Реферат: Аналоговые электронные вольтметры

<span MS Mincho"">МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ, КУЛЬТУРЫ И ЗДРАВООХРАНЕНИЯ<span MS Mincho"">РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН<span MS Mincho"">ВУЗ АВИЭК<span MS Mincho"">ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАТИКИ

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">ДИСЦИПЛИНА: «Стандартизация  и измерительные технологии

<span MS Mincho"">»

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА<span MS Mincho"">: «АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕВОЛЬТМЕТРЫ.»

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">Выполнил:

<span MS Mincho"">Ст-т

<span MS Mincho""> гр. ЗПОС-96-1

<span MS Mincho"">Гринев

<span MS Mincho""> М.В.

<span MS Mincho"">Принял:

<span MS Mincho"">Доцент, к.т.н.

<span MS Mincho"">Нурманов

<span MS Mincho""> М.Ш.

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho""> 

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">

<span MS Mincho"">Алматы

<span MS Mincho"">2000 г<span MS Mincho"">.             

<span MS Mincho"">

ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМИАНАЛОГОВЫМИ ВОЛЬТМЕТРАМИ

Электронные аналоговыевольтметры 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 иосновные функциональные узлы аналоговых вольтметров прямого преобразования исравнения.

АНАЛОГОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ ПРЯМОГОПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Структурная схема электронного аналогового вольтметра пря­могопреобразования соответствует типовой схеме рис. 2.1 и, как видно из рис. 3.13,в самом общем случае включает входное уст­ройство (ВУ), на вход которогоподается измеряемое напряжение Ux,ИП и магнитоэлектрический прибор, применяемый вкачестве ИУ.

Входное устройствопредставляет в простейшемслучае дели­тель измеряемого напряжения — аттенюатор, с помощью которогорасширяются пределы измерения вольтметра. Помимо точного де­ления Ux, ВУ не должно снижать входной импедансвольтметра, влияющий, как уже неоднократно подчеркивалось, на методическуюпогрешность измерения Ux- Такимобразом, использование ВУ в виде аттенюатора является, в дополнение кдобавочным

<img src="/cache/referats/4289/image002.jpg" v:shapes="_x0000_i1025">

Р и с. 3.13. Обобщенная структурная          схе­ма аналогового вольтметра прямого      пре­образования.

сопротивлениями измерительным трансформаторам напряжения, еще од­ним способом расширенияпределов измерения вольтметров. Имен­но этот способ применяется в электронныхвольтметрах и других радиоизмерительных приборах.

В качествеИП в вольтметрах постоянного тока (В2) применя­ется усилитель постоянного тока(УПТ), а в вольтметрах перемен­ного и импульсного тока (ВЗ и В4) —детектор всочетании с УПТ или усилителем переменного тока. Более сложную структуру имеютпреобразователи в вольтметрах остальных видов. В частности, преобразователиселективных вольтметров (В6) должны обеспе­чить, помимо детектирования иусиления сигнала, селекцию его по частоте, а преобразователи фазочувствительных вольтметров (В5) — возможность измеренияне только амплитудных, но и фа­зовых параметров исследуемого сигнала.

Структурнаясхема аналогового вольтметра постоянного тока соответствует обобщенной схемерис. 3.13. Основным функциональ­ным узлом таких вольтметров является УПТ.Современные вольт­метры постоянного тока разрабатываются в основном как цифро­выеприборы.

Вольтметрыпеременного и импульсного тока в зависимости от назначения могутпроектироваться по одной из двух структур­ных схем (рис. 3.14), различающихсятипом ИП. В вольтметрах первой модификации (рис. 3.14, а) измеряемое напряжение Ux^ преобразуется в постоянное напряжение Ux=,котороезатем изме­ряется вольтметром постоянного тока. Наоборот, в вольтметрах второймодификации (рис. 3.14, б) измеряемоенапряжение сначала усиливается с помощью усилителя переменного тока, а затем де­тектируетсяи измеряется. При необходимости между детектором и ИУ может быть дополнительновключен УПТ.

Сравниваяструктурные схемы рис. 3.14, можно еще до рас­смотрения схемных решений ихфункциональных узлов сделать определенные выводы в отношении свойстввольтметров обеих мо­дификаций. В частности, вольтметры первой модификации вотно­шении диапазона частот измеряемых напряжений не имеют таких ограничений,как вольтметры второй модификации, где этот параметр зависит от полосыпропускания усилителя переменного тока. Зато вольтметры второй модификацииимеют высокую чувствитель­ность. Из курса «Усилительные устройства» известно,что с по­мощью усилителя переменного тока можно получить значительно большийкоэффициент усиления, чем с помощью УПТ, т. е. про­ектировать микровольтметры, у которых нижний предел Ux^.огра­ничиваетсясобственными шумами усилителя. За счет изменения

<img src="/cache/referats/4289/image004.jpg" v:shapes="_x0000_i1026">

Рис. 3.14.Структурные схемы аналоговых вольтмет­ров переменного и импульсного тока:

а—сдетектором на входе; б — с усилителем переменного то­ка на входе.

коэффициентаделения ВУ и коэффициента усиления усилителей диапазон измеряемых напряженийможет быть большим у вольтмет­ров обеих модификаций.

Типдетектора в структурных схемах рис. 3.14 определяет при­надлежность вольтметровобеих модификаций к вольтметрам амплитудного, среднеквадратического илисредневыпрямленного на­пряжения. При этом вольтметры импульсного тока (В4)проекти­руются только как вольтметры первой модификации, чтобы избе­жатьискажений формы импульсов в усилителе переменного тока. При измерениинапряжения одиночных и редко повторяющихся им­пульсов применяются либодиодно-емкостные расширители им­пульсов в сочетании с детекторами, либоамплитудно-временное преобразование импульсов, характерное для цифровыхвольтмет­ров.

Рассмотримтеперь типовую структурную схему селективных вольтметров, которые используютсяпри измерении малых гармо­нических напряжений в условиях действия помех, при исследова­нииспектров периодических сигналов и в целом ряде других слу­чаев. Как видно изрис. 3.15, вольтметр представляет собой по существу супергетеродинный приемник,принцип работы которого поясняется в курсе «Радиотехнические цепи и сигналы».

Частотнаяселекция входного сигнала осуществляется с помо­щью перестраиваемогогетеродина, смесителя (См) и узкополосного усилителя промежуточной частоты(УПЧ), который обеспечи­вает высокую чувствительность и требуемуюизбирательность. Если избирательность недостаточна, может быть примененодвукратное, а иногда и трехкратное преобразование частоты. Кроме того, в се­лективныхвольтметрах обязательно наличие системы автоматиче­ской подстройки частоты и калибратора. Калибратор —образцовый

источник(генератор) переменного напряжения определенного уровня, позволяющий исключитьсистематические, погрешности из-за изменения напряжения гетеродина при егоперестройке, измене­ния коэффициентов передачи узлов вольтметра, влияниявнешних факторов и т. д. Калибровка вольтметра производится перед изме­рениемпри установке переключателя П из положения 1 в положе­ние 2.

<img src="/cache/referats/4289/image006.jpg" v:shapes="_x0000_i1027">

Рис. 3.15.Структурная схема селективного вольтметра.

Взаключение отметим, что в одном приборе нетрудно совмес­тить функции измеренияпостоянных и переменных напряжений, а с помощью дополнительных функциональныхузлов и соответст­вующих коммутаций (по аналогии с выпрямительными приборами)образовать комбинированные приборы, получившие название уни­версальныхвольтметров (В7). Современные типы таких вольтмет­ров, как правило,проектируются в виде цифровых приборов, что позволяет дополнительно расширитьих функциональные возмож­ности и повысить точность. В связи с этим особенностипостроения структурных схем универсальных вольтметров будут рассмотрены вработах коллег.

АНАЛОГОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ СРАВНЕНИЯ

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family: «Times New Roman»"><img src="/cache/referats/4289/image008.jpg" v:shapes="_x0000_i1028">

Рис. 3.16. Схема измерительного по­тенциометра.

Электронные аналоговые вольтметры сравнения в    большин­стве своем реализуют наиболеераспространенную модификацию метода сравнения — нулевой метод. Поэтому чаще ониназываются компенсационнымивольтметрами. По сравнению с вольтметрами прямого преобразования это бо­леесложные, но и, как подчерки­валось ранее более точные при­боры. Кроме того, изсхемы рис. 2.2 видно, что в момент ком­пенсации <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">D

Х=0 и прибор не по­требляетмощности от источни­ка X.Применительно к компенса­ционным вольтметрам это озна­чает возможностьизмерения не только напряжения, но и ЭДС ма­ломощных источников. В практи­кеэлектрорадиоизмерений подоб­ные измерения выполняются как с помощью электронныхкомпен­сационных вольтметров, так и электромеханических. Для поясненияприменения нулевого метода при измерении ЭДС и напряжения рассмотрим вначалеклассиче­скую схему электромеханического компенсатора постоянного тока,представленную на рис. 3.16.

