Цифровой омметр

Метод дискретного счёта

     Такие омметры обладают большим быстродействием и высокой точностью. Упрощённая структурная схема подобного омметра представлена на рис.2.8. Принцип действия такого омметра основан на измерении временного интервала, равного постоянной времени цепи разряда образцового конденсатора через измеряемый резистор электронно-счетным методом.

     Погрешность измерений методом дискретного счета составляет 0,1 — 0,2% и зависит главным образом от нестабильности сопротивлений резисторов , или конденсатора , нестабильности частоты генератора счетных импульсов, а также неточности срабатывания устройства сравнения.

     Для уменьшения погрешности дискретности (равной соответственно ) нужно увеличивать частоту следования счетных импульсов и постоянную времени цени разряда конденсатора (т. е. соответственно ). Рассмотренный метод измерения имеет высокую точность. Так, например, если при измерении сопротивлений взять = 1000 пФ и 1 МГц, то при = 1 МОм m будет равно 1000 импульсов и погрешность дискретности составит лишь ±0,1%.

     Рис. 2.8

     Структурная схема измерителя сопротивления, реализующая  метод дискретного  счёта

     Рис. 2.9

Временные диаграммы, поясняющие работу схемы, приведённой на рис.2.8

Перед началом измерения конденсатор    контактами реле  Р       подключается к источнику напряжения    Е   и полностью заряжается по истечении некоторого времени (рис.2.9, 0). При нажатии кнопки «Измерение» управляющее устройство переключает контакты реле Р, благодаря чему начинается разряд конденсатора через резистор . Одновременно с началом разряда конденсатора (момент t₀) управляющее устройство выдает импульс (рис.2.9, 1), которым триггер переводится в положение 1 (рис.2.9, 2). При этом открывается временной селектор и на вход электронного счетчика начинают поступать импульсы для счета ( диаграммы 3, 4).

На входы  сравнивающего устройства подаются: напряжение конденсатора  , убывающее с постоянной времени   и напряжение делителя, состоящего из резисторов и (рис.2.9 ,0), которое определяется выражением: .

     В момент t₁ напряжение конденсатора станет равным напряжению и сравнивающее устройство выдаст импульс (диаграмма 5), которым триггер переведется в положение 0. Временной селектор закроется. Счет импульсов   прекратится   (диаграммы 2, 4). За   интервал    времени              счетчик подсчитал m импульсов, следовавших с периодом Т_к (рис. 2.9, 3). Так как при , (с погрешностью ± ), то                                         (2.14)

     Для удобства отсчета целесообразно  выбирать параметры  и таким образом, чтобы выполнялось равенство Ом/имп, где

     n= 0; ± 1; ± 2; ± 3.

     При получим , или                            . Таким образом, напряжение должно иметь определённое значение, что достигается подбором резисторов и .

     В данном курсовом проекте для измерения сопротивлений я выбрал метод дискретного счёта, потому что этот метод наиболее точный,  высокоскоростной (интервал измерения: ) и наиболее подходит для решения поставленной задачи.

3.Разработка структурной схемы

     Рис.3.1

     Структурная схема разрабатываемого устройства

     Схема устройства будет  состоять из следующих  структурных блоков:

1. Источник опорного напряжения: обеспечивает повышенную стабильность выходного напряжения, а также заряжает конденсатор С₀ (образцовая емкость) по истечении некоторого времени.
2. Блок измерения: основан на разряде предварительно заряженной образцовой емкости. Включает в себя резистор R_x, сопротивление которого мы хотим измерить.
3. Устройство сравнения: сравнение двух входных величин, в данном случае аналоговых и выдачи на выходы сигналов о результате этого сравнения (о равенстве или неравенстве). То есть, устройство сравнения сравнивает напряжение конденсатора U_c с напряжением делителя U_дел= R₂E/(R₃+R₂) .
4. ЖК монитор: устройство отображения.
5. Микроконтроллер: является генератором импульсов. Делает так, чтобы выходной сигнал  вырабатывался тогда, когда сигналы на входах совпадают (приходят одновременно). Если совпадения нет, то делает так, чтобы выходной сигнал отсутствовал. Является счётчиком: считает количество входных импульсов, то есть с приходом каждого нового импульса двоичный код на выходе счётчика увеличивается (или уменьшается) на единицу. Передаёт данные о резисторе на ЖК; управляет блоком управления.
6. Блок управления: переключает конденсатор на заряд и разряд, а также с началом заряда и разряда конденсатора выдает импульсы, которыми переключается триггер.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.Разработка и функциональной схемы

Рис. 4.1

Функциональная  схема разрабатываемого устройства

Алгоритм  работы прибора

     В основе работы лежит метод дискретного счета. Для измерения резисторов (R_x) используется процесс разряда предварительно заряженной образцовой емкости (С₀). В результате, формируемый измерительный интервал определяется постоянной времени: τ=R_xC₀. С изменением номинала R_x изменяется τ, а, следовательно, количество импульсов поступивших на счетчик с эталонного генератора (_m= F_kС₀R_x) будет также изменяться.

