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 ВОЛЬТМЕТРАМИЭлектронные 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 ПРЯМОГОПРЕОБРАЗОВАНИЯСтруктурная 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 ВОЛЬТМЕТРОВРассмотрим схемные решения основных функциональных узлов,определяющих метрологические характеристики аналоговых вольтметров.Большинство этих узлов применяются и в других видах электронных измерительныхприборов.
Входное устройствоКак 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.
УсилителиУсилители 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».
ДетекторТипдетектора 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).