Корганова, лекции

Вольтметры переменного тока

Ux

ВхУ ППИ У В µА

ППИ – переключатель пределов измерения.

Электронные вольтметры переменного тока предназначаются в основном для измерения малых напряжений. Это объясняется их структурой "усилитель-выпрямитель", то есть предварительным усилением напряжения. Эти приборы обладают высоким входным сопротивлением за счет введения схем с глубокими местными обратными связями, в том числе катодных и эмиттерных повторителей: в качестве ВП используются выпрямители среднего, амплитудного и действующего значения. Шкала, как правило, градуируется в единицах действующего значения с учетом

соотношений U

1,1U

и

U

1

U

для синусоидальных

д

ср

д

т

2

напряжений. Если шкала градуируется в Uср или Uт , то на ней имеются соответствующие обозначения .

В общем приборы по схеме "усилитель-выпрямитель" имеют большую чувствительность и точность, но частотный диапазон их сужен, он ограничивается усилителем У.

Если используется В среднего или амплитудного значения, то приборы критичны к форме кривой входного напряжения при градуировке шкалы в ед. Uд.

При использовании В среднего значения, он, как правило, выполняется по двухполупериодной схеме выпрямления. При использовании амплитудного детектора - по схеме с открытым или закрытым входами.

Особенностью электронных вольтметров действующего значения является квадратичность шкалы за счет наличия квадратирующего устройства в В. Существуют специальные методы устранения этого недостатка.

Получили распространение милливольтметры переменного тока типа В3-14, В3-88, В3-2 и т.п.

Среди электронных вольтметров наибольшую точность имеет диодный компенсационный вольтметр (ДКВ). Его погрешность не превышает сотых долей процента. Принцип действия поясняет следующей схемой.

31

		i
	Д
~Ux
		-U	+U
	НИ
	Uk	Uт
–	+	Uk
Д - диод
НИ - нуль-индикатор
При	подаче U x Uт sin t и	компенсационного	напряжения

смещения U k последнее можно отрегулировать так, что НИ покажет 0. Тогда можно считать, что Uk Uт .

Импульсные вольтметры

Импульсные V предназначены для измерения амплитуд периодических импульсов сигналов с большой скважностью и амплитуд одиночных импульсов.

	Трудность измерения состоит в многообразии форм импульсов
и широком диапазоне изменения временных характеристик.
Uвх					Все это не	всегда
					ОУ известно оператору.
		ПАИ		УПТ
					Измерение	одиноч-
					ных импульсов	создает

дополнительные трудности, так как не удается накопить информацию об измеряемой величине многократным воздействием сигнала.

Импульсные V строятся по приведенной схеме. Здесь ПАИ - преобразователь амплитуды и импульса в напряжение. Это самый важный блок. Он в ряде случаев обеспечивает не только указанное преобразование и запоминание преобразованного значения в течение времени отсчета.

Наиболее часто в ПАИ используются диодно-конденсаторные пиковые детекторы. Особенность этих детекторов в том, что длительность импульсов τU может быть мала, а скважность - велика. В результате за τU "С" полностью не зарядится, а за "Т" - значительно разрядится.

32

		Д
Uвх(t)		–	с	r	Uвых
	+
U	Е	UвыхE (t)
			Uср
					t
	τU
		T
	Чтобы U зар		rзарс

rзар должно быть очень мало, следовательно емкость – должна

быть мала.

раз rразс T ; т.е. rраз и емкость должна быть велика. То есть возникают противоречивые требования к емкости. rраз должно быть

велико, а rзар - мало, но rзар зависит от внутреннего сопротивления

источника Uвх(t). Для решения подобных противоречий используются специальные схемы:

1)При преобразовании амплитуды импульсов с большой скважностью или одиночных импульсов используются многоступенчатые преобразователи, состоящие из нескольких последовательно включенных преобразователей диодно-конденсаторного типа. Время запоминания многоступенчатого преобразователя определяется rраз конденсатора последнего преобразователя, а минимальная длительность измеряемого импульса - rзар первого преобразователя.

2)Пользуются двухканальным методом преобразования. Здесь на дифференциальный УПТ подаются напряжения с выхода двух пиковых детекторов, из которых один преобразует амплитуду измеряемого импульса, а второй n- ю часть амплитуды.

3)Для преобразования амплитуды периодически повторяющихся импульсов в наносекундном диапазоне пользуются компенсационным методом.

33

Uт .

4)При измерении малых амплитуд импульсов применяется дифференциально-интегральный метод преобразования амплитуды импульсов.

Uвх(t)								Uвых
							Разрядн.
	ДЦ		ГТ		Интегр.
							уст-во

Uвх(t) – дифференцируется, ДЦ подается на генератор тока, ГТ затем интегрируется. Интегратор разряжается через разрядное устройство.

В результате Uвых

Все эти методы решают две задачи: ускорение заряда накопительного конденсатора и замедление его разряда.

Селективные вольтметры

Селективные вольтметры – разновидность вольтметров переменного тока. Они представляют собой высокоизбирательное устройство, при помощи которого можно измерить амплитуду и частоту одной составляющей в присутствии других.

По схемным решениям селективные вольтметры подразделяются на приборы с избирательными контурами и гетеродинные.

Uвх	Вх. устр-		Избират.		Квадрат.		Указат.
	во		контур		детектор

S

ωi ω

Uвх					Ус-тель
	Вх. устр-		Смеси-				Кв.		Указат.
					промеж.
	во		тель				детектор
					частоты

Гетеродин

Вдиапазоне низких частот избирательные контуры выполняют в виде узкополосных фильтров, в диапазоне высоких частот используются колебательные контуры.

Вгетеродинных вольтметрах настройку осуществляют перестройкой гетеродина; полоса пропускания определяется фильтром в усилителе промежуточной частоты. Указатель позволяет судить об абсолютной величине составляющей избранной частоты.

34

Фазочувствительные вольтметры также являются разновидностью вольтметров переменного тока. В качестве выпрямительного преобразователя используются фазочувствительные выпрямители.

Фазометры

Измерения фазовых сдвигов может осуществляться двумя путями:

1)без преобразования фазовых сдвигов в какую-либо промежуточную частоту;

2)с преобразованием фазовых сдвигов в промежуточную

частоту.

В электронных фазометрах первой группы фазовый сдвиг, т.е. сдвиг двух напряжений во времени, непосредственно преобразуется в пропорциональный ему сдвиг каких-либо отметок в пространстве. Чаще всего эти отметки наблюдают на экране двухлучевого ЭО и по расстоянию между ними судят о величине разового сдвига.

φ Можно для этой цели использовать и однолучевой осциллограф со специальным С электронным коммутатором.

	А	В	Картина, получаемая на экране,
			имеет вид, показанный на
			рисунке. Здесь

2 АСАВ рад.

Таким образом можно измерять углы от 0 до 360˚.

Можно осуществлять измерение фазового сдвига с помощью

электронного осциллографа (ЭО), когда одно из исследуемых напряжений подается на вертикальные отклонения пластины, а второе – на горизонтальные.

U x

U1 sin t

Uд

U2 sin t

отклонения

по

соответст-

вующим осям

Uд

Uх

x k1U x k1U1 sin t

(1)

y k2U y k2U2 sin t k2U2 sin t cos cos t sin (2)

Но из (1)

x

1

x2

sin t

; cos t

1 sin 2 t

k U

1

k 2U 2

1

1

1

35

			y k2U							x	cos sin								1						x2
							2																		2		2			(3)
							k1U1															k1 U1
Частные случаи:
1) 0 , sin 0 , cos 1
y k2U 2 x - прямая.
		k1U1
2) ,			sin 1, cos 0 ,
		2
y k2U 2			1		x2		;			y	2			x2			1 - эллипс.
				k 2U 2				k		2U 2			k 2U			2
					1	1				2	2			1	1
При k1U1			k2U2 - окружность.
Определим точки пересечения кривой (3) с осями координат.
С осью Х
Y=0 тогда (3) примет вид
							x			cos sin							1				x2					0
						k U															2			2
								1											k U				1
						1														1
				x2			2		sin				2	sin				2			x2					, так как
				2		2 cos															2				2
			k U			1														k U					1
				1																	1
x2		cos2 sin 2 sin 2												;				sin								x			;	k U	1	X ;
k 2U 2																									k U					1
																												1
1	1																									1
				y																										x
																				arcsin X
						y
2Y
																	x
						x
					2X
С осью Y
x=0 и (3) примет вид:
		Y k U			2	sin ;				sin				y			; k U			2	Y ;						arcsin y
			2											k2U				2												Y
																2
																																36

Точность данных методов мала, так как она определяется точностью измерения отрезков на экране ЭО. Погрешность измерения составляет несколько градусов.

Фазометры с преобразованием фазового сдвига в промежуточную величину бывают двух типов:

а) с формированием коротких импульсов; б) с формированием прямоугольных импульсов.

