| Курсовая работа "Амперметр" | |
| Автор: student | Категория: Естественные науки / Физика | Просмотров: 5180 | Комментирии: 0 | 27-12-2013 23:00 |
СКАЧАТЬ:
Амперметр – измерительный прибор для определения силы постоянного и переменного тока в электрической цепи. Показания амперметра всецело зависят от величины протекающего через него тока, в связи, с чем сопротивление амперметра по сравнению с сопротивлением нагрузки должно быть как можно меньшим.
Принцип действия магнитоэлектрического прибора основан на создании крутящего момента, благодаря взаимодействию между полем постоянного магнита и током, который проходит через обмотку рамки. С рамкой соединена стрелка, которая перемещается по шкале. Угол поворота стрелки пропорционален силе тока.
Наиболее распространены амперметры, в которых движущаяся часть прибора со стрелкой поворачивается на угол крена, пропорциональный величине измеряемого тока. Амперметры бывают:
- магнитоэлектрическими;
- электромагнитными;
- электродинамическими;
- тепловыми;
- индукционными;
- детекторными;
- термоэлектрическими;
- фотоэлектрическими.
Магнитоэлектрические амперметры служат для измерения силы тока малой величины в цепях постоянного тока. Они состоят из магнитоэлектрического измерительного механизма и шкалы с нанесенными делениями, соответствующими различным значениям измеряемого тока.
Электромагнитные амперметры предназначены для измерения силы протекающего тока в цепях постоянного и переменного тока. Чаще всего используются для измерения силы в цепях переменного тока промышленной частоты (50 Гц). Состоят из измерительного механизма, шкала которого размечена в единицах силы тока, протекающего по катушке прибора. Для изготовления катушки можно использовать провод большого сечения и, следовательно, измерять ток большой величины (свыше 200 А). Приборы очень чувствительны к перегрузкам и внешним магнитным полям. Применяются в качестве контрольных приборов для проверки рабочих измерителей силы тока. Состоят из электродинамического измерительного механизма, катушки которого в зависимости от величины максимально измеряемого тока соединены последовательно или параллельно, и градуированной шкалы. При измерении токов малой силы катушки соединяются последовательно, а большой – параллельно.
Ферродинамические амперметры прочны и надежны по конструкции, малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей. Они состоят из ферродинамического измерительного аппарата и применяются главным образом в системах автоматических контроллеров в качестве самопишущих амперметров.
Для измерения малых переменных токов следует пользоваться выпрямительными амперметрами. В цепях высокой частоты используют тепловые амперметры; в цепях несинусоидалыюго тока для измерения действующего значения тока эквивалентной синусоиды применяют тепловые амперметры.
В приборах тепловой системы отклонение подвижной части измерителя происходит вследствие удлинения проводника, нагреваемого измеряемым током. Шкала у тепловых амперметров и вольтметров неравномерная, приближающаяся к квадратичной. Показания этих приборов практически не зависят от изменения частоты, а внешние магнитные и электрические поля также не оказывают на них влияния. Существенными недостатками приборов тепловой системы являются недопустимость перегрузки, инерционность, значительное потребление мощности и погрешность измерений от влияния изменения температуры окружающей среды, вследствие чего в настоящее время их вытеснили приборы магнитоэлектрической системы с термопреобразователями, лишенные некоторых из отмеченных недостатков.
Принцип работы теплового амперметра состоит в том, что ток, идущий по проводнику, разогревает его, и проводник удлиняется. При этом другой конец нити оттягивается пластинчатой пружиной, и катушка поворачивается, вращая вместе с собой стрелку. Так как выделяющееся тепло и разогрев нити по закону Джоуля-Ленца пропорциональны, то шкала теплового амперметра не является равномерной.
Индукционный амперметр в отличие от электроизмерительных приборов других систем можно применять в цепях переменного тока одной определённой частоты; незначительные её изменения приводят к большим погрешностям показаний. Конструктивно данный тип прибора состоит из магнитной системы, подвижной части и постоянного магнита. Магнитная система содержит 2 электромагнита с сердечниками сложной формы, на которых размещают обмотки с параллельным и последовательным включением в цепь нагрузки; подвижная часть — тонкий алюминиевый или латунный диск, помещаемый в поле магнитной системы; постоянный магнит создаёт тормозной момент. Приборы нечувствительны к влиянию внешних магнитных полей и обладают значительной перегрузочной способностью.
