Устройство и принцип действия электронных вольтметров переменного тока с амплитудным детектором

Размещено на http://www.allbest.ru/

20

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Измерения напряжения - наиболее распространено, массово. Это вызвано необходимостью устанавливать и контролировать режим работы элементов узлов и блоков электронной аппаратуры, как говорят, по постоянному и переменному току. Измерения напряжения на известном сопротивлении используют также для определения тока и мощности. Поэтому по объему (числу) выполняемых измерений, измерения напряжения оставляют далеко позади все другие виды электронных измерений. Аналогично вольтметры числу типов и объему их промышленного выпуска превосходят все другие электронные измерительные приборы. В настоящее время повсеместно осуществляется цифровая обработка сигналов с использованием аналого-цифровых преобразователей (АЦП), которые первоначально были разработаны и использованы в качестве узлов цифровых вольтметров. В данной контрольной работе, речь пойдет о методах современного построения электронных вольтметрах с амплитудным детектором

1. Общие положения

1.1 Аналоговые электронные вольтметры. Принцип действия

В электронных вольтметрах конструктивно объединены электронный преобразователь и измерительный механизм. Электронный преобразователь может быть ламповым или полупроводниковым. Измерительный механизм обычно магнитоэлектрический. Электронные аналоговые вольтметры позволяют производить измерения в широком диапазоне напряжений и частот.

Электронные вольтметры переменного тока выполняются по структурной схеме, представленной на рис. 1.

Измеряемое переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное при помощи детектора, а затем усиливается усилителем постоянного тока и воздействует на измерительный механизм. Если детектор поместить после усилителя постоянного тока, то получится другая схема, где усиление производится на переменном токе (для этого служит усилитель переменного тока) и лишь затем предварительно усиленный сигнал выпрямляется детектором и отклоняет стрелку измерительного механизма. Эти схемы дополняют друг друга. Каждая из них обладает своими преимуществами и недостатками. По первой схеме могут строиться вольтметры, обладающие широким частотным диапазоном (10 Гц -- 1000 МГц), но обычно не способные измерять напряжения меньше нескольких десятых долей вольта: детектор выпрямляет только достаточно большие напряжения. Вторая схема позволяет строить чувствительные вольтметры, нижний предел измерения которых составляет всего лишь единицы микровольт. Однако эти приборы имеют меньший частотный диапазон, поскольку частотный диапазон усилителя переменного тока трудно сделать достаточно большим.

Если использовать амплитудный (пиковый) детектор, то он преобразует вольтметр переменного тока в пиковый вольтметр. Такой вольтметр будет измерять максимальную амплитуду сигнала в составе исследуемого сигнала. Все сигналы имеющие амплитуду меньше максимальной не изменят показаний вольтметра.

Рисунок 1.

1.2 Цифровые вольтметры

Цифровые вольтметры можно создать, если использовать метод сравнения измеряемого напряжения с эталонным напряжением, которое формируется с помощью специального устройства цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Цифро-аналоговый преобразователь преобразует цифровой код, поступающий на его вход в постоянное напряжение. Значение выходного сигнала точно соответствует числовому значению напряжения. Структурная схема вольтметра на Рис.2.

Рисунок 2. Структурная схема цифрового вольтметра постоянного тока (блок управления не показан).

Для понимания принципа работы цифрового вольтметра достаточно сказать, что блок управления выполняет функцию включения функциональных блоков в соответствии с программой обработки сигнала. Аттенюатор позволяет преобразовать входной сигнал до необходимого значения (выходное напряжение аттенюатора укладывается на линейный участок характеристики усилителя).

Усилитель доводит напряжение до значения, попадающего в диапазон эталонных напряжений, формируемых цифро-аналоговым преобразователем. Усиленный сигнал поступает на один из входов устройства сравнения. На второй вход подается выходное напряжение с ЦАП.

