Аналоговые вольтметры. Измерение напряжения электронными аналоговыми вольтметрами
ЛЕКЦИЯ №5
ЭЛЕКТРОННЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Электронные аналоговые приборы и преобразователи представляют собой средства измерений, в которых преобразование сигналов измерительной информации осуществляется с помощью аналоговых электронных устройств. Выходной сигнал таких средств является непрерывной функцией измеряемой величины. Электронные приборы и преобразователи применяют при измерениях практически всех электрических величин: напряжения, тока, частоты, мощности, сопротивления и т.д.
Резкая селективность может быть достигнута с помощью кристаллического фильтра на межчастотной частоте. В гетеродинных микровольтах часто используется двойное и тройное перемешивание. Это позволяет в то же время достичь хорошей чувствительности, избирательности и стабильности. На практике, однако, мы также можем встретить другие типы вольтметров. Импульсные вольтметры Импульсные электронные вольтметры предназначены для измерения импульсных напряжений. Это может быть видео - или радиочастотный импульс, форма или огибающая которого идеально прямоугольная.
Достоинства электронных измерительных приборов:
высокая чувствительность обусловлена применением усилителей;
малое потребление энергии из цепи, в которой производят измерение, что определяется высоким входным сопротивлением данных приборов;
широкий диапазон частот, в котором чувствительность неизменна.
Цель измерения - определить это значение. Поэтому нам необходимо измерить пиковое напряжение, и логично использовать для этой цели измерительный выпрямитель, который выводит напряжение постоянного тока, соответствующее пиковому значению измеряемого импульсного напряжения. Рис. 27 Обработка импульсного напряжения пиковым выпрямителем. Зарядка происходит быстро, так как зарядный резистор мал. Из этого видно, что при измерении очень коротких импульсов с длительным периодом времени могут быть значительные ошибки.
Ситуация довольно похожа на параллельные пиковые выпрямители. Для достижения небольшого измерения импульсного напряжения сопротивление разряда должно быть большим, то есть входное напряжение должно иметь постоянный вольтметр с последующим пиковым выпрямителем. Небольшие значения сопротивления зарядки могут быть достигнуты путем размещения преобразователя импеданса с большим входным сопротивлением и небольшим выходным сопротивлением перед выпрямителем. В подходящей компоновке можно измерить даже редкие импульсы.
Недостатки :
сложность, обусловленная большим числом деталей и элементов;
необходимость в источниках питания электронных устройств, входящих в прибор;
сравнительно невысокая надежность, обусловленная большим числом элементов.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ
В электронных вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых электронных устройств в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический измерительный механизм со шкалой, градуированный в единицах напряжения. Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью и широким диапазоном измеряемых напряжений (от десятков нановольт на постоянном токе до десятков киловольт), большим входным сопротивлением (более 1 Мом), могут работать в широком частотном диапазоне (от постоянного тока до частот порядка сотен МГц).
Измерение импульсных напряжений также может быть основано на методе компенсации. Принцип заключается в автоматической компенсации измеренного напряжения напряжением постоянного тока. Для достижения этой шкалы перед измерителем подключен электронный функциональный преобразователь с логарифмической характеристикой преобразования. Широко распространены логарифмические преобразователи с использованием экспоненциальных осциллограмм полупроводниковых диодов или биполярных транзисторов. Указанная нелинейная обратная связь обеспечивается пассивной составляющей.
Существуют множество различных типов вольтметров. По своему назначению и принципу действия наиболее распространенные вольтметры могут быть подразделены на вольтметры постоянного тока, переменного тока, универсальные, импульсные и селективные.
Вольтметры постоянного тока. Упрощенная структурная схема таких вольтметров показана на рис. 5.1, где ВД – входной делитель напряжения; УПТ – усилитель постоянного тока; ИМ – магнитоэлектрический измерительный механизм; U x – измеряемое напряжение.
