Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ДИСЦИПЛИНА: «Стандартизация и измерительные технологии»
Выполнил:
Ст-т гр. ЗПОС-96-1
Гринев М.В.
Принял:
Доцент, к.т.н.
Нурманов М.Ш.
Алматы 2000 г.
Электронные аналоговые вольтметры являются первым приме ром электронных измерительных приборов, рассматриваемых в курсе. Среди них встречаются как вольтметры прямого преобразо вания, так и вольтметры сравнения. Рассмотрим принцип работы, структурные схемы и основные функциональные узлы аналоговых вольтметров прямого преобразования и сравнения.
Структурная схема электронного аналогового вольтметра пря мого преобразования соответствует типовой схеме рис. 2.1 и, как видно из рис. 3.13, в самом общем случае включает входное уст ройство (ВУ), на вход которого подается измеряемое напряжение Ux, ИП и магнитоэлектрический прибор, применяемый в качестве ИУ.
Входное устройство представляет в простейшем случае дели тель измеряемого напряжения — аттенюатор, с помощью которого расширяются пределы измерения вольтметра. Помимо точного де ления 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 схе ма аналогового вольтметра прямого пре образования.
сопротивлениям и измерительным трансформаторам напряжения, еще од ним способом расширения пределов измерения вольтметров. Имен но этот способ применяется в электронных вольтметрах и других радиоизмерительных приборах.
В качестве ИП в вольтметрах постоянного тока (В2) применя ется усилитель постоянного тока (УПТ), а в вольтметрах перемен ного и импульсного тока (ВЗ и В4) —детектор в сочетании с УПТ или усилителем переменного тока. Более сложную структуру имеют преобразователи в вольтметрах остальных видов. В частности, преобразователи селективных вольтметров (В6) должны обеспе чить, помимо детектирования и усиления сигнала, селекцию его по частоте, а преобразователи фазочувствительных вольтметров (В5) — возможность измерения не только амплитудных, но и фа зовых параметров исследуемого сигнала.
Структурная схема аналогового вольтметра постоянного тока соответствует обобщенной схеме рис. 3.13. Основным функциональ ным узлом таких вольтметров является УПТ. Современные вольт метры постоянного тока разрабатываются в основном как цифро вые приборы.
Вольтметры переменного и импульсного тока в зависимости от назначения могут проектироваться по одной из двух структур ных 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 изме ряется вольтметром постоянного тока. Наоборот, в вольтметрах второй модификации (рис. 3.14, б) измеряемое напряжение сначала усиливается с помощью усилителя переменного тока, а затем де тектируется и измеряется. При необходимости между детектором и ИУ может быть дополнительно включен УПТ.
Сравнивая структурные схемы рис. 3.14, можно еще до рас смотрения схемных решений их функциональных узлов сделать определенные выводы в отношении свойств вольтметров обеих мо дификаций. В частности, вольтметры первой модификации в отно шении 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 чувствитель ность. Из курса «Усилительные устройства» известно, что с по мощью усилителя переменного тока можно получить значительно больший коэффициент усиления, чем с помощью УПТ, т. е. про ектировать микровольтметры, у которых нижний предел Ux^. огра ничивается собственными шумами усилителя. За счет изменения
Рис. 3.14. Структурные схемы аналоговых вольтмет ров переменного и импульсного тока:
а—с детектором на входе; б — с усилителем переменного то ка на входе.
коэффициента деления ВУ и коэффициента усиления усилителей диапазон измеряемых напряжений может быть большим у вольтмет ров обеих модификаций.
Тип детектора в структурных схемах рис. 3.14 определяет при надлежность вольтметров обеих модификаций к вольтметрам амплитудного, среднеквадратического или средневыпрямленного на пряжения. При этом вольтметры импульсного тока (В4) проекти руются только как вольтметры первой модификации, чтобы избе жать искажений формы импульсов в усилителе переменного тока. При измерении напряжения одиночных и редко повторяющихся им пульсов применяются либо диодно-емкостные расширители им пульсов в сочетании с детекторами, либо амплитудно-временное преобразование импульсов, характерное для цифровых вольтмет ров.
Рассмотрим теперь типовую структурную схему селективных вольтметров, которые используются при измерении малых гармо нических напряжений в условиях действия помех, при исследова нии спектров периодических сигналов и в целом ряде других слу чаев. Как видно из рис. 3.15, вольтметр представляет собой по существу супергетеродинный приемник, принцип работы которого поясняется в курсе «Радиотехнические цепи и сигналы».
