Реферат: АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ, КУЛЬТУРЫ ИЗДРАВООХРАНЕНИЯРЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАНВУЗ АВИЭКФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАТИКИ

ДИСЦИПЛИНА: «Стандартизация и  измерительные технологии»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА: «АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ.»

Выполнил:

Ст-т гр. ЗПОС-96-1

Гринев М.В.

Принял:

Доцент, к.т.н.

Нурманов М.Ш.

 

Алматы 2000 г.            

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

Структурнаясхема электронного аналогового вольтметра пря­мого преобразования соответствуеттиповой схеме рис. 2.1 и, как видно из рис. 3.13, в самом общем случае включаетвходное уст­ройство (ВУ), на вход которого подается измеряемое напряжение Ux, ИП и магнитоэлектрический прибор, применяемый вкачестве ИУ.

Входное устройство представляет в простейшем случаедели­тель измеряемого напряжения — аттенюатор, с помощью которого расширяютсяпределы измерения вольтметра. Помимо точного де­ления Ux, ВУ не должноснижать входной импеданс вольтметра, влияющий, как уже неоднократноподчеркивалось, на методическую погрешность измерения Ux- Таким образом,использование ВУ в виде аттенюатора является, в дополнение к добавочным

/>

Р и с. 3.13. Обобщенная структурная         схе­мааналогового вольтметра прямого     пре­образования.

сопротивлениям и измерительнымтрансформаторам напряжения, еще од­ним способом расширения пределов измерениявольтметров. Имен­но этот способ применяется в электронных вольтметрах и другихрадиоизмерительных приборах.

В качестве ИП в вольтметрахпостоянного тока (В2) применя­ется усилитель постоянного тока (УПТ), а ввольтметрах перемен­ного и импульсного тока (ВЗ и В4) —детектор в сочетании сУПТ 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 фазочувствительныхвольтметров (В5) — возможность измерения не только амплитудных, но и фа­зовыхпараметров исследуемого сигнала.

Структурная схема аналоговоговольтметра постоянного тока соответствует обобщенной схеме рис. 3.13. Основнымфункциональ­ным узлом таких вольтметров является УПТ. Современные вольт­метрыпостоянного тока разрабатываются в основном как цифро­вые приборы.

Вольтметры переменного иимпульсного тока в зависимости от назначения могут проектироваться по одной издвух структур­ных схем (рис. 3.14), различающихся типом ИП. В вольтметрахпервой модификации (рис. 3.14, а) измеряемое напряжение Ux^ преобразуется в постоянное напряжение Ux=, которое затем изме­ряется вольтметром постоянноготока. Наоборот, в вольтметрах второй модификации (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.

Сравнивая структурные схемы рис.3.14, можно еще до рас­смотрения схемных решений их функциональных узловсделать определенные выводы в отношении свойств вольтметров обеих мо­дификаций.В частности, вольтметры первой модификации в отно­шении диапазона частотизмеряемых напряжений не имеют таких ограничений, как вольтметры второймодификации, где этот параметр зависит от полосы пропускания усилителяпеременного тока. Зато вольтметры второй модификации имеют высокую чувствитель­ность.Из курса «Усилительные устройства» известно, что с по­мощью усилителяпеременного тока можно получить значительно больший коэффициент усиления, чем спомощью УПТ, т. е. про­ектировать микровольтметры, у которых нижний предел Ux^. огра­ничивается собственными шумами усилителя. Засчет изменения

/>

Рис. 3.14. Структурные схемыаналоговых вольтмет­ров переменного и импульсного тока:

а—с детектором на входе; б — сусилителем переменного то­ка на входе.

коэффициента деления ВУ икоэффициента усиления усилителей диапазон измеряемых напряжений может бытьбольшим у вольтмет­ров обеих модификаций.

Тип детектора вструктурных схемах рис. 3.14 определяет при­надлежность вольтметров обеихмодификаций 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.

Рассмотрим теперь типовуюструктурную схему селективных вольтметров, которые используются при измерениималых 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».

Частотная селекциявходного сигнала осуществляется с помо­щью перестраиваемого гетеродина,смесителя (См) и узкополосного усилителя промежуточной частоты (УПЧ), которыйобеспечи­вает высокую чувствительность и требуемую избирательность. Еслиизбирательность недостаточна, может быть применено двукратное, а иногда итрехкратное преобразование частоты. Кроме того, в се­лективных вольтметрахобязательно наличие системы автоматиче­ской подстройки частоты и калибратора. Калибратор— образцовый

источник (генератор) переменногонапряжения определенного уровня, позволяющий исключить систематические,погрешности из-за изменения напряжения гетеродина при его перестройке, измене­ниякоэффициентов передачи узлов вольтметра, влияния внешних факторов и т. д.Калибровка вольтметра производится перед изме­рением при установкепереключателя П из положения 1 в положе­ние 2.

