Analógové voltmetre. Meranie napätia elektronickými analógovými voltmetrami

PREDNÁŠKA č. 5

ELEKTRONICKÉ ANALÓGOVÉ ZARIADENIA A konvertory

Elektronické analógové zariadenia a prevodníky sú meracie prístroje, v ktorých sa prevod meraných informačných signálov vykonáva pomocou analógových elektronických zariadení. Výstupný signál takýchto prostriedkov je spojitou funkciou meranej veličiny. Elektronické zariadenia a prevodníky sa používajú na meranie takmer všetkých elektrických veličín: napätia, prúdu, frekvencie, výkonu, odporu atď.

Výhody elektronické meracie prístroje:

vysoká citlivosť vďaka použitiu zosilňovačov;

nízka spotreba energie z okruhu, v ktorom sa meranie vykonáva, ktorá je určená vysokým vstupná impedanciaúdaje o prístrojoch;

široký frekvenčný rozsah, v ktorom je citlivosť nezmenená.

Účelom merania je určiť túto hodnotu. Preto musíme merať špičkové napätie a na tento účel je logické použiť merací usmerňovač, ktorý vydáva napätie priamy prúd zodpovedajúcej špičkovej hodnote nameraného impulzného napätia. Ryža. 27 Spracovanie impulzného napätia špičkovým usmerňovačom. Nabíjanie je rýchle, pretože nabíjací odpor je malý. Z toho je vidieť, že pri meraní veľmi krátkych impulzov s dlhým časovým úsekom môže dochádzať k významným chybám.

S paralelnými špičkovými usmerňovačmi je situácia dosť podobná. Aby sa dosiahlo malé meranie impulzného napätia, musí byť vybíjací odpor veľký, to znamená, že vstupné napätie musí mať konštantný voltmeter, po ktorom nasleduje špičkový usmerňovač. Malé nabíjacie odpory je možné dosiahnuť umiestnením impedančného meniča s vysokým vstupným odporom a nízkym výstupným odporom pred usmerňovač. Pri správnom usporiadaní je možné merať aj zriedkavé impulzy.

Nedostatky:

zložitosť v dôsledku veľkého počtu častí a prvkov;

potreba napájacích zdrojov pre elektronické zariadenia zahrnuté v zariadení;

relatívne nízka spoľahlivosť v dôsledku veľkého počtu prvkov.

ELEKTRONICKÝ VOLTMETER

V elektronických voltmetroch je namerané napätie prevádzané analógovými elektronickými zariadeniami na jednosmerný prúd, ktorý je privádzaný do magnetoelektrického meracieho mechanizmu so stupnicou odstupňovanou v jednotkách napätia. Elektronické voltmetre majú vysokú citlivosť a široký rozsah meraných napätí (od desiatok nanovoltov pri jednosmernom prúde až po desiatky kilovoltov), ​​vysoký vstupný odpor (viac ako 1 MΩ) a môžu pracovať v širokom frekvenčnom rozsahu (od jednosmerného prúdu po frekvencie rádovo stovky MHz).

Je ich veľa rôzne druhy voltmetre. Podľa účelu a princípu činnosti možno najbežnejšie voltmetre rozdeliť na jednosmerné voltmetre, striedavý prúd, univerzálny, impulzný a selektívny.

DC voltmetre. Zjednodušená bloková schéma takýchto voltmetrov je znázornená na obr. 5.1, kde VD– delič vstupného napätia; UPT- jednosmerný zosilňovač; ONI– magnetoelektrický merací mechanizmus; U X– merané napätie.

Ryža. 5.1. Štrukturálna schéma elektronického jednosmerného voltmetra

Sériové pripojenie deliča napätia a zosilňovača umožňuje urobiť voltmetre vysoko citlivé a multilimitné zmenou ich celkového prevodného koeficientu v širokom rozsahu. Zvýšenie citlivosti DC voltmetrov zvýšením zisku UPT k UPT naráža na technické ťažkosti v dôsledku nestability práce UPT, charakterizovaný zmenou k UPT a spontánna zmena výstupného signálu zosilňovača ("nulový" drift). Preto v takýchto voltmetroch k UPT≈1 a hlavný účel UPT- poskytujú veľký vstupný odpor voltmetra.