Детекторные амперметры представляют собой соединение однополупериодной или двухполупериодной схемы детекторного прибора с шунтом. Кроме того, применение детекторных амперметров при измерении несинусоидального тока недопустимо.
Термоэлектрические амперметры состоят из термопреобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Термопреобразователь представляет собой нагреватель в сочетании с одной или несколькими термопарами, в которых под действием тепла, выделяемого измеряемым током в нагревателе, возникает электродвижущая сила. Величина термоэдс зависит от величины силы тока в нагревателе. Термопреобразователи могут быть контактными и бесконтактными. Термоэлектрические амперметры по точности подразделяются на классы по тому же принципу, что и другие стрелочные приборы: класс прибора численно равен допустимой приведенной погрешности прибора, выраженной в процентах.
Основным достоинством фотоамперметров является высокая точность благодаря возможности градуировки их на постоянном токе или токе низкой частоты. Поэтому, как и термоамперметры, они применяются для измерения тока на высоких частотах. Однако по сравнению с термоамперметрами фотоамперметры более громоздки и требуют частой градуировки из-за значительного изменения чувствительности фотоэлемента со временем.
Каждый амперметр рассчитывается на некоторое определенное максимальное значение измеряемой величины. Но, часто, возникают ситуации, когда необходимо выполнить измерение некоторой величины, значение которой больше пределов измерения прибора. Тем не менее, всегда оказывается возможным расширить пределы измерения данным прибором. Для этого параллельно амперметру присоединяют проводник, по которому проходит часть измеряемого тока. Значение сопротивления этого проводника рассчитывается так, чтобы сила тока, проходящего через амперметр, не превышала его максимально допустимого значения. Такое сопротивление называется шунтирующим. Результатом подобных действий станет то, что если амперметром, рассчитанным, например, на силу тока до 1 A, необходимо выполнить измерение тока в 10 раз больше, то сопротивление шунта должно быть в 9 раз меньше сопротивления амперметра. Разумеется, при этом цена градуировки увеличивается в 10 раз, а точность во столько же раз уменьшается.
Разработка устройства сопряжения амперметра с ЭВМ.
Устройство сопряжения компьютера с амперметром сетью УС предназначено для организации связи между персональным компьютером или необслуживаемым локальным сервером и каким-либо устройством.
Для реализации потребуется устройство, имитирующее амперметр, выведенный из него канал для вывода напряжения, по которому аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал) и генерирует соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами – будет считывать его аналоговое значение, после чего дешифратор будет преобразовывать двоичный код в численное значение силы тока и передавать его по каналу связи для отображения этого числа в ЭВМ.
Структурно данное устройство будет выглядеть следующим образом:
За последние годы создан ряд АЦП, отличающихся по функциональному составу и назначению, конструктивным, электрическим и эксплуатационным характеристикам. Они применяются совместно с микропроцессорами и микро ЭВМ в составе устройств сопряжения с объектами, а также используются в качестве самостоятельных функциональных элементов в узлах и блоках радиоэлектронной аппаратуры.
Для того, что бы компьютер мог выполнить обработку сигнала необходимо выполнить преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую.
После обработки выполняется обратное преобразование, поскольку большинство бытовых устройств управляются аналоговыми сигналами.
Аналого-цифровое преобразование сигнала включает в себя два этапа:
- дискретизация сигнала (во времени или пространстве);
- квантование по уровню.
На этапе дискретизации берутся отсчёты сигнала с некоторым периодом дискретизации (Т).
Частоту дискретизации можно определить по формуле:
Процесс получения отсчёта входного сигнала должен занимать очень малую часть периода дискретизации, что бы снизить динамические ошибки преобразования, обусловленные изменением сигнала за время снятия отсчёта.
Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение код в цифровые. Именно эти преобразователи имеют обычно в виду, когда говорят об АЦП.
На рисунке приведены виды АЦП.
Частота дискретизации выбирается из теоремы Котельникова, которая гласит, что, если аналоговый сигнал x(t) имеет финитный (ограниченный по ширине) спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчётам, взятым с частотой, строго большей удвоенной верхней частоты f > 2 fc. Т. е. для того, чтобы по отсчётам сигнала можно было бы сколь угодно точно восстановить непрерывный сигнал необходимо что бы частота дискретизации не менее чем в два раза превосходила верхнюю частоту спектра дискретизируемого сигнала.
