Электронный вольтметр прибор. Контрольная работа: «аналоговые электронные вольтметры.». Электронные аналоговые вольтметры
Обобщенная структурная схема аналоговых электронных вольтметров (рис.7.9) содержит максимальное число блоков, некоторые из которых в зависимости от назначения вольтметра могут отсутствовать. В электронных вольтметрах, снабженных усилительными устройствами потребление мощности из измерительной цепи ничтожно мало. К достоинствам электронных вольтметров относятся: широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20 Гц до 1000 МГц), высокая чувствительность, хорошая перегрузочная способность.
Простой пример: должен измеряться ток коллектора транзистора. Вместо того, чтобы сломать проводник между резистором и транзистором и вставить в него мультиметр для последовательного измерения тока, проще записать следующее: Мы помещаем мультиметр на измерение напряжения и прикрепляем обе точки измерения вправо и влево от резистора. Таким образом, многие измерения тока могут быть заменены измерением напряжения и значительно облегчены. Изображение: эскиз для измерения косвенного тока: ток рассчитывается по измеренному напряжению в соответствии с законом Ома.
Рисунок 7.9.
1. Входное устройство предназначено для:
а) ослабления сигнала в заданное число раз, позволяющего расширить диапазон в сторону больших измеряемых напряжений;
б) обеспечения входных параметров вольтметра: входного сопротивления в пределах 1 – 10 МОм, входной емкости 1 - 30 пФ.
Усилители переменного тока служат для:
Для измерения токов мультиметры обычно имеют два гнезда, один для малых, а другой для больших токов. Перед измерением тока красный измерительный провод должен быть подключен к соответствующему гнезду ампера. Если измерение тока не ясно, сколько ожидается ток, очень важно сначала переключиться на большой диапазон тока, а затем переключиться на низкий диапазон измерения. Кстати, в высокоточном диапазоне мультиметры не переносят долгосрочные измерения: внутренний шунт, через который протекает большая часть тока, нагревается и переносит максимальные токи только ненадолго.
а) повышения чувствительности;
б) расширения динамического диапазона в сторону меньших измеряемых напряжений.
Для выполнения указанных задач усилители переменного тока должны иметь заданный и высокостабильный коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот и температур, малые нелинейные искажения, малые собственные шумы и быть нечувствительными к колебаниям напряжения питания, что достигается использованием многокаскадных усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.
Термин «шунт», который больше не присутствует, дал краткое объяснение: мультиметр в качестве амперметра измеряет максимальный ток, например, 100 мА при «конечном прогибе». Если это превысит это значение, байпасные резисторы, называемые шунтами, подключаются параллельно амперметру. Они сконструированы таким образом, что большая часть тока протекает через шунт и меньше, максимум 100 мА через измерительное устройство.
У дорожки есть волоса? Какова ценность сопротивления? Эти вопросы разъясняются инженером-электронщиком с мультиметром в позиции «Измерение Ом». Сопротивление определяется на основе падения напряжения на измерительном объекте. Для результата важно правильный диапазон измерения. Измерительное напряжение должно быть настолько большим, чтобы компоненты не были разрушены. Практическим является использование диапазона Ом в качестве тестера непрерывности. На мультиметре эта функция отмечена диодом, символом зуммера или музыкальной записью.
3. Усилители постоянного тока служат для обеспечения согласования небольшого внутреннего сопротивления магнитоэлектрического измерительного механизма с большим сопротивлением нагрузки преобразователя. К усилителям постоянного тока предъявляются жесткие требования в отношении постоянства коэффициента усиления и малого дрейфа нуля, т. е. медленного изменения выходного сигнала при отсутствии на входе информационного сигнала. Они выполняются в виде мостовых схем с отрицательной обратной связью.
Емкости и индуктивность
Это позволяет легко измерить диоды, проводники и многое другое, не глядя на мультиметр: когда слышен звук, слышен свистящий звук. Если к аноду применен красный измерительный наконечник, черный - к катоду, то ток мультиметра течет в прямом направлении. Если у мультиметра есть возможность измерить конденсаторы и катушки, посмотрите в его руководстве пользователя, какие диапазоны измерений он знает. Не всегда возможно измерить наименьшие емкости или даже большие индуктивности. Мультиметры, которые имеют свои собственные соединения для конденсаторов или катушек, достигают довольно точных результатов, поскольку измерительные линии не используются и не втекают в измерение.
4. Преобразователи служат для преобразования переменного тока в постоянный, в качестве преобразователей служат детекторы. Детекторы можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное на следующие типы: квадратичные, линейные, амплитудные (пиковые). Тип детектора во многом определяет свойства прибора: так вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с квадратичными детекторами позволяют измерять напряжения любой формы; вольтметры с линейными детекторами пригодны только для измерения гармонического сигнала, но являются самыми простыми, надежными и дешевыми.