Однимиз основных функциональных узлов любого компенсатора является высокоточныйпеременный резистор R,по шкалекоторого отсчитывают измеря­емое значение ЭДС (Ех) или напряжения (Ux). Поэтому компенсаторы принятоназывать по ГОСТ 9245—79 измерительными потенциометрами.В качестве об­разцовой меры ЭДС применяется нормальныйэлемент (НЭ) — электрохимиче­ский источник, ЭДС (Еа) которого известна с очень высокойстепенью точности. Однако емкость НЭ невелика, и длительное сравнение впроцессе 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 образцовомрезисторе Rн.,создаваемое током от источника Eо—рабочимтоком (Iр), которыйпредварительно устанавлива­ется. Таким образом, процесс измерения Ex{Ux)должен состоять из двух этапов.

Напервом этапе устанавливается требуемое значение Iр. Для этого пере­ключатель устанавливается в положение 1 и спомощью потенциометра Rpдо­биваютсянулевого показания индикатора И (как правило, магнитоэлектрическийгальванометр). Как видно из рис. 3.16, этому соответствует IpRн=Eн,т. е. ра­бочий ток Iр, который далее должен оставатьсяпостоянным, будет воспроизво­дить в процессе измерений значение Ен.

Навтором этапе измеряют значение Ex(Ux). Дляэтого переключатель пере­водится в положение 2, и изменением сопротивления потенциометра R вновь до­биваются нулевого показания И. При Iр= constэтому соответствует Ex(Ux)= IpR,т. е. искомое значение Ex(U^}^.Rи может быть отсчитано по шкале R.

Такимобразом, метрологические характеристики измерительных потенцио­метровпостоянного тока определяются параметрами НЭ, образцовых резисто­ров,индикатора и источника Еу. В качестве НЭ применяются насыщенные ине­насыщенные обратимые гальванические элементы, положительный электрод которыхобразуется ртутью, а отрицательный — амальгамой кадмия. Классы точности НЭрегламентируются ГОСТ 1954—82 в пределах 0,0002...0,02 и опре­деляют классточности потенциометра в целом. Потенциометр R выполняется по специальной схеме, обеспечивающей постоянство /р при изменении Rи необхо­димое число знаков (декад) при отсчете Ex(Ux).Этим требованиям удовлет­воряют схемы с замещающими ишунтирующими декадами.

Измерительныепотенциометры могут использоваться и для измерения пере­менных напряжений.Однако компенсирующее напряжение необходимо в этом случае регулировать нетолько по модулю, но и по фазе. Поэтому такие потен­циометры имеют болеесложную схему, чем потенциометры постоянного тока, а по точности значительноуступают им из-за отсутствия на переменном токе образцовой меры, аналогичной посвоим характеристикам НЭ. В практике электрорадиоизмерений они полностьювытеснены 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 являетсямерой Ux. Типовая структурная схема такоговольтметра приведена на рис. 3.17.

Как видноиз рис. 3.17, основу вольтметра составляет компен­сационный ИП, состоящий изизмерительного диода V с нагрузкой R, регулируемого источника постоянногокомпенсирующего напря­жения -Ек, усилителя ииндикатора с двумя устойчивыми состояниями. При отсутствии Ux индикатор, реализуемый спомощью

функциональныхузлов находится в первом устойчивом состоянии, а при некотором пороговомзначении переходит во второе состояние. Процесс измерения Ux как раз и сводится кпостепенному увеличению Екдо тех пор, пока индика­тор не перейдет во второе устойчивое состояние.Значение Ек, со­ответствующее моменту перехода,измеряется вольтметром посто­янного тока и является мерой Ux.

<img src="/cache/referats/4289/image010.jpg" v:shapes="_x0000_i1029">

Рис. 3.17.Структурная схема компенсационного вольт­метра.

В сочетаниис другими схемны­ми решениями (применение индикатора с малым пороговымнапряжением, лампового измерительного диода со стабильной ха­рактеристикой идр.) оказывается возможным проектировать вы­сокоточные компенсационныевольтметры.

Недостатокрассмотренной схемы — необходимость установки Ей вручную. Поэтому в большинстве вольтметров схему ИП услож­няют,обеспечивая автоматическую компенсацию Ux и Ек. Авто­компенсационныевольтметры являются прямопоказывающими приборами иболее 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 измерительныхприборов.

