Пример проектирования устройства на функциональном уровне
Рассмотрим порядок проектирования цифрового вольтметра для измерения мгновенных значений переменного напряжения. Необходимо получить цифровые коды, пропорциональные мгновенным значениям измеряемого
методом последовательных приближений напряжения. Для расширения
диапазона измерения переменного напряжения необходимо использовать входной делитель и масштабный усилитель. Требуется оценить погрешности измерения цифрового вольтметра, а также выполнить следующее:
1) начертить схему измерения напряжения и дать ее описание;
2) рассчитать входной делитель и измерительный усилитель;
3) определить составляющие погрешностей;
4) определить частоту следования импульсов f0 тактового генератора (ГТИ), чтобы погрешность восстановления Dmax не превышала 1%;
5) начертить временную диаграмму преобразования, непрерывная величина – код для амплитудного значения измеряемого напряжения.
Исходные данные для проектирования цифрового вольтметра: мгновенные значения синусоидального напряжения вида
измеряются цифровым вольтметром с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) последовательных приближений со временем дискретизации Т0; число разрядов выходного двоичного кода АЦП R = 10; опорное напряжение
Uоп = 10,23 В.
Решение задачи проектирования цифрового вольтметра выполним по порядку, приведенному ниже.
1) Схема измерений.
Функциональная схема цифрового вольтметра с АЦП последовательных приближений и масштабными преобразователями представлена на рис. 4.
Вольтметр содержит два масштабных преобразователя – входной делитель и измерительный усилитель. Это позволяет измерять переменные напряжения с амплитудой как более Uоп (большие значения коэффициента деления и единичные значения коэффициента усиления), так и существенно меньшие Uоп (единичные значения коэффициента деления и большие значения коэффициента усиления). Использование двух каскадов инвертирующего усилителя позволяет получить большие значения коэффициента усиления (103 – 106) и напряжение на входе АЦП получается синфазным со входным.
Рис. 4. Функциональная схема цифрового вольтметра
Для работы АЦП на его входы необходимо подать преобразованное измеряемое напряжение ( ), опорное напряжение Uоп, прямоугольные тактовые импульсы от генератора ГТИ с периодом следования Т0. На выходе АЦП устанавливается двоичный код К при появлении импульса конца преобразования Тп.
2) Расчет входного делителя и измерительного усилителя.
Максимальное измеряемое напряжение В, выбираем предел измерения UN = 500 В. Рекомендуемые пределы для других напряжений выбираются из ряда , k = (–1; 0; 1; 2)
[мВ], [В].
Ограничимся мощностью, выделяемой на входном делителе Рдел не
более 0,5 Вт, тогда сопротивление входного делителя определяется по
выражению:
; (5)
Ом.
После расчета следует произвести округление сопротивления по нормальному ряду Е24 в сторону увеличения.
Входной делитель рассчитывается по соотношению:
, (6)
где U23 = UN = 500 B; – падение напряжения на резисторе R3 выбирается меньшим опорного напряжения. Примем U3 = 5В.
; (7)
Ом,
тогда R2 = R23 – R3; R2 = 500 – 5 = 495 кОм.
Масштабный коэффициент делителя вычисляется по формуле:
; (8)
Коэффициент усиления измерительного усилителя
; (9)
.
где kU1, kU2 – коэффициенты усиления двух каскадов по напряжению.
Зададимся R1 =10 кОм > R3 = 5 кОм, тогда R0 = kU R1 = 2×10 =20 кОм,
R4 = R5 = 10 кОм.
3) Составляющие погрешностей.
3.1) Методическая погрешность.
Возникает из-за наличия входного сопротивления измерительного усилителя. Для инвертирующего усилителя, включенного по рассматриваемой схеме, Rвх = R1. В этом случае измеряемое напряжение на выходе делителя
определяется по формуле:
, (10)
где . (11)
кОм; В.
Действительное значение напряжения определяется по формуле:
; (12)
В.
Относительная методическая погрешность рассчитывается по
выражению:
; (13)
.
Для уменьшения методической погрешности следует увеличить сопротивление R1 на этапе выбора параметров схемы измерительного усилителя.
3.2) Оценка динамической погрешности.
Оценку динамической погрешности выполним по методике, приведенной в работе [5].
