Аналоговые електронні вольтметры

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ, КУЛЬТУРИ І ЗДРАВООХРАНЕНИЯ.

РЕСПУБЛІКИ КАЗАХСТАН.

ВУЗ АВИЭК.

ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАТИКИ ДИСЦИПЛИНА: «Стандартизація і вимірювальні технологии».

КОНТРОЛЬНА РОБОТА: «АНАЛОГОВІ ЕЛЕКТРОННІ ВОЛЬТМЕТРЫ.».

Выполнил:

Ст-т грн. ЗПОС-96−1.

Гриньов М.В.

Принял:

Доцент, к.т.н.

Нурманов М.Ш.

Алмати 2000 г.

ИЗМЕРЕНИЕ НАПРУГИ ЕЛЕКТРОННИМИ АНАЛОГОВИМИ ВОЛЬТМЕТРАМИ.

Електронні аналогові вольтметри є першим прикладом електронних вимірювальних приладів, які розглядають у курсі. У тому числі зустрічаються як вольтметри прямого перетворення, і вольтметри порівняння. Розглянемо принцип роботи, структурні схеми й освоєно основні функціональні вузли аналогових вольтметрів прямого перетворення і сравнения.

АНАЛОГОВІ ВОЛЬТМЕТРИ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ.

Структурна схема електронного аналогового вольтметра прямого перетворення відповідає типовий схемою рис. 2.1 як і це випливає з рис. 3.13, у найзагальнішому разі включає вхідний пристрій (ПУ), на вхід якого подається вимірюваний напруга Ux, ИП і магнитоэлектрический прилад, застосовуваний у ролі ІУ. Вхідний пристрій представляє в найпростішому разі дільник вимірюваного напруги — аттенюатор, з допомогою якого розширюються межі виміру вольтметра. Крім точного розподілу Ux, ПУ на повинен знижувати вхідний імпеданс вольтметра, впливає, як вже неодноразово підкреслювалося, на методичну похибка вимірювання UxОтже, використання ПУ в вигляді аттенюатора є, на додаток до добавочным.

[pic] Р і з. 3.13. Узагальнена структурна схема аналогового вольтметра прямого преобразования.

сопротивлениям і вимірювальним трансформаторам напруги, ще однією способом розширення меж виміру вольтметрів. Саме це спосіб застосовується у електронних вольтметрах та інших радиоизмерительных приладах. Як ИП в вольтметрах постійного струму (В2) застосовується підсилювач постійного струму (УПТ), а вольтметрах перемінного й імпульсного струму (ВЗ і В4) —детектор разом із УПТ чи підсилювачем змінного струму. Більше складну структуру мають перетворювачі в вольтметрах інших видів. У частковості, перетворювачі селективних вольтметрів (В6) має забезпечити, крім детектування і через посилення сигналу, селекцію його за частоті, а перетворювачі фазочувствительных вольтметрів (В5) — можливість виміру як амплітудних, а й фазових параметрів досліджуваного сигналу. Структурна схема аналогового вольтметра постійного струму відповідає узагальненої схемою рис. 3.13. Основним функціональним вузлом таких вольтметрів є УПТ. Сучасні вольтметри постійного струму розробляють основному як цифрові приборы.

Вольтметри перемінного й імпульсного струму залежно від призначення можуть проектуватися за однією з цих двох структурних схем (рис. 3.14), різняться типом ИП. У вольтметрах першої модифікації (рис. 3.14, а) яка вимірюється напруга Ux^ перетворюється на постійна напруга Ux=, яке потім вимірюється вольтметром постійного струму. Навпаки, в вольтметрах другий модифікації (рис. 3.14, б) вимірюваний напруга спочатку посилюється з допомогою підсилювача змінного струму, та був детектируется і вимірюється. За необхідності між детектором і ІУ то, можливо додатково включений УПТ. Порівнюючи структурні схеми рис. 3.14, ще до розгляду схемних рішень їх функціональних вузлів зробити певні висновки щодо властивостей вольтметрів обох модифікацій. Зокрема, вольтметри першої модифікації щодо діапазону частот вимірюваних напруг немає таких обмежень, як вольтметри другий модифікації, де цей параметр залежить від смуги пропускання підсилювача змінного струму. Зате вольтметри другий модифікації мають високу чутливість. З курсу «Підсилювальні устрою» відомо, що з допомогою підсилювача змінного струму можна отримати значно більша коефіцієнт посилення, ніж із допомогою УПТ, т. е. проектувати микровольтметры, які мають нижню межу Ux^. обмежується власними шумами підсилювача. за рахунок изменения.

[pic] Рис. 3.14. Структурні схеми аналогових вольтметрів перемінного й імпульсного струму: а—с детектором на вході; б — з підсилювачем змінного струму на входе.

коэффициента розподілу ПУ і коефіцієнта посилення підсилювачів діапазон вимірюваних напруг то, можливо великим у вольтметрів обох модификаций.

Тип детектора в структурних схемах рис. 3.14 визначає приналежність вольтметрів обох модифікацій до вольтметрам амплитудного, среднеквадратического чи средневыпрямленного напруги. У цьому вольтметри імпульсного струму (В4) проектуються лише як вольтметри першої модифікації, щоб уникнути спотворень форми імпульсів в підсилювачі змінного струму. При вимірі напруги одиночних і рідко повторюваних імпульсів застосовуються або диодно-емкостные расширители імпульсів в поєднані із детекторами, або амплитудно-временное перетворення імпульсів, притаманне цифрових вольтметров.

Розглянемо тепер типову структурну схему селективних вольтметрів, що використовуються виміру атмосферного явища малих гармонійних напруг у умовах дії перешкод, для дослідження спектрів періодичних сигналів і у низці інших випадків. Як очевидно з рис. 3.15, вольтметр представляє собою сутнісно супергетеродинный приймач, принцип роботи якого пояснюється знає «Радіотехнічні кайдани й посадили сигналы».

Частотна селекція вхідного сигналу здійснюється з допомогою перестроюваного гетеродина, змішувача (Див) і вузькосмугового підсилювача проміжної частоти (УПЧ), що забезпечує високу чутливість і необхідну вибірковість. Якщо вибірковість недостатня, то, можливо застосована дворазове, котрий іноді триразове перетворення частоти. Крім цього у селективних вольтметрах обов’язково наявність системи автоматичної підстроювання частоти і калибратора. Калібрувач — зразковий джерело (генератор) змінного напруги певного рівня, дозволяє виключити систематичні, похибки зміну напруги гетеродина за його перебудові, зміни коефіцієнтів передачі вузлів вольтметра, впливу зовнішніх факторів, і т. буд. Калібрування вольтметра виробляється перед виміром за умови встановлення перемикача П з положення 1 у безвихідь 2.

[pic].

Рис. 3.15. Структурна схема селективного вольтметра.

В висновок відзначимо, що у одному приладі неважко поєднати функції виміру постійних і змінних напруг, і з допомогою додаткових функціональних вузлів і лобіювання відповідних комутацій (за аналогією з випрямними приладами) утворити комбіновані прилади, отримали назва універсальних вольтметрів (В7). Сучасні типи таких вольтметрів, зазвичай, проектуються як цифрових приладів, що дозволяє додатково розширити їх функціональні можливості й тимчасово підвищити точність. У зв’язку з цим особливості побудови структурних схем універсальних вольтметрів розгляне роботах коллег.

АНАЛОГОВІ ВОЛЬТМЕТРИ СРАВНЕНИЯ.

[pic].

Рис. 3.16. Схема вимірювального потенциометра.

Електронні аналогові вольтметри порівняння здебільшого реалізують найбільш поширену модифікацію методу порівняння — нульової метод. Тому частіше вони називаються компенсаційними вольтметрами. По порівнянню з вольтметрами прямого перетворення це як складні, а й, як раніше точніші прилади. З іншого боку, з схеми рис. 2.2 видно, зараз компенсації (Х=0 і прилад не споживає потужності від джерела X. Що стосується компенсаційним вольтметрам це можливість виміру як напруги, а й ЭДС малопотужних джерел. У практиці электрорадиоизмерений подібні виміру виконуються і з допомогою електронних компенсаційних вольтметрів, і електромеханічних. Для пояснення застосування нульового методу виміру атмосферного явища ЭДС і напруження розглянемо спочатку класичну схему електромеханічного компенсатора постійного струму, подану на рис. 3.16.

Одним з основних функціональних вузлів будь-якого компенсатора є високоточний перемінний резистор R, за шкалою якого відраховують яка вимірюється значення ЭДС (Ех) чи напруги (Ux). Тому компенсатори прийнято називати по ГОСТ 9245–79 вимірювальними потенциометрами. Як зразковою заходи ЭДС застосовується нормальний елемент (НЕ) — електрохімічний джерело, ЭДС (Еа) якого відома з дуже високою ступенем точності. Проте ємність НЕ невелика, та тривалого порівняння у процесі вимірів Ex (Ux) з Єн неможливо. Тому схема потенциометра доповнюється допоміжним джерелом ЭДС (Еo) великий ємності. Щоб з Ex (Ux) використовується падіння напруги на зразковому резисторе Rн., створюване струмом джерела Eо—рабочим струмом (Iр), котрий попередньо встановлюється. Отже, процес виміру Ex{Ux) має складатися з двох этапов.

