) Електронен аналогов волтметър за постоянно напрежение с пряко усилване.Електронен аналогов волтметър с МДМ

В зависимост от принципа на изграждане волтметрите за постоянно напрежение могат да бъдат с пряко усилване или с предварително преобразуване .Волтметрите от първия вид се използват за измерване на напрежения в обхвата от 10mV до 1000V . Тяхната обобщена структурна схема е показана на фиг.1

И
змерваното напрежение U_X се намалява чрез резисторния делител на напрежение ДН до стойност , подходяща за нормалната работа на измервателния усилвател за постоянно напрежение ИУ.Изходното напрежение на ИУ се подава за индикация към магнитоелектрическия волтметър В . Основната приведена грешка на тези волтметри е обикновено не по-малка от 0,5-1,0%.

На фиг.1 е показана една принципна схема на волтметър с пряко усилване , изградена с помощта на неинвертиращ операционен усилвател .При восоко входно съпротивление на операционния усилвател (за полеви вход 10¹⁰-10¹¹ Ω) общото съпротивление на входния делител е от порядъка на 10-100 MΩ . Усилвателят ОУ е защитен от претоварване с диодния ограничител Д1-Д2 . Към входа му е включен филтър за потискане на променливотоковите сигнали ,съставен от резистора Rф (0,1-1М Ω), и кондензатора Cф (0,01-0,1μF) .Напрежението на несиметрия се компенсира чрез потенциометъра Rk.

За измерване на напрежения под 10mV се използват волтметрите с предварително усилване ,в които участват модулатор и демодулатор.На фиг.2 е дадена опростена принципна схема на такъв волтметър . В случая модулаторър М и демодулаторът ДМ са представени с идеални ключове К₁ и К₂ . Те се управляват от изходните сигнали y₁ и y₂ на генератора Г, които имат еднакви полупериоди , но са в противофаза , когато ключът К₁ е отворен , ключът К₂ е затворен и обратно.

На фиг.3 са дадени времедиаграмите на напреженията в характерните точки от схемата .

Тъй като y₁ има еднакви полупериоди , напрежението u₁ ще бъде с форма представена на фигурата . След модулационният кондензатор C₁ премин-ава само променливата компонента на u₁ ,в резултат на което напрежението u₂ е симетрично спрямо абсцисната ос и е с амплитуда 0,5.Ux.

То се усилва от усилвател с коеф. на усилване Кс . На неговия изход се получава напрежение U₃ с амплитуда 0,5КсUx . Ключът К₂ се управлява синхронно и противофазно на К₁ , поради което през единия полупериод (К₂ затворен) кондензаторът C₂ бързо се зарежда през резистора Rd до напрежение 0,5КсUx. През следващия полипериод то се сумира с напрежението от изхода на ИУ до стойност K_C.U_x . Средната стойност на това напрежение , получена след филтъра, е 0,5.K_c.U_x .

Структурата им се определя главно от честотната област на измерваното напрежение.Чувствителните нискочестотни волтметри се изграждат предимно по схемата с пряко(предварително) усилване(фиг.1), ИУ-измервателен усилвател за променливо напрежение.ДН-делител на напрежението.За високи честоти се използват схеми с предварително преобразуване(фиг.2), където измерваното променливо напрежение U_X се

преобразува в постоянно с измервателния преобразувател И.В зависимост от измервания параметър на променливото напрежение се разграничават волтметри за средна, ефективна и максимална стойност.

фиг1
фиг2

1.Волтметри за средна стойност(Фиг.3).По същество това е схема на източник на ток, управляван с напрежение.При идеализиран операционен усилвател (К=оо , U0) ще бъдат в сила равенствата : i₀=U_ВХ/R ; i_A=|U_ВХ|/R .Токовете i₀ и i_A няма да зависят от съпротивленията на изправителните диоди в права посока и ще се определят само от входното напрежение и съпротивлението на резистора R. Така се получава линейна ф-я на преобразуване и се подобрява точността на волтметрите с автокомпенсационни изправители.Ср. ст-т на тока i_A се измерва с магнитоелектрически амперметър(Фиг.3).

