зачем нужны вольтметры с различными типами входов открытым и закрытым

Аналоговые электронные вольтметры

Обобщенная структурная схема аналоговых электронных вольтметров (рис.7.9) содержит максимальное число блоков, некоторые из которых в зависимости от назначения вольтметра могут отсутствовать. В электронных вольтметрах, снабженных усилительными устройствами потребление мощности из измерительной цепи ничтожно мало. К достоинствам электронных вольтметров относятся: широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20 Гц до 1000 МГц), высокая чувствительность, хорошая перегрузочная способность.

1. Входное устройство предназначено для:

а) ослабления сигнала в заданное число раз, позволяющего расширить диапазон в сторону больших измеряемых напряжений;

Усилители переменного тока служат для:

а) повышения чувствительности;

б) расширения динамического диапазона в сторону меньших измеряемых напряжений.

Для выполнения указанных задач усилители переменного тока должны иметь заданный и высокостабильный коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот и температур, малые нелинейные искажения, малые собственные шумы и быть нечувствительными к колебаниям напряжения питания, что достигается использованием многокаскадных усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.

3. Усилители постоянного тока служат для обеспечения согласования небольшого внутреннего сопротивления магнитоэлектрического измерительного механизма с большим сопротивлением нагрузки преобразователя. К усилителям постоянного тока предъявляются жесткие требования в отношении постоянства коэффициента усиления и малого дрейфа нуля, т. е. медленного изменения выходного сигнала при отсутствии на входе информационного сигнала. Они выполняются в виде мостовых схем с отрицательной обратной связью.

4. Преобразователи служат для преобразования переменного тока в постоянный, в качестве преобразователей служат детекторы. Детекторы можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное на следующие типы: квадратичные, линейные, амплитудные (пиковые). Тип детектора во многом определяет свойства прибора: так вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с квадратичными детекторами позволяют измерять напряжения любой формы; вольтметры с линейными детекторами пригодны только для измерения гармонического сигнала, но являются самыми простыми, надежными и дешевыми.

Аналоговые электронные вольтметры могут строиться по двум основным схемам: усилитель – преобразователь и преобразователь – усилитель. Первая из схем обладает большой чувствительностью, но частотный диапазон у таких вольтметров определяется полосой пропускания усилителя переменного тока и составляет сотни килогерц; вторая схема используется в вольтметрах для измерения напряжения значительного уровня, т.к. обеспечить большое усиление с помощью усилителя постоянного тока сложно, зато частотный диапазон таких усилителей и, соответственно вольтметров, может составлять сотни мегагерц.

Электронные вольтметры могут иметь открытый или закрытый вход по отношению к постоянной составляющей измеряемого напряжения. При закрытом входе схема вольтметра содержит разделительный конденсатор, не пропускающий постоянную составляющую сигнала, при открытом входе такого конденсатора нет и на блоки вольтметра поступает как переменная, так и постоянная составляющая сигнала.

Элементная база, используемая при создании вольтметров переменного напряжения, определяется существующим на момент создания вольтметров уровнем техники (от полупроводников образцов до микроинтегрального исполнения), однако функциональное назначение блоков остается неизменным.

Вольтметры переменного тока ( типа В3 )

Вольтметры переменного тока строятся по схеме усилитель-преобразователь. В качестве преобразователей могут использоваться квадратичные или линейные детекторы.

Если применяются квадратичные детекторы, то такие вольтметры называются вольтметрами среднеквадратических значений, их структурная схема приведена на рис. 7.10.

Квадратичный детектор преобразует переменное напряжение в постоянное, пропорциональное, согласно формуле (7.5), квадрату среднеквадратического значения измеряемого напряжения. Значит, измерение среднеквадратического напряжения связано с выполнением трех операций: возведение в квадрат мгновенного значения сигнала, усреднение и извлечение корня из результата усреднения (последняя операция обычно осуществляется при градуировки шкалы вольтметра). Возведение в квадрат мгновенного напряжения как правило производят с помощью полупроводникового диода, используя начальный участок вольт-амперной характеристики, описываемой квадратичной зависимостью. Однако протяженность квадратичного участка характеристики обычно невелика (не более 100 мВ), одним из методов для расширения этого участка является метод кусочно-линейной аппроксимации. Для этого в схему детектора включают несколько диодных ячеек и подбором напряжения смещения на диодах получают суммарную вольт-амперную характеристику, приближающуюся по форме к квадратичной кривой (рис. 7.11).

