Voltmetre analogice. Măsurarea tensiunii cu voltmetre electronice analogice

PRELEZA Nr. 5

DISPOZITIVE ELECTRONICE ANALOGICE ȘI CONVERTOARE

Instrumentele și convertoarele electronice analogice sunt instrumente de măsură în care semnalele de informații de măsurare sunt convertite folosind dispozitive electronice analogice. Semnalul de ieșire al unor astfel de mijloace este o funcție continuă a mărimii măsurate. Dispozitive electronice iar convertoarele sunt folosite la măsurarea aproape a tuturor mărimilor electrice: tensiune, curent, frecvență, putere, rezistență etc.

Avantaje instrumente electronice de masura:

sensibilitatea ridicată se datorează utilizării amplificatoarelor;

consum redus de energie din circuitul în care se face măsurarea, care este determinat de mare impedanta de intrare date instrumentului;

gamă largă de frecvențe în care sensibilitatea este neschimbată.

Scopul măsurării este de a determina această valoare. Prin urmare, trebuie să măsurăm tensiunea de vârf și este logic să folosim un redresor de măsurare în acest scop, care scoate tensiunea. curent continuu, corespunzătoare valorii de vârf a tensiunii impulsului măsurate. Orez. 27 Prelucrarea tensiunii impulsului cu un redresor de vârf. Încărcarea are loc rapid deoarece rezistența de încărcare este mică. Acest lucru arată că pot exista erori semnificative la măsurarea impulsurilor foarte scurte pe o perioadă lungă de timp.

Situația este destul de similară cu redresoarele de vârf paralele. Pentru a realiza o măsurare mică a tensiunii de impuls, rezistența de descărcare trebuie să fie mare, adică tensiunea de intrare trebuie să aibă un voltmetru constant urmat de un redresor de vârf. Valorile mici ale rezistenței de încărcare pot fi obținute prin plasarea unui convertor de impedanță cu o impedanță mare de intrare și o impedanță mică de ieșire în fața redresorului. Cu un aranjament adecvat, chiar și impulsurile rare pot fi măsurate.

Defecte:

complexitate datorită unui număr mare de părți și elemente;

nevoia de surse de alimentare pentru dispozitivele electronice incluse în dispozitiv;

fiabilitate relativ scăzută datorită numărului mare de elemente.

VOLTMETRE ELECTRONICE

La voltmetrele electronice, tensiunea măsurată este convertită de dispozitive electronice analogice în curent continuu, care este alimentat unui mecanism de măsurare magnetoelectric cu o scară, gradată în unități de tensiune. Voltmetrele electronice au o sensibilitate mare și o gamă largă de tensiuni măsurate (de la zeci de nanovolți în curent continuu la zeci de kilovolți), rezistență mare de intrare (mai mult de 1 MΩ) și pot funcționa într-o gamă largă de frecvențe (de la curent continuu la frecvențe). de ordinul sutelor de MHz).

Există multe tipuri variate voltmetre. În funcție de scopul și principiul lor de funcționare, cele mai comune voltmetre pot fi împărțite în voltmetre DC, curent alternativ, universal, puls și selectiv.

voltmetre DC. O diagramă bloc simplificată a unor astfel de voltmetre este prezentată în Fig. 5.1, unde VD– divizor tensiune de intrare; UPT– amplificator DC; LOR– mecanism de măsurare magnetoelectric; U X– tensiunea măsurată.

Orez. 5.1. Schema bloc a unui voltmetru electronic DC

O conexiune în serie a unui divizor de tensiune și a unui amplificator face posibilă realizarea voltmetrelor foarte sensibile și multi-gamă prin modificarea coeficientului lor de conversie global pe o gamă largă. Creșterea sensibilității voltmetrelor DC prin creșterea câștigului UPT k UPTîntâmpină dificultăți tehnice din cauza funcționării instabile UPT, caracterizat printr-o schimbare k UPTși modificări spontane ale semnalului de ieșire al amplificatorului (deriva zero). Prin urmare, în astfel de voltmetre k UPT≈1 și scopul principal UPT– asigurați o rezistență mare de intrare a voltmetrului.

