Розробка цифрового термометру (стр. 2 из 3)
Недоліком таких перетворювачів є обмежена взаємозамінюваність, що пояснюється розкидом параметрів f0iS. 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 fпропорційна 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 iSW2 – 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 fxчерез формувач Fі 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 f0з виходу генератора G надходять на вхід подільника частоти ПЧ.
 | ||||||||||||
 |  | | | | | | | | | | | |
t  | |
 | |
 | |
2 t 3 tРисунок 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 T0тригерT встановлюється у стан логічного нуля, що закриває схеми збігу SW1 і SW2 і в лічильнику фіксується двійковий код N
N = 
= T0 fx, (2.1)
ДеT0 – зразковий часовий інтервал;
fx –вимірювана частота.
Дана рівність є рівнянням перетворення частотоміра, оскільки вона характеризує, яким чином пов’язані між собою вихідна Nі вхідна вимірювана величина fx.
З рівнянням перетворення частотоміра випливає, що число імпульсів пропорційне частоті fxі 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 ftз (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 T0на виході зразкової міри часу. Він повинен бути більший періода Ttxтому тут підставлямо значення ftmin= fp+ Stxmin
T0 =
, (3.3)T0 =
,Частоту квантування на виході імпульсного генератора Gвибирають таку, щоб
Tкв <<T0 .
Частіше всього вибирають генератор з частотою fкв= 1 МГц.
Виходячи з рівняння (3.3) нижня межа вимірювання визначиться так
txmin=
(3.4)Верхня межа вимірювання визначається значенням максимальної ємності двійкового лічильника Nmax.
З рівняння (3.1)
Nmax = T0 fxmax= T0 (fp+ Stxmax) (3.5)
Nmax = 6,6·10-4 (103+ 103·2100) = 1,4·103.
З врахуванням того, що Nmax= 2n, верхня межа вимірювання визначиться так
txmax =
(3.6)де n– розрядність двійкового лічильника.
Розрядність n, яка необхідна для реалізації двійкового лічильника визначимо за формулою
n = lоg2Nmax≈ 10.