Дискретизация – это представление непрерывной функции (т. е. какого-то сигнала) в виде ряда дискретных отсчетов (по-буржуйски дискрет означает отличный, различный). По-другому можно сказать, что дискретизация – это преобразование непрерывной функции в непрерывную последовательность.
Структурная схема АЦП
В настоящее время, при разработке проектов радиоэлектронных устройств, приоритетными являются разработки, предусматривающие интегральное исполнение.
Исходя из этого, предлагается схема аналого-цифрового преобразователя, обладающая в интегральном исполнении (т.е. выполненная в одном кристалле) более высокими параметрами, чем при изготовлении на дискретных элементах. Так как изготовления прецизионных конденсаторов в интегральном исполнении является сложной технологической проблемой, в предлагаемой разработке из измерительных цепей конденсаторы исключены.
Схема АЦП с буферной памятью состоит из следующих блоков: генератор тактовых импульсов, счётчик формирователь адресов, буферную память составляет динамическое ОЗУ, мультиплексор, регистр последовательного приближения, буферный регистр, компаратор, ЦАП и три логических элемента.
Генератор и счётчик формируют адресные коды в стартстопном или непрерывном режиме. Тактовая частота, с которой производится дискретизация входного аналогового сигнала Ux, зависит от динамических параметров элементов АЦП, главным образом от времени установления ЦАП. С выхода микросхемы памяти мы снимаем восьмиразрядный цифровой код. Время одного измерения равно длительности установления на выходе буферного регистра цифрового кода, отображающего значения амплитуды выборки входного сигнала Ux.
Устройство может работать в режимах измерения, хранения измеренной информации и её вывода для индикации или регистрация в цифровой и аналоговой форме представления.
При наличии на входе «Измерение» сигнала 1 АЦП с частотой тактовых импульсов выбирает значения напряжения аналогового сигнала Ux и преобразует их в восьмиразрядный цифровой код, снимаемый с выхода буферного регистра. Микросхема памяти включена параллельно цепи преобразования и находится в режиме записи. Цифровые сигналы с выхода компаратора поступают на вход микросхемы памяти и поразрядно записываются в накопитель по мере изменения адресов. Эта информация может быть сохранена заданное время при снятии разрешения со входа «Измерение». Микросхема в этом случае находится в режиме считывания, но мультиплексор при отсутствии сигнала разрешения «Вывод» закрывает её выход для считывания.
В режиме вывода микросхема памяти включена через мультиплексор в цепь преобразования считываемых с её выхода, по мере возрастания адресов, сигналов в восьмиразрядный параллельный код на выходе буферного регистра и в соответствующий ему аналоговый уровень напряжения на выходе ЦАП. Выходные сигналы можно подать на регистрирующее устройство и индикатор, например на экране осциллографа.
В режиме вывода измерительной информации из накопителя мультиплексор исключает из цепи преобразования компаратор, следовательно, изменения его состояния под воздействием сигнала на входе Ux не влияют на вывод информации.
Компаратор DA1 преобразует аналоговый сигнал в цифровой сигнал. Цифровой сигнал с выхода компаратора поступает на микросхему памяти. Формирование адреса для микросхемы памяти происходит следующим образом. Генератор, собранный на микросхеме DD1 вырабатывает тактовые импульсы с частотой F0, которые поступают на вход счётчика, собранного на микросхемах DD2 – DD4 и на стробирующий вход регистра DD8. С выхода счётчика 12 – разрядный адрес поступает на входы данных микросхемы памяти.
Таким образом информация поступающая на вход данных микросхемы памяти записывается под управляющим сигналом WRITE в память микросхемы. С её выхода сигнал поступает на логический элемент ВВ7, с которого сигнал идёт на регистр сдвига DD8, который преобразует последовательный код в параллельный 8- ми разрядный код. Далее с выхода регистра временного хранения DD9 этот код поступает на цифровые выходы и на входы данных аналого- цифрового преобразователя DA1, который преобразует цифровой сигнал в аналоговый.
Надежность – это свойство изделия выполнять заданные функции сохраняя свои эксплутационные показатели в течении требуемого промежутка времени.
Надежность схем должна обеспечивается правильным набором элементов, правильным их соединением, согласованием параметров, грамотной эксплуатацией. Для каждого элемента определяем минимальное, среднее и максимальное значение интенсивности отказов.
Суммарное значение интенсивности отказов определяется по формулам
(2)
(3)
(4)
где Ni – число элементов одного типа;
m – число типов элементов.
Воспользуемся таблицей значений для функциональных элементов
Тип элемента Количество Ni Интенсивность отказов
iчас Ni*i*10-6час-1
max cp min max cp min
Интегральные микросхемы 10 0,71 0,1 0,00946 4,26 0,6 0,114
Резисторы 16 0,07 0,04 0,01 1,2 0,56 0,16
Соединение пайкой 220 0,01 0,01 0,01 2,4 2,4 2,4
Переключатели 5 0,25 0,25 0,25 2,25 2,25 2,25
Подставив значения из таблицы 2.1 в формулы (2.1), (2.2), (2.3) получим
час-1
час-1
час
Формула расчет вероятности безотказной работы в течение времени.
(5)
(6)
(7)
где t – время испытаний.
После подстановки данных получаем вероятности безотказной работы
Наработка на отказ показывает, какое количество часов схема будет работать без поломок
(8)
(9)
(10)
Вычисляем
часов
часов
часов
При построении схемы учитывается суммарное время прохождения сигнала через элементы.
Средняя задержка распространения сигнала (tзд ср) – это наиболее распространенный параметр, характеризующий быстродействие логических интегральных схем и он определяется как время задержки переднего и заднего фронтов выходного напряжения.
(11)
где tзд01 – время переключения каждого элемента из положения 0 в 1;
tзд10 – время переключения из 1в 0.
Рассчитаем среднюю задержку распространения сигнала для каждого элемента:
с
с
с
с
с
с
с
с
Общую задержка сигнала
(12)
где Ni – число элементов одного типа;
n – число элементов.
Находим общую задержку сигнала по (2.11)
с
Частота работы
(13)
Гц
Таким образом, было разработано устройство сопряжения ЭВМ с уровнемером, рассчитаны характеристики АЦП, позволяющие оценить время работы и надежность исследуемого устройства.
Амперметр – измерительный прибор для определения силы постоянного и переменного тока в электрической цепи. Показания амперметра всецело зависят от величины протекающего через него тока, в связи, с чем сопротивление амперметра по сравнению с сопротивлением нагрузки должно быть как можно меньшим.
Принцип действия магнитоэлектрического прибора основан на создании крутящего момента, благодаря взаимодействию между полем постоянного магнита и током, который проходит через обмотку рамки. С рамкой соединена стрелка, которая перемещается по шкале. Угол поворота стрелки пропорционален силе тока.
Наиболее распространены амперметры, в которых движущаяся часть прибора со стрелкой поворачивается на угол крена, пропорциональный величине измеряемого тока. Амперметры бывают:
- магнитоэлектрическими;
- электромагнитными;
- электродинамическими;
- тепловыми;
- индукционными;
- детекторными;
- термоэлектрическими;
- фотоэлектрическими.
Магнитоэлектрические амперметры служат для измерения силы тока малой величины в цепях постоянного тока. Они состоят из магнитоэлектрического измерительного механизма и шкалы с нанесенными делениями, соответствующими различным значениям измеряемого тока.
Электромагнитные амперметры предназначены для измерения силы протекающего тока в цепях постоянного и переменного тока. Чаще всего используются для измерения силы в цепях переменного тока промышленной частоты (50 Гц). Состоят из измерительного механизма, шкала которого размечена в единицах силы тока, протекающего по катушке прибора. Для изготовления катушки можно использовать провод большого сечения и, следовательно, измерять ток большой величины (свыше 200 А). Приборы очень чувствительны к перегрузкам и внешним магнитным полям. Применяются в качестве контрольных приборов для проверки рабочих измерителей силы тока. Состоят из электродинамического измерительного механизма, катушки которого в зависимости от величины максимально измеряемого тока соединены последовательно или параллельно, и градуированной шкалы. При измерении токов малой силы катушки соединяются последовательно, а большой – параллельно.
Ферродинамические амперметры прочны и надежны по конструкции, малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей. Они состоят из ферродинамического измерительного аппарата и применяются главным образом в системах автоматических контроллеров в качестве самопишущих амперметров.
Для измерения малых переменных токов следует пользоваться выпрямительными амперметрами. В цепях высокой частоты используют тепловые амперметры; в цепях несинусоидалыюго тока для измерения действующего значения тока эквивалентной синусоиды применяют тепловые амперметры.
В приборах тепловой системы отклонение подвижной части измерителя происходит вследствие удлинения проводника, нагреваемого измеряемым током. Шкала у тепловых амперметров и вольтметров неравномерная, приближающаяся к квадратичной. Показания этих приборов практически не зависят от изменения частоты, а внешние магнитные и электрические поля также не оказывают на них влияния. Существенными недостатками приборов тепловой системы являются недопустимость перегрузки, инерционность, значительное потребление мощности и погрешность измерений от влияния изменения температуры окружающей среды, вследствие чего в настоящее время их вытеснили приборы магнитоэлектрической системы с термопреобразователями, лишенные некоторых из отмеченных недостатков.
Принцип работы теплового амперметра состоит в том, что ток, идущий по проводнику, разогревает его, и проводник удлиняется. При этом другой конец нити оттягивается пластинчатой пружиной, и катушка поворачивается, вращая вместе с собой стрелку. Так как выделяющееся тепло и разогрев нити по закону Джоуля-Ленца пропорциональны, то шкала теплового амперметра не является равномерной.
Индукционный амперметр в отличие от электроизмерительных приборов других систем можно применять в цепях переменного тока одной определённой частоты; незначительные её изменения приводят к большим погрешностям показаний. Конструктивно данный тип прибора состоит из магнитной системы, подвижной части и постоянного магнита. Магнитная система содержит 2 электромагнита с сердечниками сложной формы, на которых размещают обмотки с параллельным и последовательным включением в цепь нагрузки; подвижная часть — тонкий алюминиевый или латунный диск, помещаемый в поле магнитной системы; постоянный магнит создаёт тормозной момент. Приборы нечувствительны к влиянию внешних магнитных полей и обладают значительной перегрузочной способностью.
Детекторные амперметры представляют собой соединение однополупериодной или двухполупериодной схемы детекторного прибора с шунтом. Кроме того, применение детекторных амперметров при измерении несинусоидального тока недопустимо.
Термоэлектрические амперметры состоят из термопреобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Термопреобразователь представляет собой нагреватель в сочетании с одной или несколькими термопарами, в которых под действием тепла, выделяемого измеряемым током в нагревателе, возникает электродвижущая сила. Величина термоэдс зависит от величины силы тока в нагревателе. Термопреобразователи могут быть контактными и бесконтактными. Термоэлектрические амперметры по точности подразделяются на классы по тому же принципу, что и другие стрелочные приборы: класс прибора численно равен допустимой приведенной погрешности прибора, выраженной в процентах.
Основным достоинством фотоамперметров является высокая точность благодаря возможности градуировки их на постоянном токе или токе низкой частоты. Поэтому, как и термоамперметры, они применяются для измерения тока на высоких частотах. Однако по сравнению с термоамперметрами фотоамперметры более громоздки и требуют частой градуировки из-за значительного изменения чувствительности фотоэлемента со временем.
Каждый амперметр рассчитывается на некоторое определенное максимальное значение измеряемой величины. Но, часто, возникают ситуации, когда необходимо выполнить измерение некоторой величины, значение которой больше пределов измерения прибора. Тем не менее, всегда оказывается возможным расширить пределы измерения данным прибором. Для этого параллельно амперметру присоединяют проводник, по которому проходит часть измеряемого тока. Значение сопротивления этого проводника рассчитывается так, чтобы сила тока, проходящего через амперметр, не превышала его максимально допустимого значения. Такое сопротивление называется шунтирующим. Результатом подобных действий станет то, что если амперметром, рассчитанным, например, на силу тока до 1 A, необходимо выполнить измерение тока в 10 раз больше, то сопротивление шунта должно быть в 9 раз меньше сопротивления амперметра. Разумеется, при этом цена градуировки увеличивается в 10 раз, а точность во столько же раз уменьшается.
Разработка устройства сопряжения амперметра с ЭВМ.