Táto bloková schéma jednosmerného voltmetra sa používa ako súčasť univerzálnych voltmetrov, pretože s miernou komplikáciou - pridaním konvertora AC na DC je možné merať striedavé napätie.

AC voltmetre. Takéto voltmetre pozostávajú z meniča striedavého prúdu na jednosmerný prúd, zosilňovača a magnetoelektrického meracieho mechanizmu. Existujú dve zovšeobecnené blokové schémy striedavých voltmetrov (obr. 5.2), ktoré sa líšia svojimi charakteristikami. Vo voltmetroch podľa schémy na obr. 5.2, a namerané napätie u X, sa najskôr premení na jednosmerné napätie, ktoré sa potom privedie na UPT a ONI, ktoré sú v podstate jednosmerným voltmetrom. Konvertor Atď je nelineárne prepojenie, takže voltmetre s touto štruktúrou môžu pracovať v širokom frekvenčnom rozsahu. Zároveň tieto nedostatky UPT a vlastnosti činnosti nelineárnych prvkov pri nízkych napätiach neumožňujú, aby boli takéto voltmetre vysoko citlivé.

Ryža. 5.2. Štrukturálne schémy AC voltmetrov

Vo voltmetroch vyrobených podľa schémy na obr. 5.2, b, vďaka predzosilňovaniu je možné zvýšiť citlivosť. Avšak vytvorenie vysoko ziskových AC zosilňovačov pracujúcich v širokom rozsahu rozsah frekvencie, je náročný technický problém. Preto majú takéto voltmetre relatívne nízke rozsah frekvencie(1 - 10 MHz).

Existujú voltmetre amplitúdy, priemernej alebo efektívnej hodnoty.

Ryža. 5.3. Schéma (a) a časový diagram signálov prevodníka hodnôt amplitúdy (špičkový detektor) s otvoreným vstupom

Voltmetre so špičkovou hodnotou majú prevodníky amplitúdových hodnôt (špičkové detektory) s otvoreným (obr. 5.3, a) vstup, kde u v a u VÝCHOD– vstupné a výstupné napätie meniča. Ak má voltmeter štruktúru podľa obr. 5.3, a, potom pre prevodník u v =u X. V amplitúdových prevodníkoch s otvoreným vstupom je kondenzátor nabitý takmer na maximum u xmax kladná (s daným zahrnutím diódy) hodnota vstupného napätia (obr. 5.3, b). Zvlnenie napätia u VÝCHOD na kondenzátore sú vysvetlené jeho dobíjaním pri otvorenej dióde, kedy u v >u VÝCHOD, a jeho vybitie cez odpor R pri zatvorenej dióde, keď u v <u VÝCHOD .

Univerzálne voltmetre. Takéto voltmetre sú určené na meranie jednosmerného a striedavého napätia. Zovšeobecnená bloková schéma je znázornená na obr. 5.4, ​​kde AT- vypínač. V závislosti od polohy spínača AT voltmeter pracuje podľa schémy voltmetra striedavého prúdu s meničom P(pozícia 1 ) alebo jednosmerný voltmeter (poloha 2 ).

Ryža. 5.4. Štrukturálna schéma univerzálneho voltmetra

V univerzálnych voltmetroch, nazývaných aj kombinované, je často možné merať odpor R X. V takýchto voltmetroch je prevodník P R, ktorého výstupné napätie závisí od neznámeho odporu: U VÝCHOD =f(R X ). Na základe tejto závislosti sa stupnica prístroja kalibruje v jednotkách odporu. Pri meraní sa na vstupné svorky prevodníka pripojí odpor s neznámym odporom a prepínač je nastavený do polohy 3 .

Pulzné voltmetre. Na meranie amplitúdy impulzných signálov rôznych tvarov sa používajú impulzné voltmetre. Vlastnosti činnosti impulzných voltmetrov sú určené krátkym trvaním τ meraných impulzov (od 10 do 100 ns) a významným pracovným cyklom

(do 10 9), kde T je perióda opakovania pulzu.

