Електронні вольтметри

ЕЛЕКТРОННІ ВО ЛЬТМЕТРЫ.

Визначення й класифікація. Електронним вольтметром називається прилад, показання якого викликаються струмом електронних приладів, т. е. енергією джерела харчування вольтметра. Вимірюваний напруга управляє струмом електронних приладів, завдяки чому вхідний опір електронних вольтметрів сягає дуже великих значень і вони допускають значні перегрузки.

Електронні вольтметри діляться на аналогові і дискретні. У аналогових вольтметрах яка вимірюється напруга перетворюється на пропорційне значення постійного струму, яка вимірюється магнитоэлектрическим микроамперметром, шкала якого градуируется в одиницях напруги (вольти, милливольты, микровольты). У дискретних вольтметрах вимірюваний напруга піддається ряду перетворень, у яких аналогова яка вимірюється величина перетворюється на дискретний сигнал, значення відображається на индикаторном устрої як світних цифр. Аналогові і дискретні вольтметри часто називають стрелочными і цифровими соответственно.

За родом своєї струму електронні вольтметри діляться на вольтметри постійного напруги, змінного напруги, Універсалістські і імпульсні. З іншого боку, є вольтметри з частотно-избирательными властивостями — селективні. Під час розробки електронних вольтметрів враховуються такі основні технічні вимоги: висока чутливість; широкі межі вимірюваного напруги; широкий діапазон робочих частот; велике вхідний опір і мала вхідні ємність; мала похибка; відома залежність показань від форми кривою вимірюваного напруги. Перелічені вимоги не можна задовольнити щодо одного приладі, тому випускаються вольтметри з різними структурними схемами.

Вольтметри змінного напруги. Електронний вольтметр змінного напруги складається з перетворювача змінного напруги на уряд, підсилювача і магнитоэлектрического індикатора. Часто на вході вольтметра встановлюється калібрований дільник напруги. з допомогою якого збільшується верхня межа вимірюваного напруги. Залежно від виду перетворення показання вольтметра то, можливо пропорційно амплитудному (пиковому), средневыпрямленному чи среднеквадратическому значенням вимірюваного напряжения.

Мал.1. Структурна схема аналогового електронного вольтметра з амплитудным преобразователем Однако слід пам’ятати, що шкалу будь-якого електронного вольтметра градуируют в среднеквадратических (діючих) значеннях напруги синусоидальной форми. Виняток становлять імпульсні вольтметри, шкалу яких градуируют в амплітудних значеннях. Вольтметр амплитудного (пікового) значення (мал.1) складається з амплитудного перетворювача АПр, підсилювача постійного струму УПТ і магнитоэлектрического індикатора, градуированного в вольтах. На вході вольтметра іноді передбачається дільник напруги ДН. Амплітудне перетворювач виконують за схемою з відкритою чи закритим входом. Амплітудне перетворювач з відкритою входом (мал.2, а) представляє собою послідовне з'єднання вакуумного діода Д з паралельно з'єднаними резистором Л? і конденсатором З. Якщо до затискання 1—2 докладено напруга u = Um sin (t джерела з внутрішнім опором ri, то конденсатор через діод заряджається до деякого значення Uc, яке докладено до електродах діода тож він більшу частину періоду закритий, т. е. працює у режимі відсічення (рис. 2, б). Протягом кожного періоду діод відкривається певний проміжок часу «t1 — «t2 тоді и>Uc і конденсатор подзаряжается імпульсом струму iД до напруги Uc • стала часу заряду (із = (Ri +RД) З, де RД — опір відкритого діода. Потім діод закривається і конденсатор розряджається через резистор R протягом інтервалу t2 — «t1 стала часу розряду (p = RC. Постійні часу повинні відповідати наступним умовам: (із < 1/fв і (p > I/fн де fв і fн — кордону частотного діапазону вольтметра. Вочевидь, що (із > Ri +RД. У широкодиапазонных вольтметрах нерівність: (із < 1/fв виконати вдасться, і тому на високих частотах процес встановлення триває протягом кількох періодів вимірюваного напруги. [pic].

а) б).

