Чувашский государственный университет имени И.Н.Ульянова

КАФЕДРА УИТС

Лабораторная работа №4

«Исследование электронных вольтметров»

Лабораторная работа №5

«Исследование генератора измерительных сигналов»

Допуск:

Выполнение:

Защита:

Работу выполнил:

студент группы РТЭ 11-08

Гурьев В.В.

Чебоксары 2009

Лабораторная работа №4

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ВОЛЬТМЕТРОВ

Цель работы

Ознакомиться с устройством электронных вольтметров с пиковым (амплитудным значением напряжения), линейным (средневыпрямленным значением напряжения) и сред­неквадратичным (действующим значением напряжения) детекто­рами; изучить структурные схемы и основные технические харак­теристики электронных вольтметров.

Изучаемые электронные вольтметры

С амплитудным (пи­ковым) детектором ; с детектором средневыпрямленных значений напряжения ; со среднеквадратичным детектором .

Вспомогательные приборы и оборудование

Генератор сигна­лов низкочастотный , образцовый вольтметр уни­версальный со среднеквадратичным детектором.

Общие сведения

В настоящее время метрологическая техника позволяет изме­рять напряжения в диапазоне , токи в диапазоне и электрические сопротивления в диапазоне 10^-4...10¹⁸ Ом.

Вместе с тем данные измерения силы тока и напряжения должны осуществляться в очень широкой полосе частот – от по­стоянного тока и инфранизких частот (сотые доли Герца) до сверхвысоких частот . Поэтому такие крайние зна­чения величин требуют уникальных методов измерения и средств измерений.

Приборы, измеряющие параметры сигналов с частотами до , являются низкочастотными, до - высокочастотны­ми, свыше - сверхвысокочастотными, требующих специальных измерительных средств и методов.

Измерение параметров напряжения переменного - тока дос­таточно сложная метрологическая задача, связанная с обеспече­нием требуемого частотного диапазона и учетом формы кривой измеряемого сигнала. Переменное напряжение характеризуется несколькими параметрами, и его уровень может быть определен по амплитудному, действующему (среднеквадратическому, эф­фективному) или средневыпрямленному (постоянному) значе­нию.

Амплитуда (высота, устаревший термин - пиковое значение) - наибольшее мгновенное значение напряжения за время на­блюдения или за период. Измеряемые напряжения могут иметь различный вид, например форму импульсов, гармонических или негармонических колебаний.

Действующее (среднеквадратическое) напряжение опреде­ляется как корень квадратный из среднего квадрата мгновенного значения напряжения за время измерения (или за период):

(1)

Среднее значение напряжения равно среднему арифметическому всех мгновенных значений за период:

(2)

Средневыпрямленное (постоянная составляющая) напряже­ние определяется как среднее арифметическое абсолютных мгно­венных значений за период:

(3)

Наибольшая потребность существует в измерении действую­щего значения напряжения, поскольку этот параметр связан с мощностью, нагревом, потерями. Часто же проще измерить ампли­тудное или средневыпрямленное значение и произвести пересчет с применением коэффициентов амплитуды и формы .

(4)

Например, для гармонического напряжения .

Аналоговые электронные вольтметры

При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку це­пи, на котором измеряется напряжение. Для уменьшения мето­дической погрешности измерения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление велико, поэтому в схемах электроники при измерении в маломощ­ных цепях применение электромеханических приборов ограни­ченно. Предпочтительным является использование электронных вольтметров.

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и магнитоэлектрического или цифрового измерительного прибора.

В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного тока име­ют высокое входное сопротивление, малую входную емкость, большую чувствительность и малое потребление тока от изме­рительной цепи. Электронные аналоговые и цифровые вольт­метры позволяют производить измерения в широком диапазоне напряжений и частот.

Классифицировать электронные вольтметры можно по нескольким признакам:

• по назначению – вольтметры постоянного, импульсного, переменного напряжений; фазочувствительные, селективные, универсальные;

• по способу измерения – приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

• по характеру измеряемого значения напряжения ампли­тудные (пиковые), действующего значения, средневыпрямленного значения;

• по частотному диапазону – низкочастотные, высокочастот­ные, сверхвысокочастотные

Кроме того, вес электронные приборы можно разделить на две большие группы: аналоговые электронные со стрелочным отсчетом и приборы дискретного типа с цифровым отсчетом.

При необходимости измерения силы тока электронным вольтметром ток преобразуется в напряжение по формуле:

.

А

Структурные схемы аналоговых электронных вольтметров: - усилитель постоянного тока: - механическая электроизме­рительная система (стрелочный прибор)

налоговые вольтметры со стрелочным отсчетом. Упро­щенные структурные схемы аналоговых вольтметров представле­ны на . В настоящее время аналоговые электронные волы-метры постоянного тока находят ограниченное приме­нение, т.к. они по своим техническим свойствам сильно уступают цифровым вольтметрам постоянного тока и практически вытес­няются последними. Поэтому дальше рассматриваются только аналоговые вольтметры переменного тока.

Структурная схема, изображенная на , используется в вольтметрах для измерения напряжений значительного уровня, так как обеспечить большое усиление с помощью усилителя по­стоянного тока сложно. Зато частотный диапазон таких усилите­лей может составлять сотни мегагерц.

Схема, представленная на , применяется в милли­вольтметрах, поскольку обладает большей чувствительностью. Последнее связано с наличием дополнительного усилителя, одна­ко частотный - диапазон такой схемы ниже (до сотен килогерц), так как возникают трудности при создании широкополосного уси­лителя переменного тока.

Элементная база, используемая при создании вольтметров переменного тока, определяется существующим на момент созда­ния вольтметра уровнем техники (от полупроводниковых образцов до микроинтегрального исполнения), однако функциональное назначение блоков идентично. При этом особенно важную функ­цию несут преобразователи переменного напряжения в постоян­ное (детекторы). Детекторы можно классифицировать по функ­ции преобразования входного напряжения в выходное на сле­дующие типы: амплитудные (пиковые), действующего и средне-выпрямленного значения. Тип детектора во многом определяет свойства прибора: так, вольтметры с амплитудными детекторами являются высокочастотными, с детекторами действующего зна­чения позволяют измерять напряжение любой формы, средневыпрямленного - пригодны только для измерения гармонического сигнала, но являются самыми простыми, надежными и дешевыми. Ниже приводятся некоторые простейшие структурные схемы детекторов.

А

Рис. 2. Амплитудный детектор

мплитудный детектор - устройство, напряжение на выхо­де которого, т.е. на нагрузке, соответствует максимальному (ам­плитудному) значению измеряемого сигнала. Это осуществляется за счет запоминания напряжения (накопления энергии при проте­кании тока через диод) на конденсаторе .

Рассмотрим работу детектора при подаче на него простейше­го, гармонического напряжения

В моменты времени, когда на вход поступает положительная полуволна, конденсатор заряжается через диод, сопротивление которого в открытом состоянии и постоянная вре­мени заряда малы, а заряд конденсатора до максималь­ного значения происходит быстро. За время отрицательной полуволны конденсатор разряжается, так как сопротивление нагрузки выбирается достаточно большим . Таким образом, постоянная разряда оказывается значи­тельно больше периода переменного напряжения. В результате конденсатор останется заряженным до напряжения, близкого к .

Изменение напряжения на нагрузочном сопротивлении определяется разностью амплитуды входного напряжения и напряжения на конденсаторе . Таким образом, выходное напряжение будет пульсирующим с удвоенной ам­плитудой измеряемого напряжения.

При работе с вольтметрами, имеющими амплитудный детек­тор, следует иметь в виду, что эти приборы чаше всего градуиру­ются в действующих значениях синусоидального сигнала, т.е. по­казания прибора равны амплитудному значению, деленному на коэффициент амплитуды синусоиды .