Головна

ВИМІР НАПРУГ 2 сторінка

  1. 1 сторінка
  2. 1 сторінка
  3. 1 сторінка
  4. 1 сторінка
  5. 1 сторінка
  6. 1 сторінка
  7. 1 сторінка

Операція вилучення квадратного кореня виконується або схемним шляхом, або під час градуювання шкали вольтметра.

З викладеного випливає, що перетворювач повинен володіти квадратичної характеристикою перетворення і тому його називають квадратичним.

Якщо в вихідний ланцюг квадратичного перетворювача включити фільтр нижніх частот і магнітоелектричний стрілочний вимірювальний прилад (мікроамперметр), то останній буде вимірювати постійну складову (середнє значення) вихідного струму або напруги перетворювача, яка пропорційна квадрату (або першого ступеня) середньоквадратичного значення напруги на вході перетворювача. Відзначимо, що градуировочная характеристика шкали вольтметра з квадратичним перетворювачем в середньоквадратичних значеннях не залежить від форми напруги, за допомогою якого проводилася операція градуювання. Тому свідчення квадратичного вольтметра, проградуированного в середньоквадратичних значеннях синусоїдальної

напруги, при вимірюванні напруги складної форми відповідають середньоквадратичного значенням цього напруги (більш докладно про це див. у § 5.7).

Для квадрірованія можна використовувати початковий ділянку вольт-амперної характеристики напівпровідникового діода, добре апроксимується квадратичною залежністю. Однак в даний час ця можливість майже не використовується, що пояснюється малою протяжністю квадратичного ділянки характеристики.

Переважно застосовуються в електронних вольтметрах квадратичні перетворювачі можна розділити на дві великі групи. До першої відносяться пристрої з перетворювачем електричної енергії в теплову (терморезисторні, термоелектричні, термоемісійні). Другу групу складають перетворювачі, вихідна напруга яких є квадратичну функцію від вхідної напруги (квадратичні перетворювачі миттєвих значень сигналу). Спочатку розглянемо перші два види перетворювачів першої групи.

сучасний перетворювач з терморезисторами, виконуваний у вигляді гібридної мікросхеми, складається з двох резисторів, двох транзисторів і инвертирующего підсилювача в колі зворотного зв'язку (рис. 5.9). Вхідна напруга розігріває один резистор (R1), а опорна напруга постійного струму - інший (R2) - У контурі управління включені по балансовій схемі два сприймають тепло транзистора 1 и 2, а також інвертується підсилювач, який регулює температуру резистора R2 до рівності її температурі резистора R1 т. е. до настання балансу моста. Коли досягнуто рівновагу, значення напруги постійного струму Uвих пропорційно середньоквадратичного значенням U напруги сигналу на вході схеми. Конструктивно гібридна мікросхема побудована наступним чином. вхідний резистор R1 і пов'язаний з ним транзистор VТ1 виконані на загальному кремнієвому кристалі і змонтовані в одному корпусі з іншим аналогічним кристалом, що містить керуючий резистор R2 і пов'язаний з ним транзистор VТ2- Кристали дуже близькі за характеристиками, що досягається конструктивно-технологічними заходами [12].

На рис. 5.10 зображена схема квадратичного вимірювального перетворювача з термоелектричними елементами - термопреобразователямі ТП. Вона має

ній використані безконтактні термопреобразователи, у яких нагрівач Н і термопара Т ізольовані один від одного. Хоча це дещо знижує чутливість і збільшує інерційність термоцреобразователя, але зменшує ємнісні зв'язку, і, отже, підвищує точність перетворення.

Мал. 5.9

Мал. 5.10

По-друге, наявність підсилювача постійного струму (УПТ, виконаного за схемою з конвертацією на мікроелементах) дозволяє працювати при малих токах, що знижує похибку (перетворення на високих частотах, а також спростити завдання узгодження опорів термопари і магнітоелектричного вимірювального приладу. По-третє, в схемі використовуються два термоперетворювача, один з яких (ТП1) Включений між виходом підсилювача напруги змінного струму і входом підсилювача постійного струму, а другий (ТП2) - В ланцюг зворотного зв'язку підсилювача постійного струму. термопари T1 і T2 обох термопреобразователей включені зустрічно, і таким чином на вхід підсилювача постійного струму подається різниця напруги. Запровадження другого термопреобразователя в ланцюг негативного зворотного зв'язку УПТ дозволило отримати лінійну залежність між напругою на виході УПТ і среднеквадратическим значенням вхідної напруги.

