(5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. Разработка цифрового частотомера
1. Задание на курсовой проект
Создать цифровой частотомер с источником питания от сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ).
2. Технические условия
1. Нижняя граница спектра частот, Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ) 150;
2. Верхняя граница спектра частот, Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ) 8000;
3. Рабочий спектр температур, єС 0…70;
4. Погрешность дискретности цифрового частотомера, Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ) 2,0;
5. время индикации частоты, с 4,0;
6. Тип ячейки индикации газоразрядный;
7. Элементная база ТТЛ.
3. Обоснование структурной схемы
В цифровом частотомере подсчитывают число импульсов N, соответственное числу периодов неведомой частоты fx за узнаваемый высокоточный интервал времени, именуемый временем измерения Ти. Если за время Ти подсчитано N импульсов, то среднее количество подсчитанных импульсов (периодов) N и есть значение измеряемой частоты (Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ)), т.е. fx = N.
Структурная схема данного метода измерения частоты приведена на Рис. 1. Входное устройство, состоящее из широкополосного усилителя-ограничителя, созданного для согласования частотомера с источником сигнала, также для усиления либо ограничения напряжения на входе до значения, запускающего формирователь. Формирователь конвертирует синусоидальные либо повторяющиеся импульсные сигналы в последовательность импульсов неизменной амплитуды с большенный крутизной фронтов, независимо от входного сигнала, частота следования которых равна частоте измеряемого сигнала.
Рис. 1 Структурная схема цифрового частотомера
Высокоточное время измерения производит формирователь эталонного времени, входным сигналом которого являются импульсы с выхода кварцевого генератора и делителя частоты. Делитель частоты разделяет частоту кварцевого генератора 100 кГц декадными ступенями (в 10 раз) до 1Гц. Приобретенная частота употребляется для формирования высокоточного, размеренного времени измерения в 1 с.
Устройство управления управляет всеми действиями измерения и обеспечивает данное время индикации результата измерения на цифровом табло; сброс счетных декад и остальных схем в «нулевое» состояние перед каждым циклом измерения; производит импульс, открывающий селектор на время счета.
Электрический счетчик, созданный для счета поступающих с временного селектора импульсов, состоит из нескольких поочередно соединенных счетных декад, любая из которых соответствует определенному порядку частоты входного сигнала (единицам, десяткам, соткам герц и т.д.). Цифровой индикатор обеспечивает отображение результатов измерений, поступающих с дешифратора. Крайний конвертирует двоично-десятичный код 8-4-2-1, поступающий со счетных декад, в десятичный код.
4. Выбор элементной базы
Частотомер будет выполнен на интегральных микросхемах, следовательно, нужно найти какие серии интегральных микросхем нужно употреблять. Ниже приведены главные характеристики микросхем структуры ТТЛ.
Таблица 1 — Главные свойства цифровых интегральных схем разных серий ТТЛ структуры
Серия
Icc, мА
tзд р, нс
Uвых0, В
Uвых1, В
К155
не наиболее 25
10
0.4мах
2.4-3.5min
К131
не наиболее 10
10
0.4мах
2.4-3.5min
К555
не наиболее 160
9.5
0.4мах
2.7-3.4min
Потому что в проектируемом частотомере из-за относительно низкой частоты входного сигнала нет особенных требований к применяемым микросхемам, то в устройстве применены микросхемы 155 серии.
Для разработки частотомера применены также газоразрядные индикаторы ИН-8-2.
5. Усилитель-ограничитель
цифровой частотомер схема аналоговый
Усилитель-ограничитель (рис. 2) предназначен для преобразования аналогового сигнала в цифровой. Усилитель выполнен на транзисторе VT1 по схеме с ОЭ и работает в режиме С. Резистор R2 описывает положение рабочей точки усилителя. Диодик VD1 ограничивает входной сигнал «снизу», т.е. не пропускает отрицательную полуволну входного сигнала. С коллекторной перегрузки R3 транзистора снимаются импульсы, имеющие пологие фронты и срезы. Для получения импульсов с крутыми фронтами и срезами, необходимыми для работы логических частей цифровых схем, служит формирователь (триггер Шмитта) на логических элементах 2И-НЕ DD1.1 и DD1.2. чувствительность и ширина петли гистерезиса триггера Шмитта определяется соотношением сопротивлений резисторов R4 и R5.
Рис. 2. Схема усилителя-ограничителя и формирователя
Рис. 3 Временные диаграммы усилителя-ограничителя и формирователя
6. Селектор импульсов
Селектор импульсов представляет собой поочередно соединенные логический элемент 2И-НЕ (DD1.3) и инвертор, собранный из такового же логического элемента 2И-НЕ (DD1.4).
