Устройство и принцип действия электронных вольтметров переменного тока с амплитудным детектором

Принципы измерения напряжения посредством аналоговых электронных вольтметров. Описание структурной схемы цифрового вольтметра постоянного тока. Понятие об амплитудном значении напряжения. Особенности использования амплитудных детекторов в вольтметрах.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

3

Размещено на

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

3

Размещено на

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<...