Лекция номер 3 - Електронни волтметри
ЕЛЕКТРОННИ АНАЛОГОВИ УСТРОЙСТВА И ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ
Електронните аналогови устройства и преобразуватели са измервателни уреди, в които преобразуването на измервателни информационни сигнали се извършва с помощта на аналогови електронни устройства. Изходният сигнал на такива средства е непрекъсната функция на измереното количество. Електронните устройства и преобразуватели се използват за измерване на почти всички електрически величини: напрежение, ток, честота, мощност, съпротивление и др.
Предимствана електронните измервателни уреди:
висока чувствителност поради използването на усилватели;
ниска консумация на енергия от веригата, в която се извършва измерването, което се определя от високото входно съпротивление на тези устройства;
широк честотен диапазон, в който чувствителността е непроменена.
сложност поради голям брой части и елементи;
необходимостта от захранвания за електронни устройства, включени в устройството;
относително ниска надеждност поради големия брой елементи.
При електронните волтметри измереното напрежение се преобразува от аналогови електронни устройства в постоянен ток, който се подава към магнитоелектрически измервателен механизъм със скала, градуирана в единици напрежение. Електронните волтметри имат висока чувствителност и широк обхват на измерваните напрежения (от десетки нановолта при постоянен ток до десетки киловолта), високо входно съпротивление (повече от 1 MΩ) и могат да работят в широк честотен диапазон (от постоянен ток до честоти от порядъка на стотици MHz).
Има много различни видове волтметри. По мой собствен начинцел и принцип на работа, най-често срещаните волтметри могат да бъдат разделени на волтметри за постоянен ток, променлив ток, универсални, импулсни и селективни.
DC волтметри.Опростена блокова схема на такива волтметри е показана на фиг. 5.1, къдетоVDе делител на входно напрежение;UPT– DC усилвател;IM– магнитоелектрически измервателен механизъм;Ux– измерено напрежение.
Ориз. 5.1. Структурна схема на електронен DC волтметър
Серийното свързване на делител на напрежение и усилвател позволява да се направят волтметри с висока чувствителност и многограничност чрез промяна на общия им коефициент на преобразуване в широк диапазон. Увеличаването на чувствителността на DC волтметрите чрез увеличаване на усилванетоDCTkDCTсреща технически трудности поради нестабилността на работата наDC, характеризираща се с промяна вkDCи спонтанна промяна в изходния сигнал на усилвателя ("нулев" дрейф). Следователно в такива волтметриkDCT≈1 и основната цел наDCе да осигури голям входен импеданс на волтметъра.
Тази блокова схема на DC волтметър се използва като част от универсални волтметри, тъй като с леко усложнение - добавяне на AC към DC преобразувател, става възможно измерването на AC напрежение.
AC волтметри.Такива волтметри се състоят от AC-към-DC преобразувател, усилвател и магнитоелектричен измервателен механизъм. Има две обобщени структурни диаграми на AC волтметри (фиг. 5.2), които се различават по своитехарактеристики. Във волтметри по схемата на фиг. 5.2,aизмереното напрежениеuxпърво се преобразува в постоянно напрежение, което след това се прилага къмDCиIM, които по същество са DC волтметър. ПреобразувателятPrе нелинейна връзка, така че волтметрите с тази структура могат да работят в широк честотен диапазон. В същото време тези недостатъциDCи характеристиките на работата на нелинейни елементи при ниски напрежения не позволяват да се направят такива волтметри с висока чувствителност.
Ориз. 5.2. Структурни схеми на AC волтметри
Във волтметри, направени по схемата на фиг. 5.2,b, поради предварителното усилване е възможно да се увеличи чувствителността. Въпреки това, създаването на променливотокови усилватели с голямо усилване, работещи в широк честотен диапазон, е трудна техническа задача. Следователно такива волтметри имат относително нисък честотен диапазон (1 - 10 MHz).
Има волтметри на амплитуда, средна или ефективна стойност.
Ориз. 5.3. Схема (а) и времева диаграма на сигналите на преобразувателя на амплитудни стойности (пиков детектор) с отворен вход
Волтметрите за амплитудна стойностимат преобразуватели на амплитудна стойност (пикови детектори) с отворен (фиг. 5.3,a) вход, къдетоuinиuoutса входното и изходното напрежение на преобразувателя. Ако волтметърът има структурата на фиг. 5.3,a, тогава за преобразувателяuin=uх. При амплитудни преобразуватели с отворен вход кондензаторът се зарежда почти до максималнатаuxmaxположителна (с включен този диод) стойност на входното напрежение (фиг. 5.3,б). Пулсации на напрежениетоuoutвключеноКондензаторът се обяснява с презареждането му при отворен диод, когатоuin>uout, и с разреждането му през резистора R при затворен диод, когатоuin9 ), къдетоTе периодът на повторение на импулса.
Импулсните волтметри могат да се изработят по блоковата схема на фиг. 5.2,a, докато се използват преобразуватели на амплитудни стойности с отворен вход (фиг. 5.3,a). Големият работен цикъл на импулсите и тяхната малка продължителност налагат строги изисквания към преобразувателите на амплитудни стойности. Следователно в импулсните волтметри се използват компенсационни вериги на амплитудни преобразуватели (фиг. 5.5).
Ориз. 5.5. Компенсационна схема на амплитудния преобразувател
Входните импулсиuinзареждат кондензатораС1. Променливата съставка на напрежението на този кондензатор, причинена от презареждането му от измерените импулси и разреждането между импулсите (подобно на фиг. 5.3,b), се усилва от AC усилвателяUи се коригира с помощта наD2диод. Времеконстантата на веригатаRC2е избрана достатъчно голяма, така че напрежението на кондензатораС2в интервала между импулсите се променя леко. Компенсиращо напрежение се подава към кондензатораC1от изхода на преобразувателя с помощта на резистора за обратна връзкаRo.s.. При голямо усилване на усилвателя това води до значително намаляване на променливата компонента на напрежението върху кондензатораC1, в резултат на което в стационарно състояние напрежението върху кондензатора е почти равно на амплитудата на измерените импулси, а изходното напрежение е пропорционално на тази амплитуда:
Селективни волтметри.Такива волтметри са проектирани да измерват ефективната стойностнапрежение в определена честотна лента или ефективната стойност на отделните хармонични компоненти на измервания сигнал.
Принципът на действие на селективния волтметър е да изолира отделни хармонични компоненти на сигнал или тяснолентов сигнал с помощта на регулируем лентов филтър и да измерва ефективната стойност на избраните сигнали.
Физически реализираният лентов филтър няма строго правоъгълна честотна характеристика (AFC). Това може да доведе до факта, че съседни хармонични компоненти с определено усилване ще преминат през такъв филтър. В този случай селективният волтметър измерва ефективната стойност на сумата от хармоничните компоненти, преминали през филтъра, като взема предвид действителните коефициенти на предаване за всеки компонент.
Ориз. 5.6. Блокова схема на селективен волтметър
Измереният сигналuxпрез селективния входен усилвател VU се подава към смесителя Cm, предназначен да преобразува честотния спектър на измервания сигнал. На изхода на смесителя се появява сигнал, който е пропорционален на измерения сигнал, но с честотите на спектъра, където
Функцията на лентовия филтър в тази схема се изпълнява отIF. Благодарение на фиксираната (нерегулируема) стойност на честотата на настройкаIF, този усилвател има високо усилване и тясна честотна лента, което осигурява висока чувствителност и селективност на селективния волтметър.