Рис. 4. Схема принципная селектора импульсов
На один из входов логического элемента DD1.3 поступает последовательность импульсов неведомой частоты fx. В отсутствии сигнала эталонного времени измерения Ти сигнал fx на выход селектора не проходит. При поступлении сигнала эталонного времени N импульсов неведомой частоты поступают на вход электрического счетчика импульсов.
7. Кварцевый генератор и делитель частоты
Кварцевый генератор частотомера собран на 3-х инверторах на базе логических частей 2И-НЕ (DD2.1, DD2.2, DD2.3) микросхемы К155ЛА3. Логический элемент DD2.4 является буферным. Генераторы на микросхемах ТТЛ обычно работают на частоте поочередного резонанса кварцевого резонатора ZQ1 из-за малого входного сопротивления логических частей.
Рис. 5. Схема принципная кварцевого генератора
Кварцевый генератор в общем случае представляет собой усилитель, в цепь оборотной связи которого включен кварцевый резонатор. Для возбуждения и поддержания колебаний при использовании поочередного резонанса кварцевого резонатора фазовый сдвиг меж входным и выходным напряжениями усилителя должен быть равен 360єn, где n=1,2,3, … Таковой сдвиг фаз и обеспечивают два инвертора. Резисторы R7 и R8 обеспечивают смещение на входе логического элемента DD2.1. Для исключения отрицательной оборотной связи по переменному току служит конденсатор С5. Емкостное сопротивление конденсатора на рабочей частоте обязано быть в 10…20 раз меньше, чем у резистора R7. Настройка кварцевого генератора делается подбором емкости конденсатора С4.
В данном частотомере применяется кварцевый резонатор с частотой поочередного резонанса 100 кГц, класса точности опции «13» — , с интервалом рабочих температур «Ш» — минус 10…80єС, наибольшим относительным конфигурацией рабочей частоты д0 в интервале рабочих температур — «И» по ГОСТ 27124-86.
Для получения эталонного времени измерения 1 с, т.е. эталонной частоты 1 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ) будет нужно делитель на 105. Таковой делитель можно получить из 5 декадных делителей. В составе 155 серии микросхем имеется декадный делитель К155ИЕ1 с фазоимпульсным представлением инфы. установка микросхемы в 0 делается одновременной подачей импульса на входы «&» и «R». Рабочей полярностью счетных импульсов, подаваемых сразу на входы «&» и «C», является отрицательной. сразу с каждым десятым входным импульсом на выходе формируется равный ему по продолжительности выходной импульс отрицательной полярности. Выходным сигналом каскада из 5 микросхем является последовательность импульсов с периодом в Ти=1 с.
Рис. 6. Схема делителя частоты
Скважность выходного импульса микросхемы К155ИЕ1 весьма велика, потому для предстоящей обработки сигнала на выход делителя включен инвертор DD3.3.
8. Формирователь эталонной частоты
Формирователь эталонной частоты представляет собой усилитель — ограничитель на транзисторе VT2 с поочередно соединенным триггером Шмитта на элементах 2И-НЕ DD3.1 и DD3.2 микросхемы К155ЛА3.
Рис. 9. Формирователь эталонной частоты
Сигнал с выхода формирователя эталонной частоты поступает в формирователь эталонного времени.
9. Формирователь эталонного времени
Формирователь эталонного времени состоит из 2-ух D триггеров микросхемы DD9 типа К155ТМ2, на счетные входы которых поступают импульсы эталонной частоты. Принцип деяния формирователя разглядим с момента поступления импульса установки нуля. В момент поступления импульса триггеры DD9.1 и DD9.2 инсталлируются в нуль. C инверсного выхода уровень логической единицы поступает на вход D триггера DD9.1. (См. Рис. 11 Временные диаграммы). При всем этом, на входе D триггера DD9.2 имеется неизменный уровень логической единицы.
Рис. 10. Формирователь эталонного времени измерения
Фронт первого импульса эталонной частоты, поступающего на счетные входы, устанавливает триггеры в состояние единицы. Импульс с прямого выхода триггера DD9.1 поступает в селектор и сигнал неведомой частоты fx начинает поступать в счетчик импульсов. Тем временем на вход D триггера DD9.1 c инверсного выхода триггера DD9.2 поступает сигнал логического нуля, потому фронт второго импульса эталонной частоты устанавливает триггер DD9.1 в нуль, т.е. в первоначальное состояние и на вход счетчика импульсы неведомой частоты перестают поступать. Таковым образом, формируется эталонное время измерения неведомой частоты, равное периоду эталонной частоты, т.е. Ти=1 с. По окончании времени измерения на инверсном выходе триггера устанавливается уровень логической единицы. Фронт этого импульса дифференцируется цепочкой C7R19 и сформированный при всем этом импульс поступает на вход элемента DD10.1.