Недостатком этих логарифмических преобразователей является их зависимость от поведения используемого нелинейного компонента. Если изменяется характеристика этого компонента, изменится характеристика преобразования всего функционального преобразователя. Они имеют криволинейную характеристику, которая с достаточной точностью аппроксимирует требуемую зависимость.
Рис. 31 Блок-схема фазометра. В высокочастотных фазовых счетчиках частота входного напряжения уменьшается путем смешивания или отбора проб. Компенсированный входной делитель Аналоговый низкочастотный милливольтный измеритель. Поэтому электронное устройство усиливает электрический сигнал. Усилитель изменяет амплитуду усилителя.
Рис. 5.1. Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока
Последовательное соединение делителя напряжения и усилителя позволяет делать вольтметры высокочувствительными и многопредельными за счет изменения в широких пределах их общего коэффициента преобразования. Повышение чувствительности вольтметров постоянного тока путем увеличения коэффициента усиления УПТ k УПТ наталкивается на технические трудности из-за нестабильности работы УПТ , характеризующейся изменением k УПТ и самопроизвольным изменением выходного сигнала усилителя (дрейф "нуля"). Поэтому в таких вольтметрах k УПТ ≈1, а основное назначение УПТ – обеспечить большое входное сопротивление вольтметра.
Электронные компоненты - лабораторное упражнение 1 Биполярный транзистор в качестве усилителя Задача: Измерение амплитудно-частотных характеристик биполярного транзистора в соединении с общим излучателем. Технология передачи 1 Технология передачи Основные понятия и единицы Технология передачи - это область коммуникационных технологий, которая занимается проектированием, строительством и эксплуатацией оборудования для перевозки.
Датчики напряжения и тока Время исследования: 15 минут Цель После прочтения этого параграфа вы сможете описать принцип основных датчиков напряжения и тока для измерения заданной задачи индивидуально. В частности, это означает напряжение как переменного тока, так и частоты. Основное подразделение инверторов 1 Рис.
Данная структурная схема вольтметра постоянного тока используется в составе универсальных вольтметров, поскольку при незначительном усложнении – добавлении преобразователя переменного напряжения в постоянное, появляется возможность измерения и переменного напряжения.
Вольтметры переменного тока. Такие вольтметры состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Возможны две обобщенные структурные схемы вольтметров переменного тока (рис. 5.2), различающиеся своими характеристиками. В вольтметрах по схеме рис. 5.2,а измеряемое напряжение u х , сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подается на УПТ и ИМ , являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. Преобразователь Пр представляет собой нелинейное звено, поэтому вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном диапазоне. В то же время указанные недостатки УПТ и особенности работы нелинейных элементов при малых напряжениях не позволяют делать такие вольтметры высокочувствительными.
Основные параметры радиоприемников. Йиржи Сехаль Для оценки основных характеристик радиоприемников вводятся стандартизированные критерии для параметров, согласно которым радиоприемники. Его контакты называются анодом и катодом. Если на аноде есть положительный полюс напряжения, а катод отрицательный, диод ведет, наоборот. Операционные выпрямители Время исследования: 15 минут Цель После прочтения этого параграфа вы сможете описать работу основной выпрямительной операции, отдельно измеряя назначенную задачу.
Ручная, техническая и электроразведка Реализация практических задач, ориентированных на навыки в следующих областях: Электролабораторное оборудование Схематические знаки, основы пайки Физические основы основных. Обеспечьте методы аналогового преобразования. напряжение на число и назначить поле приложения параллельному преобразователю.
Рис. 5.2. Структурные схемы вольтметров переменного тока
В вольтметрах, выполненных по схеме рис. 5.2,б , благодаря предварительному усилению удается повысить чувствительность. Однако создание усилителей переменного тока с большим коэффициентом усиления, работающих в широком диапазоне частот, – трудная техническая задача. Поэтому такие вольтметры имеют относительно низкий частотный диапазон (1 – 10 МГц).