2.Волтметри за ефективна стойност.В някои съвременни електронни волтметри за ефективна стойност се използват термоелетрически преобразуватели.На Фиг.4 е показана схема за преобразуване на ефективна стойност в постоянно напрежение чрез две безконтактни термодвойки- ТП1 и ТП2, и компариране. Е₁=k₁.(U_X)² ; Е₂=k₂.(U₀)² ; k₁ и k₂ са коефициенти на преобразуване на ТП1 и ТП2. ΔU=E₁-E₂=0 ; U₀=;Точността на преобразуването се определя предимно от

съотношението к₁/к₂ и е значително по висока, отколкото при обикновените термоелектрически преобразуватели.

Фиг 4

1. Електронни амперметри.Електронните амперметри по принцип не се изграждат като самостоятелни уреди.Измерването на ток влиза във ф-та на

така наречените универсални волтметри, чието основно предназначение е да измерват постоянни и променливи напрежения.Измерването на неизвестния ток i_x се свежда до измерване на напрежителния пад, създаден от него в/у образцов резистор R_N чрез електронен волтметър EV(Фиг.1). Чувствителността на схемата може да се повиши чрез увеличаване на R_N, но така нарастеат собственото съпротивление на уреда и неговата консумация.Недостатъкът може да се избегне като се използва активен преобразувател ток-напрежение с операционен усилвател ОУ и образцов

резистор _RN в обратна връзка(Фиг.2).При идеален операционен усилвател може да се запише : u_изх=i_изх.R_N , т.е. изход. напр. u_изхi_x.

2.Електронни омметри.Електронните омметри не се изграждат като автономни измервателни уреди.Обикновено техните ф-ии се изпълняват от

т. нар. универсални волтметри.Основната схема , която се използва за построяване на ел. омметри , е показана на Фиг.3. В нея участват стабилизиран източник на напрежение Е и ел. волтметър с високо входно съпротивление EV. Напрежи-телния пад U_k в/у неизвестното съпротивление

R_x се определя с израза : U_x=E.R_x/(R_x+R_N), следователно скалата на уреда ще бъде права и неравномерна.Ако с волтме-търа се измерва напрежителния пад U_N (Фиг.4) показанието му е : U_N=E.R_N/(R_N+R_x), скалата ще бъде обратна и неравномерна. Схемата на Фиг.3 мери малки съпротивления ,а на Фиг.4–големи(R_x>R_N). В съвременните универсални волтметри като преобразуеатели съпротивление-напрежение се използват операционни усилватели, обхванати с ООВ. На Фиг.5 е показана схема на такъв преобразувател, за измерване на съпротивления от 10 до 10⁹ Ω. Изходното напрежение U_изх при идеален операционен усилвател ще бъде :

U_изх=U_C.R_x/R_N, U_C- напрежение на входен спомагателен източник, а R_N- съпротивлението на образцов резистор.За измерване на съпрот. >10⁹ Ω местата на R_N и R_x се разменят и : U_изх=U_C.R_N/R_x

3.Електронни ватметри. Съществуващите електронни ватметри се разделят на две основни групи : ватметри с умножителен преобразувател и с умножаващ показващ уред.При първата група умножението на напрежението в/у консуматора с тока, който протича през него се извуршва с измервателен преобразувател наречен умножител. Разпространен метод е : сума-разлика в квадрат : 4xy=(x+y)²-(x-y)² На Фиг.6 е показана схема на умножител , в която се използват два идентични идеални мвадратора К1 и К2 с ф-я на преобразуване i=c.u² (с-константа).Токът ip , който се получава след формирователя на разлика(състрсктор) С, ще се определя от израза : ip=c.(u₁²-u₂²). Ако входните напрежения u1 и u2 са от вида : u1=c1u+c2i и u2=c1u-c2i където

u и i са моментните ст-ти на напреж. в/у консуматора и тока през него, а c1

и c2 са конст. то : ip=4c.c1.c2.u.i ; ср. ст-т на тока се определя : ipAV=4.c.c1.c2.(1/T).₀^Tuidt= 4.c.c1.c2.P=Sp.P, P-активна мощност.

Представител на втората група е ватметърът с електростатичен умножаващ механизъм(Фиг.7). Основен функционален блок в него е квадрантния елрктро-метър Е(3-1-2), включен към изходите на измервателните усилватели на напрежение ИУ₁ и ИУ₂.К-коефициент на усилване.