Если в вольтметрах переменного тока применяются линейные детекторы, то такие вольтметры называются вольтметрами средневыпрямленных значений, структурная схема таких вольтметров приведена на рис. 7.12.

u

В таких вольтметрах в качестве преобразователя используется линейный детектор, преобразующий переменное напряжение в постоянный ток, пропорциональный средневыпрямленному значению измеряемого напряжения. Такие преобразователи выполняются по схемам двухполупериодного выпрямления и используют линейный участок вольт-амперной характеристики полупроводникового диода. Аналоговый вольтметр средневыпрямленных значений по сравнению с выпрямительным вольтметром имеет более высокую чувствительность и меньшее потребление мощности от измерительной цепи. Эти вольтметры откликаются на средневыпрямленное значение, градуируются в среднеквадратических значениях и имеют коэффициент градуировки С=1.

Импульсные вольтметры (типа В4)

Отличительной особенностью амплитудного (пикового) детектора является наличие элемента памяти, которым служит конденсатор, «запоминающий» пиковое значение измеряемого напряжения.

Простейшие схемы амплитудных детекторов:

а) детектор с последовательным включением диода (детектор с открытым входом);

б) детектор с параллельным включением диода (детектор с закрытым входом).

Амплитудный детектор осуществляет преобразование переменного сигнала в постоянный, пропорционально значению входного сигнала, поэтому такие вольтметры откликаются на максимальные значения, градуируются в максимальных значениях и имеют С=1.

Универсальный вольтметр (типа В7)

Амплитудный детектор осуществляет преобразование переменного сигнала в постоянный, пропорциональный максимальному значению входного сигнала, поэтому такие вольтметры откликаются на максимальное значение сигнала, градуируются в среднеквадратических значениях. Эти параметры переменного напряжения связаны между собой в соответствии с (7.7) коэффициентом амплитуды, поэтому коэффициент градуировки универсального вольтметра равен

С =

Характеристики рассмотренных вольтметров приведены в таблице 7.1.

Значение напряжения, на которое откликается

Значение напряжения, в котором отградуирован вольтметр, Uград

Источник

Voltmeter

2. Исследование вольметров переменного напряжения

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТМЕТРОВ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

1. Изучить принцип действия, устройство и основные метрологические характеристики электронных вольтметров с преобразователями амплитудного (пикового), среднеквадратического и средневыпрямленного значений напряжения.

2. Изучить особенности измерения напряжения сигналов различной формы.

3. Получить практические навыки работы с измерительными приборами.

Вольтметр переменного напряжения типа В7-15 (или ВУ-15) с амплитудным (пиковым) детектором.

Вольтметр переменного напряжения типа В7-27/А/1 (или В7-16) с преобразователем средневыпрямленного значения.

Вольтметр среднеквадратического значения (измеритель нелинейных искажений типа С6-11 в режиме измерения напряжения).

Вспомогательные приборы и принадлежности

Генератор измерительных сигналов (синусоидальной формы) низкочастотный Г3-109.

Генератор измерительных сигналов (синусоидальной формы) высокочастотный Г4-158.

Генератор прямоугольных импульсов с изменяемым коэффициентом заполнения (вспомогательный генератор).

Электронно-лучевой осциллограф С1-67.

Эталонный резистор с номиналом (1,00 ± 0,05) МОм.

1. Исследовать влияние формы сигнала на показания электронных вольтметров с различными типами преобразователей.

2. Оценить входное сопротивление вольтметра В7-27/А/1 (или В7-16)

2. Исследование вольметров переменного напряжения

и его влияние на погрешность измерения напряжения.

3. Исследовать влияние параметров входной цепи вольтметра и соединительных проводов на частотный диапазон измерения напряжения с использованием одного из исследуемых вольтметров

– самого широкополосного В7-15 (или ВУ-15).

