Литература

Б.П. Хромой, ЮГ. Моисеев. Электро радиоизмерения. —М.: Радио и связь. 1985г. стрю34-36, 70-72.

Лекция № 10

Тема программы: Измерение напряжения и тока.

Тема урока: Принцип построения аналоговых вольтметров.

Цель урока: В результате изучения данной темы студент должен знать принцип действия различных типов вольтметров и уметь определять показания вольтметров с различными типами детекторов.

Тип урока: Лекция.

Оснащение урока: 1. Принципиальные схемы аналоговых вольтметров с различным

типами дитекторов.

2. Таблица сигналов различной формы.

План урока.

1. Вольтметры средневыпрямленных значений.

2. Вольтметры среднеквадратических значений.

3. Вольтметры амплитудных значений.

Приборы для измерения напряжения - вольтметры - разделяют на две большие группы: цифровые и аналоговые. Рассмотрим принцип построения аналоговых вольтметров, в качестве индикаторов которых наибольшее распространение получили магнитоэлектрические измерительные механизмы.

Вольтметры средневыпрямленных значений. Переменного

В качестве преобразования переменного напряжения в постоянное чаще всего используется диод, нелинейная вольт-амперная характеристика которого приведена на рис. 1.

Нелинейность вольт-амперной характеристики и обуславливает выпрямительный эффект. Отсюда и второе название подобных приборов - линейные детекторные вольтметры.

Схемы преобразователей средневыпрямленного значения можно разделить на две группы: однополупериодные и двухполупериодные.

Наиболее простейшая схема однополупериодного выпрямителя нашла применение в простейших радиоизмерительных приборах - пробниках - тестерах (рис.2).

Сопротивление резистора (Іідоб) выбирается равным сопротивлению измерительного механизма.

Ток через индикатор РА1 - магнитоэлектрический измерительный механизм проходит лишь в положительный полупериод измеряемого напряжения, и, следовательно, его показания пропорциональны среднему значению однополупериодного выпрямленного напряжения.

Назначение диода VD2 - не искажать форму тока в измерительной цепи и предохранять диод VD1 от пробоя обратным напряжением.

Шкала данных вольтметров градуируется в среднеквадратических значениях приложенного напряжения за период с учетом коэффициента формы.

Примером таких приборов могут служить Ц20; Ц435; Ц4315. Эти приборы являются комбинированными и предназначены для измерения как постоянного, так и переменного напряжения, тока, сопротивления.

Среди двухполупериодных схем выпрямителей наибольшее распространение получили мостовые схемы (рис.3).

Ток, проходящий через индикатор прибора в такой схеме выпрямления, вдвое больше, и прибор реагирует на средневыпрямленное значение измеряемого напряжения за период.

UcB=0,637*Um, В

Ucb=0,637*10=6,37 В

Шкала данных вольтметров градуируется в среднеквадратических значениях приложенного

напряжения за период с учетом коэффициента формы.

По рассмотренной схеме собраны выпрямители приборов Ц4312; Ц57; Ц430.

Если данный вольтметр имеет закрытый вход и на его вход подано переменное напряжение синусоидальной формы, в состав которого входит постоянная составляющая, тогда он будет реагировать на средневыпрямленное значение приложенного напряжения за период только постоянной составляющей.

Вольтметры среднеквадратических значений.

Существуют несколько вариантов схем вольтметров среднеквадратических значений. Детектор среднеквадратических значений, использующий метод моделирования рассмотрим на примере квадратичного детектора типа «диодная цепочка» (рис.4).

По определению

Следовательно, схема вольтметра должна возводить в квадрат мгновенное значение измеряемого напряжения, усреднять полученное значение за период и извлекать квадратный корень из полученного значения.

На вход детектора подается измеряемое напряжение u(t). К делителю R6-R9 приложено напряжение Е, которое создает на резисторах падение напряжения Е1-Е4, запирающие диоды VD2-VD5. В положительный полупериод, если входное напряжение не превышает напряжение Е1, ток протекает через диод VD1 и на резисторе возникает падение напряжения Uo, являющееся выходным напряжением схемы. Ток диода VD1, определяемый резисторами R1 и R линейно зависит от входного напряжения. По мере роста тока диода VD1 увеличивается падение напряжения на резисторе R1. При входном напряжении Е1 напряжения на резисторах R1 и R9 компенсируются, диод VD2 открывается, ток входного напряжения начинает протекать через R2, крутизна зависимости тока от входного напряжения увеличивается. Аналогичное явление происходит, когда u(t)-E2.

Подбирая параметры схемы, можно получить ломанную линию, отражающую зависимость суммарного тока (і), протекающего через резистор R (а следовательно, и выходного напряжения Uo=i*R), близкую к ветви квадратической параболы (рис.5).

Это приближение тем лучше, чем больше отрезков содержит ломанная линия, т.е. чем больше диодов включено в схему.

