Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Измерение переменных напряжений. Аналоговые электронные вольтметры

Принцип работы аналоговых электронных вольтметров переменного напряжения заключается в преобразовании его в постоянное и дальнейшее измерение вольтметром постоянного напряжения. Упрощенная структурная схема аналоговых электронных вольтметров изображена на рис. 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1

В зависимости от того, в какой вид постоянного напряжения преобразуется переменное напряжение, различают следующие виды вольтметров:

1. -- вольтметры (преобразователи) действующего значения.

2. -- вольтметры (преобразователи) средневыпрямленного значения (линейные).

3. -- вольтметры (преобразователи) амплитудных значений. Эти виды вольтметров различаются только преобразователем. Поскольку напряжение принято выражать в действующих значениях, то шкала во всех трех видах приборов градуируется в действующих значениях. Для этого применяются коэффициенты формы и амплитуды (выражения (7) и (8) лекции 10)

и .

Приборы второго типа самые простые, третьего типа работают в области более высоких частот.

Вольтметры средневыпрямленного значения

Рассмотрим вольтметры (преобразователи) средневыпрямленного значения. Как говорилось ранее средневыпрямленное значения определяется выражением:

Вольтметры данного вида выполнены на принципе двух полупериодного выпрямителя (рис. 2):

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2

Напряжение с выходя выпрямителя подается на ФНЧ:

ФНЧ производит усреднение поданного на него колебания:

Далее полученное выпрямленное напряжение подается на МЭ прибор, отклонение стрелки которого:

пропорционально выпрямленному напряжению и зависит от него линейно с коэффициентом -- чувствительностью по средневыпрямленному значению. При несинусоидальном входном сигнале на МЭ приборе возникнет ошибочное показание , поэтому необходимо сделать такое же преобразование как и при измерении тока:

Если измеряемая величина мала, то функция преобразования (4) не будет линейной из-за нелинейности ВАХ диода. Для увеличения входного сигнала и повышения точности измерения используется обратная связь.

Для увеличения точности измерений вводят обратную связь (ОС).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3

Если достаточно большой, то выпрямленное напряжени

пропорционально отношению сопротивлений к .

Вольтметры действующих значений

Постоянное напряжение на выходе преобразователя в вольтметре действующих значений должно соответствовать действительному напряжению:

Операцию извлечения корня можно проводить прямо при градуировке шкалы вольтметра. Для того, чтобы шкала данного прибора не была квадратичной применяют линеаризацию путем введения обратной связи. В качестве обратной связи нужно использовать квадратичный двухполюсник. ВАХ такого двухполюсника изображена на рис. 4а.

Двухстороннюю функцию передачи изображенную на рис. 4а практически осуществить трудно, поэтому используют одностороннюю, а сигнал предварительно выпрямляют (рис. 4б).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4

Один из способов получения квадратичного двухполюсника основан на использовании диодных цепочек.

Квадратор на основе диодной цепочки.

На рис. 5 изображен квадратор на основе диодной цепочки, имеющий одностороннюю квадратичную функция преобразования.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5

На рисунке -- напряжения в данных точках при отсутствии сигнала на входе. При этом напряжение , а напряжения , для этого необходимо чтобы . Током в верхней части схемы можно пренебречь, тогда ток будет определяться следующим выражением

При отсутствии сигнала на входе все диоды находятся в закрытом состоянии. При этом -ый диод откроется, когда напряжение превысит напряжение открывания -ого диода.

Как известно ВАХ диода имеет вид указанный на рис. 6.

напряжение двухполюсник вольтметр квадратор

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6

Если сопротивление открытого диода , то зависимость тока протекающего через этот диод от напряжения можно считать линейной. Результирующий ток протекающий через приведенную схему является суммой токов всех диодов

Из-за плавности открывания диода ВАХ диодной цепочки не имеет изломов.

К недостаткам квадратора на основе диодной цепочки можно отнести его температурную зависимость, а так же влияние емкость диодов на высоких частотах.

Квадратор на основе логарифмирования и антилогарифмирования (потенциирования)

Зависимость выходного напряжения данного квадратора от входного определяется следующим выражением:

Для логарифмирования и антилогарифмирования существуют специальные микросхемы. Простейшая схема логарифматора имеет вид представленный на рис. 7.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7

Напомним, что ВАХ диода описывается выражением:

Используя выражение (11) можно выразить выходное напряжение логарифматора (рис. 7):

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8

Последнее упрощение возможно, если считать, что , где -- тепловой ток. Точность логарифмирования данной схемы низкая из-за температурной зависимости диода, и поэтому в качестве обратной связи, вместо диода, используют транзисторы диодного включения (рис. 8). Характеристики такой цепи более стабильны.

Антилогарифматор (или потенциатор) получается если на схеме логарифматора (рис. 8) поменять местами сопротивление и диод или транзистор диодного включения.

Приведенная схема работает в ограниченной полосе частот. В области высоких частот в качестве преобразования переменного напряжения в постоянное используются термоэлектрические преобразователи, о которых уже говорилось в лекции 11.

Термопреобразователи

Как уже говорилось, из-за нагрева горячего спая при подаче на вход термопары переменного напряжения возникает постоянная термо-ЭДС , величина которой

Для усиления нагрева используют предварительное усиление переменного напряжения. Шкала прибора с термоэлектрическим преобразованием получается квадратической. Используя принцип статического уравновешивания (введением цепи ОС) можно линеаризировать шкалу (рис. 9).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9

На рисунке -- коэффициент передачи делителя. Выпрямленное напряжение на выходе преобразователя определяется следующим выражением:

,

В левой части выражения (14) в скобках единицей можно пренебречь, а . Извлекая корень получим:

Из (15) следует, что в результате применения описанной выше схемы шкала становится линейной. При этом приведенная схема работает правильно и для синусоидального, и для несинусоидального напряжения на входе преобразователя.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10

Вольтметры амплитудных значений

1. с открытым входом (рис. 10а);

2. с закрытым входом (рис. 10б).

При положительном напряжении диоды на схемах преобразователей открыты, конденсаторы заряжаются. При отрицательном напряжении диоды зарыты, а конденсаторы разряжаются через большое сопротивление . Заряд конденсаторов при происходит с постоянной времени , а при происходит разряд с постоянной времени . Для правильной работы схем необходимо, чтобы разряд конденсатора происходил медленнее, чем заряд. для этого необходимо, чтобы (), кроме того постоянная времени разряда должна быть значительно больше периода входного сигнала , чтобы за время пока конденсатор не успевал разрядиться слишком сильно. Наряду с переменной составляющей во входном сигнале может содержаться и постоянная составляющая.

,

В первой схеме выходное напряжение

Из следует, что в схеме с открытым входом переменная составляющая входного напряжения регистрируется вместе с постоянной. В схеме с закрытым входом (рис. 10б) в выражение выходного напряжение постоянная составляющая не входит:

На рис. 1 показано измерение положительного пика входного напряжения. Для измерения отрицательного пика необходимо перевернуть диоды в схемах преобразователей с открытым и закрытым входами (рис. 10а,б). Тогда выходные напряжения (17) и (18) примут вид (19) и (20) соответственно:

Среди описанных ранее преобразователей, преобразователи вольтметров амплитудных значений, позволяют измерять входное напряжение наибольшей частотой измерений.

Размещено на Allbest.ru