20176

Аналоговый электронный вольтметр

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Измерение переменного напряжения. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Измерение напряжения и силы тока наиболее распространенный вид измерений. В различных областях науки и техники эти измерения осуществляются в широком диапазоне частот от постоянного тока и инфранизких частот сотые доли герца до сверхвысоких частот 1 ГГц и более и в большом диапазоне измеряемых значений напряжения и тока соответственно от нановольт до сотен киловольт и от 1016 до десятков и сотен ампер при большом многообразии форм измеряемого напряжения и тока. Измерение постоянных...

Русский

2013-07-25

824.5 KB

32 чел.

8.  Аналоговый электронный вольтметр.

Измерение переменного напряжения.

8.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Измерение напряжения и силы тока — наиболее распространенный вид измерений. В различных областях науки и техники эти измерения осуществляются в широком диапазоне частот — от постоянного тока и инфранизких частот (сотые доли герца) до сверхвысоких частот (1 ГГц и более) и в большом диапазоне измеряемых значений напряжения и тока — соответственно от нановольт до сотен киловольт и от 10-16 до десятков и сотен ампер (при большом многообразии форм измеряемого напряжения и тока).

Измерение постоянных напряжения и силы тока заключается в нахождении их значений и полярности. Целью измерения переменных напряжения и силы тока является нахождение какого-либо их параметра.

Выбор метода и средств измерений напряжения и силы тока обусловливается требуемой точностью измерений, амплитудным и частотным диапазонами измеряемого сигнала, мощностью, потребляемой прибором от измерительной цепи, и  т. д.

В зависимости от способа получения результата методы измерений делятся на прямые, при которых значение напряжения (тока) измеряется непосредственно, и косвенные, результат которых находится по результатам прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной той или иной функциональной зависимостью.

Для измерения напряжения (тока) применяются следующие основные методы измерений:

  •  непосредственной оценки, при котором числовое значение измеряемой величины определяется по отсчетному устройству, отградуированному в единицах этой величины;
  •  сравнения, - при котором значение измеряемой величины определяется на основе сравнения воздействия измеряемой величины на какую-либо систему с воздействием на эту же систему образцовой меры. В приборах для измерения напряжения и силы тока применяются три разновидности метода сравнения: нулевой, дифференциальный и замещения.

В соответствии с этим приборы для измерения напряжения и силы тока можно разделить на два класса:

  •  непосредственной оценки, у которых числовое значение измеряемой величины определяется по отсчетному устройству;
  •  сравнения, состоящие из цепи сравнения и измерителя разности значений измеряемой величины и меры. Для фиксирования отсутствия разности значений измеряемой величины и меры применяются устройства сравнения (УС).

Оба класса приборов по системе отсчета показаний можно разделить на приборы с аналоговым отсчетом (аналоговые), 

приборы с дискретным отсчетом.

К приборам с аналоговым отсчетом следует отнести стрелочные приборы, приборы со световым указателем, приборы с ручным или автоматическим уравновешиванием (имеющие реохорд) и самопишущие.

К приборам с дискретным отсчетом следует отнести цифровые приборы и приборы с ручным или автоматическим уравновешиванием, имеющие набор (магазин) переключаемых элементов. Результат измерений, проведенных такими приборами, выражен в виде дискретного (цифрового) кода.

Все электроизмерительные приборы по способу преобразования электромагнитной энергии, связанной с измеряемой величиной, в величину, позволяющую провести отсчет значений измеряемой величины, можно разделить на электромеханические, электротепловые, электронные и электронно-лучевые.

8.2. АНАЛОГОВЫЕ  ЭЛЕКТРОННЫЕ  ВОЛЬТМЕТРЫ.

В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного тока имеют высокие входное сопротивление, высокую чувствительность и малое потребление тока от измерительной цепи.

Вольтметры постоянного тока непосредственной оценки выполняются по структурной схеме, приведенной на рис. 1. 
Основными элементами структурной схемы являются
входное устройство,
усилитель постоянного тока (УПТ),
измерительный прибор магнитоэлектрической системы.
Входное устройство содержит входные зажимы, делитель напряжения, предварительный усилитель. Высокоомный делитель на резисторах служит для расширения пределов измерения.
Усилитель постоянного тока служит для повышения чувствительности вольтметра и является усилителем мощности измеряемого напряжения до значения, необходимого для создания достаточного вращающего момента у измерительного прибора.

