Мікроелектронний пристрій обробки інформації

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ

Курсова робота

«Аналогові та цифрові вимірювальні прилади»

Тема: Мікроелектронний пристрій обробки інформації

Київ 2009

РЕФЕРАТ

Об'єкт дослідження — похибки вимірювання ємності.

Мета роботи — розробка функціональної схеми пристрою вимірювання ємності, розробка принципових схем, набуття навиків моделювання і дослідження функціональних вузлів радіоелектронної апаратури в середовищі «Multisim 2001».

Метод дослідження — моделювання в середовищі «Multisim 2001»

Обґрунтовано, що для побудови пристрою обробки інформації можуть бути ефективно використані вибрані типи інтегральних мікросхем.

Результати курсового проектування рекомендується використовувати в навчальному процесі при проведенні лабораторних робіт.

Прогнозні припущення щодо розвитку об'єкта дослідження: збільшення точності вимірювання шляхом використання більш досконалих компонентів та розробка нових методів вимірювання ємності.

Загальні положення

Конденсатор або ємнісний датчик характеризується номінальним значенням ємності та кутом втрат, що повинні мати мінімальний дрейф (зміну значення параметра) у часі, а також у робочому температурному та частотному діапазонах. За певних умов на низьких частотах конденсатор можна розглядати тільки як зосереджену ємність, значення якої дорівнює його розподіленої ємності. Однак, усякий реальний конденсатор, крім ємності має ще опір утрат та індуктивність обкладок і виводів. Тому, у порівняно широкому діапазоні частот його можна представити еквівалентною схемою, зображеною на рис. 1.1.

Рис. 1.1

Метод амперметра та вольтметра

Метод передбачає безпосередній вимір падіння напруги U на конденсаторі і струму I, що через нього протікає (рис. 1.2).

Рис. 1.2

Виконавши вимір напруги та струму, можна обчислити:

.(1.1)

Відомо багато модифікацій методу амперметра та вольтметра. На рис. 1.3 і рис. 1.4 приведені схеми для виміру ємності за допомогою трьох вольтметрів чи трьох амперметрів. Вони дозволяють визначити Сэф, Сr і r.

Рис. 1.3 Рис. 1.4

Якщо необхідно визначити тільки Сэф, то схеми можна спростити, відключивши відповідно PV1 або PA1. Для схеми з трьома вольтметрами (рис. 1.3):

(1.2)

(1.3)

(1.4)

Для схеми з трьома амперметрами (рис. 1.4)

(1.5)

(1.6)

(1.7)

Приведені розрахункові співвідношення справедливі, якщо шунтуючою дією вольтметрів чи внутрішнім опором амперметрів можна знехтувати, у порівнянні з R0 і r. Втрати у вимірюваному конденсаторі не впливають на похибку визначення ефективної ємності.

Розглянутий метод має невелику точність. У результат виміру безпосередньо входять похибки виміру напруги, струму та частоти. Крім того, додаткову похибку вносять внутрішні опори амперметрів і вольтметрів, нелінійні спотворення напруги живлення та нестабільність його частоти.

Методи на основі подільників напруги

На рис. 1.5 — 1.8 представлені послідовні схеми фарадометрів.

Рис. 1.5 Рис. 1.6

Рис. 1.7 Рис. 1.8

У цих схемах для формування шкали по ємності послідовно з вимірюваним конденсатором включені або зразковий конденсатор або зразковий резистор.

Для схеми рис. 1.5 при Сх, значення струму в ланцюзі:

.(1.8)

Нехтуючи внутрішніми опорами амперметра та джерела напруги, отримаємо вираз для закону шкали:

.(1.9)

.(1.10)

Достоїнством даної схеми є незалежність градуіровки шкали від частоти.

Частотну незалежність має також схема на рис. 1.8. Для цієї схеми рівняння шкали має вид:

(1.11)

Для схем із послідовним зразковим опором (рис. 1.6, рис. 1.7) нехтуючи внутрішнім опором амперметра, джерела напруги та втратами у вимірюваному конденсаторі, маємо:

(1.12)

Якщо встановити значення струму Imax при Сх, то:

(1.13)

(1.12)

R0 вибирається такої величини, щоб у всьому діапазоні вимірюваних ємностей дотримувалася нерівність: R01/(Cx). Тоді:

(1.13)

З отриманого виразу випливає, що для розглянутих схем шкала вимірювача лінійна, але залежить від частоти.

Послідовні схеми фарадометрів використовуються в діапазоні до 1 мкФ. При великих значеннях ємностей повний опір зразкового конденсатора стає порівнянним із внутрішніми опорами амперметра та джерела напруги, що викликає збільшення похибки вимірювання.