/>

Рис. 3.15. Структурная схемаселективного вольтметра.

В заключение отметим, что в одномприборе нетрудно совмес­тить функции измерения постоянных и переменныхнапряжений, а с помощью дополнительных функциональных узлов и соответст­вующихкоммутаций (по аналогии с выпрямительными приборами) образовать комбинированныеприборы, получившие название уни­версальных вольтметров (В7). Современные типытаких вольтмет­ров, как правило, проектируются в виде цифровых приборов, чтопозволяет дополнительно расширить их функциональные возмож­ности и повыситьточность. В связи с этим особенности построения структурных схем универсальныхвольтметров будут рассмотрены в работах коллег.

АНАЛОГОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ СРАВНЕНИЯ

/>

Рис. 3.16.Схема измерительного по­тенциометра.

Электронныеаналоговые вольтметры сравнения в    большин­стве своем реализуют наиболеераспространенную модификацию метода сравнения — нулевой метод. Поэтому чаще ониназываются компенсационными вольтметрами. По сравнению с вольтметрамипрямого преобразования это бо­лее сложные, но и, как подчерки­валось ранееболее точные при­боры. Кроме того, из схемы рис. 2.2 видно, что в момент ком­пенсацииDХ=0 и прибор не по­требляет мощностиот источни­ка X. Применительно к компенса­ционным вольтметрам это озна­чаетвозможность измерения не только напряжения, но и ЭДС ма­ломощных источников. Впракти­ке электрорадиоизмерений подоб­ные измерения выполняются как с помощьюэлектронных компен­сационных вольтметров, так и электромеханических. Дляпояснения применения нулевого метода при измерении ЭДС и напряжения рассмотримвначале классиче­скую схему электромеханического компенсатора постоянного тока,представленную на рис. 3.16.

Одним из основныхфункциональных узлов любого компенсатора является высокоточный переменныйрезистор R, по шкале которого отсчитывают измеря­емое значениеЭДС (Ех) или напряжения (Ux). Поэтому компенсаторы принятоназывать по ГОСТ 9245—79 измерительными потенциометрами. В качестве об­разцовоймеры ЭДС применяется нормальный элемент (НЭ) — электрохимиче­скийисточник, ЭДС (Еа) которого известна с очень высокой степенью точности.Однако емкость НЭ невелика, и длительное сравнение в процессе измерений Ex(Ux) с Ен невозможно. Поэтому схема потенциометрадополняется вспомога­тельным источником ЭДС (Еo) большой емкости. Для сравнения с Ex(Ux) ис­пользуется падение напряжения на образцовомрезисторе Rн., создаваемое током от источника Eо—рабочим током (Iр), который предварительно устанавлива­ется. Таким образом,процесс измерения Ex{Ux) должен состоять из двух этапов.

На первом этапеустанавливается требуемое значение Iр. Для этого пере­ключатель устанавливается в положение 1 и с помощьюпотенциометра Rp до­биваютсянулевого показания индикатора И (как правило, магнитоэлектрическийгальванометр). Как видно из рис. 3.16, этому соответствует IpRн=Eн, т. е. ра­бочий ток Iр, который далее должен оставаться постоянным, будетвоспроизво­дить в процессе измерений значение Ен.

На втором этапе измеряютзначение Ex(Ux). Для этого переключатель пере­водится в положение 2,и изменением сопротивления потенциометра R вновь до­биваются нулевогопоказания И. При Iр = constэтому соответствует Ex(Ux) = IpR, т. е. искомое значение Ex(U^}^.R и может быть отсчитано по шкале R.

Таким образом, метрологическиехарактеристики измерительных потенцио­метров постоянного тока определяютсяпараметрами НЭ, образцовых резисто­ров, индикатора и источника Еу. Вкачестве НЭ применяются насыщенные и не­насыщенные обратимые гальваническиеэлементы, положительный электрод которых образуется ртутью, а отрицательный —амальгамой кадмия. Классы точности НЭ регламентируются ГОСТ 1954—82 в пределах0,0002...0,02 и опре­деляют класс точности потенциометра в целом. Потенциометр Rвыполняется 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.