Простейший ЦАП последовательного приближения формирует ступенчато нарастающее напряжение. На вход ЦАП с генератора цифрового кода поступает последовательность коротких импульсов, переключающая счетчик. Выходы счетчика управляют напряжением, снимаемым с ЦАП и поступающим на устройство сравнения. В момент достижения равенства устройство сравнения вырабатывает сигнал, прерывающий поступление на вход ЦАП импульсов генератора цифрового кода.

Счетчик, входящий в состав ЦАП, фиксирует количество принятых импульсов, и предает эту информацию на индикатор или на вход системы автоматики.

Особенностью работы цифровых вольтметров является то, что измерение производится в некоторый произвольный момент времени. Если измеряемое напряжение не постоянно во времени, то полученный результат будет соответствовать только этому моменту времени. В виде простейших электронных измерительных приборов для измерения медленно меняющихся сигналов данные вольтметры не пригодны.

2. Амплитудные детекторы и вольтметры

2.1 Понятие об амплитудном значении напряжения

Амплитудное (пиковое) значение напряжения - это одно из его максимальных за время измерения значений. В общем случае напряжение сложной формы, содержащее постоянную и переменную составляющие, характеризуется четырьмя амплитудными значениями (рис.3,а) - амплитудой положительной полуволны всего напряжения сложной формы U(t)-Е, амплитудой отрицательной полуволны всего напряжения - Е, амплитудой положительной полуволны переменной составляющей напряжения U(t) - Е и амплитудой отрицательной полуволны переменной составляющей напряжения - Е. У чисто переменного напряжения (рис. 3,б) Е=Е и Е=Е, оно характеризуется двумя амплитудными значениями, а у переменного напряжения симметричной формы (рис.3,в) одно амплитудное значение Е. Сравнительно редко используется понятие полный размах или просто размах напряжения Е_р, равный сумме его амплитуд:

Е_р = Е+ Е= = Е+ Е.

Рисунок 3. Амплитудные значения напряжения.

2.2 Амплитудные детекторы в вольтметрах

Термин «амплитудный детектор» иногда используется и в широком смысле в одном ряду с частотным и фазовым детектором, тогда он включает в себя линейный, квадратичный и пиковый детекторы.

Амплитудные значения напряжения являются по существу мгновенными, поэтому для их измерения нужны элементы с памятью, в качестве таковых в пиковых детекторах используются конденсаторы. В электронике широко применяются последовательный и параллельный пиковые детекторы. Более простой последовательный пиковый детектор имеет схему, приведенную на рис.3.

Рисунок 3. Схема последовательного пикового детектора.

Отличие от линейного и квадратичного детекторов состоит в использовании в нагрузке конденсатора с большой емкостью С, именно на нем создается постоянное выходное напряжение детектора U₀.

Прибор магнитоэлектрической системы позволяет измерить создаваемую этим напряжением постоянную составляющую тока через резистор R -J_o.

Прибор и шунтирующий его по переменному току вспомогательный конденсатор С не оказывают заметного влияния на нагрузку детектора - RС - цепь и на его работу, поэтому J_o= U_о/R. Резистор R необходим для разряда конденсатора С. При отсутствии R, т.е. R = , напряжение на С, измеряемое далее цифровым вольтметром, установившееся при данном значении амплитуды входного напряжения, не изменится при любом меньшем ее значении. Параметры элементов детектора выбираются исходя из следующего. Для быстрого заряда емкости С, постоянная времени цепи заряда берется малой по сравнению с самым коротким периодом входного напряжения, т.е. на самой высокой частоте. Емкость заряжается через открытый диод с сопротивлением R_i, сопротивление источника входного напряжения считается равным нулю, отсюда

= Размещено на http://www.allbest.ru/

20

Размещено на http://www.allbest.ru/

R_tC< T_мин = 1/f_макс.

Напряжение на конденсаторе, точнее, на нагрузке, не должно существенно уменьшаться за время его разряда через R, поэтому = RС >> T_макс=1/f_мин. Отсюда с учетом малости сопротивления емкости С на частоте входного напряжения нагрузка детектора является фильтром нижних частот. Поэтому переменное входное напряжение практически прикладывается к диоду, на нагрузке выделяется его незначительная часть.