При вимірі великих ємностей застосовується паралельна схема фарадометрів рис. 1.9.

Рис. 1.9

У цій схемі вольтметр вимірює безпосереднє падіння напруги на вимірюваному конденсаторі:

(1.14)

При великих значеннях ємності вимірюваних конденсаторів виконується умова R01/(Cx), тоді:

.(1.15)

З отриманого виразу видно, що закон шкали зворотньопропорційний ємності і залежить від частоти напруги живлення.

Метод порівняння напруг і струмів

Вимірювальні схеми, що реалізують цей метод, представлені на рис. 1.10 і рис. 1.11.

Рис. 1.10

Рис. 1.11

Процес виміру для них полягає в порівнянні напруг на зразковому та вимірюваному конденсаторах. Схеми дозволяють вимірювати Сэф, Сr або CR у залежності від того, якою ємністю представлений конденсатор порівняння. Для вимірювальної схеми рис. 1.10:

(1.16)

За умови виконання наступних співвідношень: R0rэ, R0rх, R01/(Crx), R01/(Crэ).

Для вимірювальної схеми рис. 1.11:

(1.17)

При співвідношеннях R0re, R0rх.

У залежності від співвідношення втрат вимірюваного та зразкового конденсаторів може бути вимірено Сeф або Сr.

1. Конденсатори Сч і Се мають малі втрати (tgе1, tgх1), або втрати одного порядку tgе = tgх. У цьому випадку вимір дає значення Crx :

.(1.18)

2. Зразковий конденсатор має малі втрати tgе1 і tgхtgе. Вимір дає значення ефективної ємності:

.(1.19)

3. Вимірюваний конденсатор має малі втрати tgх1 і tgэtgх:

.(1.20)

У схемі рис 1.12 використовується принцип заміщення.

Рис. 1.12

Спочатку вводять повне значення ємності СЭ1 зразкового конденсатора Сэ і визначають значення струму I0 по амперметру, потім підключають Сх і зменшують ємність конденсатора Сэ до значення Сэ2, при якому амперметр буде показувати теж саме значення струму I0. Значення вимірюваної ємності визначається як:

(1.21)

Методи, засновані на явищі резонансу

Резонансні методи можуть бути розділені на контурні та генераторні. Контурні методи використовують залежність резонансної частоти контуру від параметрів включеної у контур вимірюваної ємності. Резонансна частота контура:

(1.22)

Звідки невідома ємність знаходиться як:

.(1.23)

В основі генераторних методів лежить залежність частоти вихідної напруги генератора від значень ємності ланцюгів, що задають частоту.

На рис. 1.13 представлена схема, що реалізує непрямий контурний метод.

Рис. 1.13

У коливальний контур зі зразковою котушкою індуктивності L0 підключають невідому ємність Сх. Змінюючи частоту генератора, настроюють коливальний контур у резонанс, що фіксують за допомогою вольтметра PV. Частота резонансу fр визначається по шкалі генератора чи частотоміром. Значення вимірюваної ємності розраховується по формулі (1.23).

Дана схема характеризується похибкою міри та похибкою порівняння. Складові похибки міри: нестабільність частоти генератора, похибка виміру резонансної частоти, похибка значення зразкової індуктивності, вплив власної (міжвиткової) ємності котушки. Похибка порівняння обумовлена неточністю настроювання контуру в резонанс, чутливістю індикатора резонансу, вхідним опором вольтметра. Сумарна похибка виміру ємності непрямим резонансним методом лежить у межах 1 — 3%. Значного підвищення точності вимірів можна досягти застосуванням методів заміщення.

Схема виміру методом прямого заміщення представлена на рис. 1.14.

Рис. 1.14

У коливальний контур включають вимірювану ємність Сх, настроюють контур у резонанс і фіксують резонансну частоту fр. Потім вимірювану ємність заміщають зразковим конденсатором С0 і, змінюючи його ємність, настроюють контур у резонанс на fр. Тоді Сх=С0.

На рис. 1.15 зображена схема вимірювання методом зворотного заміщення.

Рис. 1.15

Коливальний контур зі зразковим конденсатором С0 настроюють на резонансну частоту fр, і визначають значення ємності С01. Потім, паралельно зразковій ємності підключають вимірювану ємність Сх і, зменшуючи значення С0, знову настроюють контур на резонансну частоту fр, фіксують значення С02. Вимірювана ємність .

