Лекція №3 - Електронні вольтметри
ЕЛЕКТРОННІ АНАЛОГОВІ ПРИЛАДИ І ПЕРЕТВОРЮВАЧІ
Електронні аналогові прилади та перетворювачі є засобами вимірювань, в яких перетворення сигналів вимірювальної інформації здійснюється за допомогою аналогових електронних пристроїв. Вихідний сигнал таких засобів є безперервною функцією вимірюваної величини. Електронні прилади та перетворювачі застосовують при вимірах практично всіх електричних величин: напруги, струму, частоти, потужності, опору і т.д.
Позиціїелектронних вимірювальних приладів:
висока чутливість обумовлена застосуванням підсилювачів;
мале споживання енергії з ланцюга, в якому вимірюють, що визначається високим вхідним опором даних приладів;
широкий діапазон частот, у якому чутливість незмінна.
складність, обумовлена великою кількістю деталей та елементів;
необхідність у джерелах живлення електронних пристроїв, що входять до приладу;
порівняно невисока надійність, обумовлена великою кількістю елементів.
В електронних вольтметрах напруга, що вимірюється, перетворюється за допомогою аналогових електронних пристроїв в постійний струм, який подається на магнітоелектричний вимірювальний механізм зі шкалою, градуйований в одиницях напруги. Електронні вольтметри мають високу чутливість і широкий діапазон вимірюваної напруги (від десятків нановольт на постійному струмі до десятків кіловольт), великий вхідний опір (більше 1 Мом), можуть працювати в широкому частотному діапазоні (від постійного струму до частот сотень МГц).
Існує безліч різних типів вольтметрів. По своємупризначенню та принципу дії найбільш поширені вольтметри можуть бути поділені на вольтметри постійного струму, змінного струму, універсальні, імпульсні та селективні.
Вольтметри постійного струму.Спрощена структурна схема таких вольтметрів показана на рис. 5.1 деВД- вхідний дільник напруги;УПТ- підсилювач постійного струму;ІМ- магнітоелектричний вимірювальний механізм;Ux- вимірювана напруга.
Мал. 5.1. Структурна схема електронного вольтметра постійного струму
Послідовне з'єднання дільника напруги та підсилювача дозволяє робити вольтметри високочутливими та багатограничними за рахунок зміни в широких межах їх загального коефіцієнта перетворення. Підвищення чутливості вольтметрів постійного струму шляхом збільшення коефіцієнта посиленняУПТkУПТнаштовхується на технічні труднощі через нестабільність роботиУПТ, що характеризується зміноюkУПТі мимовільною зміною вихідного сигналу підсилювача (дрейф "нуля"). Тому в таких вольтметрахkУПТ≈1, а основне призначенняУПТ– забезпечити великий вхідний опір вольтметра.
Дана структурна схема вольтметра постійного струму використовується у складі універсальних вольтметрів, оскільки при незначному ускладненні - додаванні перетворювача змінної напруги в постійне, з'являється можливість вимірювання та змінної напруги.
Вольтметри змінного струму.Такі вольтметри складаються з перетворювача змінної напруги в постійне, підсилювача та магнітоелектричного вимірювального механізму. Можливі дві узагальнені структурні схеми вольтметрів змінного струму (рис. 5.2), які різняться своїмихарактеристиками. У вольтметрах за схемою рис. 5.2,авимірювана напругаuх, спочатку перетворюється на постійну напругу, яка потім подається наУПТіІМ>, що є, сутнісно, вольтметром постійного струму. ПеретворювачПрє нелінійною ланкою, тому вольтметри з такою структурою можуть працювати в широкому частотному діапазоні. У той же час зазначені недолікиУПТта особливості роботи нелінійних елементів при малих напругах не дозволяють робити такі вольтметри високочутливими.
Мал. 5.2. Структурні схеми вольтметрів змінного струму
У вольтметрах, виконаних за схемою рис. 5.2,б, завдяки попередньому посиленню вдається підвищити чутливість. Однак створення підсилювачів змінного струму з великим коефіцієнтом посилення, що працюють у широкому діапазоні частот, – важке технічне завдання. Тому такі вольтметри мають відносно низький частотний діапазон (1 – 10 МГц).
