 |
Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | |
Измерение напряжений 2 страница
|
|
Операция извлечения квадратного корня выполняется либо схемным путем, либо при градуировке шкалы вольтметра.
Из изложенного следует, что преобразователь должен обладать квадратичной характеристикой преобразования и поэтому его называют квадратичным.
Если в выходную цепь квадратичного преобразователя включить фильтр нижних частот и магнитоэлектрический стрелочный измерительный прибор (микроамперметр), то последний будет измерять постоянную составляющую (среднее значение) выходного тока или напряжения преобразователя, которая пропорциональна квадрату (или первой степени) среднеквадратического значения напряжения на входе преобразователя. Отметим, что градуировочная характеристика шкалы вольтметра с квадратичным преобразователем в среднеквадратических значениях не зависит от формы напряжения, с помощью которого производилась операция градуировки. Поэтому показания квадратичного вольтметра, проградуированного в среднеквадратических значениях синусоидального
напряжения, при измерении напряжения сложной формы соответствуют среднеквадратическому значению этого напряжения (более подробно об этом см. в § 5.7).
Для квадрирования можно использовать начальный участок вольт-амперной характеристики полупроводникового диода, хорошо аппроксимируемый квадратичной зависимостью. Однако в настоящее время эта возможность почти не используется, что объясняется малой протяженностью квадратичного участка характеристики.
Преимущественно применяемые в электронных вольтметрах квадратичные преобразователи можно разделить на две большие группы. К первой относятся устройства с преобразователем электрической энергии в тепловую (терморезисторные, термоэлектрические, термоэмиссионные). Вторую группу составляют преобразователи, выходное напряжение которых представляет собой квадратичную функцию от входного напряжения (квадратичные преобразователи мгновенных значений сигнала). Сначала рассмотрим первые два вида преобразователей первой группы.
Современный преобразователь с терморезисторами, выполняемый в виде гибридной микросхемы, состоит из двух резисторов, двух транзисторов и инвертирующего усилителя в цепи обратной связи (рис. 5.9). Входное напряжение разогревает один резистор (R1), а опорное напряжение постоянного тока — другой (R2)- В контуре управления включены по балансной схеме два воспринимающих тепло транзистора VТ1 и VТ2, а также инвертирующий усилитель, который регулирует температуру резистора R2 до равенства ее температуре резистора R1 т. е. до наступления баланса моста. Когда достигнуто равновесие, значение напряжения постоянного тока U вых пропорционально среднеквадратическому значению U напряжения сигнала на входе схемы. Конструктивно гибридная микросхема построена следующим образом. Входной резистор R1 и связанный с ним транзистор VТ1 выполнены на общем кремниевом кристалле и смонтированы в одном корпусе с другим аналогичным кристаллом, содержащим управляющий резистор R2 и связанный с ним транзистор VТ2- Кристаллы очень близки по характеристикам, что достигается конструктивно-технологическими мерами [ 12 ].
На рис. 5.10 изображена схема квадратичного измерительного преобразователя с термоэлектрическими элементами — термопреобразователями ТП. Она имеет
ней использованы бесконтактные термопреобразователи, у которых нагреватель Н и термопара Т изолированы друг от друга. Хотя это несколько понижает чувствительность и увеличивает инерционность термоцреобразователя, но уменьшает емкостные связи, и, следовательно, повышает точность преобразования.
Рис. 5.9
Рис. 5.10
Во-вторых, наличие усилителя постоянного тока (УПТ, выполненного по схеме с конвертированием на микроэлементах) позволяет работать при малых токах, что понижает погрешность (преобразования на высоких частотах, а также упростить задачу согласования сопротивлений термопары и магнитоэлектрического измерительного прибора. В-третьих, в схеме используются два термопреобразователя, один из которых (ТП 1) включен между выходом усилителя напряжения переменного тока и входом усилителя постоянного тока, а второй (ТП2) — в цепь обратной связи усилителя постоянного тока. Термопары T1 и T 2 обоих термопреобразователей включены встречно, и таким образом на вход усилителя постоянного тока подается разность напряжений. Введение второго термопреобразователя в цепь отрицательной обратной связи УПТ позволило получить линейную зависимость между напряжением на выходе УПТ и среднеквадратическим значением входного напряжения.
Рассмотрим работу преобразователя. Как видно из рис. 5.10, термоэлектрический элемент состоит из нагревателя Н и термопары Т. Вызванный входным напряжением u(t) ток через нагреватель H 1 повышает его температуру. В результате этого в цепи термопары возникает термо-ЭДС, пропорциональная температуре. Она является функцией количества тепла, выделяемого током, которое, в свою очередь, пропорционально среднему квадрату значения тока и, следовательно, квадрату среднеквадратического значения входного напряжения т.е. 
ЭДС, развиваемая термопарой T1 подается на вход УПТ.
Для линеаризации зависимости между выходным напряжением УПТ и среднеквадратическим значением U входного напряжения в цепь обратной связи введен термоэлектрический преобразователь ТП 2, причем термопары T 2 и T1 включены встречно. Таким путем осуществляется отрицательная обратная связь.
Из теории усилителей с отрицательной обратной связью известно, что когда цепь обратной связи осуществляет функциональное преобразование выходного напряжения усилителя, т. е.
(5.10)
то при глубокой отрицательной обратной связи выходное напряжение связано с входным напряжением зависимостью
где f -1(•) — функция, обратная функции f (•). Действительно, как видно из рис. 5.10, напряжение на входе собственно УПТ (термопары Т 1 и T2 включены встречно) 
Так как отрицательная обратная связь глубокая, то можно полагать, что 
Тогда 
и согласно (5.10) Uвх = f (Uвых). Откуда получаем, что 
В рассматриваемой схеме цепь обратной связи квадрирует (с помощью ТП2) выходное напряжение, т. е. выполняемое ею функциональное преобразование — возведение в квадрат. Следовательно, обратное функциональное преобразование заключается в извлечении квадратного корня.
Поскольку 
где U — среднеквадратическое значение напряжения u (t), то
Таким образом, зависимость между выходным напряжением УПТ и среднеквадратическим значением U напряжения на входе преобразователя получается линейной и показание магнитоэлектрического вольтметра, включенного на выходе УПТ, соответствует среднеквадратическому значению напряжения и(t).
Среди квадраторов второй группы наибольшее распространение получили преобразователи на полевых транзисторах. Их схемы разнообразны.
Применение полевых транзисторов основано на использовании квадратичной зависимости тока стока от напряжения затвор — исток
(5.11) где Iс.нас — ток насыщения стока; Iсо — ток в цепи стока транзистора, включенного по схеме с общим истоком, при накоротко замкнутом с истоком затворе; Uзи — напряжение затвор—исток; Uнас — напряжение насыщения. Если раскрыть скобки, то видно, что в (5.11) входят члены с нулевой, первой и второй степенью напряжения U зи. Первые два члена исключают схемными путями. Часто встречаются схемы с управлением по затвору при неизменном стоковом питании.
Квадратичные преобразователи на полевых транзисторах обладают рядом достоинств: небольшая погрешность преобразования, устойчивость по отношению к дестабилизирующим факторам, возможность подачи на вход сравнительно высокого напряжения, широкополосность. Стабильный квадратичный преобразователь, построенный на основе двойного полевого транзистора и операционного усилителя с малым дрейфом выходной величины, работающий в очень широкой полосе частот (до 200 МГц), описан в [33].
В современных вольтметрах широко применяется квадратичный преобразователь вида «логарифм — антилогарифм», осуществляющий неявное вычисление среднеквадратического значения напряжения [89, 124]. Идея, определяющая принцип работы преобразователя, основана на следующих предпосылках.
Если в формуле (5.3) для среднеквадратического значения Uнапряжения и(t) обозначить подкоренное выражение через 
и возвести обе части (5.3) в квадрат, то получим равенство U2= 
Его можно представить в такой форме
(5.12)
Это позволяет построить алгоритм вычисления среднеквадратического значения U следующим образом:
Структурная схема квадратора, работающего согласно приведенному алгоритму, изображена на рис. 5.11.
Формирователь модуля напряжения выполняет двухполупериодное выпрямление напряжения и(t), подводимого к входу квадратора. Это необходимо для того, чтобы работа блока логарифмирования I не зависела от полярности напряжения и(t). В данном формирователе напряжение исследуемого сигнала преобразуется в ток, пропорциональный абсолютному значению (модулю) напряжения u(t). Из полученного тока в блоке логарифмирования I, который представляет собой операционный усилитель с двумя последовательно включенными р—n -переходами в цепи обратной связи, формируется напряжение, соответствующее удвоенному логарифму напряжения 
Выходное напряжение указанного блока поступает на вход 1 блока суммирования, к входу 2 которого подводится напряжение от блока логарифмирования II, пропорциональное логарифму выходного напряжения U квадратора
Рис. 5.11
(—l nU ). Образующееся напряжение, соответствующее разности логарифмов, т. е. 
антилогарифмируется. На выходе блока антилогарифмирования формируется напряжение, пропорциональное отношению 
Оно усредняется RС-фильтром нижних частот, значение постоянной времени Тф которого отвечает условию 
где Тн — значение периода самого низкочастотного напряжения, измеряемого вольтметром с данным квадратором. На выходе блока усреднения (ФНЧ) образуется напряжение постоянного тока 
соответствующее среднеквадратическому значению напряжения u (t), поданного на вход квадратора.
Для рассмотренной схемы характерны малая погрешность преобразования и широкий динамический диапазон — во много раз больший, чем у термоэлектрического преобразователя (это позволяет измерять среднеквадратическое значение напряжений сигналов с большим коэффициентом амплитуды). Такой квадратор может быть применен при медленно меняющихся сигналах. Верхняя граничная частота исследуемого синусоидального напряжения u(t) лежит в пределах 5... 10 МГц. Схема позволяет осуществить эффективную термокомпенсацию.
Преобразователь средневыпрямленного значения. Это преобразователь напряжения переменного тока в постоянный ток, значение которого пропорционально средневыпрямленному значению напряжения на входе преобразователя. Часто подобный преобразователь представляет собой двухполупериодный выпрямитель, сочетаемый с магнитоэлектрическим усредняющим прибором. Наиболее распространены мостовые схемы (рис. 5.12).
В первой схеме (рис. 5.12,а) направление тока через прибор одно и то же в течение обоих полупериодов входного напряжения. Во время положительного полупериода цепь тока состоит из верхнего зажима, диода VD1, прибора, диода VD3 и нижнего зажима, при отрицательном полупериоде — из нижнего зажима, диода VD4, прибора, диода VD 2 и верхнего зажима. Отклонение стрелки микроамперметра при использовании линейного участка характеристики выпрямителя пропорционально средневыпрямленному значению напряжения, подводимого к преобразователю:
Эта зависимость имеет место при любой форме измеряемого
напряжения.
Во второй схеме (рис. 5. 12, 6) во время положительного полупериода входного напряжения цепь тока состоит из верхнего зажима, диода VD1, резистора R1 и нижнего зажима. На резисторе R1 создается падение напряжения.
Рис. 5.12
Его измеряет вольтметр, состоящий из микроамперметра и добавочного резистора (на резисторе R 2 в этот полупериод напряжение практически равно нулю). При отрицательной полуволне входного напряжения цепь тока состоит из нижнего зажима, резистора R2, диода VD2 и верхнего зажима. Прибор измеряет падение напряжения на резисторе R2.
Необходимо подчеркнуть, что описанные схемы преобразователей средневыпрямленного значения выполняют свое назначение только при выпрямлении напряжений, значения которых достаточно велики для работы на линейном участке вольт-амперной характеристики диода. Преобразователь, работающий в этом режиме, часто называют линейным. При малых напряжениях, когда используется начальный участок характеристики, преобразование получается квадратичным.
Преобразователи СВЧ вольтметров. Одним из достоинств электронных вольтметров, как уже отмечалось, является слабая зависимость показания прибора от частоты. Однако при измерениях напряжений в диапазоне СВЧ такая зависимость становится все более ощутимой, что, если не приняты меры, приводит к значительным погрешностям. Это обусловлено влиянием подводящих проводов, резонансными явлениями во входной цепи вольтметра и влиянием конечного времени пролета электронов между электродами диода. Поэтому вольтметры, охватывающие диапазон СВЧ, имеют конструктивные особенности, уменьшающие погрешности измерений:
· схема вольтметра начинается с преобразователя, обычно диодного пикового, который имеет наилучшие частотные свойства;
· применяются специальные СВЧ измерительные диоды, отличающиеся малыми индуктивностями вводов и междуэлектродными емкостями, т. е. высокой собственной частотой, и малыми углами пролета;
· конструктивно преобразователь выполняется в виде выносного пробника, что дает возможность уменьшить до минимума паразитные емкости монтажа и сделать вводы (входные зажимы) в виде очень коротких штырьков, которые вставляются или непосредственно прижимаются к точкам схемы, между которыми нужно измерить напряжение;
· тщательная экранировка преобразователя, соединительных проводников и остальных узлов вольтметра во избежание потерь на излучение и наводок.
5.5 УСИЛИТЕЛИ И ПОКАЗЫВАЮЩИЕ ПРИБОРЫ СТРЕЛОЧНЫХ ВОЛЬТМЕТРОВ
Усилители. Применяются усилители напряжений как постоянного, так и переменного тока. Первые входят в состав вольтметров постоянного тока, а также включаются после преобразователя в вольтметрах переменного тока, вторые включаются до преобразователя.
Усилители постоянного тока (УПТ) выполняют роль усилителей мощности, с помощью которых достигается мощность, достаточная для приведения в действие электроизмерительного механизма магнитоэлектрического прибора. Они согласуют малое внутреннее сопротивление измерительного прибора с»высоким сопротивлением нагрузки преобразователя или входного делителя напряжения.
В электронных вольтметрах УПТ должны иметь высокую стабильность коэффициента усиления и пренебрежимо малый дрейф выходной величины. Часто их выполняют по мостовым схемам с отрицательной обратной связью. Преимущественное применение мостовых схем обусловлено сравнительной простотой установки нуля без вспомогательных источников; существенным уменьшением дрейфа вследствие того, что любые изменения в обеих половинах моста одинаковы; значительным уменьшением влияния помех, так как помехи наводят в электронных приборах, включенных в соседние плечи, примерно одинаковые напряжения, что не вызывает дополнительного разбаланса моста. Отрицательная обратная связь повышает стабильность работы схемы и делает ее нечувствительной к перегрузкам. Характеристика усилителя, выполненного по мостовой схеме с обратной связью, линейна в достаточно широких пределах,
В микровольтметрах постоянного тока, где требуется усиление весьма слабых сигналов, во избежание дрейфа используют усилительные устройства с преобразованием напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока, получившие название усилителей с конвертированием (рис. 5.13). Идея, положенная в основу работы подобных усилителей, сводится к следующему. Усиливаемое напряжение постоянного тока предварительно подается на конвертор — преобразователь напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока (амплитуда которого пропорциональна значению напряжения постоянного тока, а фаза зависит от его знака). Оно усиливается многокаскадным усилителем напряжения переменного тока и затем детектируется в схеме фазочувствительного детектора (для получения соответствия по знаку между выходным и входным напряжениями). Вследствие того, что для усиления используется усилитель напряжения переменного тока, факторы, вызывающие дрейф выходной величины в УПТ, не влияют на выходное напряжение и оно остается постоянным.
В случаях, когда требуются вольтметры постоянного тока с очень большим входным сопротивлением, применяют электрометрические лампы, сеточные токи которых не превышают 10-15А, а сопротивление утечки входной сетки составляет не менее 1015 Ом. Вследствие этого электрометрические схемы имеют входное сопротивление 1010—1016 Ом.
Усилители напряжения переменного тока должны иметь высокую чувствительность, большое значение и высокую стабильность коэффициента усиления, малые нелинейные искажения, широкую полосу пропускания. Чтобы выполнить эти требования, усилитель охватывают отрицательной обратной связью. Так как последняя уменьшает коэффициент усиления, то усилители делают многокаскадными — обычно трех или шестикаскадными. Каждые три каскада образуют блок, охваченный отрицательной обратной связью.
У многих вольтметров выходные зажимы усилителя выведены на лицевую панель. Это позволяет использовать прибор как усилитель (часто широкополосный).
Рис. 5.13
Стрелочные измерительные приборы. В электронных вольтметрах, выпускаемых промышленностью, в качестве стрелочных измерительных приборов используют, как правило, магнитоэлектрические микроамперметры с пределами измерения 100... 1000 мкА. Применение микроамперметров (а не миллиамперметров) объясняется не только стремлением повысить чувствительность, но и необходимостью получения малых токов во всех цепях схемы, особенно в ветвях мостовых схем. Приборы градуируются обычно в вольтах (милливольтах, микровольтах).
5.6 ОСОБЕННОСТИ ВОЛЬТМЕТРОВ ИМПУЛЬСНОГО ТОКА
Электронные вольтметры для измерения амплитуды напряжения импульсов, образующих периодическую последовательность,— это приборы с пиковым преобразователем, шкалы которых градуированы в пиковых значениях. Стрелочные вольтметры импульсного тока, как правило, выполняют по схеме преобразователь — УПТ — магнитоэлектрический прибор (см. рис. 5.5). Конструктивно вольтметр состоит из выносного пробника и УПТ со стрелочным измерительным прибором, заключенных вместе с источником питания в общий футляр, на лицевую панель которого выводятся выключатели,и показывающий прибор. В пробнике имеется переключатель, изменяющий схему включения диода при измерении импульсов различных полярностей.
Принцип действия такого вольтметра не отличается от принципа действия амплитудного вольтметра синусоидального напряжения.
Вольтметры импульсного тока преимущественно выполняют по схеме с закрытым входом, однако имеются и вольтметры с открытым входом. При закрытом входе прибор измеряет пиковое значение импульсного напряжения без постоянной составляющей 
Определим погрешность измерения амплитуды Uт импульса, обусловленную закрытым входом. При исследовании периодической последовательности прямоугольных импульсов с большой скважностью Q закрытый вход практически не влияет на показания вольтметра, так как постоянная составляющая мала (U0= Uт/ Q). При низкой скважности, когда постоянная составляющая значительна, погрешность измерения становится весьма существенной. Отсчет по прибору U'т меньше истинной амплитуды импульса Uт на значение постоянной составляющей U0, следовательно, относительная погрешность
(5.13)
Например, если Q= 5, то б = —20%. Эта погрешность систематическая. Ее можно учесть, внеся поправку.
Весомая методическая погрешность связана с тем, что среднее напряжение Uс на конденсаторе пикового преобразователя всегда меньше измеряемого пикового значения Uт, так как конденсатор С успевает несколько разрядиться в интервале между двумя соседними импульсами периодической последовательности. При больших скважностях погрешность измерения может оказатьсязначительной. Она обусловлена тем, что за время, пока длится импульс, конденсатор пикового детектора не успевает полностью зарядиться, а в течение паузы между импульсами он существенно разряжается. В таких случаях среднее напряжение, устанавливающееся на конденсаторе за период Тс следования импульсов, заметно меньше Uт.
Эта погрешность находится из условия сохранения заряда: заряд, теряемый конденсатором за время паузы 
равен заряду, сообщаемому конденсатору за время импульса τи. Ее можно определить по формуле
где R — сопротивление нагрузки; Ri — внутреннее сопротивление диода; Rи — выходное сопротивление исследуемого источника.
Входное активное сопротивление пикового преобразователя при измерений импульсных напряжений можно найти из условия баланса энергий: энергия, подводимая за время τи действия импульса к входному сопротивлению, 
, равна энергии, расходуемой на нагрузочном резисторе сопротивлением R за время паузы между импульсами: 
Полагая, что 
получаем:
Таким образом, входное сопротивление детектора оказывается в Q раз меньше сопротивления R его нагрузки.
Наряду с измерениями амплитуды импульсов периодической последовательности нередко необходимо измерять пиковое значение одиночных и редко повторяющихся импульсов. Подобные измерения можно осуществить несколькими методами. Одним из наиболее распространенных является метод преобразования импульсного напряжения в квазипостоянное. Функции преобразователя обычно выполняют диодно-емкостные расширители импульсов. Их действие основано на продолжительном сохранении заряда конденсатора, накопленного за время действия импульса. Простейшим расширителем может служить диодный пиковый преобразователь с открытым входом, у которого постоянная времени цепи заряда конденсатора очень мала, а постоянная времени разряда весьма велика.
Известен также метод амплитудно-временного преобразования. Поскольку вольтметры, в которых воплощен данный метод, преимущественно цифровые, он излагается в § 5.9.
5.7 ЗАВИСИМОСТЬ ПОКАЗАНИЙ ВОЛЬТМЕТРА ОТ ФОРМЫ НАПРЯЖЕНИЯ
Многочисленные электронные вольтметры, выпускаемые промышленностью, содержат преобразователи разных типов: пиковые, квадратичные, средневыпрямленного значения. Шкалы электронных вольтметров градуируют в значениях различных параметрові напряжения, причем далеко не всегда в значениях того параметра, который соответствует типу преобразователя. Например, преобразователь может быть пиковым, а шкала проградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. Поэтому при подключении нескольких вольтметров к одному источнику отсчеты могут быть неодинаковыми.
Пользователь, измеряющий напряжение, должен уметь правильно определять результат измерений по показанию прибора. Решая эту задачу, опираются на градуировочную характеристику вольтметра, устанавливающую соотношение между показанием прибора Ап и значением определенного параметра А напряжения, подводимого к входу прибора:
(5.14)
где с — градуировочный коэффициент, зависящий от типа преобразователя и измеряемого параметра, обеспечивающий получение прямого отсчета при измерении данного параметра.
Для большей наглядности удобно представить формулу, определяющую градуировочный коэффициент, в виде
(5.15)
Из этой формулы видно, что если шкала вольтметра проградуирована в значениях параметра, соответствующего типу преобразователя, то градуировочный коэффициент c = 1. Так, с=1, когда либо преобразователь пиковый и шкала проградуирована в пиковых значениях напряжения, либо преобразователь квадратичный и на шкале нанесены среднеквадратические значения, либо преобразователь средневыпрямленного значения и шкала градуирована в средневыпрямленных значениях. У таких приборов градуировочная характеристика не зависит от формы напряжения, посредством которого производилась операция градуировки шкалы.
Дата публикования: 2015-01-23; Прочитано: 1156 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!