В каких единицах ток выражается, укажите название и отметку. В каких единицах выражена индуктивность, укажите название и отметку. В каких единицах выражена частота. Осцилляторы Мы разделяем осцилляторы несколькими способами. Предназначен для студентов средних школ с экзаменом по матурите, второй год, измерение электрического напряжения.
Измерение сопротивления Электрическое сопротивление Основная характеристика всех пассивных и активных элементов Прямое измерение омметром Не очень точное Мы используем косвенные методы измерения. Сначала вычисляются элементы межчастотной частоты. Вопрос 22 Устройства измерения сигналов, методы измерения времени и частоты. Разнообразие сигналов в технологии связи заставляет распределение методов измерения быть простым и недвусмысленным.
Различают вольтметры амплитудного, среднего или действующего значения.
Рис. 5.3. Схема (а) и временная диаграмма сигналов преобразователя амплитудных значений (пикового детектора) с открытым входом
Вольтметры амплитудного значения имеют преобразователи амплитудных значений (пиковые детекторы) с открытым (рис. 5.3,а ) входом, где u вх и u вых – входное и выходное напряжение преобразователя. Если вольтметр имеет структуру рис. 5.3,а , то для преобразователя u вх =u х . В амплитудных преобразователях с открытым входом конденсатор заряжается практически до максимального u хmax положительного (при данном включении диода) значения входного напряжения (рис. 5.3,б). Пульсации напряжения u вых на конденсаторе объясняются его подзарядом при открытом диоде, когда u вх >u вых , и его разрядом через резистор R при закрытом диоде, когда u вх <u вых .
Выпрямители, фильтраторы гофрированного напряжения, дупликаторы и умножители напряжения используются для преобразования переменного напряжения, чаще всего напряжения на вторичную обмотку сетевого трансформатора, в постоянный ток. Выпрямление и сглаживание Выпрямитель переменного и постоянного тока Диод подключается последовательно к цепи переменного тока.
Характерная особенность этих усилителей. Обратная связь Обратная связь подает часть выходного сигнала обратно на вход. Отрицательный рек. обязательные ограничения. Измерительные приборы и методы измерения Основные электрические величины определяют состояние электрических цепей и объектов как по качеству, так и по количеству. Неэлектрические физические величины могут быть преобразованы в электрические величины.
Универсальные вольтметры. Такие вольтметры предназначены для измерения напряжений постоянного и переменного токов. Обобщенная структурная схема показана на рис. 5.4, где В – переключатель. В зависимости от положения переключателя В вольтметр работает по схеме вольтметра переменного тока с преобразователем П (положение 1 ) или вольтметра постоянного тока (положение 2 ).
Стабилизаторы напряжения и тока Стабилизаторы - это схемы, которые автоматически компенсируют изменения напряжения или тока в нагрузке. Они используются там, где требуется минимальная пульсация, или если нам требуется постоянная. Обработка сигналов от датчиков. Преобразователи технологического значения, как пассивные, так и активные, обычно требуют конвертера, который преобразует их выходной сигнал в более удобную форму для дальнейшей обработки.
Общее описание тензометрического преобразователя 3 Техническое описание тензометрического преобразователя 4. Полупроводниковый компонент является электронным компонентом. Полупроводниковые выпрямители и источники Типы диодов Характеристики проводки и диода Типы выпрямителей Фильтрация выходного напряжения Стабилизация выходного напряжения Подключение источника напряжения Заключение Диод полупроводникового диода.
Рис. 5.4. Структурная схема универсального вольтметра
В универсальных вольтметрах, называемых также комбинированными, часто предусматривается возможность измерения сопротивлений R х . В таких вольтметрах имеется преобразователь П R , выходное напряжение которого зависит от неизвестного сопротивления: U вых =f(R x ). На основании этой зависимости шкала прибора градуируется в единицах сопротивления. При измерении резистор с неизвестным сопротивлением подключается к входным зажимам преобразователя, а переключатель ставится в положение 3 .