У першому етапі встановлюється необхідну значення Iр. І тому перемикач встановлюється у безвихідь 1 і з допомогою потенциометра Rp домагаються нульового показання індикатора І (зазвичай, магнитоэлектрический гальванометр). Як очевидно з рис. 3.16, цьому відповідає IpRн=Eн, т. е. робочий струм Iр, який далі повинен залишатися постійним, відтворюватиме у процесі вимірів значення Ен.

З другого краю етапі вимірюють значення Ex (Ux). І тому перемикач перетворюється на становище 2, і зміною опору потенциометра R знову домагаються нульового показання І. При Iр = const цьому відповідає Ex (Ux) = IpR, т. е. дані значення Ex (U^}^.R і то, можливо отсчитано за шкалою R. Отже, метрологічні характеристики вимірювальних потенциометров постійного струму визначаються параметрами НЕ, зразкових резисторів, індикатора і джерела Еу. Як НЕ застосовуються насичені і ненасичені оборотні гальванічні елементи, позитивний електрод яких утворюється ртуттю, а негативний — амальгамою кадмію. Класи точності НЕ регламентуються ГОСТ 1954–82 не більше 0,0002…0,02 і визначають клас точності потенциометра загалом. Потенціометр R виконується по спеціальної схемою, які забезпечують сталість /р за зміни R і необхідну кількість знаків (декад) при відліку Ex (Ux). Цим вимогам задовольняють схеми з замещающими і шунтирующими декадами. Вимірювальні потенциометры можна використовувати й у виміру змінних напруг. Проте яке компенсує напруга необхідна за цьому випадку регулювати як по модулю, а й у фазі. Тому такі потенциометры мають складнішу схему, ніж потенциометры постійного струму, а, по точності значно поступаються їм через брак на перемінному струмі зразковою заходи, аналогічної за своїми характеристиками НЕ. У практиці электрорадиоизмерений вони цілком витіснені електронними компенсаційними вольтметрами.

У компенсаційних вольтметрах вимірюваний напруга (постійне, змінне, импульсное) порівнюється зі постійним компенсуючим напругою, що у своє чергу точно вимірюється вольтметром постійного струму і є мірою Ux. Типова структурна схема такого вольтметра приведено на рис. 3.17. Як очевидно з рис. 3.17, основу вольтметра становить компенсаційний ИП, що з вимірювального діода V з навантаженням R, регульованого джерела постійного компенсуючого напругиЕк, підсилювача і індикатора з цими двома стійкими станами. За відсутності Ux індикатор, реалізований з допомогою функціональних вузлів перебуває у першому усталеному стані, а при деякому пороговом значенні переходить на друге стан. Процес виміру Ux таки зводиться до поступового збільшення Ек до того часу, поки індикатор не перейде на друге стійке стан. Значення Ек, відповідне моменту переходу, вимірюється вольтметром постійного струму і є мірою Ux.

[pic] Рис. 3.17. Структурна схема компенсаційного вольтметра.

В сполученні з іншими схемними рішеннями (застосування індикатора малим пороговою напругою, лампового вимірювального діода зі стабільної характеристикою та інших.) виявляється можливим проектувати високоточні компенсаційні вольтметри. Недолік розглянутим схеми — необхідність установки Їй вручну. Тож у більшості вольтметрів схему ИП ускладнюють, забезпечуючи автоматичну компенсацію Ux і Ек. Автокомпенсационные вольтметри є прямопоказывающими приладами й більш зручні в эксплуатации.

ОСНОВНІ ВУЗЛИ АНАЛОГОВИХ ВОЛЬТМЕТРОВ.

Розглянемо схемні рішення основних функціональних вузлів, визначальних метрологічні характеристики аналогових вольтметрів. Більшість цих вузлів застосовуються та інших видах електронних вимірювальних приборов.

Входное устройство.

Як вказувалося вище, ПУ призначено належала для розширення меж виміру вольтметра. У найпростішому випадку він є аттенюатор, виконаний за резистивной (рис. 3.18, а), емкостной (рис. 3.18, б) чи комбінованої (рис. 3.18, в) схемам.

Найпростіший і універсальної (для Uх= і Ux~) є схема, представлена на рис. 3.18, а, але високих частотах значний вплив починають надавати паразитні ємності. Тому на згадуваній високих частотах переходять або до емкостной схемою, або до комбінованої, яка за R1C1 = R2C2 виявляється частотно-компенсированной (коефіцієнт розподілу k = R2/(R1 + Р2), як й у схеми, зображеною на рис. 3.18, а).