Истинное значение синусоидального сигнала x0(t) будем считать интерполированным параболой, измеренное будет кусочно-линейным приближением, тогда наибольшая абсолютная погрешность выражается формулой:
, (14)
где – вторая производная, характеризующая кривизну для формы сигнала, приведенной на рис. 5.
| Рис. 5. Динамическая погрешность |
. (15)
Для синусоидального сигнала вторая производная
, тогда
(16)
и число отсчетов на периоде
, (17)
где gm = 1% = 0,01.
Число отсчетов для восстановления сигнала синусоидальной формы с различной степенью точности представлено в табл. 1.
Таблица 1
Число отсчетов для восстановления сигнала вида
| 0,1 | ||||
| n |
По условию задачи , что соответствует 22 точкам на периоде сигнала. Для с-1 период сигнала с. Преобразование АЦП мгновенных значений сигнала выполняется за время , где
R – число разрядов АЦП, тогда мкс. Округлим время преобразования в меньшую сторону, тогда T0 = 20 мкс и частота тактового генератора f0 = 1/T0 = 50 кГц.
3.3) Погрешность квантования.
Абсолютная погрешность квантования определяется по формуле:
; (18)
В.
Относительная погрешность квантования вычисляется по выражению:
, (19)
%.
4) Построение временной диаграммы.
Измеряемая величина B. Напряжение на входе АЦП равно В.
Данные о весе разрядов выходного цифрового кода в долях опорного напряжения представлены в табл. 2.
Таблица 2
Вес разрядов выходного кода
| Разряд | ||||||||||
| Код | ||||||||||
| Вес разряда, мВ |
Диаграмма преобразования измеряемой непрерывной величины (НВ) в цифровой код методом последовательных приближений представлена на рис. 6.
Рис. 6. Временная диаграмма преобразования «НВ – код»
Как видно из диаграммы, представленной на рис. 6, на восьмом шаге преобразования текущее значение сравниваемого напряжения точно совпало с преобразуемым напряжением. Таким образом, выходной двоичный код, соответствующий амплитудному значению измеряемого напряжения принимает значение К = 1001100100.
5. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ
Схемы электрические принципиальные входят в комплект конструк-торской документации радиоэлектронных устройств, к которым относятся современные приборы и системы управления, контроля и диагностики.
Схемы электрические принципиальные необходимо разрабатывать с использованием систем автоматизированного проектирования (САПР). Результатом проектирования должны стать непосредственно сама схема электрическая принципиальная, а также чертеж печатной платы, выполненный по ней.
Для удобства разработки схемы электрической принципиальной и последующей разработки печатной платы устройства следует пользоваться готовыми библиотеками радиоэлементов.
Подробные сведения по разработке радиоэлектронных устройств с применением САПР изложены в работах [11, 12]. В перечне выполняемых лабораторных работ предусмотрена самостоятельная работа с системой САПР, включающая в себя следующие темы: разработка основной надписи чертежа; формирование библиотеки изображений и корпусов элементов; разработка схемы электрической принципиальной; трассировка печатной платы устройства.
Примеры схемы электрической принципиальной и чертежа печатной платы, выполненные в САПР P-CAD [11] для разрабатываемого устройства,
показаны на рис. 7 – 9. Перечень элементов, использованных в разработке схемы электрической принципиальной, приведен в табл. 3.
Правила оформления схемы электрической принципиальной и перечня элементов следует выполнять, согласно требованиям нормативных документов СТП ОмГУПС-1.5-02, СТП ОмГУПС-1.6-02, СТП ОмГУПС-1.7-04.
6. РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО УЗЛА
Функционально законченный и конструктивно обособленный узел на печатной плате – наиболее распространенная часть конструкции современного электронного устройства, фактически его обязательная часть. В зависимости от назначения устройства такие конструкции отличаются большим разнообразием. Как правило, они имеют следующий состав:
а) несущий элемент в виде печатной платы, обеспечивающий необходимую механическую прочность, удобство установки и размещения элементной базы и проводников на поверхности, закрепление в приборе;
б) проводники, выполненные разными способами, которые обеспечивают электрическое соединение элементов;
в) коммутационные элементы в виде разъемов, контактных площадок, специальных штырей, обеспечивающих электрическую связь функционального узла с внешними электрическими цепями;
г) элементная база, которую необходимо установить на плате и определенным образом соединить для выполнения функционального назначения узла.
Исходными конструкторскими документами для выполнения указанной выше работы являются следующие документы:
а) схема электрическая функциональная;
б) схема электрическая принципиальная;
в) перечень элементов;
г) спецификация к сборочному чертежу.