Рис. 2. Амплітудне перетворювач з відкритою входом Результатом амплитудного перетворення є середнє слабопульсирующего напруги Uc, що у на відміну від Um називають пікових значенням Uпик. Uпик = Umcos (Де (- кут відсічення діода. Напруга Uпик надходить на вхід підсилювача постійного струму, вхідний опір якого велике, а вихідний — мале. УПТ служить для узгодження вихідного опору перетворювача з опором індикатора й у підвищення чутливості вольтметра. Амплітуда перетворювач з закритим входів (рис. 3) є послідовне з'єднання конденсатора постійної ємності із паралельно з'єднаними діодом Д і резистором R. Процес перетворення змінного напруги на уряд Uпик аналогічний розглянутому вище, про те відзнакою, що у затисках 3—4 є чималі пульсації напруги, для згладжування яких передбачений фильтр.

Рис. 3. Принципова схема амплитудного перетворювача з закритим входом.

Процеси перетворення пульсуючого напруги перетворювачем з відкритим і закритим входом різняться залежить від полярності підключення до вхідним затискання /—2 постійної складової пульсуючого напруги. Якщо на вхід амплитудного перетворювача з відкритою входом включено пульсує напруга так,.

[pic] Рис. 4. Діаграми напрузі в амплітудних преобразователях: а—с відкритим входом; б — з закритим входом що «+» постійної складової прикладений до аноду| діода, то вихідний напруга Uпик (Umax=U0+Um+, де Uo — стала складова, а Um+ — амплітуда позитивного полупериода перемінної складової (рис. 4, а). Якщо до аноду діода прикладений «—» постійної складової, то діод закритий все час і перетворення немає. Якщо до аноду амплитудного перетворювача з закритим входом докладено пульсує напруга, то конденсатор З заряджений постійної складової U0 перетворювач реагує лише з зміну складову. якщо аноду діода прикладений «+», то вихідний напруга Uпик (Um+, a якщо «—», то Uпик (Um- (рис. 4, б). Це корисне властивість вольтметрів з закритим входом вимірювати окремо значення напруги позитивного чи негативного полупериодов широко використовується для визначення симетричності амплітудної модуляції, наявності обмеження сигналів тощо. Амплітудні (пікові вольтметри характеризуються невисокою чутливістю (поріг чутливості (0.1В) і реставрацію широкої смугою частот (до 1 ГГц). Вольтметр средневыпрямленного значення (див. мал.6) складається з вхідного дільника напруги ДЯ, широкосмугового транзисторного підсилювача ШУ, выпрямительного перетворювача Ін і магнитоэлектрического индикатора.

[pic].

Див. Мал.5. Структурна схема універсального вольтметра Входное опір дільника напруги високе, і якщо підсилювач має низька вхідний опір, то з-поміж них ставиться вузол узгодження — перетворювач опорів (з великим вхідним і низьким вихідним опорами). Вихідний напруга підсилювача надходить на выпрямительный перетворювач, і крізь микроамперметр протікає стала складова выпрямленного струму, пропорційна средневыпрямленному значенням вимірюваного напряжения.

Див. Мал.6. Структурна схема вольтметра високої чувствительности.

Шкалу індикатора градуируют в среднеквадратических значеннях синусоидального напруги. Вольтметри, створені за такий структурної схемою, характеризуються високої чутливістю (мікроі милливольты) та порівняно вузької смугою частот вимірюваних напруг (1; 5; 10МГц). Обидві ці характеристики визначаються підсилювачем змінного напруги. Вольтметр среднеквадратического (чинного) значення будується по структурної схемою див. мал.6. Застосовуються перетворювачі з квадратичной характеристикою, які забезпечують вимір среднеквадратического значення напруги будь-який форми. До таких перетворювачів ставляться, під час першого чергу, термоелектричні і оптронные. На базі термоелектричних перетворювачів (див. рис-. 3−15, р) створено перетворювач среднеквадратического значення [б], працюючий двома ідентичних елементах ТПр1 і ТПр2 (рис. 7) і диференціальному підсилювачі ДУ (мікросхемі). Нагрівач першого термопреобразователя підключено до виходу широкосмугового підсилювача, т. е. в ланцюг вимірюваного напруги Ux, а нагрівач другого — до виходу диференціального підсилювача ДУ, т. е. в ланцюг негативною зворотний зв’язок. ТермоЭДС першого перетворювача Ет1 =aтU2x другого — Ет2 =aтU2вых, де Ux і (Uвых —среднеквадратические значення вимірюваного і вихідного напруг соответственно.

