Электронный вольтметр переменного тока

Электронный вольтметр переменного тока

Такие вольтметры состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Возможны две обобщенные структурные схемы вольтметров переменного тока (рис. 4.17), различающиеся своими характеристиками. В вольтметрах по схеме рис.4.17,а измеряемое напряжение их сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подается на УПТ и ИМ, являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. Преобразователь Пр представляет собой мало­инерционное нелинейное звено, поэтому вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном диапазоне (от десятков герц до 10 3 МГц).

Рис.4.17. Структурные схемы вольтметров переменного тока

В вольтметрах, выполненных по схеме рис.4.17, б, благодаря пред­варительному усилению удается повысить чувствительность. Однако создание усилителей переменного тока с большим коэффициентом усиления, работающих в широком диапазоне частот,— достаточно трудная техническая задача. Поэтому такие вольтметры имеют относительно низкий частотный диапазон (1 — 10 МГц); верхний предел измерений при максимальной чувствительности составляет десятки или сотни микровольт.

В зависимости от вида преобразователя переменного напряжения в постоянное отклонения указателя измерительного механизма вольтметров могут быть пропорциональны амплитудному (пиковому), среднему (средневыпрямленному) или действующему значениям измеряемого напряжения.

Вольтметры амплитудного значения имеют преобразователи амплитудных значений (пиковые детекторы) с открытым (рис. 4.18, а) или закрытым (рис. 4.19, а) входами, где ивх и ивых — входное и выходное напряжения преобразователя.

Рис. 4.18. Схема (а) и временные диаграммы сигналов (б и в) преобразователя амплитудных значений (пикового детектора)

с открытым входом

В амплитудных преобразователях с открытым входом конденсатор заряжается практически до максимального ихmах положительного (при данном включении диода) значения входного напряжения (см. рис. 4.18, б). Пульсации напряжения uвых на конденсаторе объясняются его подзарядом при открытом диоде и разрядом через резистор R при закрытом диоде.

Среднее значение выходного напряжения иср » ихтах и, следовательно, угол отклонения указателя измерительного механизма

(4.29)

где ky — коэффициент преобразования вольтметра.

Особенностью амплитудных преобразователей с открытым входом является то, что они пропускают постоянную составляющую входного сигнала (положительную для показанного включения диода)

При ивх= Uo + Um sin ωt среднее значение выходного напряжения иСР ≈ Uо + Um. Следовательно,

(4.30)

(4.33)

Шкала таких вольтметров также градуируется в действу­ющих значениях синусоидального напряжения. При измерении напряжения несинусоидальной формы среднее значение этого напряжения

(4.34)

(4.35)

где UПР — показание вольтметра; kфс = 1,11 — коэффициент формы синусоиды; kФ — коэффициент формы измеряемого напряжения.

Вольтметры действующего значения имеют преобразователь переменного напряжения с квадратичной статической характеристикой преобразования иВЫХ= k uВХ 2 . В качестве такого преобразователя используют термопреобразователи, квадратирующие устройства с кусочно-линейной аппроксимацией параболы, электронные лампы и другие. При этом если вольтметр действующего значения выполнен по структурным схемам, изображенным на рис.4.17, то независимо от формы кривой измеряемого напряжения отклонение указателя измерительного механизма пропорционально квадрату действующего значения измеряемого напряжения:

(4.36)

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: При сдаче лабораторной работы, студент делает вид, что все знает; преподаватель делает вид, что верит ему. 9554 — | 7356 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Электронные аналоговые вольтметры

В электронных вольтметрах конструктивно объединены электронный преобразователь и измерительный механизм. Электронный преобразователь может быть ламповым или полупроводниковым. Измерительный механизм обычно магнитоэлектрический. Электронные аналоговые вольтметры позволяют производить измерения в широком диапазоне напряжений и частот.