Результатом работы являются:
а) чертеж печатной платы;
б) чертежи вспомогательных деталей (ручки, фиксаторы, радиаторы и др.);
в) сборочный чертеж.
Конструирование печатных плат осуществляется ручным и автоматизированным методами. При ручном методе конструирования размещение навесных элементов и трассировка печатных проводников осуществляются вручную непосредственно конструктором. Данный метод обеспечивает наиболее оптимальный результат.
Автоматизированный метод предусматривает кодирование исходных данных, размещение навесных элементов и трассировку печатных проводников с помощью ЭВМ. При этом допускается доработка отдельных соединений вручную. Данный метод обеспечивает высокую производительность труда .
При определении ориентировочных размеров печатной платы решаются следующие две основные задачи.
Прямая задача. По заданной электрической схеме определить размеры функционального узла XP, YP, ZP – длина, ширина и высота платы с элементами, соответственно.
Обратная задача. Какую часть электрической схемы или сколько элементов можно разместить на печатной плате с размерами XP, YP, ZP?
Первый тип задач характерен для опытного производства, второй возникает при унификации конструктивных решений в условиях установившегося или продолжающегося производства. В этом случае обычно с помощью специализированной оснастки освоено изготовление ограниченного набора типоразмеров печатных плат. Желательно, чтобы в новом изделии использовались платы уже выбранных размеров.
Размещение элементов, печатных проводников, контактных площадок, монтажных и контактных отверстий и других элементов на чертеже печатной платы осуществляется по координатной сетке, наложенной на печат-
ную плату.
Линии сетки должны быть пронумерованы подряд или через определенные интервалы. За нуль координатной сетки принимается либо центр левого крайнего нижнего отверстия, находящегося на поле печатной платы (в том числе технологического), либо левый нижний угол печатной платы. Шаг координатной сетки (в прямоугольной системе) равен 2,5 мм (основной) и 0,5 мм (дополнительный). Допускаются шаги 1,25 и 0,625 мм. Применение разных шагов координатной сетки на чертеже одной и той же печатной платы не допускается.
На рис. 8 и 9 показаны вид печатной платы со стороны установки элементов и со стороны проводников. Печатная плата разработана по схеме электрической принципиальной цифрового вольтметра (ЦВ), изображенной на рис. 7. Перечень элементов приведен в табл. 3.
Рис. 8. Вид печатной платы ЦВ со стороны установки элементов
Рис. 9. Вид печатной платы ЦВ со стороны проводников
Таблица 3
Перечень элементов цифрового вольтметра
| Поз. обозначение | Наименование | Кол. | Примечание |
| Микросхемы | |||
| DA1, DA2 | К140УД6бКО 347.004.ТУ4 | ||
| DA3 | К1113ПВ1А бКО 347.182.ТУ1 | ||
| DD1 | К555ЛА3 бКО 347.064.ТУ1 | ||
| Конденсаторы (ГОСТ 5.635-88) | |||
| С1 | КМ-5-0,47 мкФ | ||
| C2-C6 | КМ-5-0,1 мкФ | Емкость | |
| монтажа | |||
| Резисторы (ГОСТ 29043-91) | |||
| R1 | МЛТ-0,25-10 кОм ± 5 % | ||
| R2 | МЛТ-0,25-470 кОм ± 5 % | ||
| R3 | МЛТ-0,25-5 кОм ± 5 % | ||
| R4 | МЛТ-0,25-10 кОм ± 5 % | ||
| R5 | МЛТ-0,25-10 кОм ± 5 % | ||
| R6 | МЛТ-0,25-20 кОм ± 5 % | ||
| R7 | МЛТ-0,25-100 Ом ± 5 % | ||
| X1 | Разъем DRB-25F ГОСТ 21962-76 | ||
7. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА
Для аппаратной части моделирование выступает средством проверки работоспособности, параметрической оптимизации (заменяя натурный эксперимент) и оценки требуемых характеристик устройства или его отдельных функциональных узлов. Поэтому при выполнении данного раздела следует четко определить задачи моделирования, оговорив с преподавателем, какой узел должен быть исследован и по каким параметрам. Моделирование рекомендуется выполнять в пакете Multisim 10.
В пояснительной записке к курсовой работе необходимо привести электрическую схему моделируемого узла в виде рисунка, выполненного как Screen Shot (моментальный снимок экрана) при работе пакета моделирования. При этом необходимо активизировать номиналы компонентов и их позиционные обозначения, нумерацию узлов, а также необходимые параметры моделей компонентов (диод, транзистор, операционный усилитель, и т. п.).