Розглянемо роботу перетворювача. Як видно з рис. 5.10, термоелектричний елемент складається з нагрівача Н і термопари Т. Викликаний вхідною напругою u (t) струм через нагрівач H1 підвищує його температуру. В результаті цього в ланцюзі термопари виникає термо-ЕРС, пропорційна температурі. Вона є функцією кількості тепла, що виділяється струмом, яке, в свою чергу, пропорційно середньому квадрату значення струму і, отже, квадрату середньоквадратичного значення вхідної напруги т. Е.

ЕРС, що розвивається термопарою T1 подається на вхід УПТ.

Для лінеаризації залежності між вихідною напругою УПТ і среднеквадратическим значенням U вхідної напруги в ланцюг зворотного зв'язку введений термоелектричний перетворювач ТП2, Причому термопари T2 и T1 включені зустрічно. Таким шляхом здійснюється негативний зворотний зв'язок.

З теорії підсилювачів з негативним зворотним зв'язком відомо, що коли ланцюг зворотного зв'язку здійснює функціональне перетворення вихідної напруги підсилювача, т. Е.

 (5.10)

то при глибокої негативного зворотного зв'язку вихідна напруга пов'язано з вхідною напругою залежністю

 де f -1(-) - Функція, зворотна функції f (-). Дійсно, як видно з рис. 5.10, напруга на вході власне УПТ (термопари Т1 і T2 включені зустрічно)

Так як негативний зворотний зв'язок глибока, то можна вважати, що  тоді  і відповідно до (5.10) Uвх =f (U вих). Звідки отримуємо, що

У даній схемі ланцюг зворотного зв'язку квадрірует (за допомогою ТП2) Вихідна напруга, т. Е. Виконується нею функціональне перетворення - зведення в квадрат. Отже, зворотне функціональне перетворення полягає в добуванні квадратного кореня.

оскільки  де U - середньоквадратичне значення напруги u (t), то

Таким чином, залежність між вихідною напругою УПТ і среднеквадратическим значенням U напруги на вході перетворювача виходить лінійної і показання магнітоелектричного вольтметра, включеного на виході УПТ, відповідає середньоквадратичного значенням напруги і (t).

Серед квадраторов другої групи найбільшого поширення набули перетворювачі на польових транзисторах. Їхні схеми різноманітні.

Застосування польових транзисторів заснована на використанні квадратичної залежності струму стоку від напруги затвор - витік

 (5.11) де Іс. нас - струм насичення стоку; Iспро - струм в ланцюзі стоку транзистора, включеного по схемі із загальним витоком, при накоротко замкнутому з витоком затворі; Uзи - Напруга затвор-витік; Uнас - напруга насичення. Якщо розкрити дужки, то видно, що в (5.11) входять члени з нульовою, першої та другої ступенем напруги Uзи. Перші два члена виключають схемними шляхами. Часто зустрічаються схеми з керуванням по затвору при незмінному стоковому харчуванні.

Квадратичні перетворювачі на польових транзисторах мають ряд переваг: невелика похибка перетворення, стійкість по відношенню до дестабілізуючих чинників, можливість подачі на вхід порівняно високої напруги, широкополосность. Стабільний квадратичний перетворювач, побудований на основі подвійного польового транзистора і операційного підсилювача з малим дрейфом вихідної величини, що працює в дуже широкій смузі частот (до 200 МГц), описаний в [33].

У сучасних вольтметрах широко застосовується квадратичний перетворювач виду «логарифм - антилогарифмів», який здійснює неявне обчислення середньоквадратичного значення напруги [89, 124]. Ідея, яка визначає принцип роботи перетворювача, заснована на таких передумовах.

Якщо у формулі (5.3) для середньоквадратичного значення Uнапряженія і (t) позначити подкоренное вираз через і звести обидві частини (5.3) в квадрат, то отримаємо рівність U2= Його можна уявити в такій формі

 (5.12)

Це дозволяє побудувати алгоритм обчислення середньоквадратичного значення U наступним чином:

Структурна схема квадратора, що працює відповідно до наведеного алгоритму, зображена на рис. 5.11.

Пристрій для формування модуля напруги виконує двохнапівперіодне випрямлення напруги і (t), підводиться до входу квадратора. Це необхідно для того, щоб робота блоку логарифмирования I не залежала від полярності напруги і (t). В даному формирователе напруга досліджуваного сигналу перетворюється в струм, пропорційний абсолютним значенням (модулю) напруги u (t). З отриманого струму в блоці логарифмирования I, який являє собою операційний підсилювач з двома послідовно включеними р-n-перехід в колі зворотного зв'язку, формується напруга, відповідне подвоєному логарифму напруги  Вихідна напруга зазначеного блоку надходить на вхід 1 блоку підсумовування, до входу 2 якого підводиться напруга від блоку логарифмирования II, пропорційне логарифму вихідної напруги U квадратора

Мал. 5.11

(-lnU). Утворюється напруга, відповідне різниці логарифмів, т. Е. антілогаріфміруется. На виході блоку антілогаріфмірованія формується напруга, пропорційне відношенню Воно усредняется RС-фільтром нижніх частот, значення постійної часу Т ф якого відповідає умові  де Тн - Значення періоду самого низькочастотної напруги, що вимірюється вольтметром з даними квадратором. На виході блоку усереднення (ФНЧ) утворюється напруга постійного струму  відповідне середньоквадратичного значенням напруги u (t), поданого на вхід квадратора.

Для розглянутої схеми характерні мала похибка перетворення і широкий динамічний діапазон - у багато разів більший, ніж у термоелектричного перетворювача (це дозволяє вимірювати середньоквадратичне значення напруг сигналів з великим коефіцієнтом амплітуди). Такий квадратор може бути застосований при повільно мінливих сигналах. Верхня гранична частота досліджуваного синусоїдальноїнапруги u (t) лежить в межах 5 ... 10 МГц. Схема дозволяє здійснити ефективну термокомпенсацію.

Перетворювач средневипрямленного значення. Це перетворювач напруги змінного струму в постійний струм, значення якого пропорційно средневипрямленному значенням напруги на вході перетворювача. Часто подібний перетворювач являє собою двонапівперіодний випрямляч, поєднаний з магнітоелектричним усереднюються приладом. Найбільш поширені мостові схеми (рис. 5.12).

У першій схемі (рис. 5.12, а) напрямок струму через прилад одне і те ж протягом обох напівперіодів вхідної напруги. Під час позитивного напівперіоду ланцюг струму складається з верхнього затиску, діода VD1, приладу, діода VD3 і нижнього затиску, при негативному напівперіоді - з нижнього затиску, діода VD4, приладу, діода VD2 і верхнього затиску. Відхилення стрілки мікроамперметра при використанні лінійного ділянки характеристики випрямляча пропорційно средневипрямленному значенням напруги, що підводиться до перетворювача:

Ця залежність має місце при будь-якій формі вимірюваного

напруги.

У другій схемі (рис. 5.12,6) Під час позитивного напівперіоду вхідного напруги ланцюг струму складається з верхнього затиску, діода VD1, резистора R1 і нижнього затиску. На резисторі R1 створюється падіння напруги.

Мал. 5.12

його вимірює вольтметр, що складається з мікроамперметра і додаткового резистора (на резисторі R2 в цей напівперіод напруга практично дорівнює нулю). При негативній напівхвиль вхідного напруги ланцюг струму складається з нижнього затиску, резистора R2, діода VD2 і верхнього затиску. Прилад вимірює падіння напруги на резисторі R2.

Необхідно підкреслити, що описані схеми перетворювачів средневипрямленного значення виконують своє призначення тільки при випрямленні напруги, значення яких досить великі для роботи на лінійній ділянці вольт-амперної характеристики діода. Перетворювач, що працює в цьому режимі, часто називають лінійним. При малих напругах, коли використовується початкова ділянка характеристики, перетворення виходить квадратичним.

