Файл: Курсовая работа 031509. 03. 02 Максаев Д. А. 2022 Министерство науки и высшего образования Российской Федерации.docx
Добавлен: 07.12.2023
Просмотров: 128
Скачиваний: 6
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
В таком случае уточнённое значение опорной частоты равно:
Тогда относительная погрешность формирования опорной частоты равна:
Для формирования временных интервалов длительностью необходимо частоту опорного колебания с помощью делителя частоты поделить в требуемое число раз.
Требуемая частота опроса каналов Fд = 100 Гц, число каналов — n = 8. В таком случае частота FВЫХследования импульсов на выходе делителя:
Тогда коэффициент деления будет равен:
Такого делителя частоты можно добиться соединением пяти делителей с двумя делителями с коэффициентом пересчёта 10 и тремя делителями с коэффициентом пересчёта 2 (Рисунок 5). В качестве делителя на 10 может быть использована микросхема К155ИЕ2, а для делителя на 2 — микросхема К155ИЕ4 [3].
Рисунок 5 — Счетчики для получения деления частоты на 3750
В БФВС аналоговый мультиплексор осуществляет коммутацию одного из входных каналов на один выходной канал. Номер выбранного входа определяется кодом, поданным на адресные входы мультиплексора через время, которое определяется управляющей схемой. В роли мультиплексора используется схема КР590КН1 с диапазоном коммутируемых ею напряжений 5В [4] (Рисунок 6).
Рисунок 6 – Схема мультиплексора КР590КН1
Нормирующий усилитель следует рассматривать в виде схемы инвертирующего включения операционного усилителя (Рисунок 7), потому что напряжение, выходящее с БФИИ, является инвертированным. Диапазон изменения выходного напряжения по заданию
, поэтому коэффициент усиления будет равен:
Рисунок 7 – Схема нормирующего усилителя
Далее следует выбрать сопротивления резисторов в цепи (пусть R
1 = 9100 Ом), не забывая о внутреннем сопротивлении мультиплексора в 500 Ом, и тогда сопротивление резистора R2 можно вычислить из формулы коэффициента усиления, согласно схеме нормирующего усилителя на рисунке 7:
Полученное сопротивление обеспечит последовательное соединение резисторов на 24000 Ом, 180 Ом, 12 Ом.
Структурная схема определяет основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи между ними. Данная схема отображает принцип работы изделия в наиболее общем виде. Чтобы составить структурную схему устройства для измерения температуры, необходимо соединить с правильным подключением три основных блока: блок формирования измерительной информации (БФИИ), управляющую схему и блок формирования выходного сигнала (БФВС). Структурная схема устройства показана на рисунке 8.
Функциональная схема составлена посредством детализации элементов структурной схемы ее функциональными частями, выявленными в процессе расчета. Добавлены источники питания, резистор RE для работы мультиплексора (логическая единица). Данная схема представлена на рисунке 9.
На принципиальной схеме добавлено параллельное соединение конденсаторов, некоторые резисторы заменены последовательностью резисторов с сохранением суммарного номинала, добавлены источники питания, вывод выходного напряжения и дополнительные соединения элементов. Принципиальная схема показана на рисунке 10.
Перечень элементов, используемых в принципиальной схеме, приведен в таблице 1 [5].
Рисунок 8 – Структурная схема устройства
Рисунок 9 – Функциональная схема устройства
Рисунок 10 – Принципиальная схема устройства
Таблица 1 – Перечень элементов принципиальной схемы.
Продолжение таблицы 1.
Моделирование схемы произведено в программе Electronics Workbench. В моделирование включено получение выходного напряжения устройства для измерения температуры с соответствующим графиком.
Реализация блока БФИИ в программе Electronics Workbench, состоящего из моста Уитстона и информационного усилителя на основе ОУ с рассчитанными ранее значениями сопротивлений, представлена на рисунке 11.
Рисунок 11 – Реализация блока БФИИ в программе Electronics Workbench
Реализация нормирующего усилителя в программе Electronics Workbench с рассчитанными ранее значениями сопротивлений и выходом к осциллографу представлена на рисунке 12.
Рисунок 12 – Реализация нормирующего усилителя в программе Electronics Workbench
Реализация управляющей схемы в программе Electronics Workbench с использованием источника питания на 5 В, источника переменного напряжения с рассчитанной ранее частотой и счетчика схемы 7492, являющейся аналогом схемы К155ИЕ4 представлена на рисунке 13.
Рисунок 13 – Реализация управляющей схемы в программе Electronics Workbench
Реализация мультиплексора в программе Electronics Workbench представляет собой использование дешифратора и переключателей, управляемых напряжением, представленных на рисунках 14 и 15 соответственно. Переключатели выполняют роль ключей, которые препятствуют входу токов от мостов. Дешифратор, получив команду от счетчика, посылает сигнал переключателю, который в свою очередь открывается и пропускает ток.
