Содержание

1 Техническое задание 3

2 Выбор и обоснование схемы прибора 4

3 Расчет элементов и узлов прибора 6

4 Оценка погрешности прибора 18

5 Описание спроектированного прибора 24

6 Список использованной литературы 25

1Техническое задание

Разработать электронный вольтметр переменного тока, обеспечивающий измерение напряжения в заданном диапазоне со следующими характеристиками (параметрами):

Диапазон измерения, В:	10-3 – 300;
Диапазон частот, МГц:	0,00002 – 10;
Входное сопротивление, не менее, МОм:	4;
Входная ёмкость, не более, пФ:	25;
Основная погрешность, %:	2;
Рабочий диапазон температур, оС:	10 – 50;
Напряжение питания, В:	220  10 %.

2Выбор и обоснование схемы прибора

Электронные вольтметры переменного тока представляют собой сочетание выпрямляющего устройства (детектора), усилителя, измерительного механизма и выполняются по двум схемам:

1. “Детектор – Усилитель постоянного тока”.

Рис. 2.1

Данная схема имеет широкую область частот измеряемых напряжений с верхней границей порядка 0.5 – 1 ГГц, но обладает меньшей точностью и чувствительностью, чем электронные вольтметры, выполненные по второй схеме.

2. “Усилитель – Детектор”.

Рис. 2.2

Данная схема имеет более высокую чувствительность, нижний предел измерения порядка 1 мВ, класс точности порядка 1.5 – 2.5, но меньший диапазон частот измеряемых напряжений, верхняя граница частот не превышает 5 – 10 МГц.

Исходя из технического задания, выбираем вторую схему. Общая структурная схема проектируемого вольтметра представлена на рис. 2.3. Данная схема используется потому, что применение обратных связей, охватывающих несколько блоков, усложняет расчёт и настройку прибора.

Рис. 2.3

ВД – входной делитель. Представляет собой пассивный одноступенчатый делитель. Состоит из высокоомных сопротивлений, чтобы переключения ВД не сильно изменяли входное сопротивление прибора и корректирующих конденсаторов, чтобы коэффициент деления не зависел от частоты.

ПИ – преобразователь импеданса. Реализован на операционном усилителе КР140УД26 с полной обратной связью и представляет собой повторитель напряжения. Предназначен для согласования сопротивлений входного делителя и аттенюатора.

Атт. – аттенюатор. Осуществляет реализацию нескольких пределов измерения путем деления входной величины на разные коэффициенты. Строится таким образом, чтобы его выходное сопротивление не было в зависимости от предела измерения.

У – однопредельный активный усилитель с постоянным коэффициентом преобразования. Должен обладать малым дрейфом нуля, низким порогом чувствительности, большим диапазоном частот пропускания. Предназначен для получения необходимого коэффициента усиления. Для усиления только переменной составляющей тока перед усилителем необходимо расположить разделительную цепь, которая устранит постоянную составляющую тока.

Преобразователь средневыпрямленных значений (ПСЗ) предназначен для измерения напряжения синусоидальной формы.

3Расчет элементов и узлов прибора

3.1Расчет входного делителя

Сопротивление входного делителя и входное сопротивление прибора должны быть не менее заданного в техническом задании входного сопротивления прибора, т.е. не менее 4 МОм.

Рис. 3.1

С резистора R₂ на вход преобразователь импеданса подается напряжение U_ВЫХ, составляющее часть измеряемого напряжения U_ВX, задаваемое коэффициентом умножения K равным 0,001, т.е. входной делитель делит входное напряжение на 1000.

, (3.1.1)

где ;

R_П – входное сопротивление преобразователя импеданса

Для обеспечения требуемого выходного R_вх электронного вольтметра необходимо выполнить условия:

, (3.1.2)

где

(3.1.3)

Зная входное сопротивление преобразователя импеданса R_П и входное сопротивление R_вх электронного вольтметра, можно найти R_Д. По техническим условиям R_вх не должно быть менее 4 МОм. Зададимся входным сопротивлением преобразователя импеданса R_Д=8 МОм

[МОм]. (3.1.4)

Считая что выполняется условие R_П >>Z₂ т.е. R_2П=Z₂ получим

(3.1.5)

Следовательно и . Находим Z₁=7,992 МОм Z₂=8 кОм.

Z₁=R₁

[кОм]. (3.1.6)

R₂=R₃=R₅=24 кОм

При работе делителя напряжения из активных сопротивлений на переменном токе, коэффициент деления зависит от частоты в результате шунтирования сопротивлений паразитными ёмкостями. Для устранения этой зависимости необходимо осуществить частотную коррекцию путём шунтирования сопротивлений делителя ёмкостями C₁ и C₂. При этом:

, (3.1.7)

где C_2П = C₃ + C₄+C₅+C₆; R_2П=R_2,3,5

C₆ – входная ёмкость преобразователя импеданса.

Ёмкость конденсатора C₁, в основном, определяет входную ёмкость электронного вольтметра C_вх. Приняв C1  Cвх, получим, что C₁ = 25 пФ. Конденсатор C₂ подстроечный. Входная емкость повторителя по схеме равна С₆. Разделительный конденсатор необходим для отсечки постоянной составляющей в выходном сигнале усилителя и представляет собой фильтр верхних частот, С₆ определяется:

, (3.1.8)

Где f_H-нижняя граница частотного диапазона сигнала равна 20 Гц, -коэффициент искажении. Принимаем . Таким образом С₆=1,08 нФ

Исходя из формулы (3.1.7) можно найти емкость конденсатора С_3,4,5

[нФ] (3.1.9)

C₃+C₄+C₅=23,92 нФ где С₃=2,9 нФ С₄=12 нФ С₅=9 нФ

Выбранные элементы:

R1: МЛТ-2-0.25-8.2 МОм ± 5%

R2: C2-14-0.25-24,1 кОм ± 0.5%

R3: C2-14-0.25-24,1 кОм ± 0.5%

R4: СПЗ-39В-0.5-20 кОм ± 10%

R5: C2-14-0.25-24,1 кОм ± 0.5%

C1: К15У-13В М330 25 пФ ± 10%

C2: 2КПВМ-5 1-2 пФ 650В ± 10%

С3: К10-17-50В- 3 пФ ± 10%

С4: К10-17-50В- 15 нФ ± 10%

С5: К10-17-50В- 6 нФ ± 10%

С6: К50-6 10В- 1нФ ± 10%