Impulzné voltmetre je možné vyrobiť podľa blokovej schémy na obr. 5.2, a pri použití prevodníkov hodnôt amplitúdy s otvoreným vstupom (obr. 5.3, a). Veľký pracovný cyklus impulzov a ich krátke trvanie kladú prísne požiadavky na prevodníky hodnôt amplitúdy. Preto sa v impulzných voltmetroch používajú kompenzačné obvody amplitúdových meničov (obr. 5.5).

Ryža. 5.5. Kompenzačná schéma amplitúdového meniča

Vstupné impulzy u v nabite kondenzátor OD 1 . Premenlivá zložka napätia na tomto kondenzátore, spôsobená dobíjaním jeho nameraných impulzov a výbojom medzi impulzmi (podobne ako na obr. 5.3, b), zosilnený zosilňovačom O striedavý prúd a usmernený diódou D 2 . Časová konštanta okruhu RC 2 je zvolený dostatočne veľký, takže napätie cez kondenzátor OD 2 sa v intervale medzi impulzmi nevýznamne mení. Z výstupu meniča pomocou rezistora R o.s. spätná väzba na kondenzátore OD 1 je aplikované kompenzačné napätie. Pri veľkom zosilnení zosilňovača to vedie k výraznému poklesu variabilnej zložky napätia na kondenzátore OD 1 , v dôsledku čoho sa v ustálenom stave napätie na kondenzátore takmer rovná amplitúde nameraných impulzov a výstupné napätie je úmerné tejto amplitúde:

.

Selektívne voltmetre. Takéto voltmetre sú určené na meranie efektívnej hodnoty napätia v určitom frekvenčnom pásme alebo efektívnej hodnoty jednotlivých harmonických zložiek meraného signálu.

Princíp činnosti selektívneho voltmetra je izolovať jednotlivé harmonické zložky signálu alebo úzkopásmového signálu pomocou laditeľného pásmového filtra a merať efektívnu hodnotu zvolených signálov.

Fyzicky realizovaný pásmový filter nemá striktne pravouhlú frekvenčnú odozvu (AFC). To môže viesť k tomu, že susedné harmonické zložky s určitým ziskom prejdú takýmto filtrom. V tomto prípade selektívny voltmeter meria efektívnu hodnotu súčtu harmonických zložiek, ktoré prešli filtrom, pričom berie do úvahy skutočné koeficienty prenosu pre každú zložku.

Ryža. 5.6. Bloková schéma selektívneho voltmetra

Meraný signál u X cez selektívny vstupný zosilňovač VU sa privádza do zmiešavača Cm, určeného na prevod frekvenčného spektra meraného signálu. Na výstupe mixéra sa objaví signál, ktorý je úmerný meranému signálu, ale s frekvenciami spektra

, kde - frekvencia harmonických zložiek vstupného signálu; - frekvencia signálu sínusového generátora G(heterodyn). IF zosilňovač HRO naladený na nejakú pevnú frekvenciu

. Preto na ceste von HRO prejde len tá zložka výstupného signálu zmiešavača, ktorej frekvencia

. Tento signál zodpovedá harmonickej zložke meraného signálu s frekvenciou

. Efektívna hodnota tejto harmonickej zložky sa meria efektívnym voltmetrom VDZ. Zmenou frekvencie generátorov , môžete merať efektívnu hodnotu rôznych harmonických zložiek signálu u X .

Funkciu pásmového filtra v tomto obvode plní HRO. Kvôli pevnej (neladiteľnej) hodnote ladiacej frekvencie HRO tento zosilňovač má vysoký zisk a úzku šírku pásma, čo zabezpečuje vysokú citlivosť a selektivitu selektívneho voltmetra.

Analógový elektronický voltmeter - merací prístroj, ktorý je kombináciou elektronického prevodníka vyrobeného na žiarovkách, polovodičových prvkov, integrovaných obvodov a magnetoelektrického merača.

Podľa dohody sa rozlišujú analógové elektronické voltmetre: jednosmerný prúd, striedavý prúd, impulzný prúd, fázovo citlivé, selektívne, univerzálne.

Hlavným účelom analógových voltmetrov je meranie napätia v elektronických obvodoch.

Elektronické voltmetre DC v porovnaní s magnetoelektrickými voltmetrami majú veľmi veľký vstupný odpor (asi 5-10 MΩ) a vysokú citlivosť. Hodnota vstupného odporu sa pri prepínaní hraníc merania nemení.

Voltmeter pozostáva zo vstupného zariadenia - vysokoodporového odporového deliča napätia; elektronický menič - jednosmerný zosilňovač; elektromechanický prevodník - magnetoelektrický merač.

Jednosmerný zosilňovač slúži na zvýšenie citlivosti voltmetra, je výkonový zosilňovač potrebný na pohon magnetoelektrického merača. Mal by mať vysokú linearitu amplitúdovej charakteristiky, stálosť zosilnenia a malý drift nuly.

Linearita amplitúdovej charakteristiky je zabezpečená správnym výberom prevádzkových režimov svietidiel, tranzistorov, mikroobvodov zosilňovača. Záporná spätná väzba v zosilňovačoch zvyšuje stabilitu zosilnenia a zlepšuje linearitu amplitúdovej odozvy. K stabilizácii zosilnenia prispieva aj stabilizácia napájacieho napätia.

Na zníženie nulového driftu je zosilňovač okrem stabilizácie napájacích napätí vyrobený podľa vyváženého mostíkového obvodu.

Rozšírenie meracích limitov sa vykonáva pomocou deliča a odporu spätnej väzby.

II AC AEV sú postavené podľa 2 schém:

a), vyznačujúce sa širokým frekvenčným rozsahom 20 Hz - 700 MHz, ale nedostatočne vysokou citlivosťou.

Voltmetre postavené podľa schémy b), sa vyznačujú pomerne úzkym frekvenčným rozsahom 10 Hz - 10 MHz, určeným šírkou pásma AC zosilňovača, ale vyššou citlivosťou.

Univerzálne analógové elektronické voltmetre, určené na meranie v jednosmerných a striedavých obvodoch, sú implementované tak, ako je znázornené na obrázku:

Charakteristiky analógových elektronických AC voltmetrov a povaha ich mierok sú určené hlavne obvodom elektronického prevodníka (detektora). Existujú prevodníky špičkových, priemerne usmernených, odmocninových hodnôt, ktoré premieňajú striedavé napätie na jednosmerné napätie, úmerné špičkovým (maximálnym), priemerne usmerneným a odmocniným hodnotám meraného napätia, resp.

Vstup prevodníkov vzhľadom na konštantnú zložku meraného napätia môže byť otvorený alebo uzavretý (s izolačným kondenzátorom).

Podľa frekvenčného rozsahu sú analógové elektronické AC voltmetre rozdelené na nízkofrekvenčné, vysokofrekvenčné a superfrekvenčné.

Hlavné komponenty analógových elektronických voltmetrov

vstupné zariadenie poskytuje namerané hodnoty napätia potrebné pre ďalší prevod. V závislosti od amplitúdových a frekvenčných rozsahov meraného napätia je vstupným zariadením buď vstup vysokoodporového meniča, alebo odporový delič, alebo odporovo-kondenzátorový delič alebo kondenzátorový delič.

V prevodníkoch amplitúdovej (špičkovej) hodnoty hodnoty mikroampérmetra sú úmerné špičkovej hodnote nameraného napätia a (t),. Na obrázku sú znázornené obvody meničov amplitúdových hodnôt s otvorenými a uzavretými vstupmi

V prevodníku hodnôt amplitúdy s otvoreným vstupom je dióda zapojená do série s vysokoodporovým odporom R a je priamo spojená s meraným objektom. Takýmto spôsobom sa vyberajú parametre meniča

(R\u003e Rpr, R \u003d 50 – 100 MΩ, C = 0,02 – 0,05 μF),

takže pri prvej kladnej polvlne meraného napätia a (t) \u003d UM sin wt veľký prúdový impulz i cez otvorenú diódu D s odporom Rnp rýchlo nabije kondenzátor C na určitú hodnotu napätia UC1 (obr. 5.6) a pomaly sa vybíja na rezistor R + R a c moment, keď a (t)< UC, и при отрицательной полуволне напряжения и (t). Постоянные

doba nabíjania RnpC a vybíjania RC súvisia s podmienkou RC>> RnpC (odpor R a mikroampérmeter sa neberie do úvahy pre jeho malú hodnotu).

S druhou pozitívnou polvlnou a