Розробка блоку інформаційно-вимірювальної системи для вимірювання частоти і середнього значення напруги

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Для сучасного етапу розвитку техніки характерне все більш інтенсивне і глибоке проникнення мікропроцесорів в її різноманітних галузей, що радикально перетворює властивості багатьох пристроїв і відкриває нові можливості їх застосування. По широті та ефективності застосування мікропроцесорів одне з перших місць посідає інформаційно - вимірювальна техніка.

Застосування мікропроцесорів у вимірювальній техніці дозволяє різко підвищити точність приладів, значно розширити їх можливості, підвищити надійність, швидкодію, вирішити завдання, які раніше взагалі не вирішувалися.

Використання мікропроцесорних систем у вимірювальних приладах дозволяє здійснити багатофункціональність приладів, спростити процес вимірювання, автоматизувати регулювання, самокалібрування і повірку приладів, поліпшити метрологічні характеристики приладів, виконати обчислювальні операції, статистичну обробку результатів спостережень, порівняти і перевести в лінійну форму функції вимірюваної величини, створити програмовані, повністю автоматизовані прилади.

Впровадження мікропроцесорів відкрило можливість побудови універсальних приладів з гнучкими програмами для виміру багатьох величин, полегшили рішення завдання виходу на стандартну інтерфейсну шину, що дозволило широко розвинути принцип агрегації, котрий є основою об'єднання багатьох вимірювальних засобів в єдину інформаційну систему.

Даний проект присвячений розробці блоку інформаційно-вимірювальної системи, призначеної для вимірювання частоти і середнього значення напруги.

1. Теоретична частина

1.1 Цифрові частотоміри

магнітоелектричний вольтметр частотомір таймер

В основу роботи цифрових приладів, для вимірювання частоти (частотомірів), покладено наступний принцип. Виходячи з фізичного змісту частоти як числа періодів, що припадають на одиницю часу, вираз для визначення частоти f_x (функцію перетворення приладу) можна записати так:

f_{x =} (1.1)

де N_x - число періодів, яке проходить досліджуваний сигнал за час вимірювання t _изм.

Як правило, час вимірювання формується за допомогою тактового генератора з періодом T_g, і складається з цілого числа періодів генератора n. Тоді вираз для частоти можна записати як

f_x = . (1.2)

Нижче приведено графік, що ілюструє роботу частотоміра (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Графік роботи частотоміра

На рисунку позначені ИН і ИК - імпульси початку і кінця вимірювання відповідно.

1.2 Магнітоелектричні вольтметри

В основі роботи вимірювальних аналогових приладів магнітоелектричної групи лежить відхилення покажчика відлікового пристрою під дією сил магнітного поля, утвореного струмом, що протікає в котушці вимірювального механізму [1]. За допомогою таких приладів можна вимірювати середнє значення напруги (безпосередньо) та середньовипрямлене (магнітоелектричний механізм включається через випрямляч). На рисунку 1.2 зображено будову магнітоелектричного вимірювального механізму.

1 - постійний магніт (виготовляється з кобальту, алюмінію або сталі); 2 - магнітопровід; 3 - полюсні наконечники; 4 - сталевий нерухомий сердечник; 5 - алюмінієва або мідна рамка прямокутного перерізу; 6 - спіральні пружини; 7 - магнітний шунт; 8 - противаги.

Рисунок 1.2 - Магнітоелектричний вимірювальний механізм

Елементи з номерами 2, 3 і 4 виготовляються з магнітно-м'якого матеріалу і утворюють разом з №1 магнітний ланцюг приладу, що забезпечує сильне радіальне рівномірно розподілене магнітне поле зазору (що необхідно для рівномірності шкали). Елемент №7 являє собою сталеву пластинку з довгим вирізом (для переміщення), і служить для регулювання чутливості приладу.

Рівняння шкали такого приладу має вигляд:

, (1.3)

де - угол відхилення;

S_i - чутливість по току;

I - сила току через рамку [3].

