Реферат: Электронные вольтметры

                             ЭЛЕКТРОННЫЕ ВО ЛЬТМЕТРЫ                             
     Определение и классификация. Электронным вольтметнром называется прибор,
показания которого вызываются током электронных приборов, т. е. энергией
источника пинтания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет тонком
электронных приборов, благодаря чему входное сопронтивление электронных
вольтметров достигает весьма больнших значений и они допускают значительные
перегрузки.
Электронные вольтметры делятся на аналоговые и диснкретные. В
аналоговых вольтметрах измеряемое напряженние преобразуется в пропорциональное
значение постояннного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроампернметром,
шкала которого градуируется в единицах напряженния (вольты, милливольты,
микровольты). В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду
преобразований, в результате которых аналоговая измеряенмая величина
преобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается на
индикаторном устройстве в виде светящихся цифр. Аналоговые и дискретные
вольтметры чансто называют стрелочными и цифровыми 
соответственно.
По роду тока электронные вольтметры делятся на вольтнметры постоянного
напряжения, переменного напряжения, Универсальные и импульсные. Кроме того,
имеются вольтнметры с частотно-избирательными свойствами Ч селективнные.
При разработке электронных вольтметров учитываются следующие основные
технические требования: высокая чувствительность; широкие пределы измеряемого
напряжения; широкий диапазон рабочих частот; большое входное сопронтивление и
малая входная емкость; малая погрешность; известная зависимость показаний от
формы кривой измерянемого напряжения. Перечисленные требования нельзя
удовнлетворить в одном приборе, поэтому выпускаются вольтнметры с разными
структурными схемами.
     Вольтметры переменного напряжения. Электронный вольтметр переменного
напряжения состоит из преобразовантеля переменного напряжения в постоянное,
усилителя и магнитоэлектрического индикатора. Часто на входе вольтнметра
устанавливается калиброванный делитель напряженния. с помощью которого
увеличивается верхний предел измеряемого напряжения. В зависимости от вида
преобразования показание вольтметра может быть пронпорционально амплитуднонму
(пиковому), средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого
напряжения.
     
Рис.1. Структурная схема ананлогового электронного вольтметра с амплитудным
преобразователем
Однако следует иметь в виду, что шкалу любого электронного вольтметра
градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряженния
синусоидальной формы. Исключение составляют имнпульсные вольтметры, шкалу
которых градуируют в амнплитудных значениях.
     Вольтметр амплитудного (пикового) значения (рис.1) состоит из
амплитудного преобразователя АПр, усилителя постоянного тока УПТ 
и магнитоэлектрического индикантора, градуированного в вольтах. На входе
вольтметра иногда предусматривается делитель напряжения ДН. 
Амнплитудный преобразователь выполняют по схеме с открынтым или закрытым входом.
Амплитудный преобразователь с открытым входом (рис.2, а) представляет
собой последовательное соединнение вакуумного диода Д с параллельно
соединенными рензистором Л? и конденсатором С. Если к зажимам 1Ч2 
принложено напряжение u = Um sinwt от источника с внутреннним
сопротивлением ri, то конденсатор через диод зарянжается до
некоторого значения Uc, которое приложено к электродам диода
так, что он большую часть периода закрыт, т. е. работает в режиме отсечки (рис.
2, б). В тенчение каждого периода диод открывается на некоторый промежуток
времени 't1 - 't2 тогда и>Uc 
и конденсатор подзаряжается импульсом тока iД до напряжения Uc   
Х постоянная времени заряда tз = (Ri +RД ) 
С, где RД Ч сопротивление открытого диода. Затем диод
закрывается и конденсатор разряжается через резистор R в течение
иннтервала t2 - 't1 постоянная времени разряда tp 
= RC.
Постоянные времени должны отвечать следующим услонвиям: tз < 1/
fв и tp > I/fн где f
в и fн Ч границы частотного диапазона вольтметра.
Очевидно, что tз << tp и R >>
Ri +RД. В широкодиапазонных вольтметрах неравенство: t
з < 1/fв выполнить не удается, и потому на высоких
чанстотах процесс установления длится в течение нескольких периодов измеряемого
напряжения.
     