Рисунок 14 – Дешифратор 3-to-8
Рисунок 15 – Связь переключателей с блоками БФИИ
Для того чтобы не загромождать схему большим количеством элементов блоки БФИИ перенесены в подсхемы BFII1. Таким образом, реализация всего устройства измерения температуры в программе Electronics Workbench может быть представлена в виде схемы, показанной на рисунке 16.
Рисунок 16 – Реализация устройства измерения температуры в программе Electronics Workbench
Для последующего анализа работы устройства измерения температуры, собранного в программе Electronics Workbench, на рисунке 17 приведена осциллограмма выходного напряжения схемы.
Рисунок 17 – Осциллограмма
Для проверки работы устройства, необходимо рассчитать значения выходных напряжений и сравнить с графиком, представленным на рисунке 17. Значения сопротивлений
– при самой верхней температуре и 
– при самой нижней температуре соответственно. Пусть на остальных четырёх первичных измерительных приборах фиксируются температуры +40С, -10С, 0С и +20С соответственно. Тогда по формуле (2) для них сопротивление терморезистора будет равно:
Выходные напряжения, согласно формулам раздела 2, где
– выходное напряжение измерительного ОУ, 
– потенциал в точке 1, 
– потенциал в точке 2, 
– коэффициент усиления нормирующего усилителя, 
– коэффициент усиления операционного усилителя, будут равны:
.
Для +70С, используя ранее найденное значение в пункте 2.1:
Для -30С, используя ранее найденное значение в пункте 2.1 :
Тогда относительная погрешность формирования опорной частоты равна:
Для формирования временных интервалов длительностью необходимо частоту опорного колебания с помощью делителя частоты поделить в требуемое число раз.
Требуемая частота опроса каналов Fд = 100 Гц, число каналов — n = 8. В таком случае частота FВЫХследования импульсов на выходе делителя:
Тогда коэффициент деления будет равен:
Такого делителя частоты можно добиться соединением пяти делителей с двумя делителями с коэффициентом пересчёта 10 и тремя делителями с коэффициентом пересчёта 2 (Рисунок 5). В качестве делителя на 10 может быть использована микросхема К155ИЕ2, а для делителя на 2 — микросхема К155ИЕ4 [3].
Рисунок 5 — Счетчики для получения деления частоты на 3750
2.3 Блок формирования выходного сигнала
В БФВС аналоговый мультиплексор осуществляет коммутацию одного из входных каналов на один выходной канал. Номер выбранного входа определяется кодом, поданным на адресные входы мультиплексора через время, которое определяется управляющей схемой. В роли мультиплексора используется схема КР590КН1 с диапазоном коммутируемых ею напряжений 5В [4] (Рисунок 6).
Рисунок 6 – Схема мультиплексора КР590КН1
Нормирующий усилитель следует рассматривать в виде схемы инвертирующего включения операционного усилителя (Рисунок 7), потому что напряжение, выходящее с БФИИ, является инвертированным. Диапазон изменения выходного напряжения по заданию
, поэтому коэффициент усиления будет равен: Рисунок 7 – Схема нормирующего усилителя
Далее следует выбрать сопротивления резисторов в цепи (пусть R
1 = 9100 Ом), не забывая о внутреннем сопротивлении мультиплексора в 500 Ом, и тогда сопротивление резистора R2 можно вычислить из формулы коэффициента усиления, согласно схеме нормирующего усилителя на рисунке 7:
Полученное сопротивление обеспечит последовательное соединение резисторов на 24000 Ом, 180 Ом, 12 Ом.
3 Разработка структурной, функциональной и принципиальной схем
Структурная схема определяет основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи между ними. Данная схема отображает принцип работы изделия в наиболее общем виде. Чтобы составить структурную схему устройства для измерения температуры, необходимо соединить с правильным подключением три основных блока: блок формирования измерительной информации (БФИИ), управляющую схему и блок формирования выходного сигнала (БФВС). Структурная схема устройства показана на рисунке 8.
Функциональная схема составлена посредством детализации элементов структурной схемы ее функциональными частями, выявленными в процессе расчета. Добавлены источники питания, резистор RE для работы мультиплексора (логическая единица). Данная схема представлена на рисунке 9.
На принципиальной схеме добавлено параллельное соединение конденсаторов, некоторые резисторы заменены последовательностью резисторов с сохранением суммарного номинала, добавлены источники питания, вывод выходного напряжения и дополнительные соединения элементов. Принципиальная схема показана на рисунке 10.