Уважаемые клиенты, Мы хотели бы напомнить вам, что это уведомление об авторских правах защищено авторским правом. Это означает, что демо должно обслуживать только личные потребности потенциального покупателя. Операционные усилители Аналоговые схемы обрабатывают сигнал непрерывно с течением времени. Наиболее часто используемый компонент в настоящее время является операционным усилителем.
Измерьте характеристику передачи биполярного транзистора. Измерьте выходную характеристику биполярного транзистора. Теория электронных цепей Лабораторная задача № 1 Измерительные инструкции Обратная связь и компенсация Измерьте частотную характеристику модуля инвертирующего усилителя в связи с операционным усилителем.
Импульсные
вольтметры.
Для измерения амплитуды импульсных
сигналов различной формы применяют
импульсные вольтметры. Особенности
работы импульсных вольтметров определяются
малой длительностью τ измеряемых
импульсов (от 10-100 нс) и значительной
скважностью 
(до 10 9),
где Т
– период следования импульсов.
Это устройства, предназначенные для измерения непрерывного, переменного и импульсного напряжений в широком диапазоне частот. Хотя они больше не производятся как отдельные устройства, а как мультиметрические варианты для измерения нескольких размеров, их исследование важно, потому что напряженность - это класс размеров, который часто интересует. Их эволюция основана на повышении производительности в электронике, что приводит к увеличению точности, частотных областей и скорости работы. Классификация: - по измеренному режиму обработки напряжения.
Импульсные вольтметры могут быть выполнены по структурной схеме рис. 5.2,а , при этом используют преобразователи амплитудных значений с открытым входом (рис. 5.3,а ). Большая скважность импульсов и малая их длительность предъявляют жесткие требования к преобразователям амплитудных значений. Поэтому в импульсных вольтметрах применяют компенсационные схемы амплитудных преобразователей (рис. 5.5).
Следуя природе измеряемого напряжения. Крутящий момент, создаваемый в устройстве, пропорционален току, проходящему через подвижную катушку, поэтому по закону Ома и напряжением на выводах крепления. Поэтому шкалу устройства можно откалибровать непосредственно в блоках напряжения.
Основным недостатком этого типа вольтметра является его низкое входное сопротивление. Максимальный класс точности не превышает 1%. С прямым соединением; - с измельчением. Аттенюатор позволяет изменять чувствительность вольтметра. Фильтр удаляет любые альтернативные перекрывающиеся компоненты по непрерывному сигналу. Отрицательный ответ обеспечивает лучшую стабильность характеристик усилителя.
Рис. 5.5. Компенсационная схема амплитудного преобразователя
Входные
импульсы u
вх
заряжают конденсатор С
1
.
Переменная составляющая напряжения на
этом конденсаторе, вызванная подзарядом
его измеряемыми импульсами и разрядом
между импульсами (аналогично рис. 5.3,б
),
усиливается усилителем У
переменного тока и выпрямляется с
помощью диода D
2
.
Постоянная времени цепи RC
2
выбирается достаточно большой, поэтому
напряжение на конденсаторе С
2
в промежутке между импульсами изменяется
незначительно. С выхода преобразователя
при помощи резистора R
о.с.
обратной связи на конденсатор С
1
подается компенсирующее напряжение.
При большом коэффициенте усиления
усилителя это приводит к значительному
уменьшению переменной составляющей
напряжения на конденсаторе С
1
,
вследствие чего в установившемся режиме
напряжение на конденсаторе практически
равно амплитуде измеряемых импульсов,
а выходное напряжение пропорционально
этой амплитуде: 
.
Усилитель может быть транзисторизован или оснащен операционными усилителями. Между фактическими, средними и пиковыми значениями периодического сигнала с синусоидальной вариацией существуют связи связи. Форм-фактор. Эти вольтметры калибруются в эффективных значениях на основе соотношения между средним и фактическим значением в синусоидальном режиме. Средние вольтметры проще и дешевле фактических значений.