К усилителям постоянного напряжения предъявляются такие требования, как высокая линейность амплитудной характеристики, постоянство коэффициента усиления и малый температурный и временной дрейфы нуля.

Рис. 1. Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока

Высокая линейность амплитудной характеристики обычно достигается правильным выбором режимов работы электронных приборов усилителя, а также применением отрицательной обратной связи, которая повышает стабильность коэффициента усиления.

Стабилизации коэффициента усиления усилителя способствует также стабилизация питающего напряжения.

Из различных схем усилителей постоянного тока наиболее удачно разрешаются указанные проблемы в мостовых балансных схемах. Применение балансной схемы позволяет снизить требования к стабильности питающих напряжений, так как при изменении этих напряжений сопротивления плеч моста изменяются примерно одинаково и баланс моста не нарушается. Нестабильность нулевого отсчета в балансных схемах сохраняется, но она оказывается значительно ниже, чем у обычного УПТ.

Схема УПТ, выполненного по мостовой балансной схеме, приведена на рис. 2. Усилитель постоянного тока собран по мостовой схеме на транзисторах  - ; на транзисторах ,  собран выходной каскад усилителя по схеме с общим коллектором. Такое включение необходимо для получения низкого выходного сопротивления. Измеряемый сигнал подается на базу транзистора , включенного по схеме с общим эмиттером, коллекторной нагрузкой которого является транзистор . Сигнал с коллектора  подается на базу транзистора , включенного по схеме с общим коллектором, нагрузкой которого является транзистор . Сигнал с эмиттера   через калибровочный потенциометр  подается на измерительный прибор. Установка нуля УПТ осуществляется потенциометром . При регулировке   изменяется ток базы транзистора , что позволяет установить значение его коллекторного тока, соответствующее балансу УПТ.

Рис. 2.    Принципиальная    электрическая схема УПТ на основе балансного моста.

Балансировка входной схемы УПТ осуществляется выравниванием потенциалов на базе  и коллекторе  при короткозамкнутом входе УПТ путем изменения сопротивления потенциометра .

Для стабилизации УПТ используется параллельная отрицательная обратная связь через резистор . Рассмотренная схема УПТ использована в универсальном вольтметре В7-13.

Недостатками схем с прямым УПТ являются их низкая чувствительность и невысокая  точность измерения  (погрешность измерения постоянного напряжения составляет 1,5-2,5%).

8.3. ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

ОБЩИЕ  СВЕДЕНИЯ

Электрические сигналы (напряжение или ток) характеризуются мгновенным, средним (для периодического сигнала постоянная составляющая) , средневыпрямленным , среднеквадратическим и пиковым (для периодических сигналов - амплитудным)  значениями.

Мгновенные значения напряжения наблюдают на осциллографе и определяют для каждого момента времени по осциллограмме.

Все остальные значения могут быть определены соответствующим вольтметром (амперметром).

Среднее  значение  напряжения   является среднеарифметическим за период:

Для симметричных относительно оси времени напряжений  = 0, поэтому для характеристики таких сигналов пользуются средневыпрямленным значением — средним значением модуля напряжения (рис. 3, в):

Среднеквадратическое значение напряжения за время  измерения (или  за  период)

Пиковое значение  (амплитудное - для гармонического сигнала) - наибольшее мгновенное значение напряжения за время измерения (за период или полупериод) (рис. 3, а).

При разнополярных несимметричных кривых напряжения различают положительное или отрицательное пиковое значение (рис. 3, б).

Таблица   1.  Количественные соотношения между амплитудным, среднеквадратическим и средневыпрямленным значениями напряжений для сигналов различной формы

Параметры сигнала

Каждому закону изменения напряжения (формы кривой мгновенных значений) соответствуют определенные количественные соотношения между амплитудным, среднеквадратическим и средневыпрямленным  значениями напряжений.

