Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



2.7.2. ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ

При использовании метода непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором измеряется напряжение. Для уменьшения методической погрешности измерения напряжения мощность потребления вольтметра должна быть мала, а его входное сопротивление велико (i?/->oo). Поэтому в радиотехнических схемах при измерении в маломощных цепях предпочтительно использование электронных вольтметров.

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и магнитоэлектрического или цифрового измерительного прибора. Они в основном выполняются по двум структурным схемам: входное устройство - усилитель переменного тока - преобразователь переменного напряжения в постоянное (детектор) - измеритель постоянного напряжения (рис. 2.53, а) или входное устройство - преобразователь переменного напряжения в постоянное - усилитель постоянного тока (УПТ) - измеритель (рис. 2.53,6). Вольтметры первой группы характеризуются высокой чувствительностью, но сравнительно узким диапазоном частот вследствие сложности разработки широкополосных усилителей. Известны вольтметры, построенные по этой структурной схеме, с диапазоном частот 2 Гц - 100 МГц.

Вольтметры второй группы характеризуются широким частотным диапазоном (20 Гц - 1000 МГц), но недостаточно высокой чувствительностью.

Преобразователь является важнейшим элементом вольтметра, в значительной мере определяющим метрологические характеристики прибора. Выходное напряжение преобразователя может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному или среднеквадратическому значению входного

Входное устройство

Усилитель переменного тока

Детектор

Изме-рите.пь

Входное устрой-, ство

Детектор

Измеритель

Рис, 2.53. Структурные схемы электронных аналоговых вольтметров

напряжения. Характер этой зависимости определяет, какое входное напряжение (амплитудное, средневьшрямленное или среднеквадратическое значение) измеряет вольтметр.

Вольтметры средних значений строятся по структурной схеме первого типа - с преобразователем переменного напряжения в постоянное по среднему значению. Вольтметры предназначены для измерения среднего (средневьшрямленного) или среднеквадратического значения синусоидального напряжения.

Простейшими вольтметрами средних значений являются вьшрямительные вольтметры на основе пассивных (без применения усилительных схемных элементов) преобразователей средневьшрямленных значений.

Преобразователи выполняются на полупроводниковых диодах, работающих в цепях одно- или двухполупериодного выпрямления. Работа диодов осуществляется на линейном участке вольт-амперной характеристики. На рис. 2.54,0! показана схема однопо-лупериодного выпрямления. Положительная полуволна преобразуемого напряжения выделяется на Rj, проходит через фильтр нижних частот ФНЧ и усредняется. Отрицательная полуволна замыкается через F, и R. Схемы двухполупериодного преобразователя содержат диодный мостик (рис. 2.54,6 -г), напряжение измерительной диагонали которого подается на индикатор, при этом чувствительность прибора повышается в 2 раза.

При малых уровнях измеряемых (преобразуемых) напряжений начинает сказываться нелинейность вольт-амперной характеристики диодов, что приводит к нелинейности характеристики пассивных преобразователей. Для линеаризации характеристики применяются следующие способы: введение режима заданного тока, аддитивная коррекция нелинейности, параметрическая компенсация нелинейности, улучшение ключевых свойств выпрямительных цепей, смещение рабочей точки на линейный участок характеристики диодов.

При любом способе линеаризации функции преобразования пассивных преобразователей средних значений одновременно уменьшаются температурная погрешность и погрешность, обусловленная нестабильностью диодов. Погрешность преобразования от нелинейности таких преобразователей не превышает 0,1-1%, чувствительность не лучше 100 мВ.

Более широкие возможности повышения чувствительности, динамического диапазона, точности и линейности функции преобразо-




ujt)


Рис. 2.54. Схемы детекторных вольтметров средних значений на основе однополупериодного линейного преобразователя (а), двухполупериодного моста симметричного (б), параллельного

(в), последовательного (г) типов

вания возможны при использовании активных преобразователей средневыпрямленных значений.

Основными методами повьппения точности и линейности характеристики преобразования являются:

метод введения отрицательной обратной связи (ООС);

метод взаимообразных преобразований.;

метод улучшения ключевых свойств управляемых детекторов.

Метод введения ООС для повышения точности и линейности шкалы использован во многих зарубежных и отечественных вольтметрах. Преобразователь с применением отрицательной обратной связи выполняется на базе усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен детектор средних значений.

Включение детектора в цепь ООС позволяет в кр раз уменьшить влияние нестабильности параметров вьшрямительных диодов и линеаризировать амплитудную характеристику вольтметров. При глубокой отрицательной обратной связи погрешность от .. нелинейности функции преобразования не более 0,05 % при входном сигнале 100 мВ -1 В в частотном диапазоне 20 Гц - 20 кГц. Результирующая погрешность таких преобразователей для сигналов синусоидальной формы не превышает 0,1-0,2%.

Структурная схема милливольтметра с детектором в цепи ООС приведена на рис. 2.55. Он содержит входной делитель, преобразователь импеданса ПИ с высоким

Входной.

Аттеню-

делитель

атор

Рис. 2.55. Структурная схема милливольтметра с детектором средних значений в цепи ООС

входным сопротивлением, аттенюатор, широкополосный усилитель ШУ, детектор средних значений и индикатор со стрелочным отсчетом.

Широкополосный усилитель ШУ выполнен на четырех транзисторах ГТ308В и обеспечивает коэффициент усиления сигнала, равный примерно 300 (рис. 2.56). Измеряемый сигнал с аттенюатора поступает на базу транзистора V, где фавнивается с сигналом обратной связи. Разность сигналов усиливается транзистором V, поступает на базу транзистора и т. д. Выходной сигнал ШУ снимается с эмиттера транзистора и составляет при полном отклонении стрелки измерительного прибора 1 В. Широкополосный усилитель охвачен глубокой ООС вместе с детектором. Напряжение обратной связи снимается с детекторного моста и через делитель подается на эмиттер транзистора Fj. Детектор средних значений выполнен по мостовой схеме и состой г из двух диодов типа Д18 и двух резисторов. Линейность передаточной характеристики диодного моста зависит от глубины обратной связи.

При линейной функции преобразования


Рис. 2.56. Принципиальная схема транзисторного широкополосного усилителя



и линейной фазовой характеристике усилительных Элементов вольтметра выходной сигнал преобразователя средних значений, а следовательно, и показания вольтметра пропорциональны срешевыпрямленному значению напряжения произвольной формы. В большинстве ачучаев шкала вольтметра градуируется по среднеквадратическому значению синусоидального напряжения, что обусловливает наличие дополнительной погрешности из-за отклонения формы измеряемого напряжения от синусоидальной. При измерении несинусоидального сигнала в показания вольтметра должна бьггь внесена поправка и срешеквадратическое значение несинусоидального напряжения вычислено по формуле

их = Цфф,

где кф, fcф - соответственно коэффициенты формы измеряемого и синусоидального напряжений; а -показания прибора.

Таким образом, корректировка показаний может быть осуществлена для сигналов с известным значением коэффициента формы к!ф. На графике (рис. 2.57) показаны возможные погрешности из-за влияния несинусоидальной формы сигнала. Из графика видно, что влияние нечетных гармоник на погрешность сильнее.

Вольтметры амплитудных значений строятся по схеме, приведенной на рис. 2.52,6. Основными узлами схемы являются входное устройство, преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение по амплитудному значению, усилитель постоянного тока и измеритель постоянного напряжения.


Рис. 2.57. График зависимости погрешности измерения вольтметров средневыпрямлеН-ного значения (проградуированных в средне-квадратичньк значениях) от величины содержания высших гармоник: ---3-я гармоника;----2-я гармоника

Преобразователи амплитудных значений широко используются на практике вследствие относительной простоты их схемного решения. Принцип действия амплитудного детектора основан на быстром заряде конденсатора через детектирующий диод до амплитудного значения измеряемого напряжения и медленного его разряда через нагрузочный резистор. Из-за различия времени заряда и разряда на конденсаторе появляется постоянная составляющая. Чем больше отношение времени разряда конденсатора к времени его заряда, тем больше напряже-,ние на нем приближается к амплитудному. Напряжение на диоде в зависимости от полярности входного сигнала равно сумме u(t) + Ufj, где «о - постоянная составляющая напряжения. При синусоидальной форме сигнала u(t) среднее значение напряжения на диоде равно среднему значению напряжения на конденсаторе, но с противоположным знаком. Постоянная составляющая как напряжения на конденсаторе С, так и напряжения на диоде V несет информацию об амплитудном значении преобразуемого напряжения. В зависимости от того, какое из этих напряжений принимается за выходное, различают две разновидности преобразователей. Если выходным служит напряжение на конденсаторе, то получаем преобразователь амплитудных значений с открытым входом, который пропускает постоянную составляющую. Если выходное напряжение снимается с диода, то получаем преобразователь с закрытым входом.

Схема диодного амплитудного детектора с открытым входом приведена на рис. 2.58, а. На вход преобразователя от источника с внутренним сопротивлением Яист подано напряжение и(г) = «„sin(of. Если u{t) > щ, то диод открыт и конденсатор заряжается с постоянной времени

Тз = (?ист + ?л) RC/(RcT + Re + R),

где Яд - внутреннее сопротивление диода.

Если параметры схемы выбраны так, что Я»Я„сг-1-«д, то Тз«(К„ст-(-Кд)С. Заряд продолжается до тех пор, пока диод не закроется. При закрытом диоде конденсатор разряжается через резистор R, сопротивление которого много больше Кист + д. поэтому разряд протекает значительно медленнее заряда и конденсатор за время отрицательного полупериода значительно не разрядится (рис. 2.52,6, ис), в результате чего среднее значение напряжения на конденсаторе Иф поддерживается близким к амплитудному значению измеряемого напряжения.

При малой постоянной времени заряда



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 [27] 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0106