Цифровой следящий частотомер с АВДИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Рязанский государственный радиотехнический университет»

(ФГБОУ ВПО «РГРТУ», РГРТУ)

 

Кафедра

«Информационно-измерительной и биомедицинской техники»

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРоЕКТ

по дисциплине:

Интеллектуальные средства измерения

на тему:

Цифровой следящий частотомер с АВДИ

 

 

 

                                                                       Выполнила: ст.гр.934

     Быкова А.Н.

                                                                                                Проверил:

профессор кафедры ИИБМТ

Прошин Е.М.

                                                                                               

 

 

Рязань 2012

 

Содержание

Введение……………………………………………………………………...............4

1. Аналитический обзор существующих способов решения поставленной задачи………………….…………………………………………………………..5-10

2. Анализ погрешности измерения…………………………………………….11-12

3. Разработка структурной схемы……………………………………………...13-14

4. Разработка функциональной схемы……………………………………...…15-17

5. Разработка и описание принципиальной схемы, выбор и обоснование применяемой элементной базы:

5.1. Компаратор напряжения………………………………………………..17

5.2. Генератор опорной частоты………………………………………...18-19

5.3. Счётчики……………………………………………………………..19-20

5.4. Мультиплексор……………………………………………………….....21

5.5. ДУЧ…………………………………………………………………...21-23

5.6. Цифровой компаратор ……………………………………………...23-25

5.7. Микроконтроллер…………………………………………………...25-28

5.8. ЖК-модуль…………………………………………………...............28-30

5.9. Логические элементы……………………………………………….30-32

          5.10. Выбор резисторов……………………………………………………...33

          5.11. Питание устройства………………………………………………..33-34

6. Разработка алгоритма……………………………………………..................35-36

7. Выбор и обоснование материалов…………………………………………..37-38

8. Спецификация………………………………………………………………..39-40

9. Заключение……………………………………………………………………....41

Список используемой литературы………………………………………………...42

 

 

 

 

Введение

В связи с широким развитием автоматизации производственных процессов, использованием вычислительных машин для этих целей и необходимостью ускоренной автоматизации экспериментальных исследований перед измерительной техникой ставятся задачи, основными из которых являются:

   1) повышение точности, быстродействия и чувствительности  приборов, предназначенных для измерения  изменяющихся во времени величины;

   2) осуществление полной  автоматизации;

   3) выдача результатов  измерений в кодированной форме  непосредственно управляющей системе;

Решить эти задачи призвана область измерительных технологий- цифровая измерительная техника.

В настоящее время широко применяются цифровые измерительные приборы (ЦИП), имеющие ряд достоинств по сравнению с аналоговыми электроизмерительными приборами.

Цифровыми называются приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представляются в цифровой форме. В цифровых приборах в соответствии со значением измеряемой величины образуется код, а затем в соответствии с кодом изменяемая величина представляется на  индикаторе в цифровой форме.

Цифровой прибор включает в себя два обязательных функциональных узла: аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровой индикатор.

АЦП предназначены для преобразования аналоговых сигналов в соответствующие им цифровые, то есть для преобразования сигналов с непрерывной шкалой значений в сигналы, имеющие дискретную шкалу значений. А индикатор отражает значение измеряемой величины в цифровой форме.

 

 

1. Аналитический обзор существующих способов решения

поставленной задачи

Частота является важнейшей характеристикой переменного напряжения. Ее измерение или контроль ее стабильности представляет собой одну из наиболее распространенных операций.

Аппаратура для частотно-временных измерений образует единый комплекс приборов, обеспечивающий возможность проведения измерений с непосредственной их привязкой к Государственному эталону частоты и времени. Это фактически гарантирует возможность принципиально высокой точности измерений.

Основными измерительными приборами и средствами  измерений частоты являются:

- осциллографы;

- приемники сигналов эталонных  частот и компараторы;

- преобразователи частоты сигналов;

- частотомеры резонансные;

- частотомеры на основе метода  заряда-разряда конденсатора;

- частотомеры цифровые;

В зависимости от участка частотного спектра и допустимой погрешности для измерения частоты применяют различные способы и приемы измерения, основанные как на использовании методов сравнения, так и методов непосредственной оценки.

В методах сравнения (резонансный, гетеродинный и с помощью осциллографа) используют сравнение измеряемой частоты с частотой источника образцовых колебаний. Эти методы применяются в основном для градуировки генераторов различных измерительных приборов. На основе метода сравнения действуют осциллографические способы измерения частоты и гетеродинные частотомеры. Для их реализации необходим образцовый генератор более высокой точности и устройство сравнения (сличения) частот.

Резонансные частотомеры (волномеры) имеют простое устройство и достаточно удобны в эксплуатации. Наиболее точные из таких приборов обеспечивают измерение частоты с относительной погрешностью .... Основными источниками погрешностей измерения являются погрешность настройки в резонанс, погрешность шкалы и погрешность считывания данных.

Гетеродинные частотомеры являются достаточно точными измерительными приборами. Их относительная погрешность измерения лежит в пределах... Однако в диапазоне средних частот (до 300 МГц и ниже) их вытесняют электронно-счетные частотомеры, которые обеспечивают ту же высокую точность, но значительно проще в эксплуатации.

К приборам, работающим по методу непосредственной оценки, относятся резонансные частотомеры и измерители частоты, использующие метод заряда и разряда конденсатора. Использование метода заряда и разряда конденсатора позволяет создавать простые в эксплуатации и недорогие частотомеры, работающие в диапазоне 0,02…1МГц , но имеющие сравнительно невысокую точность. Их относительная приведенная погрешность может достигать 5 %.

