아날로그 전압계. 전자 아날로그 전압계를 이용한 전압 측정

강의 #5

전자 아날로그 장치 및 변환기

전자 아날로그 장치 및 변환기는 아날로그 전자 장치를 사용하여 측정 정보 신호를 변환하는 측정 장비입니다. 이러한 수단의 출력 신호는 측정된 값의 연속 함수입니다. 전자 기기변환기는 전압, 전류, 주파수, 전력, 저항 등 거의 모든 전기량을 측정하는 데 사용됩니다.

장점전자 측정 장비:

증폭기 사용으로 인한 높은 감도;

측정이 이루어지는 회로의 낮은 에너지 소비는 높은 수준에 의해 결정됩니다. 입력 임피던스기기 데이터;

감도가 변하지 않는 넓은 주파수 범위.

측정의 목적은 이 값을 결정하는 것입니다. 따라서 피크 전압을 측정해야 하며 이를 위해 전압을 출력하는 측정 정류기를 사용하는 것이 논리적입니다. 직류측정된 임펄스 전압의 피크 값에 해당합니다. 쌀. 27 피크 정류기에 의한 임펄스 전압 처리. 충전저항이 작아서 충전이 빠릅니다. 이를 통해 매우 짧은 펄스를 장기간 측정할 때 심각한 오류가 발생할 수 있음을 알 수 있습니다.

상황은 병렬 피크 정류기와 매우 유사합니다. 작은 임펄스 전압 측정을 달성하려면 방전 저항이 커야 합니다. 즉, 입력 전압에는 일정한 전압계와 피크 정류기가 있어야 합니다. 정류기 앞에 입력 저항이 높고 출력 저항이 낮은 임피던스 변환기를 배치하면 충전 저항을 작게 만들 수 있습니다. 올바른 배열을 사용하면 드물게 발생하는 펄스도 측정할 수 있습니다.

결함:

많은 수의 부품과 요소로 인한 복잡성;

장치에 포함된 전자 장치용 전원 공급 장치의 필요성;

요소 수가 많아 신뢰성이 상대적으로 낮습니다.

전자전압계

전자 전압계에서 측정된 전압은 아날로그 전자 장치에 의해 직류로 변환되며, 이는 전압 단위로 눈금이 표시된 자기전기 측정 메커니즘에 공급됩니다. 전자 전압계는 높은 감도와 광범위한 측정 전압(직류에서 수십 나노볼트부터 수십 킬로볼트까지), 높은 입력 저항(1MΩ 이상)을 가지며 넓은 주파수 범위(직류에서 주파수까지)에서 작동할 수 있습니다. 수백 MHz 정도).

많이있다 다양한 방식전압계. 목적과 작동 원리에 따라 가장 일반적인 전압계는 DC 전압계로 나눌 수 있습니다. 교류, 보편적이고 충동적이고 선택적입니다.

DC 전압계.이러한 전압계의 단순화된 블록 다이어그램이 그림에 나와 있습니다. 5.1, 여기서 VD– 입력 전압 분배기; UPT– DC 증폭기; 그들을– 자기전기 측정 메커니즘; 유 엑스– 측정된 전압.

쌀. 5.1. 전자 DC 전압계의 구조도

전압 분배기와 증폭기의 직렬 연결을 통해 전압계의 전체 변환 계수를 넓은 범위에 걸쳐 변경함으로써 전압계를 고감도 및 다중 제한으로 만들 수 있습니다. 이득을 증가시켜 DC 전압계의 감도를 높입니다. UPT 케이 UPT업무 불안정으로 기술적인 어려움이 있는 경우 UPT, 변화를 특징으로 하는 케이 UPT증폭기 출력 신호의 자발적인 변화("제로" 드리프트). 따라서 그러한 전압계에서는 케이 UPT≒1, 그리고 주요 목적 UPT- 전압계의 큰 입력 저항을 제공합니다.

DC 전압계의 이 블록 다이어그램은 범용 전압계의 일부로 사용됩니다. AC-DC 변환기를 추가하면 AC 전압을 측정하는 것이 가능해지기 때문입니다.

