Устройство измерения отношения двух напряжений (стр. 5 из 10)
. (2.3)Вычислив, получим КОБЩ=200000. Найдём максимальный коэффициент передачи трёх управляемых усилителей с переменными коэффициентами передачи, который равен
. (2.4)где К1 , К2, иК3 - коэффициенты передачи трёх усилителей соответственно. Тогда КПЕР=512. теперь можно найти коэффициент передачи предварительного усилителя
. (2.5)Вычислив, получим Кпу≃391.
Рассмотрим принцип сжатия динамического диапазона сигнала. Рассмотрим ситуацию, когда входной сигнал линейно изменяется от 10мкв до 10 мв Этот случай иллюстрируется рисунком 2.3. При подаче минимального напряжения на вход устройства процессорустанавливает на всех управляемых усилителях максимальные значения коэффициентов передачи. К1=К2=К3=8. На АЦП поступает сигнал с амплитудой приблизительно 1В. При увеличении напряжения входного сигнала увеличивается амплитуда сигнала поступающего на АЦП. Если напряжение входного сигнала превысит значение 20 мкВ, на вход АЦП будет поступать сигнал, амплитуда которого будет превышать 2 В. При этом АЦП выдаст на процессор код, во всех разрядах которого, кроме знакового, будут единицы. В этом случае процессор установит коэффициент передачи последнего управляемого усилителя равным четырём, оставив коэффициенты передачи первых двух на прежнем значении. При дальнейшем увеличении напряжения входного сигнала, процессор понизит коэффициент передачи последнего управляемого усилителя сначала до двух, затем до единицы. При этом важно, чтобы амплитуда сигнала, подаваемого на АЦП не упала ниже значения 1 В, а следовательно погрешность не превысила установленного значения. Это возможно из-за нестабильности входного сигнала и шумов. Поэтому процессор необходимо запрограммировать таким образом, чтобы при уменьшении напряжения на АЦП больше чем на какое-то значение ΔU относительно минимально допустимого, коэффициент передачи управляемого усилителя увеличивался.
При последующем увеличении напряжения входного сигнала процессор установит коэффициент передачи второго управляемого усилителя равным четырём, затем двум, затем единице. Если на вход устройства буден подан сигнал с максимальным в соответствии с техническим заданием напряжением 10 мкВ, коэффициенты передачи трёх управляемых усилителей установятся равными единице.
Перед АЦП необходимо поставить фильтр нижних частот ФНЧ, который бы ограничивал спектр сигнала подаваемого на АЦП пятой гармоникой. Тогда максимальная частота в спектре этого сигнала равна: Fmax=5F=5 кГц. В соответствии с теоремой Котельникова, найдём интервал дискретизации
. (2.6)Δt=10-4 c=0.1мс. Требуемый ФНЧ может быть легко реализован на операционном усилителе.
С АЦП оцифрованный сигнал подается на центральный процессор, где осуществляется цифровая обработка. Сначала проводится цифровая узкополосная фильтрация, которая обеспечивает подавление шумов и повышает отношение сигнал-шум. На выходе цифрового фильтра имеем импульсную последовательность, огибающая которой соответствует гармоническому колебанию с частотой равной F=1 кГц. Далее при помощи дискретного преобразования Фурье (ДПФ) находится амплитуда первой гармоники, которая пропорциональна напряжению входного сигнала. Это значение запоминается. После того как с коммутатора поступает последовательность импульсов с амплитудой равной напряжению второго сигнала, и обрабатывается аналогично первому сигналу, выполняется операция деления одного числа на другое. При этом необходимо учитывать, какие коэффициенты передачи были установлены на управляемых усилителях. Результат выполнения операции деления выводится на индикатор. Для этих целей используем однострочный восьми символьный жидкостно-кристаллический индикаторный модуль GBM0801A фирмы XIAMEN.