Неизвестный конденсатор подключается к предоставленному слоту приема, диапазон измерения вставлен и результат считывается. Измерительные конденсаторы и катушки в цепи невозможны с помощью мультиметра. Практически, у кого это есть, но это идет без - Транзистортеор. Счетчик должен показывать значение от 100 до 900. Если у вас есть измерительное устройство без транзистора, вы все равно можете помочь. Это лучше всего работает с аналоговым мультиметром или цифровым дисплеем, который имеет дисплей барграфа под цифровым дисплеем.
Он имитирует шаг аналоговых инструментов и делает тенденции четкими. Изображение: Практически для электриков, но не подходит для техников электроники: чистый вольтметр. Теперь используйте влажный палец, чтобы соединить красный измерительный наконечник с базовым входом транзистора. Правильное управление, указатель аналогового мультиметра перемещается, измеренное сопротивление значительно уменьшается. Используйте влажный палец между передатчиком и базой для подключения. Счетчик реагирует с правильным транзистором с уменьшением сопротивления.
Аналоговые электронные вольтметры могут строиться по двум основным схемам: усилитель – преобразователь и преобразователь – усилитель. Первая из схем обладает большой чувствительностью, но частотный диапазон у таких вольтметров определяется полосой пропускания усилителя переменного тока и составляет сотни килогерц; вторая схема используется в вольтметрах для измерения напряжения значительного уровня, т.к. обеспечить большое усиление с помощью усилителя постоянного тока сложно, зато частотный диапазон таких усилителей и, соответственно вольтметров, может составлять сотни мегагерц.
Способ 2: транзистор можно представить как состоящий из двух диодов. Мы используем это и проверяем два диода. Мультиметр используется для диодестест. Напряжение соответствует падению напряжения на диоде в прямом направлении. Измерение с помощью вольтметра влияет на измеряемую цепь в незначительной степени! Аналогичная ситуация возникает при измерении тока. Измеренный ток, таким образом, меньше теоретически ожидаемого значения. Мультиметр, показанный на видео, имеет внутреннее сопротивление 100 Ом в настройке для измерения тока до 2 мА.
Смартфон, ноутбук, кухонная утварь и т.д. ежедневно. Требуются источники питания, устройства, которые требуют разного напряжения и тока, чем источник питания. Выходное напряжение и максимальный выходной ток могут быть фиксированными или переменными, а также постоянным током или переменным током.
Электронные вольтметры могут иметь открытый или закрытый вход по отношению к постоянной составляющей измеряемого напряжения. При закрытом входе схема вольтметра содержит разделительный конденсатор, не пропускающий постоянную составляющую сигнала, при открытом входе такого конденсатора нет и на блоки вольтметра поступает как переменная, так и постоянная составляющая сигнала.
Например, в области разработки электроники, систем тестирования и сферы обслуживания. Тем не менее, лабораторные источники питания также входят в электронику хобби или в обучение, Например, в университетах. Этот тип источника питания включает в себя трансформатор, который преобразует входное напряжение в желаемое вторичное напряжение. Выпрямление по потоку выдает выпрямленное напряжение, которое затем подается на требуемое постоянное напряжение посредством следующей схемы. Регулируемое выходное напряжение реализуется с помощью линейного контроллера.
Элементная база, используемая при создании вольтметров переменного напряжения, определяется существующим на момент создания вольтметров уровнем техники (от полупроводников образцов до микроинтегрального исполнения), однако функциональное назначение блоков остается неизменным.
Вольтметры переменного тока (типа В3)
Преимущество этого метода схемы заключается в том, что выходное напряжение вряд ли содержит помеховые продукты, а остаточная пульсация относительно низкая. Однако этот тип схемы оказывает неблагоприятное влияние на вес и, прежде всего, на очень низкий КПД, который составляет лишь около 50%.
Это существенно отличается от устройств с коммутационным оборудованием, где КПД составляет от 70% до более 90%, что особенно важно для источников питания с очень высокой мощностью. Это достигается с помощью так называемых высоких или низких установочных устройств, которые работают, с одной стороны, с существенно более высокой рабочей частотой, в диапазоне от 10 кГц до 100 кГц, а с другой стороны - с сердечниками ферритового сердечника, что позволяет существенно повысить эффективность всей схемы.
Вольтметры переменного тока строятся по схеме усилитель-преобразователь. В качестве преобразователей могут использоваться квадратичные или линейные детекторы.
Если применяются квадратичные детекторы, то такие вольтметры называются вольтметрами среднеквадратических значений, их структурная схема приведена на рис. 7.10.
Когда выходное напряжение ниже линейного входного напряжения, инвертор называют выходным напряжением выше линейного входного напряжения. Недостатком этой концепции являются коммутируемые напряжения, которые обнаруживаются как возмущения или шум на выходном напряжении. Таким образом, качество соответствующего источника питания определяется последующими фильтрами для сглаживания выходного напряжения. Для более высоких требований линейные регуляторы обычно подключаются после этих источников питания.