Знаючи величину опору рамки (Ом), можна розрахувати значення напруги на затискачах приладу і відповідно проградуювати його шкалу.

1.3 Цифровий вольтметр частотного перетворення

Вольтметри частотного перетворення характерні тим, що сигнал напруги вони перетворять в частоту [2]. На рисунках 1.3 і 1.4 наведена електрична схема вольтметра і епюри напружень, які ілюструють її роботу.

Рисунок 1.3 - Електрична схема вольтметра

Рисунок 1.4 - Епюри напружень

На вхід схеми подається вимірювана напруга U_x, і через R1 потрапляє на вхід ИУ1 [4]. У деякий момент часу замикається ключ К1, і на вхід ИУ1 подається опорна зразкове напруга-Е₀. У момент часу А тече струм i₂, оскільки ключ К1 відкритий. На виході схеми буде ненульове напруга U_вих. У момент В спрацьовує СУ1, і на виході його формується імпульс, що надходить на R-вхід тригера Т. Тригер переходить в «нуль», і розмикає ключі К1 і К2. Струм i₂ припиняється. Після моменту В на вхід ИУ1 подається тільки ненульовий струм i₁, і тому U_вих змінюється в протилежному напрямку до нуля (момент С). У момент С з виходу формувача Ф1 на S-вхід тригера Т надходить імпульс. Ключі замикаються, і починає текти струм i₂. Разом виходить N_x імпульсів за час вимірювання t_изм. Фізично це має сенс частоти (кількість подій за деякий час). Так як t_изм постійне, то N_x виявляється пропорційно вимірюваній напрузі.

Існують і інші різновиди вольтметрів частотного перетворення, що відрізняються способом формування частоти (наприклад, з використанням генератора стабільної частоти з формувачем строб-імпульсу).

1.4 Цифровий вольтметр подвійного інтегрування

Цифровий вольтметр подвійного інтегрування відноситься до приладів частотного перетворення. Його функціональна схема представлена на рисунку 1.5.

Рисунок 1.5 - Функціональна схема

Позначена на рисунку схема управління виробляє функції Р1, Р2, Р3 і Р4, для управління ключами К1, К2, К3 і логічним ключем «&». Епюри напружень, що ілюструють роботу вольтметра подвійного інтегрування, наведені на рисунку 1.6.

Рисунок 1.6 - Епюри напружень

Функція Р1 служить для замикання ключа К1 під час першого такту (проміжок АВ), функція Р2 - для замикання ключа К2 під час другого такту (ВС), Р3 - ключа К3 на час, рівний відрізку між вимірами (СА), Р4 - управляє логічним ключем «И» на вході лічильника. Перший такт (I - AB) закінчується під час переповнення лічильника обсягом N₀. Тривалість I такту - t₀. Час t₀=N₀ Т_g = const. У такті II на вхід підсилювача надходить зразкова напруга E₀. Другий такт закінчується, коли спрацьовує СУ і з'являється імпульс СУ. Протягом першого такту інтегрується позитивна площа, а протягом другого - негативна, причому вони рівні. Тоді можна записати, що:

. (1.4)

Звідки можна отримати з врахуванням того, що t₀ = N₀T_g і t_x = N_xT_g, виходить U_x:

. (1.5)

З (1.5) видно, що вихідний код N_x вольтметра пропорційний вхідній напрузі [5].

Використання мікропроцесора в проектованому приладі дозволить поєднувати в одному конструктиві фактично два різних прилади - вольтметр і частотомір. Крім того, при необхідності, можна програмним шляхом організувати підвищення точності вимірювань за рахунок багаторазових вимірювань та їх подальшої обробки. Крім того, мікропроцесорний прилад можна підключити до інформаційно-вимірювальної системи та автоматизувати таким чином процес вимірювання та контролю.

2. Розрахункова частина

2.1 Складання структурної схеми приладу

Структурну схему приладу можна представити у вигляді:

Рисунок 2.1 - Структурна схема

На структурній схемі позначено: частотомір - перетворювач частотного сигналу в цифровий код; ПМН - масштабний перетворювач напруги для подальшої його подачі на АЦП; АЦП U - аналого-цифровий перетворювач напруги; обчислювальний пристрій - мікропроцесорна система; ЦОУ - цифрове відліковий пристрій для індикації результату вимірювання.

