Реферат Вольтметр

скачать Реферат на тему: План: Введение 1 Классификация и принцип действия 1.1 Классификация 1.2 Аналоговые электромеханические вольтметры 1.3 Диодно-компенсационные вольтметры переменного тока 1.4 Селективные вольтметры 2 Наименования и обозначения 2.1 Видовые наименования 2.2 Обозначения 3 Основные нормируемые характеристики 4 История 5.1.2 Прочие ссылки 5.2 Литература и документация .1 Литература 6.1.2 Нормативно-техническая документация Введение Два цифровых вольтметра. Верхний — коммерческая модель. Нижний сконструировали студенты Берлинского технического университета Вольтметр (вольт + гр. μετρεω измеряю) — измерительный прибор непосредственного отсчёта для определения напряжения или ЭДС в электрических цепях. Подключается параллельно нагрузке или источнику электрической энергии. 1. Классификация и принцип действия 1.1. Классификация По принципу действия вольтметры разделяются на: электромеханические — магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, выпрямительные, термоэлектрические; электронные — аналоговые и цифровые По назначению: постоянного тока; переменного тока; импульсные; фазочувствительные; селективные; универсальные По конструкции и способу применения: щитовые; переносные; стационарные 1.2. Аналоговые электромеханические вольтметры Магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические и электростатические вольтметры представляют собой измерительные механизмы соответствующих типов с показывающими устройствами. Для увеличения предела измерений используются добавочные сопротивления. ПРИМЕРЫ: М4265, М42305, Э4204, Э4205, Д151, Д5055, С502, С700М Выпрямительный вольтметр представляет собой сочетание измерительного прибора, чувствительного к постоянному току (обычно магнитоэлектрического), и выпрямительного устройства. ПРИМЕРЫ: Ц215, Ц1611, Ц4204, Ц4281 Термоэлектрический вольтметр — прибор, использующий ЭДС одной или более термопар, нагреваемых током входного сигнала. ПРИМЕРЫ: Т16, Т218 1.3. Диодно-компенсационные вольтметры переменного тока Принцип действия диодно-компенсационных вольтметров состоит в сравнении с помощью вакуумного диода пикового значения измеряемого напряжения с эталонным напряжением постоянного тока с внутреннего регулируемого источника вольтметра. Преимущество такого метода состоит в очень широком рабочем диапазоне частот (от единиц герц до сотен мегагерц), с весьма хорошей точностью измерения, недостатком является высокая критичность к отклонению формы сигнала от синусоиды. ПРИМЕРЫ: В3-49, В3-63 (используется пробник 20 мм) В настоящее время разработаны новые типы вольтметров, такие как В7-83 (пробник 20 мм) и ВК3-78 (пробник 12 мм), с характеристиками аналогичными диодно-компенсационным. Последние в скором времени могут быть допущены к примерению в качестве рабочих эталонов. Из иностранных аналогов можно выделить вольтметры серии URV фирмы Rohde&Schwarz с пробниками диаметром 9 мм. 1.4. Селективные вольтметры Селективный вольтметр способен выделять отдельные гармонические составляющие сигнала сложной формы и определять среднеквадратичное значение их напряжения. По устройству и принципу действия этот вольтметр аналогичен супергетеродинному радиоприёмнику без системы АРУ, в качестве низкочастотных цепей которого используется электронный вольтметр постоянного тока. В комплекте с измерительными антеннами селективный вольтметр можно применять как измерительный приёмник. ПРИМЕРЫ: В6-4, В6-6, В6-9, В6-10, SMV 8.5, SMV 11, UNIPAN 233 (237), Селективный нановольтметр «СМАРТ» 2. Наименования и обозначения 2.1. Видовые наименования Нановольтметр — вольтметр с возможностью измерения очень малых напряжений (менее 1мкВ) Микровольтметр — вольтметр с возможностью измерения очень малых напряжений (менее 1мВ) Милливольтметр — вольтметр для измерения малых напряжений (единицы — сотни милливольт) Киловольтметр — вольтметр для измерения больших напряжений (более 1 кВ) Векторметр — фазочувствительный вольтметр 2.2. Обозначения Электроизмерительные вольтметры обозначаются в зависимости от их принципа действия Дxx — электродинамические вольтметры Мxx — магнитоэлектрические вольтметры Сxx — электростатические вольтметры Тxx — термоэлектрические вольтметры Фxx, Щxx — электронные вольтметры Цxx — вольтметры выпрямительного типа Эxx — электромагнитные вольтметры Радиоизмерительные вольтметры обозначаются в зависимости от их функционального назначения по ГОСТ 15094 В2-xx — вольтметры постоянного тока В3-xx — вольтметры переменного тока В4-xx — вольтметры импульсного тока В5-xx — вольтметры фазочувствительные В6-xx — вольтметры селективные В7-xx — вольтметры универсальные 3. Основные нормируемые характеристики Диапазон измерения напряжений Допустимая погрешность или класс точности Диапазон рабочих частот 4. История Первым в мире вольтметром был «указатель электрической силы» русского физика Г. В. Рихмана (1745). Принцип действия «указателя» используется в современном электростатическом вольтметре. Для измерения относительного значения: Измерители отношений напряжений Измерители нестабильности напряжений Преобразователи: Электронные преобразователи напряжений измерительные трансформаторы напряжения Меры: Нормальный элемент — однозначная мера Калибраторы напряжения — многозначные меры 5.1.2. Прочие ссылки Вольт Амперметр Омметр Мультиметр Измерительный прибор Радиоизмерительные приборы Электроизмерительные приборы Список параметров напряжения и силы электрического тока 5.2. Литература и документация Литература Справочник по электроизмерительным приборам; Под ред. К. К. Илюнина — Л.:Энергоатомиздат, 1983 Справочник по радиоизмерительным приборам: В 3-х т.; Под ред. В. С. Насонова — М.:Сов. радио, 1979 6.1.2. Нормативно-техническая документация ГОСТ 8711-93 (МЭК 51-2-84) Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 2. Особые требования к амперметрам и вольтметрам ГОСТ 8.006-72, ГОСТ 8.012-72, ГОСТ 8.117-82, ГОСТ 8.118-85, ГОСТ 8.119-85, ГОСТ 8.402-80, ГОСТ 8.429-81, ГОСТ 8.497-83 — методики поверки вольтметров разных видов ТУ Тч2.710.010 Вольтметры универсальные цифровые скачать Данный реферат составлен на основе статьи из русской Википедии. Синхронизация выполнена 10.07.11 16:13:47 Категории: Измерительные приборы, Электроизмерительные приборы, Радиоизмерительные приборы. Текст доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike.

Реферат — Электронные вольтметры — Цифровые устройства

ЭЛЕКТРОННЫЕ ВО ЛЬТМЕТРЫ

Определение и классификация. Электронным вольтмет­ром называется прибор, показания которого вызываются током электронных приборов, т. е. энергией источника пи­тания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет то­ком электронных приборов, благодаря чему входное сопро­тивление электронных вольтметров достигает весьма боль­ших значений и они допускают значительные перегрузки.

Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дис­кретные. В аналоговых вольтметрах измеряемое напряже­ние преобразуется в пропорциональное значение постоян­ного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроампер­метром, шкала которого градуируется в единицах напряже­ния (вольты, милливольты, микровольты). В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду преобразований, в результате которых аналоговая измеряе­мая величина преобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается на индикаторном устройстве в виде светящихся цифр. Аналоговые и дискретные вольтметры ча­сто называют

стрелочными и цифровыми соответственно.

По роду тока электронные вольтметры делятся на вольт­метры постоянного напряжения, переменного напряжения, Универсальные и импульсные. Кроме того, имеются вольт­метры с частотно-избирательными свойствами — селектив­ные.

При разработке электронных вольтметров учитываются следующие основные технические требования: высокая чувствительность; широкие пределы измеряемого напряжения; широкий диапазон рабочих частот; большое входное сопро­тивление и малая входная емкость; малая погрешность; известная зависимость показаний от формы кривой измеря­емого напряжения. Перечисленные требования нельзя удов­летворить в одном приборе, поэтому выпускаются вольт­метры с разными структурными схемами.

Вольтметры переменного напряжения. Электронный вольтметр переменного напряжения состоит из преобразова­теля переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического индикатора. Часто на входе вольт­метра устанавливается калиброванный делитель напряже­ния. с помощью которого увеличивается верхний предел измеряемого напряжения. В зависимости от вида преобразования показание вольтметра может быть про­порционально амплитудно­му (пиковому), средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения.

Рис.1. Структурная схема ана­логового электронного вольтметра с амплитудным преобразователем

Однако следует иметь в виду, что шкалу любого электронного вольтметра градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряже­ния синусоидальной формы. Исключение составляют им­пульсные вольтметры, шкалу которых градуируют в ам­плитудных значениях.

Вольтметр амплитудного (пикового) значения (рис.1) состоит из амплитудного преобразователя АПр, усилителя постоянного тока УПТ и магнитоэлектрического индика­тора, градуированного в вольтах. На входе вольтметра иногда предусматривается делитель напряжения ДН. Ам­плитудный преобразователь выполняют по схеме с откры­тым или закрытым входом.

Амплитудный преобразователь с открытым входом (рис.2, а) представляет собой последовательное соеди­нение вакуумного диода Д с параллельно соединенными ре­зистором Л? и конденсатором С. Если к зажимам 1—2 при­ложено напряжение u = Um sinwt от источника с внутрен­ним сопротивлением ri , то конденсатор через диод заря­жается до некоторого значения Uc , которое приложено к электродам диода так, что он большую часть периода закрыт, т. е. работает в режиме отсечки (рис. 2, б). В те­чение каждого периода диод открывается на некоторый промежуток времени ‘t1 — ‘t2 тогда и > U c и конденсатор подзаряжается импульсом тока iД до напряжения Uc • постоянная времени заряда tз = (Ri +RД )С, где R Д — сопротивление открытого диода. Затем диод закрывается и конденсатор разряжается через резистор R в течение ин­тервала t2 — ‘t1 постоянная времени разряда tp = RC.

