Курсовая работа: Автоматический фазометр

Определитель фазы выполняет следующие функции:

1)Как только измеряемый сигнал меняет полярность, на выходе этого устанавливается сигнал для запуска таймера.

2)Таймер продолжает работать пока другой сигнал не пройдет через ноль.

По заданию необходимо выполнить гальваническую развязку.

Функциональная схема этого узла изображена ниже.

Рис.2. Функциональная схема системы определения перехода через ноль

Работа системы определения фазы.

Измеряемое и эталонное напряжение подается на вход компараторов через ограничители напряжения, который обрезает напряжения большие некоторой величины. Это сделано из-за того, что максимальное значение напряжения сигнала может достигать 100В, что выведет из строя компараторы. На выходе компаратора реализована развязка на оптических элементах.

Компараторы выдают сигнал высокого уровня если соответствующее напряжение больше нуля и сигнал низкого уровня – если меньше нуля. На выходе компараторов будет меандр. Далее эти сигналы поступают на вход защелки CD-триггеров DD2.1 и DD2.2. По переднему фронту меандра на выходе триггеров установится сигнал, который присутствует на D- входе.

В момент прихода положительного фронта на С-вход триггера DD2.2 на его прямом выходе установится логический "0", и это приведет к установке на выходе триггера DD2.1 логического "0" (так как выход триггера DD2.2 связан со входом сброса триггера DD2.1). На выходе триггера DD2.2 вновь появится сигнал высокого уровня. Фактически по первому переднему фронту на защелке триггера DD2.2 происходит инициализация системы. Теперь она готова к работе. При приходе положительного фронта на С-вход триггера DD2.1 на его выходе установится "1", т.к. на D-входе постоянно присутствует напряжение питания. Сигналы с выходов триггеров DD2.1 и DD2.2 поступают на входы микросхемы 2И DD3.1, и на ее выходе в промежуток времени между переходами измеряемого и эталонного напряжения через ноль будет сигнал логической "1". После того как напряжение эталонного сигнала перейдет из отрицательного значения в положительное, то произойдет процесс инициализации и на выходе системы вновь появится сигнал логического "0". Таким образом, на выходе системы присутствует логическая единица в промежуток времени между переходами через 0 напряжений измеряемого и эталонного сигналов.

Рис.3. Временные диаграммы системы перехода через ноль

Ограничитель напряжения, блок гальванической развязки

Максимальное допустимое входное напряжение компаратора не должно превышать напряжение источника питания (+5В). Поэтому на входе компаратора включают резисторный делитель напряжения. Схема включения компаратора указана ниже.

Рис.4. Блок гальванической развязки

В качестве компаратора выбираем PhilipsNE5682N. Резисторы R₁ и R₂ предназначены для деления напряжения сигнала. Их соотношение должно быть таким, чтобы при максимальной амплитуде входного сигнала (500В), напряжение на прямом входе ОУ не превышало 5В. Исходя из этого

Так как входное сопротивление ОУ составляет сотни килом, то сопротивление R₂ можно взять достаточно большим. Возьмем R₂ =10 кОм. Тогда R₁ =990 кОм ≈1 МОм. Через сопротивление R₃ заземляется инверсный вход ОУ. Сопротивление R₄ используется как токозадающий элемент для оптопары. Его величину рассчитывают исходя из соотношения:

,

где - напряжение логической "1" на выходе компаратора (5В),

- напряжение на открытом светодиоде (около 1.5В),

- номинальный ток светодиода (30 мА).

Исходя из этого

Ом.

Описание таймера

В данное время большинство таймеров интегрированы в микроконтроллеры и являются его неотъемлемой периферией. Дискретные таймеры рассчитанные на частоту работы 50 МГц не выпускаются. Поэтому в данной работе будет реализован на дискретных компонентах. В качестве генератора импульсов используем генератор фирмы DS1065-60, с программируемой частотой (30 кГц .. 60 МГц). К выходу этого генератора подсоединим счетчик импульсов. Когда на выходе системы определения фазы установится высокий уровень напряжения, МК считает число тактов из счетчика и определит эквивалентное время разности фаз эталонного и измеряемого сигналов.

Определим разрядность счетчика для удовлетворения заданной точности. Погрешность измерения фазы 0.2%, следовательно максимальное число на выходе счетчика должно быть . Но учитывая, что частота генератора не может быть установлена в точности в 500 раз больше чем у измеряемого сигнала, но может, отличаться максимум в 2 раза N=1000. Разрядность счетчика тогда равна . 10-битные счетчики не выпускаются, поэтому выбираем 12-битный счетчик NXP 74HC4040. Тогда N=2¹² =4096. Учитывая, что минимальная частота генератора равна 30кГц, то минимальная частота измеряемого сигнала равна. Поэтому фазу сигналов, частота которых меньших 7.5 данный прибор измерить не сможет.