AC 전압계.이러한 전압계는 AC-DC 변환기, 증폭기 및 자기전기 측정 메커니즘으로 구성됩니다. AC 전압계에는 특성이 다른 두 가지 일반화된 블록 다이어그램(그림 5.2)이 있습니다. 그림의 구성에 따른 전압계에서. 5.2, ㅏ측정된 전압 유 엑스, 먼저 DC 전압으로 변환된 다음 에 적용됩니다. UPT그리고 그들을, 이는 본질적으로 DC 전압계입니다. 변환기 등비선형 링크이므로 이 구조의 전압계는 넓은 주파수 범위에서 작동할 수 있습니다. 동시에 이러한 단점은 UPT저전압에서 비선형 요소의 작동 특성으로 인해 이러한 전압계를 매우 민감하게 만들 수 없습니다.

쌀. 5.2. AC 전압계의 구조 다이어그램

그림의 구성에 따라 만들어진 전압계에서. 5.2, 비, 사전 증폭으로 인해 감도를 높일 수 있습니다. 그러나 넓은 범위에서 작동하는 고이득 AC 증폭기의 생성 주파수 범위, 기술적으로 어려운 문제입니다. 따라서 이러한 전압계는 상대적으로 낮습니다. 주파수 범위(1~10MHz).

진폭, 평균 또는 유효 값의 전압계가 있습니다.

쌀. 5.3. 개방형 입력이 있는 진폭 값 변환기(피크 검출기) 신호의 구성표(a) 및 타이밍 다이어그램

피크값 전압계개방형 진폭 값 변환기(피크 감지기)가 있습니다(그림 5.3, ㅏ) 입력, 여기서 유 ~에그리고 유 출구– 변환기의 입력 및 출력 전압. 전압계가 그림의 구조를 가지고 있다면. 5.3, ㅏ, 변환기의 경우 유 ~에 =유 엑스. 개방형 입력이 있는 진폭 변환기에서 커패시터는 거의 최대로 충전됩니다. 유 최대입력 전압의 양의 (다이오드가 포함 된) 값 (그림 5.3, b). 전압 리플 유 출구커패시터의 다이오드 개방 상태에서 재충전하는 것으로 설명됩니다. 유 ~에 >유 출구, 그리고 다이오드가 닫힌 상태에서 저항기 R을 통해 방전됩니다. 유 ~에 <유 출구 .

범용 전압계.이러한 전압계는 DC 및 AC 전압을 측정하도록 설계되었습니다. 일반화된 블록 다이어그램이 그림에 나와 있습니다. 5.4, ​​여기서 안에- 스위치. 스위치 위치에 따라 안에전압계는 변환기가 있는 교류 전압계 방식에 따라 작동합니다. 피(위치 1 ) 또는 DC 전압계(위치 2 ).

쌀. 5.4. 범용 전압계의 구조 다이어그램

결합 전압계라고도 하는 범용 전압계에서는 저항을 측정하는 것이 가능한 경우가 많습니다. 아르 자형 엑스. 이러한 전압계에는 변환기가 있습니다 피 아르 자형, 출력 전압은 알려지지 않은 저항에 따라 달라집니다. 유 출구 =에프(아르 자형 엑스 ). 이러한 의존성을 기반으로 장비의 규모는 저항 단위로 교정됩니다. 측정시에는 컨버터의 입력단자에 저항을 알 수 없는 저항을 연결하고 스위치를 위치로 설정한다. 3 .

펄스 전압계.다양한 형태의 펄스 신호의 진폭을 측정하기 위해 펄스 전압계가 사용됩니다. 펄스 전압계 작동의 특징은 측정된 펄스의 짧은 지속 시간(10-100ns)과 상당한 듀티 사이클에 의해 결정됩니다.

(최대 10 9), 여기서 티펄스 반복주기입니다.

