Курсовая работа (т): Комплекс электронных стрелочных измерительных приборов

Комплекс электронных стрелочных измерительных приборов

Исходные данные

Задание: разработать комплекс электронных стрелочных измерительных приборов.

Электронный вольтметр:

Предел измерения: 0,1В; 0,5В; 1В

Вид измеряемого сигнала: =/~

Входное сопротивление, не менее: 5 МОм

Тип источника питания: =/~

Тип индикатора: стрелочный

Амперметр:

Предел измерения: 0,001А; 0,005А; 0,01А

Вид измеряемого сигнала: =/~

Внутреннее сопротивление, не менее: 0,5 МОм

Тип источника питания: =/~

Тип индикатора: стрелочный

Омметр:

Предел измерения: 0,1кОм

Вид шкалы прибора: “линейная”

Тип источника питания: =/~

Тип индикатора: стрелочный

Источник питания:

Номинальное напряжение питающей сети: 220В

Номинальное выходное напряжение: ±15В

Коэффициент пульсаций, не более: 0,5%

Тип автономного источника питания: аккумуляторная батарея

Индикатор:

Ток полного отклонения стрелки: 50 мкА

Сопротивление катушки: 3 кОм

Содержание

Введение

. Электронный вольтметр

.1 Электронный  вольтметр постоянного тока

.2 Электронный вольтметр переменного тока

. Электронный амперметр

.1 Электронный амперметр постоянного тока

.2 Электронный амперметр переменного тока

. Электронный омметр

. Источник питания

.1 Расчёт трансформатора

.2 Сглаживающие фильтры

.3 Стабилизатор напряжения

.4 Выпрямитель

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Мультиметр - это комбинированный измерительный прибор, предназначенный для измерения нескольких электрических величин. В самом минимальном наборе - это амперметр, вольтметр и омметр. Именно такой набор величин могли измерять самые первые мультиметры, благодаря чему в России они изначально назывались АВОметры (Амперо-Вольт-Ом-метр в сокращенном варианте). Однако сегодня эти приборы позволяют проводить гораздо больше количество измерений и в такой минимальной "комплектации" практически не встречаются. Современные мультиметры могут представлять собой как небольшой переносной компактный прибор, так и сложное стационарное устройство с множеством функций.

В зависимости от способа отображения информации, мультиметры можно разделить на 2 группы: цифровые и аналоговые.

Цифровые мультиметры

Результат измерений в таких мультиметрах отображается на цифровом табло. Большая часть современных мультиметров выпускается именно в цифровом исполнении. Некоторые такие приборы можно подключать к компьютеру, чтобы получать результаты измерений и управлять их работой. Цифровые мультиметры могут иметь разрядность от 2,5 (точность около 10%) цифровых разрядов до 5 и выше. Однако наибольшее распространение получили мультиметры с разрядностью 3,5 (точность в районе 1%).

Аналоговые мультиметры

В таких мультиметрах результат измерений демонстрируется при помощи классической шкалы со стрелкой. Они и сейчас сохраняют свою актуальность, потому что, в отличие от цифровых мультиметров, могут работать при наличии сильных радиопомех.

Мультиметры могут производить следующие действия:

измерение сопротивления;

измерение силы тока;

измерение напряжения;

измерение емкости;

измерение частоты;

измерение индуктивности;

прозвонка цепи;

тестирование диодов и транзисторов;

1. Электронный вольтметр переменного тока

.1 Электронный вольтметр постоянного тока

Электронный вольтметр с высоким входным сопротивлением можно построить на основе неинвертирующего усилителя. Измерительный прибор подключается к измерительным цепям через буферный усилитель с высоким входным сопротивлением. Поэтому входное сопротивление вольтметра определяется практически входным сопротивлением усилителя. Кроме того, поскольку измерительный прибор отделен от измерительных цепей буферным усилителем и не влияет на режим работы цепи, в которой производятся измерения, то требования к нему можно существенно снизить.

