Математическая модель цифрового вольтметра (стр. 2 из 3)
Делитель предназначен для выбора пределов измерения за счет деления входного напряжения. В нашем случае два предела измерения: -10 – 0 B, -1–0 B.
Рассчитаем делитель:
В качестве R3, R4 и R5 используем прецизионные резисторы типа С5-60 мощностью 0.25 Вт и с допуском 0.001% с предельным рабочим напряжением 250В, что обеспечит необходимый запас прочности по напряжению. Подбираем окончательно значения сопротивлений резисторов делителя.
Суммарная максимальная погрешность делителя составляет
примем входное сопротивление вольтметра равным 10 МОм, тогда R4= 9,9 МОм, R3= 90кОм, R5= 10кОм.
Для защиты от перенапряжения воспользуемся стабилитроном и резистором, ограничивающими ток на входе. Для данной схемы возьмём стабилитрон 2C311 [6], Iном которого равен 5 мА и напряжение стабилизации Uст равно 1.3 В. Тогда R6 выберем из расчёта:
Устройство индикации перенапряжения и полярности построено на двух компараторах К554СА3 и двух светодиодах АЛ341 — DA3.2, DA4.1 и VD2,VD3 соответственно. Работа устройства: если напряжение с делителя не превышает десяти вольт, то на выходе компаратора DA3.2 – нулевой сигнал. При увеличении измеряемого напряжения до величины более 10 В на выходе компаратора появляется сигнал логической 1 и светодиод VD1 начинает светиться.
Если напряжение на делителе положительное, то компаратор DA4.1 на выходе имеет сигнал «0». Если же напряжение отрицательное, то на выходе DA4.1 – «1», и светодиод VD4 сигнализирует об обратной полярности измеряемого напряжения. Микросхема К554СА3 выбрана на основе [4], а светодиоды АЛ341 на основе [5], там же находятся их основные характеристики.
В схеме входного устройства для усиления напряжения в 10 раз воспользуемся операционным усилителем К140УД6.
Рассчитаем сопротивления R1 и R2:
, 
, 
Рисунок 5 – Входное устройство
3.2 Электронный переключатель
Электронный переключатель DA1 построен на микросхеме КР590КН8 [4]. Этот ключ работает следующим образом: при подаче управляющего импульса на #1, соединяется линия 1. При подаче управляющего импульса на #2, соединяется линия 2. На выходе ключа линии 1 и 2 соединены вместе. Элемент «И-НЕ» DD4.1 служит для переключения измеряемого напряжения на опорное напряжение в момент t1 (см рисунок 2), для того чтобы интегратор начал процесс интегрирования «вниз». Элементы DD3.1 и 3.2 служат для того, чтобы интегрирование «вниз» останавливалось на нуле.
Рисунок 6 – Электронный переключатель
3.3 Интегратор
Интегратор предназначен для выполнения математической операции интегрирования. Напряжение на выходе этого устройства пропорционально интегралу от входного напряжения. Такую операцию выполняет инвертирующий усилитель с цепью обратной связи, образованной резистором Rи конденсатором С.
Воспользуемся интегратором построенном на микросхеме К544УД1 [7]. Рассчитаем постоянную интегратора RCиз следующего выражения:
Пусть R5=100 КОм, тогда
Рисунок 7 - Интегратор
3.4 Компаратор
Компаратор предназначен для сравнения двух напряжений, поступающих на его входы, и выдачи сигнала об их соотношении, например в момент их равенства. Любой операционный усилитель является компаратором. Если включить операционный усилитель без обратных связей, то при U1>U2 выходное напряжение будет максимально положительным, а при U1<U2 - минимально. Точность сравнения напряжений по выходам оценивается величиной
где Ku– коэффициент усиления. Поскольку Kuкомпаратора К554СА3 составляет не менее 
, то точность данного компаратора составит 66.6 мкВ.
В нашем курсовом проекте используется компаратор серии К554СА3 [4].
Рисунок 9 - Компаратор
3.5 Триггер
В качестве триггера возьмём JK- триггер К155ТВ1 [4], схема подключения которого изображена на рисунке 10. Работа JK- триггера объясняется на основе таблицы состояний.
Рисунок 10 – Триггер
3.6 Схема временного селектора
Схема временного селектора состоит из логического элемента «И». При подаче на вход импульса с триггера сигнала «единицы», на выходе будет последовательность импульсов, идущих с ГСИ. А если с триггера пойдет сигнал логического«нуля», то на выходе всегда будет «ноль».
Число импульсов прошедших за промежуток (t1;t2) подсчитывает счетчик, что пропорционально измеряемому напряжению.
Рисунок 11 – Временной селектор
3.7 Система индикации
Для индикации измеряемого напряжения необходимо, прежде всего, преобразовать информацию, полученную на выходе счётчика импульсов, в цифры на индикаторах. Так как используется 5 индикаторов, то необходимо разбить число на выходе счётчика на 5 разряда. Затем полученные десятичные разряды с помощью дешифраторов подать на входы сегментных индикаторов.
В качестве счётчиков и дешифраторов выберем 5 микросхем К555ИЕ19 и 5 К555ИД2 соответственно [1]. Микросхемы К555ИЕ19 являются одновременно и четырех разрядные двоично-десятичные счетчики, и счётчиками-делителями на 10. Таким образом, соединив между собой последовательно эти микросхемы и к ним присоединить дешифраторы, а затем и индикаторы, получим систему индикации измеряемого напряжения. В дешифраторах имеются триггеры памяти, запись в которые производится по фронту положительного импульса по входу S.
В качестве индикаторов используем микросхемы АЛС314А [8,10].
Рисунок 12 – Система индикации