Измерительные потенциометры могутиспользоваться и для измерения пере­менных напряжений. Однако компенсирующеенапряжение необходимо в этом случае регулировать не только по модулю, но и пофазе. Поэтому такие потен­циометры имеют более сложную схему, чем потенциометрыпостоянного тока, а по точности значительно уступают им из-за отсутствия напеременном токе образцовой меры, аналогичной по своим характеристикам НЭ. Впрактике электрорадиоизмерений они полностью вытеснены электроннымикомпенсационными вольтметрами.

Вкомпенсационных вольтметрах измеряемое напряжение (по­стоянное, переменное,импульсное) сравнивается с постоянным компенсирующим напряжением, которое всвою очередь точно измеряется вольтметром постоянного тока и является мерой Ux.Типовая структурная схема такого вольтметра приведена на рис. 3.17.

Как видно из рис. 3.17, основувольтметра составляет компен­сационный ИП, состоящий из измерительного диода нагрузкой R, регулируемого источника постоянного компенсирующегонапря­жения -Ек, усилителя и индикатора с двумя устойчивыми состояниями. Приотсутствии Ux индикатор, реализуемый с помощью

функциональных узлов находится впервом устойчивом состоянии, а при некотором пороговом значении переходит вовторое состояние. Процесс измерения Ux как раз и сводится к постепенномуувеличению Ек до тех пор, пока индика­тор не перейдет во второеустойчивое состояние. Значение Ек, со­ответствующее моменту перехода,измеряется вольтметром посто­янного тока и является мерой Ux.

/>

Рис. 3.17. Структурная схемакомпенсационного вольт­метра.

В сочетании с другими схемны­мирешениями (применение индикатора с малым пороговым напряжением, ламповогоизмерительного диода со стабильной ха­рактеристикой и др.) оказываетсявозможным проектировать вы­сокоточные компенсационные вольтметры.

Недостаток рассмотреннойсхемы — необходимость установки Ей вручную. Поэтому в большинствевольтметров схему ИП услож­няют, обеспечивая автоматическую компенсацию Uxи Ек. Авто­компенсационные вольтметры являются прямопоказывающимиприборами и более удобны в эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ АНАЛОГОВЫХ ВОЛЬТМЕТРОВ

Рассмотримсхемные решения основных функциональных узлов, определяю­щих метрологическиехарактеристики аналоговых вольтметров. Большинство этих узлов применяются и вдругих видах электронных измерительных приборов.

Входное устройство

Как ужеуказывалось выше, ВУ предназначено для расширения пределов измерениявольтметра. В простейшем случае оно представляет собой аттенюа­тор, выполненныйпо резистивной (рис. 3.18, а), емкостной (рис. 3.18, б) или ком­бинированной(рис. 3.18, в) схемам.

Наиболеепростой и универсальной (для Uх= и Ux~) является схема, пред­ставленная на рис. 3.18, а, но навысоких частотах существенное влияние начи­нают оказывать паразитные емкости.Поэтому на высоких частотах переходят либо к емкостной схеме, либо ккомбинированной, которая при R1C1 = R2C2 ока­зывается частотно-компенсированной (коэффициентделения k = R2/(R1 + Р2), как и для схемы, изображенной нарис. 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 низкоомного резистивного аттенюатора с постояннымвходным и выходным импедансом. Это повышает точность измерения Ux~, но требует введения в структу­ру ВУ преобразователя импеданса (ПИ),обеспечивающего трансформацию высо­кого входного сопротивления вольтметра вмалое входное сопротивление атте­нюатора. В качестве ПИ наиболее частоиспользуют повторитель напряжения на полевом транзисторе с глубокойотрицательной обратной связью. С помощью

/>

Рис. 3.18. Схемы аттенюатороввольтметров:

а—на резисторах; б — наконденсаторах; в — комбинированная.

/>

Рис. 3.19. Структурнаясхема уни­версального входного устройства.

входного делителянапряжения (ВДН) предусматривается дополнительная воз­можность расширенияпределов измерения вольтметра. ВДН представляет собой фиксированный делительрезистивно-емкостного типа (см. рис. 3.18, в)

На высоких частотах входноесопротивление вольтметра уменьшается, а входная емкость и индуктивностипроводников образуют последовательный ко­лебательный контур, который нарезонансной частоте имеет практически нулевое сопротивление. Для нейтрализацииэтих эффектов ПИ конструктивно выполня­ется как выносной пробник с ВДН ввиде насадки.

