Тема 3.3. Электронные измерительные приборы
Электронные измерительные приборы обладают высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном и ничтожным собственным потреблением от объекта исследований.
Электронные приборы можно разделить на две большие группы:
1) аналоговые электронные измерительные приборы со стрелочным отсчётом и
2) приборы дискретного типа с цифровым отсчётом.
По функциональному назначению делятся на три группы:
1) приборы для измерения параметров и характеристик сигналов (осциллографы, вольтметры, частотомеры, анализаторы спектра);
2) приборы для измерения параметров и характеристик активных двухполюсников и четырёхполюсников (приборы для снятия частотных и переходных характеристик, измерители сопротивления, ёмкости, индуктивности);
3) измерительные генераторы, являющиеся источником сигналов различного уровня, формы, частоты и использующиеся в качестве источников опорного напряжения.
Указанные группы приборов имеют следующие обозначения:
В - приборы для измерения напряжений:
В1 - калибраторы;
В2 - вольтметры постоянного тока;
ВЗ - вольтметры переменного тока;
В4 - вольтметры импульсного тока;
В6 - вольтметры селективные;
В7 - вольтметры универсальные;
Г - измерительные усилители и генераторы:
ГЗ - генераторы гармонических колебаний низкочастотные;
Г4 - генераторы гармонических колебаний высокочастотные;
Г5 - генераторы импульсные;
Г6 - генераторы функциональные;
Е - приборы для измерения распределенных параметров электрических цепей;
С - приборы для наблюдения за формой сигналов и её исследования;
Ч - частотомеры;
Ф - измерители фазового сдвига и т.д.
Достоинства: электронные приборы при сравнении их с электромеханическими обладают
- значительным быстродействием,
- широким частотным диапазоном (20 Гц ... 1000 МГц) и диапазоном измеряемых величин,
- высокой чувствительностью,
- хорошей перегрузочной способностью.
3.3.1. Аналоговые электронные измерительные приборы
Аналоговые электронные измерительные приборы состоят
- из электронной части, предназначенной для преобразования, выпрямления, усиления электрической величины, и
- измерительного механизма магнитоэлектрической системы (в осциллографах - электроннолучевой трубки).
Эти приборы используют в качестве вольтметров, частотомеров, осциллографов, измерителей сопротивления, ёмкости, индуктивности, параметров транзисторов, интегральных схем и др.
3.3.1.1. Электронные вольтметры и омметры
Электронные вольтметры (ЭВ) составляют наиболее обширную группу электронных приборов.
Основное их назначение - измерение напряжения в цепях постоянного и переменного тока в широком диапазоне частот.
Электронные вольтметры классифицируют по следующим признакам:
- по методу измерения - приборы прямого преобразования и приборы сравнения;
- по назначению - приборы постоянного, переменного, импульсного напряжений, универсальные (постоянного и переменного напряжений) и селективные (с частотно-избирательными свойствами);
- по виду измеряемого напряжения - амплитудные (пиковые), действующего и среднего значений;
- по частотному диапазону - низкочастотные и высокочастотные.
Электронные вольтметры постоянного тока.
Достоинства по сравнению с электромеханическими вольтметрами:
- широкий частотный диапазон (от единиц Гц до сотен МГц),
- слабая зависимость показаний от частоты измеряемого напряжения,
- высокая чувствительность,
- широкий динамический диапазон (от десятых долей до сотен вольт),
- малая мощность потребления (входное сопротивление 10-106 МОм),
- малая входная ёмкость (1-4 пФ).
Электронный вольтметр постоянного тока состоит из входной цепи (ВхЦ), усилителя постоянного тока (УПТ) и средства отображения информации (СОИ):
U‗
ВхЦ УПТ СОИ
Измеряемое напряжение постоянного тока поступает во входную цепь ВхЦ, представляющую собой многопредельный высокоомный резисторный делитель напряжения.
Назначение входной цепи - согласование диапазонов измеряемого напряжения и входного сигнала УПТ.
В качестве средства отображения информации (СОИ) чаще всего используются магнитоэлектрические милли- и микроамперметры.
Сигнал с ВхЦ поступает на вход усилителя постоянного тока УПТ, который помимо функций усиления сигнала по напряжению и мощности, согласует высокое выходное сопротивление ВхЦ с малым сопротивлением рамки измерительного механизма.
Функция преобразования такого вольтметра
α = КВхЦКУПТSСОИ = КVUx,
где КВхЦ, КУПТ, КV - коэффициенты преобразования ВхЦ, УПТ и электронного вольтметра соответственно; SСОИ - чувствительность измерительного механизма по напряжению.
Входное сопротивление электронных вольтметров составляет десятки мегаом, что практически исключает их влияние на объект измерения.
При измерении малых напряжений начинает сказываться дрейф нуля УПТ, поэтому в электронных микровольтметрах используют УПТ, построенные по схеме МДМ (постоянный ток преобразовывают с помощью модулятора в переменный и используют усилитель переменного напряжения).
Технические характеристики: диапазон измеряемых напряжений
- для вольтметров: 10 мВ ... 1000 В
- для микровольтметров: 10-8... 1 В.
Классы точности: 1,5; 2,5.
Шкала - линейная.
Электронные вольтметры переменного тока.
Структурная схема, приведенная на рисунке (а), используется в вольтметрах для измерения напряжений значительного уровня.
Ũх α Ũ Ū
Ū
ВхЦ Д УПТ ИМ
Рис. а. Упрощенная структурная схема электронного вольтметра
Измеряемое напряжение, после прохождения входной цепи ВхЦ, преобразуется детектором Д в напряжение постоянного тока, которое усиливается УПТ и поступает на измерительный механизм ИМ магнитоэлектрической системы.
Частотные характеристики таких вольтметров определяются только входным устройством и детектором и составляют 10 Гц ...1 ГГц.
Диапазон измеряемых напряжений начинается с 0,1 В и выше.
Другая структурная схема (рис.б) применяется в милливольтметрах, поскольку обладает большей чувствительностью за счет использования дополнительного усилителя.
Ũх α
УН Д УПТ ИМ ВхЦ
Рис. б. Упрощенная структурная схема электронного милливольтметра
Измеряемое напряжение после прохождения входной цепи ВхЦ поступает на вход усилителя переменного напряжения УН, далее на вход детектора Д и через усилитель постоянного тока УПТ на измерительный механизм ИМ.
Частотный диапазон таких приборов определяется частотными характеристиками усилителя переменного тока (изготовить широкополосный усилитель переменного тока довольно трудно) и ограничивается частотами до 1 МГц.
Диапазон измеряемых напряжений составляет от единиц милливольт до нескольких сотен вольт.
Элементная база, используемая при создании вольтметров переменного тока, определяется существующим уровнем техники (от полупроводниковых образцов до микроинтегрального исполнения), а функциональное назначение блоков схемы при этом не меняется.
Важным элементом, существенно влияющим на метрологические характеристики вольтметров, являются детекторы, выполняющие функцию преобразователей переменного напряжения в постоянное.
Напряжение на выходе детектора может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному и среднеквадратичному значению измеряемого напряжения.
Эксплуатационные свойства вольтметра зависят от типа детектора.
Например:
- вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными;
- вольтметры с детекторами среднеквадратичного (действующего) значения измеряют напряжение любой формы;
- вольтметры среднего (средневыпрямленного) значения пригодны для измерения только гармонического сигнала.
Шкалу электронных вольтметров обычно градуируют в действующих значениях синусоидального сигнала.
Электронный вольтметр среднего значения.
Простейший вольтметр для измерения относительно высоких напряжений может быть выполнен по структурной схеме, приведенной выше на рис. а.
Выпрямитель состоит из полупроводниковых диодов, работающих на линейном участке вольтамперной характеристики.
Широкий диапазон измерений ЭВ обеспечивается с помощью входного делителя.
Достоинства: диапазон измеряемых напряжений
- по частоте 10 Гц ... 10 МГц,
- по напряжению 1 мВ ... 300 В.
Недостатки: показания ЭВ среднего значения зависят от формы кривой Кф измеряемого напряжения.
Амплитудный электронный вольтметр (диодно-конденса-торный).
Показания такого ЭВ пропорциональны амплитудному значению измеряемого напряжения.
Вольтметры позволяют измерять амплитуду импульсов с минимальной длительностью до десятых долей микросекунды и скважностью 2 ... 500.
Верхняя граница частотного диапазона измерения определяется
- частотными свойствами диода,
- значениями монтажных емкостей и
- индуктивностью подводящих проводов.
Нижняя граница частотного диапазона определяется постоянной времени разряда конденсатора, и чем больше её значение, тем ниже граничная частота.
Диодные (как и транзисторные) амплитудные детекторы при малых напряжениях вносят в измеряемый сигнал значительные нелинейные искажения, поэтому в последнее время применяют амплитудные детекторы на интегральных микросхемах - операционных усилителях.
Достоинства:
- диапазон измерений по частоте 20 Гц ... 1000 МГц,
- диапазон измерений по напряжению 100 мВ ... 1000 В;
- классы точности 4,0; 10,0;
- входное сопротивление 100 кОм ...5 МОм.
Недостатки: зависимость показаний ЭВ от формы сигнала.
Электронный вольтметр действующего значения.
В схеме такого ЭВ выпрямитель состоит из полупроводниковых диодов, использующих квадратичный участок вольтамперной характеристики. Для увеличения протяженности этого участка применяют преобразователи на диодных цепочках.
Основное достоинство этих преобразователей заключается в независимости показаний на выходе от формы кривой измеряемого напряжения.
Для расширения пределов измерения ЭВ на переменном токе используются емкостные делители напряжения.
Достоинства:
- высокая чувствительность (за счет усилительных свойств);
- малое потребление энергии;
- диапазон измерений по частоте 20 Гц...50 МГц, по напряжению 1 мВ... 1000 В;
- классы точности: 2,5; 4,0; 10,0; 15,0.
Недостатки:
- высокая стоимость;
- ограниченная точность;
- необходимость переградуировки при замене элементной базы.
Электронный омметр.
Представляет собой электронный вольтметр постоянного тока, имеющий измерительную схему, преобразующую измеряемое сопротивление в пропорциональное ему постоянное напряжение.
Шкалу такого вольтметра градуируют в единицах измеряемого сопротивления и применяют его в качестве омметра.
Расширение пределов измерения осуществляется с помощью образцовых резисторов.
Технические характеристики:
- большое входное сопротивление,
- диапазон измерения 10 Ом... 1000 МОм,
- погрешность 2...4 %,
- возможно измерение очень больших сопротивлений (тераомметры) с погрешностью до 10 %.
Тема. 3.4. Цифровые измерительные приборы