стр.92-132 (Раздаточные материалы), страница 3

Классифицируют электронные вольтметры по ряду признаков:

• по назначению — вольтметры постоянного, переменного и импульсного напряжений; универсальные; фазочувствительные; селективные;

• по способу измерения — приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

• по характеру измеряемого значения напряжения — ампли­тудные (пиковые), среднего квадратического значения, средневы-прямленного значения;

• по частотному диапазону — низкочастотные, высокочастот­ные, сверхвысокочастотные.

Кроме того, все электронные приборы можно разделить на две большие группы: аналоговые электронные со стрелочным отсчетом и приборы дискретного типа с цифровым отсчетом.

При измерениях силы тока электронным вольтметром, вначале ток преобразуется в напряжение, а затем определяют по формуле: I_x= U_x/R_0} где R_o — образцовое расчетное сопротивление.

Структурные схемы аналоговых вольтметров

Структурные схемы аналоговых вольтметров показаны на рис. 3.5. В настоящее время аналоговые электронные вольтметры постоянного тока (рис. 3.5, а) находят ограниченное применение, так как они по своим техническим свойствам сильно уступают цифровым вольтметрам. Поэтому дальше рассматриваются толь­ко аналоговые вольтметры переменного тока. Изображенная на рис. 3.5, б структурная схема используется в вольтметрах пере­менного тока для измерения напряжений значительного уровня.

в)

Рис. 3.5. Структурные схемы аналоговых электронных вольтметров:

а — постоянного тока; б — напряжений большого уровня; в — милливольтметра

(УПТ— усилитель постоянного тока; > — усилитель переменного тока;

МЭС — магнитоэлектрическая система)

Чтобы обеспечить необходимую точность вольтметра к уси­лителям постоянного тока, применяемым в электронных вольт­метрах, предъявляют жесткие требования в отношении линейности амплитудной характеристики, постоянства коэффициента усиле­ния, температурного и временного дрейфа нуля. При построении электронных вольтметров для измерения малых напряжений по­добные требования не всегда могут быть удовлетворены. Поэтому электронные вольтметры переменного тока для измерения малых напряжений выполняют по схеме, показанной на рис. 3.5, в. Дан­ная схема применяется в милливольтметрах, поскольку обладает большой чувствительностью. Последнее связано с наличием до­полнительного усилителя переменного тока.

При создании аналоговых вольтметров важную функцию не­сут преобразователи переменного напряжения в постоянное (де­текторы). Детекторы можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное: амплитудные (пиковые), среднего квадратического и средневыпрямленного значений. Тип детектора во многом определяет свойства прибора: вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высо­кочастотными; вольтметры с детекторами среднего квадратическо­го значения измеряют напряжение любой формы; вольтметры средневыпрямленного значения измеряют только гармонические сигналы, но являются самыми простыми и надежными.

Амплитудный детектор — устройство, напряжение на вы­ходе которого, соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого напряжения. Чтобы нагрузка детектора эффективно отфильтровывала постоянную составляющую и по­давляла высокочастотные гармоники, необходимо выполнение неравенства R_H, где С_ф — емкость фильтра; R_H — со­противление нагрузки детектора. Еще одно условие хорошей ра­боты детектора: сопротивление резистора нагрузки R_H должно быть значительно больше сопротивления диода в его прямой про­водимости. На рис. 3.6 показаны принципиальная и эквивалент­ная схемы и временные диаграммы амплитудного детектора с параллельным включением диода (детектор с закрытым входом). Рассмотрим работу детектора (рис. 3.6, а) при подаче на его вход гармонического напряжения u_x(t) = U_msin t.

На интервалах времени, когда на вход детектора поступает положительная полуволна, конденсатор С заряжается через диод D, сопротивление R₀ которого в открытом состоянии мало. Посто­янная времени заряда ₃ = R₀C невелика и заряд конденсатора до максимального значения U_m, происходит быстро. На интервале действия отрицательной полуволны диод D закрыт и конденсатор С медленно разряжается на сопротивлении нагрузки R_n, так как оно выбирается достаточно большим. Итак, постоянная разряда =R С оказывается значительно больше периода вход­ного напряжения. В результате конденсатор остается заряженным До напряжения U_c = U_m - U_вых. Эквивалентная схема амплитудно­го детектора и временные диаграммы, поясняющие его работу, представлены на рис. 3.6, б, в.

Рис. 3.6. Амплитудный детектор с параллельным диодом:

а — принципиальная схема; б — эквивалентная схема;

в — временные диаграммы

Изменение напряжения на сопротивлении нагрузки R_н опре­деляется разностью амплитуды входного напряжения U_х и напря­жения на конденсаторе U_с, т.е. U_R = U_х - U_с Таким образом, выходное напряжение U_R будет пульсирующим с удвоенной ам­плитудой измеряемого напряжения, как показано на рис. 3.6, в. Это подтверждают простые математические выкладки:

;

при = 1 напряжение U_R = 0; при = 0 — U_R = -U_т; при = -1 — U_R = -2U_т.

