Раздел 4. Электронные измерительные приборы

Тема 4.1: Общие сведения

Электронные измерительные приборы – приборы, основными функциональными узлами которых являются различные электронные измерительные преобразователи и другие специальные электронные устройства. В большинстве электронных приборов в качестве выходных устройств используются магнитоэлектрические механизмы, а в некоторых типах приборов - электронно-лучевые трубки (например, в осциллографах, анализаторах спектра и др.)

Аналоговые электронные измерительные приборы (АЭИП) широко применяются в научных исследованиях и промыш­ленном производстве.

Аналоговые электронные измерительные приборы можно разделить на четыре основные группы. В пер­вую— самую большую — можно включить приборы для измерения параметров и характеристик сигналов (на­пример, вольтметры, осциллографы, частотомеры, ана­лизаторы спектра и др.).

Вторая группа — приборы для измерения параметров и характеристик элементов электрических и электронных схем и для измерения характеристик активных и пассив­ных двухполюсников и четырехполюсников. Сюда вхо­дят измерители сопротивления, емкости, индуктивности, параметров электронных ламп, транзисторов, а также приборы для снятия частотных и переходных характе­ристик и др.

Третью группу образуют измерительные генераторы, являющиеся источником сигналов различного уровня, формы и частоты.

Элементы измерительных схем, такие, как аттенюа­торы (ослабители сигнала), фазовращатели и другие, образуют четвертую группу.

В соответствии с ГОСТ 15094-69 все электронные приборы в зависимости от характера измерений и вида измеряемых величин разделяются на 20 подгрупп, кото­рые обозначаются прописными буквами русского алфа­вита. Каждая подгруппа состоит из нескольких видов, обозначаемых арабскими цифрами по порядку. Прибо­ры, образующие один вид, подразделяются на типы, име­ющие порядковые номера. Номер типа отделяется от номера вида дефисом (черточкой). Ниже приведены при­меры классификации.

Подгруппа В. Приборы для измерения напряжения; В2— вольтметры постоянного тока;

В3— вольтметры переменного тока; В4— вольтметры импульсного тока; В7 — вольтметры универсальные.

Подгруппа Г. Генераторы измерительные: ГЗ — генераторы гармонических колебаний низкочас­тотные; Г4 — генераторы гармонических колебаний высокоча­стотные; Г5 — генераторы импульсов.

Подгруппа Е. Приборы для измерения параметров компонентов цепей с сосредоточенными постоянными: ЕЗ — измерители индуктивности; Е6 — измерители сопротивлений; Е7 — измерители емкостей.

Подгруппа С. Приборы для наблюдения, измерения и исследования формы сигнала и спектра: С1 —универсальные осциллографы.

Подгруппа Ф. Приборы для измерения фазового сдвига: Ф2 — измерители фазового сдвига.

Подгруппа Ч. Приборы для измерения частоты: Ч3 — частотомеры электронно-счетные.

В обозначений комбинированного прибора, предна­значенного для измерения нескольких физических вели­чин, к основному обозначению подгруппы добавляется буква К. Модернизированные приборы сохраняют свое прежнее обозначение, но после номера типа добавляет­ся прописная буква русского алфавита: А — первая мо­дернизация, Б — вторая и т.д.

Примеры обозначений: В2-25 — вольтметр постоян­ного напряжения, тип (модель) 25;

ВК2-17 — вольтомметр;

ВЗ-38 — вольтметр переменного напряжения;

В7-21 — вольтметр универсальный, предназначенный для измерения постоянных и переменных напряжений.

Тема 4.2. ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключают параллельно участку исследуемой цепи. Для уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление — велико. Поэтому в последние годы в основном используют электронные вольтметры.

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерительного прибора. В от­личие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное сопротивление и чувствительность, широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20 Гц до 1 ООО МГц), малое потребление тока из измерительной цепи.

Классифицируют электронные вольтметры по ряду признаков:

1)по назначению — вольтметры постоянного, переменного и импульсного напряжений; универсальные; фазочувствительные; селективные;

2)по способу измерения — приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

3)по характеру измеряемого значения напряжения — ампли­тудные (пиковые), среднего квадратического значения, средневыпрямленного значения;

4)по частотному диапазону — низкочастотные, высокочастот­ные, сверхвысокочастотные.