Итоги моделирования представляются в виде соответствующих графиков, в зависимости от требуемого вида анализа – временных диаграмм, амплитудно-частотных характеристик, спектров и т. д. На графиках должны быть отражены результаты измерений инструментальными средствами пакета.
Эти результаты должны иллюстрировать соответствие (или расхождение) итогов моделирования и данных, полученных в ходе расчета электрических схем. Следует помнить о том, что численные характеристики, полученные при моделировании, являются образцовыми, и относительно их делается оценка практической достоверности разработанных схем.
С целью достижения адекватности результатов моделирования параметрам, присущим узлам современной функциональной базы, для моделей следует выбирать численные характеристики из справочников.
Если используется модель компонента из библиотеки моделирования, параметры модели следует предварительно отредактировать, приведя их в соответствие с реальным компонентом.
Итогом раздела моделирования должны быть выводы, отражающие соответствие (или несоответствие) электрическому расчету, или результаты подгона параметров узла под требуемые с помощью параметрической оптимизации, или обоснованные рекомендации, показывающие места возникновения ошибок при проектировании и возможные пути их устранения.
В качестве примера рассмотрим моделирование генератора прямо-угольных импульсов, аналог которого используется в схеме проектируемого цифрового вольтметра. Один из вариантов построения генераторной схемы с использованием моста Вина показан на рис. 10. В основе схемы используется операционный усилитель U1 типа UA741CD (аналог К140УД7).
Принцип работы генератора основан на том, что реализуется усилитель с обратной связью, имеющей сдвиг на 180° на нужной частоте, при этом одно плечо обеспечивает нужный коэффициент усиления, а другое – непосредственно частоту автоколебаний [7].
В результате моделирования следует обратить внимание на то, что при отношении резисторов R1/(R2 + R3) > 0,4 колебания не происходят, при уменьшении этого значения на выходе генератора появляются прямоугольные импульсы. Частота колебаний определяется из приближенного выражения
fр = 1/(3pRC), (20)
при выполнении условия R4 = R5 и C1 = C2.
Подставив численные значения элементов схемы, приведенной на рис. 10 в выражение (20), получим расчетное значение частоты на выходе генератора
fр = 1/(3 p 1 103 10 10-9) = 10610 Гц.
Осциллограмма выходных значений частоты генератора, полученная в результате моделирования в программе Multisim 10, представлена на рис. 11.
По курсорным измерениям частоту следования прямоугольных импульсов можно определить по выражению:
fм = 1/(T2 – T1). (21)
Подставив численные значения из диалогового окна, приведенного на рис. 10 в выражение (21), получим модельное значение частоты на выходе генератора
fм = 1/(96,519 10 10-6) = 10360 Гц.
Низкая относительная погрешность
; (22)
= 2,41 %,
говорит о соответствии результатов расчета результатам моделирования.
Рис. 10. Схема генератора Вина в программе Multisim 10
Рис. 11. Осциллограмма выходного сигнала генератора Вина
Библиографический список
1. Лукиных О. Г. Расчет структурных схем систем измерения, контроля и диагностики / О. Г. Лукиных, И. Л. Захаров / Омский гос. техн. ун-т. Омск, 2005. 71 с.
2. Павлов В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств / В. Н. Павлов, В. Н. Ногин. М.: Горячая линия-Телеком, 2005. 320 с.
3. Бойко В. И. Схемотехника электронных систем. Цифровые устройства / В. И. Бойко. СПб: БХВ-Петербург, 2004. 496 с.
4. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств / Г. И. Волович. М.: Додэка, 2007. 528 с.
5. Антипенский Р. В. Схемотехническое проектирование и моделирование радиоэлектронных устройств / Р. В. Антипенский, А. Г. Фадин. М.: Техносфера, 2007. 127 с.
6. Алексенко А. Г. Основы микросхемотехники / А. Г. Алексенко. М.: Бином, 2004. 448 с.
7. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Т. 1: Моделирование элементов аналоговых систем / В. И. Карлащук. М.: Солон-Пресс, 2006. 671 с.
8. Ратхор Т. С. Цифровые измерения. Методы и схемотехника /
Т. С. Ратхор. М.: Техносфера, 2004. 371 с.
9. Нефедов А. В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник. Т. 5: Серии К544-К564 / А. В. Нефедов. М.: Радио-Софт, 2007. 607 с.
10. Садченков Д. А. Маркировка радиодеталей отечественных и зарубежных / Д. А. Садченков. М.: Солон-Р, 2002. 224 с.