2.2 Розрахунок параметрів схеми

У якості АЦП виберемо аналого-цифровий перетворювач напруги, що працює за методом подвійного інтегрування, так як він забезпечує необхідну точність вимірювання заданої величини і має достатню швидкодію [5].

2.2.1 Определение частоты квантующего генератора

Частоту квантуючого генератора знайдемо, виходячи із заданого значення похибки вимірювання частоти :

, (2.1)

можна знайти, що:

. (2.2)

Підставивши числові значення, отримаємо:

2.2.2 Визначення числа імпульсів за період

Величина періоду вибирається таким чином, щоб перешкода мережі частотою 50 Гц не впливала на результат вимірювання. Тому, як правило, період вибирається тривалістю 0,02 с. Число імпульсів N_x за період Т_х визначається як:

N_x = T_xf_g, (2.3)

або, підставивши числові значення:

N_x = 0,0212673,5 253,47.

2.2.3 Визначення кількості кроків дискретизації

Кількість кроків квантування m визначається з похибки АЦП як:

m = (2.4)

Підставивши числове значення, отримуємо:

m =

2.2.4 Визначення коефіцієнта ділення частоти

Коефіцієнт розподілу частоти К_дч визначається як відношення числа імпульсів за період до числа ступенів квантування:

К_дч = 253,47/68 = 3,73

2.2.5 Визначення числа розрядів ЦОУ

1. Визначимо мінімальне число квантування.

Мінімальне число ступенів квантування ЦОУ можна визначити з формули для похибки ЦОУ:

,

де d==0,002

Отже,

2. Визначити число розрядів ЦОУ.

N_{x min}=1500

Розглянемо варіанти підбору числа розрядів:

Число розрядів	Nx	Показання ЦОУ, Гц
1	9<2000	9
2	99<2000	99
3	999<2000	999
4	9999>>2000	999.9

Отже, ЦОУ має 4 розряди.

2.2.6 Синтез схеми управління

На рисунку 2.2 зображені епюри напружень, що ілюструють роботу схеми управління.

Рисунок 2.2 - Епюри напружень

Стан тригерів схеми керування і значення функцій

P₁=,

P₂= .

На рисунку 2.3 зображена синтезована схема управління

Рисунок. 2.3 - Синтезована схема управління

2.3 Розрахунок мікропроцесорної частини

Визначення розрахункової формули вимірюваної величини, яка використовується мікропроцесором. При вимірі частоти, розрахунковий вираз для мікропроцесора можна записати як:

, (2.5)

де Т_х - період вимірюваного сигналу (Т_х = 1/f_x);

N_x - відповідний цифровий код;

Т_ср = 0,02 с;

N_cp - цифровий код, відповідний Т_СР (N_cp = 227) [6].

Висловивши з (2.5) Т_х, отримаємо:

Т_х =, (2.6)

f_x = , k = = f_g. (2.7)

Вираз (2.8) і є розрахункове співвідношення мікропроцесора для частоти.

Вираз для напруги можна записати як:

U_x = , (2.9)

де N_хн і U_хн - номінальне значення числа ступенів квантування АЦП і номінальне значення напруги АЦП.

Для АЦП К1108ПВ2, який використовуємо у роботі: N_хн = 4096 (12 розрядів), U_хн = 5 В. Підставивши значення в (2.9), отримаємо:

Вираз (2.10) - розрахунковий співвідношення для мікропроцесора.

Визначення наказів таймера, адаптера і вихідних кодів лічильників

Для зручності розрахунку дані зведені в таблиці, представлені нижче.