Работа детектора поясняется с помощью эпюр напряжений и токов в нем. При гармоническом входном напряжении (рис. 4,а) с момента t = 0 во время положительной полуволны емкость С быстро заряжается от источника входного напряжения через прямое сопротивление открытого диода R_t.

Рисунок 4. Эпюры напряжений и токов.

Процесс заряда идет до момента t₁, пока изменяющееся входное напряжение, убывая, не станет равным напряжению на емкости U_c. Далее входное напряжение становится меньше U_c, диод закрывается, с момента t₁ начинается медленный разряд емкости через сопротивление нагрузки R, U_c уменьшается по экспоненциальному закону с постоянной времени RС. В момент времени t₂, когда U_вх начинает превышать U_c, емкость заряжается до более высокого напряжения, затем с момента t₃ снова медленно разряжается. В результате через несколько периодов возникает установившийся режим, когда на емкости и нагрузке постоянное напряжение U_о становится практически равным амплитудному значению Е. Фактически подзаряд и небольшой разряд остаются и в установившемся режиме, но при правильном выборе параметров отличие U_о от Е пренебрежимо мало по сравнению с другими погрешностями измерения даже на самой низкой частоте.

Импульсы тока заряда (рис. 4,б) в процессе установления уменьшаются по амплитуде и длительности, и угол отсечки принимает значение =.

Рисунок 28.

Таким образом, в рассмотренном случае будет измерена амплитуда Е положительной полуволны входного напряжения. Аналогичным образом работает детектор при входном напряжении сложной произвольной формы, когда оно содержит переменную и постоянную составляющую или только постоянную составляющую, если она положительна (рис. 27, в,г,д).

Если же входное напряжение отрицательно (рис. 27,е), то диод останется закрытым, заряда емкости не будет, напряжение на ней и выходное напряжение детектора равно нулю.

Последовательный пиковый детектор называют детектором с открытым входом, его вход открыт для постоянной составляющей. Если в детекторе (рис. 26) полярность диода изменить на обратную, то заряд емкости будет происходить при отрицательной полуволне входного напряжения, полярность напряжения на емкости и на выходе изменится на обратную, на чисто положительное напряжение детектор реагировать не будет (рис.28,а,б,в). В остальном работа детектора не изменится. Таким образом, в зависимости от полярности диода последовательный пиковый детектор, или пиковый детектор с открытым входом, позволяет измерить амплитуду положительной или отрицательной полуволны всего входного напряжения.

При гармоническом входном напряжении с амплитудой Е потребляемая детектором мощность

Р_вх= Е²/2R_вх (рис. 29).

За счет постоянного выходного напряжения детектора, равного Е, на его нагрузке R выделяется мощность

P₀=Е²/R.

Пренебрегая потерями в диоде при R_i<<R, можно считать, что вся мощность переменного напряжения преобразуется в мощность постоянного выходного напряжения

Р_вх = Р₀, Е/2R_вх = Е/R,

откуда R_вх = R /2. Обычно в пиковом детекторе, R имеет порядок десятков мегом, т.е. детектор имеет высокое входное сопротивление, что является его главным преимуществом перед детектором средневыпрямленных значений и квадратичным детектором.

Рисунок 29.

Схема параллельного пикового детектора приведена на рис. 30. В нем диод и резистор нагрузки R соединены параллельно, емкость С в нагрузку не входит. Как и в последовательном пиковом детекторе, для быстрого заряда и медленного разряда емкости должны выполняться требования:

= Размещено на http://www.allbest.ru/

20

Размещено на http://www.allbest.ru/

R_iC < T_мин=1/f_макс; = RС >> T_макс=1/f_мин.

Размещено на http://www.allbest.ru/

20

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 30.