Электронные вольтметры постоянного тока выполняются по схеме, представленной на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Структурная схема аналогового электронного вольтметра

Измеряемое напряжение 11х подается на входное устройство, представляющее собой многопредельный высокоомный делитель на резисторах. С делителя напряжение поступает на усилитель постоянного тока и далее — на измерительный механизм. Делитель и усилитель постоянного тока ослабляют или усиливают напряжение до значений, необходимых для нормальной работы измерительного механизма. Одновременно усилитель обеспечивает согласование высокого сопротивления входной цепи прибора с низким сопротивлением катушки измерительного механизма. Входное сопротивление электронного вольтметра составляет обычно несколько десятков мегаом. Это позволяет производить измерения в высокоомных цепях без заметного потребления мощности от объекта измерения. Диапазон измеряемых напряжений постоянного тока — от десятков милливольт до нескольких киловольт. Для измерения малых напряжений используют микровольтметры с преобразованием постоянного тока в переменный. В таких приборах усиление измеряемого сигнала производится на переменном токе, что позволяет достичь больших значений коэффициента усиления и снизить порог чувствительности до нескольких микровольт. Рабочий диапазон электронных микровольтметров постоянного тока лежит в пределах 1(Г 8 . 1 В.

Читайте также:  Кран духовки газовой плиты горенье

Электронные вольтметры переменного тока выполняются по двум структурным схемам, представленным на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Структурные схемы аналогового электронного вольтметра переменного тока с предварительным выпрямлением (а) и с предварительным усилением (б)

В первой из этих схем измеряемое переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное при помощи детектора, а затем усиливается усилителем постоянного тока и воздействует на измерительный механизм. Во второй схеме усиление производится на переменном токе (для этого служит усилитель переменного тока) и лишь затем предварительно усиленный сигнал выпрямляется детектором и отклоняет стрелку измерительного механизма. Эти схемы дополняют друг друга. Каждая из них обладает своими преимуществами и недостатками. По первой схеме могут строиться вольтметры, обладающие широким частотным диапазоном (10 Гц . 1000 МГц), но обычно не способные измерять напряжения меньше нескольких десятых долей вольта: детектор выпрямляет только достаточно большие напряжения.

Вторая схема позволяет строить чувствительные вольтметры, нижний предел измерения которых составляет всего лишь единицы микровольт. Однако эти приборы имеют меньший частотный диапазон, поскольку частотный диапазон усилителя переменного тока трудно сделать достаточно большим.

Детекторы, применяемые в электронных вольтметрах, служат для выпрямления переменного тока. Они могут быть выполнены по различным схемам и подразделяются на детекторы средневы-прямленного, амплитудного и среднеквадратического значений. Это деление показывает, какому из значений (средневыпрямлен-ному, амплитудному или среднеквадратическому) измеряемого напряжения соответствует напряжение на выходе детектора.

По отношению к постоянной составляющей напряжения различают детекторы с открытым и закрытым входом. В первом случае постоянная составляющая наряду с переменной вносит свой вклад в результат измерения, во втором — постоянная составляющая исключается из-за наличия разделительного конденсатора на входе детектора.

Одна из возможных схем усилителя постоянного тока (в упрощенном виде) представлена на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Усилители постоянного тока на электронных лампах (а) и полевых

транзисторах со встроенным каналом (б)

Измеряемое напряжение 11х подается на сетку триода КХ, через резистор /?ф, который вместе с конденсатором Сф образует фильтр, уменьшающий пульсации на сетке лампы. При короткозамкнутом входе, т. е. в отсутствие напряжения 1/х, потенциалы сеток обеих ламп УЬХ и УЬ2 равны и установка на нуль измерительного механизма вольтметра РУ может быть выполнена при помощи переменного резистора Я4. Появление напряжения Их приведет к изменению внутреннего сопротивления лампы УЬ|, из-за чего нарушится баланс схемы, потенциалы анодов не будут равны и через цепь измерительного механизма потечет ток. Направление и значение этого тока зависят от знака и значения измеряемого напряжения 11х. Таким образом, шкала измерительного механизма может быть проградуирована в вольтах постоянного тока.

