Аналоговые электронные вольтметры

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ, КУЛЬТУРЫ И ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ВУЗ АВИЭК ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАТИКИ

ДИiИПЛИНА: ВлСтандартизация  и  измерительные технологииВ»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА: ВлАНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ.В»

Выполнил:

Ст-т гр. ЗПОС-96-1

Гринев М.В.

Принял:

Доцент, к.т.н.

Нурманов М.Ш.

Алматы 2000 г.        

ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМИ АНАЛОГОВЫМИ ВОЛЬТМЕТРАМИ

Электронные аналоговые вольтметры являются первым примеВнром электронных измерительных приборов, рассматриваемых в курсе. Среди них встречаются как вольтметры прямого преобразоВнвания, так и вольтметры сравнения. Рассмотрим принцип работы, структурные схемы и основные функциональные узлы аналоговых вольтметров прямого преобразования и сравнения.

АНАЛОГОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Структурная схема электронного аналогового вольтметра пряВнмого преобразования соответствует типовой схеме рис. 2.1 и, как видно из рис. 3.13, в самом общем случае включает входное устВнройство (ВУ), на вход которого подается измеряемое напряжение Ux, ИП и магнитоэлектрический прибор, применяемый в качестве ИУ.

Входное устройство представляет в простейшем случае делиВнтель измеряемого напряжения тАФ аттенюатор, с помощью которого расширяются пределы измерения вольтметра. Помимо точного деВнления Ux, ВУ не должно снижать входной импеданс вольтметра, влияющий, как уже неоднократно подчеркивалось, на методическую погрешность измерения Ux- Таким образом, использование ВУ в виде аттенюатора является, в дополнение к добавочным

Р и с. 3.13. Обобщенная структурная        схеВнма аналогового вольтметра прямого        преВнобразования.

сопротивлениям и измерительным трансформаторам напряжения, еще одВнним способом расширения пределов измерения вольтметров. ИменВнно этот способ применяется в электронных вольтметрах и других радиоизмерительных приборах.

В качестве ИП в вольтметрах постоянного тока (В2) применяВнется усилитель постоянного тока (УПТ), а в вольтметрах переменВнного и импульсного тока (ВЗ и В4) тАФдетектор в сочетании с УПТ или усилителем переменного тока. Более сложную структуру имеют преобразователи в вольтметрах остальных видов. В частности, преобразователи селективных вольтметров (В6) должны обеспеВнчить, помимо детектирования и усиления сигнала, селекцию его по частоте, а преобразователи фазочувствительных вольтметров (В5) тАФ возможность измерения не только амплитудных, но и фаВнзовых параметров исследуемого сигнала.

Структурная схема аналогового вольтметра постоянного тока соответствует обобщенной схеме рис. 3.13. Основным функциональВнным узлом таких вольтметров является УПТ. Современные вольтВнметры постоянного тока разрабатываются в основном как цифроВнвые приборы.

Вольтметры переменного и импульсного тока в зависимости от назначения могут проектироваться по одной из двух структурВнных схем (рис. 3.14), различающихся типом ИП. В вольтметрах первой модификации (рис. 3.14, а) измеряемое напряжение Ux^ преобразуется в постоянное напряжение Ux=, которое затем измеВнряется вольтметром постоянного тока. Наоборот, в вольтметрах второй модификации (рис. 3.14, б) измеряемое напряжение сначала усиливается с помощью усилителя переменного тока, а затем деВнтектируется и измеряется. При необходимости между детектором и ИУ может быть дополнительно включен УПТ.

Сравнивая структурные схемы рис. 3.14, можно еще до расВнсмотрения схемных решений их функциональных узлов сделать определенные выводы в отношении свойств вольтметров обеих моВндификаций. В частности, вольтметры первой модификации в отноВншении диапазона частот измеряемых напряжений не имеют таких ограничений, как вольтметры второй модификации, где этот параметр зависит от полосы пропускания усилителя переменного тока. Зато вольтметры второй модификации имеют высокую чувствительВнность. Из курса ВлУсилительные устройстваВ» известно, что с поВнмощью усилителя переменного тока можно получить значительно больший коэффициент усиления, чем с помощью УПТ, т. е. проВнектировать микровольтметры, у которых нижний предел Ux^. ограВнничивается собственными шумами усилителя. За счет изменения

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

атАФс детектором на входе; б тАФ с усилителем переменного тоВнка на входе.