     Схема управления  подключает к источнику опорного напряжения конденсатор С₀, который полностью заряжается за время τ, потом она переключает конденсатор С₀ на разряд через резистор R_x.  Одновременно с началом разряда конденсатора микроконтроллер переводит триггер в единичное состояние, вместе с этим микроконтроллер сбрасывает показание счетчика, вследствие чего  начинается поступление импульсов с выхода генератора на счетчик. С приходом каждого нового входного импульса двоичный код на выходе счётчика увеличивается - микроконтроллер  считает количество импульсов. Импульсы будут поступать на счетчик до момента, когда напряжение на емкости С₀ станет равным напряжению, снимаемому с делителя _R1R2. В этот момент устройство сравнения выдает сигнал, который переводит триггер в нулевое состояние, вследствие чего микроконтроллер блокирует прохождение импульсов с генератора на счетчик. Микроконтроллер будет регулировать частоту  в зависимости от диапазона измеряемого резистора.

Мы можем подсчитать максимальное количество импульсов, исходя из заданного диапазона работы прибора. Максимально получившееся количество импульсов не превосходит 65000, то есть не превосходит максимального числа импульсов, которое может подсчитать МК. При помощи данной формулы ,определим емкость. По заданию, диапазон измерений < 1 мОм. Возьмем F_k=60 МГц, m=1200 тогда,

            
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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

     5.1 Выбор источника опорного напряжения и расчет блока измерения

     В качестве источника опорного напряжения я выбрал микросхему К142ЕН6А, которая  обеспечивает стабильное напряжение до 15 ± 0,3 В. Её характеристики указаны в таблице 5.1.

Uвх max, В	Uвых max, В	Uпд, В	Iвых max, А	Iпот, мА	КнU, %/В	КнI, %
±30	±15	2,2/2,5	0,2	7,5	0,0015	0,2

   Таблица 5.1

     

     Рис. 5.1

     Схема включения К142ЕН6А  до получения стабилизированного напряжения ±15 В

     Схема измерения

     Для того чтобы интервал измерения был τ=R_x×C₀, должно выполняться равенство:

Выберем резистор R₂=10 Ом, тогда

     Вычислим  минимальный измерительный интервал

τ=R_x×C₀=5×10^-4×0.04=2×10^-5c

     Так как С₀ заряжается за интервал времени равный t₃=3τ₃=2×10^-5с, где τ₃=R₁C₀ и  имеем Ом

     Вычислим  мощности, которые рассеиваются на резисторах R₁, R₂, R₃.

      , следовательно

     P₂=I₂²×R₂=0.56²×10=3.14Вт

     P₃=I₂²×R₃=0.56²×17=5.33Вт

     R₂<<R₃→P₂<<P₃

     5.2 Выбор мультиплексора

     Управление  схемы сравнения будет происходить  с помощью быстродействующего двухканального мультиплексора MAX301 фирмы MAXIM рис.5.2, его характеристики указаны в таблице 5.2, назначение выводов в таблице 5.2.1.

     

     Рис. 5.2 

Сопротивление открытого канала, Ом	Питание, В	Рпот, мкВт
≤ 20	±4,5…20	35

     Таблица 5.2

Номер	Назначение
1, 8	Выход
2 –  7	Не используется
9, 16	Вход
10, 15	Логические  входы

Таблица 5.2.1

     5.3 Выбор компаратора

     При выборе компаратора необходимо учитывать  напряжение смещения E_см, разность входных токов Δi, коэффициент внутреннего усиления К_u.

     Основными источниками погрешностей компаратора  являются: напряжение смещения E_см, и время задержки.

     Выберем компаратор К521СА4 рис.5.3. Назначение выводов и характеристики указаны в таблице 5.3 и 5.3.1.

     

     Рис. 5.3

Номер вывода	Назначение
1	Вход 1
2	Вход 2
3	-9В
5	Выход 2
6	Земля
7	Выход 1
9	+5В
10	+9В

     Таблица 5.3

Ток потребления Iпот, мА: от положительного источника питания от отрицательного источника питания	<18,7  <7,5
Напряжение  смещения нуля Uсм, мВ	<4,0
Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений Кос сф, дБ	-
Средний входной ток Iвх, мкА	<2,0
Напряжение  «1» U1вых, В	2,5…4,5
Напряжение  «0» U0вых, В	0,5…0
Время задержки включения tзд, нс	<26