 

Усилители

Усилителипостоянного тока, как видно из структурных схем (см. рис. 3.13 и 3.14, о),обеспечивают получение мощности, достаточной для приведения в дей­ствие ИМмагнитоэлектрического прибора, и согласование входного сопротивле­ния ИУ свыходным сопротивлением ВУ или детектора. К УПТ предъявляются два основныхтребования: высокое постоянство коэффициента усиления и пре­небрежимо малыефлюктуации выходной величины при отсутствии Ux= (Дрейф нуля). Поэтому все практические схемы УПТимеют глубокую отрицательную обратную связь (ООС), обеспечивающую стабильнуюработу их и нечувствитель­ность к перегрузкам. Радикальными методами борьбы сдрейфом нуля являются его периодическая коррекция, а также преобразование Uх=в переменное напря­жение с последующим усилением и выпрямлением этого 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.

Детально усилители постоянного ипеременного тока рассматриваются в курсе «Усилительные устройства».

Детектор

Тип детектора определяет, как ужеуказывалось, принадлежность вольтмет­ров переменного тока к вольтметрамамплитудного, среднеквадратического или средневыпрямленного напряжения. Всоответствии с этим сами детекторы клас­сифицируются следующим образом: попараметру 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;

по характеристике детектирования:линейные и квадратичные детекторы.

/>

Рис. 3.20. Схемы пикового детектора:

А — с открытым входом; Б — сзакрытым входом.

Пиковыйдетектор — этодетектор, выходное напряжение которого непосред­ственно соответствует t/max или <7min (Ов или Us). Пиковый детектор относит­ся к линейным и может иметьоткрытый (рис. 3.20, а) или закрытый (рис. 3.20, б) вход по постоянномунапряжению.

Принцип работы пиковыхдетекторов специфичен и заключается в заряде конденсатора С через диод Vдо максимального (пикового) значения Ux~, кото­рое затем запоминается, если постоянная времени разряда С(через R) значитель­но превышает постоянную времени заряда.Полярность включения V определяет соответствие Ux=, либо Umax(Uв), либо Umin(Uн), а возможные пульсации Uх= сглаживаются цепочкой Рф, Сф. Если детекторимеет открытый вход, Uх= определяется суммой U и Uв(Uн), т. е. соответствует Umax (Umin)При закрытом входе Uх= соответствует Uв(Uн). Если же Ux~не содержит посто­янной составляющей, то схемы, изображенные на рис. 3.20, а,б, идентичны, а Uх= соответствует Um. В некоторых случаях применяютдвухполупериодные пи­ковые детекторы с удвоением напряжения, позволяющие прямоизмерять значе­ние размаха напряжения.

Существенным достоинствомпиковых детекторов являются большое входное сопротивление (равное R/2 для схемы на рис. 3.20, а и R/3—для схемы на рис.3.20, б) и наилучшие по сравнению с другими типами детекторовчастотные свойства. Поэтому пиковые детекторы наиболее часто применяют ввольтметрах первой модификации (см. рис. 3.14, о), конструктивно оформляясовместно с ВУ в виде выносного пробника. В этом случае по кабелю, соединяющемупробник с прибором, передается Uх=.

Детекторсреднеквадратического значения—это преобразователь переменно­го напряжения в постоянный ток(напряжение), пропорциональный U2ск .Харак­теристика детектирования в этом случае должна быть квадратичной, а прина. личии U- необходим детектор с открытым входом.В современных типах вольт­метров применяются в основном квадратичные детекторыс термопреобразовате­лями, 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.

/>

Рис. 3.21. Структурная схемадетектора среднеквад­ратического значения напряжения.

При подаче на термопреобразовательТП1 измеряемого напряжения Uх~ выходноенапряжение ТП1 по аналогии с (3.26) U1=ktU2ск .

Кроме ТП1, в схемеимеется второй термопреобразователь ТП2, включен­ный встречно с ТП1. На ТП2подается напряжение обратной связи, поэтому его

выходное напряжение U2 == ktBU23.

Таким образом, на входе УПТ имеетместо результирующее напряжение

U1 — U= kt(U2ск  — BU23)

чему соответствует

U3 = kуптkт(U2ск  — BU23).

Если параметры схемы выбрать так,чтобы

kуптkт BU23>> U3,

то тогда окончательно U3ºUск, т. е. шкала ИУ будет равномерной.

Детекторсредневыпрямленного значения— это преобразователь переменного напряжения в постоянный ток,пропорциональный Uсв. Схемно онбазируется на двухполупериодном полупроводниковом выпрямителе, рассмотренномпри анализе выпрямительных амперметров (см. § 3.4.1). Необходимо, однако,добавить, что линейность характеристики таких детекторов будет тем лучше, чембольше Uх~ (при малых Ux~ детектор становится квадратичным). Поэтому детекторысредневыпрямленного значения, как правило, применяют в вольтметрах второй моди­фикации(рис. 3.14, б).

еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике