Разработка цифрового частотомера с источником питания от сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Обоснование структурной схемы. Выбор элементной базы. Преобразование аналогового сигнала в цифровой с помощью усилителя-ограничителя.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

1. Задание на курсовой проект

Разработать цифровой частотомер с источником питания от сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц.

2. Технические условия

1. Нижняя граница диапазона частот, Гц 150;

2. Верхняя граница диапазона частот, Гц 8000;

3. Рабочий диапазон температур, єС 0…70;

4. Погрешность дискретности цифрового частотомера, Гц 2,0;

5. Время индикации частоты, с 4,0;

6. Тип ячейки индикации газоразрядный;

7. Элементная база ТТЛ.

3. Обоснование структурной схемы

В цифровом частотомере подсчитывают число импульсов N, соответствующее числу периодов неизвестной частоты f_x за известный высокоточный интервал времени, называемый временем измерения Т_и. Если за время Т_и подсчитано N импульсов, то среднее значение измеряемой частоты f_x = N / T_и. При времени измерения Т_и = 1с количество подсчитанных импульсов (периодов) N и есть значение измеряемой частоты (Гц), т.е. f_x = N.

Структурная схема данного способа измерения частоты приведена на Рис. 1. Входное устройство, состоящее из широкополосного усилителя-ограничителя, предназначенного для согласования частотомера с источником сигнала, а также для усиления или ограничения напряжения на входе до значения, запускающего формирователь. Формирователь преобразует синусоидальные или периодические импульсные сигналы в последовательность импульсов постоянной амплитуды с большой крутизной фронтов, независимо от входного сигнала, частота следования которых равна частоте измеряемого сигнала.

Рис. 1 Структурная схема цифрового частотомера

Высокоточное время измерения вырабатывает формирователь эталонного времени, входным сигналом которого являются импульсы с выхода кварцевого генератора и делителя частоты. Делитель частоты делит частоту кварцевого генератора 100 кГц декадными ступенями (в 10 раз) до 1Гц. Полученная частота используется для формирования высокоточного, стабильного времени измерения в 1 с.

Устройство управления управляет всеми процессами измерения и обеспечивает заданное время индикации результата измерения на цифровом табло; сброс счетных декад и других схем в «нулевое» состояние перед каждым циклом измерения; вырабатывает импульс, открывающий селектор на время счета.

Электронный счетчик, предназначенный для счета поступающих с временного селектора импульсов, состоит из нескольких последовательно соединенных счетных декад, каждая из которых соответствует определенному порядку частоты входного сигнала (единицам, десяткам, сотням герц и т.д.). Цифровой индикатор обеспечивает отображение результатов измерений, поступающих с дешифратора. Последний преобразует двоично-десятичный код 8-4-2-1, поступающий со счетных декад, в десятичный код.

4. Выбор элементной базы

Частотомер будет выполнен на интегральных микросхемах, следовательно, необходимо определить какие серии интегральных микросхем надо использовать. Ниже приведены основные параметры микросхем структуры ТТЛ.

Таблица 1 - Основные характеристики цифровых интегральных схем различных серий ТТЛ структуры

Серия	Icc, мА	tзд р, нс	Uвых0, В	Uвых1, В
К155	не более 25	10	0.4мах	2.4-3.5min
К131	не более 10	10	0.4мах	2.4-3.5min
К555	не более 160	9.5	0.4мах	2.7-3.4min

Так как в проектируемом частотомере из-за относительно низкой частоты входного сигнала нет особых требований к используемым микросхемам, то в устройстве использованы микросхемы 155 серии.

Для разработки частотомера использованы также газоразрядные индикаторы ИН-8-2.