Похибки методів заміщення обумовлена похибкою визначення значень зразкового конденсатора С0, похибкою визначення та нестабільністю частоти генератора живлення, чутливістю індикатора резонансу, вхідним опором вольтметра.

Резонансні методи виміру ємності придатні для виміру ємностей Сr у конденсаторах із малими втратами. При визначенні Сr у випадку великих втрат з’являється додаткова похибка, викликана зміною резонансної частоти внаслідок втрат у конденсаторі. Вплив втрат на частоту можна оцінити зі співвідношення:

(1.24)

де f0 — значення резонансної частоти контура при відсутності втрат у конденсаторі та котушці індуктивності;

Q — добротність котушки індуктивності контура на резонансній частоті.

Цю похибку можна компенсувати введенням регульованого опору паралельно контуру генератора чи послідовно з котушкою індуктивності контуру.

ДЖЕРЕЛО НАПРУГИ Даний вимірювач ємності живиться від джерела постійної напруги, що видає на виході Uдж=2V.

Вважаємо, що цієї напруги достатньо для заряду ємності, так як проводиться вимірювання дуже малих ємностей.

Джерело напруги виконано на базі ОП К140УД8. ОП включений в неінвертованому режимі, його вихідна стабільна напруга використовується для живлення стабілітрона. Стабілітрон вибраний типу КС 156Б. Схема джерела напруги на рис. 1.16.

Uст? = Uст (R2 + R3) / R3. Для КС156Б

Іст = 10 mA

Uст = 4,7 V

На виході схеми необхідно забезпечити U0 = 2V. Проте спершу розрахуємо джерело опорної напруги на U0 = 10 V

UR1= 5,3 В

R1= UR1/Iст = 5,3B/10*(g)3= 5,3 В

U0/Uст=(R3+R2)/R3

R2 і R3 = 920 Ом і 810 Ом Джерело опорної напруги (реальне джерело опорної напруги) формує сталу напругу, яка не залежить від коливань напруги живлення та ін. факторів і має нульовий вихідний опір.

Проте, щоб забезпечити на виході джерела напруги U=2V, резистор R3 зробимо як змінний, тобто змінюючи опір резистора, добиваємося на виході напруги у 2V.

Потенціометр для вибору напруги стабілізації. Випускають ДОНи в інтегральному виконанні. Для них Кст. є (105ч106).

Точно такі ж ДОНи використовуються як ДОН в компараторі. Тільки за допомогою потенціометра потрібно добитися напруги Uст=1V, по рівню якої спрацьовуватиме компаратор.

Також від ДОНа живиться інтегратор. Це для того, щоб інтегратор не живився напругою з вихода логічного елементу 21.

Вимірювальний інтегратор.

Вимірювану невідому ємність включено в ланцюг зворотнього зв’язку в інтеграторі.

Ug? 0

Ізм? 0

Як відомо, ємність визначається як С=Q/U. Звідси Q=СU, і зміна заряду за одиницю часу, тобто струм через конденсатор

ІC = dQ/dt = C (dQ/dt)

Якщо ОП наближений до ідеального з Ізм? 0 і коефіцієнт підсилення настільки великий, що U? 0, то ІR = IC, Ug = - Uвих Отже, в загальному випадку, напруга на ємності, яку, власне, і будемо знімати з показань вольтметра

Uс = 0? t dU3 (1/Cx 0? TзІRdt,

тобто ІR = U1/Rg Uвих = -1/Сх * U1/Rg* Tз де Тз — час заряду ємності.

Rg 1,2 — резистори, за допомогою яких ми розбиваємо вимірювальний процес на 2 діапазони, тобто Rg 1,2 — діапазонні резистори.

Підбираємо їх так, щоб час заряду Tз= RC був не дуже малим.

Отже, чим меншу ємність будемо вимірювати, тим більшим повинен бути номінал резистора.

Було задано діапазон вимірювання 1нФ — 1мкФ. Його за допомогою діапазонних резисторів розбиваємо на 2 піддіапазони.

1.Сх є (1ч10)нФ, при цьому Rg1 = 10 K

2.Сх є (10ч1000) нФ, Rg2 = 100 K

Отже, за допомогою перемикачів SW1 та SW2 обираємо необхідний діапазон вимірювання.

КЛЮЧІ

Ключі SW3 i SW4, які переводять схему в режим вимірювання та режим заряду ємності, виконані на ІМС К561 КТ3 (мал.)

Цей ключ містить по 4 аналогових ключа. Кожен з них має виводи: 2 інформаційні - А і В і управляючий — С.

При подачі лог.0 на вх. С, інформаційні виводи розімкнені між собою. При подачі лог.1 на вх. С, опір ключа зменшується до декількох сотень Ом.