В первом случае блок-схема фазометра содержит УО1, УО2, -

усилители-ограничители, которые из синусоидальных напряжений
разной амплитуды		U1m sin t	и	U2m sin t		формируют
напряжения прямоугольной формы.
ДЦ	–	дифференцирующая		цепь,	осуществляет

дифференцирование напряжения прямоугольной формы UУО1 и UУО2 ,

образуются короткие импульсы, которые поступают на два ключа, в качестве которых используются мультивибраторы М1, М2.

37

U1	УО1	UУО1		М1
			ДЦ	УК
U2	УО2			М2
		UУО2
				U1
				ωt
	φ			U2
				ωt
			UУО1
				ωt
			UУО2
				ωt
UМ1				ωt
UМ2				ωt
UУК				ωt
	φ

ДЦ одновременно играет роль распределительного устройства: на вход М1 поступают положительные импульсы первого канала и отрицательные второго, а на вход М2 – отрицательные первого канала и положительные второго. На прибор поступают импульсы длительности φ. Предел измерения 0÷180º. По такому принципу работает фазометр Ф2-1.

Блок-схема фазометра с формированием прямоугольных импульсов имеет следующий вид: здесь должны быть использованы суммирующие схемы или схемы совпадения. УО1 и УО2 – усилители-ограничители, которые из синусоидальных сигналов разной амплитуды U1m sin t и U2m sin t формируют сигналы

прямоугольной формы равной амплитуды Um, сохраняя между ними

38

сдвиг по фазе, равный φ. UУО1 и UУО2

поступают на вход сумматора

Σ, а затем на выпрямитель.

U1

УО1

UУО1

Σ

UΣ

В

UВ

ЧП

α

U2

УО2

π

0

UУО2

U1

ωt

φ

U2

ωt

Um

UУО1

φ

Um

UУО2

2Um

2Um

UΣ

UВ

(π – φ)

2π

Напряжение UΣ имеет амплитуду 2Um длительность (π – φ)

напряжение

UВ

представляет собой прямоугольные импульсы

амплитуды 2Um, длительностью (π – φ), период которых равен π, т. е.

оно содержит постоянную составляющую

Iср

1

k 2U m d t kUm 1

,

(*)

2

т. е. средний ток линейно зависит от φ.

0

соответствует

Iср max

и

следовательно

максимальному

углу отклонения.

соответствует

Iср 0 ,

т. е. шкала

прибора

будет

обратная.

39

Как видно из (*) нормальная работа обеспечивается, если

Um const .

Есть еще способ измерения фазы по геометрической сумме и разности напряжений, имея в виду, что если два напряжения имеют одинаковую амплитуду и сдвинуты на угол φ, то

U sin t U sin t asin t
			2
U sin t U sin t bcos t
			2
где a 2U cos	; b 2U sin
2		2

Амплитуды a и b являются функциональными углами сдвига между напряжениями, если Um const . Целесообразно углы φ < 90º

измерять по методу разности напряжений, а φ > 90º - по методу суммы напряжений, чтобы получить высокую чувствительность при измерении φ в интервале 0 ÷ 180º.

Измерительные генераторы

Измерительные генераторы выполняют роль источников питания, имеющих калибровку по напряжению, частоте и т. п. Они классифицируются следующим образом:

-измерительные генераторы низкой (звуковой) частоты;

-измерительные генераторы радиочастот;

-импульсные измерительные генераторы.

Измерительные генераторы низкой (звуковой) частоты имеют синусоидальные колебания, частоту которых можно плавно изменять от десяти Гц до 20 кГц, а иногда до 200 кГц. Эти приборы относятся к группе генераторов сигналов и имеют индекс Г3. Их частота измеряется по шкале с точностью ±(0,02f ± 1) Гц. Выходное напряжение регулируется от долей вольта и измеряется с помощью выходного вольтметра с погрешностью 1 – 3 %. Уход частоты генератора за час работы составляет (0,003 – 0,004) f. Коэффициент гармоник колеблется в пределах 0,7 – 2%.

Основные требования к этим генераторам:

1)малые искажения синусоидальной формы кривой;

2)стабильность частоты.

Измерительные генераторы звуковых частот используются для получения частотных характеристик отдельных блоков, для питания измерительных установок (например, мостовых схем), измерения частоты и т. п.

Измерительные генераторы радиочастот предназначены для испытания радиоаппаратуры и часто имитируют сигналы

40