Устройство сопряжения компьютера с амперметром сетью УС предназначено для организации связи между персональным компьютером или необслуживаемым локальным сервером и каким-либо устройством.
Для реализации потребуется устройство, имитирующее амперметр, выведенный из него канал для вывода напряжения, по которому аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал) и генерирует соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами – будет считывать его аналоговое значение, после чего дешифратор будет преобразовывать двоичный код в численное значение силы тока и передавать его по каналу связи для отображения этого числа в ЭВМ.
Структурно данное устройство будет выглядеть следующим образом:
За последние годы создан ряд АЦП, отличающихся по функциональному составу и назначению, конструктивным, электрическим и эксплуатационным характеристикам. Они применяются совместно с микропроцессорами и микро ЭВМ в составе устройств сопряжения с объектами, а также используются в качестве самостоятельных функциональных элементов в узлах и блоках радиоэлектронной аппаратуры.
Для того, что бы компьютер мог выполнить обработку сигнала необходимо выполнить преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую.
После обработки выполняется обратное преобразование, поскольку большинство бытовых устройств управляются аналоговыми сигналами.
Аналого-цифровое преобразование сигнала включает в себя два этапа:
- дискретизация сигнала (во времени или пространстве);
- квантование по уровню.
На этапе дискретизации берутся отсчёты сигнала с некоторым периодом дискретизации (Т).
Частоту дискретизации можно определить по формуле:
Процесс получения отсчёта входного сигнала должен занимать очень малую часть периода дискретизации, что бы снизить динамические ошибки преобразования, обусловленные изменением сигнала за время снятия отсчёта.
Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение код в цифровые. Именно эти преобразователи имеют обычно в виду, когда говорят об АЦП.
На рисунке приведены виды АЦП.
Частота дискретизации выбирается из теоремы Котельникова, которая гласит, что, если аналоговый сигнал x(t) имеет финитный (ограниченный по ширине) спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчётам, взятым с частотой, строго большей удвоенной верхней частоты f > 2 fc. Т. е. для того, чтобы по отсчётам сигнала можно было бы сколь угодно точно восстановить непрерывный сигнал необходимо что бы частота дискретизации не менее чем в два раза превосходила верхнюю частоту спектра дискретизируемого сигнала.
Дискретизация – это представление непрерывной функции (т. е. какого-то сигнала) в виде ряда дискретных отсчетов (по-буржуйски дискрет означает отличный, различный). По-другому можно сказать, что дискретизация – это преобразование непрерывной функции в непрерывную последовательность.
Структурная схема АЦП
В настоящее время, при разработке проектов радиоэлектронных устройств, приоритетными являются разработки, предусматривающие интегральное исполнение.
Исходя из этого, предлагается схема аналого-цифрового преобразователя, обладающая в интегральном исполнении (т.е. выполненная в одном кристалле) более высокими параметрами, чем при изготовлении на дискретных элементах. Так как изготовления прецизионных конденсаторов в интегральном исполнении является сложной технологической проблемой, в предлагаемой разработке из измерительных цепей конденсаторы исключены.
Схема АЦП с буферной памятью состоит из следующих блоков: генератор тактовых импульсов, счётчик формирователь адресов, буферную память составляет динамическое ОЗУ, мультиплексор, регистр последовательного приближения, буферный регистр, компаратор, ЦАП и три логических элемента.
Генератор и счётчик формируют адресные коды в стартстопном или непрерывном режиме. Тактовая частота, с которой производится дискретизация входного аналогового сигнала Ux, зависит от динамических параметров элементов АЦП, главным образом от времени установления ЦАП. С выхода микросхемы памяти мы снимаем восьмиразрядный цифровой код. Время одного измерения равно длительности установления на выходе буферного регистра цифрового кода, отображающего значения амплитуды выборки входного сигнала Ux.
Устройство может работать в режимах измерения, хранения измеренной информации и её вывода для индикации или регистрация в цифровой и аналоговой форме представления.