Для К561КТЗ діапазон напруги живлення, при цьому можливе пропускання аналогового сигналу — від 5ч19 В, що є вигідним, так як вся сх. живиться від джерела 15 В. При цьому опір самого ключа в розімкнутому стані порядку 60ч120 Ом.

Отже, особливих змін в сх. цей опір не вносить, так як діапазонні опори вище порядку 10 кОм та 100 кОм.

ІНВЕРТОР Так як ємність заряджається у від'ємні значення, наступним функціональним вузлом вимірювального інтегратора поставлено інвертор. При цьому він виконаний на операційному підсилювачі К140УД8. Коефіцієнт підсилення у нього дорівнює 1. Резистори R1=R2=1K. Проте, резистор R1 ставимо змінним, щоб добитися лінійної градуювальної характеристики вольтметра.

Змінюючи R1, будемо добиватися потрібного нам коефіцієнта підсилення.

КОМПОРАТОР Компоратори — ОП спеціального призначення. Призначені для порівняння рівнів 2-х вхідних напруг і стрибкоподібної вихідної напруги у випадку, коли одна із порівнюваних напруг більше другої.

Вибраний ІМС компоратора типу ІМЗН (К554СА2). Ця схема підходить для приладу, так як живиться від джерела напруги 15 В.

Один вхід компоратора з'єднується з ДОН, в нашому випадку — 1V, а на другий подається сигнал з інвертора (напруга на Сх).

При подачі сигналів на входи компоратора, напруга на виході відповідає 2-м рівням логічних сигналів.

Uвих = {U1 при Uс>Uоп

Uвих = {U0 при Uсп Основними параметрами КН є чутливість та швидкодія. Також ряд інших параметрів, таких як коефіцієнт послаблення синфазного сигналу, дрейф під., навантажувальна здатність.

ДИФЕРЕНЦІЮЮЧИЙ ЛАНЦЮГ Сигнал, який виходить із компоратора, поступає на диференціюючий ланцюжок.

С = 100 нФ

R3=1K

ТРИГЕР ШМІДТА + ДИФ. ЛАНЦЮЖОК.

Сигнал після диференціюючого ланцюжка надходить в триггер Шмідта з метою формування імпульса дуже малої тривалості. Так як на виході триггера сигнал інвертується, то після нього ставимо інвертор так як RS-триггер спрацьовує по сигналу малої тривалості.

ТРИГГЕР Наступним елементом Сх. є звичайний RS-триггер. На R-вхід подається досліджуваний сигнал. На S-вхід поступає так званий запускаючий імпульс від генератора прямокутних імпульсів. Цей імпульс на виході триггера керує процесом заряду досліджуваної ємності, тобто перемикають ключ SW4. Обрано інтегратор МК типу К555ТР2 (4RS-триггера).

ЛОГІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ Логічні елементи 21 узгоджує цифровий та аналоговий каскади. Характеризується високою швидкодією та малим часом спрацьовування t = 21нС

ІНТЕГРАТОР Для випрямлення напруги, яка поступає далі, на вольтметр ставимо інтегратор із ємностями, підстроюваними для того, щоб добитися більш лінійної градуірованої характеристики.

Інтегратор розраховуємо з таких міркувань: нехай час заряду максимальної досліджуваної ємності буде 1 мС, Rо обираємо 1К. Інтегратор живиться від ДОН з Uдж= 10V, дж. напруги на вх. становить Uдж = 2V.

Звідси Uдж= 1/С · 0?3 (Еоп2/R)dt= 1/С0 · (Еох/R)Тз

C0 = (10•10−3)/(2•103)= 5 мкФ ЛІЧИЛЬНИК Одним із елементів керування схеми стабілізації напруги на виході є лічильник (кварцевий генератор з f = 50 Гц та тріггер в режимі лічильника).

Цей елемент утворює так звані «временные ворота», тобто на інтегратор подається скінченна кількість імпульсів, що зменшує коливання показань вольтметра (на ньому встановлюється постійне значення).

ВОЛЬТМЕТР На вольтметрі встановлюється постійне значення напруги, яке є пропорційним досліджуваній ємності.

Клас точності цього приладу повинен бути високим, щоб вносити якнайменшу похибку.

Розрахунок вихідного каскаду Розрахунок вихідних каскадів при колекторній модуляції починають з максимального режиму, який є за напруженістю критичним або слабо перенапруженим. Особливу увагу слід приділити вибору значення напруги живлення колектора Uко:

демаксимально допустима напруга між колектором і емітером транзистора; мах — коефіцієнт використання колекторної напруги; m — коефіцієнт модуляції.