Наиболее важные критерии выбора: напряжение, ток и мощность
Распределение и применение двух видов. Даже зарядные устройства мобильных телефонов в это время переставляют блоки питания. Даже с этими небольшими источниками питания отчетливо ощущается разница в весе. Эти три переменные являются наиболее важными критериями принятия решений при выборе источника питания. Доступная выходная мощность является продуктом выходного напряжения и выходного тока. В некоторых устройствах, однако, существуют ограничения, что общая выходная мощность может потребоваться во всем диапазоне выходного напряжения, но выходной ток от определенного выходного напряжения либо является жестким, либо имеет следующую формулу.
Рисунок. 7.10.
Квадратичный детектор преобразует переменное напряжение в постоянное, пропорциональное, согласно формуле (7.5), квадрату среднеквадратического значения измеряемого напряжения. Значит, измерение среднеквадратического напряжения связано с выполнением трех операций: возведение в квадрат мгновенного значения сигнала, усреднение и извлечение корня из результата усреднения (последняя операция обычно осуществляется при градуировки шкалы вольтметра). Возведение в квадрат мгновенного напряжения как правило производят с помощью полупроводникового диода, используя начальный участок вольт-амперной характеристики, описываемой квадратичной зависимостью. Однако протяженность квадратичного участка характеристики обычно невелика (не более 100 мВ), одним из методов для расширения этого участка является метод кусочно-линейной аппроксимации. Для этого в схему детектора включают несколько диодных ячеек и подбором напряжения смещения на диодах получают суммарную вольт-амперную характеристику, приближающуюся по форме к квадратичной кривой (рис. 7.11).
Для сравнения: дом с одной семьей имеет тепловую мощность около 5 кВт через «самую толстую» зиму. Один из инструментов, наиболее используемых инженерами или студентами, стремящимися стать инженерами в электронике, мехатронике, электромеханике, электронике и т.д. Несомненно, является вольтметром.
Вольтметр - это измерительный прибор, который служит для измерения разности потенциалов между двумя точками электрической цепи, эти точки - это то, что мы все знаем как положительные и отрицательные, или также называемые фазой и нейтралью. Проще говоря, вольтметр может измерять напряжение, обеспечиваемое источником питания, или выходом элемента, имеющего эту величину, однако для этого возможно положительный полюс, а отрицательный полюс должен быть подключен к входам или измерительные провода измерительного прибора.
Рисунок 7.11.
Если в вольтметрах переменного тока применяются линейные детекторы, то такие вольтметры называются вольтметрами средневыпрямленных значений, структурная схема таких вольтметров приведена на рис. 7.12.
В настоящее время существует несколько типов вольтметров, среди наиболее распространенных - цифровой и аналоговый вольтметр, однако есть и другие, которые менее распространены, чем электромеханические и векторные, каждый из которых используется для измерения напряжения в разных условиях.
Аналоговый или аналоговый вольтметр
Этот инструмент характеризуется тем, что он инкапсулирован в небольшую прозрачную коробку, внутри которой находится игла, проходящая через шкалу значений. Они широко используются в проектах электроники или на платформах, которые работают с легковоспламеняющимися газами, поскольку они не такие электрические, что они менее подвержены взрыву.
Рисунок 7.12
В таких вольтметрах в качестве преобразователя используется линейный детектор, преобразующий переменное напряжение в постоянный ток, пропорциональный средневыпрямленному значению измеряемого напряжения. Такие преобразователи выполняются по схемам двухполупериодного выпрямления и используют линейный участок вольт-амперной характеристики полупроводникового диода. Аналоговый вольтметр средневыпрямленных значений по сравнению с выпрямительным вольтметром имеет более высокую чувствительность и меньшее потребление мощности от измерительной цепи. Эти вольтметры откликаются на средневыпрямленное значение, градуируются в среднеквадратических значениях и имеют коэффициент градуировки С=1.
Обычно один и тот же инструмент не может измерять постоянный ток и переменный ток, поэтому у вас должен быть один для каждого типа тока. Их масштаб измерения и физические характеристики изменяются по мере увеличения цены. Как и аналоговый вольтметр, они используются для измерения разности потенциалов между двумя точками схемы. Единственные различия между этими типами цифровых и аналоговых счетчиков заключаются в том, что цифровые имеют ЖК-экран, на котором показано показание напряжения, он с меньшей вероятностью потеряет свою калибровку, но функция, с которой они делятся, заключается в том, что она не может использоваться тот же инструмент для измерения прямого и переменного тока.
Импульсные вольтметры (типа В4)
Импульсные вольтметры строятся по схеме преобразователь - усилитель, в качестве преобразователя используется амплитудный детектор, напряжение на выходе которого соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого сигнала. Структурная схема импульсного вольтметра приведена на рис. 7.13.