Эти отношения оцениваются:

коэффициентом   амплитуды    

коэффициентом   формы             

Значения этих коэффициентов для наиболее употребительных сигналов и соотношения между ними приведены в табл.1. 

В зависимости от системы применяемого прибора, типа и режима работы измерительного преобразователя и градуировки шкалы прибора показания его могут соответствовать средневыпрямленному, среднеквадратическому или пиковому (амплитудному) значению измеряемого напряжения.

В соответствии с измеряемым параметром различают вольтметры и амперметры амплитудного (пикового), средневыпрямленного (среднего) и среднеквадратического значения. 

Градуировку большинства шкал вольтметров, кроме импульсных, производят в среднеквадратических значениях (СКЗ) синусоидального напряжения. Однако если известны коэффициенты  и  измеряемого напряжения, то по одному из параметров можно определить два других. При измерении синусоидального напряжения по формулам  и , а при измерении несинусоидального напряжения показании таких приборов должны быть переоценены и в показания внесены поправки в соответствии со значениями  и  для измеряемого сигнала.

Для измерения переменного напряжения и тока применяются электромеханические, термоэлектрические и электронные приборы.

Выбор прибора той или иной системы определяется предельными значениями измеряемой величины, условиями измерения, требуемой точностью измерения и формой сигнала.

Рис, 3. Определение параметров переменного напряжения и тока периодического однополярного (а), разнополярного несимметричного (б) и симметричного (в) сигналов

Из электромеханических приборов для измерения переменного напряжения применяются в основном приборы электромагнитной, электродинамической и электростатической систем.

Термоэлектрические и электронные приборы представляют собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма или цифрового прибора с измерительным термоэлектрическим или электронным преобразователем переменного напряжения в постоянное.

Классифицировать вольтметры переменного напряжения можно по различным признакам:

  •  по видам, т. е. по назначению - переменный ток, импульсный ток, фазочувствительные, селективные, универсальные;
  •  по   методу   измерения - непосредственной оценки  и  прямого  сравнения  с  мерой;
  •   по    измеряемому    параметру    напряжения – пиковые (амплитудные), среднеквадратического и средневыпрямленного значения;
  •   по типу индикатора - стрелочные и цифровые.

Для измерения напряжения промышленной частоты обычно применяются приборы электромагнитной и электродинамической систем, а также электростатические вольтметры.

Большинство вольтметров электромагнитной системы применяются на частотах 45 — 55 Гц. Повышение частоты существенно увеличивает погрешность приборов, и поэтому верхний частотный предел обычно не превышает 3000 Гц.

Класс точности приборов 2,5; 1,5; 1,0 и редко 0,5.

Электродинамические вольтметры имеют примерно тот же частотный диапазон, но более высокий класс точности, самые точные из них имеют класс 0,1. Так, различные модификации вольтметра Д591 класса 0,1 имеют пределы измерения 7,5-15-30-60-75-100-300-450-600В и номинальный диапазон частот 40—500 Гц до 600В и 40-1000 Гц до 60 В.

Уравнение шкалы вольтметров электромагнитной и электродинамической (при  последовательном включении катушек) систем имеет квадратичный характер:     

а – угол,   u – напряжение.

Достоинствами вольтметров этих систем являются возможность их непосредственного применения в цепях переменного тока, простота конструкции, сравнительно низкая стоимость, надежность в эксплуатации и устойчивость к перегрузкам. 

К общим недостаткам относятся их низкая чувствительность, большое потребление мощности от измерительной цепи, неравномерность шкалы.

Электростатические вольтметры обычно применяются для измерения высоких напряжений до 100 кВ. Эти вольтметры выпускают класса 1 в диапазоне частот от 45 Гц до 0,25 МГц (вольтметры типа С110).

Измерение напряжения высокой частоты имеет ряд особенностей, которые надо учитывать при выборе прибора и его использовании. Это объясняется влиянием прибора на электрический режим исследуемой цепи за счет реактивной составляющей входного сопротивления вольтметра, подключаемого параллельно исследуемому объекту.