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

Структурные схемы аналоговых вольтметров

Структурные схемы аналоговых вольтметров показаны на рис. 3.5. В настоящее время аналоговые электронные вольтметры постоянного тока (рис. 3.5, а) находят ограниченное применение, так как они по своим техническим свойствам сильно уступают цифровым вольтметрам. Изображенная на рис. 3.5, б структурная схема используется в вольтметрах пере­менного тока для измерения напряжений значительного уровня, а для измерения малых напряжений применяется схема, показанная на рис.3.5,в (она используется в милливольтметрах, поскольку обладает большой чувствительностью, т.к. дополнительно включается усилитель переменного тока).

Вольтметр состоит их входного устройства – высокоомного резистивного делителя напряжения, электронного преобразователя – усилителя постоянного тока, электромеханического преобразователя – магнитоэлектрического микроамперметра.

Делитель напряжения (цепочка резисторов) служит для расширения пределов измерения, но он снижает выходное сопротивления вольтметра и служит источником дополнительных погрешностей.

Усилитель постоянного тока (УПТ) предназначен для повышения чувствительности вольтметра, увеличивающим мощность сигнала до уровня, необходимого для приведения в действие магнитоэлектрического измерителя.

Чтобы обеспечить необходимую точность вольтметра к уси­лителям постоянного тока, применяемым в электронных вольт­метрах, предъявляют жесткие требования в отношении линейности амплитудной характеристики, постоянства коэффициента усиле­ния, температурного и временного дрейфа нуля.

Линейность амплитудной характеристики обеспечи­вается правильным выбором режимов работы ламп, транзисторов, микросхем усилителя. Отрицательная об­ратная связь в усилителе повышает стабильность коэф­фициента усиления и улучшает линейность амплитудной характеристики. Стабилизация питающих напряжений также способствует стабилизации коэффициента уси­ления.

Дрейф нуля – наличие на выходе УПТ медленноменяющегося напряжения при U_ВХ=0. Причинами дрейфа нуля являются нестабильность источника питания, изменение параметров в электрической схеме с течением времени. Для уменьшения дрейфа нулевого уровня, кроме стабилизации питающих напряжений, усилитель выпол­няют по мостовой балансной схеме.

Вольтметры, построенные по схеме, показанной на рис.3.5,б, характеризуются широким частотным диапазоном 20 Гц-1000 МГц, но недостаточно высокой чувствительностью. Вольтметры, построенные по схеме, показанной на рис.3.5,в, характеризуются узким частотным диапазоном 10 Гц-20 МГц, но более высокой чувствительностью. Поэтому широкое распространение находят универсальные аналоговые электронные вольтметры, предназначенные для измерений в цепях постоянного и переменного токов, схема которых представлена на рис.6.3.

При создании аналоговых вольтметров важную функцию не­сут преобразователи переменного напряжения в постоянное (де­текторы). Детекторы можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное: амплитудные (пиковые), среднего квадратического и средневыпрямленного значений. Тип детектора во многом определяет свойства прибора: вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высо­кочастотными; вольтметры с детекторами среднего квадратическо­го значения измеряют напряжение любой формы; вольтметры средневыпрямленного значения измеряют только гармонические сигналы, но являются самыми простыми и надежными.

Амплитудный детектор — устройство, напряжение на вы­ходе которого, соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого напряжения. Чтобы нагрузка детектора эффективно отфильтровывала постоянную составляющую и по­давляла высокочастотные гармоники, необходимо выполнение неравенства 1/(ωС_ф)<<R_H, где С_ф — емкость фильтра; R_H — со­противление нагрузки детектора. Еще одно условие хорошей ра­боты детектора: сопротивление резистора нагрузки R_Н должно быть значительно больше сопротивления диода в его прямой про­водимости. На рис. 3.6 показаны принципиальная и эквивалент­ная схемы и временные диаграммы амплитудного детектора с параллельным включением диода (детектор с закрытым входом). Рассмотрим работу детектора (рис. 3.6, а) при подаче на его вход гармонического напряжения u_x(t) = U_msinωt.