Частотная селекция входного сигнала осуществляется с помо щью перестраиваемого гетеродина, смесителя (См) и узкополосного усилителя промежуточной частоты (УПЧ), который обеспечи вает высокую чувствительность и требуемую избирательность. Если избирательность недостаточна, может быть применено двукратное, а иногда и трехкратное преобразование частоты. Кроме того, в се лективных вольтметрах обязательно наличие системы автоматиче ской подстройки частоты и калибратора. Калибратор — образцовый
источник (генератор) переменного напряжения определенного уровня, позволяющий исключить систематические, погрешности из-за изменения напряжения гетеродина при его перестройке, измене ния коэффициентов передачи узлов вольтметра, влияния внешних факторов и т. д. Калибровка вольтметра производится перед изме рением при установке переключателя П из положения 1 в положе ние 2.
Рис. 3.15. Структурная схема селективного вольтметра.
В заключение отметим, что в одном приборе нетрудно совмес тить функции измерения постоянных и переменных напряжений, а с помощью дополнительных функциональных узлов и соответст вующих коммутаций (по аналогии с выпрямительными приборами) образовать комбинированные приборы, получившие название уни версальных вольтметров (В7). Современные типы таких вольтмет ров, как правило, проектируются в виде цифровых приборов, что позволяет дополнительно расширить их функциональные возмож ности и повысить точность. В связи с этим особенности построения структурных схем универсальных вольтметров будут рассмотрены в работах коллег.
Рис. 3.16. Схема измерительного по тенциометра.
Электронные аналоговые вольтметры сравнения в большин стве своем реализуют наиболее распространенную модификацию метода сравнения — нулевой метод. Поэтому чаще они называются компенсационными вольтметрами. По сравнению с вольтметрами прямого преобразования это бо лее сложные, но и, как подчерки валось ранее более точные при боры. Кроме того, из схемы рис. 2.2 видно, что в момент ком пенсации Х=0 и прибор не по требляет мощности от источни ка X. Применительно к компенса ционным вольтметрам это озна чает возможность измерения не только напряжения, но и ЭДС ма ломощных источников. В практи ке электрорадиоизмерений подоб ные измерения выполняются как с помощью электронных компен сационных вольтметров, так и электромеханических. Для пояснения применения нулевого метода при измерении ЭДС и напряжения рассмотрим вначале классиче скую 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 измеря емое значение ЭДС (Ех) или напряжения (Ux). Поэтому компенсаторы принято называть по ГОСТ 9245—79 измерительными потенциометрами. В качестве об разцовой меры ЭДС применяется нормальный элемент (НЭ) — электрохимиче ский 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 вспомога тельным источником ЭДС (Еo) большой емкости. Для сравнения с Ex(Ux) ис пользуется падение напряжения на образцовом резисторе Rн., создаваемое током от источника Eо—рабочим током (Iр), который предварительно устанавлива ется. Таким образом, процесс измерения Ex{Ux) должен состоять из двух этапов.
На первом этапе устанавливается требуемое значение Iр. Для этого пере ключатель устанавливается в положение 1 и с помощью потенциометра Rp до биваются нулевого показания индикатора И (как правило, магнитоэлектрический гальванометр). Как видно из рис. 3.16, этому соответствует IpRн=Eн, т. е. ра бочий ток Iр, который далее должен оставаться постоянным, будет воспроизво дить в процессе измерений значение Ен.
На втором этапе измеряют значение Ex(Ux). Для этого переключатель пере водится в положение 2, и изменением сопротивления потенциометра R вновь до биваются 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 потенцио метров постоянного тока определяются параметрами НЭ, образцовых резисто ров, индикатора и источника Еу. В качестве НЭ применяются насыщенные и не насыщенные обратимые гальванические элементы, положительный электрод которых образуется ртутью, а отрицательный — амальгамой кадмия. Классы точности НЭ регламентируются ГОСТ 1954—82 в пределах 0,0002...0,02 и опре деляют класс точности потенциометра в целом. Потенциометр R выполняется по специальной схеме, обеспечивающей постоянство /р при изменении R и необхо димое число знаков (декад) при отсчете Ex(Ux). Этим требованиям удовлет воряют схемы с замещающими и шунтирующими декадами.
Измерительные потенциометры могут использоваться и для измерения пере менных напряжений. Однако компенсирующее напряжение необходимо в этом случае регулировать не только по модулю, но и по фазе. Поэтому такие потен циометры 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 (по стоянное, 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 компен сационный ИП, состоящий из измерительного диода V с нагрузкой R, регулируемого источника постоянного компенсирующего напря жения -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 индика тор не перейдет во второе устойчивое состояние. Значение Ек, со ответствующее моменту перехода, измеряется вольтметром посто янного тока и является мерой Ux.
Рис. 3.17. Структурная схема компенсационного вольт метра.
В сочетании с другими схемны ми решениями (применение индикатора с малым пороговым напряжением, лампового измерительного диода со стабильной ха рактеристикой и др.) оказывается возможным проектировать вы сокоточные компенсационные вольтметры.