Рис. 11 Временные диаграммы
10. Формирователь времени индикации
Элементы DD10.1 и DD10.2 типа 2И-2ИЛИ-НЕ микросхемы К155ЛР1 и транзистор VT3 образуют ждущий мультивибратор, определяющий время индикации Тинд измеренной частоты. При поступлении импульса пуска через дифференцирующую цепочку C7R19 на вход элемента DD10.1 он врубается и на выходе его устанавливается уровень логического нуля. Напряжение на базе транзистора VT3 становится отрицательным и равным U1= — 3.2 В. Транзистор VT3 запирается. Конденсатор С8 перезаряжается.
Рис. 12. Схема формирователя времени индикации
В момент, когда напряжение на левой по схеме обкладке конденсатора С8 добивается порога открывания транзистора VT3 (U2=0.75 В), он раскрывается, при всем этом на выходе элемента DD10.1 устанавливается уровень логической единицы, а на выходе DD10.2 — уровень логического нуля. Так происходит формирование импульса индикации. Продолжительность этого импульса определяется по формуле:
Для насыщенного режима транзистора VT3 обязано быть R15?30 кОм. R20=110 Ом ограничивает токи заряда и разряда конденсатора. По начальным данным время индикации . Вычислим емкость конденсатора С8
Принимаем по ряду Е6 конденсатор К50-35-16В — 220 мкФ + 50%-20%
11. Устройство сброса
Устройство сброса представляет собой одновибратор и предназначен для приведения схемы частотомера в начальное состояние для начала еще одного цикла измерения. Одновибратор собран на элементах 2И-НЕ микросхемы К155ЛА3.В начальном состоянии на верхнем по схеме входе элемента DD11.1 поддерживается состояние логической единицы, потому на выходе этого элемента — состояние логического нуля, а на выходе элемента DD11.2 — логической единицы. Импульс пуска низкого уровня появляется дифференцирующей цепочкой C9R21 со спада импульса на выходе формирователя времени индикации в момент окончания индикации.
Рис. 13. Схема устройства сброса
Опосля пуска напряжение на выходе DD11.2 падает. Этот перепад через конденсатор С10 передается на верхний по схеме вход элемента DD11.1, понижая напряжение на нем. Отныне прекращение деяния запускающего импульса не сказывается на предстоящей работе одновибратора. Конденсатор С10 перезаряжается по цепи питания DD11.1 — вход DD11.1 — С10 — выход DD11.2. Напряжение на верхнем по схеме входе DD11.1 увеличивается, и когда оно достигнет порогового значения, происходит переключение обоих частей. Начинается процесс восстановления начального состояния одновибратора и перезаряд конденсатора С10. Диодик VD3 ограничивает напряжение на верхнем по схеме входе элемента DD11.1 при переключениях частей. В итоге на выходе DD11.2 получаем маленький однократный импульс низкого уровня. Инвертор DD11.3 конвертирует этот импульс в однократный импульс высочайшего уровня, нужный для сброса схемы частотомера в начальное состояние.
12. Электрический счетчик и цифровой индикатор
Электрический счетчик представляет собой двоично-десятичный поочередный счетчик, работающий в коде 1-2-4-8. В базе его интегральная микросхема К155ИЕ2. Для получения декады с коэффициентом пересчета 10 соединяют выводы С2 и 1. Потому что цифра, соответственная верхней границе спектра измеряемых частот является четырехразрядным, то электрический счетчик содержит 4 поочередно соединенных двоично-десятичных счетчика. Счетчик DD12, на вход которого поступают импульсы измеряемой частоты, представляет младший разряд и на его выходе выходит двоичный код, соответственный единицам измеряемой частоты. Импульсы с выхода счетчика поступает на вход последующего счетчика (DD13), представляющего 10-ки, и так дальше, сотки (DD14) и тыщи (DD15) измеряемой частоты. установка счетчиков в нулевое состояние делается одновременной подачей положительного импульса сброса на выводы & и R0 всех счетчиков.
Для индикации измеренной частоты в данном частотомере использованы газоразрядные цифровые индикаторы типа ИН8-2, любой электрод которых представляет собой отдельную цифру. Обычная работа газоразрядного индикатора обеспечивается подачей на его анод, через ограничительный резистор (R25 … R28), неизменное либо пульсирующее напряжение 180…200 В.