[pic].

Див. Мал.7. Схема термоелектричного перетворювача среднеквадратического значення напряжения.

Термопари включені зустрічно. Застосовують диференціальний підсилювач з великим коефіцієнтом посилення. Вихідний напруга среднеквадратического перетворювача пов’язано лінійної залежністю зі среднеквадратическим значенням вимірюваного напряжения.

Основна похибка перетворення обумовлена не ідентичністю параметрів термопреобразователей, дедалі більшого зі своїми старінням, і становить 2,5—6%.

Вольтметри постійної напруги. Розглянутий вище (див. мал.5) універсальний вольтметр дозволяє вимірювати постійна напруга від десятих часткою вольта і від. Для виміру менших значень (від 0,5 мкВ) застосовують високочутливі електронні вольтметри з перетворенням постійного напруги в змінне, яке після значного посилення знову перетворюється на сталий розвиток і вимірюється магнитоэлектрическим микроамперметром. Цифрові електронні вольтметри. Принцип роботи вольтметрів дискретного дії полягає у перетворення вимірюваного постійного чи повільно мінливого напруги в електричний код, який відображається на табло в цифровий формі. Відповідно до цим узагальнена структурна схема цифрового вольтметра складається з вхідного устрою ВхУ, аналого-цифрового перетворювача АЦП і цифрового індикатора Ц И.

Див. Мал.8 Узагальнена структурна схема цифрового вольтметра. Цифрові вольтметри з время-импульсным перетворенням. Принцип роботи залежить від перетворення вимірюваного напруги Ux в пропорційний інтервал часу ДГ, вимірюваний числом N що заповнюють його імпульсів зі стабільної частотою прямування. Вольтметр (рис. 3−30, а) працює циклами, тривалість яких Т встановлюється з допомогою управляючого устрою УУ і звичайно дорівнює чи кратна періоду живильної мережі. Для одиничного виміру Ux передбачено ручний запуск. Похибка виміру виникає внаслідок нелінійності зміни линейнопадающего напруги, нестабільності порога спрацьовування які порівнюють устройств.

[pic].

Рис. 3−30. Цифровим вольтметр з время-импульсным преобразованием и можливості втрати лічильного імпульсу, т. е. похибки дискретності. Основна похибка становить зазвичай 0,1%. Стійкість Перед Перешкодами вольтметрів з время-импульсным перетворенням низька, оскільки будь-яка перешкода викликає зміна моменту спрацьовування який би порівняв устрою. Головним гідністю цих вольтметрів був частиною їхнього порівняльна простота.

Цифровим вольтметр з частотним перетворенням. Принцип дії залежить від перетворення вимірюваного напруги в пропорційну йому частоту прямування імпульсів, вимірювану цифровим частотомером.

Цифровим вольтметр з подвійним інтегруванням. Принцип його роботи подібний до принципу времямпульсного перетворення, з тією різницею, що саме утворюються два тимчасових інтервалу протягом циклу виміру, тривалість якого встановлюється кратною періоду перешкоди. Отже визначається середнє вимірюваного напруги, а перешкода придушується. Ці вольтметри є як точними і помехоустойчивыми проти розглянутими вище, проте час виміру вони більше. Вольтметр стежить врівноважування не циклами, а безупинно реагуючи зміну вимірюваного напруги: сума зразкових напруг приймає більше чи менше значення залежно від значення вимірюваного напруги. Коли досягається рівність Ux=(Uобр. код перетворюється на показання, а стан приладу залишається незмінною до тих пір, доки зміниться значення Ux. Преимущество вольтметрів стежить врівноважування залежить від зменшенні статичної і динамічної похибки підвищення швидкодія. ———————————;

ДН.

УПТ.

АПр

V.

U~.

1 Д.

U~ Ri + З R Uпик.

1 З 3 Rф.

Rд U~ Д R СФ Uпик.

2 4.

Пр

ШУ.

V.

ДН.

U~.

ЦИ.

ВхУ.

U.

АЦП.