5. Усилитель-ограничитель

цифровой частотомер схема аналоговый

Усилитель-ограничитель (рис. 2) предназначен для преобразования аналогового сигнала в цифровой. Усилитель выполнен на транзисторе VT1 по схеме с ОЭ и работает в режиме С. Резистор R2 определяет положение рабочей точки усилителя. Диод VD1 ограничивает входной сигнал «снизу», т.е. не пропускает отрицательную полуволну входного сигнала. С коллекторной нагрузки R3 транзистора снимаются импульсы, имеющие пологие фронты и срезы. Для получения импульсов с крутыми фронтами и срезами, необходимыми для работы логических элементов цифровых схем, служит формирователь (триггер Шмитта) на логических элементах 2И-НЕ DD1.1 и DD1.2. Чувствительность и ширина петли гистерезиса триггера Шмитта определяется соотношением сопротивлений резисторов R4 и R5.

Рис. 2. Схема усилителя-ограничителя и формирователя



Рис. 3 Временные диаграммы усилителя-ограничителя и формирователя

6. Селектор импульсов

Селектор импульсов представляет собой последовательно соединенные логический элемент 2И-НЕ (DD1.3) и инвертор, собранный из такого же логического элемента 2И-НЕ (DD1.4).

Рис. 4. Схема принципиальная селектора импульсов

На один из входов логического элемента DD1.3 поступает последовательность импульсов неизвестной частоты f_x. В отсутствии сигнала эталонного времени измерения Т_и сигнал f_x на выход селектора не проходит. При поступлении сигнала эталонного времени N импульсов неизвестной частоты поступают на вход электронного счетчика импульсов.

7. Кварцевый генератор и делитель частоты

Кварцевый генератор частотомера собран на трех инверторах на базе логических элементов 2И-НЕ (DD2.1, DD2.2, DD2.3) микросхемы К155ЛА3. Логический элемент DD2.4 является буферным. Генераторы на микросхемах ТТЛ обычно работают на частоте последовательного резонанса кварцевого резонатора ZQ1 из-за малого входного сопротивления логических элементов.

Рис. 5. Схема принципиальная кварцевого генератора

Кварцевый генератор в общем случае представляет собой усилитель, в цепь обратной связи которого включен кварцевый резонатор. Для возбуждения и поддержания колебаний при использовании последовательного резонанса кварцевого резонатора фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями усилителя должен быть равен 360єn, где n=1,2,3, … Такой сдвиг фаз и обеспечивают два инвертора. Резисторы R7 и R8 обеспечивают смещение на входе логического элемента DD2.1. Для исключения отрицательной обратной связи по переменному току служит конденсатор С5. Емкостное сопротивление конденсатора на рабочей частоте должно быть в 10…20 раз меньше, чем у резистора R7. Настройка кварцевого генератора производится подбором емкости конденсатора С4.

В данном частотомере применяется кварцевый резонатор с частотой последовательного резонанса 100 кГц, класса точности настройки «13» - , с интервалом рабочих температур «Ш» - минус 10…80єС, максимальным относительным изменением рабочей частоты д₀ в интервале рабочих температур - «И» по ГОСТ 27124-86.

Для получения эталонного времени измерения 1 с, т.е. эталонной частоты 1 Гц потребуется делитель на 10⁵. Такой делитель можно получить из пяти декадных делителей. В составе 155 серии микросхем имеется декадный делитель К155ИЕ1 с фазоимпульсным представлением информации. Установка микросхемы в 0 производится одновременной подачей импульса на входы «&» и «R». Рабочей полярностью счетных импульсов, подаваемых одновременно на входы «&» и «C», является отрицательной. Одновременно с каждым десятым входным импульсом на выходе формируется равный ему по длительности выходной импульс отрицательной полярности. Выходным сигналом каскада из пяти микросхем является последовательность импульсов с периодом в Т_и=1 с.

Рис. 6. Схема делителя частоты

Скважность выходного импульса микросхемы К155ИЕ1 очень велика, поэтому для дальнейшей обработки сигнала на выход делителя включен инвертор DD3.3.

8. Формирователь эталонной частоты