Для данной для нас цели в частотомере использован выпрямитель с удвоением напряжения. Катод, соответственный нужной цифре, соединяется с общим проводом через дешифратор. Дешифраторы DD16…DD19 предусмотрены для преобразования кода 1-2-4-8 на выходе двоично-десятичного счетчика в сигнал низкого уровня на одном из катодов соответственного цифрового индикатора Н1…Н4. В качестве дешифраторов используются интегральные дешифраторы К155ИД1, разработанные специально для газоразрядных индикаторов.
Рис. 14 Схема электрического счетчика и индикатора
13. Погрешности измерений частотомера
Основная изюминка поочередного счета импульса, положенного в базу работы цифровых частотомеров, состоит в увеличении погрешности измерения при уменьшении частоты.
Относительная погрешность измерения частоты:
времени измерения и периода исследуемого сигнала. Погрешность дискретности в главном обоснована несовпадением моментов возникновения счетных импульсов относительно фронта и спада строб-импульса. Если и — кратные числа, то 1-го импульса , определяющего младший разряд счета.
время измерения . Относительная погрешность времени измерения равна относительной погрешности частоты кварцевого генератора и составляет (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ)<±2 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ)
что соответствует техническому заданию.
14. Расчет потребляемой мощности
Расчет потребляемой мощности приведен в таблице.
Элемент
Iпот, мА
Uпит, В
количество, шт.
Р общ, мВт
К155ЛА3
16
5
4
320
К155ЛР1
12
5
1
60
К155ТМ2
31
5
1
155
К155ИЕ1
14
5
5
350
К155ИЕ2
53
5
4
1060
КР155ИД1
25
5
4
500
ИН8-2
3,5
200
4
2800
Расчет блока питания
Определим структуру источника питания. Он должен содержать силовой обычный трансформатор, рассчитанный на работу от промышленной сети переменного тока напряжением, равным 220В±10%, частотой 50 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ), выпрямители для получения неизменных напряжений, нужных для работы интегральных стабилизаторов, которые выдают нужный набор питающих напряжений:
+ 200 В-для цифровых инликаторов;
+5 В-для питания схемы частотомера.
Для выбора трансформатора определим найдем примерную габаритную мощность трансформатора S2. Для этого определим токи, потребляемые от источника напряжением Е1=5 В.
ток коллектора VT1 усилителя-ограничителя:
;
Ток коллектора VT2 в формирователе эталонной частоты:
;
ток коллектора VT3 в формирователе времени измерения:
;
Суммарный ток потеребления всех микросхем от источника Е1:
Примерная габаритная мощность трансформатора:
Из справочника [5] избираем унифицированный трансформатор
ТА125-127/220-50 с параметрами:
— номинальная мощность 68 В·А;
— ток первичной обмотки не наиболее 0,35 А;
— номинальный ток вторичных обмоток III, III’, IV и V равен 0,92 А;
— номинальный ток вторичных обмоток II, II’равен 0,1 А;
— напряжение вторичных обмоток II, II’, III, III’равно 28 В,
напряжение вторичных обмоток IV и V равно 6 В.
Схема трансформатора приведена на рисунке 20.
Рис. 20. Схема трансформатора ТА125-127/220-50
Выберем для сотворения источника напряжения +5 В поочередно соединенные обмотки IV и V трансформатора с номинальными напряжениями 6 В. Другие обмотки трнсформатора с номинальным напряжением 28 В соединим поочередно для сотворения источника питания напряжением +200 В.
В качестве выпрямителя для источника Е1=+5 В избираем мостовую схему, позволяющую использовать полупроводниковые диоды с маленьким оборотным напряжением при неплохом использовании обмотки трансформатора.
Применим диодную сборку КЦ405Е с параметрами:
;
;
.
Выбор выпрямительного блока осуществляется по среднему выпрямительному току и амплитуде оборотного напряжения. Для мостовой схемы:
,
где — ток употребления источника питания +5В.
где — выпрямленное напряжение.
Потому что источник питания Е1=5 В является стабилизированным, то в источнике применяется интегральный стабилизатор напряжения DA1 типа К142ЕН5Г с выходным напряжением 5±0,18 В. Входное напряжение стабилизатора обязано лежать в границах 7,5 … 20 В, потому принимаем выпрямленное напряжение равным . Наибольший ток употребления в данной схеме равен округло .
Подставляя численные значения в формулы получаем:
.
.
Сравнивая эти значения с параметрами диодной сборки КЦ405Е, делаем вывод о том, что сборка выбрана верно и ее предельные характеристики обеспечивают надежную работу источника питания.
Для выравнивания пульсаций выпрямленного напряжения на выходе моста устанавливают конденсаторы.
