Універсальний вольтметр для вимірювання постійної і середньоспрямленої напруги

Размещено на http://www.allbest.ru/

Універсальний вольтметр для вимірювання постійної і середньоспрямленої напруги

Електронні вольтметри

Електронні вольтметри складають найбільш численну групу серед радіовимірювальних приладів. Ці вольтметри мають великий опір як на низьких, так і на високих частотах, високу чутливість, споживають малу потужність від вимірювального кола, придатні для вимірювання середніх випрямних, середніх квадратичних і максимальних значень змінних напруг та імпульсних сигналів тривалістю, починаючи з наносекунд.

Електронні вольтметри за родом вимірюваної напруги поділяють на види: В2 вольтметри постійної напруги; В3 вольтметри змінної напруги; В4 вольтметри імпульсної напруги; В6 селективні вольтметри; В7 універсальні вольтметри; В8 вимірювачі відношення напруг та їх різниці.

Універсальні вольтметри можуть вимірювати як постійний так і змінний струм.

При вимірі постійних напруг універсальним вольтметром (УВ) вхідна величина через перемикач подається на вхід перетворювача імпедансу ПІ, вхідний сигнал якого при необхідності перетворюється масштабним перетворювачем МП, навантаженням якого є магнітоелектричних мікроамперметр.

При вимірюванні змінної напруги вимірювана величина надходить на вхід ПАЗ, а постійна напруга з виходу ПАЗ вимірюється вольтметром постійного струму.

При створенні універсальних вольтметрів використовуються в основному схеми ПАЗ із закритим входом, що пояснюється незалежністю напруги на її виході від постійної складової напруги на вході.

Рис. 1 - Функціональна схема універсального вольтметра

Умовні позначення:

П - перетворювач амплітудних значень;

ВП - вимірювальний перетворювач;

ПІ - перетворювач імпедансу;

МП - масштабний перетворювач;

SA - перемикач

Електронні вольтметри постійної напруги дозволяють вимірювати постійні напруги від мікровольт до 1 В, а з зовнішнім подільником напруги до 300 В. Будова вольтметрів досить проста, вони містять подільник напруги (ПН), емітерний повторювач (ЕП), підсилювач постійного струму (ППС), магнітоелектричний мікроамперметр на 50…500 мкА та джерело живлення (ДЖ). Часто на вході вольтметра вмикають фільтр нижніх частот (ФНЧ), який дозволяє ослаблювати змінну складову завади.

Структурна схема електронного вольтметра постійного струму

Подільник напруги ПН, призначений для розширення межі вимірювань, повинен мати високий вхідний опір і стабільний коефіцієнт передачі. Підсилювач постійної напруги ППС є одним із найвідповідальніших елементів вольтметра. Від стабільності його коефіцієнта підсилення залежать метрологічні характеристики вольтметра. Крім того, на точність показів вольтметра істотно впливає дрейф нуля ППС, причинами якого є нестабільність напруги ДЖ, зміна параметрів транзисторів та інших елементів схеми. Тому в сучасних вольтметрах здебільшого використовують ППС, побудовані за схемою модулятор підсилювач змінного струму П демодулятор (рис. 6.30), дрейф нуля яких практично відсутній.

Відносна основна похибка вольтметрів залежно від рівня вимірюваної напруги знаходиться в границях 0,5…6%. Складовою основної похибки є нестабільність коефіцієнтів передачі ПН і ФНЧ, коефіцієнта підсилення ППС, а також похибка магнітоелектричного мікроамперметра. Причинами додаткових похибок є зміна температури навколишнього середовища і коливання напруги живлення.

Структурна схема універсального електронного вольтметра

Вольтметри середніх випрямних значень будуються за схемою підсилювач-перетворювач, яка містить вхідний пристрій (два подільники напруги і перетворювач імпедансу ПІ), підсилювач П і детектор середньовипрямних значень.

Детектор (або перетворювач) являє собою двопівперіодну схему випрямлення, охоплену глибоким негативним зворотним зв`язком. Напруга зворотного зв`язку знімається з резистора і подається на вхід підсилювача П. Завдяки зворотному зв`язку виключається вплив діодів на коефіцієнт перетворення, покращуються характеристики підсилювача, зменшується нестабільність і нелінійність його амплітудної характеристики. В діагональ діодного мосту вмикається магнітоелектричний механізм (мікроамперметр), який реагує на середнє випрямне значення напруги U_сер.в, проте його шкалу градуюють не в середніх випрямних значеннях напруги, а в СКЗ напруги синусоїдної форми U, тобто на шкалу наносять позначки, що відповідають середнім випрямним значенням напруги, помноженим на коефіцієнт форми синусоїди : U = k_фU_сер.в. Тому при вимірюванні несинусоїдної напруги покази вольтметра не відповідають її дійсному СКЗ. Наприклад, при вимірюванні СКЗ напруги прямокутної форми, середнє квадратичне і середнє випрямне значення якої , вольтметр середніх випрямних значень покаже , тобто відносна похибка вимірювання +11%.

Вхідний пристрій вольтметра складається з компенсованого подільника напруги , перетворювача імпедансу ПІ (підсилювача з безпосереднім зв`язком) та атенюатора (рис. 6.33, б). Атенюатор разом з перемикачем S2 задає межі вимірювань 3, 10, 30, 100, 300, 1000 мВ. Компенсований подільник вмикається перемикачем S1 на межах вимірювання 3…300 В і здійснює ослаблення сигналу в 1000 разів.

Вольтметр середньовипрямних значень

а структурна схема;

б принципова схема вхідного пристрою

Розглянута структура вольтметра забезпечує вимірювання синусоїдних напруг, починаючи з одиниць мілівольт, дозволяє досить просто підвищити вхідний опір і зменшити вхідну ємність за рахунок введення схем глибокого місцевого негативного зворотного зв`язку.

Вольтметри середніх випрямних значень, наприклад, типів В3-38, В3-39 забезпечують вимірювання СКЗ синусоїдних напруг у діапазоні частот від 20 Гц до 5…10 МГц, їх основна відносна похибка складає 2,5% у межах вимірювання 3…1000 мВ і 4% в інших межах вимірювання, вхідний опір не менше 4…5 МОм.

Повторювач на операційному підсилювачі.

Для зменшення похибки вимірювань вольтметр має характеризуватися якомога більшим вхідним опором. Цього можна добитися, поставивши на вході приладу повторювач на операційному підсилювачі. Вхідна напруга повторювача з високою точністю повторює напругу зовнішнього вхідного сигналу. Коефіцієнт передачі напруги наближається до одиниці, зсув фаз дорівнює нулю. Повторювач має великі коефіцієнти підсилення струму та потужності, високий вхідний і низький вихідний опори. Операційний підсилювач бажано брати з польовими транзисторами на вході.

ОУ застосовується з негативним зворотним зв'язком. При цьому характеристики схеми не залежать від коефіцієнта посилення операційного підсилювача без зворотного зв'язку До, а визначаються лише параметрами зовнішніх елементів.

Частина вихідної напруги повертається через ланцюг зворотного зв'язку до входу підсилювача. Коефіцієнт зворотного зв'язку в показує, яка частина вихідного напруги подається на вхід, він може приймати значення від нуля до одиниці.

Вхідна напруга змінилося від нуля до деякого позитивного значення U _ВХ. У перший момент вихідна напруга U _ВИХІД, а отже, і напруга зворотного зв'язку в U _ВИХІД також дорівнюють нулю. При цьому напруга, прикладена до входу операційного підсилювача, складе U _Д = U _ВХ. Так як це напруга підсилюється підсилювачем з великим коефіцієнтом посилення K _U, то величина U _ВИХІД швидко зросте до деякого позитивного значення і разом з нею зросте також величина в U _ВИХІД. Це призведе до зменшення напруги U _Д, прикладеної до входу підсилювача. Той факт, що вихідна напруга впливає на вхідний напруга, причому так, що цей вплив спрямований у бік, протилежний змін вхідної величини і є прояв негативного зворотного зв'язку.

Підсилювач на операційному підсилювачі

Функція підсилювача на ОП у тому, щоб підсилити вхідний сигнал.

Перемикач цього приладу одночасно може контактувати тільки з одним резистором. Нижній контакт перемикача «порожній», він вимикає прилад. Кожен з резисторів розрахований на вимір певного діапазону напруг, і на конкретний індикатор В остаточному підсумку ми одержали вольтметр на два діапазони вимірювань.

Для ідеального ОП справедливо:

· Коефіцієнт підсилення диференціального сигналу K нескінченно великий і не залежить від частоти сигналу.

· Коефіцієнт посилення синфазного сигналу (напруги загального для обох входів) K _СІНФ дорівнює нулю.

· Опір по обом входам нескінченно велике.

· Напруга зсуву дорівнює нулю.

· Швидкість зміни вихідної напруги нескінченно велика.

· Дрейф (зміна в часі вихідної напруги) відсутня.

Параметри реального ОП дещо гірше. Однак у більшості випадків для аналізу схем на ОП можна використовувати обидва правила, справедливі для ідеального ОП. Цей підхід і буде використовуватися надалі. Знання реальних значень параметрів конкретного ОП дозволяє оцінити похибку схеми перетворення сигналу і вирішити питання про доцільність використання даного ОП в конкретній схемою.

Розрахунок діапазонів вимірювання:

Відповідно до технічного завдання необхідно застосувати вольтметр на 2 діапазони:

Для розрахунку кількості діапазонів необхідно мати на увазі, що стрілка має знаходитись у третій частині шкали для забезпечення точного вимірювання, Отже, у зв'язку з цим, розбиття діапазонів матиме наступний вигляд:

I діапазон 100-300 мВ

II діапазон 300-1000 мВ

Розрахунок коефіцієнта підсилення

Оскільки, ми реалізуємо на операційному підсилювачі, отже підсилення буде рівним коефіцієнту передачі ОП.

Коефіцієнт передачі

I діапазон К1=3,3*10=33,3

II діапазон К2=10

отже, обираємо

R2=1кОм

R4=33 кОм

R5=14,3 кОм,

Підключення додаткового діапазону вимірювання (300-1000 млВ) буде здійснюватись за допомогою перемикача J1.

Детектор

Схема являє собою випрямляч спільного призначення в високим вхідним опором і малим вихідним опором, при одиничному коефіцієнті передачі для неї треба лише одна узгоджена пара резисторів. При позитивних вхідних сигналах діод VD1 закритий, а діод VD2 - відкритий, Схема охоплена позитивним зворотнім зв'язком через резистори R6 R7 R8, напруга на інвертуючому вході ОП за рахунок дії зворотного зв'язку підтримується рівним вхідній напрузі, що і визначає вихідну напругу схеми. При негативних вхідних сигналах VD1 відкритий, а VD2 закритий, тепер ОП діє як повторювач, а ОП 2, як інвентор з коефіцієнтом передачі

Згідно за формулою

обираємо резистори

R7=5 кОм,

R8=2.5 kОм

R6=15 kOм

Детектор

Висновок

У даній роботі було спроектовано універсальний вольтметр для вимірювання постійної і напруги у середовищі програми Multisim. Даний пристрій складається з 5-ти блоків: повторювача напруги, подільника напруги, підсилювача напруги, детектора і вольтметра. Одержані значення не перевищують допустиму похибку яка задана у завданні на курсову роботу, отже пристрій модельовано вірно.

Список літератури

вольтметр напруга підсилювач multisim

1. Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной техники. ? К.: Вища школа, 1983.?455 с.

2. Измерения в электронике: Справ./ В.А. Кузнецов,

3. В.А. Долгов, В.М. Коневских и др.? М.: Энергоатомиздат, 1987.? 512 с.

4. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб. пособие для вузов /Н.Н. Евтихиев, Я.А. Купершмидт, В.Ф. Папуловский, В.Н. Скугоров. ?М.: Энергоатомиздат, 1990.?352 с.

5. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин: Учеб. пособие. - М.: Высш. шк., 1982.?223 с.

6. Мирский Г.Я. Электронные измерения. ? М.: Радио и связь, 1986.?440 с.

7. Полищук Е.С. Измерительные преобразователи ? К.: Вища шк., 1985.?321 с.

Размещено на Allbest.ru