Розрізняють вольтметри амплітудного, середнього чи діючого значення.
Мал. 5.3. Схема (а) та часова діаграма сигналів перетворювача амплітудних значень (пікового детектора) з відкритим входом
Вольтметри амплітудного значеннямають перетворювачі амплітудних значень (пікові детектори) з відкритим (рис. 5.3,а) входом, деuвхтаuвих– вхідна та вихідна напруга перетворювача. Якщо вольтметр має структуру рис. 5.3,а, то для перетворювачаuвх=uх. В амплітудних перетворювачах з відкритим входом конденсатор заряджається практично до максимального позитивного (при цьому включенні діода) значення вхідної напруги (рис. 5.3,б). Пульсації напругиuвихконденсаторі пояснюються його підзарядом при відкритому діоді, колиuвх>uвих, і його розрядом через резистор R при закритому діоді, колиuвх9), деТ- період проходження імпульсів.
Імпульсні вольтметри можуть бути виконані за структурною схемою рис. 5.2,а, при цьому використовують перетворювачі амплітудних значень з відкритим входом (рис. 5.3,а). Велика шпаруватість імпульсів і мала їх тривалість пред'являють жорсткі вимоги до перетворювачів амплітудних значень. Тому імпульсних вольтметрах застосовують компенсаційні схеми амплітудних перетворювачів (рис. 5.5).
Мал. 5.5. Компенсаційна схема амплітудного перетворювача
Вхідні імпульсиuвхзаряджають конденсаторС1. Змінна складова напруги на цьому конденсаторі, викликана підзарядом його вимірюваними імпульсами та розрядом між імпульсами (аналогічно рис. 5.3,б), посилюється підсилювачемУзмінного струму і випрямляється за допомогою діодаD2. Постійна часу ланцюгаRC2вибирається досить великий, тому напруга на конденсаторіС2у проміжку між імпульсами змінюється незначно. З виходу перетворювача за допомогою резистораRо.с.зворотного зв'язку на конденсаторС1подається компенсуюча напруга. При великому коефіцієнті посилення підсилювача це призводить до значного зменшення змінної складової напруги на конденсаторіС1, внаслідок чого в режимі, що встановився, напруга на конденсаторі практично дорівнює амплітуді вимірюваних імпульсів, а вихідна напруга пропорційно цій амплітуді :
Селективні вольтметри.Такі вольтметри призначені для вимірювання чинного значеннянапруги в деякій смузі частот або значення окремих гармонійних складових вимірюваного сигналу.
Принцип дії селективного вольтметра полягає у виділенні окремих гармонійних складових сигналу або сигналу вузької смуги частот за допомогою смугового фільтра, що перебудовується, і вимірюванні діючого значення виділених сигналів.
Фізично реалізований смуговий фільтр не має строго прямокутної амплітудно-частотної характеристики (АЧХ). Це може призвести до того, що через такий фільтр пройдуть сусідні гармонійні компоненти з деяким коефіцієнтом передачі. У цьому випадку селективний вольтметр вимірює значення суми гармонійних складових, що пройшли через фільтр, з урахуванням реальних коефіцієнтів передачі для кожної складової.
Мал. 5.6. Структурна схема селективного вольтметра
Вимірюваний сигналuхчерез виборчий вхідний підсилювач ВП подається на змішувач См, призначений для перетворення частотного спектра сигналу, що вимірюється. На виході змішувача з'являється сигнал, пропорційний вимірюваному сигналу, але з частотами спектра , де - частота гармонійних складових вхідного сигналу;
Функцію смугового фільтра у цій схемі виконуєУПЧ. Завдяки фіксованому (неперебудовуваному) значенню частоти налаштуванняУПЧцей підсилювач має великий коефіцієнт підсилення та вузьку смугу пропускання, що забезпечує високу чутливість та вибірковість селективного вольтметра.