Перетворювачі СВЧ вольтметрів. Одним з достоїнств електронних вольтметрів, як уже зазначалося, є слабка залежність показання приладу від частоти. Однак при вимірах напруг в діапазоні СВЧ така залежність стає все більш відчутною, що, якщо не вжито заходів, призводить до значних похибок. Це обумовлено впливом підвідних проводів, резонансними явищами у вхідному ланцюзі вольтметра і впливом кінцевого часу прольоту електронів між електродами діода. Тому вольтметри, що охоплюють діапазон СВЧ, мають конструктивні особливості, що зменшують похибки вимірювань:

· Схема вольтметра починається з перетворювача, зазвичай діодного пікового, який має найкращі частотні властивості;

· Застосовуються спеціальні СВЧ вимірювальні діоди, що відрізняються малими індуктивностями вводів і міжелектродні місткості, т. Е. Високої власної частотою, і малими кутами прольоту;

· Конструктивно перетворювач виконується у вигляді виносного пробника, що дає можливість зменшити до мінімуму паразитні ємності монтажу і зробити вводи (вхідні затискачі) у вигляді дуже коротких штирьків, які вставляються або безпосередньо притискаються до точок схеми, між якими потрібно виміряти напругу;

· Ретельна екранування перетворювача, з'єднувальних провідників і інших вузлів вольтметра щоб уникнути втрат на випромінювання і наведень.

5.5 ПІДСИЛЮВАЧІ І показують прилади стрілочних вольтметр

Підсилювачі. Застосовуються підсилювачі напруг як постійного, так і змінного струму. Перші входять до складу вольтметрів постійного струму, а також включаються після перетворювача в вольтметрах змінного струму, другі включаються до перетворювача.

Підсилювачі постійного струму (ППС) виконують роль підсилювачів потужності, за допомогою яких досягається потужність, достатня для приведення в дію електровимірювального механізму магнітоелектричного приладу. Вони узгодять мале внутрішній опір вимірювального приладу з "високим опором навантаження перетворювача або вхідного дільника напруги.

В електронних вольтметрах УПТ повинні мати високу стабільність коефіцієнта посилення і пренебрежимо малий дрейф вихідної величини. Часто їх виконують по мостовим схемами з негативним зворотним зв'язком. Переважне застосування мостових схем обумовлено порівняльною простотою установки нуля без допоміжних джерел; істотним зменшенням дрейфу внаслідок того, що будь-які зміни в обох половинах мосту однакові; значним зменшенням впливу перешкод, так як перешкоди наводять в електронних приладах, включених в сусідні плечі, приблизно однакові напруги, що не викликає додаткового разбаланса моста. Негативний зворотний зв'язок підвищує стабільність роботи схеми і робить її нечутливою до перевантажень. Характеристика підсилювача, виконаного по бруківці схемою зі зворотним зв'язком, лінійна в досить широких межах,

У Мікровольтметр постійного струму, де потрібне посилення дуже слабких сигналів, щоб уникнути дрейфу використовують підсилювальні пристрої з перетворенням напруги постійного струму в напругу змінного струму, що отримали назву підсилювачів з конвертацією (рис. 5.13). Ідея, покладена в основу роботи подібних підсилювачів, зводиться до наступного. Посилювана напруга постійного струму попередньо подається на конвертор - перетворювач напруги постійного струму в напругу змінного струму (амплітуда якого пропорційна значенню напруги постійного струму, а фаза залежить від його знака). Воно посилюється багатокаскадного підсилювачем напруги змінного струму і потім детектується в схемі фазочувствительного детектора (для отримання відповідності за знаком між вихідним і вхідним напругою). Внаслідок того, що для посилення використовується підсилювач напруги змінного струму, фактори, що викликають дрейф вихідної величини в УПТ, не впливають на вихідну напругу і воно залишається постійним.

У випадках, коли потрібні вольтметри постійного струму з дуже великим вхідним опором, застосовують електрометричні лампи, сіткові струми яких не перевищують 10-15А, а опір витоку вхідний сітки становить не менше 1015 Ом. Внаслідок цього електрометричні схеми мають вхідний опір 1010-1016 Ом.