펄스 전압계는 그림의 블록 다이어그램에 따라 만들 수 있습니다. 5.2, ㅏ, 개방형 입력으로 진폭 값 변환기를 사용하는 동안 (그림 5.3, ㅏ). 펄스의 큰 듀티 사이클과 짧은 지속 시간은 진폭 값 변환기에 엄격한 요구 사항을 부과합니다. 따라서 펄스 전압계에서는 진폭 변환기의 보상 회로가 사용됩니다 (그림 5.5).

쌀. 5.5. 진폭 변환기의 보상 방식

입력 펄스 유 ~에커패시터를 충전하다 와 함께 1 . 측정된 펄스의 재충전과 펄스 사이의 방전으로 인해 발생하는 이 커패시터 전압의 가변 구성요소(그림 5.3과 유사) 비), 증폭기에 의해 증폭됨 ~에교류 및 다이오드로 정류 디 2 . 회로 시정수 RC 2 충분히 크게 선택되었으므로 커패시터 양단의 전압 와 함께 2 펄스 사이의 간격이 크게 변경됩니다. 저항을 사용하는 변환기의 출력에서 아르 자형 o.s.커패시터에 대한 피드백 와 함께 1 보상전압이 인가된다. 증폭기의 이득이 크면 커패시터 양단의 전압 가변 구성 요소가 크게 감소합니다. 와 함께 1 , 그 결과 정상 상태에서 커패시터의 전압은 측정된 펄스의 진폭과 거의 동일하며 출력 전압은 이 진폭에 비례합니다.

.

선택적 전압계.이러한 전압계는 특정 주파수 대역에서 전압의 유효 값 또는 측정된 신호의 개별 고조파 구성 요소의 유효 값을 측정하도록 설계되었습니다.

선택적 전압계의 작동 원리는 조정 가능한 대역 통과 필터를 사용하여 신호 또는 협대역 신호의 개별 고조파 성분을 분리하고 선택된 신호의 유효 값을 측정하는 것입니다.

물리적으로 구현된 대역통과 필터에는 엄격한 직사각형 주파수 응답(AFC)이 없습니다. 이로 인해 특정 이득을 갖는 인접한 고조파 성분이 이러한 필터를 통과하게 될 수 있습니다. 이 경우 선택전압계는 각 성분의 실제 투과계수를 고려하여 필터를 통과한 고조파 성분의 합에 대한 실효값을 측정합니다.

쌀. 5.6. 선택적 전압계의 블록 다이어그램

측정된 신호 유 엑스선택적 입력 증폭기를 통해 VU는 측정된 신호의 주파수 스펙트럼을 변환하도록 설계된 믹서 Cm에 공급됩니다. 믹서의 출력에는 측정된 신호에 비례하는 신호가 나타나지만 스펙트럼의 주파수는

, 어디 - 입력 신호의 고조파 성분의 주파수; - 정현파 발생기의 신호 주파수 G(헤테로다인). IF 증폭기 HRO고정된 주파수에 맞춰져 있음

. 그러므로 나가는 길에 HRO믹서 출력 신호의 해당 구성 요소만 통과하며 그 주파수는

. 이 신호는 주파수와 함께 측정된 신호의 고조파 성분에 해당합니다.

. 이 고조파 성분의 실효값은 실효값 전압계로 측정됩니다. VDZ. 발전기의 주파수를 변경함으로써 , 신호의 다양한 고조파 성분의 유효 값을 측정할 수 있습니다. 유 엑스 .

이 회로에서 대역 통과 필터의 기능은 다음과 같이 수행됩니다. HRO. 튜닝 주파수의 고정된(조정할 수 없는) 값으로 인해 HRO이 증폭기는 높은 이득과 좁은 대역폭을 가지므로 선택적 전압계의 높은 감도와 선택성을 보장합니다.

아날로그 전자 전압계 - 램프, 반도체 소자, 집적 회로 및 자전 측정기로 만들어진 전자 변환기의 조합인 측정 장치입니다.

약속에 따라 아날로그 전자 전압계는 직류, 교류, 펄스 전류, 위상 감지, 선택적, 범용으로 구별됩니다.

아날로그 전압계의 주요 목적은 전자 회로의 전압을 측정하는 것입니다.