Это наименее известный измеритель напряжения. Они обычно используются для измерения напряжения СВЧ-сигналов. Мультиметр - это инструмент, который собирает в одном только первые три. Принцип работы этих устройств может быть аналоговым или цифровым. Аналоговые приборы построены из базовой единицы большой чувствительности, называемой гальванометром. В общем, приборы предназначены для измерения электрических величин в широком диапазоне значений. Для расширения диапазона измерений базовых блоков используются электронные резисторы или усилители.
Рисунок. 7.13
Отличительной особенностью амплитудного (пикового) детектора является наличие элемента памяти, которым служит конденсатор, «запоминающий» пиковое значение измеряемого напряжения.
Простейшие схемы амплитудных детекторов:
а) детектор с последовательным включением диода (детектор с открытым входом);
б) детектор с параллельным включением диода (детектор с закрытым входом).
Рисунок 7.14
Амплитудный детектор осуществляет преобразование переменного сигнала в постоянный, пропорционально значению входного сигнала, поэтому такие вольтметры откликаются на максимальные значения, градуируются в максимальных значениях и имеют С=1.
Универсальный вольтметр (типа В7)
Универсальный вольтметр позволяет измерять как постоянный, так и переменный ток. При измерении переменного напряжения вольтметр имеет схему преобразователь - усилитель. В качестве преобразователя используется амплитудный (пиковый) детектор, напряжение на выходе которого соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого сигнала. При измерении постоянного напряжения оно через входное устройство подается на усилитель постоянного тока и обеспечивает отклонение стрелки магнитоэлектрического измерительного механизма. Структурная схема универсального вольтметра приведена на рис. 7.15.
Рисунок 7.15 4.12
Амплитудный детектор осуществляет преобразование переменного сигнала в постоянный, пропорциональный максимальному значению входного сигнала, поэтому такие вольтметры откликаются на максимальное значение сигнала, градуируются в среднеквадратических значениях. Эти параметры переменного напряжения связаны между собой в соответствии с (7.7) коэффициентом амплитуды, поэтому коэффициент градуировки универсального вольтметра равен
Характеристики рассмотренных вольтметров приведены в таблице 7.1.
Таблица 7.1
Тип вольтметра |
Тип преобразователя |
Значение напряжения, на которое откликается вольтметр, Uотк |
Значение напряжения, в котором отградуирован вольтметр, Uград |
Значение коэффи-циента градуиров-ки, С |
Универсальный |
Макс. значение |
|||
Импульсный |
Макс. значение |
|||
Средневыпрям. знач. |
Средневыпям. |
|||
Среднеквадр. знач. |
Среднеквадр. знач. |
|||
Выпрямит. |
Средневыпям. |
|||
Теромоэлектр. |
Среднеквадр. знач. |
|||
Электростат. |
||||
Электродин. |
||||
Электромагн. |
||||
Магнитоэлектр |
В/1 – выпрямительный с однополупериодной схемой выпрямления
В/1 – выпрямительный с двухполупериодной схемой выпрямления
Для усвоения материала курса по разделу «Измерение тока и напряжения» предусматривается решение задач по определению показаний вольтметров при различных формах измеряемых напряжений.
Для определения показаний вольтметров необходимо выполнить следующие операции:
1) Записать математическую модель измеряемого напряжения;
2) Учесть тип входа; при закрытом входе вычислить постоянную слагаемую и убрать её из измеряемого напряжения;
3) Найти напряжение, на которое откликается вольтметр Uотк;
4) Найти показания вольтметра U=CUотк
Характеристики вольтметров различных систем, необходимых при решении таких задач, берутся из таблицы 7.1.
Следует отметить, что наиболее близкими измерительными приборами к вольтметрам являются псофометры и измерители уровня.
Псофометр – это электронный вольтметр среднеквадратических значений, амплитудно-частотная характеристика усилителя которого определяется характеристикой, входящего в него псофометрического фильтра. Псофометрический фильтр отражает частотную характеристику избирательности органов восприятия, и вид ее установлен на основе экспериментальных исследований и рекомендаций МККТТ. Обычно в состав прибора входят два псофометрических фильтра – с телефонной и вещательной псофометрическими характеристиками.
Измеритель уровня – это квадратичный вольтметр, шкала которого проградуирована в логарифмических единицах (децибелах). Специфическим для измерителя уровня является также возможность устанавливать определенные значения входного сопротивления: 600 Ом, что соответствует входному и выходному сопротивлениям канала тональной частоты, 150, 135 и 75 Ом для групповых трактов.
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ВУЗ АВИЭК
ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАТИКИ
ДИСЦИПЛИНА: «Стандартизация и измерительные технологии»
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА : «АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ.»
Выполнил:
Ст-т гр. ЗПОС-96-1
Гринев М.В.
Доцент, к.т.н.
Нурманов М.Ш.
Алматы 2000 г.
ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМИ АНАЛОГОВЫМИ ВОЛЬТМЕТРАМИ
Электронные аналоговые вольтметры являются первым примером электронных измерительных приборов, рассматриваемых в курсе. Среди них встречаются как вольтметры прямого преобразования, так и вольтметры сравнения. Рассмотрим принцип работы, структурные схемы и основные функциональные узлы аналоговых вольтметров прямого преобразования и сравнения.
АНАЛОГОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
Структурная схема электронного аналогового вольтметра прямого преобразования соответствует типовой схеме рис. 2.1 и, как видно из рис. 3.13, в самом общем случае включает входное устройство (ВУ), на вход которого подается измеряемое напряжение Ux , ИП и магнитоэлектрический прибор, применяемый в качестве ИУ.
Входное устройство представляет в простейшем случае делитель измеряемого напряжения - аттенюатор, с помощью которого расширяются пределы измерения вольтметра. Помимо точного деления Ux, ВУ не должно снижать входной импеданс вольтметра, влияющий, как уже неоднократно подчеркивалось, на методическую погрешность измерения Ux- Таким образом, использование ВУ в виде аттенюатора является, в дополнение к добавочным
Р и с. 3.13. Обобщенная структурная схема аналогового вольтметра прямого преобразования.
сопротивлениям и измерительным трансформаторам напряжения, еще одним способом расширения пределов измерения вольтметров. Именно этот способ применяется в электронных вольтметрах и других радиоизмерительных приборах.
В качестве ИП в вольтметрах постоянного тока (В2) применяется усилитель постоянного тока (УПТ), а в вольтметрах переменного и импульсного тока (ВЗ и В4) -детектор в сочетании с УПТ или усилителем переменного тока. Более сложную структуру имеют преобразователи в вольтметрах остальных видов. В частности, преобразователи селективных вольтметров (В6) должны обеспечить, помимо детектирования и усиления сигнала, селекцию его по частоте, а преобразователи фазочувствительных вольтметров (В5) - возможность измерения не только амплитудных, но и фазовых параметров исследуемого сигнала.
Структурная схема аналогового вольтметра постоянного тока соответствует обобщенной схеме рис. 3.13. Основным функциональным узлом таких вольтметров является УПТ. Современные вольтметры постоянного тока разрабатываются в основном как цифровые приборы.
Вольтметры переменного и импульсного тока в зависимости от назначения могут проектироваться по одной из двух структурных схем (рис. 3.14), различающихся типом ИП. В вольтметрах первой модификации (рис. 3.14, а) измеряемое напряжение Ux ^ преобразуется в постоянное напряжение Ux =, которое затем измеряется вольтметром постоянного тока. Наоборот, в вольтметрах второй модификации (рис. 3.14, б) измеряемое напряжение сначала усиливается с помощью усилителя переменного тока, а затем детектируется и измеряется. При необходимости между детектором и ИУ может быть дополнительно включен УПТ.
Сравнивая структурные схемы рис. 3.14, можно еще до рассмотрения схемных решений их функциональных узлов сделать определенные выводы в отношении свойств вольтметров обеих модификаций. В частности, вольтметры первой модификации в отношении диапазона частот измеряемых напряжений не имеют таких ограничений, как вольтметры второй модификации, где этот параметр зависит от полосы пропускания усилителя переменного тока. Зато вольтметры второй модификации имеют высокую чувствительность. Из курса «Усилительные устройства» известно, что с помощью усилителя переменного тока можно получить значительно больший коэффициент усиления, чем с помощью УПТ, т. е. проектировать микровольтметры, у которых нижний предел Ux ^. ограничивается собственными шумами усилителя. За счет изменения
Рис. 3.14. Структурные схемы аналоговых вольтметров переменного и импульсного тока:
а-с детектором на входе; б - с усилителем переменного тока на входе.
коэффициента деления ВУ и коэффициента усиления усилителей диапазон измеряемых напряжений может быть большим у вольтметров обеих модификаций.
Тип детектора в структурных схемах рис. 3.14 определяет принадлежность вольтметров обеих модификаций к вольтметрам амплитудного, среднеквадратического или средневыпрямленного напряжения. При этом вольтметры импульсного тока (В4) проектируются только как вольтметры первой модификации, чтобы избежать искажений формы импульсов в усилителе переменного тока. При измерении напряжения одиночных и редко повторяющихся импульсов применяются либо диодно-емкостные расширители импульсов в сочетании с детекторами, либо амплитудно-временное преобразование импульсов, характерное для цифровых вольтметров.
Рассмотрим теперь типовую структурную схему селективных вольтметров, которые используются при измерении малых гармонических напряжений в условиях действия помех, при исследовании спектров периодических сигналов и в целом ряде других случаев. Как видно из рис. 3.15, вольтметр представляет собой по существу супергетеродинный приемник, принцип работы которого поясняется в курсе «Радиотехнические цепи и сигналы».
Частотная селекция входного сигнала осуществляется с помощью перестраиваемого гетеродина, смесителя (См) и узкополосного усилителя промежуточной частоты (УПЧ), который обеспечивает высокую чувствительность и требуемую избирательность. Если избирательность недостаточна, может быть применено двукратное, а иногда и трехкратное преобразование частоты. Кроме того, в селективных вольтметрах обязательно наличие системы автоматической подстройки частоты и калибратора. Калибратор - образцовый
источник (генератор) переменного напряжения определенного уровня, позволяющий исключить систематические, погрешности из-за изменения напряжения гетеродина при его перестройке, изменения коэффициентов передачи узлов вольтметра, влияния внешних факторов и т. д. Калибровка вольтметра производится перед измерением при установке переключателя П из положения 1 в положение 2.
Рис. 3.15. Структурная схема селективного вольтметра.
В заключение отметим, что в одном приборе нетрудно совместить функции измерения постоянных и переменных напряжений, а с помощью дополнительных функциональных узлов и соответствующих коммутаций (по аналогии с выпрямительными приборами) образовать комбинированные приборы, получившие название универсальных вольтметров (В7). Современные типы таких вольтметров, как правило, проектируются в виде цифровых приборов, что позволяет дополнительно расширить их функциональные возможности и повысить точность. В связи с этим особенности построения структурных схем универсальных вольтметров будут рассмотрены в работах коллег.
АНАЛОГОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ СРАВНЕНИЯ
Рис. 3.16. Схема измерительного потенциометра.
Электронные аналоговые вольтметры сравнения в большинстве своем реализуют наиболее распространенную модификацию метода сравнения - нулевой метод. Поэтому чаще они называются компенсационными вольтметрами. По сравнению с вольтметрами прямого преобразования это более сложные, но и, как подчеркивалось ранее более точные приборы. Кроме того, из схемы рис. 2.2 видно, что в момент компенсации DХ=0 и прибор не потребляет мощности от источника X. Применительно к компенсационным вольтметрам это означает возможность измерения не только напряжения, но и ЭДС маломощных источников. В практике электрорадиоизмерений подобные измерения выполняются как с помощью электронных компенсационных вольтметров, так и электромеханических. Для пояснения применения нулевого метода при измерении ЭДС и напряжения рассмотрим вначале классическую схему электромеханического компенсатора постоянного тока, представленную на рис. 3.16.
Одним из основных функциональных узлов любого компенсатора является высокоточный переменный резистор R , по шкале которого отсчитывают измеряемое значение ЭДС (Ех) или напряжения (Ux). Поэтому компенсаторы принято называть по ГОСТ 9245-79 измерительными потенциометрами. В качестве образцовой меры ЭДС применяется нормальный элемент (НЭ) - электрохимический источник, ЭДС (Еа) которого известна с очень высокой степенью точности. Однако емкость НЭ невелика, и длительное сравнение в процессе измерений Ex (Ux ) с Ен невозможно. Поэтому схема потенциометра дополняется вспомогательным источником ЭДС (Еo) большой емкости. Для сравнения с Ex (Ux ) используется падение напряжения на образцовом резисторе R н., создаваемое током от источника E о- рабочим током (Iр), который предварительно устанавливается. Таким образом, процесс измерения Ex { Ux ) должен состоять из двух этапов.
На первом этапе устанавливается требуемое значение Iр. Для этого переключатель устанавливается в положение 1 и с помощью потенциометра Rp добиваются нулевого показания индикатора И (как правило, магнитоэлектрический гальванометр). Как видно из рис. 3.16, этому соответствует IpR н= E н, т. е. рабочий ток Iр, который далее должен оставаться постоянным, будет воспроизводить в процессе измерений значение Ен.
На втором этапе измеряют значение Ex(Ux). Для этого переключатель переводится в положение 2, и изменением сопротивления потенциометра R вновь добиваются нулевого показания И. При Iр = const этому соответствует Ex (Ux ) = IpR , т. е. искомое значение Ex (U ^}^. R и может быть отсчитано по шкале R.
Таким образом, метрологические характеристики измерительных потенциометров постоянного тока определяются параметрами НЭ, образцовых резисторов, индикатора и источника Еу. В качестве НЭ применяются насыщенные и ненасыщенные обратимые гальванические элементы, положительный электрод которых образуется ртутью, а отрицательный - амальгамой кадмия. Классы точности НЭ регламентируются ГОСТ 1954-82 в пределах 0,0002…0,02 и определяют класс точности потенциометра в целом. Потенциометр R выполняется по специальной схеме, обеспечивающей постоянство /р при изменении R и необходимое число знаков (декад) при отсчете Ex (Ux ). Этим требованиям удовлетворяют схемы с замещающими и шунтирующими декадами.
Измерительные потенциометры могут использоваться и для измерения переменных напряжений. Однако компенсирующее напряжение необходимо в этом случае регулировать не только по модулю, но и по фазе. Поэтому такие потенциометры имеют более сложную схему, чем потенциометры постоянного тока, а по точности значительно уступают им из-за отсутствия на переменном токе образцовой меры, аналогичной по своим характеристикам НЭ. В практике электрорадиоизмерений они полностью вытеснены электронными компенсационными вольтметрами.
В компенсационных вольтметрах измеряемое напряжение (постоянное, переменное, импульсное) сравнивается с постоянным компенсирующим напряжением, которое в свою очередь точно измеряется вольтметром постоянного тока и является мерой Ux. Типовая структурная схема такого вольтметра приведена на рис. 3.17.
Как видно из рис. 3.17, основу вольтметра составляет компенсационный ИП, состоящий из измерительного диода V с нагрузкой R, регулируемого источника постоянного компенсирующего напряжения -Ек, усилителя и индикатора с двумя устойчивыми состояниями. При отсутствии Ux индикатор, реализуемый с помощью
функциональных узлов находится в первом устойчивом состоянии, а при некотором пороговом значении переходит во второе состояние. Процесс измерения Ux как раз и сводится к постепенному увеличению Ек до тех пор, пока индикатор не перейдет во второе устойчивое состояние. Значение Ек, соответствующее моменту перехода, измеряется вольтметром постоянного тока и является мерой Ux.
Рис. 3.17. Структурная схема компенсационного вольтметра.
В сочетании с другими схемными решениями (применение индикатора с малым пороговым напряжением, лампового измерительного диода со стабильной характеристикой и др.) оказывается возможным проектировать высокоточные компенсационные вольтметры.
Недостаток рассмотренной схемы - необходимость установки Ей вручную. Поэтому в большинстве вольтметров схему ИП усложняют, обеспечивая автоматическую компенсацию Ux и Ек. Автокомпенсационные вольтметры являются прямопоказывающими приборами и более удобны в эксплуатации.
ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ АНАЛОГОВЫХ ВОЛЬТМЕТРОВ
Рассмотрим схемные решения основных функциональных узлов, определяющих метрологические характеристики аналоговых вольтметров. Большинство этих узлов применяются и в других видах электронных измерительных приборов.
Входное устройство
Как уже указывалось выше, ВУ предназначено для расширения пределов измерения вольтметра. В простейшем случае оно представляет собой аттенюатор, выполненный по резистивной (рис. 3.18, а), емкостной (рис. 3.18, б) или комбинированной (рис. 3.18, в) схемам.
Выполнение остальных требований и прежде всего обеспечение высокого входного сопротивления и минимальной входной емкости вольтметра приводит в ряде случаев к усложнению структуры ВУ. Наиболее универсальным и часто применяемым в современных вольтметрах переменного тока является ВУ, структурная схема которого представлена на рис. 3.19.
Принципиальной особенностью данной схемы является изменение Uв с помощью низкоомного резистивного аттенюатора с постоянным входным и выходным импедансом. Это повышает точность измерения Ux ~, но требует введения в структуру ВУ преобразователя импеданса (ПИ), обеспечивающего трансформацию высокого входного сопротивления вольтметра в малое входное сопротивление аттенюатора. В качестве ПИ наиболее часто используют повторитель напряжения на полевом транзисторе с глубокой отрицательной обратной связью. С помощью
Рис. 3.18. Схемы аттенюаторов вольтметров:
а-на резисторах; б - на конденсаторах; в - комбинированная.
Рис. 3.19. Структурная схема универсального входного устройства.
входного делителя напряжения (ВДН) предусматривается дополнительная возможность расширения пределов измерения вольтметра. ВДН представляет собой фиксированный делитель резистивно-емкостного типа (см. рис. 3.18, в)
На высоких частотах входное сопротивление вольтметра уменьшается, а входная емкость и индуктивности проводников образуют последовательный колебательный контур, который на резонансной частоте имеет практически нулевое сопротивление. Для нейтрализации этих эффектов ПИ конструктивно выполняется как выносной пробник с ВДН в виде насадки.
Усилители
Усилители постоянного тока, как видно из структурных схем (см. рис. 3.13 и 3.14, о), обеспечивают получение мощности, достаточной для приведения в действие ИМ магнитоэлектрического прибора, и согласование входного сопротивления ИУ с выходным сопротивлением ВУ или детектора. К УПТ предъявляются два основных требования: высокое постоянство коэффициента усиления и пренебрежимо малые флюктуации выходной величины при отсутствии Ux = (Дрейф нуля). Поэтому все практические схемы УПТ имеют глубокую отрицательную обратную связь (ООС), обеспечивающую стабильную работу их и нечувствительность к перегрузкам. Радикальными методами борьбы с дрейфом нуля являются его периодическая коррекция, а также преобразование Uх= в переменное напряжение с последующим усилением и выпрямлением этого напряжения.
Усилители переменного тока в соответствии со своим функциональным назначением (см. рис. 3.14, б) должны иметь высокую чувствительность, большое значение и высокую стабильность коэффициента усиления, малые нелинейные искажения и широкую полосу пропускания (за исключением УПЧ селективного вольтметра). Удовлетворить этим противоречивым требованиям могут только многокаскадные усилители с ООС и звеньями для коррекции частотной характеристики. В некоторых случаях применяются логарифмические усилители для получения ^линейной шкалы в децибелах. Если ставится задача минимизации аддитивной погрешности вольтметра, усилители могут быть двухканальными с усилением основного сигнала и сигнала, корректирующего аддитивную погрешность. Для расширения функциональных возможностей многие вольтметры имеют специальный выход усилителя и могут использоваться как широкополосные усилители. Более того, усилители могут выпускаться как самостоятельные измерительные приборы, образуя подгруппу У.
Детально усилители постоянного и переменного тока рассматриваются в курсе «Усилительные устройства».
Детектор
Тип детектора определяет, как уже указывалось, принадлежность вольтметров переменного тока к вольтметрам амплитудного, среднеквадратического или средневыпрямленного напряжения. В соответствии с этим сами детекторы классифицируются следующим образом: по параметру Ux ~^ которому соответствует ток или напряжение в выходной цепи детектора: пиковый детектор, детекторы среднеквадратического и средневыпрямленного значений напряжения; по схеме входа: детекторы с открытым и закрытым входом по постоянному напряжению;
по характеристике детектирования: линейные и квадратичные детекторы.
Рис. 3.20. Схемы пикового детектора:
А - с открытым входом; Б - с закрытым входом.
Пиковый детектор - это детектор, выходное напряжение которого непосредственно соответствует t/max или <7min (Ов или Us ). Пиковый детектор относится к линейным и может иметь открытый (рис. 3.20, а) или закрытый (рис. 3.20, б) вход по постоянному напряжению.
Принцип работы пиковых детекторов специфичен и заключается в заряде конденсатора С через диод V до максимального (пикового) значения Ux~, которое затем запоминается, если постоянная времени разряда С (через R ) значительно превышает постоянную времени заряда. Полярность включения V определяет соответствие Ux=, либо Umax (U в), либо Umin(Uн), а возможные пульсации Uх= сглаживаются цепочкой Рф, Сф. Если детектор имеет открытый вход, Uх= определяется суммой U и U в(U н), т. е. соответствует Umax (Umin) При закрытом входе Uх= соответствует U в(U н). Если же Ux ~ не содержит постоянной составляющей, то схемы, изображенные на рис. 3.20, а, б, идентичны, а Uх= соответствует Um . В некоторых случаях применяют двухполупериодные пиковые детекторы с удвоением напряжения, позволяющие прямо измерять значение размаха напряжения.
Существенным достоинством пиковых детекторов являются большое входное сопротивление (равное R /2 для схемы на рис. 3.20, а и R /3- для схемы на рис. 3.20, б) и наилучшие по сравнению с другими типами детекторов частотные свойства. Поэтому пиковые детекторы наиболее часто применяют в вольтметрах первой модификации (см. рис. 3.14, о), конструктивно оформляя совместно с ВУ в виде выносного пробника. В этом случае по кабелю, соединяющему пробник с прибором, передается Uх=.
Детектор среднеквадратического значения- это преобразователь переменного напряжения в постоянный ток (напряжение), пропорциональный U 2 ск . Характеристика детектирования в этом случае должна быть квадратичной, а при на. личии U- необходим детектор с открытым входом. В современных типах вольтметров применяются в основном квадратичные детекторы с термопреобразователями, аналогичными преобразователям термоэлектрических амперметров. Основным недостатком их, как отмечалось ранее, является квадратичный характер шкалы прибора. В вольтметрах этот недостаток устраняется применением дифференциальной схемы включения двух (или более) термопреобразователей, как показано на рис. 3.21.
Рис. 3.21. Структурная схема детектора среднеквадратического значения напряжения.
При подаче на термопреобразователь ТП1 измеряемого напряжения U х~ выходное напряжение ТП1 по аналогии с (3.26) U 1 =k t U 2 ск.
Кроме ТП1, в схеме имеется второй термопреобразователь ТП2, включенный встречно с ТП1. На ТП2 подается напряжение обратной связи, поэтому его
выходное напряжение U 2 == k t BU 2 3 .
Таким образом, на входе УПТ имеет место результирующее напряжение
U 1 – U 2 = kt(U 2 ск - BU 2 3)
чему соответствует
U 3 = k упт k т (U 2 ск - BU 2 3).
Если параметры схемы выбрать так, чтобы
k упт k т BU 2 3 >> U 3 ,
то тогда окончательно U 3 º U ск , т. е. шкала ИУ будет равномерной.
Детектор средневыпрямленного значения- это преобразователь переменного напряжения в постоянный ток, пропорциональный Uсв. Схемно он базируется на двухполупериодном полупроводниковом выпрямителе, рассмотренном при анализе выпрямительных амперметров (см. § 3.4.1). Необходимо, однако, добавить, что линейность характеристики таких детекторов будет тем лучше, чем больше U х~ (при малых Ux ~ детектор становится квадратичным). Поэтому детекторы средневыпрямленного значения, как правило, применяют в вольтметрах второй модификации (рис. 3.14, б).