Підсилювачі напруги змінного струму повинні мати високу чутливість, велике значення і високу стабільність коефіцієнта посилення, малі нелінійні спотворення, широку смугу пропускання. Щоб виконати ці вимоги, підсилювач охоплюють негативним зворотним зв'язком. Так як остання зменшує коефіцієнт посилення, то підсилювачі роблять Електрокардіографи - зазвичай трьох або шестікаскаднимі. Кожні три каскаду утворюють блок, охоплений негативним зворотним зв'язком.

У багатьох вольтметрів вихідні затискачі підсилювача виведені на лицьову панель. Це дозволяє використовувати прилад як підсилювач (часто широкосмуговий).

Мал. 5.13

Стрілочні вимірювальні прилади. В електронних вольтметрах, що випускаються промисловістю, як стрілочних вимірювальних приладів використовують, як правило, магнітоелектричні мікроамперметра з межами вимірювання 100 ... 1000 мкА. Застосування мікроамперметрів (а не міліамперметрів) пояснюється не тільки прагненням підвищити чутливість, а й необхідністю отримання малих струмів у всіх ланцюгах схеми, особливо в гілках мостових схем. Прилади градуюються зазвичай в вольтах (мілівольтах, мікровольтах).

5.6 ОСОБЛИВОСТІ вольтметр ІМПУЛЬСНОГО СТРУМУ

Електронні вольтметри для вимірювання амплітуди напруги імпульсів, що утворюють періодичну послідовність, - це прилади з піковим перетворювачем, шкали яких градуйовані в пікових значеннях. Стрілочні вольтметри імпульсного струму, як правило, виконують за схемою перетворювач - УПТ - електромагнітний прилад (див. Рис. 5.5). Конструктивно вольтметр складається з виносного пробника і УПТ зстрілочним вимірювальним приладом, укладених разом з джерелом живлення до загального футляр, на лицьову панель якого виводяться вимикачі, і що складає прилад. У пробники є перемикач, що змінює схему включення діода при вимірюванні імпульсів різних полярностей.

Принцип дії такого вольтметра не відрізняється від принципу дії амплітудного вольтметра синусоїдальноїнапруги.

Вольтметри імпульсного струму переважно виконують за схемою з закритим входом, проте є і вольтметри з відкритим входом. При закритому вході прилад вимірює пікове значення імпульсної напруги без постійної складової Визначимо похибка вимірювання амплітуди Uт імпульсу, обумовлену закритим входом. При дослідженні періодичної послідовності прямокутних імпульсів з великою шпаруватістю Q закритий вхід практично не впливає на показання вольтметра, так як постійна складова мала (U0= Uт / Q). При низькій скважности, коли постійна складова значна, похибка вимірювання стає дуже істотною. Відлік по приладу U'т менше істинної амплітуди імпульсу Uт на значення постійної складової U0, отже, відносна похибка

 (5.13)

Наприклад, якщо Q = 5, то б = -20%. Ця похибка систематична. Її можна врахувати, внісши поправку.

Вагома методична похибка пов'язана з тим, що середня напруга  на конденсаторі пікового перетворювача завжди менше вимірюваного пікового значення Uт, так як конденсатор С встигає кілька розрядитися в інтервалі між двома сусідніми імпульсами періодичної послідовності. При великих Шпаруватість похибка вимірювання може оказатьсязначітельной. Вона обумовлена ??тим, що за час, поки триває імпульс, конденсатор пікового детектора не встигає повністю зарядитися, а протягом паузи між імпульсами він істотно розряджається. У таких випадках середня напруга, устанавливающееся на конденсаторі за період Тс проходження імпульсів, помітно менше Uт.

Ця похибка знаходиться з умови збереження заряду: заряд, що втрачається конденсатором за час паузи дорівнює заряду, що повідомляється конденсатору за час імпульсу ?и. Її можна визначити за формулою

 де R - Опір навантаження; Ri - Внутрішній опір діода; Rи - Вихідний опір досліджуваного джерела.