При наличии на входе «Измерение» сигнала 1 АЦП с частотой тактовых импульсов выбирает значения напряжения аналогового сигнала Ux и преобразует их в восьмиразрядный цифровой код, снимаемый с выхода буферного регистра. Микросхема памяти включена параллельно цепи преобразования и находится в режиме записи. Цифровые сигналы с выхода компаратора поступают на вход микросхемы памяти и поразрядно записываются в накопитель по мере изменения адресов. Эта информация может быть сохранена заданное время при снятии разрешения со входа «Измерение». Микросхема в этом случае находится в режиме считывания, но мультиплексор при отсутствии сигнала разрешения «Вывод» закрывает её выход для считывания.
В режиме вывода микросхема памяти включена через мультиплексор в цепь преобразования считываемых с её выхода, по мере возрастания адресов, сигналов в восьмиразрядный параллельный код на выходе буферного регистра и в соответствующий ему аналоговый уровень напряжения на выходе ЦАП. Выходные сигналы можно подать на регистрирующее устройство и индикатор, например на экране осциллографа.
В режиме вывода измерительной информации из накопителя мультиплексор исключает из цепи преобразования компаратор, следовательно, изменения его состояния под воздействием сигнала на входе Ux не влияют на вывод информации.
Компаратор DA1 преобразует аналоговый сигнал в цифровой сигнал. Цифровой сигнал с выхода компаратора поступает на микросхему памяти. Формирование адреса для микросхемы памяти происходит следующим образом. Генератор, собранный на микросхеме DD1 вырабатывает тактовые импульсы с частотой F0, которые поступают на вход счётчика, собранного на микросхемах DD2 – DD4 и на стробирующий вход регистра DD8. С выхода счётчика 12 – разрядный адрес поступает на входы данных микросхемы памяти.
Таким образом информация поступающая на вход данных микросхемы памяти записывается под управляющим сигналом WRITE в память микросхемы. С её выхода сигнал поступает на логический элемент ВВ7, с которого сигнал идёт на регистр сдвига DD8, который преобразует последовательный код в параллельный 8- ми разрядный код. Далее с выхода регистра временного хранения DD9 этот код поступает на цифровые выходы и на входы данных аналого- цифрового преобразователя DA1, который преобразует цифровой сигнал в аналоговый.
Надежность – это свойство изделия выполнять заданные функции сохраняя свои эксплутационные показатели в течении требуемого промежутка времени.
Надежность схем должна обеспечивается правильным набором элементов, правильным их соединением, согласованием параметров, грамотной эксплуатацией. Для каждого элемента определяем минимальное, среднее и максимальное значение интенсивности отказов.
Суммарное значение интенсивности отказов определяется по формулам
(2)
(3)
(4)
где Ni – число элементов одного типа;
m – число типов элементов.
Воспользуемся таблицей значений для функциональных элементов
Тип элемента Количество Ni Интенсивность отказов
iчас Ni*i*10-6час-1
max cp min max cp min
Интегральные микросхемы 10 0,71 0,1 0,00946 4,26 0,6 0,114
Резисторы 16 0,07 0,04 0,01 1,2 0,56 0,16
Соединение пайкой 220 0,01 0,01 0,01 2,4 2,4 2,4
Переключатели 5 0,25 0,25 0,25 2,25 2,25 2,25
Подставив значения из таблицы 2.1 в формулы (2.1), (2.2), (2.3) получим
час-1
час-1
час
Формула расчет вероятности безотказной работы в течение времени.
(5)
(6)
(7)
где t – время испытаний.
После подстановки данных получаем вероятности безотказной работы
Наработка на отказ показывает, какое количество часов схема будет работать без поломок
(8)
(9)
(10)
Вычисляем
часов
часов
часов
При построении схемы учитывается суммарное время прохождения сигнала через элементы.
Средняя задержка распространения сигнала (tзд ср) – это наиболее распространенный параметр, характеризующий быстродействие логических интегральных схем и он определяется как время задержки переднего и заднего фронтов выходного напряжения.
(11)
где tзд01 – время переключения каждого элемента из положения 0 в 1;
tзд10 – время переключения из 1в 0.
Рассчитаем среднюю задержку распространения сигнала для каждого элемента:
с
с
с
с
с
с
с
с
Общую задержка сигнала
(12)
где Ni – число элементов одного типа;
n – число элементов.
Находим общую задержку сигнала по (2.11)
с
Частота работы
(13)
Гц
Таким образом, было разработано устройство сопряжения ЭВМ с уровнемером, рассчитаны характеристики АЦП, позволяющие оценить время работы и надежность исследуемого устройства.