Недоліком таких перетворювачів є обмежена взаємозамінюваність, що пояснюється розкидом параметрів f0 i S. Враховуючи сказане та умову курсової роботи виберемо для побудови цифрового термометра п’єзоелектричний вимірювальний термоперетворювач. Оскільки вихідною величиною п’єзоелектричного термоперетворювача є частота, а вказаний діапазон температур (300 – 2100 К) визиває високу частоту коливань, то в якості аналого-цифрового перетворювача (АЦП) доцільно вибрати цифровий частотомір середніх значень.

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

fкв

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.

 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 fx , (2.1)

Де T0 – зразковий часовий інтервал;

          fx – вимірювана частота.

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

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

Nx

fx

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 fx буде нелінійною (рисунок2.4).

d

fx

Рисунок 2.4 - Залежність похибки квантування від частоти fx

Аналіз рівняння похибки показує, що можливими шляхами зменшення похибки є збільшення зразкового часового інтервалу Т0 і вимірюваної частоти fx . 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 fx підставимо ft з (1.2)

Nt = T0 fx = T0 (fp + S tx), (3.1)

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

δ = 1/Nt = , (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 Ttx тому тут підставлямо значення ft min = fp + S tx min

T0 = , (3.3)

T0 = ,

Частоту квантування на виході імпульсного генератора G вибирають таку, щоб

Tкв <<T0 .

Частіше всього вибирають генератор з частотою fкв = 1 МГц.

Виходячи з рівняння (3.3) нижня межа вимірювання визначиться так

tx min =  (3.4)

Верхня межа вимірювання визначається значенням максимальної ємності двійкового лічильника Nmax.

          З рівняння (3.1)

Nmax = T0 fxmax = T0 (fp + S txmax) (3.5)

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

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

          tx max =  (3.6)

          де n – розрядність двійкового лічильника.

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

n = lоg2 Nmax ≈ 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 tx max і нижню tx msn межу вимірювання;

-       розрядність n двійкового лічильника;

-       похибку квантування δK .

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.

Страницы: 1, 2