коэффициента деления ВУ и коэффициента усиления усилителей диапазон измеряемых напряжений может быть большим у вольтметВнров обеих модификаций.

Тип детектора в структурных схемах рис. 3.14 определяет приВннадлежность вольтметров обеих модификаций к вольтметрам амплитудного, среднеквадратического или средневыпрямленного наВнпряжения. При этом вольтметры импульсного тока (В4) проектиВнруются только как вольтметры первой модификации, чтобы избеВнжать искажений формы импульсов в усилителе переменного тока. При измерении напряжения одиночных и редко повторяющихся имВнпульсов применяются либо диодно-емкостные расширители имВнпульсов в сочетании с детекторами, либо амплитудно-временное преобразование импульсов, характерное для цифровых вольтметВнров.

Рассмотрим теперь типовую структурную схему селективных вольтметров, которые используются при измерении малых гармоВннических напряжений в условиях действия помех, при исследоваВннии спектров периодических сигналов и в целом ряде других слуВнчаев. Как видно из рис. 3.15, вольтметр представляет собой по существу супергетеродинный приемник, принцип работы которого поясняется в курсе ВлРадиотехнические цепи и сигналыВ».

Частотная селекция входного сигнала осуществляется с помоВнщью перестраиваемого гетеродина, смесителя (См) и узкополосного усилителя промежуточной частоты (УПЧ), который обеспечиВнвает высокую чувствительность и требуемую избирательность. Если избирательность недостаточна, может быть применено двукратное, а иногда и трехкратное преобразование частоты. Кроме того, в сеВнлективных вольтметрах обязательно наличие системы автоматичеВнской подстройки частоты и калибратора. Калибратор тАФ образцовый

источник (генератор) переменного напряжения определенного уровня, позволяющий исключить систематические, погрешности из-за изменения напряжения гетеродина при его перестройке, изменеВнния коэффициентов передачи узлов вольтметра, влияния внешних факторов и т. д. Калибровка вольтметра производится перед измеВнрением при установке переключателя П из положения 1 в положеВнние 2.

Рис. 3.15. Структурная схема селективного вольтметра.

В заключение отметим, что в одном приборе нетрудно совмесВнтить функции измерения постоянных и переменных напряжений, а с помощью дополнительных функциональных узлов и соответстВнвующих коммутаций (по аналогии с выпрямительными приборами) образовать комбинированные приборы, получившие название униВнверсальных вольтметров (В7). Современные типы таких вольтметВнров, как правило, проектируются в виде цифровых приборов, что позволяет дополнительно расширить их функциональные возможВнности и повысить точность. В связи с этим особенности построения структурных схем универсальных вольтметров будут рассмотрены в работах коллег.

АНАЛОГОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ СРАВНЕНИЯ

Рис. 3.16. Схема измерительного поВнтенциометра.

Электронные аналоговые вольтметры сравнения в        большинВнстве своем реализуют наиболее распространенную модификацию метода сравнения тАФ нулевой метод. Поэтому чаще они называются компенсационными вольтметрами. По сравнению с вольтметрами прямого преобразования это боВнлее сложные, но и, как подчеркиВнвалось ранее более точные приВнборы. Кроме того, из схемы рис. 2.2 видно, что в момент комВнпенсации ΔХ=0 и прибор не поВнтребляет мощности от источниВнка X. Применительно к компенсаВнционным вольтметрам это ознаВнчает возможность измерения не только напряжения, но и ЭДС маВнломощных источников. В практиВнке электрорадиоизмерений подобВнные измерения выполняются как с помощью электронных компенВнсационных вольтметров, так и электромеханических. Для пояснения применения нулевого метода при измерении ЭДС и напряжения рассмотрим вначале классичеВнскую схему электромеханического компенсатора постоянного тока, представленную на рис. 3.16.