: u₁=K_д.u+R_ш.i , u₂=R_ш.i ; u,i-моментни стойности на напреж. в/у консуматора и тока през него, а К_д- коефициент на предаване на резисторния делител R₁-R₂ ; u₁₃=K.(K_д.u+R_ш.i) - 2K.R_ш.i=K(K_д.u - R_ш.i),

u₁₂=K(K_д.u - R_ш.i) ; M_D=(1/2).dC/dα.(u₁₂² – i₁₃²)=(1/2).dC/dα.K².K_д.R_ш.u.i ; α=(1/2W).dC/dα.K².K_д.R_ш.(1/T)₀^Tuidt или

α=S_p.P , W-специфичен съпротивителен момент на електрометъра, S_p-чъвствителността на ватметъра.

L_p=i₁- i₂ ; i₁=CU₁² , i₂=UC₂²

От електронните аналогови уреди най-разпространени са кондензаторния и резонансния честотомер.Кондензаторния честотомер преобразува честотата в ел.ток.

Превключвателя К се управлява от напрежението Uf с честота Fx.През единия полупериод К се намира в позиция 1 и С се зарежда от Us през Rs ,през другия полупериод К е в позиция 2 и С се разрежда през Rp и милиамперметъра mA.Ако времеконстантите на зареждане и разреждане са по-кратки от преходните процеси тока през уреда има стойност :

Iav=(1/Tx)₀∫^Tx/2I_s(t)dt=CusFx

При точни и стабилни стойности на Us и C скалата на уреда може да се градуира и в едници честота.Обхвата на уреда е 10Hz-1MHz ,а точността е 1,5%-2%.

При резонансните честотомери се използва явлението резонанс възникващо в контур от бобина и кондензатор.

Напрежението Uf се подава към контура през високочестотен трансформатор Ls-L с малък коефициент на взаимна индукция.Кръгът се настройва в резонанс чрез промяна на стойността на С и резонанса се отчита по максималното показание на EV.При известни стойности на C и L Fx се определя по формулата Fx=1/2(LC).Този честотомер служи за измерване на честоти до няколко хиляди мегахерца и грешката при него е десети от процента.

Най-точен е хетеродинния честотомер.

Действито му се основава на сравняването на неизвестната честота Fx със известната честота на генератора F₀ ,която се задава от образцов генератор-хетеродин.Сигналите се подавят на смесителя СМ и на изхода се получава честота от вида nFx±mF₀ .Чрез филтъра се отделя напрежението с честота Fx-F₀ и се усилва от усилватела УС.Чрез изменение на честотата на Г се постига Fx=F₀ което се отчита чрез нилевото биене на индикатора И.За Г се използват кварцово стабилизирани генератори .Измерват се честоти 10⁵-10¹⁰ Hz с точност0,05%-0,0005%.

При аналоговите електронни фазомери се използва метода с формиране на импулсни сигнали.

Тези фазомери могат да са изградени със сумиране на формираните сигнали.

Напреженията U₁=Um₁sinωt и U₂=Um₂sin(ωt+φ) с фазова разлика φ се преобразуват от усилвателите ограничители в двуполярни правоъгълни сигнали ,те се сумират от суматора С ,а резултатното напрежение се изправя с измервателния изправвител И.Стойноста му се измерва с волтметъра В.То се получава по формулатаUu_KV=(1/)_p^2U₀dat=2U₀(1-/).Скалата на този фазомер е линейна и обратна.

Друг вариант е фазомера с формиране на кратки импулси.

От входните напрежения чрез ОУ и диференциращите устройства ДУ се формират кратки импулси ,които се подават на ключовото устройство КУ,което реагира само на еднородни импулси (смо положителни или само отрицателни).Средната стойност на изходното напрежение на КУ измерена с волтметъра В се изчислява по формулата : U_KAV=(1/2)₀^PU_kmdat=Ukm(/2).Скалата на този фазомер линейна и права.

31.Електронно лъчев осцилоскоп(ЕЛО). Принцип на действие и измерване на електрически величини.

Класификация: -аналогови- класически ЕЛО; -цифрови-сложен комплекс от съвреме-нен компютър с класически електронни схеми, с аналогово -цифрови преобразуватели (бързи) с разнообразни режими на работа; -виртуални- съвре-менен компютър с min харду-ер, който се превръща в осци-лоскоп. Ако при класическите компютри основното е харду-ера, то при виртуалните осци-лоскопи определящото е софт-уера. ЕЛО се използва за наб-людение, измерване, и фоторе-гистриране на различни елек-трични сигнали. Входната ве-личина за осцилоскопа е ел. напрежение. При основния ре-жим на работа, то се изобразява на неговия екран като свете-ща крива, наречена осцилогра-ма.

Основният функционален блок на осцилоскопа е електронно лъчевата тръба(ЕЛТ). X₁-X₂-пластини на хоризонталното отклонение;Y₁-Y₂-пластини на вертикалното отклонение. Изследваното напрежение се подава на Y₁-Y₂, а на X₁-X₂ се подава сигнал с трионообразна форма(разгъващо напрежение).

Основни функционални блоко-ве на осцилоскопа: ЕЛТ- хер-метично затворена стъклена тръба, в коаято е разположена система от електроди, които създават, формират и управ-ляват електронния лъч. Генератор за развивка: нап-режението за хоризонтална развивка има троинообразна форма:неговите параметри са:

Tпр.-време

на правия

ход на лъ-

ча.Tобр.-

Време на обратния ход. Неподвижен сигнал се получава, ако отно-шението между честотите на изследвания сигнал и разгъва-щото напрежение е рац. число. За запазване неподвижността на образа се използва блока за синхронизация, който прину-дително задейства генератора за развивка, чрез краткотрайни синхронизиращи импулси мал-ко преди намаляването на пра-вия ход. Усилватели:чувствителността на ЕЛТ е твърде малка. Затова при изследване на малки напрежения се използват усилватели. Те имат органи за стъпално и плавно регулиране на коефициента на усилване.

Захранващ блок: съдържа маломощен изправител и високо напрежителни и резисторни делители.

Параметри:1) параметри свързани с чувствителността на ЕЛО: *коефициент на отклонение по Y и X:

C_y=Uy_m/y_m ,mV/дел.- Uy_m максималната стойност на напрежението, предизвикало отклонението на лъча, y_m-мак-сималния брой деления на ска-лата на ЕЛО. C_x=Ux_m/x_m , mV/дел. X,Y-канали. *коефициент на развивка-s/дел., ms/дел., максималната скорост на развивка се опре-деля от най-голямата скорост на движение на електронния лъч по екрана под действие на вътрешния генратор за развив-ка. *входен импеданс на ЕЛО

Rвх.0,25М; Cвх.10150pF

Тези параметри на входния импеданс(Zвх) определят високите метерологични качества на ЕЛО, така че не променят режима на работа на изследваната схема.

Схема за определяне на C_x и C_y

U_m=[(U2)/(R₁+R₂)]R₂ ; C_x=U_m/x_; C_y=U_m/y; * честотен обхват на ЕЛО:паразитния капацитет, който съществува между пла-стините за хоризонтално и вер-тикално отклонение,силно вли-яе върху честотните свойства на ЕЛО.При високи честоти може да се докаже, че времето за преминаване на електрона между пластините е съизмери-мо с периода на този сигнал и на екрана не се получава отк-лонение. За това съществува техн. решение, създадени са скоростни осцилоскопи(за из-бягване на ограниченията), при които вместо една система пластини за вертикално откло-нение се наблюдава система от пространствено разпределени пластини за верт. Отклонение, като при тях се отстранява т. нар. фазови изкривявания на сигнала.

Принцип на линейната развив-ка на осцилоскопа: ако Тр=2Тс, или f_c/f_p=n (цяло чис-ло), то ще се наблядава стаби-лен образ. Линейната развивка на сигнала при малка продъл-жителност спрямо периода на сигнала: -при коефициент на запълване1:10,

то този режим е неприложим.

-периода на развивка е равен на продължителността на импулса. –режимът е непригоден за наблюдение.

Разрешението на този проблем е т.нар.режим на чакаща раз-вивка:разгъващото напрежение се включва само при постъп-ване на сигнал на входа Y. С осцилоскопа се наблюдават дискретни сигнали. С нараст-ване на C_x се получават стабил-ни данни.

Принцип за изграждане на многоканалните осцилоскопи:

R_в-базово съпротивление

Uc₁,Uc₂-входове за наблюде-ние на сигнала; МВ-мултивиб-ратор-генератор, който гене-рира две поредици от импулси в противофази.