Альтернативное напряжение выпрямляется диодным мостом, ток изменяется в приборе, как на рис. Движение индикатора происходит под действием среднего крутящего момента, пропорционального среднему значению выпрямленного тока. Используемая схема фактически представляет собой преобразователь напряжения в ток с двойным переменным выпрямителем. Калибровка выполняется в эффективных значениях, основанных на взаимосвязи между средним и эффективным значением при двойном чередовании.
Селективные вольтметры. Такие вольтметры предназначены для измерения действующего значения напряжения в некоторой полосе частот или действующего значения отдельных гармонических составляющих измеряемого сигнала.
Принцип действия селективного вольтметра заключается в выделении отдельных гармонических составляющих сигнала или сигнала узкой полосы частот с помощью перестраиваемого полосового фильтра и измерении действующего значения выделенных сигналов.
Последняя опция имеет преимущество в устранении ошибок из-за несбалансированных сигналов. Этот режим измерения особенно показан на высоких частотах. Из определенных напряжений эффективная, безусловно, самая важная форма, поскольку она единственная, которая предлагает прямую связь между эффектами чередующихся и непрерывных напряжений, независимо от формы волны. Вольтметры фактического значения могут быть: - вольтметры термопары; - Вольтметры фактических значений со специальными схемами с использованием патратного детектора.
Схемы, использующие квадратичное детектирование, аналогичны схемам на рис. В качестве квадратного детектора можно использовать полупроводниковый диод с нелинейностью, характерной для второго порядка при низком входном напряжении - рис. Схема показана на фиг. Это соотношение справедливо для любой волновой формы. Коэффициенты определяются для определенной формы волны, как правило, синусоидальной волны. Так как форма сигнала не является синусоидальной, устройство не будет указывать истинную квадратную величину измеренного напряжения, а значение из-за среднего значения соответствующей формы волны.
Физически реализуемый полосовой фильтр не обладает строго прямоугольной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Это может привести к тому, что через такой фильтр пройдут соседние гармонические составляющие с некоторым коэффициентом передачи. В этом случае селективный вольтметр измеряет действующее значение суммы гармонических составляющих, прошедших через фильтр, с учетом реальных коэффициентов передачи для каждой составляющей.
Рис. 5.6. Структурная схема селективного вольтметра
Измеряемый
сигнал u
х
через избирательный входной усилитель
ВУ подается на смеситель См, предназначенный
для преобразования частотного спектра
измеряемого сигнала. На выходе смесителя
появляется сигнал, пропорциональный
измеряемому сигналу, но с частотами
спектра
,
где
- частота гармонических составляющих
входного сигнала;
- частота сигнала синусоидального
генератораГ
(гетеродина). Усилитель промежуточной
частоты УПЧ
настроен на некоторую фиксированную
частоту
.
Поэтому на выходУПЧ
пройдет только та составляющая выходного
сигнала смесителя, частота которой
.
Этот сигнал соответствует гармонической
составляющей измеряемого сигнала с
частотой
.
Действующее значение этой гармонической
составляющей измеряется вольтметром
действующего значенияВДЗ
.
Изменяя частоту генераторов
,
можно измерять действующее значение
различных гармонических составляющих
сигналаu
х
.
Функцию полосового фильтра в этой схеме выполняет УПЧ . Благодаря фиксированному (неперестраиваемому) значению частоты настройки УПЧ этот усилитель имеет большой коэффициент усиления и узкую полосу пропускания, что обеспечивает высокую чувствительность и избирательность селективного вольтметра.
Аналоговый электронный вольтметр - измерительный прибор, представляющий собой сочетание электронного преобразователя, выполненного на лампах, полупроводниковых элементах, интегральных микросхемах, и магнитоэлектрического измерителя.
По назначению аналоговые электронные вольтметры различают: постоянного тока, переменного тока, импульсные тока, фазочувствительные, селективные, универсальные.
Основное назначение аналоговых вольтметров - измерение напряжения в радиоэлектронных цепях.