Рассчитаем значения емкостей для выпрямителя и уточним напряжения на выходе выпрямителя.
Сопротивление перегрузки выпрямителя Rн1:
Так как выпрямитель нагружен на емкость, то его реактивное сопротивление принимают равным:
Подставляем численные значения:
Исходя из советов [9] определим параметр А, который дозволит высчитать значения емкости и уточнить напряжение на выходе выпрямителя.
Для мостовой схемы параметр А рассчитывается по формуле:
где — выпрямленное напряжение.
Рассчитаем парметр А1
;
;
;
.
Уточняем ток во вторичной обмотке рассчитывается по формуле:
.
Рассчитанный ток во вторичной обмотке трансформатора не превосходит его паспортных значений данных для номинального режима (0,92А).
Рассчитаем величину Сi по формуле:
где — коэффициент пульсации.
Согласно ряду Е6 избираем конденсатор номиналом 1000 мкФ.
Выберем электролитический конденсатор К50-35-25В-1000 мкФ.
Для угнетения импульсных помех параллельно электролитическим конденсаторам подключаем конденсаторы КМ-5б-Н90-0,047мкФ.
Опосля выхода стабилизатора инсталлируются подобные конденсаторы.
Рассчитаем выпрямитель для питания анодных цепей цифровых индикаторов по схеме удвоения напряжения. Начальные данные для расчета выпрямителя:
Напряжение вторичной обмотки трансформатора ;
Выходное напряжение выпрямителя
количество фаз выпрямителя
Ток перегрузки ;
Принимаем приблизительные значения характеристик , . Выбор полупроводниковых диодов осуществляется по среднему выпрямленному току и амплитуде оборотного напряжения. Для схемы удвоения:
,
Напряжение в сети меняется в границах 220В±10%, т.е. параметр
,
Тогда наибольшее выпрямленное напряжение:
Большая амплитуда оборотного напряжения
Таковым образом, избираем полупроводниковый диодик, удовлетворяющий условиям:
, .
Из справочника [] избираем полупроводниковый диодик КД105Б с параметрами: , ,
Сопротивление диодика в прямом включении:
Активное сопротивление трансформатора определяем по формуле:
,
где -коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя
частота переменного тока в сети;
— амплитуда магнитной индукции в магнитопроводе трансформатора;
— количество стержней магнитопровода трансформатора.
Подставляем числовые значения:
Активное сопротивление фазы трансформатора:
Определяем уточненные характеристики выпрямителя:
Из графиков для m=1 находим:
;
;
;
.
Нужное напряжение вторичной обмотки трансформатора:
Потому что фактическое напряжение вторичной обмотки трансформатора , выпрямленное напряжение будет несколько больше, что не воздействует на работу цифровых индикаторов.
Ток во вторичной обмотке трансформатора:
Емкость конденсатора для получения коэффициента пульсации :
;
Согласно ряду Е6 избираем конденсатор номиналом 10 мкФ.
Выберем электролитический конденсатор К50-35-160В-10 мкФ.
Заключение
В представленной курсовой работе спроектирован цифровой частотомер, созданный для измерения частоты синусоидального и импульсного сигналов в спектре частот от 150Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ) до 8000Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ). Разработан источник питания схемы управления, источников эталонного времени и частоты, а так же источник питания по схеме удвоения напряжения для цифровых индикаторов. Частотомер питается от промышленной сети переменного тока напряжением, равным 220В±10%, частотой 50 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ).
В частотомере применены микросхемы высочайшей степени интеграции ТТЛ структуры серии К155.
Перечень литературы
1. Э.Г. Атамалян, Приборы и способы измерения электронных величин: учеб. пособие для втузов. — М.: Дрофа, 2005.
2. С.А. Бирюков. Радиолюбительские цифровые устройства. — М.: Радио и связь, 1982.
3. Е.А. Зельдин. Импульсные устройства на микросхемах: — М.: Радио и связь, 1991.
4. Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры: Справочник/И.В. Новаченко, В.М. Петухов, И.П. Блудов, А.В. Юровский.-М.:КУбК-а, 1996.
5. И.Н. Сидоров, В.В. Мукосеев, А.А. Христинин. Компактные трансформаторы и дроссели: Справочник — М.: Радио и связь, 1985.
6. С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон и др. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник — М.: Радио и связь, 1990;
7. В.Л. Шило. Пользующиеся популярностью цифровые микросхемы: Справочник. — М.: Радио и связь, 1987.
8. В.С. Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988
9. В.Е. Китаев и др. Расчет источников электропитания устройств связи.-М. Радио и связь. 1993.
]]>