Тези надробявания (накъсва-ния) нямас да се наблюдават. Когато единият транзистор е отпушен,то другият е запушен.

Кръгова развивка на осцилоскопа:ако на двата входа на осцилоскопа се подават синусоидални напрежения,дефинирани на /2, то ще се наблюдава следната картина:

r = v(sin wt+

jcos wt);

x = v sin wt;

y =v cos wt;

това е X-Y режим на работа. Той се

използва за измерване на

честота. Фигурите, които се получават се наричат фигури на Лисажу. Когато честотите не двете хармонични трептения се различават значително, фигурите са сложни.

Измерване на активната мощност вX-Y режим:

DF=y.dx=[U/ C_y].[dU_c/C_x]= Uidt/C_yC_xC; F=[T/ C_yC_xC].(1/T)U_idt;

(1/T)U_idt -средна стойност на моментната стойност на мощността P; P=S_p.F ,където S_p –чувствителност; F -площ на елипсата, която се получава на екрана. Наклона на елипсата зависи от характера на товара. Елипсата е стабилна.

Стробоскопични осцилоскопи:

Това са импулси,които подаваме и искаме да наблюдаваме. Периодът на развивката не е кратен на периода на импулсите. Чрез генератор налинейна развивка можем да нзблюдаваме ясен образ.

Запомнящи осцилоскопи;

-на компютърна или аналогова основа. Използват се в практиката. Сигналите тук са еднократни.

Осцилоскопа основно реагира на моментната стойност на напрежението.

Физически величини които характеризират обекта имат аналогов характер и обикновено съпътстват физичния сигнал като информативни параметри. Честотата като параметър, която съпътства физичния сигнал носи аналогов характер. Обобщена структурна схема на цифровите измервателни уреди

ВУ-вх: устроиство за съгласуване и мащабиране. АЦП-важен, съществен блок – аналого цифров преобразувател. Във БУ може да има сложна електроника тези интерфеисни шини които ще осъществяват връзката между самият измервателен уред и други РС са унифицирани във виртуалните средства за измерване се използва друг интерфеис VXI вид Virtual eXtension Instrument)

Принципи и структури на АЦП:

Означения: 1-АЦП с косвено преобразуване, 2-АЦП с директно преобразуване; 3-С преобразуване на изм. величина в Т(интервал от време) ; 4- С преобразуване на изм. величина в f(честота); 5- С преобразуване на изм. величина в γ; 6- ∆∑(AЦП) 7- с паралелно уравновесяване; 8- с последователно приближение; 9-със стъпаловидно напр. 10-FLASH(свръх бързи АЦП)

Uл=kt; Ux=Uл=

U=k.Tx; Tx=Nxf₀; Ux=k.Tx.Nx.f₀; Измерва-ното напрежение Ux се преобразува в Тх(интервал от време) ,които ще измени с еталонна тактова честота f₀. Един сигнал за да се използва като еталонен трябва да има честота 1MHz, стартовите импулси стартират генератора за линеино изменение на напрежението.

УУ-управляващо устройство, Дш – дешифратор, ВУ – вх.устроиство, к1,к2- компаратори, ГТИ – генератор на тактови импулси, ГЛН – генератор на лин. напрежения; Методи за управление на цифрова индикация: Статично управление и Динамично управление на цифр.индикация. Стат.упр. – използва се до 4 разряда, при по-голям брои разряди се изп. Динамични методи и още се наричат мултиплециране. Светодиоди – могат да са с общ катод или общ анод – използват се като индикатори.

при статично управление всеки сегмент има свое собствено управление.

- подложка общ катод. При динамични управления едноименните сегменти на всички заряди са свързани накъсо. Използва се единствен дешифратор, докато при стат. управление Дш са толкова колкото са разрядите. За да се получи стабилно светене на индикаторните елементи, трябва да се варира м/у силата на тока през съответния сегмент и честота за мултиплексиране.

Ролята на Дш в много случай може да се извършва и със софтуерни средства. Ux=k.Nx.Teт ∆Ux/Ux = ±(∆k/k + ∆Nx/Nx + ∆Teт/Тет) ∆Тет клони към 0. увели4аваме Nx, за да полу4им ∆Nx/Nx.