Виконання інших вимог, і передусім забезпечення високого вхідного опору і мінімальної вхідний ємності вольтметра спричиняє деяких випадках до ускладнення структури ПУ. Найбільш універсальним і найчастіше що застосовуються у сучасних вольтметрах змінного струму є ПУ, структурна схема якого представлена на рис. 3.19.

Принциповою особливістю даної схеми є зміна Uв з допомогою низкоомного резистивного аттенюатора з їх постійним вхідним і вихідним импедансом. Це підвищує точність виміру Ux~, але вимагає введення в структуру ПУ перетворювача импеданса (ПІ), забезпечує трансформацію високого вхідного опору вольтметра в мале вхідний опір аттенюатора. Як ПІ найчастіше використовують повторювач напруги на польовому транзисторі з великим негативною зворотної зв’язком. З помощью.

[pic] Рис. 3.18. Схеми аттенюаторов вольтметрів: а—на резисторах; б — на конденсаторах; в — комбинированная.

[pic].

Рис. 3.19. Структурна схема універсального вхідного устройства.

входного дільника напруги (ВДН) передбачається додаткова можливість розширення меж виміру вольтметра. ВДН представляє собою фіксований дільник резистивно-емкостного типу (див. рис. 3.18, в) На високих частотах вхідний опір вольтметра зменшується, а вхідні ємність і індуктивності провідників утворюють послідовний коливальний контур, який резонансної частоті має практично нульовий опір. Для нейтралізації цих ефектів ПІ конструктивно виконується як виносної пробник з ВДН як насадки.

Усилители.

Підсилювачі постійного струму, з структурних схем (див. рис. 3.13 і 3.14, про), забезпечують отримання потужності, достатньої доведення в дію ЇМ магнитоэлектрического приладу, й погодження вхідного опору ІУ з вихідним опором ПУ чи детектора. До УПТ пред’являються дві основні вимоги: високе сталість коефіцієнта посилення і пренебрежимо малі флуктуації вихідний величини за відсутності Ux= (Дрейф нуля). Тому всі практичні схеми УПТ мають глибоку негативний зворотний зв’язок (ООС), що забезпечує стабільну роботу їх і нечутливість перевантажень. Радикальними методами боротьби з дрейфом нуля є її періодична корекція, і навіть перетворення Uх= в змінне напруга з наступним посиленням і випрямленням цього напруги. Підсилювачі змінного струму відповідно до своїм функціональним призначенням (див. рис. 3.14, б) повинен мати високу чутливість, велике значення і високі стабільність коефіцієнта посилення, малі нелинейные перекручування та широку смугу пропускання (крім УПЧ селективного вольтметра). Задовольнити цим суперечливим вимогам і можуть лише многокаскадные підсилювачі з ООС і ланками для корекції частотною характеристики. У окремих випадках застосовуються логарифмічні підсилювачі щоб одержати ^лінійної шкали в децибелах. Якщо поставлено завдання мінімізації аддитивной похибки вольтметра, підсилювачі може бути двухканальными з одночасним посиленням основного сигналу і сигналу, коригувального аддитивную похибка. Для розширення функціональних можливостей багато вольтметри мають спеціальний вихід підсилювача і може використовувати як широкосмугові підсилювачі. Понад те, підсилювачі можна випускати як самостійні вимірювальні прилади, створюючи підгрупу У. Детально підсилювачі постійного і перемінного струму розглядаються знає «Підсилювальні устройства».

Детектор Тип детектора визначає, як зазначалося, приналежність вольтметрів змінного струму до вольтметрам амплитудного, среднеквадратического чи средневыпрямленного напруги. Відповідно до цим самі детектори класифікуються так: за найважливішим параметром Ux~^ якому відповідає струм чи напруження у вихідний ланцюга детектора: піковий детектор, детектори среднеквадратического і средневыпрямленного значень напруги; за схемою входу: детектори з відкритою і закритим входом по постійному напрузі; за влучним висловом детектування: лінійні і квадратичные детекторы.

[pic] Рис. 3.20. Схеми пікового детектора: А — з відкритою входом; Б — з закритим входом.

Піковий детектор — це детектор, вихідний напруга якого безпосередньо відповідає t/max чи > U3, тоді остаточно U3 (Uск, т. е. шкала ІУ буде равномерной.

Детектор средневыпрямленного значення— це перетворювач змінного напруги постійно струм, пропорційний Uсв. Схемно він виходить з двухполупериодном напівпровідниковому выпрямителе, розглянутий під час аналізу выпрямительных амперметрів (див. § 3.4.1). Необхідно, проте, додати, що лінійність характеристики таких детекторів тим краще, що більше Uх~ (при малих Ux~ детектор стає квадратичным). Тому детектори средневыпрямленного значення, зазвичай, застосовують у вольтметрах другий модифікації (рис. 3.14, б).