2.2 Выбор типа микропроцессора
В настоящее время разработано и выпускается отечественной и зарубежной промышленностью множество микропроцессоров, которые имеют различные возможности. Разрабатываемое устройство требует от центрального процессора обеспечение выполнения требуемых операций за короткий промежуток времени. А именно цифровую фильтрацию, дискретное преобразование Фурье, операцию деления двух чисел. Кроме того, центральный процессор должен формировать управляющие сигналы для коммутатора, АЦП и для схемы индикации. Поэтому необходим быстродействующий процессор с высокой производительностью. Выберем микроконтроллер фирмы Texas Instruments TMS320VC5409A. Этот микроконтроллер обладает шестнадцатиразрядной шиной данных, имеет два вывода общего назначения (для управления коммутатором), три многоканальных последовательных порт, которые также могут быть запрограммированы как вывода общего назначения (для управления АЦП, схемой индикации). Кроме того, TMS320VC5409A снабжен встроенной оперативной памятью объемом 32 x 16 бит, которая состоит из четырех блоков объемом 8 x 16 бит каждый. Тактовая частота микроконтроллера 160 МГц. Питается от двух источников напряжения, а именно 3,3 В и 1,6 В, которые формируются специализированной микросхемой фирмы Texas Instruments - TPS70445. Данный микроконтроллер построен по улучшенной гарвардской архитектуре и имеет одну шину программной памяти и три шины памяти данных. Раздельные пространства программной памяти и памяти данных обеспечивает одновременный доступ к программным командам и данным. Для работы микроконтроллеру необходима внешняя ПЗУ. Выберем микросхему Am29LV200B объемом 256 x 8 бит, которую выпускает фирма AMD.
2.3 Оценка погрешности измерения отношения
Важнейшим показателем качества любого измерительного прибора является его точность. Поэтому при разработке измерителя отношения напряжений необходимо оценить погрешность измерения. Очевидно, что погрешность измерения отношения двух напряжений будет в первую очередь определяться погрешностью измерения самих напряжений. Так абсолютную погрешность измерения отношения можно найти по формуле
. (2.7)Так как отношение двух напряжений определяется выражением
, (2.8)то относительную погрешность измерения отношения двух напряжений можно записать так:
. (2.9)Определим частные производные для выражения (2.9).
, (2.10) 
. (2.11)Подставим формулы (2.10) и (2.11) в выражение (2.9) и проделаем несложные преобразования. В результате получим
. (2.12)Из выражения (2.12) заметим, что относительная погрешность измерения отношения равна разности относительных погрешностей напряжений, отношение которых необходимо определить. То есть мультиплексивная погрешность будет вычитаться. Однако нам необходимо оценить предельную погрешность, поэтому рассмотрим случай, когда ΔU1 и ΔU2 будут иметь различные знаки. При этом максимальная относительная погрешность измерения отношения двух напряжений равна
. (2.13)Для оценки относительной погрешности измерения напряжений проанализируем причины её возникновения. Так основными источниками погрешности измерения напряжений являются погрешность возникающая при квантовании сигнала, погрешность, связанная с нелинейностью тракта усиления и погрешность, причиной которой являются шумы. Первая была оценена выше, при разработке функциональной схемы. Ее максимальное значение составляет 0,1%. Погрешность связанная с нелинейностью тракта усиления при питании операционных усилителей ±5 В и максимальной амплитуде сигнала 2 В, она составляет менее 0,01% [4]. Она мала по сравнению с погрешностью возникающей при квантовании сигнала, поэтому ее учитывать не будем. Погрешность, причиной которой являются шумы учитывать не будем ввиду сложности методики ее оценки. Тогда ΔU1/U1= ΔU2/U2=0.1%. А максимальная относительная погрешность измерения отношения двух напряжений, в соответствии с (2.13) будет равна (ΔK/K)MAX=0.2%.
Следует также учесть погрешность цифровой индикации. При работе схемы индикации в режиме плавающей запятой она будет оставаться неизменной во всем диапазоне измеряемых напряжений, и равна единице младшего цифрового разряда. Относительную погрешность цифровой индикации оценим при максимальном измеряемом отношении КMAX=1000. При этом вес единицы младшего цифрового разряда равен ΔЦИ=1. Тогда погрешность равна
. (2.14)Таким образом δЦИ=0,1%. Суммарная погрешность разрабатываемого прибора будет равна
, (2.15)и равна δИЗМ=0,3%. То есть разрабатываемый прибор способен измерять отношения двух напряжений во всем диапазоне изменения отношений с погрешностью 0,3%.
5 ТЕХНИКО–ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
5.1 Маркетинговые исследования
Целью технико-экономического обоснования (ТЭО) является определение народно-хозяйственной эффективности производства устройства на основе учета технико-экономических показателей. Решение о целесообразности разработки, изготовления, внедрения и эксплуатации проектируемого устройства принимается из расчета обобщенного показателя – экономического эффекта, в котором отражены частные показатели эффективности, характеризующие прибор. Именно его нам необходимо рассчитать.