Постоянные времени должны отвечать следующим усло­виям: tз < 1/f в и tp > I/f н где f в и f н — границы частотного диапазона вольтметра. Очевидно, что tз << tp и R >> Ri +RД. В широкодиапазонных вольтметрах неравенство: tз < 1/f в выполнить не удается, и потому на высоких ча­стотах процесс установления длится в течение нескольких периодов измеряемого напряжения.

а) б)

Рис.2. Амплитудный преобразователь с открытым входом

Результатом амплитудного преобразования является среднее значение слабопульсирующего напряжения Uc, которое в отличие от Um называют пиковым значением Uпик .

Uпик = Um cos q

Где q — угол отсечки диода.

Напряжение Uпик поступает на вход усилителя постоян­ного тока, входное сопротивление которого большое, а выходное — малое. УПТ служит для согласования выходного сопротивления преобразователя с сопротивлением индика­тора и для повышения чувствительности вольтметра.

Амплитудный преобразователь с закрытым входов (рис. 3) представляет собой последовательное соединение конденсатора постоянной емкости С с параллельно соеди­ненными диодом Д и резистором R. Процесс преобразова­ния переменного напряжения в постоянное Uпик аналогичен рассмотренному выше, с тем отличием, что на зажимах 3—4 име­ются значительные пульсации напряжения, для сглаживания которых предусмотрен фильтр.

Рис. 3. Принципиальная схема амплитудного преобра­зователя с закрытым входом

Процессы преобразования пульсирующего напряжения преобразователем с открытым и закрытым входом различны и зависят от полярности подключения к входным зажи­мам /—2 постоянной составляющей пульсирующего напря­жения. Если на вход амплитудного преобразователя с от­крытым входом включено пульсирующее напряжение так,

Рис. 4. Диаграммы напряжении в амплитудных преоб­разователях: а—с открытым входом; б — с закрытым входом

что «+» постоянной составляющей приложен к аноду| диода, то выходное напряжение Uпик »Umax =U0+Um+, где Uo — постоянная составляющая, а Um+ — амплитуда положительного полупериода переменной составляющей (рис.4, а). Если к аноду диода приложен «—» постоянной составляющей, то диод закрыт все время и преобразования нет. Если к аноду амплитудного преобразователя с закры­тым входом приложено пульсирующее напряжение, то кон­денсатор С заряжен постоянной составляющей U0преобразователь реагирует только на переменную составляющую. если к аноду диода приложен «+», то выходное напряже­ние Uпик » Um+, a если «—», то Uпик » Um- (рис. 4, б). Это полезное свойство вольтметров с закрытым входом из­мерять отдельно значения напряжения положительного или отрицательного полупериодов широко используется для определения симметричности амплитудной модуляции, на­личия ограничения сигналов и т.д. Амплитудные (пиковые вольтметры характеризуются невысокой чувствительностью (порог чувствительности »0.1В) и широкой полосой частот (до 1 ГГц).

Вольтметр средневыпрямленного значения (рис.6) состоит из входного делителя напряжения ДЯ, широкопо­лосного транзисторного усилителя ШУ, выпрямительного преобразователя Пр и магнитоэлектрического индикатора.

Рис.5. Структурная схема универсаль­ного вольтметра

Входное сопротивление делителя напряжения высокое, и если усилитель имеет низкое входное сопротивление, то между ними ставится узел согласования — преобразователь сопротивлений (с высоким входным и низким выходным сопротивлениями). Выходное напряжение усилителя посту­пает на выпрямительный преобразователь, и через микроамперметр протекает постоянная со­ставляющая выпрямленно­го тока, пропорциональная средневыпрямленному зна­чению измеряемого напряжения.

Рис.6. Структурная схема вольтметра высокой чувствительности

Шкалу индикатора градуируют в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения.

Вольтметры, построенные по такой структурной схеме, характеризуются высокой чувствительностью (микро- и милливольты) и сравнительно узкой полосой частот изме­ряемых напряжений (1; 5; 10МГц). Обе эти характеристики определяются усилителем переменного напряжения.

Вольтметр среднеквадратического (действующего) зна­чения строится по структурной схеме рис.6. Применя­ются преобразователи с квадратичной характеристикой, обеспечивающей измерение среднеквадратического значе­ния напряжения любой формы. К таким преобразователям относятся, в первую очередь, термоэлектрические и оптронные. На базе термоэлектрических преобразователей (см. рис-. 3-15, г) создан преобразователь среднеквадратического значения [б], работающий на двух идентичных элементах ТПр1 и ТПр2 (рис. 7) и дифференциальном усилителе ДУ (микросхеме). Нагреватель первого термопреобразова­теля подключен к выходу широкополосного усилителя, т. е. в цепь измеряемого напряжения Ux, а нагреватель вто­рого — к выходу дифференциального усилителя ДУ, т. е. в цепь отрицательной обратной связи. ТермоЭДС первого преобразователя Ет1 =aт U2x второго — Ет2 =aт U2вых, где Ux и (Uвых —среднеквадратические значения измеряе­мого и выходного напряжений соответственно.

Рис.7. Схема термоэлектрического пре­образователя среднеквадратического зна­чения напряжения

Термопары включены встречно. Применяют диф­ференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления. Выходное напря­жение среднеквадратического преобразователя связано ли­нейной зависимостью со среднеквадратическим значением измеряемого напряжения.

Основная погрешность преобразования обусловлена не ­идентичностью параметров термопреобразователей, увели­чивающейся с их старением, и составляет 2,5—6 %.

Вольтметры постоянного напряжения. Рассмотренный выше (рис.5) универсальный вольтметр позволяет из­мерять постоянное напряжение от десятых долей вольта и выше. Для измерения меньших значений (от 0,5 мкВ) применяют высокочувствительные электронные вольтметры с преобразованием постоянного напряжения в переменное, которое после значительного усиления вновь преобразуется в постоянное и измеряется магнитоэлектрическим микро­амперметром.

Цифровые электронные вольтметры. Принцип работы вольтметров дискретного действия состоит в преобразова­нии измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код, который отображается на табло в цифровой форме. В соответствии с этим обобщен­ная структурная схема цифрового вольтметра состоит из входного устройства ВхУ, аналого-цифрового преобразователя АЦП и цифрового индикатора Ц И.

Рис.8 Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра.

Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразова­нием. Принцип работы заключается в преобразовании из­меряемого напряжения Ux в пропорциональный интервал времени ДГ, измеряемый числом N заполняющих его им­пульсов со стабильной частотой следования.

Вольтметр (рис. 3-30, а) работает циклами, длительность которых Т устанавливается с помощью управляющего уст­ройства УУ и обычно равна или кратна периоду питающей сети. Для единичного измерения Ux предусмотрен ручной запуск.

Погрешность измерения возникает вследствие нелиней­ности изменения линейнопадающего напряжения, неста­бильности порога срабатывания сравнивающих устройств.

Рис. 3-30. Цифровой вольтметр с время-импульс­ным преобразованием

и возможности потери счетного импульса, т. е. погрешности дискретности. Основная погрешность составляет обычно 0,1 %. Помехоустойчивость вольтметров с время-импульс­ным преобразованием низкая, так как любая помеха вызы­вает изменение момента срабатывания сравнивающего уст­ройства. Главным достоинством этих вольтметров является их сравнительная простота.

Цифровой вольтметр с частотным преобразованием. Принцип действия заключается в преобразовании измеряе­мого напряжения в пропорциональную ему частоту следова­ния импульсов, измеряемую цифровым частотомером.

Цифровой вольтметр с двойным интегрированием. Прин­цип его работы подобен принципу времямпульсного пре­образования, с тем отличием, что здесь образуются два вре­менных интервала в течение цикла измерения, длительность которого устанавливается кратной периоду помехи. Таким образом определяется среднее значение измеряемого напря­жения, а помеха подавляется. Эти вольтметры являются более точными и помехоустойчивыми по сравнению с рас­смотренными выше, однако время измерения у них больше.

Вольтметр следящего уравновешивания работает не цик­лами, а непрерывно реагируя на изменение измеряемого напряжения: сумма образцовых напряжений принимает большее или меньшее значение в зависимости от значения измеряемого напряжения. Когда достигается равенство Ux =åUобр. код преобразуется в показание, а состояние прибора остается неизменным до тех пор, пока не изменится значение Ux.Преимущество вольтмет­ров следящего уравновешивания заключается в уменьше­нии статической и динамической погрешности и в повыше­нии быстродействие.

Реферат: Электронные вольтметры

ЭЛЕКТРОННЫЕ ВО ЛЬТМЕТРЫ

Определение и классификация. Электронным вольтмет­ром называется прибор, показания которого вызываются током электронных приборов, т. е. энергией источника пи­тания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет то­ком электронных приборов, благодаря чему входное сопро­тивление электронных вольтметров достигает весьма боль­ших значений и они допускают значительные перегрузки.

Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дис­кретные. В аналоговых вольтметрах измеряемое напряже­ние преобразуется в пропорциональное значение постоян­ного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроампер­метром, шкала которого градуируется в единицах напряже­ния (вольты, милливольты, микровольты). В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду преобразований, в результате которых аналоговая измеряе­мая величина преобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается на индикаторном устройстве в виде светящихся цифр. Аналоговые и дискретные вольтметры ча­сто называют стрелочными и цифровыми соответственно.

По роду тока электронные вольтметры делятся на вольт­метры постоянного напряжения, переменного напряжения, Универсальные и импульсные. Кроме того, имеются вольт­метры с частотно-избирательными свойствами — селектив­ные.

При разработке электронных вольтметров учитываются следующие основные технические требования: высокая чувствительность; широкие пределы измеряемого напряжения; широкий диапазон рабочих частот; большое входное сопро­тивление и малая входная емкость; малая погрешность; известная зависимость показаний от формы кривой измеря­емого напряжения. Перечисленные требования нельзя удов­летворить в одном приборе, поэтому выпускаются вольт­метры с разными структурными схемами.

Вольтметры переменного напряжения. Электронный вольтметр переменного напряжения состоит из преобразова­теля переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического индикатора. Часто на входе вольт­метра устанавливается калиброванный делитель напряже­ния. с помощью которого увеличивается верхний предел измеряемого напряжения. В зависимости от вида преобразования показание вольтметра может быть про­порционально амплитудно­му (пиковому), средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения.

Рис.1. Структурная схема ана­логового электронного вольтметра с амплитудным преобразователем

Однако следует иметь в виду, что шкалу любого электронного вольтметра градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряже­ния синусоидальной формы. Исключение составляют им­пульсные вольтметры, шкалу которых градуируют в ам­плитудных значениях.

Вольтметр амплитудного (пикового) значения (рис.1) состоит из амплитудного преобразователя АПр, усилителя постоянного тока УПТ и магнитоэлектрического индика­тора, градуированного в вольтах. На входе вольтметра иногда предусматривается делитель напряжения ДН. Ам­плитудный преобразователь выполняют по схеме с откры­тым или закрытым входом.

Амплитудный преобразователь с открытым входом (рис.2, а) представляет собой последовательное соеди­нение вакуумного диода Д с параллельно соединенными ре­зистором Л? и конденсатором С. Если к зажимам 1—2 при­ложено напряжение u = U_m sinwt от источника с внутрен­ним сопротивлением r_i , то конденсатор через диод заря­жается до некоторого значения U_c , которое приложено к электродам диода так, что он большую часть периода закрыт, т. е. работает в режиме отсечки (рис. 2, б). В те­чение каждого периода диод открывается на некоторый промежуток времени ‘t₁ - ‘t₂ тогда и > U _c и конденсатор подзаряжается импульсом тока i_Д до напряжения Uc • постоянная времени заряда t_з = (R_i +R_Д ) С, где R _Д — сопротивление открытого диода. Затем диод закрывается и конденсатор разряжается через резистор R в течение ин­тервала t₂ — ‘t₁ постоянная времени разряда t_p = RC.

Постоянные времени должны отвечать следующим усло­виям: t_з < 1/f _в и t_p > I/f _н где f _в и f _н — границы частотного диапазона вольтметра. Очевидно, что t_з << t_p и R >> R_i +R_Д. В широкодиапазонных вольтметрах неравенство: t_з < 1/f _в выполнить не удается, и потому на высоких ча­стотах процесс установления длится в течение нескольких периодов измеряемого напряжения.

а) б)

Рис.2. Амплитудный преобразователь с открытым входом

Результатом амплитудного преобразования является среднее значение слабопульсирующего напряжения Uc, которое в отличие от Um называют пиковым значением U_пик .

U_пик = U_m cos q

Где q — угол отсечки диода.

Напряжение U_пик поступает на вход усилителя постоян­ного тока, входное сопротивление которого большое, а выходное — малое. УПТ служит для согласования выходного сопротивления преобразователя с сопротивлением индика­тора и для повышения чувствительности вольтметра.

Амплитудный преобразователь с закрытым входов (рис. 3) представляет собой последовательное соединение конденсатора постоянной емкости С с параллельно соеди­ненными диодом Д и резистором R. Процесс преобразова­ния переменного напряжения в постоянное U_пик аналогичен рассмотренному выше, с тем отличием, что на зажимах 3—4 име­ются значительные пульсации напряжения, для сглаживания которых предусмотрен фильтр.

Рис. 3. Принципиальная схема амплитудного преобра­зователя с закрытым входом

Процессы преобразования пульсирующего напряжения преобразователем с открытым и закрытым входом различны и зависят от полярности подключения к входным зажи­мам /—2 постоянной составляющей пульсирующего напря­жения. Если на вход амплитудного преобразователя с от­крытым входом включено пульсирующее напряжение так,

Рис. 4. Диаграммы напряжении в амплитудных преоб­разователях: а—с открытым входом; б — с закрытым входом

что «+» постоянной составляющей приложен к аноду| диода, то выходное напряжение U_пик »U_max =U₀ +U_m+, где Uo — постоянная составляющая, а U_m+ — амплитуда положительного полупериода переменной составляющей (рис.4, а). Если к аноду диода приложен «—» постоянной составляющей, то диод закрыт все время и преобразования нет. Если к аноду амплитудного преобразователя с закры­тым входом приложено пульсирующее напряжение, то кон­денсатор С заряжен постоянной составляющей U₀ преобразователь реагирует только на переменную составляющую. если к аноду диода приложен «+», то выходное напряже­ние U_пик » U_m+, a если «—», то U_пик » U_m- (рис. 4, б). Это полезное свойство вольтметров с закрытым входом из­мерять отдельно значения напряжения положительного или отрицательного полупериодов широко используется для определения симметричности амплитудной модуляции, на­личия ограничения сигналов и т.д. Амплитудные (пиковые вольтметры характеризуются невысокой чувствительностью (порог чувствительности »0.1В) и широкой полосой частот (до 1 ГГц).

Вольтметр средневыпрямленного значения (рис.6) состоит из входного делителя напряжения ДЯ, широкопо­лосного транзисторного усилителя ШУ, выпрямительного преобразователя Пр и магнитоэлектрического индикатора.

Рис.5. Структурная схема универсаль­ного вольтметра

Входное сопротивление делителя напряжения высокое, и если усилитель имеет низкое входное сопротивление, то между ними ставится узел согласования — преобразователь сопротивлений (с высоким входным и низким выходным сопротивлениями). Выходное напряжение усилителя посту­пает на выпрямительный преобразователь, и через микроамперметр протекает постоянная со­ставляющая выпрямленно­го тока, пропорциональная средневыпрямленному зна­чению измеряемого напряжения.

Рис.6. Структурная схема вольтметра высокой чувствительности

Шкалу индикатора градуируют в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения.

Вольтметры, построенные по такой структурной схеме, характеризуются высокой чувствительностью (микро- и милливольты) и сравнительно узкой полосой частот изме­ряемых напряжений (1; 5; 10МГц). Обе эти характеристики определяются усилителем переменного напряжения.

Вольтметр среднеквадратического (действующего) зна­чения строится по структурной схеме рис.6. Применя­ются преобразователи с квадратичной характеристикой, обеспечивающей измерение среднеквадратического значе­ния напряжения любой формы. К таким преобразователям относятся, в первую очередь, термоэлектрические и оптронные. На базе термоэлектрических преобразователей (см. рис-. 3-15, г) создан преобразователь среднеквадратического значения [б], работающий на двух идентичных элементах ТПр1 и ТПр2 (рис. 7) и дифференциальном усилителе ДУ (микросхеме). Нагреватель первого термопреобразова­теля подключен к выходу широкополосного усилителя, т. е. в цепь измеряемого напряжения Ux, а нагреватель вто­рого — к выходу дифференциального усилителя ДУ, т. е. в цепь отрицательной обратной связи. ТермоЭДС первого преобразователя Е_т1 =a_т U²_x второго — Е_т2 =a_т U²_вых , где Ux и (Uвых —среднеквадратические значения измеряе­мого и выходного напряжений соответственно.

Рис.7. Схема термоэлектрического пре­образователя среднеквадратического зна­чения напряжения

Термопары включены встречно. Применяют диф­ференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления. Выходное напря­жение среднеквадратического преобразователя связано ли­нейной зависимостью со среднеквадратическим значением измеряемого напряжения.

Основная погрешность преобразования обусловлена не ­идентичностью параметров термопреобразователей, увели­чивающейся с их старением, и составляет 2,5—6 %.

Вольтметры постоянного напряжения. Рассмотренный выше (рис.5) универсальный вольтметр позволяет из­мерять постоянное напряжение от десятых долей вольта и выше. Для измерения меньших значений (от 0,5 мкВ) применяют высокочувствительные электронные вольтметры с преобразованием постоянного напряжения в переменное, которое после значительного усиления вновь преобразуется в постоянное и измеряется магнитоэлектрическим микро­амперметром.

Цифровые электронные вольтметры. Принцип работы вольтметров дискретного действия состоит в преобразова­нии измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код, который отображается на табло в цифровой форме. В соответствии с этим обобщен­ная структурная схема цифрового вольтметра состоит из входного устройства ВхУ, аналого-цифрового преобразователя АЦП и цифрового индикатора Ц И.

Рис.8 Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра.

Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразова­нием. Принцип работы заключается в преобразовании из­меряемого напряжения Ux в пропорциональный интервал времени ДГ, измеряемый числом N заполняющих его им­пульсов со стабильной частотой следования.

Вольтметр (рис. 3-30, а) работает циклами, длительность которых Т устанавливается с помощью управляющего уст­ройства УУ и обычно равна или кратна периоду питающей сети. Для единичного измерения Ux предусмотрен ручной запуск.

Погрешность измерения возникает вследствие нелиней­ности изменения линейнопадающего напряжения, неста­бильности порога срабатывания сравнивающих устройств.

Рис. 3-30. Цифровой вольтметр с время-импульс­ным преобразованием

и возможности потери счетного импульса, т. е. погрешности дискретности. Основная погрешность составляет обычно 0,1 %. Помехоустойчивость вольтметров с время-импульс­ным преобразованием низкая, так как любая помеха вызы­вает изменение момента срабатывания сравнивающего уст­ройства. Главным достоинством этих вольтметров является их сравнительная простота.

Цифровой вольтметр с частотным преобразованием. Принцип действия заключается в преобразовании измеряе­мого напряжения в пропорциональную ему частоту следова­ния импульсов, измеряемую цифровым частотомером.

Цифровой вольтметр с двойным интегрированием. Прин­цип его работы подобен принципу времямпульсного пре­образования, с тем отличием, что здесь образуются два вре­менных интервала в течение цикла измерения, длительность которого устанавливается кратной периоду помехи. Таким образом определяется среднее значение измеряемого напря­жения, а помеха подавляется. Эти вольтметры являются более точными и помехоустойчивыми по сравнению с рас­смотренными выше, однако время измерения у них больше.

Вольтметр следящего уравновешивания работает не цик­лами, а непрерывно реагируя на изменение измеряемого напряжения: сумма образцовых напряжений принимает большее или меньшее значение в зависимости от значения измеряемого напряжения. Когда достигается равенство U_x =åU_обр. код преобразуется в показание, а состояние прибора остается неизменным до тех пор, пока не изменится значение U_x .Преимущество вольтмет­ров следящего уравновешивания заключается в уменьше­нии статической и динамической погрешности и в повыше­нии быстродействие.