Одним из основных функциональных узлов любого компенсатора является высокоточный переменный резистор R, по шкале которого отсчитывают измеряВнемое значение ЭДС (Ех) или напряжения (Ux). Поэтому компенсаторы принято называть по ГОСТ 9245тАФ79 измерительными потенциометрами. В качестве обВнразцовой меры ЭДС применяется нормальный элемент (НЭ) тАФ электрохимичеВнский источник, 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 потенциометра дополняется вспомогаВнтельным источником ЭДС (Еo) большой емкости. Для сравнения с Ex(Ux) исВнпользуется падение напряжения на образцовом резисторе Rн., создаваемое током от источника EотАФрабочим током (Iр), который предварительно устанавливаВнется. Таким образом, процесс измерения Ex{Ux) должен состоять из двух этапов.

На первом этапе устанавливается требуемое значение Iр. Для этого переВнключатель устанавливается в положение 1 и с помощью потенциометра Rp доВнбиваются нулевого показания индикатора И (как правило, магнитоэлектрический гальванометр). Как видно из рис. 3.16, этому соответствует IpRн=Eн, т. е. раВнбочий ток Iр, который далее должен оставаться постоянным, будет воспроизвоВндить в процессе измерений значение Ен.

На втором этапе измеряют значение Ex(Ux). Для этого переключатель переВнводится в положение 2, и изменением сопротивления потенциометра R вновь доВнбиваются нулевого показания И. При Iр = const этому соответствует Ex (Ux) = IpR, т. е. искомое значение Ex(U^}^.R и может быть отсчитано по шкале R.

Таким образом, метрологические характеристики измерительных потенциоВнметров постоянного тока определяются параметрами НЭ, образцовых резистоВнров, индикатора и источника Еу. В качестве НЭ применяются насыщенные и неВннасыщенные обратимые гальванические элементы, положительный электрод которых образуется ртутью, а отрицательный тАФ амальгамой кадмия. Классы точности НЭ регламентируются ГОСТ 1954тАФ82 в пределах 0,0002..0,02 и опреВнделяют класс точности потенциометра в целом. Потенциометр R выполняется по специальной схеме, обеспечивающей постоянство /р при изменении R и необхоВндимое число знаков (декад) при отсчете Ex(Ux). Этим требованиям удовлетВнворяют схемы с замещающими и шунтирующими декадами.

Измерительные потенциометры могут использоваться и для измерения переВнменных напряжений. Однако компенсирующее напряжение необходимо в этом случае регулировать не только по модулю, но и по фазе. Поэтому такие потенВнциометры имеют более сложную схему, чем потенциометры постоянного тока, а по точности значительно уступают им из-за отсутствия на переменном токе образцовой меры, аналогичной по своим характеристикам НЭ. В практике электрорадиоизмерений они полностью вытеснены электронными компенсационными вольтметрами.

В компенсационных вольтметрах измеряемое напряжение (поВнстоянное, переменное, импульсное) сравнивается с постоянным компенсирующим напряжением, которое в свою 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, основу вольтметра составляет компенВнсационный ИП, состоящий из измерительного диода V с нагрузкой R, регулируемого источника постоянного компенсирующего напряВнжения -Ек, усилителя и индикатора с двумя устойчивыми состояниями. При отсутствии Ux индикатор, реализуемый с помощью

функциональных узлов находится в первом устойчивом состоянии, а при некотором пороговом значении переходит во второе состояние. Процесс измерения Ux как раз и сводится к постепенному увеличению Ек до тех пор, пока индикаВнтор не перейдет во второе устойчивое состояние. Значение Ек, соВнответствующее моменту перехода, измеряется вольтметром постоВнянного тока и является мерой Ux.

Рис. 3.17. Структурная схема компенсационного вольтВнметра.

В сочетании с другими схемныВнми решениями (применение индикатора с малым пороговым напряжением, лампового измерительного диода со стабильной хаВнрактеристикой и др.) оказывается возможным проектировать выВнсокоточные компенсационные вольтметры.