Оберемо наступну схему вихідного каскаду:

ПРИНЦИП РОБОТИ ПРИЛАДУ При замиканні SW4 запускаючим імпульсом генератора, починається заряд вимірюваної ємності.

Ємність заряджається від джерела постійної напруги 2V до значення Uоп на компораторі, як тільки напруга на ємності досягне значення > Uоп, ключ SW3 розмикається і процес заряду припиняється. На виході компоратора формуються імпульси, тривалість яких пропорційна ємності. Ці імпульси поступають на вольтметр в обмеженій лічильником кількості. Отже, на вольтметрі отримуємо значення напруги, яке пропорційне ємності. Вимірювання проводиться на 2х піддіапазонах: (10ч100)нФ і (100ч1000)нФ.

Епюри напруг вказані на мал. і вносять струм зміщення та дрейф. Проте триггер спрацьовує дуже часто (через 20 імпульсів) і тим самим не дає збільшитися струмам та дрейфу.

Похибка генератора також незначна, вона викликана нестабільністю.

Розрахунок похибок вимірювального інтегратора Похибки інтегратора випливають з двох основних рівнянь перетворення.

Розглянемо струми і напруги на ємності і на виході схеми.

1) Uвих = 1/С0* UА/Rд* Тз Напруга на вимірювальній ємності

2) UС = 1/Сх * Uдж /Rд * Тз Звідки Тз = UС/Uдж * СхRд Похибка ОП незначна.

Підставляючи Тз у (1), отримаємо

Uвих = 1/С0* UА/R0 * UС/Uдж * СхRд Звідки видно величини, які вносять похибки у вимірювання.

Для того, щоб процес вимірювання був наглядним, необхідно забезпечити оптимальний час заряду ємності Сх, і градуювальна характеристика буде більш лінійна.Розраховуємо фз так, щоб була лінійною залежність ємності показань вольтметра .

Спиральним приладом (періодометром) вимірюємо період заряду ємності. Далі за допомогою підстроювальних резисторів та магазину ємності добиваються таких же показань періодометроа.

Отже похибки цього каскаду залежать від:

a) класу точності магазину ємностей (= 0,1);

b) класу точності періодометра (= 0,12)

Перелік похибок

1. Похибка джерела живлення.

2. Похибка від магазину ємностей.

3. Від періодометра.

4. Похибка ОП (токи зміщення, дрейф нуля).

5. Похибка генератора (нестабільність).

6. Час спрацьовування тригера Шмідта (0,1 нС).

7. Вольтметр (клас точності).

Виміри

Висновок За рахунок виконання даної курсової роботи ми набули навики роботи з науковою літературою, технічними довідниками, а також набули навики щодо розробки принципово-електричної схеми. Розроблюючи схему вимірювача ємності ми побачили що від заданих параметрів залежить вся принципова схема. Визначаючи номінали елементів схеми ми візуально могли спостерігати зміну сигналу на осцилографі. Розрахували загальну похибку схеми, яка дорівнює 0.52%. Похибка схеми це сума похибок всіх елементів, які можуть викликають похибку .

Список літератури мікроелектронний пристрій обробка інформація Орнатский П. П. Автоматические измерения и приборы.?К.: Вища школа, 1986.?558 с.

Орнатский П. П. Теоретические основы информационно-измерительной техники.? К.: Вища школа, 1983.?455 с.

Володарський Є.Т., Кухарчук В. В., Поджаренко В. О. та ін. Метрологічне забезпечення вимірювань та контролю. Навч. посіб.?Вінниця: Велес, 2001.?219 с.

Измерения в электронике: Справ./ В. А. Кузнецов, В. А. Долгов, В. М. Коневских и др. М.: Энергоатомиздат, 1987. 512 с.

Атамалян Э. Г. Приборы и методы измерения электрических величин: Учеб. пособие. -М.: Высш. шк., 1982.?223 с.

Мирский Г. Я. Электронные измерения.?М.: Радио и связь, 1986.?440 с.

Электрические измерения. Средства и методы измерений (общий курс) /Под ред Е. Г. Шрамкова.?М.:Высш. шк., 1972.?519 с.

ДСТУ 2681?94. Метрологія. Терміни та визначення.

ГОСТ 8.009?84. ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. Классы точности средств измерений. Общие требования. -М.: Изд-во стандартов, 1986.

ГОСТ 26.203−89. ГСИ. Комплексы измерительно-вычислительные. М.: Изд-во стандартов, 1990.