     
а)
б)
              Рис.2. Амплитудный преобразователь с открытым входом              
Результатом амплитудного преобразования является среднее значение
слабопульсирующего напряжения Uc, которое в отличие от Um 
называют пиковым значением Uпик.
Uпик = Umcos q
Где q - угол отсечки диода.
Напряжение Uпик поступает на вход усилителя постояннного тока,
входное сопротивление которого большое, а выходное Ч малое. УПТ служит
для согласования выходного сопротивления преобразователя с сопротивлением
индикантора и для повышения чувствительности вольтметра.
Амплитудный преобразователь с закрытым входов (рис. 3) представляет собой
последовательное соединение конденсатора постоянной емкости С с
параллельно соединненными диодом Д и резистором R. Процесс
преобразованния переменного напряжения в постоянное Uпик аналогичен
рассмотренному выше, с тем отличием, что на зажимах 3Ч4 именются
значительные пульсации напряжения, для сглаживания которых предусмотрен фильтр.
     
  Рис. 3. Принципиальная схема амплитудного преобранзователя с закрытым входом  
Процессы   преобразования пульсирующего    напряжения преобразователем с
открытым и закрытым входом различны и зависят от полярности подключения к
входным зажинмам /Ч2 постоянной составляющей пульсирующего напрянжения.
Если на вход амплитудного преобразователя с отнкрытым входом включено
пульсирующее напряжение так,
                              
Рис. 4. Диаграммы напряжении в амплитудных преобнразователях: аЧс открытым
                      входом; б Ч с закрытым входом                      
что л+ постоянной составляющей приложен к аноду| диода, то выходное напряжение
UпикUmax=U0+Um+, где Uo
Ч постоянная составляющая, а Um+ Ч амплитуда положительного
полупериода переменной составляющей (рис.4, а). Если к аноду диода
приложен лЧ постоянной составляющей, то диод закрыт все время и преобразования
нет. Если к аноду амплитудного преобразователя с закрынтым входом приложено
пульсирующее напряжение, то коннденсатор С заряжен постоянной
составляющей U0 преобразователь реагирует только на переменную
составляющую. если к аноду диода приложен л+, то выходное напряженние U
пик Um+, a если лЧ, то Uпик Um- 
(рис. 4, б). Это полезное свойство вольтметров с закрытым входом изнмерять
отдельно значения напряжения положительного или отрицательного полупериодов
широко используется для определения симметричности амплитудной модуляции,
нанличия ограничения сигналов и т.д. Амплитудные (пиковые вольтметры
характеризуются невысокой чувствительностью (порог чувствительности 0.1В) и
широкой полосой частот (до 1 ГГц).
     Вольтметр средневыпрямленного значения (рис.6) состоит из входного
делителя напряжения ДЯ, широкопонлосного транзисторного усилителя ШУ, 
выпрямительного преобразователя Пр и магнитоэлектрического индикатора.
                                
               Рис.5. Структурная схема универсальнного вольтметра               
Входное сопротивление делителя напряжения высокое, и если усилитель имеет низкое
входное сопротивление, то между ними ставится узел согласования Ч
преобразователь сопротивлений (с высоким входным и низким выходным
сопротивлениями). Выходное напряжение усилителя постунпает на выпрямительный
преобразователь, и через микроамперметр протекает постоянная
сонставляющая выпрямленнонго тока, пропорциональная средневыпрямленному
знанчению измеряемого напряжения.
     
          Рис.6. Структурная схема вольтметра высокой чувствительности          
Шкалу индикатора градуируют в среднеквадратических значениях синусоидального
напряжения.
Вольтметры, построенные по такой структурной схеме, характеризуются высокой
чувствительностью (микро- и милливольты) и сравнительно узкой полосой частот
изменряемых напряжений (1; 5; 10МГц). Обе эти характеристики определяются
усилителем переменного напряжения.
     Вольтметр среднеквадратического (действующего) знанчения строится по
структурной схеме рис.6. Применянются преобразователи с квадратичной
характеристикой, обеспечивающей измерение среднеквадратического значенния
напряжения любой формы. К таким преобразователям относятся, в первую очередь,
термоэлектрические и оптронные. На базе термоэлектрических преобразователей
(см. рис-. 3-15, г) создан преобразователь среднеквадратического
значения [б], работающий на двух идентичных элементах ТПр1 и ТПр2 
(рис. 7) и дифференциальном усилителе ДУ (микросхеме). Нагреватель
первого термопреобразовантеля подключен к выходу широкополосного усилителя, т.
е. в цепь измеряемого напряжения Ux, а нагреватель втонрого Ч к выходу
дифференциального усилителя ДУ, т. е. в цепь отрицательной обратной
связи. ТермоЭДС первого преобразователя Ет1 =aт
U2x второго Ч Ет2 =aтU
2вых, где Ux и (Uвых Чсреднеквадратические значения
измеряенмого и выходного напряжений соответственно.
                              