Вхідний активний опір пікового перетворювача під час вимірювань імпульсних напруг можна знайти з умови балансу енергій: енергія, що підводиться за час ?и дії імпульсу до вхідному опору,  , Дорівнює енергії, що витрачається на навантажувальними резисторами опором R за час паузи між імпульсами:  Вважаючи, що отримуємо:

Таким чином, вхідний опір детектора виявляється в Q разів менше опору R його навантаження.

Поряд з вимірами амплітуди імпульсів періодичної послідовності нерідко необхідно вимірювати пікове значення одиночних і рідко повторюваних імпульсів. Подібні вимірювання можна здійснити кількома методами. Одним з найбільш поширених є метод перетворення імпульсного напруги в квазіпостійне. Функції перетворювача зазвичай виконують діод-ємнісні розширювачі імпульсів. Їх дія заснована на тривалому збереженні заряду конденсатора, накопиченого за час дії імпульсу. Найпростішим розширником може служити діодний піковий перетворювач з відкритим входом, у якого постійна часу ланцюга заряду конденсатора дуже мала, а постійна часу розряду вельми велика.

Відомий також метод амплітудно-часового перетворення. Оскільки вольтметри, в яких втілений даний метод, переважно цифрові, він викладається в § 5.9.

5.7 ЗАЛЕЖНІСТЬ ПОКАЗАНЬ ВОЛЬТМЕТРА ВІД ФОРМИ напруги

Численні електронні вольтметри, що випускаються промисловістю, містять перетворювачі різних типів: пікові, квадратичні, средневипрямленного значення. Шкали електронних вольтметрів градуируют в значеннях різних параметрові напруги, причому далеко не завжди в значеннях того параметра, який відповідає типу перетворювача. Наприклад, перетворювач може бути піковим, а шкала проградуірована в середньоквадратичних значеннях синусоїдальної напруги. Тому при підключенні декількох вольтметрів до одного джерела відліки можуть бути неоднаковими.

Користувач, що вимірює напругу, повинен вміти правильно визначати результат вимірювань за показаннями приладу. Вирішуючи цю задачу, спираються на градуювальну характеристику вольтметра, що встановлює співвідношення між показанням приладу Ап і значенням певного параметра А напруги, що підводиться до входу приладу:

 (5.14)

де с - Градуйований коефіцієнт, що залежить від типу перетворювача і вимірюваного параметра, що забезпечує отримання прямого відліку при вимірюванні даного параметра.

Для більшої наочності зручно представити формулу, визначальну градуювальних коефіцієнт, у вигляді

 (5.15)

З цієї формули видно, що якщо шкала вольтметра проградуірована в значеннях параметр відповідно до типу перетворювача, то градуювальних коефіцієнт c= 1. Так, з = 1, коли або перетворювач піковий і шкала проградуірована в пікових значеннях напруги, або перетворювач квадратичний і на шкалі нанесені среднеквадратические значення, або перетворювач средневипрямленного значення і шкала градуйована в средневипрямленних значеннях. У таких приладів градуировочная характеристика не залежить від форми напруги, за допомогою якого проводилася операція градуювання шкали.



ВИМІР НАПРУГ 1 сторінка | ВИМІР НАПРУГ 3 сторінка

Аналоговий осцилограф з вбудованим мікропроцесором. | ВИМІР ІНТЕРВАЛІВ ЧАСУ, частоти І ФАЗОВИХ ЗРУШЕНЬ 1 сторінка | ВИМІР ІНТЕРВАЛІВ ЧАСУ, частоти І ФАЗОВИХ ЗРУШЕНЬ 2 сторінка | ВИМІР ІНТЕРВАЛІВ ЧАСУ, частоти І ФАЗОВИХ ЗРУШЕНЬ 3 сторінка | ВИМІР ІНТЕРВАЛІВ ЧАСУ, частоти І ФАЗОВИХ ЗРУШЕНЬ 4 сторінка | ВИМІР ІНТЕРВАЛІВ ЧАСУ, частоти І ФАЗОВИХ ЗРУШЕНЬ 5 сторінка | ВИМІР НАПРУГ 4 сторінка | Програмований цифровий ВОЛЬТМЕТРИ | МІКРОПРОЦЕСОРНИЙ ЧАС-ІМПУЛЬСНИЙ ВОЛЬТМЕТР | ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати