20; 200 и 1000 В, разрешающую способность на пределе 0,2 В - 1 мкВ, входное сопротивление на пределах 0,2; 2; 20 В - не менее 10
Мом, погрешность измерения на пределах 2 и 20 В – 0,003% - 0,006%.
1.5. Вольтметры переменного напряжения
Обобщенная структурная схема вольтметра переменного напряжения показана на рис. 16. Такие вольтметры используются на частотах до 1000 МГц, на более высоких частотах используются измерители мощности. В вольтметрах конкретного типа показанные на рис. 16 усилители могут отсутствовать.
Основными видами преобразователей переменного напряжения в пос-тоянное являются детекторные, или просто детекторы, и термоэлектрические. Ниже они рассматриваются более подробно.
1.6. Детекторы средневыпрямленных значений (линейные детекторы).
Схема последовательного (для диода и нагрузки) детектора этого типа дана на рис. 17.
 |
Источником измеряемого напряжения считается такой, который имеет малое по сравнению с R внутреннее сопротивление, в том числе и для постоянной составляющей. Это требование к источнику имеет место во всех рассматриваемых ниже детекторах. В последовательном детекторе во время положительной полуволны измеряемого напряжения диод открывается, среднее значение (постоянная составляющая) тока измеряется прибором магнитоэлектрической системы. Постоянная составляющая напряжения может быть снята с резистора R с помощью фильтра Rф, Сф. Во время отрицательной полуволны диод закрыт, ток в цепи отсутствует, энергия от источника не потребляется.
Работа последователь-ного детектора поясняется с помощью рис. 18. При R = 0 характеристика детектора оп-ределяется диодом (внутрен-нее сопротивление источника напряжения и прибора маг-ниитоэлектрической системы считается малым), поэтому характеристика имеет сущест-венно нелинейный начальный участок при U ≤ 0,1 - 0,2 В. Для линеаризации характе-ристики в детектор вводится резистор R , обычно R 
2-10 кОм. Тогда при больших ( 5- -10В) амплитудах входного напряжения относительная нелинейность характеристики не превышает 1 - 2%, и полуволны тока через резистор R повторяют форму полуволн входного напряжения.
В этом смысле данный детектор в отличие от квадратичного называют линейным. На самом деле все детекторы - существенно нелинейные устройства, за счет нелинейности возникает полезный эффект детектирования. Постоянная составляющая Io общего тока i измеряется прибором магнитоэлектрической системы. Прибор шунтируется вспомогательным конденсатором С, через который течет переменная составляющая i общего тока i (рис. 18), что исключает механические колебания рамки прибора на низких частотах и уменьшает общее сопротивление переменному току. За счет малого внутреннего сопротивления прибора вспомогательный конденсатор практически не оказывает влияния на работу детектора. Таким образом, для того чтобы диодный детектор измерял средневыпрямленное значение напряжения (был линейным в указанном выше смысле), он должен иметь большое активное сопротивление нагрузки и работать при больших амплитудах входного напряжения.
Для двухполупериодного выпрямления и повышения в 2 раза коэффициента передачи применяется балансный детектор (рис. 19,а), в котором два одинаковых рассмотренных выше диодных детектора поочередно работают на общую нагрузку. Недостаток балансного детектора - использование в нем сложного в изготовлении и поэтому дорогого трансформатора. Обойтись без трансформатора позволяет мостовой детектор (рис. 19,б), в котором в каждый полупериод работают два включенных последовательно диода.
Рис. 19
Форма токов при двухполупериодном детектировании показана на рис.20. Его недостаток состоит в том, что при последовательном включении двух диодов в два раза увеличивается нелинейный участок результирующей характеристики. Чтобы устранить этот недостаток, два из четырех диодов мостового детектора заменяют резисторами, служащими для линеаризации характеристик детекторов.
Упрощенная типовая схема вольтметра средневыпрямленных значений приведена на рис. 21. Разделительный конденсатор на его входе обеспечивает прохождение только чисто переменной составляющей входного напряжения, которое может содержать и постоянную составляющую. Входное устройство служит для получения высокого входного сопротивления, а также содержит
 |  |
делитель для расширения пределов измерения. Усилитель обеспечивает необходимую амплитуду выходного напряжения, поступающего на детектор. На резисторе, включенном последовательно с детектором, формируется переменное напряжение, положительная полуволна которого создается током одного из диодов с нагрузкой, а отрицательная – током другого. Это напряжение с выхода детектора подается в противофазе на вход усилителя, т. е. вычитается из его входного напряжения. Тем самым оба эти узла охватываются отрицательной обратной связью. Отрицательная обратная связь расширяет полосу частот усилителя, стабилизирует его коэффициент усиления и, самое главное, уменьшает нелинейные искажения, вносимые как усилителем, так и детекторами обеих полуволн, имеющих нелинейный начальный участок характеристики.
Вольтметры средневыпрямленных значений градуируются в среднеквадратических значениях гармонического напряжения, т. е. на их вход подается гармоническое напряжение, например, с амплитудой 1В, а вместо измеряемого фактически соответствующего средневыпрямленного значения 0,637 В на шкалу наносится среднеквадратическое значение 0,707 В. Это означает, что показания таких вольтметров в 1,11 раза (коэффициент формы гармонического напряжения) больше измеряемого средневыпрямленного значения при любой форме входного напряжения и только при гармоническом входном напряжении показания совпадают с его среднеквадратическим значением. Поэтому для определения истинного средневыпрямленного значения входного напряжения, измеряемого вольтметром, его показание U следует разделить на 1,11.
Если форма напряжения известна, т. е. известны коэффициенты формы, амплитуды и усреднения, то по ним и показанию U вольтметра средневыпрям-ленных значений можно найти все значения напряжения:
U св = U /1,11; U скз=Кф Uсв; Uа=Ка Uскз=Ку Uсв.
Простота реализации детекторов средневыпрямленных значений обус-
ловила их широкое применение в ампервольтомметрах (авометрах, мультиметрах) и в наиболее дешевых вольтметрах, цифровых B7-I6, В7-20 с погрешностью порядка 0,5% и аналоговых ВЗ-38, B3-44 с погрешностью порядка 3%.
1.7. Преобразователи среднеквадратичных значений и квадратичные вольтметры
Простейший детектор среднеквадратичных значений - квадратичный детектор (рис. 22) отличается от рассмотренного выше линейного детектора тем, что в нем при малых амплитудах входного напряжения используется квадратичный начальный участок характеристики диода i= U . Линеаризирующий характеристику резистор в данном детекторе отсутствует, форма полуволн тока резко отличается от формы входного напряжения (рис. 23). Диод квадратирует входное напряжение, прибор магнитоэлектрической системы выполняет операцию усреднения:
Jo=
.
Для получения среднеквадратичного значения необходимо еще извлечь корень из результата измерения. Это делается при градуировке измерителя тока, шкала которого становится квадратичной, т. е. сильно сжатой вначале. Квадратичный детектор, использующий начальный участок характеристики диода, служит только для иллюстрации принципа измерения, практически он не применялся из - - за больших погрешностей. Меньшие по-грешности были получены при линейном детектировании входного напряжения, возведении в квадрат полученного постоянного напряжения и измерении тока (рис. 24,а). Квадратирующая цепь, содержащая большое число (до 20) диодов, на которые через высокоомные резистивные делители поданы запирающие напряжения Е
<Е
<Е
<…<Е
, является нагрузкой двухполупериодного линейного детектора (рис. 24,б). На вход детектора поступает измеряемое напряжение с большой (до 15 - - 20 В) амплитудой. Пока напряжение на выходе детектора Uо меньше запирающего напряжения Е, все диоды квадратирующей цепи заперты, через отсчетный прибор течет ток i . При возрастании Uо, когда Е < Uо < Е,
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 |
Основные порталы (построено редакторами)