Как непосредственно следует из схемы детектора (рис. 30), в установившемся режиме результат детектирования - постоянная составляющая выходного напряжения - складывается с учетом полярности из постоянного напряжения ± U_co, до которого зарядится емкость, и постоянной составляющей входного напряжения ± U_o. При этом напряжение U_co прикладывается к выходу в обратной по сравнению с последовательным пиковым детектором полярности. Также в отличие от последовательного детектора переменная составляющая входного напряжения в параллельном детекторе практически полностью передается на выход, так как сопротивление емкости С для нее пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением нагрузки. Поэтому в данном детекторе, кроме полезного постоянного напряжения, на выходе есть еще мешающее переменное напряжение с равной ему амплитудой. Процесс установления выходного напряжения последовательного и параллельного пиковых детекторов при подаче на их вход гармонического напряжения показан на рис.31(а,б) соответственно.

Рисунок 31.

На прибор магнитоэлектрической системы мешающее переменное напряжение влияния не оказывает, однако для выделения полезного постоянного напряжения с целью его усиления или, например, измерения цифровым вольтметром и подавления мешающего переменного необходим фильтр нижних частот R_ф, С_ф, показанный на рис. 30.

При гармоническом входном напряжении (рис.32,а), как и в последовательном пиковом детекторе, емкость С во время положительных полуволн постепенно заряжается через открытый диод до напряжения U_co, практически равного амплитуде входного напряжения Е, причем U_coприложена минусом к нагрузке. Постоянной составляющей входное напряжение не содержит, U_o=0, поэтому постоянная составляющая выходного напряжения детектора состоит только из напряжения на емкости, т. е. U_вых.о= Е. При входном напряжении сложной формы, содержащем положительную постоянную составляющую U_o (рис. 32,б), емкость, как и ранее, заряжается до напряжения U_co, прикладываемого минусом к нагрузке. Напряжение на емкости U_co и постоянная составляющая входного напряжения U_oприложены встречно, поэтому постоянная составляющая выходного напряжения детектора равна их разности: U_вых.о = - (U_co - U_o), т.е. равна амплитуде положительной полуволны переменой составляющей входного напряжения.

Рисунок 32.

При входном напряжении сложной формы с отрицательной постоянной составляющей U_o (рис. 32,в) емкость аналогичным рассмотренному выше образом заряжается до U_co . Теперь U_co и U_o направлены согласно, постоянная составляющая выходного напряжения детектора равна их сумме: U_вых.о=(U_co+U_o ), т.е. равна амплитуде положительной полуволны переменной составляющей входного напряжения.

Особым является случай, когда входное напряжение параллельного пикового детектора (рис. 30) всегда отрицательно (рис. 32,г). При подаче на вход детектора такого напряжения диод запирается, начинается медленный с постоянной времени = RС заряд емкости С через сопротивление нагрузки R. Полярность напряжения на емкости по сравнению с предыдущими случаями меняется на обратную, это напряжение прикладывается к нагрузке плюсом. Когда по мере возрастания напряжение на емкости превышает (по модулю) максимальное значение входного напряжения E₁, в одну из полуволн диод открывается и емкость быстро разряжается до напряжения E. Во время следующей полуволны емкость снова заряжается через R до напряжения превышающего E, чтобы затем снова разрядиться до E. Ha емкости установится напряжение U_co = E. Это напряжение и отрицательная постоянная составляющая входного напряжения U_o соединены встречно, причем |U_co|<|U_o|. Постоянная составляющая выходного напряжения детектора равна разности указанных напряжений: U_вых.о= (U_co - U_o), т.е. амплитуде положительной полуволны переменной составляющей входного напряжения.

При изменении в схеме параллельного пикового детектора (рис. 30) полярности диода, заряд емкости через диод происходит во время отрицательной полуволны входного напряжения, напряжение на емкости изменяет свою полярность и прикладывается к нагрузке плюсом. Примеры гармонического входного напряжения сложной формы с отрицательной и положительной постоянной составляющей поясняются соответственно с помощью рис. 33 (а,б,в).

Рисунок 33.

При подаче на вход положительного напряжения (рис. 33,г) диод закрывается, емкость С медленно заряжается через R. По достижении напряжения на емкости Е₂ в одну из полуволн емкость быстро разряжается через диод, в другую медленно заряжается через R. B установившемся режиме напряжение на емкости U_co = Е₂ прикладывается к нагрузке минусом и направлено встречно с постоянной составляющей входного напряжения U_o, причем | U_o |>| U_co |. Постоянная составляющая выходного напряжения равна разности этих напряжений U _вых.о= U_o - U_co, т.е. равна амплитуде отрицательной полуволны переменной составляющей входного напряжения.