Таблиця 2.1 - Визначення адрес ОЗУ і ПЗУ

№ вых	А15	А14	А13	А12	А11	А10	А9	А8	А7	А6	А5	А4	А3	А2	А1	А0	поле адресов
ОЗУ 12	1	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	6 8 0 0
						1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	6 F F F
ПЗУ 19	1	0	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	6 0 0 0
						1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	6 7 F F
	6/6	8/0F/7	0/F	0/F

Таблица 2.2 - Визначення адрес таймера і адаптерів

№ входов DC	А7	А6	А5	А4	А3	А2	А1	А0
Таймер 22	1	0	0	0	1	1	0	0	сч 0	4 С
							0	1	сч 1	4 D
							1	0	сч 2	4 E
							1	1	приказ	4 F
Адаптер 27	1	0	1	0	0	0	0	0	РА	2 C
							0	1	РВ	2 D
							1	0	РС	2 E
							1	1	приказ	2 F
Адаптер 32	1	0	1	1	0	1	0	0	РА	C 4
							0	1	РВ	C 5
							1	0	РС	C 6
							1	1	приказ	C 7

Таблица 2.3 - Дані таймера

Порт	Назначение	Адрес порта	Режим	Начальные данные	Система счисления	Рабочий байт	Приказ
Сч 0	ДЧ	4C	2	Кдч=0004	дв-дес.	оба	35
Сч 1	Nx	4D	0		дв-дес.	оба	70
Сч 2	m	4E	0		дв-дес.	оба	В0
Ввод приказа	4F	-	-	-	-	-

Таблица 2.4 - Дані адаптерів

	Порт	Назначение	Адрес порта	Режим	Приказ
Адаптер 1	РА	Связь с ЦОУ	5C	0	88
	РВ	Связь с ЦОУ	5D
	РС3-0	Вывод ИЗ'	5Е
	РС7-4	Управляющие сигналы	5E
	Ввод приказа	5F	-	-
Адаптер 2	РА	Ввод мл. байта АЦП U	5C	0	9В
	РВ	-	-
	РС3-0	Ввод ст. байта АЦП U	5Е
	РС7-4	-	-
	Ввод приказа	5F	-	-

Розподіл адрес ОЗУ, ПЗУ і підпрограм

ПЗУ: 6041 - початок основної програми;

6201 - початок підпрограми обчислення U_cp;

6301 - початок підпрограми обчислення f.

ОЗУ: 6925 - адреса початкового масива даних;

6F83 - адреса вершини стека (SP);

6880, 6881 - адреси пам'яти для запису значень N_x при читанні з

лічильника;

6882, 6883 - адреси пам'яти для запису значень m при читанні з

лічильника;

6884, 6885 - адреси пам'яти для запису результату обчислень за

допомогою підпрограм.

Складання блок-схеми програми

Блок-схема представлена на рисунку 2.4.