На рис 1.1. показана структурная схема аналогового электронного вольтметра, которая содержит четыре основных блока: аттенюатор, буферный усилитель, измерительный преобразователь и индикатор.

Рис 1.1 Структурная схема аналогового электронного вольтметра.

Измеряемое напряжение подается на аттенюатор, который обеспечивает приведение входного сигнала к определенному единому уровню, приемлемому для буферного усилителя. Измеряемый сигнал, преобразованный до уровня, соответствующего рабочему диапазону буферного усилителя, поступает на вход этого усилителя.

Основой аттенюатора является резистивный делитель напряжения. Так как прибор должен иметь нескольких пределов измерения, то делитель необходимо выполнить с тремя отпайками для получения соответствующих коэффициентов деления.

Поскольку делитель напряжения практически не нагружен (входное сопротивление буферного усилителя очень велико), то делитель можно выполнить на основе больших сопротивлений, что обеспечивает высокое входное сопротивление вольтметра.

Буферный усилитель, с большим входным сопротивлением, служит для согласования входных цепей вольтметра с измерительным преобразователем. Он может быть выполнен по схеме неинвертирующего усилителя.

Измерительный преобразователь предназначен для формирования интегрального (среднего или действующего) значения измеряемого сигнала. Сформированное им интегральное значение отображается индикатором. Шкала индикатора градуируется в действующих значениях сигнала. Используем среднеквадратичный измерительный преобразователь, так как в этом случае градуировка шкалы справедлива как для постоянных входных сигналов, так и для переменных входных сигналов любой формы. Обозначение типа измерительного преобразователя должно быть нанесено на шкалу прибора.

Сигнал с выхода буферного усилителя подается на вход аналогового электромеханического вольтметра, который в этом приборе является как измерительным преобразователем, так и индикатором.

Так как входное сопротивление буферного усилителя можно считать бесконечно большим, то эквивалентное входное сопротивление вольтметра можно определить так [4]:

 (1.1)

Принимая во внимание возможность замыкания на землю входных цепей ОУ при его повреждении, с целью ограничения входного тока вольтметра при этом целесообразно принять . Тогда сумма  должна быть не менее 4МОм.

Рис 1.2 Функциональная схема электронного вольтметра.

При этих значениях параметров максимальное значение падения напряжения на выходе делителя (аттенюатора) для первого диапазона измерений [4]:

В, (1.2)

где  - предельное значение измеряемого напряжения первого диапазона (0,1 В).

Максимальные значения падения напряжения на выходе делителя для всех диапазонов измерений должны быть равны [4]:

. (1.3)

Применяя принцип деления напряжения для соответствующих диапазонов измерений можно записать [4]:

 В; (1.4)

 В, (1.5)

где  и  - соответственно, предельные значения измеряемого напряжения второго и третьего диапазонов (0,5В и 1В).

Из этих выражений определяются значения сопротивлений делителя :

 МОм; (1.6)

 МОм; (1.7)

 МОм; (1.8)

 МОм; (1.9)

В итоге можно принять: ; ; .

Учитывая, что диапазон изменения выходного напряжения наиболее распространенных ОУ при типовом значении напряжения питания ±15В должен включать в себя значения от -10В до +10В, несколько произвольно можно установить предел измерения напряжения измерительного преобразователя (стрелочного вольтметра постоянного тока) . Тогда требуемое входное сопротивление измерительного преобразователя [4]:

. (1.10)

Отсюда определяется добавочное сопротивление измерительного преобразователя [4]:

 (1.11)

Коэффициент усиления буферного усилителя по напряжению должен составлять [4]:

Для неинвертирующего усилителя [2]:

. (1.13)

Отсюда:

. (1.14)

Учитывая то, что выходные токи большинства ОУ интегрального исполнения не должны превышать 5мА, можно принять .Тогда:

 Oм. (1.15)

Для компенсации разброса параметров элементов при настройке прибора сопротивление  целесообразно выполнить в виде цепочки из последовательно соединенного постоянного и переменного резисторов. Например, .

Ток, потребляемый вольтметром постоянного тока, составляет [3]:

. (1.16)

Так как  ОУ очень мало, то его значением можно пренебречь.

.2 Электронный вольтметр переменного тока

Вольтметр переменного тока предназначен для измерения интегральных значений переменных сигналов. Наиболее часто требуется измерять действующее значение напряжения. Для этого обычно используются измерительные преобразователи, непосредственно формирующие величину, пропорциональную действующему значению напряжения, или измерительные преобразователи выпрямительного типа.

Для выпрямления измеряемых переменных сигналов в приборе используется прецизионный выпрямитель, схема которого изображена на рис 1.3.

Рис 1.3 Схема прецизионного выпрямителя.

Положительный входной сигнал усиливается и инвертируется ОУ DA1. Под действием отрицательного выходного сигнала ОУ DA1 открывается диод VD1 и точка a соединяется с выходом ОУ DA1 и с входом DA2 через резистор R/2. Отрицательный сигнал в точке a усиливается вдвое и инвертируется ОУ DA2. Вместе с этим на вход DA2 через резистор R с входа выпрямителя поступает положительный сигнал, который инвертируется ОУ DA2 без усиления. В результате суммирования на выходе DA2 формируется положительный сигнал, равный входному. При отрицательном входном сигнале диод VD1 закрыт, а VD2 замыкает цепь обратной связи ОУ DA1 и напряжение в точке а близко к нулю. На вход DA2 поступает только отрицательный входной сигнал, который инвертируется, и на выходе DA2 формируется положительный сигнал, равный по модулю входному.

Примем R=10кОм, тогда R/2=5кОм.

Объединив схемы выпрямителя и вольтметра постоянного тока, мы получим схему вольтметра переменного тока, которая изображена на рис 1.4.

Рис 1.4. Функциональная схема электронного вольтметра переменного тока

2. Электронный амперметр

.1 Электронный амперметр постоянного тока

Производить обработку сигналов в электронных приборах наиболее удобно в виде напряжения. Поэтому измеряемый ток в электронном амперметре необходимо предварительно преобразовать в напряжение. Схема преобразователя ток-напряжение, выполненного на ОУ, приведена на рис 2.1. Здесь можно допустить, что входной ток  равен току в резисторе R обратной связи, т.к. входной ток ОУ практически равен нулю. Поэтому выходное напряжение преобразователя [4]:

. (2.1)

В линейном режиме работы ОУ выходное напряжение ОУ в Ку раз больше, чем падение напряжения между инвертирующим и неинвертирующими входами ОУ. Учитывая, что Кy (коэффициент усиления ОУ по напряжению) может составлять несколько десятков тысяч, можно считать потенциал инвертирующего входа ОУ равным нулю. В реальных условиях действительное значение входного сопротивления преобразователя ток-напряжение зависит от значений сопротивления резистора обратной связи R и реального коэффициента усиления ОУ.

Рис 2.1 Схема преобразователя ток - напряжение выполненного на ОУ.

Предполагаем, что коэффициент усиления операционного усилителя К140УД2А при разомкнутой цепи обратной связи 4000. На основании закона Ома сопротивление резистора обратной связи [4]:

= U ВЫХ М/ i ВХ М , (2.2)

где U ВЫХ М и i ВХ М - максимальное выходное напряжение ОУ и максимальное значение измеряемого тока.

Выбрав U ВЫХ М = 10 В и подставив его в (2.2) будем иметь:

=10/0.01= 1000 Ом.

Так как прибор должен иметь три диапазона измерений: 0,001А; 0,005А; 0,01А, то, чтобы прибор не сгорел, требуется рассчитать соответствующие шунты. Зная , будем иметь [4]:

Добавочное сопротивление измерительного преобразователя, как и в предыдущем случае, можно принять равным .

 Рис.3.2 Функциональная схема электронного амперметра постоянного тока.

.2 Электронный амперметр переменного тока

Амперметр переменного тока предназначен для измерения интегральных значений переменных сигналов. Наиболее часто требуется измерять действующие значения. Для этого обычно используются измерительные преобразователи выпрямительного типа.