Похожие рефераты:

Измеритель отношения сигнал/шум ТВ канала

Метрологическое обеспечение и стандартизация измерений напряжения и тока

АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Нейрокомпьютерные системы

Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения с преобразовательными установками

Теория

Разработать лабораторный стенд для испытания устройств защиты судовых генераторов

Проектирование магистральной волоконно-оптической системы передачи с повышенной пропускной способностью

Оборудование летательных аппаратов

Основы метрологии

Методы позиционирования и сжатия звука

Коммутатор цифровых каналов системы передачи

Модернизация релейной защиты на тяговой подстанции Улан-Удэ на базе микропроцессорной техники

Использование цифровой лаборатории «Архимед» в школьном химическом эксперименте

Приемник цифровой системы передачи информации ВЧ-каналом связи по ВЛ

Интегральные логические элементы

Пассивные линейные измерительные преобразователи синусоидальных напряжений и токов

Реферат Цифровой измерительный вольтметр

Министерство    общего  и  профессионального   образования    Российской     Федерации
Новосибирский Государственный Технический                                                                                                   Университет                                     
Факультет Автоматики и Вычислительной Техники
Кафедра Сбора и Обработки Данных
                                                      

                                 КУРСОВОЙ        ПРОЕКТ
по дисцеплине :

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Тема:

 «Цифровой измерительный вольтметр»
                                                       Принял:

Группа:        А-51                                    Подпись:

Выполнил:  Рарова Т. Л.                                    Дата:
                                       Оглавление .
1.    Оглавление……………………………………………………………………….2

2.    Введение…………………………………………………………………………..3

3.    Техническое задание на курсовой проект…………………………..4

4.    Разработка структурной схемы………………………………………….5

5.    Разработка принципиальной схемы…………………………………..

5.1 Входной делитель……………………………………………………….

5.2 Входной усилитель…………………………………………………….

5.3 Устройство сравнения………………………………………………….

5.4 Аналогово-цифровой преобразователь……………………….

5.4.1 Переключатель……………………………………………………..

5.4.2 Интегратор……………………………………………………….

5.4.3 Компаратор……………………………………………………….

5.4.4
1.    Анализ погрешностей……………………………………………………..

2.    Проверка класса точности…………………………………………………

3.    Заключение……………………………………………………………………..39

4.    Список литературы. ………………………………………………………..40
1.
Введение.
В настоящее время широко применяются цифровые измерительные приборы(ЦИП) , имеющие ряд достоинств по сравнению с аналоговыми электроизмерительными приборами.

Цифровыми называются приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представляются в цифровой форме. В цифровых приборах в соответствии со значением мзмеряемой величины образуется код, а затем в соответствии с кодом изменияемая величина представляется на отчетном устройсве в цифровой форме.

Цифровой прибор включает в себя два обязательных функциональных узла: аналогово-цифровой преобразователь(АЦП) и цифровое отчетное устройство.

Аналогово-цифровые преобразователи предназначены для преобразования аналоговых сигналов в соответствующие им цифровые, то есть для преобразования сигналов с неприрывной шкалой значений в сигналы , имеющие имеющие дискретную шкалу значений. А отчетное устройство отражает значение измеряемой величины в цифровой форме.

Классификация методов преобразования напряжения в цифровой код весьма разнообразна. По виду алгоритма работы АЦП подразделяются на преобразователи , использующие методы последовательного счета, поразрядного кодирования и считывания.

Метод преобразования выбирается в зависимости от конкретных условий использования вольтметров , назначения вольтметра и их стоимости. Одним из отличительнх признаков , характеризующих  свойства преобразователей , является наличие или отсутствие в структурной схеме обратной связи. Поэтому по принципу действия АЦП делятся на преобразователи прямого преобразования (без обратной связи) и с обратной связью(уравновешиваемые , замкнутые), например  следящие и поразрядного кодирования.

Представителями алгоритма последовательного счета являются преобразователи с промежуточным преобразованием напряжения в другую аналоговую величину ( временный интервал, частоту ), а также интегрирующего типа. Последние обеспечивают высокую помехоустойчивость и точность , но уступают по быстродействию другим АЦП.

Наиболее распространненым вариантом пребразователей интегрирующего типа являются АЦП с двухтактным интегрированием (dual slope).

Интегрирующие двухтактные преобразователи обладают прекрасной точностью  исключают ошибки при распространении сигналов в схеме и компенсируют изменения частоты синхроимпульсов и постоянной времени интегратора, поскольку эти изменения воздействуют в равной степени на оба фронта пилообразного импульса . Преобразователь компенсирует также токи и напряжения смещения компататора , поскольку предусмотрены два перехода через нуль, обеспечивающие это.

Этот метод экономичен при применении в преобразователях высокого разрешения , но из-за большой постоянной времени цепей быстродействие преобразователей не превышает 100 преобразований/ секунду. Как правило, цифровая информация на выходе этих АЦП представляется в специальном коде, предназначенном для непосредственного управления светодиодными цифровыми табло с семисегментными индикаторами либо табло, выполненными на жидких кристаллах. 

2.
Разработка структурной схемы.

В цифровых измерительных приборах показания представляются в виде  дискретных чисел на отсчетном устройстве. Преимущества такого представления связаны  с уменьшением субъективных ошибок из-за параллакса и ускорением считывания.

В измерительных вольтметрах используются ,в основном, схемы интегрирующего АЦП(смотри ранее).

          В состав двухтактных интегрирующих АЦП обычно входят операционные усилители, компаратор напряжения, аналоговые ключи, источник опорного напряжения, двоично-десятичный счетчик, регистр ,дешифратор, генератор тактовых импульсов, выходные схемы управления(устройство индикации).

На рисунке 1 изображена структурная схема цифрового измерительного вольтметра.

Работа прибора ,согласно схеме, происходит следующим образом : входной сигнал проходит через входной аттенюатор(делитель и буферный усилитель) , управляемый устройством управления аттенюатором. Схема реализована так, что на устройство сравнения попадает всегда сигнал имеющий величину близкую к 0,1 вольт, то есть импульс сравнения равен 0,1 вольт. Этот импульс сравнения поступат с источника опорного напряжения.
Атоматический выбор пределов измерения происходит следующим образом :
Работа интегрирующих АЦП происходит в два такта:

первый такт: аналоговые ключи К2 и К3 разомкнуты, ключ К1 замкнут , так что неизвестное напряжение U1 подаётся в интегратор в течении времени T0 . Импульсы синхронизации обеспечиваются устройстовом управления. После фиксированного числа синхроимпульсов общей продолжительностью Т0 ключ К1 размыкается, а ключи К2 и К3 замыкаются, начался

второй такт:

в этот момент времени значение Uм равно :

                                                Uм=U1*T0\t                (1),

где t- постоянная времени интегратора. 

На вход интегратора подключается опорный входной сигнал, имеющий обраттую полярность по отношению к аналоговому входному напряжению U1, так что выходной сигнал интегратора уменьшается от Uм до нуля, и в этот момент устройстово управления блокируется до начала следующего цикла сброса. Напряжение на выходе интегратора теперь равно нулю, так что имеем

                                       0=Uм — Е0*T2/t                       (2)

Из выражения (1) и (2) получаем

                                       U1=E0*T2/T1.

Поскольку E0 и Т1 постоянны , показание счетчика (Т2) дает значение неизвестного аналового входного сигнала.

Благодаря ключу К3 интегратор разряжается на землю .

Из последнего уравнения видно , что метод двойного интегрирования обеспечивает независимость точности прибора от долговременной нестабильности элементов цепи интегрирования RC , а также от долговременной нестабильности частоты генератора тактовых импульсов . Медленные изменения величин R, C и частоты повторения счетных импульсов , из которых формируется интервал интегрирования первого такта T1 , могут привести лишь к небольшим изменениям общего времени измерения . Это объясняется тем , что влияние указанных изменений  взаимно компенсируется на двух интервалах интегрирования. Если , например, возрастает частота появления импульсов , то до момента начала компенсации  выходного напряжения интегратора будет проходить меньшее время (T1 уменьшится). Выходное напряжение интегратора U01 будет несколько меньшим ,чем оно было бы при прежней частоте , но на интервале интегрирования опорного напряжения разместится несколько большее число счетных импульсов , так как частота их стала выше. Таким образом, уменьшение выходного напряжения интегратора будет скомпенсировано. Если сопротивление или емкость цепи интегрирования изменяется , то это приведет  к соответствующему  изменению измеряемого и опорного напряжений на выходе интегратора , так что  эти изменения взаимно компенсируются. Погрешность измерения прибора в основном определяется нестабильностью  источника опорного напряжения  и нестабильностью коэффициента усиления входного усилителя. Структурная схема одного из цифровых вольтметров , основанных на этом методе , и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены в приложении 2 .ЦВ содержит усилитель А1 входного сигнала, интегратор, компаратор, триггеры Т1,Т2, одновибратор Ов ,логическую схему управления, источник опорного напряжения, генератор пуска , двоично-десятичный счетчик СТ с индикатором .В исходном состоянии RS- триггеры Т1 и Т2 находятся в состоянии «0» . Ключ К3 , управляемый  инверсным выходом триггера Т2 , замкнут , и на выходе  ОУ будет потенциал входа, близкий к нулю. Счетный вход СТ заперт сигналом 0 прямого выхода Т2 , и счетчик хранит результат предыдущего преобразования. Счетчик СТ устанавливается в состояние «0» сигналом ПУСК , который задерживается одновибратором Ов и поступает на вход S триггера Т2 , устанавливая его в состояние «1» . Это приводит к размыканию ключа К3 и отпиранию счетного входа СТ , который начинает считать импульсы генератора Гн тактовой частоты ft Входное измеряемое напряжение ,поступающее на вход интегратора через замкнутый ключ К2 , интегрируется .Интегрирование продолжается до переполнения счетчика СТ . Импульс переноса СТ устанавливает Т1 в «1» , размыкая тем самым К2 и замыкая К1.Опорное напряжение имеет противоположную полярность по отношению к измеряемому напряжению и выходное напряжение интегратора начинает изменяться в обратную сторону. Когда выходное напряжение интегратора станет равным U сравнения , компаратор срабатывает , и его выходной импульс устанавливает оба триггера в состояние «0». Схема приходит в исходное состояние.
Пусковой импульс

                                                                                                                                                                                t
                                                опорное напряжение

                                                                                                                                                                                t

                                U1

                                                выходное напряжение интегратора
                                                                                                                                                                                t

                                                                                           Uсравнения

                                                                                                импульс компаратора

                                                                                                                                                                                t

       t0 t1                 t2                                     t3
                                                импульс                        конец интервала

                                                переполнения              счета

Реферат на тему вольтметр — Морской флот

Вольтметр, что это такое? В первую очередь это прибор, который служит в качестве измерительного устройства величины напряжения до 1000В в сетях постоянного и переменного тока, промышленной частоты и используется в информационно-измерительных системах. Идеальный вольтметр обладает чрезвычайно высоким, бесконечным сопротивлением, за счет большого сопротивления прибора достигается наиболее высокая точность и широкие сферы использования.

Прибор предназначен для обеспечения математической и логической обработки измерений.

Виды вольтметров

Существует два вида вольтметров:

1. Портативные или переносные вольтметры, предназначенные для проверки (тестирования) напряжения в сети. Как правило, такой прибор включается в конструкцию тестера, различаются цифровые или стрелочные приборы, кроме измерения напряжения они выполняют функцию по измерению токов нагрузки, сопротивления цепи, температуры и т. д.
   Если цифровые приборы отличаются точностью показаний то типы вольтметров, относящиеся к аналоговым (стрелочным) приборам, способны реагировать на малейшие отклонения параметров, не определяемых цифровым прибором.
2. Стационарные приборы устанавливаются на приборных панелях в электрораспределительных щитах для контроля работы оборудования, эти приборы принадлежат к электромагнитному типу.

Классификация вольтметров

Приборы различаются по принципу действия, бывают электромеханические и электронные.

По назначению, приборы – импульсные, измеряющие сеть постоянного и переменного тока.

Как подключить вольтметр

Вольтметр включают в цепь параллельно нагрузке и источнику напряжения, это делается для того чтобы высокое сопротивление, используемое в приборе не оказывало влияние на показания прибора. Величина тока протекающего через прибор должна быть минимальной.

Рис. №1. Схема подключения вольтметра в электрическую сеть.

Технические характеристики вольтметра

Нормальная работа вольтметра возможна при температуре воздуха не превышающая 25 – 30 о С с относительной влажностью воздуха до 80% при атмосферном давлении 630 – 800мм рт. ст. Частота питающей сети 50 Гц и с напряжением 220В (частотой до 400 Гц). На измерение большое влияние оказывает форма кривой переменного напряжения питающей сети – синусоида с коэффициентом гармоник не более 5%.

Возможности прибора оцениваются при помощи следующих показателей:

1. Сопротивление прибора.
2. Диапазон измеряемых величин напряжения.
3. Класс точности измерений.
4. Предельные границы частот напряжения переменной цепи.

Принцип действия прибора

В основу работы вольтметра заложен метод аналогово-цифрового преобразования с двухтактным интегрированием. Рассмотрим работу прибора на примере В7-35. Преобразователи установленные в конструкции, измеряя величины напряжения постоянного и переменного тока, силу тока, сопротивление, преобразуют в нормализованное напряжение и при использовании АЦП преобразуют в цифровой код.

Функциональная схема цифрового вольтметра работает на использовании 4 преобразователей это:

1. Масштабирующий преобразователь.
2. Низкочастотный прибор, преобразующий напряжение переменного тока в постоянный ток.
3. Преобразователь силы постоянного и переменного тока в напряжение.
4. Преобразователь сопротивления в напряжение.

Рис. №2.Схема цифрового вольтметра

Вольтметр переменного тока

Широкополосные электронные вольтметры, используемые в сетях переменного тока, имеют свои конструктивные особенности и свойственную только им градуировку. Степень воздействия на измеряемую цепь при исследовании зависит от входных параметров комплексное, это: входное активное сопротивление (Rв), при этом сопротивление должно быть наиболее высоким, емкость на входе (Cв), она должна быть как можно меньше и индуктивность (Lпр), она вместе с емкостью создает последовательный колебательный контур, отличающийся своей резонансной частотой.

Рис. №3. Схема подключения высокочастотного вольтметра.

Измерение сопротивления вольтметром

Низкоомный вольтметр с сопротивлением не более 15 Ом пригоден для измерения сопротивлений и выполняется при помощи формулы:

Rx = Rи * (U1/U2 – 1)

Для формулы используются сопротивление вольтметра Rв, а также 1 и 2 показания вольтметра, точность измерения не всегда соответствует действительности, так как замер осуществляется без учета внутреннего сопротивления прибора. Более точный результат достигается при использовании формулы:

Rx = (Rв + r ) * (U1/U2 — 1), внутреннее сопротивление – r.

При замере каждое последующее сопротивление должно быть большим по сопротивлению вольтметра и выполнятся с фиксацией каждого замера.

Для того чтобы определить какое напряжение показывает вольтметр руководствуются шкалой вольтметра, при помощи цены деления прибора. Она определяется по верхнему пределу замеряемого значения, которое делится на количество делений шкалы.

Постоянные времени должны отвечать следующим усло­виям: t_з I/f _н где f _в и f _н — границы частотного диапазона вольтметра. Очевидно, что t_з > R_i +R_Д. В широкодиапазонных вольтметрах неравенство: t_з 2 _x второго — Е_т2 =a_т U 2 _вых , где Ux и (Uвых —среднеквадратические значения измеряе­мого и выходного напряжений соответственно.

Рис.7. Схема термоэлектрического пре­образователя среднеквадратического зна­чения напряжения

Термопары включены встречно. Применяют диф­ференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления. Выходное напря­жение среднеквадратического преобразователя связано ли­нейной зависимостью со среднеквадратическим значением измеряемого напряжения.

Основная погрешность преобразования обусловлена не ­идентичностью параметров термопреобразователей, увели­чивающейся с их старением, и составляет 2,5—6 %.

Вольтметры постоянного напряжения. Рассмотренный выше (рис.5) универсальный вольтметр позволяет из­мерять постоянное напряжение от десятых долей вольта и выше. Для измерения меньших значений (от 0,5 мкВ) применяют высокочувствительные электронные вольтметры с преобразованием постоянного напряжения в переменное, которое после значительного усиления вновь преобразуется в постоянное и измеряется магнитоэлектрическим микро­амперметром.

Цифровые электронные вольтметры. Принцип работы вольтметров дискретного действия состоит в преобразова­нии измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код, который отображается на табло в цифровой форме. В соответствии с этим обобщен­ная структурная схема цифрового вольтметра состоит из входного устройства ВхУ, аналого-цифрового преобразователя АЦП и цифрового индикатора Ц И.

Рис.8 Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра.

Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразова­нием. Принцип работы заключается в преобразовании из­меряемого напряжения Ux в пропорциональный интервал времени ДГ, измеряемый числом N заполняющих его им­пульсов со стабильной частотой следования.

Диплом2.doc

Основной задачей при проектировании измерительных приборов было и остается достижение определенных метрологических характеристик. На разных этапах развития вычислительной техники эта задача решалась различными методами. Эти и технологические методы, сводились к совершенствованию технологии и конструктивные, и структурные. Структурные методы получили особое развитие при создании цифровых измерительных приборов. Улучшение метрологических характеристик и расширение функциональных возможностей приборов достигалось реализацией определенных структур, которые находятся в большинстве случаев эвристическим путем. Совершенствование элементной базы и большая интеграция цифровых схем привели к разработке структурно-алгоритмических методов, в которых усовершенствованные структуры сочетаются с реализацией вычислительных операций. Использование указанных методов позволило выполнять автоматическую коррекцию ряда производных измерений, сочетать различные методы преобразования формы информации и обеспечивать при этом высокое быстродействие и расширение функциональных возможностей приборов.

Последние годы отмечены массовым наполнением рынка всевозможной автоматизированной аппаратурой различного назначения и различной сложности.

Микроконтроллеры входят во все сферы жизнедеятельности человека, их насыщенность в нашем окружении растет ежегодно.

Широкой областью применения микроконтроллеров является измерительная техника. Появление первых микроконтроллерных измерительных приборов, так называемых «интеллектуальных» устройств, определило новое направление развития приборостроения.

По мере совершенствования микропроцессорной техники сложность таких приборов растет и это еще в большей степени реализуются возможности микроконтроллеров. Использование микроконтроллеров определило новый подход как к проектированию, так и к эксплуатации измерительных приборов.

Микроконтроллер (англ. microcontroller), или однокристальная микроЭВМ — выполнена в виде микросхемы специализированная микропроцессорная система, включающая процессор, блоки памяти для сохранения кода программ и данных, порты ввода-вывода и блоки со специальными функциями (счетчики, компараторы, АЦП и другие).

Используется микроконтроллер для управления электронными устройствами. По сути, это — однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

Микроконтроллеры можно встретить во многих современных приборах, таких как телефоны, стиральные машины, они отвечают за работу двигателей и систем торможения современных автомобилей, с их помощью создаются системы контроля и системы сбора информации. Подавляющее большинство процессоров, выпускаемых в мире — микроконтроллеры.

Измерение физических величин обычно осуществляется путем эксперимента и вычислений с помощью специальных технических средств. В зависимости от вида измеряемых величин, необходимой точности их, условий проведения эксперимента и вида необходимой информации используются различные средства измерительной техники, которые выдают соответствующие сигналы измерительной информации. Любая физическая измеряемая величина благодаря средствам измерения превращается в соответствующий сигнал,наблюдатель воспринимает непосредственно на шкале прибора, или после преобразования и обработки передается через каналы связи на другие средства измерения в виде сигнала совершенно другой физической величины.

Стремительный ход цифровых технологий привел к интенсивному использованию приборов с цифровой формой представления результатов измерений. Цифровые вольтметры прочно вошли в метрологии, что стало следствием таких их достоинств, как высокая точность и разрешение, широкий диапазон измерений, представление результатов измерений в цифровой форме (что сводит к минимуму ошибки и считывания показаний прибора на расстоянии), возможность получения результатов наблюдений в форме, удобной для ввода в компьютер, и возможность включения их в состав вычислительных комплексов.

Рассматриваемый в дипломном проекте электронной цифровой милливольтметр постоянного тока с светодиодным дисплеем является примером широкого применения микроконтроллеров. Благодаря тому, что микроконтроллер легко перепрограммировать, прибор можно усовершенствовать, изменив только программу.

Ремонт, наладка и регулирование любого радиоэлектронного устройства невозможны без радиоизмерительных приборов, среди которых вольтметр, амперметр и омметр.

Электронные вольтметры составляют наиболее многочисленную группу среди радиоизмерительных приборов. Эти вольтметры имеют большое сопротивление, как на низких, так и на высоких частотах, высокую чувствительность, потребляют малую мощность от измерительной цепи, пригодные для измерения средних выпрямительных, средних квадратических и максимальных значений переменных напряжений и импульсных сигналов длительностью, начиная с наносекунд.

Электронным вольтметром называется прибор, показания которого соответствуют величине измеряемого напряжения. Измеряемое напряжение поступает на входы высокоомных схем электронных приборов, благодаря чему входное сопротивление электронных вольтметров достигает весьма больших значений и они допускают значительные перегрузки.

Электронные вольтметры по роду измеряемого напряжения подразделяют на виды:

— Вольтметры постоянного напряжения;

— Вольтметры переменного напряжения;

— Вольтметры импульсного напряжения;

— Измерители отношения напряжений и их разности.

Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дискретные. В аналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в пропорциональное значение постоянного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроамперметром, шкала которого градуируется в единицах напряжения (вольты, милливольт, микровольт). В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду преобразований, в результате которых аналоговая измеряемая величина преобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается на индикаторном устройстве в виде цифр, светящиеся. Аналоговые и дискретные вольтметры часто называют стрелочными и цифровыми соответственно.

В настоящее время цифровые измерительные приборы применяются очень широко, поскольку имеют такой ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми приборами — высокая точность и разрешение, широкий диапазон измерений, представление результатов измерений в цифровой форме.

К недостаткам использования цифровых вольтметров относят сложность схем и конструкции, высокой стоимости, малой надежности, поскольку использование высококачественных электронных приборов всегда требовало высокой точности и качества работы. По сути, эти недостатки являются ретроспективой данного вида измерительных приборов. Их можно отнести к разряду временных, поскольку уже в настоящее время они устраняются благодаря быстрому развитию микроэлектроники. И чем интенсивнее будет развиваться эта наука, тем эффективнее будет становиться использование всего семейства электронных измерительных приборов.

Принцип работы ГО состоит в преобразовании измерительной постоянной или напряжения, медленно меняется в электрический код, который отображается на табло в цифровой форме. Согласно этим обобщенная структурная схема цифрового вольтметра состоит из входного устройства (ВХП), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифрового индикатора (ЦИ).

Аналого-цифровые преобразователи предназначены для преобразования аналоговых сигналов в соответствующих им цифровые, то есть для преобразования сигналов с непрерывной шкале значений в сигналы, имеющие дискретную шкалу значений. А на отчетном экране отображается значение измеряемой величины в цифровой форме.

В измерительных вольтметрах используются, в основном, схемы интегрирующего АЦП, и проектируемый прибор не является исключением. В состав двухтактных интегрирующих АЦП обычно входят операционные усилители, компаратор напряжения, аналоговые ключи, источник опорного напряжения, двоично-десятичный счетчик, регистр дешифратор, генератор тактовых импульсов, выходные схемы управления.

Вольтметры переменного напряжения. Электронный вольтметр переменного напряжения состоит из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического индикатора. Часто на входе вольтметра устанавливается делитель напряжения, калибруется. с помощью которого увеличивается верхний предел измеряемого напряжения. В зависимости от вида преобразования показания вольтметра может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному или среднестатистическому значению напряжения, которое измеряется.

При разработке электронных вольтметров учитываются следующие основные технические требования: высокая чувствительность; широкие пределы измеряемого напряжения; широкий диапазон рабочих частот, большой входное сопротивление и малая входная емкость; малая погрешность; известна зависимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения.

Наиболее удобными в эксплуатации приборами для измерения напряжения являются цифровые вольтметры. Они могут измерять как постоянные, так и переменные напряжения. Класс точности — до 0,001, диапазон — от единиц микровольт до нескольких киловольт. Современные микропроцессорные цифровые вольтметры оснащены клавиатурой и часто позволяют проводить измерения не только напряжения, но и тока, сопротивления и т.п., то есть являются многофункциональными измерительными приборами — тестерами (мультиметр или авометр).

Среди измерительных приборов цифровые вольтметры занимают особое место, так как они позволяют обеспечить автоматический выбор предела и полярности измеряемых напряжений; автоматическую коррекцию ошибок; малые погрешности измерения (0,01 — 0,001%) при широком диапазоне измеряемых напряжений (от 0,1 мкВ до 1000 В), выдачу результатов измерения в цифровом виде, документальную регистрацию, ввод измерительной информации в ЭВМ и сложные информационно-измерительные системы. Цифровой вольтметр по сравнению с аналоговым содержит аналогово-цифровой преобразователь (кодирующее устройство) (АЦП), устройство цифровой отсчета.

Цифровые вольтметры классифицируют по способу преобразования непрерывной величины в дискретную; структурной схемы АЦП; техническими средствами; способа компенсации.

По способу преобразования различают цифровые вольтметры с поразрядным кодированием и частотно-импульсными преобразованиями.

По способу структурной схемы АЦП цифровые вольтметры делятся на вольтметры прямого преобразования и уравновешивающего преобразования.

Под техническими средствами цифровые вольтметры делятся на электромеханические вольтметры и электронные вольтметры.

По способу в равновесие цифровые вольтметры делятся на вольтметры с следящей и разворачивающей в равновесие.

Основные параметры цифрового вольтметра

Точность преобразования определяется погрешностью квантования по уровню, что характеризуется количеством разрядов в исходном коде.

Погрешность цифрового вольтметра имеет две составляющие, одна из которых зависит от измеряемой величины (мультипликативная), а другая зависит (аддитивное). Такое представление связано с дискретным принципу измерения непрерывной величины, так как в процессе квантования возникает абсолютная погрешность, обусловленная конечным количеством уровней квантования. Абсолютная погрешность измерения напряжения:

ΔU = ± (yвидн Ux + m знаков), или ΔU = ± (yивидн Uкз + m знаков),

где, yвидн — относительная погрешность измерения; Ux-значение измеряемого напряжения; Uкз — конечное значение на выбранной предела измерения; m знаков — значение, определяет его единицей младшего разряда цифрового отсчетного устройства (аддитивная погрешность дискретности).

Основная допустимая относительная погрешность представляется и в другом виде: yвидн = ± (a + bUкз / Ux), где а и b — постоянные числа, характеризующие класс точности прибора. Первый член погрешности не зависит от показаний прибора, а второй увеличивается при уменьшении Ux, по гиперболическому закону.

В качестве примера рассмотрим схему цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием (рис.1.2.1) и цифрового вольтметра с двойным интегрированием (ис.1.2.2).

Рис.1.2.1 Схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием и временные диаграммы напряжений, поясняющие принцип компенсации

В основу работы цифрового вольтметра постоянного тока с время-импульсным преобразованием положений время-импульсный метод преобразования постоянного тока прямопропорционален интервалу времени с последующим измерением длительности интервала.

Погрешности прибора зависят от линейности и скорости измерений компенсирующего напряжения, стабильности генератора, генератора счетных импульсов, чувствительности устройства уравнивания, точности установки нуля или опорного напряжения.

Цифровой вольтметр

Введение

Основной задачей при  проектировании измерительных приборов было и остается достижение определенных метрологических характеристик. На разных этапах развития вычислительной техники эта задача решалась различными методами. Эти и технологические  методы, сводились к совершенствованию технологии и конструктивные, и структурные. Структурные методы получили особое развитие при создании цифровых измерительных приборов. Улучшение метрологических характеристик и расширение функциональных возможностей приборов достигалось реализацией определенных структур, которые находятся в большинстве случаев эвристическим путем. Совершенствование элементной базы и большая интеграция цифровых схем привели к разработке структурно-алгоритмических методов, в которых усовершенствованные структуры сочетаются с реализацией вычислительных операций. Использование указанных методов позволило выполнять автоматическую коррекцию ряда производных измерений, сочетать различные методы преобразования формы информации и обеспечивать при этом высокое быстродействие и расширение функциональных возможностей приборов.

Последние годы отмечены массовым наполнением рынка всевозможной автоматизированной аппаратурой различного назначения и различной сложности.

Микроконтроллеры входят во все сферы жизнедеятельности человека, их насыщенность в нашем окружении растет ежегодно.

Широкой областью применения микроконтроллеров является измерительная  техника. Появление первых микроконтроллерных измерительных приборов, так называемых «интеллектуальных» устройств, определило новое направление развития приборостроения.

По мере совершенствования  микропроцессорной техники сложность  таких приборов растет и это еще  в большей степени реализуются  возможности микроконтроллеров. Использование  микроконтроллеров определило новый подход как к проектированию, так и к эксплуатации измерительных приборов.

Микроконтроллер (англ. microcontroller), или однокристальная микроЭВМ — выполнена  в виде микросхемы специализированная микропроцессорная система, включающая процессор, блоки памяти для сохранения кода программ и данных, порты ввода-вывода и блоки со специальными функциями (счетчики, компараторы, АЦП и другие).

Используется микроконтроллер  для управления электронными устройствами. По сути, это — однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

Микроконтроллеры можно  встретить во многих современных  приборах, таких как телефоны, стиральные машины, они отвечают за работу двигателей и систем торможения современных автомобилей, с их помощью создаются системы контроля и системы сбора информации. Подавляющее большинство процессоров, выпускаемых в мире — микроконтроллеры.

Измерение физических величин обычно осуществляется путем эксперимента и вычислений с помощью специальных технических средств. В зависимости от вида измеряемых величин, необходимой точности их, условий проведения эксперимента и вида необходимой информации используются различные средства измерительной техники, которые выдают соответствующие сигналы измерительной информации. Любая физическая измеряемая величина благодаря средствам измерения превращается в соответствующий сигнал,наблюдатель воспринимает непосредственно на шкале прибора, или после преобразования и обработки передается через каналы связи на другие средства измерения в виде сигнала совершенно другой физической величины.

Стремительный ход цифровых технологий привел к интенсивному использованию приборов с цифровой формой представления результатов измерений. Цифровые вольтметры прочно вошли в метрологии, что стало следствием таких их достоинств, как высокая точность и разрешение, широкий диапазон измерений, представление результатов измерений в цифровой форме (что сводит к минимуму ошибки и считывания показаний прибора на расстоянии), возможность получения результатов наблюдений в форме, удобной для ввода в компьютер, и возможность включения их в состав вычислительных комплексов.

Рассматриваемый в дипломном  проекте электронной цифровой милливольтметр постоянного тока с светодиодным дисплеем является примером широкого применения микроконтроллеров. Благодаря тому, что микроконтроллер легко перепрограммировать, прибор можно усовершенствовать, изменив только программу.

 

Описываемая часть

Ремонт, наладка и регулирование  любого радиоэлектронного устройства невозможны без радиоизмерительных приборов, среди которых вольтметр, амперметр и омметр.

Электронные вольтметры составляют наиболее многочисленную группу среди радиоизмерительных приборов. Эти вольтметры имеют большое сопротивление, как на низких, так и на высоких частотах, высокую чувствительность, потребляют малую мощность от измерительной цепи, пригодные для измерения средних выпрямительных, средних квадратических и максимальных значений переменных напряжений и импульсных сигналов длительностью, начиная с наносекунд.

Электронным вольтметром  называется прибор, показания которого соответствуют величине измеряемого  напряжения. Измеряемое напряжение поступает  на входы высокоомных схем электронных приборов, благодаря чему входное сопротивление электронных вольтметров достигает весьма больших значений и они допускают значительные перегрузки.

Электронные вольтметры по роду измеряемого напряжения подразделяют на виды:

— Вольтметры постоянного напряжения;

— Вольтметры переменного  напряжения;

— Вольтметры импульсного  напряжения;

— Селективные вольтметры;

— Универсальные вольтметры;

— Измерители отношения  напряжений и их разности.

Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дискретные. В аналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в пропорциональное значение постоянного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроамперметром, шкала которого градуируется в единицах напряжения (вольты, милливольт, микровольт). В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду преобразований, в результате которых аналоговая измеряемая величина преобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается на индикаторном устройстве в виде цифр, светящиеся. Аналоговые и дискретные вольтметры часто называют стрелочными и цифровыми соответственно.

В настоящее время  цифровые измерительные приборы  применяются очень широко, поскольку  имеют такой ряд преимуществ  по сравнению с аналоговыми приборами — высокая точность и разрешение, широкий диапазон измерений, представление результатов измерений в цифровой форме.

К недостаткам использования  цифровых вольтметров относят сложность  схем и конструкции, высокой стоимости, малой надежности, поскольку использование  высококачественных электронных приборов всегда требовало высокой точности и качества работы. По сути, эти недостатки являются ретроспективой данного вида измерительных приборов. Их можно отнести к разряду временных, поскольку уже в настоящее время они устраняются благодаря быстрому развитию микроэлектроники. И чем интенсивнее будет развиваться эта наука, тем эффективнее будет становиться использование всего семейства электронных измерительных приборов.

Принцип работы ГО состоит  в преобразовании измерительной  постоянной или напряжения, медленно меняется в электрический код, который отображается на табло в цифровой форме. Согласно этим обобщенная структурная схема цифрового вольтметра состоит из входного устройства (ВХП), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифрового индикатора (ЦИ).

Аналого-цифровые преобразователи предназначены для преобразования аналоговых сигналов в соответствующих им цифровые, то есть для преобразования сигналов с непрерывной шкале значений в сигналы, имеющие дискретную шкалу значений. А на отчетном экране отображается значение измеряемой величины в цифровой форме.

В измерительных вольтметрах  используются, в основном, схемы  интегрирующего АЦП, и проектируемый  прибор не является исключением. В состав двухтактных интегрирующих АЦП  обычно входят операционные усилители, компаратор напряжения, аналоговые ключи, источник опорного напряжения, двоично-десятичный счетчик, регистр дешифратор, генератор тактовых импульсов, выходные схемы управления.

Вольтметры переменного  напряжения. Электронный вольтметр  переменного напряжения состоит из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического индикатора. Часто на входе вольтметра устанавливается делитель напряжения, калибруется. с помощью которого увеличивается верхний предел измеряемого напряжения. В зависимости от вида преобразования показания вольтметра может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному или среднестатистическому значению напряжения, которое измеряется.

При разработке электронных  вольтметров учитываются следующие  основные технические требования: высокая чувствительность; широкие пределы измеряемого напряжения; широкий диапазон рабочих частот, большой входное сопротивление и малая входная емкость; малая погрешность; известна зависимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения.

 

 

 

 

 

Аналитический обзор

 

Наиболее удобными в  эксплуатации приборами для измерения  напряжения являются цифровые вольтметры. Они могут измерять как постоянные, так и переменные напряжения. Класс  точности — до 0,001, диапазон — от единиц микровольт до нескольких киловольт. Современные микропроцессорные цифровые вольтметры оснащены клавиатурой и часто позволяют проводить измерения не только напряжения, но и тока, сопротивления и т.п., то есть являются многофункциональными измерительными приборами — тестерами (мультиметр или авометр).

Среди измерительных  приборов цифровые вольтметры занимают особое место, так как они позволяют  обеспечить автоматический выбор предела  и полярности измеряемых напряжений; автоматическую коррекцию ошибок; малые  погрешности измерения (0,01 — 0,001%) при широком диапазоне измеряемых напряжений (от 0,1 мкВ до 1000 В), выдачу результатов измерения в цифровом виде, документальную регистрацию, ввод измерительной информации в ЭВМ и сложные информационно-измерительные системы. Цифровой вольтметр по сравнению с аналоговым содержит аналогово-цифровой преобразователь (кодирующее устройство) (АЦП), устройство цифровой отсчета.

Цифровые вольтметры классифицируют по способу преобразования непрерывной величины в дискретную; структурной схемы АЦП; техническими средствами; способа компенсации.

По способу преобразования различают цифровые вольтметры с поразрядным кодированием и частотно-импульсными преобразованиями.

 

По способу структурной  схемы АЦП цифровые вольтметры делятся  на вольтметры прямого преобразования и уравновешивающего преобразования.

Под техническими средствами цифровые вольтметры делятся на электромеханические вольтметры и электронные вольтметры.

По способу в равновесие цифровые вольтметры делятся на вольтметры с следящей и разворачивающей в равновесие.

 

Основные параметры цифрового вольтметра

 

Точность преобразования определяется погрешностью квантования  по уровню, что характеризуется количеством  разрядов в исходном коде.

Погрешность цифрового  вольтметра имеет две составляющие, одна из которых зависит от измеряемой величины (мультипликативная), а другая зависит (аддитивное). Такое представление связано с дискретным принципу измерения непрерывной величины, так как в процессе квантования возникает абсолютная погрешность, обусловленная конечным количеством уровней квантования. Абсолютная погрешность измерения напряжения:

ΔU = ± (yвидн Ux + m знаков), или  ΔU = ± (yивидн Uкз + m знаков),

где, yвидн — относительная  погрешность измерения; Ux-значение измеряемого напряжения; Uкз — конечное значение на выбранной предела измерения; m знаков — значение, определяет его единицей младшего разряда цифрового отсчетного устройства (аддитивная погрешность дискретности).

Основная допустимая относительная погрешность представляется и в другом виде: yвидн = ± (a + bUкз / Ux), где а и b — постоянные числа, характеризующие класс точности прибора. Первый член погрешности не зависит от показаний прибора, а второй увеличивается при уменьшении Ux, по гиперболическому закону.

 

В качестве примера рассмотрим схему цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием (рис.1.2.1) и цифрового вольтметра с двойным интегрированием (ис.1.2.2).

Рис.1.2.1 Схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием  и временные диаграммы напряжений, поясняющие принцип компенсации

В основу работы цифрового  вольтметра постоянного тока с время-импульсным преобразованием положений время-импульсный метод преобразования постоянного тока прямопропорционален интервалу времени с последующим измерением длительности интервала.

Погрешности прибора  зависят от линейности и скорости измерений компенсирующего напряжения, стабильности генератора, генератора счетных импульсов, чувствительности устройства уравнивания, точности установки  нуля или опорного напряжения.

Реферат: Электронные вольтметры

ЭЛЕКТРОННЫЕ ВО ЛЬТМЕТРЫ

Определение и классификация. Электронным вольтметром называется прибор, показания которого вызываются током электронных приборов, т. е. энергией источника питания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет током электронных приборов, благодаря чему входное сопротивление электронных вольтметров достигает весьма больших значений и они допускают значительные перегрузки.

Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дискретные. В аналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в пропорциональное значение постоянного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроамперметром, шкала которого градуируется в единицах напряжения (вольты, милливольты, микровольты). В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду преобразований, в результате которых аналоговая измеряемая величина преобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается на индикаторном устройстве в виде светящихся цифр. Аналоговые и дискретные вольтметры часто называют стрелочными и цифровыми соответственно.

По роду тока электронные вольтметры делятся на вольтметры постоянного напряжения, переменного напряжения, Универсальные и импульсные. Кроме того, имеются вольтметры с частотно-избирательными свойствами — селективные.
При разработке электронных вольтметров учитываются следующие основные технические требования: высокая чувствительность; широкие пределы измеряемого напряжения; широкий диапазон рабочих частот; большое входное сопротивление и малая входная емкость; малая погрешность; известная зависимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения. Перечисленные требования нельзя удовлетворить в одном приборе, поэтому выпускаются вольтметры с разными структурными схемами.

Вольтметры переменного напряжения. Электронный вольтметр переменного напряжения состоит из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического индикатора. Часто на входе вольтметра устанавливается калиброванный делитель напряжения. с помощью которого увеличивается верхний предел измеряемого напряжения. В зависимости от вида преобразования показание вольтметра может быть пропорционально амплитудному
(пиковому), средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения.

Рис.1. Структурная схема аналогового электронного вольтметра с амплитудным преобразователем

Однако следует иметь в виду, что шкалу любого электронного вольтметра градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряжения синусоидальной формы. Исключение составляют импульсные вольтметры, шкалу которых градуируют в амплитудных значениях.
Вольтметр амплитудного (пикового) значения (рис.1) состоит из амплитудного преобразователя АПр, усилителя постоянного тока УПТ и магнитоэлектрического индикатора, градуированного в вольтах. На входе вольтметра иногда предусматривается делитель напряжения ДН. Амплитудный преобразователь выполняют по схеме с открытым или закрытым входом.
Амплитудный преобразователь с открытым входом (рис.2, а) представляет собой последовательное соединение вакуумного диода Д с параллельно соединенными резистором Л? и конденсатором С. Если к зажимам 1—2 приложено напряжение u = Um sin(t от источника с внутренним сопротивлением ri, то конденсатор через диод заряжается до некоторого значения Uc, которое приложено к электродам диода так, что он большую часть периода закрыт, т. е. работает в режиме отсечки (рис. 2, б). В течение каждого периода диод открывается на некоторый промежуток времени ‘t1 — ‘t2 тогда и>Uc и конденсатор подзаряжается импульсом тока iД до напряжения Uc • постоянная времени заряда (з = (Ri +RД ) С, где RД — сопротивление открытого диода.
Затем диод закрывается и конденсатор разряжается через резистор R в течение интервала t2 — ‘t1 постоянная времени разряда (p = RC.
Постоянные времени должны отвечать следующим условиям: (з
I/fн где fв и fн — границы частотного диапазона вольтметра. Очевидно, что
(з > Ri +RД. В широкодиапазонных вольтметрах неравенство: (з 1/fв выполнить не удается, и потому на высоких частотах процесс установления длится в течение нескольких периодов измеряемого напряжения.
[pic]

а) б)

Рис.2. Амплитудный преобразователь с открытым входом
Результатом амплитудного преобразования является среднее значение слабопульсирующего напряжения Uc, которое в отличие от Um называют пиковым значением Uпик.
Uпик = Umcos (
Где ( — угол отсечки диода.
Напряжение Uпик поступает на вход усилителя постоянного тока, входное сопротивление которого большое, а выходное — малое. УПТ служит для согласования выходного сопротивления преобразователя с сопротивлением индикатора и для повышения чувствительности вольтметра.
Амплитудный преобразователь с закрытым входов (рис. 3) представляет собой последовательное соединение конденсатора постоянной емкости С с параллельно соединенными диодом Д и резистором R. Процесс преобразования переменного напряжения в постоянное Uпик аналогичен рассмотренному выше, с тем отличием, что на зажимах 3—4 имеются значительные пульсации напряжения, для сглаживания которых предусмотрен фильтр.

Рис. 3. Принципиальная схема амплитудного преобразователя с закрытым входом

Процессы преобразования пульсирующего напряжения преобразователем с открытым и закрытым входом различны и зависят от полярности подключения к входным зажимам /—2 постоянной составляющей пульсирующего напряжения. Если на вход амплитудного преобразователя с открытым входом включено пульсирующее напряжение так,

[pic]
Рис. 4. Диаграммы напряжении в амплитудных преобразователях: а—с открытым входом; б — с закрытым входом что «+» постоянной составляющей приложен к аноду| диода, то выходное напряжение Uпик(Umax=U0+Um+, где Uo — постоянная составляющая, а Um+ — амплитуда положительного полупериода переменной составляющей (рис.4, а).
Если к аноду диода приложен «—» постоянной составляющей, то диод закрыт все время и преобразования нет. Если к аноду амплитудного преобразователя с закрытым входом приложено пульсирующее напряжение, то конденсатор С заряжен постоянной составляющей U0 преобразователь реагирует только на переменную составляющую. если к аноду диода приложен «+», то выходное напряжение Uпик(
Um+, a если «—», то Uпик( Um- (рис. 4, б). Это полезное свойство вольтметров с закрытым входом измерять отдельно значения напряжения положительного или отрицательного полупериодов широко используется для определения симметричности амплитудной модуляции, наличия ограничения сигналов и т.д. Амплитудные (пиковые вольтметры характеризуются невысокой чувствительностью (порог чувствительности (0.1В) и широкой полосой частот
(до 1 ГГц).
Вольтметр средневыпрямленного значения (рис.6) состоит из входного делителя напряжения ДЯ, широкополосного транзисторного усилителя ШУ, выпрямительного преобразователя Пр и магнитоэлектрического индикатора.

[pic]

Рис.5. Структурная схема универсального вольтметра

Входное сопротивление делителя напряжения высокое, и если усилитель имеет низкое входное сопротивление, то между ними ставится узел согласования — преобразователь сопротивлений (с высоким входным и низким выходным сопротивлениями). Выходное напряжение усилителя поступает на выпрямительный преобразователь, и через микроамперметр протекает постоянная составляющая выпрямленного тока, пропорциональная средневыпрямленному значению измеряемого напряжения.

Рис.6. Структурная схема вольтметра высокой чувствительности

Шкалу индикатора градуируют в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения.
Вольтметры, построенные по такой структурной схеме, характеризуются высокой чувствительностью (микро- и милливольты) и сравнительно узкой полосой частот измеряемых напряжений (1; 5; 10МГц). Обе эти характеристики определяются усилителем переменного напряжения.
Вольтметр среднеквадратического (действующего) значения строится по структурной схеме рис.6. Применяются преобразователи с квадратичной характеристикой, обеспечивающей измерение среднеквадратического значения напряжения любой формы. К таким преобразователям относятся, в первую очередь, термоэлектрические и оптронные. На базе термоэлектрических преобразователей (см. рис-. 3-15, г) создан преобразователь среднеквадратического значения [б], работающий на двух идентичных элементах
ТПр1 и ТПр2 (рис. 7) и дифференциальном усилителе ДУ (микросхеме).
Нагреватель первого термопреобразователя подключен к выходу широкополосного усилителя, т. е. в цепь измеряемого напряжения Ux, а нагреватель второго — к выходу дифференциального усилителя ДУ, т. е. в цепь отрицательной обратной связи. ТермоЭДС первого преобразователя Ет1 =aтU2x второго — Ет2
=aтU2вых, где Ux и (Uвых —среднеквадратические значения измеряемого и выходного напряжений соответственно.

[pic]

Рис.7. Схема термоэлектрического преобразователя среднеквадратического значения напряжения

Термопары включены встречно. Применяют дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления. Выходное напряжение среднеквадратического преобразователя связано линейной зависимостью со среднеквадратическим значением измеряемого напряжения.

Основная погрешность преобразования обусловлена не идентичностью параметров термопреобразователей, увеличивающейся с их старением, и составляет 2,5—6 %.

Вольтметры постоянного напряжения. Рассмотренный выше (рис.5) универсальный вольтметр позволяет измерять постоянное напряжение от десятых долей вольта и выше. Для измерения меньших значений (от 0,5 мкВ) применяют высокочувствительные электронные вольтметры с преобразованием постоянного напряжения в переменное, которое после значительного усиления вновь преобразуется в постоянное и измеряется магнитоэлектрическим микроамперметром.
Цифровые электронные вольтметры. Принцип работы вольтметров дискретного действия состоит в преобразовании измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код, который отображается на табло в цифровой форме. В соответствии с этим обобщенная структурная схема цифрового вольтметра состоит из входного устройства ВхУ, аналого-цифрового преобразователя АЦП и цифрового индикатора Ц И.

Рис.8 Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра.
Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованием. Принцип работы заключается в преобразовании измеряемого напряжения Ux в пропорциональный интервал времени ДГ, измеряемый числом N заполняющих его импульсов со стабильной частотой следования.
Вольтметр (рис. 3-30, а) работает циклами, длительность которых Т устанавливается с помощью управляющего устройства УУ и обычно равна или кратна периоду питающей сети. Для единичного измерения Ux предусмотрен ручной запуск.
Погрешность измерения возникает вследствие нелинейности изменения линейнопадающего напряжения, нестабильности порога срабатывания сравнивающих устройств.

[pic]

Рис. 3-30. Цифровой вольтметр с время-импульсным преобразованием

и возможности потери счетного импульса, т. е. погрешности дискретности.
Основная погрешность составляет обычно 0,1 %. Помехоустойчивость вольтметров с время-импульсным преобразованием низкая, так как любая помеха вызывает изменение момента срабатывания сравнивающего устройства. Главным достоинством этих вольтметров является их сравнительная простота.

Цифровой вольтметр с частотным преобразованием. Принцип действия заключается в преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, измеряемую цифровым частотомером.

Цифровой вольтметр с двойным интегрированием. Принцип его работы подобен принципу времямпульсного преобразования, с тем отличием, что здесь образуются два временных интервала в течение цикла измерения, длительность которого устанавливается кратной периоду помехи. Таким образом определяется среднее значение измеряемого напряжения, а помеха подавляется. Эти вольтметры являются более точными и помехоустойчивыми по сравнению с рассмотренными выше, однако время измерения у них больше.
Вольтметр следящего уравновешивания работает не циклами, а непрерывно реагируя на изменение измеряемого напряжения: сумма образцовых напряжений принимает большее или меньшее значение в зависимости от значения измеряемого напряжения. Когда достигается равенство Ux=(Uобр. код преобразуется в показание, а состояние прибора остается неизменным до тех пор, пока не изменится значение Ux.Преимущество вольтметров следящего уравновешивания заключается в уменьшении статической и динамической погрешности и в повышении быстродействие.
————————

ДН

УПТ

АПр

V

U~

1 Д

U~ Ri + C R Uпик

2

1 С 3 Rф

Rд
U~ Д R СФ Uпик

2 4

Пр

ШУ

V

ДН

U~

ЦИ

ВхУ

U

АЦП