Современное измерение частоты методом непосредственной оценки главным  образом выполняется электронно-счетным, или цифровым (дискретного счета) методом, на основе которого создаются цифровые (электронно-счетные — ЭСЧ)  частотомеры. К достоинствам этого метода относится высокая точность измерений, широкий диапазон измеряемых частот; возможность обработки результатов наблюдений с помощью вычислительных устройств (микропроцессоров, персональных компьютеров и пр.). Цифровые частотомеры позволяют измерять не только частоту колебаний, но и интервалы времени.

Цифровые частотомеры

В цифровых частотомерах реализован  цифровой (дискретного счета) метод измерения частоты. Принцип действия цифрового частотомера основан на измерении частоты в соответствии с ее определением, т. е. на счете числа импульсов за интервал времени. Данные приборы удобны в эксплуатации, имеют широкий диапазон измеряемых частот (от нескольких герц до сотен мегагерц) и позволяют получить результат измерения с высокой точностью (относительная погрешность измерения частоты ...).

По принципу работы цифровые частотомеры можно разделить на четыре группы:

название	применение
Частотомеры средних значений	Образуют наиболее многочисленную группу и получили наибольшее применение. Такие приборы позволяют измерять среднее значение частоты за некоторый интервал времени. Таким образом, диапазон измеряемых частот весьма широк — от десятков герц до сотен мегагерц, а со специальными преобразователями — переносчиками частоты — этот диапазон может быть расширен до тысяч мегагерц.
Частотомеры мгновенных значений	Частотомеры мгновенных значений позволяют измерять частоту в более узком диапазоне. Наибольшее применение они получают для измерения низких и инфранизких частот.
Следящие частотомеры	В следящих цифровых частотомерах измерение осуществляется на основе компенсации измеряемой частоты управляемой калиброванной частотой, формируемой из образцовой под управлением интегрирования разности сравниваемых частот. Наиболее эффективны при измерении средних частот (десятки килогерц—десятки мегагерц).
Частотомеры номинальных значений	Предназначены для измерения изменений частоты в узком диапазоне частот. Диапазон частот, охватываемый такими приборами, относится к области низких частот (не более десятков килогерц).

 

Метод дискретного счета

Переменное напряжение, частоту которого fx нужно измерить, преобразуют в последовательность односторонних импульсов с частотой следования, равной fx. Если сосчитать число импульсов N за известный интервал времени ∆T, то легко определить частоту fx:

                                   ( 2.1)

В частности, если ∆T = 1 с, то N численно равно частоте fx. Эта идея является основой метода измерения частоты дискретным счетом. Приборы, созданные на основе этого метода, называют электронно-счетными частотомерами.

Упрощенная структурная схема электронно-счетного частотомера показана на рис. 2.1.

          

Рис.2.1

Основным элементом входного устройства ВхУ является аттенюатор или компенсированный делитель напряжения, с помощью которого устанавливается напряжение, необходимое для нормальной работы формирующего устройства ФУ. В этом устройстве из входного переменного напряжения Ufх формируются короткие прямоугольные импульсы Uфу , форма которых не изменяется при изменении частоты и амплитуды входного напряжения в установленных для данного прибора пределах.

Временной селектор (схема «И») ВС предназначен для пропускания импульсов Uфу на электронный счетчик ЭСч в течение известного интервала времени ∆T (времени счета), формируемого из частоты генератора с кварцевой стабилизацией Гкв : . В управляющем устройстве УУ вырабатывается импульс напряжения Uуу длительностью ∆T, с помощью которого временной селектор открывается и на электронный счетчик проходит группа импульсов, число которых  . Эта информация через дешифратор ДШ поступает на цифровой индикатор ЦИ, на табло которого появляются показания в единицах частоты.

Частота генератора с кварцевой стабилизацией обычно равна 1 или 5 МГц, и потому длительность калиброванного импульса ∆T равна 1 или 0,2 мкс. При таких длительностях времени счета невозможно измерять частоты, значение которых равно частоте fкв или меньше ее. Поэтому после кварцевого генератора включают декадные делители частоты ДЧ, на выходах которых образуются частоты в 10n (n = 1, 2, 3, ..., 7) раз ниже частоты генератора, т.е. 100, 10 и 1 кГц, 100, 10, 1 и 0,1 Гц.

Длительность калиброванного импульса, открывающего селектор, теперь , и время счета можно устанавливать декадными ступенями от 10-5 до 10 с. Измеряемая частота вместо формулы (2.1) определяется по формуле:

                                (2.2)

Управляющее устройство одновременно с воздействием на временной селектор выдает импульсы для автоматического сброса показания с табло цифрового индикатора и освобождения электронного счетчика от накопленной информации, а также для приведения в исходное состояние дешифратора ДШ и делителей частоты. В управляющем устройстве предусмотрена блокировка временного селектора на некоторый интервал времени, в течение которого сохраняются показания на цифровом табло. Этот интервал времени называется временем индикации и устанавливается (оператором) в пределах нескольких секунд. Частотомер может работать в автоматическом режиме, при ручном и дистанционном управлении. В автоматическом режиме счет импульсов производится каждый раз, когда заканчивается установленное время индикации. При ручном управлении счет выполняется один раз при нажиме на кнопку; время индикации не ограничивается.