Во всех рассмотренных выше случаях постоянная составляющая входного сигнала не оказывает влияния на результат измерения, поэтому параллельный пиковый детектор называют детектором с закрытым для постоянной составляющей входом. В зависимости от полярности диода он измеряет амплитуду положительной или отрицательной полуволны переменной составляющей входного напряжения. В этом его существенное отличие от последовательного пикового детектора.

В параллельном пиковом детекторе при гармоническом входном напряжении с амплитудой Е рассеивается мощность Р_вх = Е/2R_вх. За счет постоянного напряжения Е на нагрузке детектора R рассеивается мощность Р_о = Е/R. Кроме того, на нагрузку детектора проходит переменное входное напряжение (рис. 31,б), на ней рассеивается мощность Р=Е/2R.

Поскольку потерями в диоде можно пренебречь,

Р_вх= Р_о+ Р, Р_вх =Е/2R_вх = Е/R+ Е/2R,

откуда R_вх = R/3. По входному сопротивлению параллельный детектор уступает последовательному, его R_вх в полтора раза меньше, однако с учетом того, что R имеет порядок десятков мегом, его R_вх отвечает самым высоким требованиям.

2.3 Амплитудные вольтметры

Рассмотрим амплитудные вольтметры «MU17» и «MU18». Они предназначены для измерения напряжений и частоты переменного тока, и напряжений постоянного тока. Основная область применения вольтметров: измерение напряжений в высоковольтных испытательных устройствах в условиях закрытых помещений.

Вольтметры пиковые MU17 и MU18 построены на принципе цифровой обработки напряжений, поступающих через встроенный входной делитель. Измеряемое напряжение через входной RC - делитель с неизменным коэффициентом деления, входной буферный усилитель и программируемый усилитель поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП сканирует измеряемый сигнал с высокой частотой и подаёт цифровой сигнал на измерительный микроконтроллер, преобразующий его в соответствии с выбранным режимом измерения. Все выборки запоминаются в оперативной памяти и доступны при пропадании измеряемого напряжения.

Коды пиковых значений измеряемого напряжения, выделяемые измерительным микроконтроллером, поступают на цифро-аналоговый преобразователь, формирующий напряжение аналогового выхода, пропорциональное пиковым значениям измеряемых напряжений.

Цифровой код, отражающий величину измеряемого напряжения, через интерфейс CAN измерительного микроконтроллера передаётся на микроконтроллер, формирующий сигналы последовательных интерфейсов RS-485 (PROFIBUS DP) и RS232 (V24), которые через буферные усилители поступают на соответствующие выходные разъёмы. Управление и передача данных в модели MU18 производятся только через эти интерфейсы. В модели MU17 через интерфейс CAN, сигнал измерительного микроконтроллера передаётся также на микроконтроллер, формирующий сигналы устройства управления и дисплея, расположенных на лицевой панели вольтметра.

Вольтметры измеряют:

* Пиковые значения напряжений постоянного и переменного тока обоих полярностей. Возможна индикация значения пикового напряжения или пикового напряжения, деленного на квадратный корень из 2.

* Средние пиковые значения, равные полусумме пиковых значений, на постоянном токе - с алгебраическим знаком.

* Среднеарифметические значения напряжений.

* Среднеквадратические значения напряжений.

* Пик-фактор, как отношение среднего пикового значения напряжений к среднеквадратическому, умноженному на квадратный корень из 2.

* Амплитуду пульсаций, как полуразность максимального и минимального напряжений.

* Частоту.