На интервалах времени, когда на вход детектора поступает положительная полуволна, конденсатор С заряжается через диод D, сопротивление R₀ которого в открытом состоянии мало. Посто­янная времени заряда т₃ = R₀C невелика и заряд конденсатора до максимального значения U_m происходит быстро. На интервале действия отрицательной полуволны диод D закрыт и конденсатор С медленно разряжается на сопротивлении нагрузки R_H, так как оно выбирается достаточно большим. Итак, постоянная разряда т_р = R_HC оказывается значительно больше периода Т = 2π/ω вход­ного напряжения. В результате конденсатор остается заряженным до напряжения U_c = U_m= U_ВЫХ. Эквивалентная схема амплитудно­го детектора и временные диаграммы, поясняющие его работу, представлены на рис. 3.6, б, в.

Изменение напряжения на сопротивлении нагрузки R_H опре­деляется разностью амплитуды входного напряжения U_x и напря­жения на конденсаторе U_c, т.е. U_R = U_x - Uc- Таким образом, выходное напряжение Ur будет пульсирующим с удвоенной ам­плитудой измеряемого напряжения, как показано на рис. 3.6, в.

Это подтверждают простые математические выкладки:

U= U_msinωt-U_C≈ U_msinωt-U_m

при sinωt = 1 напряжение Ur = 0; при sinωt = 0 — U_R= —U_m; при sinωt = -1 — U_R= -2U_m.

Для выделения постоянной составляющей сигнала U₌ = - U_C на выходе детектора ставится емкостной фильтр, подавляющий остальные гармоники.

Одним из достоинств аналоговых вольтметров с амплитуд­ным детектором является независимость показаний прибора от формы сигнала.

Детектор среднего квадратического значения — преобра­зователь переменного напряжения в постоянное, пропорциональное корню квадратному из среднего квадрата мгновенного значения напряжения. Эти преобразователи обычно выполняют на диодных цепочках (рис.6.10). Напряжение U создает на резисторах R₄ и R₅ соответственно напряжения смещения U₁ и U₂. Если выходное напряжение u(t) не превышает значения U₁, то ток i=i₁ протекает через диод VD1, если U₁< u(t) <U₂, то - через диоды VD1 и VD2, в результате чего крутизна зависимости тока от напряжения увеличивается (рис.6.10, б). Ток, протекающий через прибор, i_и =i₁+ i₂, если u(t)> U₂, то ток протекает через диоды VD1-VD3 и тогда i_и =i₁+ i₂+ i₃, крутизна зависимости увеличивается еще больше. Подбирая параметры цепи, можно увеличить протяженность квадратического участка преобразователя.

При конструировании приборов с такими преобразователями возникает ряд трудностей, в том числе и с обеспечением широкого частотного диапазона. Тем не менее они являются самыми востребованными, так как позволяют измерять напряжение любой сложной формы.

Детектор средневыпрямленного значения – устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянный ток, пропорциональный средневыпрямленному значению напряжения.

В преобразователях средневыпрямленного значения (рис. 6.9) показания микроамперметра пропорцио­нальны средневыпрямленному значению U_ср._в измеряе­мого напряжения u(t), т.е.α= kU_cp._B. Преобразователи выполняют на полупроводниковых диодах, работающих в цепях одно- и двухполупериодного выпрямления. Ра­бота диодов осуществляется на линейном участке вольт-амперной характеристики.

Наиболее распространенные схемы — мостовые. Они работают следующим образом. Ток через микроамперметр протекает в одном и том же направле­нии в течение обоих полупериодов переменного напря­жения (в положительный полупериод по цепи VD2——R—VD3, а в отрицательный полупериод — по цепи VD4—R—VD1).

Аналоговый вольтметр средневыпрямленного значения имеет более высокую чувствительность и меньшее потребление мощности из измерительной цепи.

Дата добавления: 2015-07-10