Перечень элементов, используемых в принципиальной схеме, приведен в таблице 1 [5].
Рисунок 8 – Структурная схема устройства
Рисунок 9 – Функциональная схема устройства
Рисунок 10 – Принципиальная схема устройства
Таблица 1 – Перечень элементов принципиальной схемы.
| Обозначение | Наименование | Количество |
| Конденсаторы | ||
| C1 | КД2-Н20-370 ±5% | 1 |
| C2 | КД2-Н20-1 ±5% | 1 |
| Микросхемы аналоговые | ||
| DA1 | LM759 «National Semiconductor Corp.» | 7 |
| DA2 | Микросхема КР590КН1 | 1 |
| Микросхемы цифровые | ||
| DD1 | Микросхема К155ЛН1 | 3 |
| Счетчики | ||
| DD2.1 – DD2.3 | Микросхема К155ИЕ2 | 3 |
| DD3.1, DD3.2 | Микросхема К155ИЕ4 | 2 |
| Резисторы | ||
| R1 | С1-4-0.5-8.2 кОм ±5% | 6 |
| R2 – R5 | С1-4-0.5-25 кОм ±5% | 24 |
| R6, R7 | С1-4-0.5-750 кОм ±5% | 24 |
Продолжение таблицы 1.
| R8,R12 | C1-4-0.5-750 кОм ±5% | 48 |
| R9, R13 | C1-4-0.5-43 кОм ±5% | 12 |
| R16 | C1-4-0.5-300 кОм ±5% | 12 |
| R17 | C1-4-0.5-24 кОм ±5% | 1 |
| R18 | C1-4-0.5-180 Ом ±5% | 1 |
| R19 | C1-4-0.5-12 Ом ±5% | 3 |
| Разъёмы | ||
| X1, X2 | MA522-500M2 «DECA SwitchLab» | 2 |
4 Результаты моделирования
Моделирование схемы произведено в программе Electronics Workbench. В моделирование включено получение выходного напряжения устройства для измерения температуры с соответствующим графиком.
Реализация блока БФИИ в программе Electronics Workbench, состоящего из моста Уитстона и информационного усилителя на основе ОУ с рассчитанными ранее значениями сопротивлений, представлена на рисунке 11.
Рисунок 11 – Реализация блока БФИИ в программе Electronics Workbench
Реализация нормирующего усилителя в программе Electronics Workbench с рассчитанными ранее значениями сопротивлений и выходом к осциллографу представлена на рисунке 12.
Рисунок 12 – Реализация нормирующего усилителя в программе Electronics Workbench
Реализация управляющей схемы в программе Electronics Workbench с использованием источника питания на 5 В, источника переменного напряжения с рассчитанной ранее частотой и счетчика схемы 7492, являющейся аналогом схемы К155ИЕ4 представлена на рисунке 13.
Рисунок 13 – Реализация управляющей схемы в программе Electronics Workbench
Реализация мультиплексора в программе Electronics Workbench представляет собой использование дешифратора и переключателей, управляемых напряжением, представленных на рисунках 14 и 15 соответственно. Переключатели выполняют роль ключей, которые препятствуют входу токов от мостов. Дешифратор, получив команду от счетчика, посылает сигнал переключателю, который в свою очередь открывается и пропускает ток.
Рисунок 14 – Дешифратор 3-to-8
Рисунок 15 – Связь переключателей с блоками БФИИ
Для того чтобы не загромождать схему большим количеством элементов блоки БФИИ перенесены в подсхемы BFII1. Таким образом, реализация всего устройства измерения температуры в программе Electronics Workbench может быть представлена в виде схемы, показанной на рисунке 16.
Рисунок 16 – Реализация устройства измерения температуры в программе Electronics Workbench
Для последующего анализа работы устройства измерения температуры, собранного в программе Electronics Workbench, на рисунке 17 приведена осциллограмма выходного напряжения схемы.
Рисунок 17 – Осциллограмма
Для проверки работы устройства, необходимо рассчитать значения выходных напряжений и сравнить с графиком, представленным на рисунке 17. Значения сопротивлений
– при самой верхней температуре и – при самой нижней температуре соответственно. Пусть на остальных четырёх первичных измерительных приборах фиксируются температуры +40С, -10С, 0С и +20С соответственно. Тогда по формуле (2) для них сопротивление терморезистора будет равно: Выходные напряжения, согласно формулам раздела 2, где
– выходное напряжение измерительного ОУ, – потенциал в точке 1, – потенциал в точке 2, – коэффициент усиления нормирующего усилителя, – коэффициент усиления операционного усилителя, будут равны: .Для +70С, используя ранее найденное значение
в пункте 2.1: Для -30С, используя ранее найденное значение
в пункте 2.1 :