Недостаток рассмотренной схемы тАФ необходимость установки Ей вручную. Поэтому в большинстве вольтметров схему ИП усложВнняют, обеспечивая автоматическую компенсацию Ux и Ек. АвтоВнкомпенсационные вольтметры являются прямопоказывающими приборами и более удобны в эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ АНАЛОГОВЫХ ВОЛЬТМЕТРОВ

Рассмотрим схемные решения основных функциональных узлов, определяюВнщих метрологические характеристики аналоговых вольтметров. Большинство этих узлов применяются и в других видах электронных измерительных приборов.

Входное устройство

Как уже указывалось выше, ВУ предназначено для расширения пределов измерения вольтметра. В простейшем случае оно представляет собой аттенюаВнтор, выполненный по резистивной (рис. 3.18, а), емкостной (рис. 3.18, б) или комВнбинированной (рис. 3.18, в) схемам.

Наиболее простой и универсальной (для Uх= и Ux~) является схема, предВнставленная на рис. 3.18, а, но на высоких частотах существенное влияние начиВннают оказывать паразитные емкости. Поэтому на высоких частотах переходят либо к емкостной схеме, либо к комбинированной, которая при R1C1 = R2C2 окаВнзывается частотно-компенсированной (коэффициент деления k = R2/(R1 + Р2), как и для схемы, изображенной на рис. 3.18, а).

Выполнение остальных требований и прежде всего обеспечение высокого входного сопротивления и минимальной входной емкости вольтметра приводит в ряде случаев к усложнению структуры ВУ. Наиболее универсальным и часто применяемым в современных вольтметрах переменного тока является ВУ, струкВнтурная схема которого представлена на рис. 3.19.

Принципиальной особенностью данной схемы является изменение Uв с помощью низкоомного резистивного аттенюатора с постоянным входным и выходным импедансом. Это повышает точность измерения Ux~, но требует введения в структуВнру ВУ преобразователя импеданса (ПИ), обеспечивающего трансформацию высоВнкого входного сопротивления вольтметра в малое входное сопротивление аттеВннюатора. В качестве ПИ наиболее часто используют повторитель напряжения на полевом транзисторе с глубокой отрицательной обратной связью. С помощью

Рис. 3.18. Схемы аттенюаторов вольтметров:

атАФна резисторах; б тАФ на конденсаторах; в тАФ комбинированная.

Рис. 3.19. Структурная схема униВнверсального входного устройства.

входного делителя напряжения (ВДН) предусматривается дополнительная возВнможность расширения пределов измерения вольтметра. ВДН представляет собой фиксированный делитель резистивно-емкостного типа (см. рис. 3.18, в)

На высоких частотах входное сопротивление вольтметра уменьшается, а входная емкость и индуктивности проводников образуют последовательный коВнлебательный контур, который на резонансной частоте имеет практически нулевое сопротивление. Для нейтрализации этих эффектов ПИ конструктивно выполняВнется 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 для приведения в дейВнствие ИМ магнитоэлектрического прибора, и согласование входного сопротивлеВнния ИУ с выходным сопротивлением ВУ или детектора. К УПТ предъявляются два основных требования: высокое постоянство коэффициента усиления и преВннебрежимо малые флюктуации выходной величины при отсутствии Ux= (Дрейф нуля). Поэтому все практические схемы УПТ имеют глубокую отрицательную обратную связь (ООС), обеспечивающую стабильную работу их и нечувствительВнность к перегрузкам. Радикальными методами борьбы с дрейфом нуля являются его периодическая коррекция, а также преобразование Uх= в переменное напряВнжение с последующим усилением и выпрямлением этого напряжения.

Усилители переменного тока в соответствии со своим функциональным наВнзначением (см. рис. 3.14, б) должны иметь высокую чувствительность, большое значение и высокую стабильность коэффициента усиления, малые нелинейные искажения и широкую полосу пропускания (за исключением УПЧ селективного вольтметра). Удовлетворить этим противоречивым требованиям могут только многокаскадные усилители с ООС и звеньями для коррекции частотной харакВнтеристики. В некоторых случаях применяются логарифмические усилители для получения ^линейной шкалы в децибелах. Если ставится задача минимизации аддитивной погрешности вольтметра, усилители могут быть двухканальными с усилением основного сигнала и сигнала, корректирующего аддитивную погрешВнность. Для расширения функциональных возможностей многие вольтметры имеВнют специальный выход усилителя и могут использоваться как широкополосные усилители. Более того, усилители могут выпускаться как самостоятельные изВнмерительные приборы, образуя подгруппу У.

Детально усилители постоянного и переменного тока рассматриваются в курсе ВлУсилительные устройстваВ».

Детектор

Тип детектора определяет, как уже указывалось, принадлежность вольтметВнров переменного тока к вольтметрам амплитудного, среднеквадратического или средневыпрямленного напряжения. В соответствии с этим сами детекторы класВнсифицируются следующим образом: по параметру Ux~^ которому соответствует ток или напряжение в выходной цепи детектора: пиковый детектор, детекторы среднеквадратического и средневыпрямленного значений напряжения; по схеме входа: детекторы с открытым и закрытым входом по постоянному напряжению;

по характеристике детектирования: линейные и квадратичные детекторы.

Рис. 3.20. Схемы пикового детектора:

А тАФ с открытым входом; Б тАФ с закрытым входом.

Пиковый детектор тАФ это детектор, выходное напряжение которого непосредВнственно соответствует t/max или <7min (Ов или Us). Пиковый детектор относитВнся к линейным и может иметь открытый (рис. 3.20, а) или закрытый (рис. 3.20, б) вход по постоянному напряжению.

Принцип работы пиковых детекторов специфичен и заключается в заряде конденсатора С через диод V до максимального (пикового) значения Ux~, котоВнрое затем запоминается, если постоянная времени разряда С (через R) значительВнно 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 детектор имеет 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 постоВнянной составляющей, то схемы, изображенные на рис. 3.20, а, б, идентичны, а Uх= соответствует Um. В некоторых случаях применяют двухполупериодные пиВнковые детекторы с удвоением напряжения, позволяющие прямо измерять значеВнние размаха напряжения.

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

Детектор среднеквадратического значениятАФэто преобразователь переменноВнго напряжения в постоянный ток (напряжение), пропорциональный U2ск . ХаракВнтеристика детектирования в этом случае должна быть квадратичной, а при на. личии U- необходим детектор с открытым входом. В современных типах вольтВнметров применяются в основном квадратичные детекторы с термопреобразоватеВнлями, аналогичными преобразователям термоэлектрических амперметров. ОсновВнным недостатком их, как отмечалось ранее, является квадратичный характер шкалы прибора. В вольтметрах этот недостаток устраняется применением дифВнференциальной схемы включения двух (или более) термопреобразователей, как показано на рис. 3.21.

Рис. 3.21. Структурная схема детектора среднеквадВнратического значения напряжения.

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

Кроме ТП1, в схеме имеется второй термопреобразователь ТП2, включенВнный встречно с ТП1. На ТП2 подается напряжение обратной связи, поэтому его

выходное напряжение U2 == ktBU23.

Таким образом, на входе УПТ имеет место результирующее напряжение

U1 - U2  = kt(U2ск  - BU23)

чему соответствует

U3 = kуптkт(U2ск  - BU23).

Если параметры схемы выбрать так, чтобы

kуптkт BU23>> U3,

то тогда окончательно U3 ≡ Uск, т. е. шкала ИУ будет равномерной.

Детектор средневыпрямленного значениятАФ это преобразователь переменного напряжения в постоянный ток, пропорциональный Uсв. Схемно он базируется на двухполупериодном полупроводниковом выпрямителе, рассмотренном при анализе выпрямительных амперметров (см. Вз 3.4.1). Необходимо, однако, добавить, что линейность характеристики таких детекторов будет тем лучше, чем больше Uх~ (при малых Ux~ детектор становится квадратичным). Поэтому детекторы средневыпрямленного значения, как правило, применяют в вольтметрах второй модиВнфикации (рис. 3.14, б).

Вместе с этим смотрят:

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
Антенные решетки
Антенный усилитель с подъёмом АЧХ
Архитектура сотовых сетей связи и сети абонентского доступа