11. Лопаткин А. В. Проектирование печатных плат в системе P-CAD. / А. В. Лопаткин / Нижегородский гос. техн. ун-т. Нижний Новгород, 2002. 178 с.
12. Стешенко В. Б. P-CAD. Технология проектирования печатных плат / В. Б. Стешенко. СПб: БХВ-Петербург, 2003. 711 с.
13. Дорохов А. Н. Обеспечение надежности сложных технических систем / А. Н. Дорохов. СПб; М.; Краснодар: Лань, 2011. 348 с.
14. Федоров В. К. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств / В. К. Федоров, Н. П. Сергеев,
А. А. Кондрашин. М.: Техносфера, 2005. 502 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС)
Кафедра «Теоретическая электротехника»
Задание № ___
Курсовая работа по дисциплине «Основы проектирования приборов и систем»
Студенту группы ______________________________________________
20__ / 20__ учебный год
Тема курсовой работы:
«Цифровой вольтметр с АЦП последовательных приближений»
Исходные данные:
1. Амплитуда измеряемого напряжения – В.
2. Угловая частота измеряемого напряжения – 1000 с-1.
3. Число разрядов АЦП – 10.
4. Погрешность восстановления измеряемого напряжения – 1 %.
Содержание проекта: Пояснительная записка.
Чертежи (листы):
1. Функциональная схема.
2. Принципиальная схема.
3. Диаграмма преобразования «НВ – код».
4. Сборочный чертеж печатной платы.
Разделы пояснительной записки:
В соответствии с СТП ОмГУПС-1.2-2005 (раздел 4).
Основная рекомендуемая литература:
По общему списку курса «Основы проектирования приборов и систем».
Руководитель проектирования:_________________________________
(должность, подпись, инициалы, фамилия)
Студент: ____________________________________________________
(подпись, инициалы, фамилия)
Дата выдачи: « ____ » сентября 20__ г.
Дата защиты: « ____ » декабря 20__ г.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ПРИМЕР ОПИСАНИЯ ПАТЕНТА НА ИЗОБРЕТЕНИЕ
| РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ | (19) | RU | (11) | (13) | C1 | |||
| (51) МПК 7 G08B23/00, G01R19/25 | ||||||||
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
| ||||||||
| (21), (22) Заявка: 98100619/09, 09.01.1998 (24) Дата начала отсчета срока действия патента: 09.01.1998 (46) Опубликовано: 20.02.2000 (56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Дмитренко И. Е. и др. Измерения и диагностирование в системах железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. М.: Транспорт, 1986, С. 103 - 105. SU 1287024 A1, 30.01.87. FR 2542450 A1, 14.09.84. GB 2215475 A, 20.09.89. DE 3612237. Адрес для переписки: 125808, Москва, ул. Часовая, 22/2, Российский государственный открытый технический университет путей сообщения | (71) Заявитель(и): Российский государственный открытый технический университет путей сообщения (72) Автор(ы): Дмитренко И. Е., Алексеев В. М., Талалаев В. И., Пунчак А. В. (73) Патентообладатель(и): Российский государственный открытый технический университет путей сообщения | |||||||
(54) УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ИСПРАВНОСТИ БЛОКОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕНТРАЛИЗАЦИИ (ЭЦ)
(57) Реферат:
Изобретение относится к устройствам железнодорожной автоматики и телемеханики, а именно к измерению и контролю параметров блоков электрической централизации (ЭЦ). Техническим результатом является повышение точности и достоверности измерения и контроля параметров блоков ЭЦ. Технический результат достигается за счет того, что устройство содержит ЭВМ, аналого-цифровой преобразователь, усилитель-согласователь, многоканальный коммутатор, интерфейс, регистр схемы измерения, аналоговый коммутатор, усилитель мощности, дешифратор, регистр схемы управления, цифроаналоговый преобразователь и блок электрической
централизации. 1 ил.
Рис. П.2.1. Схема устройства к изобретению № 2145734 G08B23/00, G01R19/25
Учебное издание
КУЗНЕЦОВ Андрей Альбертович
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ»
_____________________________
Редактор Н. А. Майорова
***
Подписано в печать . .2012. Формат 60 ´ 84 1/16.
Плоская печать. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,4. Уч.-изд. л. 2,7.
Тираж 50 экз. Заказ .
**
Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа
Типография ОмГУПСа
*
644046, г. Омск, пр. Маркса, 35