Указание. Количественные характеристики (параметры) переменного периодического напряжения u ( t ) описываются следующими функционалами:

1. Среднее значение (постоянная составляющая) напряжения

2. Максимальное и минимальное значения напряжения

, Uмин = min

Пиковое отклонение “вверх” напряжения

Пиковое отклонение “вниз” напряжения

3. Среднеквадратическое (действующее) значение напряжения

2. Исследование вольметров переменного напряжения

4. Средневыпрямленное значение напряжения

В электронных вольтметрах переменного напряжения используют три типа преобразователей:

— преобразователь амплитудного (пикового) значения, выходное напряжение которого пропорционально максимальному значению напряжения измеряемого сигнала U m (пиковому отклонению напряжения “вверх”, если

— преобразователь среднеквадратического значения (на основе термоэлектрических, диодных, транзисторных или оптронных преобразователей), выходное напряжение которого пропорционально среднеквадратическому (действующему) значению измеренного напряжения

— преобразователь средневыпрямленного значения, выходное напряжение которого пропорционально среднему значению выпрямленного напряжения U св (среднему значению модуля напряжения).

Если у вольтметра закрытый вход, т.е. постоянная составляющая U ср

измеряемого напряжения не проходит на преобразователь, то его показания определяются только переменной составляющей сигнала.

Шкалы электронных вольтметров переменного тока (кроме импульсных) градуируют в среднеквадратических значениях напряжения сигнала синусоидальной формы. Импульсные вольтметры градуируют в амплитудных значениях синусоидального сигнала.

С учетом указанных особенностей показания вольтметров U шк определяются формулами, приведенными в табл. 2.1.

2. Исследование вольметров переменного напряжения

коэффициентов можно вывести с использованием формул (2.2), (2.5) и (2.6).

с преобразователем среднеквадратического значения

с преобразователем средневыпрямленного значения

— исключение из общего правила

иногда некорректно назыв

Порядок выполнения работы и методические указания

1. Ознакомление с характеристиками исследуемых вольтметров

и принципами их работы (домашняя подготовка к работе)

1.1. Изучить по литературе [1,2] и конспекту лекций теоретический материал,

2. Исследование вольметров переменного напряжения

относящийся к данной работе. Изучить описание данной работы и заготовить в рабочей тетради формы табл. 2.1-2.6 с их заголовками.

1.2. Ознакомиться по [3, 4] с метрологическими характеристиками исследуемых вольтметров. Заполнить табл. 2.2.

1.3. Сопоставить эти характеристики. Сделать выводы об области применения исследуемых вольтметров с точки зрения:

формы измеряемого сигнала,

диапазона измеряемых значений напряжений,

диапазона рабочих частот,

входного сопротивления и входной емкости.

Основные метрологические характеристики вольтметров

Пределы измерения, В

Диапозон частот, Гц

Входное сопротивление, Ом

Входная емкость, пФ

1.4. Для самопроверки готовности к выполнению работы сформулировать ответы на следующие вопросы, которые могут быть заданы при допуске и в процессе защиты работы:

1. Количественные характеристики переменного напряжения.

2. Типовые структурные схемы электронных вольтметров.

3. Какая из этих схем обеспечивает высокую чувствительность вольтметра,

2. Исследование вольметров переменного напряжения

а какая – широкий частотный диапазон?

4. Основные типы преобразователей переменного напряжения, применяемые в электронных вольтметрах; их схемы, формулы, описывающие их принцип действия.

5. Правила и процедура градуировки электронных вольтметров переменного напряжения.

7. Каким образом обеспечивают “закрытый” вход вольтметра?

8. Формулы, определяющие показания электронных вольтметров.

9. Схема и временные диаграммы сигналов, поясняющие работу пикового преобразователя с закрытым и открытым входами.

10. Источники погрешностей электронных вольтметров.

сигнала не изменяется при исключении постоянной составляющей.

Импульсный сигнал с постоянной составляющей

Импульсный сигнал без постоянной составляющей

1.6. Записать в табл. 2.3 расчетные значения показаний вольтметров с закрытым входом при измерении:

2. Исследование вольметров переменного напряжения

Необходимые для расчета формулы приведены в табл. 2.1. Размах сигналов принять равным U p = 4 В.

Результаты расчета значений параметров сигналов различной формы и показаний вольтметров

Расчет показаний U шк вольтметров при измерении напряжения

импульсного сигнала прямоугольной формы без Тип постоянной составляющей с размахом U p = 4 В при

2. Исследование влияния формы измеряемого напряжения на показания электронных вольтметров

2.1. Включить питание исследуемых вольтметров и вспомогательных приборов, ознакомиться с краткими техническими описаниями и органами управления исследуемых вольтметров. После 15-минутного прогрева проверить установку “0” и калибровку исследуемых вольтметров.