При измерении напряжений предусмотрена возможность выводить на дисплей значения напряжений с учётом коэффициента деления внешнего делителя или трансформатора с автоматическим отображением единицы измерения - вольт, киловольт или мегавольт. Для визуальной оценки формы волны измеряемого напряжения, на графический дисплей выводится один период в масштабе, обеспечивающем развёртку на всю шкалу пикового значения. На выход MONITOR с отдельного выхода буферного усилителя поступает напряжение, пропорциональное входному. Конструктивно вольтметры выполнены в металлических корпусах. Для модели MU18 используются металлические корпуса для реечного монтажа без органов управления, дисплея и питания. Управление и вывод информации осуществляется внешним промышленным компьютером, связанным с вольтметром через один или два интерфейса. Коаксиальные разъёмы входа, выхода, выхода постоянного тока, монитора и триггера, разъёмы интерфейсы RS232 и RS485 установлены на передней стенке. На задней стенке - разъёмы интерфейсов RS485, CAN и питания. В модели MU17 используются корпуса стандарта 19" встраиваемого (MU17G) и настольного (MU17E) исполнения с сетевым питанием, в которые вмонтированы вольтметры модели MU18. Органы управления и дисплей - на передней панели, разъёмы - на задней.

Таблица 1. Основные технические характеристики. Диапазоны и основные погрешности измерений.

Пределы дополнительных погрешностей измерений от изменений окружающей температуры в рабочих условиях ±0,1 %.

Таблица 2. Общие технические характеристики.

Таблица 3. Рабочие условия эксплуатации.

Устойчивость к условиям транспортирования: гр. «3» ГОСТ 22261 -94 с расширенными параметрами по температуре, -40...+70°С, относительная влажность 95% при 30 "С.

Заключение

напряжение вольтметр цифровой детектор

В заключении можно сказать, что вольтметры, выпускаемые промышленностью, содержат преобразователи разных типов: пиковые, квадратичные, средневыпрямленного значений, и, как правило, они градуируются в значениях различных параметров напряжения. Необходимо знать, в каких значениях градуирована шкала вольтметра, и для какого напряжения. Чтобы найти значения параметров напряжения не соответствующих типу преобразователя, необходимо располагать значениями коэффициентов амплитуды и формы.

Измеряя параметры несинусоидального напряжения вольтметром с закрытым входом следует учитывать, что на преобразователь поступает напряжение без постоянной составляющей. Форма этого напряжения отличается от формы входного.

При измерении на ВЧ начинают проявляться резонансные свойства входной цепи вольтметра. Если частота подводимого напряжения приближается к резонансной частоте входной цепи, то напряжение возрастает и превышает подводимое.

При работе вольтметра на инфранизкой частоте появляются погрешности обусловленные инерционностью отдельных узлов, длительностью происходящих в них переходных процессов и изменениями информационного параметра входного сигнала за время, необходимое для его преобразования. При измерении ВЧ напряжения возникают дополнительные погрешности, если от момента переключения входного сигнала до момента запуска ЦВ проходит время меньше, чем необходимо затухания переходных процессов. Поэтому, зная дополнительные характеристики ЦВ и спектральный состав входного сигнала, можно рассчитать значения дополнительных погрешностей измерений.

Список используемой литературы

1. Бабкин С.Б. Электрорадиоизмерения. Аналоговые измерительные приборы / Бабкин С.Б., Папуловский В.Ф. - М.: МИРЭА, 2000.

2. Дворяшин, Б.В. Метрология и радиоизмерения / Б.В.Дворяшин.- М.:Академия, 2005.С 183 -200.

3.Вольтметр [электронный ресурс]: электронная энциклопедия.-режим досупа: ru.wikipedia.org/wiki/Вольтметр

4. Лекции по метрологии [электронный ресурс]: /Довгяло Д.А.-Уфимский гос. авиационный техн. ун-т.-Уфа, 2009.- режим доступа: http://www.studfiles.ru/dir/cat34/subj197/file10919/view102479/page6.html.

5. Метрология и радиоизмерения [электронный ресурс]: комплекс учебно-методических материалов/ Зенькович А.В.- Нижегородский гос. техн. ун-т им.Р.Е. Алексеева.- Нижний Новгород, 2008.-режим доступа: http://rudocs.exdat.com/docs/index-66609.html?page=4.

Размещено на Allbest.ru