Для выделения постоянной составляющей сигнала U ₌ = - U _с на выходе детектора ставится емкостной фильтр, подавляющий остальные гармоники.

Одним из достоинств аналоговых вольтметров с амплитуд­ным детектором является независимость показаний прибора от формы сигнала. Обычно шкала амплитудных вольтметров гра­дуируется в средних квадратических значениях синусоидального напряжения, т.е. показания прибора: U_пр= U_т/К_а.

Детектор среднего квадратического значения — преобра­зователь переменного напряжения в постоянное, пропорциональ­ное корню квадратному из среднего квадрата мгновенного значе­ния, напряжения. Значит, измерение действующего напряжения связано с выполнением трех последовательных операций: возведе­ние в квадрат мгновенного значения сигнала, усреднение и извле­чение! корня из результата усреднения (усреднение обычно осуществляется при градуировке шкалы вольтметра). Возведение в квадрат осуществляют полупроводниковой ячейкой, используя параболический участок его характеристики, близкий по форме к квадратичной линии; иногда этот участок создают искусственно.

На рис. 3.7, а представлена диодная ячейка , в которой постоянное напряжение Е₁ приложено к диоду таким образом, что он оказывается закрытым до тех пор, пока измеряемое напря­жение и_х(t) на резисторе , не превысит величины Е₁. Следует иметь в виду, что начальный квадратичный участок вольтамперной

Рис. 3.7. Детектор среднего квадратического значения:

а — диодная ячейка; б — идеализированная характеристика;

е — схема квадратичного детектора

Рис. 3.8. Аппроксимация квадратичной вольтамперной характеристики

характеристики полупро­водникового диода имеет, как правило, малую протя­женность (рис. 3.7, б), по­этому эту часть удлиняют искусственно. Линеариза­ция вольтамперной харак­теристики легко иллюстри­руется методом кусочно-ли­нейной аппроксимации. Для этого в схеме детектора используют несколько ди­одных ячеек (рис. 3.7, в), аналогичных показанной на рис. 3.7, а. Линейный уча­сток обобщенной вольтам­перной характеристики при этом увеличивается.

На рис. 3.8 показано как получается в этом слу­чае квадратичная характе­ристика при последовательном включении цепочек резисторов R_1c, R_2c, R_3c с диодами D₁, D₂, D₃. Диод D₁ первоначально закрыт на­пряжением Е₁, затем, по мере роста напряжения u_x(t) и достижения соотношения u_x(t) > Е₁, он открывается и начальный линейный участок его идеализированной характеристики увели­чивается.­

В схеме, представленной на рис. 3.7, в, первоначально диоды D₁, D₂, D₃ закрыты соответствующими напряжениями смещения Е₁, Е₂, Е₃, и при малом входном напряжении u_x(t) ток через мил­лиамперметр равен i₀. Когда входное напряжение u_x(t) > Е₁ откро­ется диод D₁ и параллельно резистору R₀ подключится делитель напряжения R₁, R_1c. В результате крутизна вольтамперной характе­ристики на участке от Е₁ до Е₂ возрастает; суммарный ток проте­кающий через миллиамперметр, станет равным i = i₀ + i₁. Когда выполнится условие u_x(t) > Е₂ ,откроется диод D₂ и ток миллиам­перметра будет равен i = i₀ + i₁+ i₂. При u_x (t) > Е₃, откроется диод D₃ и суммарный ток, протекающий через миллиамперметр, будет равен i = i₀ + i₁ + i₂ + i₃. В результате форма суммарной вольтам-ерной характеристики приблизится к квадратичной кривой. По­казание измерительного прибора будет пропорциональным среднему квадратическому значению входного напряжения и оно не зависит от его формы.

При конструировании приборов действующего значения воз­никает целый ряд трудностей, в том числе и с обеспечением ши­рокого частотного диапазона. Тем не менее эти приборы являются самыми востребованными, так как они позволяют из­мерять напряжение любой сложной формы.

Детектор средневыпрямленного значения — устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянный ток, про­порциональный средневыпрямленному значению напряжения. Структура выходного тока измерительного прибора с детектором средневыпрямленного значения аналогична ранее рассмотренному узлу выпрямительной системы. Аналоговый электронный вольтметр средневыпрямленного значения имеет более высокую чувствитель­ность и меньшее потребление мощности от измерительной цепи (за счет дополнительного усиления), чем прибор со схемой выпрямле­ния без усилителя.