Подключить осциллограф к выходу генератора сигналов синусоидальной формы (рис. 2.1.).

2. Исследование вольметров переменного напряжения

Рис. 2.1. Схема измерения напряжения сигналов различной формы

выполнении п. 2 положение регуляторов не изменять.

2.3. Поочередно подключая исследуемые вольтметры к выходу генератора, записать их показания в соответствующий столбец табл. 2.4.

2.4. Сравнить эти показания. Должны ли эти показания различаться для вольтметров с различными типами преобразователей или они должны быть приблизительно одинаковыми (в пределах погрешностей вольтметров)?

Сделать соответствующий вывод на основе правила градуировки вольтметров переменных напряжений.

2.5 Подать на вход осциллографа с выхода вспомогательного генератора импульсный сигнал прямоугольной формы положительной полярности с переключаемым коэффициентом заполнения (частота следования этих импульсов порядка 1 кГц). Убедиться, что коэффициенты заполнения этого сигнала соответствуют значениям, указанным на переключателе вспомогательного генератора. С помощью соответствующей регулировки генератора установить размах импульсного сигнала, равным 4 В.

2.7. Измерить тремя исследуемыми вольтметрами (имеющими закрытый

Источник

Электронные аналоговые вольтметры

При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором измеряется напряжение. Для уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление велико. Поэтому в схемах электроники при измерении в маломощных цепях применение электромеханических приборов ограничено. Предпочтительнее является использование электронных вольтметров.

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и магнитоэлектрического или цифрового измерительного прибора.

В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного тока имеют высокие входное сопротивление, чувствительность и малое потребление тока от измерительной цепи. Электронные аналоговые и цифровые вольтметры позволяют производить измерения в широком диапазоне напряжений и частот.

По роду тока электронные вольтметры делятся на вольтметры постоянного напряжения, переменного напряжения, универсальные (постоянного и переменного напряжения в одном приборе) и импульсные. Кроме того, выпускаются вольтметры с частотно-избирательными свойствами – селективные.

Рис. 4.14. Электронные вольтметры

Электронные аналоговые вольтметры постоянного тока выполняются по схеме, представленной на рис. 4.14, а. Измеряемое напряжение U подается на входное устройство ВхУ, представляющее собой многопредельный высокоомный делитель напряжения на резисторах. С делителя напряжение поступает на усилитель постоянного тока УПТ и далее – на стрелочный прибор V. Делитель и усилитель постоянного тока ослабляют или усиливают напряжение до значений, необходимых для нормальной работы прибора. Одновременно усилитель обеспечивает согласование высокого сопротивления входной цепи вольтметра с низким сопротивлением рамки прибора магнитоэлектрической системы. Высокое входное сопротивление электронного вольтметра (несколько десятков мегом) позволяет производить измерение напряжения в высокоомных цепях без заметного потребления мощности от объекта измерения.

Чтобы обеспечить необходимую точность вольтметра к усилителям постоянного тока, применяемым в электронных вольтметрах, предъявляются жесткие требования в отношении линейности амплитудной характеристики, постоянства коэффициента усиления, температурного и временного дрейфа нуля. При построении электронных вольтметров для измерения малых напряжений эти требования не всегда могут быть удовлетворены. Поэтому электронные вольтметры постоянного тока для измерения малых напряжений выполняются по схеме (рис. 4.14, б).

Электронные вольтметры переменного тока выполняют по двум структурным схемам (рис. 4.14, в, г). В первой из этих схем измеряемое переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное детектором В, а затем усиливается усилителем постоянного тока. Во второй схеме усиление производится на переменном токе и лишь затем предварительно усиленный сигнал выпрямляется детектором. Эти схемы дополняют друг друга. Каждая из них обладает своими преимуществами и недостатками. Вольтметры, построенные по первой схеме, позволяют измерять напряжение переменного тока в широком частотном диапазоне (10 Гц…1000 МГц), но не дают возможности измерять напряжения меньше нескольких десятых долей вольта, так как детектор выпрямляет только достаточно большие напряжения. Вторая схема позволяет строить более чувствительные вольтметры, нижний предел измерения которых составляет всего лишь единицы микровольт. Однако такие приборы имеют меньший частотный диапазон, поскольку частотный диапазон усилителя переменного тока трудно сделать достаточно широким.

