Измеритель частоты синусоидального сигнала

Измерение частоты с использованием одновибратора.

Данный способ позволяет  измерять частоту гармонического сигнала.

Например, синусоидальный сигнал подается на входное устройство, преобразуясь в импульсный. Затем он подаётся на одновибратор, где последовательность импульсов преобразуется в постоянный сигнал, который подается на стрелочный прибор. Каждому значению частоты входного гармонического сигнала соответствует величине выходного сигнала.

У этого метода есть минусы: если частота входного сигнала будет малой (0.1 – 50 Гц), то значение выходного сигнала будет достигать порядка . Стрелочный прибор может не реагировать на такие величины, поэтому целесообразно разбиение на диапазоны. Так же такой способ измерения обладает погрешностью.

 

 

 

 

 

Разработка функциональной схемы устройства.

Проектируемый прибор состоит из 5 частей:

1. Входное устройство, предназначено для преобразования сигнала из синусоидального сигнала в последовательность импульсов с частотой следования f.
2. Фильтр, предназначен для устранения помех.
3. Одновибратор, предназначен для создания импульсного сигнала определённой длительности, не зависящего от длительности входного импульса.
4. Фильтр низких частот, предназначен для создания сигнала определённой величины, зависящей от частоты импульсов.
5. Стрелочный прибор, предназначен для индикации частоты сигнала.
6. Мультивибратор предназначен для генерации импульсов прямоугольной формы.
7. Компаратор предназначен для преобразования гармонического сигнала в импульсный.
8. Счётчик предназначен для счета количества импульсов, образованных от компаратора в импульсе, образованного от мультивибратора.
9. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования цифрового сигнала в аналоговый.
10. Переключатель предназначен для подачи входного сигнала на входное устройство, либо на компаратор.

Если сигнал высокочастотный (50 - 1000 Гц), то он подаётся на входное устройство, затем на фильтр, если сигнал низкочастотный (0.1 – 49 Гц), то он подаётся на компаратор, затем на счётчик.

Рис.1 Функциональная схема  устройства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разработка и  расчёт функциональных и принципиальных узлов.

Входное устройство представляет собой компаратор, предназначен для  создания импульсов.

Рис.2 Схема компаратора

На неинвертирующий вход подается синусоидальный сигнал амплитудой 20В. Этот сигнал проходит через делитель напряжения, где величина амплитуды  уменьшается. Она зависит от величины входного сигнала операционного  усилителя. Выбираем операционный усилитель  LM741.

Паспортные данные ОУ LM741:

1. средний входной ток ОУ 0,08 мкА;
2. разность входных токов ОУ 0,02 мкА;
3. напряжение смещения ОУ 1 мВ;
4. входное сопротивление ОУ 2 Мом;
5. выходное сопротивление ОУ 75 Ом;
6. скорость нарастания выходного напряжения ОУ 0,5 В/мкс.
7. входное напряжение ±15В.
8. Дифференциальное входное напряжение ±30В.

Падение напряжения на резисторе  R1:

 

 Следовательно, напряжение на входе ОУ:

 

R1=10000 Ом. = 10 КОм.

R2=10000 Ом. = 10 КОм

R6=5000 Ом. = 5 КОм.

Фильтр представляет собой  RC-цепь.

Рис.3 Схема фильтра.

Fср =1/τ

τ= СR

fср=1000 Гц, согласно условиям задания.

τ=0,001;

Рассчитали значения параметров данного фильтра, при этом произвольно  выбираем значение номинала резистора:

R4=1000 Ом = 1 КОм,

С1=1 мкФ.

Назначение одновибратора – получение одиночного импульса заданной длительности. Отсчет длительности импульса начинается от фронта (или уровня) специального запускающего импульса. Для того, чтобы перейти от схемы автоколебательного к схеме ждущего мультивибратора, необходимо ввести дополнительно цепь запуска и цепь “торможения”.

Рис.4 Схема одновибратора.

По приходе положительного запускающего импульса достаточной  амплитуды операционный усилитель  за счет положительной обратной связи  переключается в такое состояние, при котором его выходное напряжение равно +Uм. Диод VD2 закрывается и на р-входе ОУ устанавливается напряжение Uп. К времязадающей цепи RC теперь приложено напряжение +Uм, под действием которого закрывается диод VD2 и начинается заряд конденсатора С. Когда, спустя время t1, напряжение uc  достигнет порога Uп, операционный усилитель переключится и вернется в первоначальное состояние. Конденсатор С начнет разряжаться и, спустя промежуток времени tр, называемый временем релаксации, напряжение uc станет отрицательным, диод VD1 откроется и цикл закончится.

Фильтр низких частот.

Рис.5 Фильтр низких частот.

Низкочастотный фильтр является апериодическим звеном и имеет передаточную функцию.

 

Время переходного процесса Т,

 

Зададим Т=0,015 с = 15 мс., тогда при С3=0.1 мкФ, R12=150000 Ом = 150 КОм.

 

Счётчик 74LV4040(рис.6) – 12-ти разрядный двоичный счётчик импульсов.

Рис.6

Номера 9,7,6,5,3,2,4,13,12,14,15,1 (Q0 – Q11) – параллельные выходы, номер 8(GND) – земля, номер 10 – входной тактовый сигнал, номер 11 – сброс.

Паспортные данные:

1. Оптимизация для низкого напряжения: 1-5 В.
2. Отказ вывода земли: 0.8 В.

Применение:

1. Делитель частоты.
2. Временная задержка.
3. Цепь управления.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) МСР 4921(Рис.8) – 12-ти разрядный, обеспечивает высокую точность и низкие шумовые  характеристики. Калибровка сигналов температуры, давления, влажности не требуется.

Рис. 8

Мультивибратор.

Схема автоколебательного мультивибратора приведена на рис.9а. Он состоит из инвертирующего триггера Шмитта, охваченного отрицательной обратной связью с помощью интегрирующей RC-цепочки.

Рис.9

Когда напряжение Uc достигает порога срабатывания триггера Шмитта, схема переключается и ее выходное напряжение скачком принимает противоположное значение. При этом конденсатор начинает перезаряжаться в противоположном направлении, пока его напряжение не достигнет другого порога срабатывания. Схема переключается в первоначальное состояние (рис. 9б).

Период колебаний мультивибратора

 

Т определяется частотой сигнала  f=50.

 

Выбираем

R=10000 Ом = 10 КОм,

С=1 мкФ,

R2 = R=10000 Ом = 10 КОм,

Следовательно,

 

 

R1=8.59 Ком.

 

Выбираем резистор R1 из ряда Е96, R1=8.66 КОм. 

Принципиальная  электрическая схема.

Рис.9

 

 

 

 

Синусоидальный сигнал поступает  на компаратор, где преобразуется  в периодическую последовательность импульсов, соответствующих положительным полупериодам исходного сигнала. По условию задания величина входного сигнала изменяется от 0 до 20 В., то на инвертирующем входе операционного усилителя подаётся постоянный сигнал Uпор. = 10В. Как только исходный сигнал достигает данной величины, то компаратор переключается (рис.10).

Рис.10 Преобразование входного сигнала.

Затем сигнал проходит через  RC – цепь, где он преобразуется в последовательность импульсов очень малой длительности (рис.11).

 

Рис.11

Затем сигнал подаётся на одновибратор, где преобразуется в сигнал, длительность импульса которого не зависит от длительности входного (рис.12).

Рис. 12

 

 

Фильтр низких частот преобразует  импульсный сигнал в непрерывный, величина которого зависит от частоты входного сигнала (Рис. 13, 14).

Рис. 13.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 14 Преобразование высокочастотного сигнала.

 

Выводы

Был спроектирован измеритель частоты синусоидального сигнала, выдающий результат на стрелочный прибор. Данное устройство отвечает дополнительным требованиям, указанных в задании на курсовое проектирование. Печатная плата была разработана при помощи программы P-CAD 2004 и автотрассировщика «Specctra», моделирование принципиальной электрической схемы проводилось при помощи программы «Microcap».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы:

1. Мирский Г.Я. «Электронные измерения», М., «Радио и связь», 1986г.
2. Титце У., Шенк К. «Полупроводниковая схемотехника: справочное руководство», М., «Мир», 1982г.
3. Пирогова Е.В. «Проектирование и технология печатных плат», М., «ИНФРА-М», 2005г.
4. Гжиров Р.И. «Краткий справочник конструктора», Л., «Машиностроение», 1983г.
5. Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники», М., «Мир», 1998г.