Цель работы: изучить методы измерения постоянных и переменных напряжений, изучить конструкцию и основные характеристики входных блоков электронных вольтметров, получить практические навыки работы с электронными цифровыми вольтметрами.
Используемое оборудование: Вольтметр электронный В7-27 (В7-27А), генератор сигналов низкочастотный Г3-112, источник питания постоянного тока 0 – 12 В, резистор МЛТ-1,0-3 МОм или
10 МОм, соединительные провода, паспорт прибора В7-27.
Методические указания: Работа выполняется за 2 часа аудиторных занятий. Перед выполнением работы следует изучить соответствующие разделы лекционного курса.
Теоретические сведения
Измерительный преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока (или ток), – важнеший узел вольтметра, в большой мере определяющий его основные характеристики и, в частности, особенности шкалы. Преобразователи можно классифицировать по следующим признакам:
по измеряемому параметру входного напряжения, которому непосредственно соответствует ток или напряжение в выходной цепи детектора, — пиковые (амплитудные), среднеквадратического значения, средневыпрямленного значения;
по схеме входа — с открытым входом и закрытым входом;
по характеристике преобразования — линейные и квадратичные;
по схемному решению.
Рассмотрим основные типы применяемых преобразователей, классифицируя их по первому признаку.
Преобразователи пикового значения. Особенность преобразователя этого вида заключается в том, что напряжение на его выходе непосредственно соответствует пиковому (амплитудному) значению напряжения, поданного на вход преобразователя. Он должен содержать элемент, запоминающий пиковое значение напряжения. Обычно это конденсатор, заряжаемый через диод до пикового значения.
Необходимо подчеркнуть, что преобразователи пикового значения, которые в дальнейшем для кратности будем называть пиковыми, — самые широкополосные преобразователи напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока.
На рис. 1 приведены часто встречающиеся схемы пиковых преобразователей: с открытым (рис. 1,а) и закрытым (рис. 1,6) входом.
Для обеих схем должны выполняться следующие соотношения:
значение постоянной времени цепи заряда конденсатора т3 = = RiC (где Ri — внутреннее сопротивление диода) много меньше значения постоянной времени тР=RС цепи разряда конденсатора;
значение постоянной времени т3 меньше или соизмеримо со значением периода самого высокочастотного напряжения, измеряемого данным вольтметром;
значение постоянной времени тр значительно больше периода самого низкочастотного напряжения, измеряемого прибором с данным преобразователем.
Рис. 1.
Рассмотрим работу пикового преобразователя с открытым в ходом в случае, когда к «ему подводится синусоидальное напряжение ux=Umsinωt; равенство нулю начальной фазы не нарушает общности рассуждений. В начальный момент напряжение приложено к диоду почти целиком, поскольку емкость конденсатора С (обычно порядка десятков тысяч пикофарад) значительно больше емкости анод — катод диода. При первой положительной полуволне в цепи диода возникает большой импульс тока, заряжающего конденсатор, но в течение одного полупериода конденсатор полностью зарядиться не успевает. За время отрицательной полуволны конденсатор несколько разряжается, но так как значение постоянной времени цепи разряда тр намного больше периода Т=2п/ω напряжения их, то заряд уменьшается незначительно. При каждой новой положительной полуволне синусоидального напряжения конденсатор подзаряжается через внутреннее сопротивление диода Ri. Так как т3<<тр (быстрый заряд и медленный разряд), то через несколько периодов на обкладках конденсатора устанавливается постоянное напряжение Uc, почти равное амплитуде напряжения Um, поданного на вход преобразователя (рис. 2).
Рис. 2
По мере повышения напряжения на конденсаторе разность потенциалов между анодом и катодом диода uа = ux—uс уменьшается: преобразователь представляет собой схему с автоматическим смещением. В установившемся режиме напряжение катода диода равно Uc≅Um. Но поскольку Uc все же несколько меньше Um вследствие утечки заряда через резистор R, то в течение той части положительной полуволны, когда мгновенные значения синусоидального напряжения их превышают напряжение Uc на конденсаторе, через диод проходят импульсы тока с малой амплитудой, пополняющие заряд конденсатора (рис. 2б). Ток через диод проходит лишь в течение незначительной части периода, характеризуемой углом отсечки Θ.
Напряжение Uc на конденсаторе измеряется стрелочным вольтметром. Оно тем ближе к амплитуде Um напряжения их, чем меньше угол отсечки в. Как видно из рис. 2б,
U≅Um sin (90°—Θ) = UmcosΘ.
Необходимо иметь в виду, что нельзя чрезмерно увеличивать сопротивление резистора R, так как при этом значение постоянной времени разряда конденсатора может оказаться настолько большим, что преобразователь будет инерционным: при уменьшении напряжения на входе напряжение на конденсаторе долго сохраняется неизменным. Недопустимо также включать в схему конденсатор очень большой емкости С, так как это приведет к возрастанию постоянных времени цепей заряда и разряда.
До сих пор исследовалась работа преобразователя при напряжении синусоидальной формы. Если на вход рассматриваемой схемы подать напряжение ux = U0+U’msinωt, в котором имеются и постоянная и переменная составляющие, то измеряемое прибором значение напряжения в этом случае будет зависеть не только от амплитуды U’m, но и от значения постоянной составляющей Uo, так как вход преобразователя открытый. Таким образом, конденсатор С преобразователя с открытым входом заряжается до напряжения, определяемого суммарным воздействием постоянной и переменной (амплитудой) составляющих напряжения, подводимого к детектору, т. е. до пикового значения Um = U0+U’m.
Теперь рассмотрим работу пикового преобразователя с закрытым входом (рис. 2б) в предположении, что к нему подведено синусоидальное напряжение ux=Um sinωt.
В течение нескольких положительных полупериодов действия напряжения их конденсатор С заряжается через диод почти до значения Um. Сопротивление резистора R велико, следовательно, велико и значение постоянной времени цепи разряда, поэтому напряжение Uс изменяется весьма мало. С некоторым приближением в установившемся режиме его можно считать постоянным. Это позволяет (рассматривать заряженный конденсатор С как источник постоянного напряжения Uc≅Um.
Проследим за изменением напряжения на нагрузочном резисторе R. Как видно из эквивалентной схемы (рис. 3а)
uR≅ux—Uc = Umsinωt—Uc.
Когда синусоидальное напряжение достигает положительного максимума, uR≅0; при отрицательном максимуме uR ≅ -2Um, так как Uс ≅ Uт (рис. 36). Таким образом, напряжение, падающее на резисторе R, является пульсирующим и измерить его непосредственно магнитоэлектрическим прибором затруднительно (при низких частотах заметно колеблется стрелка). Поэтому между резистором R и стрелочным вольтметром включен фильтр нижних частот, пропускающий только постоянную составляющую Uc пульсирующего напряжения. Прибор измеряет напряжение UC≅Um.
При измерении напряжений, не содержащих постоянной составляющей, преобразователи с открытым и закрытым входом дают одинаковые результаты: напряжения на конденсаторах в обоих случаях весьма близки к Um и показания обоих вольтметров пропорциональны амплитуде измеряемого напряжения.
Если на вход подается напряжение в виде суммы постоянной и переменной составляющих, то преобразователь с закрытым входом реагирует только на амплитуду переменной составляющей (напряжение, превышающее постоянную составляющую) и показания вольтметра пропорциональны ей.
Таким образом, вольтметр, содержащий пиковый преобразователь с закрытым входом, измеряет пиковое значение напряжения без постоянной составляющей, т. е. пиковое значение напряжения, превышающего постоянную составляющую. :
Рис. 3
Преобразователи среднеквадратического значения. Они так преобразуют напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока (или ток), что значение выходного напряжения (тока) преобразователя получается пропорциональным первой степени или квадрату среднеквадратичеекого значения напряжения, подведенного к входу преобразователя.
Измерение среднеквадратического значения напряжения связано с выполнением трех операций: квадрирования (возведения напряжения переменного тока в квадрат), усреднения и извлечения квадратного корня из результата усреднения. Операция извлечения квадратного корня выполняется либо схемным путем, либо при градуировке шкалы вольтметра.
Из изложенного следует, что преобразователь должен обладать квадратичной характеристикой преобразования, 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.
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 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).
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. 4).
В первой схеме (рис. 4а) 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 VD2 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.
Рис. 4.
Во второй схеме (рис. 4,б) 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. Его измеряет вольтметр, состоящий из микроамперметра и добавочного резистора (на резисторе R2 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.