Важнейшим элементом электронного вольтметра, в значительной мере определяющим его метрологические характеристики, является детектор. Напряжение на выходе детектора может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения. Характер этой зависимости определяет, на какое из этих значений реагирует магнитоэлектрический стрелочный прибор. Соответственно, различают вольтметры средних, амплитудных и среднеквадратических значений. Необходимо, однако, помнить, что шкалу электронного вольтметра обычно градуируют в среднеквадратических значениях напряжения синусоидальной формы, и это следует учитывать при измерении и при анализе погрешностей, обусловленных отклонением формы реального измеряемого сигнала от синусоиды.

Простейшими вольтметрами средних значений являются выпрямительные вольтметры, рассмотренные выше на основе пассивных (без применения усилительных схемных элементов) преобразователей средневыпрямленных значений. Преобразователи выполняются на полупроводниковых диодах, работающих на линейном участке вольтамперной характеристики.

Повышение чувствительности, расширение пределов измерения и улучшение линейности функции преобразования в электронных вольтметрах достигается применением активных преобразователей средневыпрямленных значений.

Вольтметры среднеквадратических значений строятся по структурной схеме, приведенной на рис. 4.14, в, г. Детекторы среднеквадратического значения используют квадратичный участок вольтамперной характеристики диода или диодной цепочки, в результате чего постоянная составляющая напряжения на выходе детектора оказывается пропорциональной квадрату среднеквадратического значения измеряемого напряжения, независимо от формы этого напряжения. В некоторых вольтметрах в качестве детектора среднеквадратического значения применяются термоэлектрические преобразователи.

Принцип действия амплитудного детектора (рис. 4.15, а) основан на заряде конденсатора С через диод Д до амплитудного значения измеряемого напряжения и медленном его разряде через нагрузочный резистор R. Из-за различия времени заряда и разряда на конденсаторе появляется постоянная составляющая напряжения. Чем больше отношение постоянной времени разряда конденсатора к постоянной времени его заряда, тем больше напряжение на конденсаторе приближается к амплитудному значению. При синусоидальной форме сигнала u(t) среднее значение напряжения на диоде равно среднему значению напряжения на конденсаторе, но с противоположным знаком. Постоянная составляющая напряжения на конденсаторе С и напряжения на диоде несет информацию об амплитудном значении преобразуемого напряжения. В зависимости от того, какое из этих напряжений принимается за выходное, различают две разновидности амплитудных детекторов. Если выходным служит напряжение на конденсаторе, то получаем амплитудный детектор с открытым входом (см. рис. 4.15), который пропускает постоянную составляющую измеряемого напряжения.

Рис. 4.15. Амплитудный детектор с открытым входом

Если выходное напряжение снимается с диода, то имеем амплитудный детектор с закрытым входом (рис. 4.16). При измерении пульсирующего напряжения конденсатор С будет заряжаться до пикового напряжения U_max.

Рис. 4.16. Схема амплитудного детектора с закрытым входом

Амплитудные детекторы с закрытым и открытым входами применяются в универсальных и высокочастотных вольтметрах при измерении в широком диапазоне частот.

Погрешность измерения вольтметра с амплитудным детектором зависит от частоты. Эта погрешность тем больше, чем меньше частота измеряемого напряжения. В промежутках между входными импульсами конденсатор разряжается, поэтому среднее значение напряжения U_C меньше амплитуды U_m. При повышении частоты интервалы между импульсами меньше и конденсатор разряжается незначительно, поэтому U_C выше, чем при низкой частоте. При достаточно низких частотах U_C может значительно отличаться от амплитуды U_m. Относительная погрешность преобразования при этом оценивается по формуле

,

где Т – период измеряемого напряжения.

Одним из существенных недостатков вольтметров с амплитудным детектором является зависимость показаний прибора от формы сигнала. Обычно шкала амплитудных вольтметров градуируется в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения, тогда как отклонение стрелки прибора пропорционально амплитуде напряжения. Поэтому показания, отсчитанные по шкале стрелочного прибора, справедливы только при измерении синусоидальных напряжений.

При произвольной форме сигнала, если значение k_ф для этого сигнала неизвестно, измерение среднеквадратического значения напряжения оказывается невозможным.

На аналоговые электронные вольтметры установлены классы точности от 0,1 до 25. Обычные классы точности 2,5; 4,0.

Дата добавления: 2015-10-22 ; просмотров: 3244 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник