Материал: МРБ 1073.(1984).[doc]
Применение микросхем К176ИЕ5 позволяет выполнить на ней два независимых делителя частоты со сравнительно большими коэффициентами деления и заметно сокращает число корпусов делителей частоты. Так, если использбватьв данном случае микросхемы с коэффициентом пересчета n = 10 (К176ИЕ4); потребовалось бы два корпуса в делителе преобразователя напряжение — частота и три корпуса во втором делителе.
Максимальная выходная частота данного преобразователя равна fMaKC=fген/n =1 000000/64=15 625 Гц. Коэффициент преобразования 10 кГц/В достигается выбором такого коэффициента усиления УПТ, чтобы при подаче на вход преобразователя напряжения 1 В на выходе была частота 10 кГц.
В общем случае расчет преобразователя производят совместно со счетчиком, который подключают к выходу преобразователя, так как исходными данными для расчета, помимо частоты генератора, являются емкость счетчика и длительность измерительного интервала tИзм. Под емкостью счетчика в данном случае понимают число импульсов, которое может быть подано в счетчик до его полного заполнения. Измерительный интервал tИ3М — время, в течение которого импульсы с выхода преобразователя поступают на вход счетчика. По окончании tизм процесс измерения заканчивается, а результат его выдается со счетчика на устройство индикации.
Частота кварцевого генератора может быть любой — от 10 кГц до 2 МГц. Собственно для преобразователя напряжение — частота численное ее значение может быть не только целым, но и дробным.
При использовании в качестве делителя частоты интегральной микросхемы К176ИЕ5 удобны кварцевые резонаторы, работающие на частоте 16384 и 32 768 Гц, от электронных часов. На этой же микросхеме выполняется и генератор ГИ.
Рис. 6. Печатная плата преобразователя напряжение — частота
Для рассмотренном схемы преобразователя напряжение — частота не рекомендуется увеличивать емкость счетчика свыше 2000, т. е. использовать счетчик с числовым отсчетом более 1999, поскольку при четырех и более, знаках отсчета показания последних знаков станут неопределенными. Устранить это можно значительным усложнением схемы преобразователя, что в большинстве случаев не оправдано.
Длительность измерительного интервала tИзм выбирают в пределах от 0,1 до 0,5 с. Мигание цифр при измерительных интервалах более 1с утомляет работающего с прибором, а при интервалах менее 0,2 с практически незаметно для глаз.
При расчете сначала определяют максимальную выходную частоту преобразователя, которая равна отношению емкости счетчика к измерительному интервалу. Затем определяют коэффициент деления делителя частоты n = fген/fмакс. Например, для одного из счетчиков, работающего с данным преобразователем, емкость равна 2000, длительность измерительного интервала tизм = 0,131 с, максимальная частота на выходе преобразователя fМакс = 2000/0,131=15258,8 Гц.
При частоте генератора ГИ 1МГц коэффициент деления делителя равен n = 1000000/15258,8 = 65,5. Добиваться точного значения коэффициента деления не надо. Принимаем n = 64, что позволяет применить для деления шести двоичных разрядов.
Достоинством данного преобразователя является независимость его характеристик от большинства элементов. Стабильность схемы так высока, что изменение емкости интегрирующего конденсатора в несколько раз не оказываег влияния на выходную частоту.
На результате преобразования не сказываются также медленные изменения уровня порогового напряжения Uп, поэтому нет жестких требований к стабильности цепей интегрирования и порогового устройства. Последнее выполнено на элементе 2И — НЕ (D1.4),
Основными источниками погрешности преобразования являются нестабильность опорного напряжения U0 и остаточного напряжения открытого транзистора V6. Для уменьшения нестабильности U0 в преобразователе использован стабилитрон Д818Е с минимальным температурным коэффициентом напряжения. Для уменьшения остаточного напряжения транзистор V6 выбран типа КТ342Б с малым напряжением насыщения коллектор — эмиттер. Хорошо работает здесь и транзистор К.Т312В.