Рисунок 2.4 - Блок-схема

Програма на мові Ассемблера

Адреса	Код	Мнемокод	Команда	Коментарій
6041	3Е	MVI 35	A35	введення наказів для Лч 0 таймера
6042	35
6043	D3	OUT 4F	AP[4F]	введення наказів для Лч 0 таймера
6044	4F
6045	3E	MVI 70	A70	введення наказів для Лч 1 таймера
6046	70
6047	D3	OUT 4F	AP[4F]	введення наказів для Лч 1 таймера
6048	4F
6049	3E	MVI B0	AB0	введення наказів для Лч 2 таймера
604А	B0
604В	D3	OUT 4F	AP[4F]	введення наказів для Лч 2 таймера
604С	4F
604D	3E	MVI 9B	A9B	введення наказів адаптера 2
604E	9B
604F	D3	OUT F7	AP[F7]	введення наказів адаптера 2
6050	F7
6051	3E	MVI 88	A88	введення наказів адаптера 1
6052	88
6053	D3	OUT 5F	AP[5F]	введення наказів адаптера 1
6054	5F
6055	31	LXI SP	SP6F83	введення вершини стека
6056	83
6057	6F
6058	3E	MVI 04	A04
6059	04			введення в Лч 0 КДЧ = 4
605A	D3	OUT 4C	AP[4C]
605B	4C
605C	3E	MVI 00	A00
605D	00
605E	D3	OUT 4C	AP[4C]
605F	4C
6060	D3	OUT 4D	AP[4D]	введення мл. б. в Лч 1
6061	4D
6062	D3	OUT 4D	AP[4D]	введення ст. б. в Лч 1
6063	4D
6064	D3	OUT 4Е	AP[4Е]	введення мл. б. в Лч 2
6065	4E
6066	D3	OUT 4Е	AP[4Е]	введення Ст. б. в Лч 2
6067	4E
6068	21	LXI HL	HL6925	введення в HL адреси масива даних
6069	25
606A	69
606B	DB	IN 2E	AP[5E]	опитування стану кнопки
606C	2E
606D	E6	ANI	A80A	Маскування
606E	80
606F	СА	JZ	PC7 = 0	умовний перехід
6070	6B
6071	60
6072	3Е	MVI 01	A01	видача ИЗ'
6073	01
6074	D3	OUT 2Е	AP[2Е]
6075	2E
6076	DB	IN 2E	AP[5E]	опитування появи ИГ
6077	2E
078	E6	ANI	A20A	Маскування
6079	20	JZ	PC5 = 0	умовний перехід
607A	CA
607B	60	IN C4	AP[C4]	введення мл. байта АЦП U
607C	76
607D	DB
607E	C4	MOV M[HL]	A M[HL]	M[6925]
607F	77
6080	25	INX HL	HL+1	інкремент HL
6081	DB	IN C6	AP[C6]	опитування появи ИK
6082	C6	MOV M[HL]	A M[HL]	M[6926]
6083	77
6084	25	INX HL	HL+1	інкремент HL
6085	DB	IN 2E	AP[5E]	опитування Nx
6086	2E	ANI	A10A	Маскування
6087	E6
6088	10	JZ	PC4 = 0	умовний перехід
6089	CA
608A	76	IN 4D	AP[4D]	читання мл. байта з Nx Лч 1 таймера
608B	60
608C	DB
608D	4D	STA	A M[6880]	запис мл. байта Nx
608E	32
608F	80	IN 4D	AP[4D]	читання ст. байта из Nx Лч 1 таймера
6090	68
6091	DB
6092	4D	STA	A M[6881]	запис ст. байта Nx
6093	32
6094	81	IN 4D	AP[4D]	читання мл. байта m из Лч 2 таймера
6095	68
6096
6097	DB	STA	A M[6882]	запис мл. байта m
6098	4D	IN 4D	AP[4D]	читання ст. байта m из Лч 2 таймера
6099	32
609A	82	STA	A M[6882]	запис ст. байта m
609B	68
609C	DB
609D	4D	IN C6	AP[C6]	опитування роду вимірюваної величини
609E	32
609F	83	ANI	A40A	Маскування
60A0	68
60A1	DB
60A2	C6	JZ	PC6 = 0	умовний перехід
60A3	Е6
60A4	40	CALL		виклик п/п вичислення fx
60A5	CA
60A6	B7	LDA	AM[6884]	читання мл. байта результату обчислення
60A7	60
60A8	CD
60A9	01	OUT 2D	AP[2D]	пересилка мл. байта результату обчислення
60AA	63
60AB	3A
60AC	84	LDA	AM[6885]	читання ст. байта результату обчислення
60AD	68
60AE	D3
60AF	2D	OUT 2D	AP[2D]	пересилка ст. байта результату обчислення
60B0	3A
60B1	85	JMP		перехід до початку вимірювання
60B2	68
60B3	D3
60B4	2C	CALL		виклик п/п обчислення Ux
60B5	C3
60B6	58	JMP		перехід до запису результату вимірювання
60В7	60
60В8	CD

2.4 Аналіз похибки

Похибки вимірювань в ланцюгах технічної частоти. В якості приладів для курсового проектування використовуються прилади з цифровою обробкою сигналів, призначені для роботи в цілях технічної частоти (50 Гц). Похибки властиві проектованим приладів:

1. Похибка квантування за рівнем;

2. Похибка дискретизації;

3. Динамічна похибка;

4. Похибка від впливу завад.

a) Похибка квантування.