Această diagramă bloc a unui voltmetru DC este utilizată ca parte a voltmetrelor universale, deoarece cu o ușoară complicație - adăugarea unui convertor de tensiune AC-DC, devine posibilă măsurarea tensiunii AC.

Voltmetre AC. Astfel de voltmetre constau dintr-un convertor de tensiune AC-DC, un amplificator și un mecanism de măsurare magnetoelectric. Există două scheme bloc generalizate posibile ale voltmetrelor de curent alternativ (Fig. 5.2), care diferă prin caracteristicile lor. În voltmetre conform diagramei din Fig. 5.2, A tensiunea măsurată u X, este mai întâi convertit în tensiune DC, care este apoi aplicat la UPTȘi LOR, care sunt în esență un voltmetru DC. Convertor etc este o legătură neliniară, astfel încât voltmetrele cu această structură pot funcționa într-o gamă largă de frecvențe. În același timp, aceste dezavantaje UPT iar particularitățile funcționării elementelor neliniare la tensiuni joase nu permit realizarea unor astfel de voltmetre foarte sensibile.

Orez. 5.2. Scheme bloc ale voltmetrelor de curent alternativ

În voltmetre realizate conform circuitului prezentat în Fig. 5.2, b, datorită pre-amplificarii, este posibilă creșterea sensibilității. Cu toate acestea, crearea de amplificatoare de curent alternativ cu câștig mare care funcționează pe o gamă largă gama de frecvente, este o sarcină tehnică dificilă. Prin urmare, astfel de voltmetre au o valoare relativ scăzută gama de frecvente(1 – 10 MHz).

Există voltmetre de amplitudine, valoare medie sau efectivă.

Orez. 5.3. Circuitul (a) și diagrama de sincronizare a semnalelor de la un convertor de amplitudine (detector de vârf) cu o intrare deschisă

Voltmetre cu valoare de vârf au convertoare de valori de amplitudine (detectoare de vârf) cu deschis (Fig. 5.3, A) intrare, unde u intrareȘi u afară– tensiunea de intrare și de ieșire a convertorului. Dacă voltmetrul are structura din Fig. 5.3, A, apoi pentru convertor u intrare =u X. În convertoarele de amplitudine cu intrare deschisă, condensatorul este încărcat aproape la maximum u xmax valoare pozitivă (pentru pornirea unei diode date) a tensiunii de intrare (Fig. 5.3,b). Ondularea de tensiune u afară pe condensator se explică prin reîncărcarea acestuia când dioda este deschisă, când u intrare >u afară, iar descărcarea sa prin rezistorul R cu dioda închisă, când u intrare <u afară .

Voltmetre universale. Astfel de voltmetre sunt proiectate pentru a măsura tensiunile DC și AC. O diagramă bloc generalizată este prezentată în Fig. 5.4, ​​unde ÎN- intrerupator. În funcție de poziția comutatorului ÎN Voltmetrul funcționează conform circuitului unui voltmetru AC cu un convertor P(poziţie 1 ) sau voltmetru DC (poziție 2 ).

Orez. 5.4. Schema bloc a unui voltmetru universal

Voltmetrele universale, numite și combinate, oferă adesea capacitatea de a măsura rezistența R X. Aceste voltmetre au un convertor P R, a cărei tensiune de ieșire depinde de rezistența necunoscută: U afară =f(R X ). Pe baza acestei dependențe, scara dispozitivului este calibrată în unități de rezistență. La măsurare, un rezistor cu rezistență necunoscută este conectat la bornele de intrare ale convertorului, iar comutatorul este setat pe poziție 3 .

Voltmetre cu impulsuri. Voltmetrele cu impulsuri sunt folosite pentru a măsura amplitudinea semnalelor de puls de diferite forme. Caracteristicile de funcționare ale voltmetrelor cu impulsuri sunt determinate de durata scurtă τ a impulsurilor măsurate (de la 10-100 ns) și de ciclul de lucru semnificativ

(până la 10 9), unde T– perioada de repetare a pulsului.

Voltmetrele cu impulsuri pot fi realizate conform diagramei bloc din Fig. 5.2, A, în acest caz, se folosesc convertoare de valoare de amplitudine cu intrare deschisă (Fig. 5.3, A). Ciclul de lucru ridicat al impulsurilor și durata lor scurtă impun cerințe stringente asupra convertoarelor de valori de amplitudine. Prin urmare, la voltmetrele cu impulsuri se folosesc circuite de compensare ale convertoarelor de amplitudine (Fig. 5.5).