Электронные вольтметры постоянного тока по сравнению с магнитоэлектрическими вольтметрами имеют очень большое входное сопротивление (порядка 5-10 МОм) и высокую чувствительность. Значение входного сопротивления неизменно при переключении пределов измерения.
Вольтметр состоит из входного устройства - высокоомного резистивного делителя напряжения; электронного преобразователя - усилителя постоянного тока; электромеханического преобразователя - магнитоэлектрического измерителя.
Усилитель постоянного тока служит для повышения чувствительности вольтметра, является усилителем мощности, необходимым для приведения в действие магнитоэлектрического измерителя. Он должен обладать высокой линейностью амплитудной характеристики, постоянством коэффициента усиления, малым дрейфом нуля.
Линейность амплитудной характеристики обеспечивается правильным выбором режимов работы ламп, транзисторов, микросхем усилителя. Отрицательная обратная связь в усилителях повышает стабильность коэффициента усиления и улучшает линейность амплитудной характеристики. Стабилизация питающих напряжений также способствует стабилизации коэффициента усиления.
Для уменьшения дрейфа нуля, кроме стабилизации питающих напряжений, усилитель выполняется по мостовой балансной схеме.
Расширение пределов измерения осуществляется с помощью делителя и сопротивления обратной связи.
II АЭВ переменного тока строятся по 2м схемам:
а) , характеризуются широким частотным диапазоном 20 Гц - 700 МГц, но недостаточно высокой чувствительностью.
Вольтметры, построенные по схеме б) , характеризуются сравнительно узким частотным диапазоном 10 Гц - 10 МГц, определяемым полосой пропускания усилителя переменного тока, но более высокой чувствительностью.
Универсальные аналоговые электронные вольтметры , предназначенные для измерений в цепях постоянного и переменного токов, реализуются так, как показано на рисунке:
Характеристики аналоговых электронных вольтметров переменного тока и характер их шкал в основном определяются схемой электронного преобразователя (детектора). Различают преобразователи пикового, средневыпрямленного, среднеквадратичного значений, осуществляющие преобразование переменного напряжения в постоянное, пропорциональное соответственно пиковому (максимальному), средневыпрямленному и среднеквадратичному значениям измеряемого напряжения.
Вход преобразователей относительно постоянной составляющей измеряемого напряжения может быть либо открытым, либо закрытым (с разделительным конденсатором).
По частотному диапазону аналоговые электронные вольтметры переменного тока делятся на низкочастотные, высокочастотные, сверхчастотные.
Основные узлы аналоговых электронных вольтметров
Входное устройство обеспечивает значения измеряемого напряжения, необходимые для дальнейшего преобразования. В зависимости от амплитудного и частотного диапазонов измеряемого напряжения входное устройство представляет собой либо высокоомный вход преобразователя, либо резистивный делитель, либо резистивно-конденсаторный делитель, либо конденсаторный делитель.
В преобразователях амплитудного(пикового) значения
показания микроамперметра пропорциональны пиковому значению измеряемого напряжения и (t),
. На рисункеприводятся схемы преобразователей амплитудного значения соответственно с открытым и закрытым входами
В преобразователе амплитудного значения с открытым входом диод включен последовательно с высокоомным резистором R и непосредственно связан с объектом измерения. Параметры преобразователя подобраны таким образом
(R > Rпр, R = 50 - 100 МОм, С = 0,02 - 0,05 мкФ),
чтобы при первой положительной полуволне измеряемого напряжения и (t) = UM sin wt большим импульсом тока i через открытый диод Д с сопротивлением Rnp осуществлялся быстрый заряд конденсатора С до некоторого значения напряжения UC1 (рис. 5.6) и медленный разряд на резистор R + Rи с момента, когда и (t) < UC, и при отрицательной полуволне напряжения и (t). Постоянные
времени заряда RnpC и разряда RC связаны условием RC>> RnpC (сопротивление Rи микроамперметра не учитывается из-за малого значения).
При второй положительной полуволне и