Входное устройство

Как уже указывалось выше, ВУ предназначено для расширенияпределов измерения вольтметра. В простейшем случае оно представляет собойаттенюа­тор, выполненный по резистивной (рис. 3.18, а), емкостной (рис. 3.18,б) или ком­бинированной (рис. 3.18, в) схемам.

Наиболее простой и универсальной (для Uх=и Ux~)являетсясхема, пред­ставленная на рис. 3.18, а, но на высоких частотах существенноевлияние начи­нают оказывать паразитные емкости. Поэтому на высоких частотахпереходят либо к емкостной схеме, либо к комбинированной, которая при R1C1 = R2C2ока­зываетсячастотно-компенсированной (коэффициент деления k= R2/(R1 + Р2),как и длясхемы, изображенной на рис. 3.18, а).

Выполнение остальных требований и прежде всегообеспечение высокого входного сопротивления и минимальной входной емкостивольтметра приводит в ряде случаев к усложнению структуры ВУ. Наиболееуниверсальным и часто применяемым в современных вольтметрах переменного токаявляется ВУ, струк­турная схема которого представлена на рис. 3.19.

Принципиальнойособенностью данной схемы является изменение Uв с помощью низкоомногорезистивного аттенюатора с постоянным входным и выходным импедансом. Этоповышает точность измерения Ux~, но требуетвведения в структу­ру ВУ преобразователя импеданса (ПИ), обеспечивающеготрансформацию высо­кого входного сопротивления вольтметра в малое входноесопротивление атте­нюатора. В качестве ПИ наиболее часто используют повторительнапряжения на полевом транзисторе с глубокой отрицательной обратной связью. С помощью

<img src="/cache/referats/4289/image012.jpg" v:shapes="_x0000_i1030">

Рис. 3.18.Схемы аттенюаторов вольтметров:

а—нарезисторах; б — на конденсаторах; в — комбинированная.

<img src="/cache/referats/4289/image014.jpg" v:shapes="_x0000_i1031">

Рис.3.19. Структурная схема уни­версального входного устройства.

входногоделителя напряжения (ВДН) предусматривается дополнительная воз­можностьрасширения пределов измерения вольтметра. ВДН представляет собой фиксированныйделитель резистивно-емкостного типа (см. рис. 3.18, в)

На высокихчастотах входное сопротивление вольтметра уменьшается, а входная емкость ииндуктивности проводников образуют последовательный ко­лебательный контур,который на резонансной частоте имеет практически нулевое сопротивление. Длянейтрализации 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 дляприведения в дей­ствие ИМ магнитоэлектрического прибора, и согласованиевходного сопротивле­ния ИУ с выходным сопротивлением ВУ или детектора. К УПТпредъявляются два основных требования: высокое постоянство коэффициентаусиления и пре­небрежимо малые флюктуации выходной величины при отсутствии Ux=(Дрейфнуля). Поэтому все практические схемы УПТ имеют глубокую отрицательную обратнуюсвязь (ООС), обеспечивающую стабильную работу их и нечувствитель­ность кперегрузкам. Радикальными методами борьбы с дрейфом нуля являются егопериодическая коррекция, а также преобразование Uх= в переменное напря­жение с последующим усилением и выпрямлениемэтого напряжения.

Усилители переменного тока в соответствии со своимфункциональным на­значением (см. рис. 3.14, б) должны иметь высокуючувствительность, большое значение и высокую стабильность коэффициентаусиления, малые нелинейные искажения и широкую полосу пропускания (заисключением УПЧ селективного вольтметра). Удовлетворить этим противоречивымтребованиям могут только многокаскадные усилители с ООС и звеньями длякоррекции частотной харак­теристики. В некоторых случаях применяютсялогарифмические усилители для получения ^линейной шкалы в децибелах. Еслиставится задача минимизации аддитивной погрешности вольтметра, усилители могутбыть двухканальными с усилением основного сигнала и сигнала, корректирующегоаддитивную погреш­ность. Для расширения функциональных возможностей многиевольтметры име­ют специальный выход усилителя и могут использоваться какширокополосные усилители. Более того, усилители могут выпускаться каксамостоятельные из­мерительные приборы, образуя подгруппу У.

Детальноусилители постоянного и переменного тока рассматриваются в курсе «Усилительныеустройства».

Детектор

Типдетектора определяет, как уже указывалось, принадлежность вольтмет­ровпеременного тока к вольтметрам амплитудного, среднеквадратического илисредневыпрямленного напряжения. В соответствии с этим сами детекторы клас­сифицируютсяследующим образом: по параметру Ux~^которому соответствует ток или напряжение в выходнойцепи детектора: пиковый детектор, детекторы среднеквадратического исредневыпрямленного значений напряжения; по схеме входа: детекторы с открытым изакрытым входом по постоянному напряжению;

похарактеристике детектирования: линейные и квадратичные детекторы.

<img src="/cache/referats/4289/image016.jpg" v:shapes="_x0000_i1032">

Рис. 3.20.Схемы пикового детектора:

А — соткрытым входом; Б — с закрытымвходом.

Пиковыйдетектор —это детектор, выходное напряжение которого непосред­ственносоответствует t/maxили <7min(Овили Us).Пиковый детектор относит­ся к линейным и может иметьоткрытый (рис. 3.20, а) или закрытый (рис. 3.20, б) вход по постоянномунапряжению.

Принципработы пиковых детекторов специфичен и заключается в заряде конденсатора Счерез диод V до максимального(пикового) значения Ux~, кото­рое затемзапоминается, если постоянная времени разряда С (через R)значитель­но превышает постоянную времени заряда.Полярность включения V определяетсоответствие Ux=, либо Umax(Uв),либо Umin(Uн), а возможные пульсации Uх=сглаживаются цепочкой Рф, Сф. Если детектор имеет открытый вход, Uх=определяется суммой Uи Uв(Uн),т. е.соответствует Umax(Umin) Призакрытом входе Uх=соответствуетUв(Uн).Если же Ux~несодержит посто­янной составляющей, то схемы, изображенные на рис. 3.20, а, б,идентичны, а Uх=соответствует Um. В некоторых случаях применяют двухполупериодныепи­ковые детекторы с удвоением напряжения, позволяющие прямо измерять значе­ниеразмаха напряжения.

Существеннымдостоинством пиковых детекторов являются большое входное сопротивление (равное R/2для схемы на рис. 3.20, а и R/3—для схемына рис. 3.20, б) и наилучшие по сравнению с другими типами детекторов частотные свойства.Поэтому пиковые детекторы наиболее часто применяют в вольтметрах первоймодификации (см. рис. 3.14, о), конструктивно оформляя совместно с ВУ в видевыносного пробника. В этом случае по кабелю, соединяющему пробник с прибором,передается Uх=.

Детектор среднеквадратическогозначения—это преобразователь переменно­го напряжения в постоянный ток(напряжение), пропорциональный U2ск .Харак­теристика детектирования в этом случае должнабыть квадратичной, а при на. личии U — необходим детектор с открытым входом. В современныхтипах вольт­метров применяются в основном квадратичные детекторы стермопреобразовате­лями, аналогичными преобразователям термоэлектрическихамперметров. Основ­ным недостатком их, как отмечалось ранее, являетсяквадратичный характер шкалы прибора. В вольтметрах этот недостаток устраняетсяприменением диф­ференциальной схемы включения двух (или более) термопреобразователей, как показано на рис. 3.21.

<img src="/cache/referats/4289/image018.jpg" v:shapes="_x0000_i1033">

Рис. 3.21.Структурная схема детектора среднеквад­ратического значения напряжения.

При подачена термопреобразователь ТП1 измеряемого напряжения Uх~выходное напряжение ТП1 по аналогии с (3.26) U1=ktU2ск .

КромеТП1, в схеме имеется второй термопреобразователь ТП2,включен­ный встречно с ТП1. На ТП2 подаетсянапряжение обратной связи, поэтому его

выходноенапряжение U2== ktBU23.

Такимобразом, на входе УПТ имеет место результирующее напряжение

U1 — U2  = kt(U2ск  — BU23)

чемусоответствует

U3= kуптkт(U2ск  — BU23).

Еслипараметры схемы выбрать так, чтобы

kуптkтBU23>>U3,

то тогдаокончательно U3<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">º

Uск,т. е.шкала ИУ будет равномерной.

Детектор средневыпрямленногозначения—это преобразователь переменного напряжения в постоянный ток,пропорциональный Uсв. Схемно он базируется на двухполупериодном полупроводниковомвыпрямителе, рассмотренном при анализе выпрямительных амперметров (см. §3.4.1). Необходимо, однако, добавить, что линейность характеристики такихдетекторов будет тем лучше, чем больше Uх~ (при малых Ux~детекторстановится квадратичным). Поэтому детекторы средневыпрямленного значения, какправило, применяют в вольтметрах второй моди­фикации (рис. 3.14, б).

еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике