід подільника частоти ПЧ.

Тх = 1/fх

 U

T0

 1

Пуск

 t

 2 t

 

 3 t

Рисунок 2.2 - Часові діаграми роботи частотоміра середніх значень

Коефіцієнт поділу подільника розраховують з урахуванням забезпечення потрібного часового інтервалу Т₀. Після закінчення зразкового часового інтервалу заднім фронтом імпульсу T₀ тригерT встановлюється у стан логічного нуля, що закриває схеми збігу SW1 і SW2 і в лічильнику фіксується двійковий код N

 

N =  = T₀ f_x, (2.1)

Де T₀ – зразковий часовий інтервал;

f_x – вимірювана частота.

 

Дана рівність є рівнянням перетворення частотоміра, оскільки вона характеризує, яким чином пов’язані між собою вихідна N і вхідна вимірювана величина f_x.

З рівнянням перетворення частотоміра випливає, що число імпульсів пропорційне частоті f_x і статична характеристика лінійна (рисунок 2.3).

N_x

 

f_x

Рисунок 2.3 - Статична характеристика частотоміра

Рівняння похибки цифрового частотоміра середніх значень буде мати вигляд

 

δ = 1/N = , (2.2)

тому залежність похибки квантування від частоти f_x буде нелінійною (рисунок2.4).

 

d

 

 

f_x

Рисунок 2.4 - Залежність похибки квантування від частоти f_x

Аналіз рівняння похибки показує, що можливими шляхами зменшення похибки є збільшення зразкового часового інтервалу Т₀ і вимірюваної частоти f_x . Але збільшення Т₀ приведе до збільшення часу вимірювання, що знизить швид-кодію. Оскільки похибка квантування зменшується із збільшенням вимірюваної частоти, то такі частотоміри ефективні в області середніх і високих частот (від одиниць кілогерц до десятків мегагерц).

3. РОЗРОБКА ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ СХЕМИ ЦИФРОВОГО ТЕРМОМЕТРА

Даний цифровий термометр представляє собою сукупність п’єзоелект-ричного термоперетворювача включеного в схему цифрового частотоміра середніх значень.

Розрахуємо параметри схеми.

Для отримання рівняння перетворення цифрового термометра в рівняння (2.1) замість f_x підставимо f_t з (1.2)

 

N_t = T₀ f_x = T₀ (f_p + S t_x), (3.1)

З урахуванням рівняння (2.2) похибка квантування термометра буде мати вигляд

δ = 1/N_t = , (3.2)

З рівняння похибки квантування (3.2) і даних п.1.4 визначимо зразковий часовий інтервал T₀ на виході зразкової міри часу. Він повинен бути більший періода T_tx тому тут підставлямо значення f_tmin= f_p+ S t_xmin

 

T₀ = , (3.3)

T₀ = ,

Частоту квантування на виході імпульсного генератора G вибирають таку, щоб

 

T_кв <<T₀ .

Частіше всього вибирають генератор з частотою f_кв = 1 МГц.

Виходячи з рівняння (3.3) нижня межа вимірювання визначиться так

 

t_xmin=  (3.4)

Верхня межа вимірювання визначається значенням максимальної ємності двійкового лічильника N_max.

З рівняння (3.1)

 

N_max = T₀ f_xmax= T₀ (f_p+ S t_xmax) (3.5)

N_max = 6,6·10^-4 (10³+ 10³ ·2100) = 1,4·10³.

З врахуванням того, що N_max = 2ⁿ, верхня межа вимірювання визначиться так

t_xmax =  (3.6)

де n – розрядність двійкового лічильника.

Розрядність n, яка необхідна для реалізації двійкового лічильника визначимо за формулою

 

n = lоg₂ N_max ≈ 10.

ВИСНОВКИ

В курсовій роботі проведено огляд державних еталонів температур, первинних вимірювальних перетворювачів температури (термопари, термометри опору, п’єзоелектричні термоперетворювачі) і в якості вимірювального пере-творювача вибрано п’єзоелектричний термоперетворювач, оскільки він задо-вільняє умові завдання на розробку.

В якості аналого-цифрового перетворюваача вибрано цифровий частотомір середніх значень, описано його роботу і проведено розрахунок основних параметрів схеми:

-  частоту f₀ генератора зразкової частоти;

-  верхню t_xmax і нижню t_xmsn межу вимірювання;

-  розрядність n двійкового лічильника;

-  похибку квантування δ_K .

ЛІТЕРАТУРА

1. Электрические измерения электрических и неэлектрических величин. Под ред. Е.С. Полищука.-К.: Вища шк. Головное изд-во, 1984.

2. Поджаренко В.О., Кухарчук В.В. Вимірювання і комп’ютерно- вимірювальна техніка.-К.:НМК ВО, 1991.

3. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые) / П.П.Орнатский.- К.: Вища шк., 1986.

4 Поджаренко В.О. та ін. Метрологія та вимірювальна техніка. Для самостійної роботи студентів та виконання курсових робіт. / Вінниця: ВДТУ, 2000 – 65с.