Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока

ГЛАВА 6

АНАЛОГОВЫЕ Электрические ВОЛЬТМЕТРЫ

Общие сведения

Аналоговый электрический вольтметр — измерительный прибор, представляющий из себя сочетание электрического преобразователя, выполненного на лампах, полупроводниковых элементах, интегральных микросхемах, и магнитоэлектрического измерителя.

Различают аналоговые электрические вольтметры неизменного, переменного, импульсного токов, фазочувствительные, селективные, универсальные, которые употребляют для измерения напряжения в радиоэлектронных цепях.

Аналоговые электрические вольтметры неизменного тока по сопоставлению с Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока магнитоэлектрическими вольтметрами имеют огромное входное сопротивление (порядка 30 МОм) и высшую чувствительность. Значение входного сопротивления постоянно при переключении пределов измерения.

Схема аналогового электрического вольтметра неизменного тока представлена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Схема электрического вольтметра неизменного тока

Вольтметр состоит из входного устройства — высокоомного резистивного делителя напряжения; электрического преобразователя— усилителя неизменного Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока тока; электромеханического преобразователя — магнитоэлектрического микроамперметра.

Усилитель неизменного тока (УПТ) предназначен для увеличения чувствительности вольтметра, является усилителем мощности, увеличивающим мощность сигнала до уровня, нужного для приведения в действие магнитоэлектрического измерителя. УПТ должен владеть высочайшей линейностью амплитудной свойства, всепостоянством коэффициента ' усиления, малым дрейфом нулевого уровня.

Линейность амплитудной свойства обеспечивается правильным выбором режимов Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока работы ламп, транзисторов, микросхем усилителя. Отрицательная оборотная связь в усилителе увеличивает стабильность коэффициента усиления и улучшает линейность амплитудной свойства. Стабилизация питающих напряжений также содействует стабилизации коэффициента усиления.

Для уменьшения дрейфа нулевого уровня, не считая стабилизации питающих напряжений, усилитель делают по мостовой балансной схеме. Расширение пределов измерения осуществляется при помощи делителя Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока и сопротивления оборотной связи.

Аналоговые электрические вольтметры переменного тока строятся по схемам: 1) преобразования переменного напряжения в неизменное и предстоящего усиления неизменного напряжения (рис. 6.2, а); 2) усиления переменного напряжения и предстоящего преобразования переменного напряжения в неизменное (рис. 6.2,6).

Вольтметры, построенные по первой схеме, характеризуются широким частотным спектром 20 Гц — 1000 МГц, но недостаточно высочайшей Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока чувствительностью. Вольтметры, построенные по 2-ой схеме, характеризуются сравнимо узеньким частотным спектром 10 Гц — 20 МГц, определяемым полосой пропускания усилителя переменного тока, но более высочайшей чувствительностью.

Рис. 6.2. Схемы электрических вольтметров переменного тока

Универсальные аналоговые электрические вольтметры, созданные для измерений в цепях неизменного и переменного токов, реализуются по схеме, показанной на рис. 6.3.

Свойства аналоговых электрических Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока вольтметров переменного тока и нрав их шкал в главном определяются схемой электрического преобразователя (сенсора). Различают преобразователи амплитудного, средневыпрямленного, среднеквадратического значений, модифицирующие переменное напряжение в неизменное, пропорциональное по уровню соответственно амплитудному, средневыпрямленному и среднеквадратическому значениям измеряемого напряжения.

Рис. 6.3. Схема универсального аналогового электрического вольтметра


Рис. 6.4. Схема аналогового электрического вольтметра В Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока7-26

Вход преобразователей относительно неизменной составляющей измеряемого напряжения может быть открытым или закрытым (с разделительным конденсатором на входе).

По частотному спектру аналоговые электрические вольтметры переменного тока делятся на низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные. На рис. 6.4 показана схема универсального аналогового электрического вольтметра В7-26 для измерения напряжения в цепях неизменного тока U_, переменного тока Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока низкой U~н.ч и высочайшей U~в.ч частот.


Главные узлы аналоговых электрических вольтметров переменного тока

Входное устройство обеспечивает значения измеряемого напряжения, нужные для предстоящего преобразования. Зависимо от амплитудного и частотного диапазонов измеряемого напряжения входное устройство представляет собой или высокоомный вход преобразователя, или резистивный делитель, или резистивно-конденсаторный Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока делитель.

Преобразователи амплитудного значения. В таких преобразователях показания α микроамперметра пропорциональны амплитудному значению измеряемого напряжения u(t), т. е. α = kUmax. На рис. 6.5, а, б приводятся схемы преобразователей амплитудного значения соответственно с открытым и закрытым входами.

В преобразователе амплитудного значения с открытым входом диодик VD включен поочередно с высокоомным резистором R и Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока конкретно связан с объектом измерения. Характеристики преобразователя подобраны таким макаром (R>>Rnp, R = 50 - 100 МОм, С = 0,02 - 0,05 мкФ), чтоб при первой положительной полуволне измеряемого напряжения u(t) = Umax sin ωt огромным импульсом тока iд через открытый диодик VD с сопротивлением Rnp осуществлялся резвый заряд конденсатора С до некого значения напряжения Ucl (рис Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока. 6.6) и неспешный разряд на резистор R+Rи с момента, когда u(t)< Ucl и при отрицательной полуволне напряжения u(t). Неизменные времени заряда RпpC и разряда RC связаны условием RC>> RпpC (сопротивление Rи микроамперметра не учитывается из-за малого значения).

Рис. 6.5. Схемы преобразователей амплитудного значения с открытым (а) и закрытым (б) входами

Рис. 6.6. Временные диаграммы напряжения, поясняющие работу амплитудного преобразователя с открытым входом

При 2-ой положительной полуволне u Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока(t) = Umax sin ωt конденсатор С вновь подзарядится до напряжения Uc2>Uc1. При значении неизменной разряда, много большем периода Т измеряемого напряжения, приблизительно через (3—4) Т конденсатор зарядится до амплитудного значения измеряемого напряжения Umax, т.е. Uc≈Umax, Показания магнитоэлектрического микроамперметра определяются средним разрядным током Iср = Iи=Uc/R = Umax Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока/R, пропорциональным амплитудному значению измеряемого напряжения.

Если измеряемое напряжение u(t), подаваемое на вход преобразователя амплитудного значения с открытым входом, содержит не считая переменной к тому же постоянную составляющую, т.е. u(t) = U0+Umax sin ωt, то показания микроамперметра будут пропорциональны сумме U0+Umax.

Рис. 6.7. Временные диаграммы, поясняющие работу амплитудного Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока преобразователя с закрытым входом

Огромное практическое применение имеет преобразователь амплитудного значения с закрытым входом (см. рис. 6.5, б),-в котором диодик VD включен параллельно высокоомному резистору R (такая схема употребляется в универсальных аналоговых электрических вольтметрах). При положительной полуволне измеряемого напряжения и (t) = Umax sin ωt конденсатор С заряжается через диодик VD сопротивлением Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока Rnp примерно до амплитудного значения Umax, а при отрицательной полуволне измеряемого напряжения диодик VD будет заперт, потому заряженный конденсатор разряжается на резистор R, но потому что неизменная времени разряда RC конденсатора велика по сопоставлению с периодом Т измеряемого напряжения, то конденсатор С не успевает разрядиться за период Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока и напряжение на нем остается приблизительно равным Umax

К резистору R приложено напряжение, равное разности измеряемого напряжения u(t) и напряжения на конденсаторе Uc=Umax, т.е. uR(t)=u(t)—Uc = Umax sin ωt —Umax.

Напряжение uR(t) на резисторе R повторяет форму измеряемого напряжения u(t), но смещено на Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока амплитудное значение (рис. 6.7), т.е. пульсирует от 0 до —2Umax. Микроамперметр, включенный в цепь резистора R, реагирует на среднее значение тока в цепи Iср = Iи = Umax/R. Потому что напряжение uR(t) пульсирует от 0 до —2 Umax, то, чтоб уменьшить пульсации тока через прибор, в реальных схемах аналоговых электрических вольтметров напряжение Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока uR(t) подается на вход усилителя неизменного тока через сглаживающий фильтр низкой частоты, а микроамперметр врубается на выходе УПТ (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Настоящая схема амплитудного преобразователя с закрытым входом

Рис. 6.9. Схема преобразователя средневыпрямленного значения

Если измеряемое напряжение u(t), поданное на преобразователь амплитудного значения с закрытым входом, содержит не считая переменной к тому Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока же постоянную составляющую, т.е. u(t) = U0+Umax sin ωt, то при действии напряжения u(t) конденсатор зарядится до значения Uc = Umax+Uo и напряжение на резисторе R будет

Неизменные составляющие измеряемого напряжения и напряжения на конденсаторе С друг дружку взаимно компенсируют на резисторе R. Таким Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока макаром, микроамперметр в преобразователе амплитудного значения с закрытым входом реагирует лишь на переменную составляющую напряжения u(t).

Преобразователи средневыпрямленного значения. В преобразователях средневыпрямленного значения (рис. 6.9) показания а микроамперметра пропорциональны средневыпрямленному значению Uср.в измеряемого напряжения u(t), т.е. α=kUср.в. Преобразователи делают на полупроводниковых диодиках, работающих в цепях одно- и двухполупериодного выпрямления Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока. Работа диодов осуществляется на линейном участке вольт-амперной свойства.

Более всераспространенные схемы — мостовые (см. § 5.3). Они работают последующим образом. Ток через микроамперметр протекает в одном и том же направлении в течение обоих полупериодов переменного напряжения (в положительный полупериод по цепи VD2—R—VD3, а в отрицательный полупериод — по Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока цепи VD4—R—VD1). При использовании линейного участка свойства диодика и при открытом входе показания микроамперметра пропорциональны средневыпрямленному значению измеряемого напряжения

Uср в = (1/Т) ׀u(t)׀ dt.

Если же вход преобразователя закрытый, то показания микроамперметра пропорциональны только средневыпрямленному значению переменной составляющей измеряемого напряжения.

Рис. 6.10. Схема квадратического преобразователя (а) и диаграмма напряжения Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока (б)

Преобразователи среднеквадратического значения. В преобразователях среднеквадратического значения, (рис. 6.10, а) показания а микроамперметра пропорциональны квадрату среднеквадратического значения измеряемого напряжения u(t), т.е. α = kU2. Преобразователи производятся на элементах с квадратичной вольт-амперной чертой, при всем этом ток через микроамперметр пропорционален квадрату среднеквадратического значения измеряемого напряжения, поданного на Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока вход преобразователя, т.е. iи=βu2(t). При

u(t) = Umax sin ωt ток

iи(t) = βU2max sin2 ωt = βU2max [(1 - cos 2ωt)/2].

Потому что выходной прибор представляет собой магнитоэлектрический микроамперметр, он будет реагировать на среднее значение тока Iи= βU2max/2 = βU2.

Аналогичное подтверждение можно выполнить для измеряемого напряжения u(t) хоть какой Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока формы:

где k — номер гармоники; Umax k, Uk — соответственно наибольшее и среднеквадратическое значения измеряемого напряжения k-й гармоники.

Для роста протяженности квадратичного участка вольт-амперной свойства употребляются преобразователи на диодных цепочках. Напряжение U делает на резисторах R4 и R5 соответственно напряжения смещения U1 и U2. Если Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока входное напряжение u(t) не превосходит значения U1, то ток i=i1 протекает через диодик VD1, если UlU2, то ток протекает через диоды VD1 — VD3 тогда и iи=i1+i2+i3 крутизна зависимости возрастает еще более. Подбирая характеристики цепи, можно выполнить кусочно-линейную аппроксимацию вольт-амперной свойства отдельных диодов Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока и прирастить протяженность квадратичного участка преобразователя.

Преобразователи среднеквадратического значения, в большей степени используемые в электрических вольтметрах, строятся на термоэлектрических элементах (рис. 6.11), в каких электронная энергия преобразуется в термическую и употребляется квадратичная зависимость термо-ЭДС от тока нагревателя, либо, что то же, — от входного напряжения.

Рис. 6.11. Преобразователь среднеквадратического значения с термопреобразователями

Термопреобразователь Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока состоит из нагреватели Н и термопары Т. В схеме употребляются два бесконтактных термопреобразователя ТП1 и ТП2, включенных встречно. Термопреобразователь ТП1 включен меж выходом усилителя напряжения переменного тока и входом УПТ. Мощность, подводимая к нагревателю ТП1, равна P1 = K1U2BX. ЭДС, развиваемая термопарой ТП1, пропорциональна Р1,т. е.

ET Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока1 = K2P1 = K3U2вx

После подачи измеряемого напряжения UBX ЭДС ЕТ1 начинает нарастать и на выходе УПТ возникает напряжение, создающее ток в нагревателе ТП2. ЭДС, развиваемая термопарой,

EТ2 = K4P2 = К0I2вых,

где Iвых — выходной ток УПТ, протекающий по нагревателю ТП2.

Нарастание Iвых длится до некого установившегося Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока значения, соответственного значению UBX. Характеристики схемы выбирают такими, что напряжение на входе УПТ определяем из ET1-ET2 = 0. Подставив в данное уравнение значения ЕТ1 и ЕT2, получим линейную зависимость неизменного тока Iвых, пропорционального входному напряжению Iвых=KUвх. Шкала выходного микроамперметра будет равномерной. Частотный спектр вольтметров от 20 Гц до 10 МГц.

Преобразователи Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока среднеквадратического значения строятся также на полевых транзисторах.


osnovnie-trebovaniya-k-shemam-avr.html
osnovnie-trebovaniya-k-soderzhaniyu-i-oformleniyu-diplomnoj-raboti.html
osnovnie-trebovaniya-k-soderzhaniyu-kontrolnoj-raboti.html