В большинстве случаев при измерении напряжения высокой частоты входное реактивное сопротивление носит емкостный характер. Для уменьшения влияния вольтметра на результат измерения необходимо, чтобы активное входное сопротивление прибора было как можно больше, а входная емкость как можно меньше.

В практике радиоэлектронных измерений наибольшее распространение получили электронные вольтметры. Вольтметры термоэлектрической и электростатических систем используются значительно реже.

Это объясняется тем, что электронные вольтметры имеют хорошие характеристики:

  •  большое входное сопротивление (как на низких, так и на высоких частотах),
  •  высокую чувствительность при использовании усилителя,
  •  малое потребление мощности из измеряемой цепи,
  •  не боятся перегрузок.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

74193. Visual development languages and tools 43 KB
  Visul development lnguges nd tools. In the summer of 1991 Microsoft introduced development tool clled Visul Bsic. Visul Bsic revolutionized ll this tedious code. Insted of hving to write lengthy code to mke window respond to mouse Visul Bsic hndled ll of those ctions nd hid them from the progrmmer.
74194. Multiparadigm programming language – Python 50 KB
  Multiprdigm progrmming lnguge – Python.1 Python is generlpurpose progrmming lnguge tht blends procedurl functionl nd objectoriented prdigms. Python is powerful multiprdigm computer progrmming lnguge optimized for progrmmer productivity code redbility nd softwre qulity. Python is populr open source progrmming lnguge used for both stndlone progrms nd scripting pplictions in wide vriety of domins.
74195. Version control software and tools 39 KB
  Version control softwre nd tools1 Version control lso clled subversion control or revision control helps lrge projects from spinning out of control by letting individul progrmmers writers or project mngers tckle project from different ngles without getting in ech other’s wy nd without doing dmge tht cn’t be undone. Version Control lets you trck your files over time. You’ve probbly cooked up your own version control system got ny files like this: Lb1_1. dd version number or dte: Document_V1.
74196. Cloud computing: programming models 35 KB
  Cloud computing: progrmming models1 Cloud computing is computing in which lrge groups of remote servers re networked to llow centrlized dt storge nd online ccess to computer services or resources. Clouds cn be clssified s public privte or hybrid. Cloud computing relies on shring of resources to chieve coherence nd economies of scle similr to utility like the electricity grid over network. t the foundtion of cloud computing is the broder concept of converged infrstructure nd shred services.
74197. History of programming languages and tools 242.5 KB
  History of progrmming lnguges nd tools. PreHistory The first progrmming lnguges predte the modern computer. Figure 1 Punch crd Like mny firsts in history the first modern progrmming lnguge is hrd to identify. To some people the nswer depends on how much power nd humnredbility is required before the sttus of ldquo;progrmming lngugerdquo; is grnted.
74198. Evolution of programming languages and tools 56.5 KB
  The earliest practical form of programming was probably done by Jaquard (1804, France). He designed a loom that performed predefined tasks through feeding punched cards into a reading contraption.
74199. Programming paradigms 45 KB
  Progrmming prdigms. The word progrmming prdigm is used in severl different lthough relted menings in computer science. Progrmming prdigm – pttern tht serves s school of thoughts for progrmming of computers. Progrmming technique – relted to n lgorithmic ide for solving prticulr clss of problems.
74200. Imperative programming languages and tools 78 KB
  Impertive progrmming lnguges nd tools. Progrmming lnguges bsed on the impertive prdigm hve the following chrcteristics: 1 The bsic unit of bstrction is the PROCEDURE whose bsic structure is sequence of sttements tht re executed in succession bstrcting the wy tht the progrm counter is incremented so s to proceed through series of mchine instructions residing in sequentil hrdwre memory cells. Typiclly given vrible my ssume mny different vlues of the course of the execution of progrm just s hrdwre memory cell my contin mny different vlues.1...
74201. Imperative programming languages and tools 56.5 KB
  LGOL gretly influenced mny other lnguges – its mjor contribution is being the root of the tree tht gve rise to mny other progrmming lnguges including BCPL B Pscl PL I Simul C C nd Jv. Niklus Wirth bsed his own LGOL W on LGOL 60 before developing Pscl. This led to the doption of smller nd more compct lnguges such s Pscl...