Детали. Транзистор V5 может быть любым кремниевым проводимости типа р-n-р с напряжением база — эмиттер не менее 4 В, например, КТ343, К.Т347, КТ363 (с любыми буквенными обозначениями). Резисторы Rl, R2, R6, R17 типа БЛП, резисторы R8 — R10, R14 типа СПЗ-16, остальные — типа МЛТ. Конденсаторы типа КТ, КМ, или К22-У, электролитические конденсаторы типа К50-6. Чертеж печатной платы преобразователя и расположение на ней деталей приведены на рис. 6.
Для точной настройки преобразователя необходимы цифровой вольтметр, частотомер и осциллограф. Для проверки работоспособности преобразователя соединяют перемычкой выводы 3 и 6 разъема ХЗ, устанавливая преобразователь в режим преобразования напряжения постоянного тока в частоту.
К выходу преобразователя подключают частотомер. На вход А подают напряжение +0,5 В. В оконечных каскадах преобразователя должен установиться автоколебательный процесс. С помощью осциллографа просматривают эпюры в характерных точках (см. рис. 4).
Для установления тепловых режимов элементов настройку следует производить после 15 — 20 мин прогрева. Соединяют вход А с общей шиной, отлаживают вывод резистора R11, подключенный к выходу микросхемы А1, и подсоединяют его также на шину 0В.
На выходе преобразователя устанавливают «нулевую» частоту, для чего подключают осциллограф к выводу 7 микросхемы А2, где наблюдают пилообразное напряжение. При вращении движка подстроечного резистора R14 в одну сторону частота возрастает, в другую — уменьшается и при некотором Положении срывается. Под «нулевой» частотой понимается минимальная устойчивая частота, которую удается установить с помощью резистора R14. Практически ее устанавливают равной 0,5 — 2 Гц, т. е. период одного колебания составляет 0,5 — 2 с. Восстанавливают соединение резистора R11, повторяют установку «нулевой» частоты (только теперь с помощью резистора R10). Затем подают на вход А напряжение постоянного тока +1 В, точное значение которого контролируют по цифровому вольтметру, подключенному ко входу преобразователям С помощью резистора R8 устанавливают выходную частоту преобразователя 10000 Гц. Если пределов регулирования не хватает, подбирают сопротивление резистора R6.
Для проверки линейности преобразования напряжения в частоту в диапазоне от 0 до 1В ко входу преобразователя подключают два переменных рези- стора сопротивлением 1 — 2,2 кОм. Измеряемое напряжение подают сначала на первый резистор, затем с его среднего вывода на второй и, наконец, со среднего вмвода второго на вход преобразователя. Это позволяет производить более точную установку необходимого напряжения на входе преобразователя.
Устанавливают первым резистором грубо, а вторым плавно следующие значения напряжения на входе преобразователя: 0, 10, 25, 50, 100 мВ и дале? через каждые 100 мВ до 1000 мВ. Для каждого входного напряжения записывают соответствующую ему выходную частоту и строят график. Если нелинейность преобразования больше 0,02%, настройку следует повторить.
При отклонении температуры окружающей среды от нормальной ( + 20° С) на 10° С нелинейность преобразования увеличивается на 0,02 — 0,03%. Таким образом, суммарная нелинейность преобразования может достигать 0,05%.
Счетчик преобразователя
Счетчик преобразователя, принципиальная схема которого приведена на рис. 7, предназначен для совместной работы с преобразователем напряжение — частота (узел УЗ), описание которого дано выше.
Технические характеристики:
Число знаков отсчета ........ . . . 4
Входной сигнал (разнополярный) с амплитудой, В..... ±1 ... ±4
Измерительный интервал, с........... 0,131
Время индикации, с............. 0,8
Цикл измерения, с . ............ 1,05
Режим работы . ............. периодический
Счетчик состоит из собственно счетчика, выполненного на трех полных декадах (D4 — D6) и одном разряде старшей неполной декады (D7), отсчетного-устройства на индикаторных лампах HI — Н4, двух делителей частоты на цифровых интегральных микросхемах D1 и D2 и устройства, обеспечивающего периодический режим работы счетчика на микросхеме D3.
Рис. 7. Принципиальная схема счетчика преобразователя
Рис. 8. Временные диаграммы счетчика преобразователя
Счетчик подсчитывает число импульсов неизвестной частоты за эталонный промежуток времени.
Цикл работы счетчика разбит на три такта. В первом такте элементом D3.3 формируется импульс «Сброс», устанавливающий счетчик в состояние 0. За время второго такта (измерительного интервала) в счетчик поступает число импульсов, пропорциональное измеряемой частоте. Во время третьего такта (такта индикации) число импульсов, записанное в счетчик, высвечивается на индикаторных лампах. Затем цикл повторяется.
Все три тракта вырабатываются делением частоты кварцевого генератора I МГц девятиразрядным двоичным делителем (собранным на микросхеме D2 в узел УЗ) до частоты 1953,125 Гц, а затем путем последующего деления этой частоты с помощью девятиразрядного двоичного делителя (выполненного на верхней по схеме части микросхемы D1 и двух D-триггерах микросхемы D2) непосредственно в данном счетчике.
В результате деления на выходе 1 микросхемы D1 и прямых выходах триггеров микросхемы D2 (в точках 2 — 4) выделяются импульсы с периодом следования 0,26; 0,52 и 1,05 с. Эти последовательности импульсов используются для реализации на элементах микросхемы D3 программы автоматического управления работой счетчика.
Рис. 9. Печатная плата счетчика преобразователя
Временные диаграммы, поясняющие работу счетчика в непрерывном режиме запуска, приведены на рис. 8. Длительность импульса сброса равна длительности измерительного интервала и составляет 0,131 с.
Отсчетное устройство обеспечивает визуальный отсчет результата измерений: цифровую индикацию измеряемой величины с помощью знаковых индикаторов HI — Н4 с максимальным числовым значением 1999, полярность измеряемой величины знаком « — » при измерении напряжения и тока в цепях постоянного тока, а также положение переключающейся по разрядам запятой. Положение запятой зависит от выбора предела измерения и размерности результата, а ее перенос совмещается с переключением поддиапазонов.
Для согласования слаботочных микросхем серии К.176 с накальными индикаторными лампами применены ключевые каскады на транзисторах VI — V23. Статический коэффициент передачи тока этих транзисторов hzi9 должен быть не менее 60, иначе яркость свечения отдельных сегментов индикаторных ламп может оказаться различной. Диоды V25 и V26 служат для снижения напряжения — 5 В до уровня — 3,15 В, необходимого для питания индикаторных ламп типа ИВ-9. В коллекторную цепь транзистора V24 включается реле, контакты которого раз в секунду разряжают емкость измеряемого конденсатора Сх при совместной работе с преобразователем сопротивлений и емкостей в частоту — узлом У6.
Печатный монтаж счетчика двухсторонний. Расположение деталей и их соединение на плате даны на рис. 9. Индикаторные лампы Hi — Н4 распаивают непосредственно на плате, установив их вдоль платы с противоположной стороны по отношению к другим деталям. Верхние части ламп закрепляют крепежной стойкой.
Работоспособность счетчика проверяют совместно с преобразователем напряжение — частота (узел УЗ). При настройке счетчика коэффициент преобразованля KПP преобразователя напряжение — частота, равный 10 кГц/В. б данном случае следует несколько уменьшить. Действительно, при измерительном интервале tизм = 0,131 с я емкости счетчика 2000 максимальна и частота, которая может быть подана на вход данного счетчика равна fМАКС = 2000/0,131 = =15258,8 Гц, а та;; как эта частота должна соответствовать входному наприжению 2 В, то KпР=fмакс/Uвх = 15 253,8/2 = 7629,4 Гц/В. Уменьшение Kпр производится уменьшением сопротивления резистора R6 узла УЗ (см. рис. 5),
При совместной настройке узлов УЗ и У4 выводы 6 и 10 на разъеме Х4 счетчика соединяют перемычкой. На вывод 11 разъема Х4 подают частоту 1953,125 Гц от преобразователя напряжение — частота (с вывода 11 разъема X3).
Собранный без ошибок счетчик начинает работать сразу. Подав на вход А импульсы прямоугольной формы амплитудой ±4 В, убеждаются в правильности счета путем сличения показаний на табло счетчика с установленной частотой генератора. При совместной настройке узлов УЗ и У4 на вход А преобразователя подают напряжение +1,999 В. Подбором сопротивления резистора R6 и регулировкой подстроечного резистора R8 устанавливают на индикаторном устройстве счетчика преобразователя показание 1.999.
Входное устройство вольтметра
Входное устройство вольтметра обеспечивает высокое входное сопротивление вольтметра, защиту входного устройства от перегрузок, усиление напряжения менее 100 (200) мВ, преобразование переменного напряжения в постоянное, определение и автоматический выбор полярности входного сигнала.
Технические характеристик и:
Входное сопротивление, МОм...........50
Коэффициент усиления . . .........1 и 10
Частотный диапазон, Гц............0 — 105
Выбор полярности . .............автоматический
Устройство состоит из следующих каскадов: собственно входного каскада, линейного выпрямителя и определителя полярности.
Принципиальная схема устройства приведена на рис. 10. Высокое входное сопротивление устройства достигается применением микросхемы А1 с полевыми транзисторами на входе (типа К140УД8).
В режиме преобразования напряжений 1 В и более входной каскад работает как повторитель — выход микросхемы соединен с инвертирующим входом. При коэффициенте передачи, равном 1, такая схема имеет очень большое входное сопротивление. В режиме преобразования токов и напряжений в поддиапазоне 100 мВ (переключатель S1.3 замкнут) каскад работает как усилитель с коэффициентом усиления K=10. Элементы R3 и VI — V4 служат для защиты входа от перегрузок. Поскольку температурный и временной дрейфы напряжения смещения у микросхем с полевыми транзисторами на входе сравнительно велики, особенно сразу после включения, возникает необходимость ручку балансировки входного каскада «Уст.О» вынести на лицевую панель.
Сигнал с выхода микросхемы А1 поступает непосредственно на выход А узла и через резистор R13 — на инвертирующий вход линейного выпрямителя, выполненного на ОУ А2.
Линейный выпрямитель предназначен для выделения на выходе Б сигнала положительной полярности только тогда, когда на его вход поступает отрицательный сигнал. Это происходит следующим образом. Когда на вход поступает положительный сигнал, выходное напряжение ОУ А2 закрывает диод V6, напряжение на выходе Б равно нулю. Диод V5 при этом закрыт и предохраняет ОУ от насыщения. В этом случае на преобразователь напряжение — частота узла УЗ по входу А поступает только положительный сигнал.
Рис. 10. Принципиальная схема входного устройства вольтметра
При отрицательном входном сигнале ОУ А2 инвертирует его и через открытый диод V6 передает на выход Б. В этом случае на преобразователь напряжение — частота поступают два сигнала, равные по амплитуде, но противоположные по знаку: отрицательный — по входу А и положительный — пв входу Б.
Однако, так как сопротивление на входе Б преобразователя напряжение — частота вдвое меньше, чем на входе А, то вклад от воздействия положительного сигнала вдвое больше, чем от отрицательного. В результате суммарный сигнал в точке соединения входных резисторов равен +1.
Таким образом, линейный выпрямитель входного устройства узла У5 совместно с сумматором преобразователя напряжение — частота узла УЗ образуют формирователь сигнала, в данном случае положительного, при любой полярности входного сигнала. Тем самым отпадает необходимость в ручном выборе полярности. Точно так же ведет себя формирователь сигнала при подаче на вход мгновенных значений переменного напряжения в течение положительных и отрицательных полуволн.
В результате суммирования входного переменного напряжения, поступающего по входу А, и инвертированной полуволны этого напряжения, полученной с выхода схемы выделения одного полупериода (выход Б), на выходе сумматора ОУ А1 узла УЗ (см. рис. 5) выделяется положительное пульсирующее напряжение, представляющее собой двухполупериодное выпрямленное значение входного сигнала. Здесь же в сумматоре за счет емкости конденсатора С1 происходит фильтрация этого напряжения. Далее постоянное напряжение, пропорциональное входному синусоидальному сигналу, преобразуется в частоту. Определитель полярности узла У5 выполнен на ОУ A3. Индикация знака полярности может осуществляться либо с помощью светодиодов красного и зеленого цветов, которые включаются в коллекторные цепи транзисторов V9 и и V10, либо свечением среднего сегмента лампы H1 цифрового индикатора счетчика. В последнем случае сигнал с выхода узла подается к сегменту через ключевой каскад, установленный в счетчике.