Для использования положительных ветвей параболы при измерении положительных и отрицательных значений входного напряжения на входе цепочки помещают двухполупериодный выпрямитель.

Операцию интегрирования (усреднения) выполняет магнитоэлектрический вольтметр, а извлечение корня осуществляется при градуировке шкалы (шкала нелинейная).

Таким образом данные вольтметры реагируют на среднеквадратическое значение приложенного напряжения за период. Шкала градуируется в этих же значениях.

A=U=0,707*Um,

В A=U=0,707* 10=7,07 В

Если данный вольтметр имеет закрытый вход и на его вход подан сигнал переменного токасинусоидальной формы, в состав которого входит постоянная составляющая, тогда вольтметр будет реагировать на среднеквадратическое значение приложенного напряжения только переменной составляющей.

U(t)=20+10SINwt,

В U(t)=Uo+UmSINwt,

В A=U=0,707*Um,

В А=иЮ,707* 10=7,07 В

Примером вольтметра среднеквадратических значений могут служить ВЗ-18; ВЗ-19; ВЗ-6.

Вольтметры приборов С6-1; С6-5 и др.

Вольтметры амплитудных значений

Данные вольтметры работают как по переменному, так и по постоянному току.

Нелинейным элементом вольтметров амплитудных значений является амплитудный (пиковый) детектор.

Рассмотрим амплитудный детектор с открытым входом (рис.6).

Ко входу детектора 1-2 подключен источник измеряемого переменного напряжения с амплитудой Um и с внутренним сопротивлением Rист. В положительные полупериоды конденсатор С1 через диод VD1 заряжается до амплитудного значения Uc=Um. Разряд конденсатора С1 может происходить лишь через резистор R1, так как в момент уменьшения

напряжения на входе диод VD1 запирается разностью напряжений Um-U(t), приложенной к нему в обратном направлении.

Пока диод VD1 закрыт, конденсатор С1 разряжается, но незначительно. При мгновенном значении напряжения на входе U(t)>Ucmin конденсатор С1 подзаряжается до напряжения Um. В результате среднее значение напряжения на конденсаторе Uco поддерживается близким к амплитудному значению измеряемого напряжения. Таким образом постоянное напряжение на выходе амплитудного детектора с открытым входом равно амплитудному значению входного напряжения. Полярность измеряемого значения должна соответствовать полярности включения диода.

Um=10B

Шкала данного вольтметра градуируется в среднеквадратических значениях приложенного напряжения за период с учетом коэффициента амплитуд.

A=4J=0,707*Um, В A=U=0,707*10=7,07B

U

=

Ка

=

=

1.41

m, 10

U 7,07

Если данный вольтметр имеет закрытый вход и на его вход подан сигнал переменного токасинусоидальной формы, в состав которого входит постоянная составляющая, тогда вольтметр будет реагировать на среднеквадратическое значение приложенного напряжения только переменной составляющей.

U(t)=20+10SINwt,B U(t)=Uo+UmSINwt В

Um=10B

A=LH)₅707*Um_s В A=4J=0,707*I0=7,07В

U

=

Ка

=

=

1.41

m, 10

U 7,07

Примером вольтметра амплитудных значений может служить В7-26; В7-17; ВК7-9.

Особенность схемы с закрытым входом (рис.7) появляется при измерении пульсирующего напряжения. При подаче на вход схемы такого напряжения конденсатор С заряжается до амплитудного значения напряжения на входе Umax. Постоянная составляющая напряжения Щ на резисторе R определяется разностью постоянных напряжений на конденсаторе С и постоянной

составляющей на входе

Uд=Umax-Uо=Um+

Следовательно, постоянная составляющая на выходе схемы детектора с закрытым входом равна амплитудному значению лишь для переменного сигнала на входе Um+. Другими словами вольтметр реагирует на амплитуду сигнала относительно его среднего значения независимо от постоянной составляющей на входе.

Контрольные вопросы

1. Назовите схемы преобразователей, используемые в вольтметрах средневыпрямленных значений?

2. В каких значениях напряжения градуируется шкала данных вольтметров?

3. Какие функции выполняет вольтметр среднеквадратических значений?

4. Какого типа детектор используется в вольтметрах амплитудных значений?

5. Поясните принцип действия амплитудного преобразователя с открытым и закрытым входом?

6. Как влияет форма сигнала на показания вольтметров различных систем?

Литература

1. Б.П. Хромой, Ю.Г. Моисеев. Электрорадиоизмерения. - М.: Радио и связь, 1985, стр. 78 - 92.

Лекция №1З

Тема программы: Измерение напряжения и тока

Тема урока: Широкополосные и избирательные измерители уровней.

Цель урока: На основании изученного материала студент должен знать возможности измерителей уровня и уметь отсчитывать показания по шкале измерителей уровня..

Тип урока: Лекция.

Оснащение урока: 1. Функциональные схемы широкополосного и избирательного

измерителей уровня.

2. Приборы ИУ - 600, ИИУ - 300.