Цифров мултимер


Категория на документа: Други



Входното устройство е най-често регулируем делител на напре-жение (атенюатор), чрез който се променя обхватът на волтметъра. Диодният преобразувател може да бъде за средна, максимална или ефективна стойност. Във волтметрите за ефективна стойност вместо него може да се използва термоелектрически преобразувател. Инди-каторът е магнитоелектрически милиамперметър или миливолт-метър.
Волтметърът от фиг. 2.1.а е с предварително усилване, т.е. измервателното напрежение след входното устройство постъпва в променливотоков ИУ. Усиленото напрежение се детектира и измерва. Тези волтметри са с по-ниски честотни възможности. Честотният им обхват зависи от качествата на усилвателя. Реализацията на усилватели с широк честотен обхват и голямо усилване е трудна. Волтметрите с предварително усилване се използват в обхвата от 10 - 20 Нz до няколко мегахерца. Съществено тяхно предимство е високата им чувствителност 20 - 50 mV на деление от скалата. Ако усилвателят е избирателен (само за определена често-та), чувствителността може да достигне до части от микроволта.

На фиг.2.1.б е показана структурната схема на волтметър с предварително преобразуване (детектиране). Те имат по-широк честотен обхват, който се определя от качествата на диодния преобразувател. Чувствителността им е по-ниска и достига няколко mV на деление. Тя зависи от диодния преобразувател и от дрейфа на измервателния усилвател, който е постояннотоков. По такава схема най-често се изграждат волтметри за максимална стойност. Посредством усилвателя се увеличава входното съпротивление на измервателния елемент И, а от там и точността на волтметъра. Честотният обхват на такива волтметри е от 10 - 20 Hz до няколко стотици MHz.

По схемата от фиг. 2.1.в се изграждат универсални волтметри - за постоянно напрежение. Променливо напрежение постъпва на диодния преобразувател и след това през входното устройство - в измервателния усилвател за постоянно напрежение. Измерваното постоянно напрежение се подава направо през ВУ към усилвателя. В този случай ДП е обикновено за максимална стойност, като волтметърът се градуира в ефективни стойности (при синусоидален режим). Честотните възможности и чувствителността на тези волтметри при променливо напрежение са както на волтметрите от фиг. 2.1.б.

2.2.2.Волтметри със затворена схема.

Метрологичните качества (точност, входно съпротивление, честотен обхват и др.) на електронните волтметри с предварително усилване се подобряват значително при използване на отрицателна обратна връзка (фиг. 2.2.). От схемата се вижда, че измервателният усилвател (ИУ) е заменен с усилвател (У), към който не се поставят метрологични изисквания. Освен това в схемата е въведен т.нар. обратен преобразувател (ОП). Чрез него част от изходната величина (uў0) се връща с обратен знак към входа на усилвателя. Напрежението uў0 се изважда от uўi и разликата Du постъпва в усилвателя У. Ако неговият коефициент на усилване клони към безкрайност, то Du (r) 0 и следователно ui = uў0. По този начин, без да се използва измервателен усилвател, може да се постигне висока точност на преобразуването и измерването. Главното изискване към усилвателя е да има колкото е възможно по-голям коефициент на усилване. Ако това е изпълнено, качествата на волтметъра ще се определят изключително от обратния преобразувател (ОП). Най-често той е активно съпротивление (когато uў0 е пропорционално на изходния ток) или делител на напрежение (когато uў0 е част от изходното напрежение). В случай, че делителят е честотно компенсиран, могат да се реализират волтметри с висока точност и с широк честотен обхват.

Фиг. 2.2.Структурна схема на волтметър със затворена схема

По своята същност схемата е компенсационна (сравняване на две напрежения), като компенсирането (анулирането на u)се извършва автоматично. Високите метрологични качества на компенсационните схеми от този вид определят широкото им приложение в съвременните електронни волтметри.
2.3. Принципни схеми на лампови, транзисторни и волтметри с интегрални микросхеми
2.3.1. Универсални електронни волтметри.

Тяхната структурна схема е показана на фиг. 2.1.в. Променливото напрежение се преобразува в постоянно и след това се усилва от измерителен усилвател за постоянен ток. Постояннотоковият усилвател е паралелнобалансен или мостов и има дълбока отрицателна обратна връзка. Това спомага за стабилизиране коефициента на усилване. Освен това паралелнобалансните усилвателни стъпала имат малък дрейф и лесно се балансират.

В зависимост от използваните електронни елементи електронните усилватели, а от там и волтметрите, могат да се разделят на лампови, транзисторни и с ИМС.
На фиг. 2.3. е показана принципната схема на лампов универсален волтметър (за постоянно и променливо напрежение). За простота отоплителните вериги на електронните лампи не са показани. Постоянното напрежение при положение "1" на превключвателя U постъпва директно на входа на усилвателя. Променливото напрежение се подава на входа на диодния преобразувател за максимална стойност със затворен вход (кондензатора С1 и ламповия диод Д). За измерване при по-ниски честоти двата кондензатора С1 и С"1 се включват паралелно, за да бъде по-малка грешката от разреждането. При по-високи честоти (над 20 kHz) в схемата остава само С1 с цел да се намали влиянието на паразитните индуктивности и капацитети, които са определящи за грешката при висока честота.

Фиг. 2.3.Принципна схема на лампов универсален волтметър за постоянно и променливо напрежение

При положение "2" на превключвателя К1 изходното напре-жение от диодния преобразувател постъпва на входа на постоянно-токовия усилвател. Той представлява паралелнобалансен катоден повторител, изпълнен с двойния триод ЕСС81. На втория вход на повторителя е подадено балансиращо напрежение от регулируемия резистор Rн. Чрез него се установява нулево показание на измерителния елемент И (микроамперметър) при свързани на късо входни клеми (1-1`, респективно 1-1``) на волтметъра. Микроампер-метърът (100 mА) е включен между катодите на двата триода през допълнителен резистор (R1 или R1 + R2). При измерване на постоянно напрежение (положение 1 на К2) се включва само R1, а при измерване на променливо напрежение (положение 2 на К2)- цялото съпротивление (R1 + R2). Резисторите R1 и R2 са регулируеми. Чрез тях се извършва регулиране на волтметъра за всеки обхват. Превключвателите К1 и К2 са на обща ос.

За увеличаване на чувствителността на волтметрите от този вид се използват по-сложни измервателни усилватели - след първия паралелнобалансен повторител се включва паралелнобалансен усилвател с аноден товар и др. С увеличаването на усилвателните стъпала обаче нараства нестабилността на нулевото показание (дрейфа). Обикновено минималният обхват на универсалните волтметри не е по-малък от 1 - 1,5 V. Показващият елемент се градуира в ефективни стойности на променливото напрежение (при синусоидален режим).

На фиг. 2.4. е показана схемата на универсален транзисторен волтметър. Диодният преобразувател е както в ламповия вариант. Транзисторният измервателен усилвател е двустъпален. Първото съпало е паралелнобалансен усилвател с полевите транзистори Т1 и Т"1. То е аналогично на паралелнобалансните стъпала с колекторен товар с обикновени транзистори. Полевите транзистори дават възможност да се увеличи значително входното съпротивление на усилвателя. Това е необходимо, тъй като в противен случай диодният преобразувател за максимална стойност ще работи с голяма грешка. Второто стъпало е паралелнобалансен емитерен повторител със силициеви NPN транзистори Т2 и Т"2. То не усилва по напрежение, а служи за съгласуване на товара (измерителният елемент - микроамперметър) с изхода на първия усилвател. Останалите елементи от схемата имат аналогично предназначение със съответните елементи на ламповата схема.

Фиг. 2.4. Принципна схема на универсален транзисторен волтметър

Полевите транзистори дават възможност да се реализират измервателни усилватели с по-малък дрейф от ламповите усилва-тели при едни и същи входни съпротивления и коефициенти на усилване.
В съвременните електронни измервателни уреди широко приложение намират полупроводниковите интегрални микросхеми (ИМС). На фиг.2.5 е показана сравнително проста принципна схема на волтметър за средна стойност, изпълнен с две ИМС - ИС1 и ИС2. В схемата за простота не са дадени входния делител и захранващо устройство.

Фиг. 2.5. Принципна схема на волтметър за средна стойност

Използваните в случая интегрални микросхеми са операционни усилватели (А702 или 140УД1Б). Те имат по два входа - инвертиращ (2), неинвертиращ (3) и един изход (7). Ако на инвертиращия вход се подаде положително напрежение, на изхода се получава отрицателно и обратно. При подаване на положително напрежение на неинвертиращия вход (3) - получава се положително изходно. Ако двата входа се свържат на шаси през еднакви резистори, на изхода ще се получи u0 = 0 с точност до несиметрията на усилвателя.

По вътрешна структура интегралните операционни схеми пред-ставляват многостъпални транзисторни усилватели с непосредствена (галванична) връзка между стъпалата. Поради това те могат да усилват напрежение с честота от 0 Hz (постоянни напрежения) до определена максимална честота. Входното стъпало е диференциално с два входа - 2, 3, и работи в микротоков режим (за постигане на високо входно съпротивление).

Първата част на волтметъра представлява изправител на променливо напрежение - операционен детектор, съставен от ИС1, диодите Д1, Д2 и резисторите R1, R2, R3. Операционният усилвател е обхванат от ООВ чрез веригите Д1-R2 и Д2-R3. Когато входното напрежение е u положително, изходното е отрицателно, защото диодът Д2 е отпушен и веригата за ООВ се затваря през R3. При обратна полувълна на u веригата за ООВ се затваря през отпушения диод Д1 и резистора R2. Тогава u ще бъде еднополупериодно изправено напрежение с положителна полярност, като амплитудата му ще е равна на амплитудата на входното напрежение.

Втората част на схемата на разглеждания волтметър представлява суматор, изграден с операционния усилвател ИС2.

2.3.2. Волтметри с предварително усилване.

Тяхната структурна схема е показана на фиг. 2.1.а. Измерваното напрежение постъпва на входа на измервателния усилвател и за това от него се определят чувствителността и честотните възможности на ЕИУ. Докато във волтметрите с предварително преобразуване честотният обхват достига до стотици мегахерци, при волтметрите с предварително усилване той не надвишава няколко MHz. За сметка на това чувствителността на тези волтметри може да бъде много голяма.
Увеличаването на чувствителността на волтметрите с предварително усилване не може да бъде самоцел, тъй като между основните показатели на променливотоковите усилватели съществува противоречива връзка. Колкото е по-голям коефициентът на усилване, толкова неговата стабилност е по-малка (намалява се точността) и честотният обхват на усилвателя е по-тесен. Стремежът към голяма чувствителност се ограничава от собствените шумове на усилвателя. Те нарастват при увеличаване на входното му съпротив-ление и честотния обхват. На практика при изработването на измервателни усилватели за електронни волтметри се приемат компромисни решения. Ако е необходима голяма чувствителност, възприема се по-тесен честотен обхват, ако е необходим широк честотен обхват - чувствителността и входното съпротивление се намаляват.




Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Цифров мултимер 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.