Похибка квантування виникає при квантуванні за рівнями через те, що вимірювана величина містить не ціле число щаблі квантування.

b) Похибка дискретизації й апроксимації.

Похибка дискретизації викликають дві причини:

- неціле число щаблі дискретизації за час вимірювання;

- заміна подальшої кривої ступінчастою функцією.

Рисунок 2.5 - Графіки похибки

Графіки похибки від заміни трикутного напруги і синусоїди ступінчастою функцією, показані на рисунку 2.5, з якого видно, що для трикутної форми напруги позитивна похибка Д, показана штрихуванням, дорівнює негативній, таким чином, сумарна похибка дорівнює нулю. Для синусоїди похибка також не велика, тому в подальшому цією похибкою можна знехтувати.

Як видно з рис. 1, форма ступінчастої функції відрізняється від вихідної кривої. Точність передачі форми кривої оцінюється похибкою апроксимації, яка визначається як середньоквадратичне значення похибок у кожному кроці квантування. Погрішність апроксимації для наведених графіків буде відмінна від нуля.

Надалі похибкою від заміни досліджуваної кривої ступінчастою функцією будемо нехтувати на увазі її малої величини, а також через складність її розрахунків через сильну залежність від форми кривої вимірюваної напруги.

с) Динамічна похибка виникає від дії таких чинників:

- запізнення сигналу у вхідних ланцюгах вимірювальних пристроїв викликають похибки першого роду;

- кінцевий час перетворення АЦП призводять до появам похибок другого роду.

Наприклад, у схемі рисунку 2.6, призначеної для вимірювання струмів і напруг, показані блоки, в яких виникають похибки першого та другого роду:

Рисунок 2.6 - Схема, призначена для вимірювання струмів і напруг

d) Похибка від впливу перешкод і сумарна похибка.

Похибка від впливу перешкод залежить від умов впливу перешкод і їх інтенсивності. Сумарна похибка визначається рівнянням:

,

де - похибка квантування = 0,9%;

- похибка дискретизації = 0,2%;

- динамічна похибка = 0,2%;

- похибка впливу перешкод = 0,2%.

е) Метод суперпозиції при дослідженні похибок.

При дослідженні похибок використовується метод суперпозиції, який полягає в тому, що результуюча похибка визначається як сума окремих складових, при чому кожна складова обчислюється при введенні умови, що інші похибки відсутні, тобто, дорівнюють нулю.

Основні параметри вимірювальної схеми визначаються на основі обчислених величин складових сумарної похибки.

Висновок

У даній курсовій роботі розрахована електрична частина мікропроцесорного проектованого пристрою і аналогового приладу. Розрахункова схема виконана згідно з технічним завданням, всі метрологічні характеристики, у тому числі величина похибки, відповідають допустимим. Замислений пристрій відповідає вказаним технічним вимогам.

Література

1. Бондарев, В.А. Генераторы пилообразного напряжения [Текст] / В.А. Бондарев. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 125 с.

2. Кублановский, Я.С. Тиристорные устройства [Текст] / Я.С. Кублановский. - М.: Издательство радио и связь, 1987. - 112 с.

3. Милехин, А.Г. Радиотехнические схемы на полевых транзисторах [Текст] / А.Г. Милехин. - М.: Энергия, 1976. - 146 с.

4. Бочаров, Л.Н. Расчет электронных устройств на транзисторах [Текст] / Л.Н. Бочаров. - М.: Энергия, 1978. - 208 с.

5. Касаткин, А.С. Электротехника [Текст]: учеб. / А.С. Касаткин, Немцов М.В. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 440 с.

6. Расчет электронных схем. Примеры и задачи [Текст]: учеб. пособие / Г.И. Изъюрова, Г.В. Королев, В.А. Терехов, М.А. Ожогин и др. - М.: Высшая школа, 1987. - 335 с.

Размещено на Allbest.ru