전자 DC 전압계는 자전기 전압계에 비해 입력 저항이 매우 크고(약 5-10MΩ) 감도가 높습니다. 측정 한계를 전환해도 입력 저항 값은 변경되지 않습니다.

전압계는 입력 장치(고저항 저항 전압 분배기)로 구성됩니다. 전자 변환기 - DC 증폭기; 전기 기계 변환기 - 자기 전기 측정기.

DC 증폭기는 전압계의 감도를 높이는 역할을 하며, 자전계를 구동하는데 필요한 전력 증폭기이다. 진폭 특성의 높은 선형성, 이득의 불변성 및 작은 드리프트(0)를 가져야 합니다.

램프, 트랜지스터, 증폭기 마이크로 회로의 작동 모드를 올바르게 선택하면 진폭 특성의 선형성이 보장됩니다. 증폭기의 네거티브 피드백은 이득의 안정성을 높이고 진폭 응답의 선형성을 향상시킵니다. 공급 전압의 안정화는 이득 안정화에도 기여합니다.

제로 드리프트를 줄이기 위해 공급 전압을 안정화하는 것 외에도 증폭기는 균형 잡힌 브리지 회로에 따라 만들어졌습니다.

측정 한계의 확장은 분배기와 피드백 저항을 사용하여 수행됩니다.

II AC AEV두 가지 계획에 따라 구축되었습니다.

ㅏ), 20Hz - 700MHz의 넓은 주파수 범위가 특징이지만 감도가 충분하지 않습니다.

계획에 따라 제작된 전압계 비), AC 증폭기의 대역폭에 따라 결정되는 10Hz - 10MHz의 상대적으로 좁은 주파수 범위가 특징이지만 감도는 더 높습니다.

범용 아날로그 전자 전압계, DC 및 AC 회로의 측정을 위해 고안되었으며 그림과 같이 구현됩니다.

아날로그 전자 AC 전압계의 특성과 스케일의 특성은 주로 전자 변환기(검출기)의 회로에 의해 결정됩니다. 측정된 전압의 피크(최대), 평균 정류 및 평균 제곱근 값에 비례하여 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 피크, 평균 정류, 평균 제곱근 값 변환기가 있습니다. 각기.

측정된 전압의 일정한 성분에 대한 변환기의 입력은 개방형 또는 폐쇄형(절연 커패시터 사용)일 수 있습니다.

주파수 범위에 따라 아날로그 전자 AC 전압계는 저주파, 고주파, 초주파수로 구분됩니다.

아날로그 전자 전압계의 주요 구성 요소

입력 장치추가 변환에 필요한 측정된 전압 값을 제공합니다. 측정된 전압의 진폭과 주파수 범위에 따라 입력 장치는 고저항 변환기 입력, 저항 분배기, 저항 커패시터 분배기 또는 커패시터 분배기입니다.

진폭(피크) 값 변환기에서마이크로 전류계 판독값은 측정된 전압의 피크 값에 비례합니다. 그리고 (t),. 그림은 각각 개방형 입력과 폐쇄형 입력이 있는 진폭 값 변환기의 회로를 보여줍니다.

개방형 입력의 진폭 값 변환기에서 다이오드는 고저항 저항 R과 직렬로 연결되어 측정 대상에 직접 연결됩니다. 변환기의 매개변수는 다음과 같은 방식으로 선택됩니다.

(R\u003e Rpr, R \u003d 50 - 100MΩ, C \u003d 0.02 - 0.05μF),

측정된 전압의 첫 번째 양의 반파 및 (t) \u003d UM sinwt에서 저항 Rnp가 있는 개방형 다이오드 D를 통한 큰 전류 펄스 i는 커패시터 C를 특정 전압 값 UC1로 빠르게 충전합니다(그림 2). 5.6) 저항 R + R 및 c 순간으로 천천히 방전되고 (t)< UC, и при отрицательной полуволне напряжения и (t). Постоянные

충전 시간 RnpC와 방전 RC는 RC>> RnpC 조건과 관련이 있습니다(저항 R과 마이크로 전류계는 작은 값으로 인해 고려되지 않음).

두 번째 양의 반파장과