Рис.7. Схема термоэлектрического пренобразователя среднеквадратического
знанчения напряжения
Термопары включены встречно. Применяют дифнференциальный усилитель с большим
коэффициентом усиления. Выходное напрянжение среднеквадратического
преобразователя связано линнейной зависимостью со среднеквадратическим
значением измеряемого напряжения.
Основная погрешность преобразования обусловлена не нидентичностью параметров
термопреобразователей, увелинчивающейся с их старением, и составляет 2,5Ч6 %.
     Вольтметры постоянного напряжения. Рассмотренный выше (рис.5)
универсальный вольтметр позволяет изнмерять постоянное напряжение от десятых
долей вольта и выше. Для измерения меньших значений (от 0,5 мкВ) применяют
высокочувствительные электронные вольтметры с преобразованием постоянного
напряжения в переменное, которое после значительного усиления вновь
 преобразуется в постоянное и измеряется магнитоэлектрическим микронамперметром. 
     Цифровые электронные вольтметры. Принцип работы вольтметров дискретного
действия состоит в преобразованнии измеряемого постоянного или медленно
меняющегося напряжения в электрический код, который отображается на табло в
цифровой форме. В соответствии с этим обобщеннная структурная схема цифрового
вольтметра состоит из входного устройства ВхУ, аналого-цифрового
преобразователя АЦП и цифрового индикатора Ц И.
     
            Рис.8 Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра.            
     Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованнием. Принцип работы
заключается в преобразовании изнмеряемого напряжения Ux в
пропорциональный интервал времени ДГ, измеряемый числом N заполняющих
его имнпульсов со стабильной частотой следования.
Вольтметр (рис. 3-30, а) работает циклами, длительность которых Т 
устанавливается с помощью управляющего устнройства УУ и обычно равна или кратна
периоду питающей сети. Для единичного измерения Ux предусмотрен ручной
запуск.
Погрешность измерения возникает вследствие нелинейнности изменения
линейнопадающего напряжения, нестанбильности порога срабатывания сравнивающих
устройств.
                              
        Рис. 3-30. Цифровой вольтметр с время-импульснным преобразованием        
и возможности потери счетного импульса, т. е. погрешности дискретности.
Основная погрешность составляет обычно 0,1 %. Помехоустойчивость вольтметров
с время-импульснным преобразованием низкая, так как любая помеха вызынвает
изменение момента срабатывания сравнивающего устнройства. Главным
достоинством этих вольтметров является их сравнительная простота.
     Цифровой вольтметр с частотным преобразованием. Принцип действия
заключается в преобразовании измеряенмого напряжения в пропорциональную ему
частоту следованния импульсов, измеряемую цифровым частотомером.
     Цифровой вольтметр с двойным интегрированием. Приннцип его работы подобен
принципу времямпульсного пренобразования, с тем отличием, что здесь образуются
два вренменных интервала в течение цикла измерения, длительность которого
устанавливается кратной периоду помехи. Таким образом определяется среднее
значение измеряемого напрянжения, а помеха подавляется. Эти вольтметры являются
более точными и помехоустойчивыми по сравнению с раснсмотренными выше, однако
время измерения у них больше.
     Вольтметр следящего уравновешивания работает не цикнлами, а непрерывно
реагируя на изменение измеряемого напряжения: сумма образцовых напряжений
принимает большее или меньшее значение в зависимости от значения измеряемого
напряжения. Когда достигается равенство Ux=åUобр. 
код преобразуется в показание, а состояние прибора остается неизменным до тех
пор, пока не изменится значение Ux.Преимущество вольтметнров
следящего уравновешивания заключается в уменьшеннии статической и динамической
погрешности и в повышеннии быстродействие.