К усилителю постоянного тока милливольтметра предъявляются определенные требования: он должен обладать незначительным дрейфом нуля, большим входным сопротивлением и стабильным коэффициентом усиления (рис. 7.4). Для уменьшения дрейфа нуля УПТ выполнен по балансной схеме, и в нем применены так называемые композитные транзисторы, включающие полевой транзистор УТ1 (УТ4) и биполярный транзистор УТ2 (УТЗ). Использование полевых транзисторов позволило по-

Рис. 7.4. Вольтметр на транзисторном усилителе постоянного тока

лучить большое входное сопротивление УПТ, а биполярных — большую крутизну вольт-амперной характеристики композитного транзистора, что повысило чувствительность прибора. Резисторы ЯП, Я18, И. 19 обеспечивают необходимый режим работы композитных транзисторов. Для повышения стабильности коэффициента усиления УПТ и его линейности дополнительно введены резисторы Я13 и Я16. Нагрузками композитных транзисторов являются резисторы Я12 и Я17, между которыми включен стрелочный индикатор РА1 с подстроечным резистором Я15, предназначенным для калибровки усилителя. Балансируют УПТ переменным резистором Я18 «Уст. “О”».

При указанных на схеме номиналах резисторов стрелка индикатора отклоняется до конечного деления шкалы (100 мкА) при подаче на вход УПТ напряжения 50 мВ.

Для защиты полевого транзистора УТ1 от возможных перегрузок по напряжению установлены цепочки диодов УЭ1, УЭ2 и УЭЗ, УЭ4.

Современные усилительные устройства практически всегда выполняются с использованием таких универсальных и дешевых интегральных схем (НС), как операционные усилители (ОУ). Они имеют сравнительно сложную структуру, однако, как показывает опыт, разработчику измерительной аппаратуры не обязательно знать все тонкости схемотехники и технологии изготовления ОУ. Вместе с тем, не зная общих принципов их построения и современной номенклатуры, трудно ожидать создания надежных устройств с предельным сочетанием точности, быстродействия и потребляемой мощности.

Читайте также:  Как расшифровывается станок чпу

Особенности схемотехнических решений, используемых для построения НС, обусловлены следующими ограничениями в технологии их изготовления: большими разбросами абсолютных значений параметров элементов, микронными размерами элементов, трудностью технологической совместимости различных активных элементов, отсутствием индуктивности среди элементов НС. В НС выгодно применять активные элементы вместо пассивных, занимающих большую площадь кристалла. Элементы, расположенные на кристалле рядом, имеют практически одинаковую температуру и близкие характеристики. Разработчики АИС проектируют их таким образом, чтобы в максимальной степени использовать преимущества полупроводниковой технологии и свести к минимуму влияние ограничений, накладываемых этой технологией.

Основным узлом ОУ является дифференциальный усилитель ДУ (рис. 7.5). Его образуют два транзистора с близкими параметрами УТ и УТ2, нагруженные резисторами /?, и Я2 с одинаковыми сопротивлениями. В цепь эмиттеров включен генератор тока /г. В электронике генератором тока принято называть устройство, способное поддерживать в определенных пределах силу втекающего или вытекающего тока с малой зависимостью от изменения приложенного напряжения. Генераторы тока характеризует высокое выходное сопротивление.

Рис. 7.5. Дифференциальный усилитель

Если /?, и /?2 равны, то ДУ симметричен относительно генератора постоянного тока /г и усиливает рассогласование между параметрами элементов плеч, К7], и УТ2, Я2. Вследствие этого ДУ часто называют балансным или разностным (усилитель разницы между двумя сигналами, поданными на входы ДУ). Если ит1 = ивх2, т. е. изменения входных сигналов совпадают по фазе и одинаковы по амплитуде, то токи в плечах ДУ постоянны, равны и ?/вых1 = ?/вых2 = и+ — /г/?,/2. Одинаковые входные сигналы ДУ

называются синфазными, а ДУ тем лучше, чем меньшее изменение Д икыхс = икых]ипых2 вызывает изменение (/вх при ?/вх1 = (/вх2. В реальном ДУ из-за разбаланса плеч, т. е. разброса параметров резисторов и транзисторов, а также конечного значения выходного сопротивления генератора тока /г при 1/вхс = ?/вх1 = (1вх2 имеем Д?/выхх*0. Отношение Аившсвхс называется коэффициентом усиления синфазного сигнала.

В основу большинства ОУ общего применения положена трехкаскадная структура (рис. 7.6) с обязательным применением ДУ на входе. Для увеличения входного сопротивления промежуточного каскада (транзисторы КГ6. УГ10) на его входе включен эмиттерный повторитель на транзисторе УТЬ. Выходной каскад с низким выходным сопротивлением и защитой от короткого замыкания образуют транзисторы УТп. УТ14. На рис. 7.6 приведена упрощенная схема ОУ. Реальные схемы усилителя отличаются друг от друга схемами каскадов, технологией их изготовления и вследствие этого параметрами. В большинстве случаев для понимания особенностей применения ОУ в аппаратуре достаточно иметь представление о работе приведенной схемы.

Вследствие большого коэффициента усиления ОУ является высокочувствительным элементом, усиливающим как очень малые полезные сигналы (десятки микровольт), так и собственные шумы и наводки на внешние выводы. Несимметрия монтажа электрических схем, разброс и нестабильность параметров элементов микросхем и компонентов внешних цепей усиливают действие помех. Основной причиной, по которой коэффициент усиления ОУ делают большим, является обеспечение высокой стабильности его параметров при использовании глубокой отрицательной обратной связи (ОС), которая заключается в подаче части или всего выходного напряжения на вход в противофазе.

В зависимости от вида цепи ОС различают инвертирующее и неинвертирующее включения ОУ (рис. 7.8). Схемы этих включений и формулы для вычисления коэффициента усиления по напряжению Кь, для постоянного тока и на низких частотах представлены на рис. 7.7.

Инвертирующее включение Неинвертирующее включение

Рис. 7.7. Варианты включения ОУ

Рис. 7.8. Примеры графического изображения операционного усилителя: I — инвертирующий вход; 2— неинвертирующий вход; 6— выход; 4, 7 — выводы питания

Усилители переменного напряжения, которые используются в электронных вольтметрах, должны иметь высокий и стабильный коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот, малые нелинейные искажения, быть нечувствительными к изменениям температуры и напряжения питания. Таким требованиям отвечают широкополосные многокаскадные усилители, стабилизированные обратной связью.

Электронные вольтметры обладают рядом ценных качеств. Они имеют большое входное сопротивление, поэтому потребляют малую мощность от цепи, в которой производятся измерения. Диапазон их рабочих частот может простираться от нуля до сотен мегагерц. Значения измеряемых напряжений лежат в области от нескольких микровольт до киловольт.

К недостаткам электронных вольтметров относятся необходимость источника питания, невысокая точность, обусловленная недостаточной стабильностью электронных элементов (резисторов, ламп, полупроводниковых диодов и транзисторов и т. д.). На электронные вольтметры установлены классы точности от 0,1 до 25. Обычные классы 2,5; 4,0, а на повышенных частотах 6, 10, 15.

Читайте также:  Водосточная система верат технониколь

Вольтметры средневыпрямленного значения и амплитудные вольтметры имеют также погрешности, зависящие от формы кривой тока. По принципу действия они реагируют на средне-выпрямленное и амплитудное значения, но для удобства работы обычно градуируются в среднеквадратических (действующих) значениях напряжения. Такая градуировка может быть произведена только для определенной формы кривой тока. Обычно эта форма предполагается синусоидальной. Поэтому вольтметры средневыпрямленного и амплитудного значений дают правильные показания только при синусоидальной кривой измеряемого напряжения. Если кривая отличается от синусоиды, погрешности могут возрастать до десятков процентов. Подробнее этот вопрос будет рассмотрен в восьмой главе.

Электронные вольтметры часто входят в состав и являются основой многопредельных комбинированных приборов, позволяющих наряду с напряжением измерять другие электрические величины, например сопротивление. Такие приборы широко используются в лабораторной практике, особенно для радиотехнических измерений.

Для выполнения измерений повышенной точности применяют более сложные приборы. Они выполняются по схемам уравновешивания и используют метод сравнения. К таким приборам относятся компенсаторы (потенциометры) и измерительные мосты.

Электронным вольтметром называется прибор, показания которого вызываются током электронных приборов, т. е. энергией источника питания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет током электронных приборов, благодаря чему входное сопротивление электронных вольтметров достигает весьма больших значений и они допускают значительные перегрузки.

В электронных вольтметрах конструктивно объединены электронный преобразователь и измерительный механизм. Электрон­ный преобразователь может быть ламповым или полупроводнико­вым. Измерительный механизм обычно магнитоэлектрический.

Недостатками вольт­метров являются трудность изменения предела измерений, из-за чего приборы выполняются, как правило, однопредельными, и низ­кая чувствительность (верхний предел измерений не менее десятков вольт), что определяет преимущественное их использование для измерения высоких напряжений. Необходимость питания от стабильных источников по­стоянного или переменного напряжения; необходимость в электри­ческой установке стрелки измерителя на нуль или калибровке вольтметра перед началом измерений; сравнительно большая по­грешность измерений (до 3—5%). Шкалу любого электронного вольтметра градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряжения синусоидальной формы. Исключение составляют импульсные вольтметры, шкалу которых градуируют в амплитудных значениях.

Преимущества

Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью, высоким входным сопротивлением, широким диапазоном измеряемых напряжений, могут работать в широком диапазоне частот.

Диапазон измерений

Электронные вольтметры обладают широким диапазоном измеряемых напряжений: от десятков нановольт на постоянном токе до десятков киловольт, работают в частотном диапазоне от постоянного тока до частот порядка сотен мегагерц, входное сопротивление более 1 МОм.

Вольтметры с уравновешивающим преобразованием, как правило, имеют более высокие классы точности: 0,2 – 2,5.

Электронные вольтметры чаще всего делятся:

по назначению: пост. и перем. тока, импульсные, фазочувствительные, селективные, универсальные.

по типу отсчетного устройства: аналоговые (возможность контроля постоянства, более высокая скорость считывания показаний) и цифровые (высокой точностью),

по методу измерения: прямого сравнения с мерой и компенсационного.

по измеряемым параметрам напряжения: амплитудные, среднеквадратич. значения, — по частотному диапазону: НЧ, ВЧ, широкодиапазонные.

При измерении U=I напряжений постоянного тока, определяют его значение. При измерении напряжений переменного тока находят значение какого-либо его параметра – пиковое (наибольшее мгновенное значение напряжения за время измерения или за период), среднее (постоянная составляющая U=1/T∙⌠ T U(t)dt), средне-выпрямленное (среднее значение модуля напряжения: UСВ=1/T∙⌠ T |U(t)|dt) или среднеквадратическое (U=√(1/T)∙⌠ T U 2 (t)dt).

Связь между пиковым, средневыпрямленным и среднеквадратичным знаением напряжения данной формы устанавливается при помощи коэффициента амплитуды: Кп=Um/U и коэф. формы кривой: Кф=U/UСВ. Для напряжений синусоидальной формы коэффициент амплитуды =√2, коэффициент формы 2√2/π.

Вольтметры переменного тока выполняются по одной из следующих схем. 1)uх –[ВБ]—>[Д]—>[УПТ]—>[ИП], 2) uх –[ВБ]—>[У

T]—>[Д]—>iх [ИП]. ВБ – входной блок, УПТ – усилитель постоянного тока, ИП – измерительный прибор, У

T – усилитель переменного тока, Д – демодулятор.

В схеме 1 измеряемое переменное напряжение сначало преобразуется в постоянное, затем усиливается в УПТ, индуцируется на ИП. Вольтметры, построенные по этой схеме имеют очень широкий диапазон частот, недостаток – невозможность измерения малых напряжений или большая аддитивная погрешность при измерении малых напряжений из-за падения напряжения на p-n переходах. Вольтметры, построенные по 2-ой структуре – усиливается сразу переменное напряжение и выпрямление осуществляется после усиления. Такие вольтметры отличаются высокой чувствительностью и могут измерять напряжение десятки микровольт, но их диапазон рабочих частот ограничен полосой пропускания УПТ.

Дата добавления: 2016-04-06 ; просмотров: 1805 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Ссылка на основную публикацию
Что можно сделать из остатков фанеры
Если после проведения ремонтных работ остались определенные куски фанеры, это вовсе не повод от них немедленно избавляться. Данный материал еще...
Чем лечить ушибы и растяжения
Автор: seomanager · Май 15, 2019 Ушибы и растяжения считаются самыми распространенными травмами, в такой ситуации как можно раньше должна...
Чем лучше всего гладить рубашки
Каждый раз, когда направляешься на работу или попадаешь в людное место, волей не волей, обращаешь внимание на мужчин, которые ходят...
Что можно сделать из скороварки
Всем привет! Давно я обещал написать эту статью, но постоянно ее откладывал. Пришло время исполнить обещание. Сегодня я буду рассказывать,...
Adblock detector