2. Расчет основных параметров вольтметра
Напряжение на выходе интегратора при интегрировании "вверх" в произвольный момент времени (начало отсчета времени – момент появления фронта импульса длительностью Т1):
;
(1)
где RC – постоянная времени интегратора; t – независимая переменная величина (время).
В конце интервала интегрирования напряжение на выходе интегратора:
;
При интегрировании "вниз":
;
В
момент
с учетом (1) имеем:
;
(2)
Так
как процесс интегрирования опорного
напряжения заканчивается когда выходное
напряжение интегратора становится
равным нулю, то, положив в формуле (2)
,
получим:
(3)
перепишем (3) в виде:
;
где tи время управляющего импульса. Т.к.
;
где
Т время измерения и так как по условию
Т=0.5, то
;
;
Из последней формулы выразим время tx:
;
;
Пусть опорное напряжение Uоп=6 В; Ux=1 В; тогда
с;
с;
Вычислим частоту управляющего импульса по формуле:
Теперь найдем частоту генератора счетных импульсов:
Исходя
из того, что Nx=1000
частота счетных импульсов
Таким образом частота управляющих импульсов 2 Гц, а счетных 2 кГц.
3. Схемотехника узлов цифрового вольтметра
3.1 Расчет входного устройства
Входное устройство состоит из делителя напряжения, схемы защиты от перенапряжения и подачи напряжения обратной полярности.
Роль делителя напряжения состоит в том, чтобы разбить наш диапазон на 3 диапазона:
1-й диапазон соответствует измеряемому напряжению от 0 до 1 В;
2-й диапазон соответствует измеряемому напряжению от 0 до 10 В;
3-й диапазон соответствует измеряемому напряжению от 0 до 100 В;
Напряжение на выходе делителя примем 1 В. Таким образом коэффициент деления для каждого из поддиапазонов составит: К 1=1; К 2=10; К 3=100.
Рассчитаем сопротивления резисторов R1,R2,R3 по закону Ома, записанного для схемы (рисунок 3).
;
Входное сопротивление R=R1+R2+R3 примем равным 1 МОм, R=1 МОм, для обеспечения достаточно высокого сопротивления. Тогда
для 1-го диапазона:
Uвх=1 В; Uдел 1=1 В;
Для 2-го диапазона: Uвх=10 В;
;
;
;
=150
кОм;
Для 3-го диапазона: Uвх=100 В;
;
;
;
=15
кОм; тогда
;
Из последней системы находим, что R3=15 кОм; R2=135 кОм; R1=1.35 МОм;
Если на вход схемы будет подано отрицательное напряжение, а с отрицательным напряжением неудобно работать, то после делителя напряжения ставится инвертор напряжения DA1 с коэффициентом усиления равным 1 основанный на операционном усилителе с отрицательной обратной связью, построенном на микросхеме К 544УД 1. Коэффициент усиления равен единице Кu=1. Входное сопротивление операционных усилителей этой серии порядка 1 ГОм, что обеспечивает большое входное сопротивление. Сопротивления резисторов R13 и R14 должны быть одинаковыми, так как коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен Ки=R14/R13 [8]. Из [8] сопротивления резисторов равны 100 кОм.
Для защиты от перенапряжения воспользуемся компаратором DA3 и двумя стабилитронами, ограничивающими ток на входе. Компаратор предназначен для сравнения двух напряжений, поступающих на его входы, и выдачи сигнала об их соотношении, например, в момент равенства. В принципе любой интегральный операционный усилитель является компаратором. Если включить операционный усилитель без обратных связей, то при U1>U2 выходное напряжение будет максимально положительным, а при U1<U2 – минимально. В нашей схеме на прямой вход компаратора подадим контролируемое напряжение, а на инверсный напряжение равное 1.1 В, получаемое с делителя напряжения. Если напряжение на прямом входе сравняется или превысит напряжение инверсного входа, то на выходе компаратора установится напряжение высокого уровня и загорится светодиод.
Для показания обратной полярности входного напряжения на прямой вход компаратора DA2 поступает напряжение с инверсного входа повторителя напряжения, а инверсный обнулен. При подаче отрицательного напряжения на прямой вход повторителя напряжения, а на компаратор положительное напряжение на инверсный вход (нулевое на прямой). На выходе компаратора будет "ноль". С помощью логического элемента "И-НЕ" сигнал инвертируется и на его выходе сигнал равен "единице". Благодаря чему загорается светодиод, сигнализирующий о подаче обратной полярности.
