Дипломная работа: Проектирование цифрового измерителя емкости и индуктивности
- напряжение питания от 7,5 до 9 В;
- потребляемый ток от 10 до 15 мА;
- автоматический выбор диапазона измерения;
- программная коррекция нуля.
1.1.2 Конструктивные характеристики:
- плату выполнить из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм с размерами 40×120 мм;
- плату крепить винтами.
1.1.3 Эксплуатационные характеристики:
- окружающая температура от плюс 10 до плюс 55°С;
- относительная влажность до 75 % при температуре плюс 25°С;
- атмосферное давление 720…780 мм.рт.ст.
1.2 Принцип работы изделия и описание его схемы
Сигнал возбуждающего напряжения прямоугольной формы с вывода 6 (РВ1) микроконтроллера DD2 через три нижних по схеме буферных элемента DD1 поступает на измерительную часть устройства. Во время высокого уровня напряжения зарядка измеряемого конденсатора Сх происходит через резистор R1 и диод VD6, а во время низкого – разрядка через R1 и VD5. Средний ток разрядки, пропорциональный величине измеряемой емкости, устройство преобразует с помощью операционного усилителя (ОУ) DA1 в напряжение. Конденсаторы С5 и С7 сглаживают его пульсации. Резистор R11 служит для точной установки нуля ОУ.
При измерении индуктивности во время высокого уровня ток в катушке нарастает до значения, определяемого резистором R2, а во время низкого – ток, создаваемый ЭДС самоиндукции измеряемой катушки, через VD3 и R3 также поступает на вход микросхемы DA1.
Таким образом, при постоянном напряжении питания и частоте сигнала напряжение на выходе ОУ прямопропорционально величинам измеряемых емкости или индуктивности. Но это справедливо только при условии, что зарядка конденсатора выполнена полностью в течение половины периода возбуждающего напряжения и также полностью произошла разрядка в течение другой половины. Аналогично и для катушки индуктивности. Ток в ней должен успевать нарастать до максимального значения и спадать до нуля. Эти условия можно обеспечить соответствующим выбором резисторов R1–R3 и частоты возбуждающего напряжения.
Напряжение, пропорциональное значению параметра измеряемого элемента, с выхода ОУ через фильтр R4C2 подают на встроенный десятиразрядный АЦП микроконтроллера DD1. Конденсатор С1 – фильтр внутреннего источника образцового напряжения АЦП.
Три верхних по схеме элемента DD1, а также VD2, VD4, С3, С4 использованы для формирования напряжения минус 5 В, необходимого для работы ОУ.
Результат измерения прибор отображает на десятиразрядном семисегментном жидкокристаллическом индикаторе HT1613.
Для повышения точности прибор имеет девять поддиапазонов измерения. Частота возбуждающего напряжения на первом поддиапазоне равна 800 кГц. На такой частоте измеряют конденсаторы с емкостью примерно до 90 пФ и катушки с индуктивностью до 90 мкГн. На каждом последующем поддиапазоне частота снижена в 4 раза, соответственно во столько же раз расширен предел измерения. На девятом поддиапазоне частота равна 12 Гц, что обеспечивает измерение конденсаторов с емкостью до 5 мкФ и катушек с индуктивностью до 5 Гн. Нужный поддиапазон прибор выбирает автоматически, причем после включения питания измерение начинает с девятого поддиапазона. В процессе переключения номер поддиапазона отображен на индикаторе, что позволяет определить, на какой частоте выполняют измерение.
После выбора нужного поддиапазона результат измерения в пФ или мкГн выведен на индикатор. Для удобства считывания десятые доли пФ (мкГн) и единицы мкФ (Гн) отделены пустым знакоместом, а результат округлен до трех значащих цифр.
Светодиод HL1 красного цвета свечения использован в качестве стабилизатора на 1,5 В для питания индикатора. Кнопка SB1 служит для программной коррекции нуля, что помогает компенсировать емкость и индуктивность клемм и переключателя SA1. Резистор R13 предназначен для быстрой разрядки конденсаторов С10 и С11 при выключении питания. [12]
Описание схемы произведено согласно СКРП.411218.004Э3.
1.3 Обоснование выбора элементной базы
При разработке конструкции изделия необходимо:
- выбрать радиоэлементы, обеспечивающие надежную и устойчивую работу схемы;
- стремиться к сокращению номенклатуры деталей и элементов, то есть сделать конструкцию максимально легкой и компактной;
- иметь оптимальное соотношение цена/качество выбранных радиоэлементов;
- тщательно проанализировать требования к прибору приступая к разработке конструкции. [10]
Исходя из этих требований, в конструкции печатного узла измерителя применены ниже перечисленные радиоэлементы.
Конденсаторы К10-17б
Конденсаторы керамические, уплотненные, для всеклиматического исполнения, постоянной емкости, низковольтные, предназначены для эксплуатации в качестве встроенных элементов в цепях постоянного и переменного токов и в импульсном режиме.