Недостаток рассмотренной схемы — необходимость установки Ей вручную. Поэтому в большинстве вольтметров схему ИП услож няют, обеспечивая автоматическую компенсацию Ux и Ек. Авто компенсационные вольтметры являются прямопоказывающими приборами и более удобны в эксплуатации.
Рассмотрим схемные решения основных функциональных узлов, определяю щих метрологические характеристики аналоговых вольтметров. Большинство этих узлов применяются и в других видах электронных измерительных приборов.
Как уже указывалось выше, ВУ предназначено для расширения пределов измерения вольтметра. В простейшем случае оно представляет собой аттенюа тор, выполненный по резистивной (рис. 3.18, а), емкостной (рис. 3.18, б) или ком бинированной (рис. 3.18, в) схемам.
Наиболее простой и универсальной (для Uх= и Ux~) является схема, пред ставленная на рис. 3.18, а, но на высоких частотах существенное влияние начи нают оказывать паразитные емкости. Поэтому на высоких частотах переходят либо к емкостной схеме, либо к комбинированной, которая при R1C1 = R2C2 ока зывается 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, струк турная 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 структу ру ВУ преобразователя импеданса (ПИ), обеспечивающего трансформацию высо кого входного сопротивления вольтметра в малое входное сопротивление атте нюатора. В качестве ПИ наиболее часто используют повторитель напряжения на полевом транзисторе с глубокой отрицательной обратной связью. С помощью
Рис. 3.18. Схемы аттенюаторов вольтметров:
а—на резисторах; б — на конденсаторах; в — комбинированная.
Рис. 3.19. Структурная схема уни версального входного устройства.
входного делителя напряжения (ВДН) предусматривается дополнительная воз можность 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 ко лебательный контур, который на резонансной частоте имеет практически нулевое сопротивление. Для нейтрализации этих эффектов ПИ конструктивно выполня ется как выносной пробник с ВДН в виде насадки.
Усилители постоянного тока, как видно из структурных схем (см. рис. 3.13 и 3.14, о), обеспечивают получение мощности, достаточной для приведения в дей ствие ИМ магнитоэлектрического прибора, и согласование входного сопротивле ния ИУ с выходным сопротивлением ВУ или детектора. К УПТ предъявляются два основных требования: высокое постоянство коэффициента усиления и пре небрежимо 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 нечувствитель ность к перегрузкам. Радикальными методами борьбы с дрейфом нуля являются его периодическая коррекция, а также преобразование Uх= в переменное напря жение с последующим усилением и выпрямлением этого напряжения.
Усилители переменного тока в соответствии со своим функциональным на значением (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 харак теристики. 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 погреш ность. Для расширения функциональных возможностей многие вольтметры име ют специальный выход усилителя и могут использоваться как широкополосные усилители. Более того, усилители могут выпускаться как самостоятельные из мерительные приборы, образуя подгруппу У.
Детально усилители постоянного и переменного тока рассматриваются в курсе «Усилительные устройства».
Тип детектора определяет, как уже указывалось, принадлежность вольтмет ров переменного тока к вольтметрам амплитудного, среднеквадратического или средневыпрямленного напряжения. В соответствии с этим сами детекторы клас сифицируются 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 — с открытым входом; Б — с закрытым входом.
Пиковый детектор — это детектор, выходное напряжение которого непосред ственно соответствует t/max или <7min (Ов или Us). Пиковый детектор относит ся 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~, кото рое затем запоминается, если постоянная времени разряда С (через R) значитель но 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 посто янной составляющей, то схемы, изображенные на рис. 3.20, а, б, идентичны, а Uх= соответствует Um. В некоторых случаях применяют двухполупериодные пи ковые детекторы с удвоением напряжения, позволяющие прямо измерять значе ние размаха напряжения.
Существенным достоинством пиковых 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 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 значения—это преобразователь переменно го напряжения в постоянный ток (напряжение), пропорциональный U2ск . Харак теристика детектирования в этом случае должна быть квадратичной, а при на. личии U- необходим детектор с открытым входом. В современных типах вольт метров применяются в основном квадратичные детекторы с термопреобразовате лями, аналогичными преобразователям термоэлектрических амперметров. Основ ным недостатком их, как отмечалось ранее, является квадратичный характер шкалы прибора. В вольтметрах этот недостаток устраняется применением диф ференциальной схемы включения двух (или более) термопреобразователей, как показано на рис. 3.21.
Рис. 3.21. Структурная схема детектора среднеквад ратического 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, включен ный 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 значения— это преобразователь переменного напряжения в постоянный ток, пропорциональный Uсв. Схемно он базируется на двухполупериодном полупроводниковом выпрямителе, рассмотренном при анализе выпрямительных амперметров (см. § 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 моди фикации (рис. 3.14, б).