Orez. 5.5. Circuit de compensare a convertizorului de amplitudine

Impulsuri de intrare u intrareîncărcați condensatorul CU 1 . Componenta alternativă a tensiunii de pe acest condensator, cauzată de reîncărcarea lui cu impulsuri măsurate și descărcarea între impulsuri (similar cu Fig. 5.3, b), amplificat de un amplificator U curent alternativ și redresat folosind o diodă D 2 . Constanta de timp a circuitului R.C. 2 este ales suficient de mare pentru ca tensiunea pe condensator CU 2 în intervalul dintre impulsuri se modifică ușor. De la ieșirea convertorului folosind un rezistor R o.s. feedback la condensator CU 1 este furnizată tensiune de compensare. Cu un câștig mare al amplificatorului, aceasta duce la o scădere semnificativă a componentei alternative a tensiunii pe condensator. CU 1 , ca urmare a căreia, în stare de echilibru, tensiunea de pe condensator este aproape egală cu amplitudinea impulsurilor măsurate, iar tensiunea de ieșire este proporțională cu această amplitudine:

.

Voltmetre selective. Astfel de voltmetre sunt proiectate pentru a măsura valoarea tensiunii efective într-o anumită bandă de frecvență sau valoarea efectivă a componentelor armonice individuale ale semnalului măsurat.

Principiul de funcționare al unui voltmetru selectiv este izolarea componentelor armonice individuale ale unui semnal sau a unui semnal în bandă îngustă de frecvență folosind un filtru trece-bandă reglabil și măsurarea valorii efective a semnalelor izolate.

Un filtru trece-bandă implementat fizic nu are un răspuns amplitudine-frecvență (AFC) strict dreptunghiular. Acest lucru poate duce la faptul că componentele armonice învecinate cu un anumit coeficient de transmisie vor trece printr-un astfel de filtru. În acest caz, voltmetrul selectiv măsoară valoarea efectivă a sumei componentelor armonice care trec prin filtru, ținând cont de coeficienții efectivi de transmisie pentru fiecare componentă.

Orez. 5.6. Schema bloc a unui voltmetru selectiv

Semnal măsurat u X Printr-un amplificator de intrare selectivă, VU-ul este alimentat la mixerul Cm, care este proiectat să transforme spectrul de frecvență al semnalului măsurat. La ieșirea mixerului apare un semnal proporțional cu semnalul măsurat, dar cu frecvențele spectrului

, Unde - frecvența componentelor armonice ale semnalului de intrare; - frecventa semnalului generatorului sinusoidal G(heterodină). Amplificator de frecventa intermediara HRC reglat la o frecvență fixă

. Prin urmare, la ieșire HRC Doar acea componentă a semnalului de ieșire al mixerului a cărei frecvență va trece

. Acest semnal corespunde componentei armonice a semnalului măsurat cu frecvența

. Valoarea rms a acestei componente armonice este măsurată cu un voltmetru rms VDZ. Modificarea frecvenței generatoarelor , este posibil să se măsoare valoarea efectivă a diferitelor componente armonice ale semnalului u X .

Funcția filtrului trece-bandă în acest circuit este îndeplinită de HRC. Datorită unei frecvențe de acord fixe (nereglabile). HRC Acest amplificator are un câștig mare și o lățime de bandă îngustă, ceea ce asigură o sensibilitate și selectivitate ridicate a voltmetrului selectiv.

Un voltmetru electronic analogic este un dispozitiv de măsurare care este o combinație a unui convertor electronic realizat folosind lămpi, elemente semiconductoare, circuite integrate și un contor magnetoelectric.

În funcție de scop, voltmetrele electronice analogice sunt împărțite în: curent continuu, curent alternativ, curent pulsat, sensibil la fază, selectiv, universal.

Scopul principal al voltmetrelor analogice este măsurarea tensiunii în circuitele radio-electronice.

Voltmetrele electronice DC, în comparație cu voltmetrele magnetoelectrice, au o rezistență de intrare foarte mare (aproximativ 5-10 MOhm) și o sensibilitate ridicată. Valoarea rezistenței de intrare rămâne neschimbată la comutarea limitelor de măsurare.

Voltmetrul constă dintr-un dispozitiv de intrare - un divizor de tensiune rezistiv de înaltă rezistență; convertor electronic - amplificator DC; convertor electromecanic - contor magnetoelectric.

Amplificatorul de curent continuu servește la creșterea sensibilității voltmetrului și este un amplificator de putere necesar pentru a conduce contorul magnetoelectric. Trebuie să aibă o liniaritate ridicată a răspunsului de amplitudine, un câștig constant și o deviere scăzută a zero.

Liniaritatea caracteristicii de amplitudine este asigurată de alegerea corectă a modurilor de funcționare a lămpilor, tranzistoarelor și microcircuitelor amplificatoare. Feedback-ul negativ în amplificatoare crește stabilitatea câștigului și îmbunătățește liniaritatea amplitudinii. Stabilizarea tensiunilor de alimentare ajută, de asemenea, la stabilizarea câștigului.

Pentru a reduce deriva zero, pe lângă stabilizarea tensiunilor de alimentare, amplificatorul este proiectat folosind un circuit echilibrat în punte.

Extinderea limitelor de măsurare se realizează folosind un divizor și rezistență de feedback.

II AC AEV sunt construite dupa 2 scheme:

A), caracterizat printr-o gamă largă de frecvențe de 20 Hz - 700 MHz, dar sensibilitate nu suficient de mare.

Voltmetre construite conform circuitului b), se caracterizează printr-un interval de frecvență relativ îngust de 10 Hz - 10 MHz, determinat de lățimea de bandă a amplificatorului AC, dar de sensibilitate mai mare.

Voltmetre electronice analogice universale, destinate măsurătorilor în circuite DC și AC, sunt implementate așa cum se arată în figură:

Caracteristicile voltmetrelor CA electronice analogice și natura scalelor acestora sunt determinate în principal de circuitul convertorului electronic (detectorul). Există convertoare de valori de vârf, medie-rectificată și rădăcină medie pătratică care convertesc tensiunea alternativă în tensiune continuă, proporțional cu valorile de vârf (maxim), medie-redresată și rădăcină-medie-pătratică ale respectiv tensiunea măsurată.

Intrarea convertoarelor în raport cu componenta constantă a tensiunii măsurate poate fi fie deschisă, fie închisă (cu un condensator de izolare).

În funcție de intervalul de frecvență, voltmetrele CA electronice analogice sunt împărțite în frecvență joasă, frecvență înaltă și ultrafrecvență.

Componentele principale ale voltmetrelor electronice analogice

Dispozitiv de intrare furnizează valorile de tensiune măsurate necesare pentru conversia ulterioară. În funcție de intervalele de amplitudine și frecvență ale tensiunii măsurate, dispozitivul de intrare este fie o intrare de mare impedanță a convertorului, fie un divizor rezistiv, fie un divizor rezistor-condensator, fie un divizor condensator.

În convertoare de amplitudine (vârf). citirile microampermetrului sunt proporționale cu valoarea de vârf a tensiunii măsurate Si t),. Figura prezintă circuite ale convertoarelor de valori de amplitudine, respectiv, cu intrări deschise și închise

Într-un convertor de valori de amplitudine cu intrare deschisă, dioda este conectată în serie cu un rezistor de înaltă rezistență R și este conectată direct la obiectul de măsurat. Parametrii convertorului sunt selectați în acest fel

(R > Rpr, R = 50 - 100 MOhm, C = 0,02 - 0,05 μF),

astfel încât la prima semiundă pozitivă a tensiunii măsurate și (t) = UM sin wt, un impuls de curent mare i printr-o diodă deschisă D cu rezistență Rnp încarcă rapid condensatorul C la o anumită valoare a tensiunii UC1 (Fig. 5.6). ) și îl descarcă încet la rezistorul R + R și c moment în care și (t)< UC, и при отрицательной полуволне напряжения и (t). Постоянные

Timpul de încărcare RnpC și descărcarea RC sunt legate de condiția RC>> RnpC (rezistența R și microampermetrul nu sunt luate în considerare datorită valorii lor mici).

Cu a doua jumătate de val pozitivă și