Voltmeter elektronik analog - alat pengukur, yang merupakan kombinasi dari konverter elektronik yang dibuat pada lampu, elemen semikonduktor, sirkuit terpadu, dan meter magnetoelektrik.

Dengan janji temu analog voltmeter elektronik membedakan: arus searah, arus bolak-balik, arus impuls, fase-sensitif, selektif, universal.

Tujuan utama voltmeter analog adalah untuk mengukur tegangan dalam rangkaian elektronik.

Voltmeter DC elektronik, dibandingkan dengan voltmeter magnetoelektrik, memiliki resistansi input yang sangat besar (sekitar 5-10 MΩ) dan sensitivitas tinggi. Nilai resistansi input tidak berubah saat mengganti batas pengukuran.

Voltmeter terdiri dari perangkat input - pembagi tegangan resistif resistansi tinggi; konverter elektronik - penguat DC; konverter elektromekanis - meteran magnetoelektrik.

Penguat DC berfungsi untuk meningkatkan sensitivitas voltmeter, adalah penguat daya yang diperlukan untuk menggerakkan meteran magnetoelektrik. Ini harus memiliki linearitas tinggi dari karakteristik amplitudo, keteguhan gain, dan penyimpangan kecil nol.

Linearitas karakteristik amplitudo dipastikan dengan pilihan mode operasi lampu, transistor, sirkuit mikro amplifier yang tepat. Umpan balik negatif dalam amplifier meningkatkan stabilitas penguatan dan meningkatkan linieritas respons amplitudo. Stabilisasi tegangan suplai juga berkontribusi pada stabilisasi penguatan.

Untuk mengurangi penyimpangan nol, selain menstabilkan tegangan suplai, penguat dibuat sesuai dengan rangkaian jembatan seimbang.

Perluasan batas pengukuran dilakukan dengan menggunakan pembagi dan resistansi umpan balik.

II AC AEV dibangun sesuai dengan 2 skema:

sebuah), dicirikan oleh rentang frekuensi yang luas 20 Hz - 700 MHz, tetapi sensitivitasnya tidak cukup tinggi.

Voltmeter dibangun sesuai dengan skema b), dicirikan oleh rentang frekuensi yang relatif sempit 10 Hz - 10 MHz, ditentukan oleh bandwidth penguat AC, tetapi sensitivitasnya lebih tinggi.

Voltmeter elektronik analog universal, dimaksudkan untuk pengukuran di sirkuit DC dan AC, diimplementasikan seperti yang ditunjukkan pada gambar:

Karakteristik voltmeter AC elektronik analog dan sifat skalanya terutama ditentukan oleh rangkaian konverter elektronik (detektor). Ada pengonversi nilai puncak, rata-rata-diperbaiki, akar-rata-rata-kuadrat yang mengonversi tegangan AC menjadi konstan, sebanding dengan nilai puncak (maksimum), rata-rata-diperbaiki dan akar-rata-rata-kuadrat dari tegangan yang diukur, masing-masing.

Masukan dari transduser sehubungan dengan komponen konstan dari tegangan yang diukur dapat berupa terbuka atau tertutup (dengan kapasitor isolasi).

Menurut rentang frekuensi, voltmeter AC elektronik analog dibagi menjadi frekuensi rendah, frekuensi tinggi, frekuensi super.

Komponen utama voltmeter elektronik analog

alat input memberikan nilai tegangan terukur yang diperlukan untuk konversi lebih lanjut. Tergantung pada amplitudo dan rentang frekuensi dari tegangan yang diukur, perangkat input adalah input konverter resistansi tinggi, atau pembagi resistif, atau pembagi kapasitor resistif, atau pembagi kapasitor.

Dalam konverter nilai amplitudo (puncak) pembacaan microammeter sebanding dengan nilai puncak dari tegangan yang diukur dan T),. Gambar tersebut menunjukkan rangkaian konverter nilai amplitudo, masing-masing, dengan input terbuka dan tertutup

Dalam konverter nilai amplitudo dengan input terbuka, dioda dihubungkan secara seri dengan resistor resistansi tinggi R dan terhubung langsung ke objek pengukuran. Parameter konverter dipilih sedemikian rupa

(R\u003e Rpr, R \u003d 50 - 100 MΩ, C \u003d 0,02 - 0,05 F),

sehingga pada setengah gelombang positif pertama dari tegangan terukur dan (t) \u003d UM sin wt, pulsa arus besar i melalui dioda terbuka D dengan resistansi Rnp dengan cepat mengisi kapasitor C ke nilai tegangan tertentu UC1 (Gbr. 5.6) dan secara perlahan melepaskan momen ke resistor R + R dan c ketika dan (t)< UC, и при отрицательной полуволне напряжения и (t). Постоянные

waktu pengisian RnpC dan debit RC terkait dengan kondisi RC >> RnpC (resistansi R dan mikroammeter tidak diperhitungkan karena nilainya yang kecil).

Dengan setengah gelombang positif kedua dan

4.4. Voltmeter analog elektronik.

Klasifikasi voltmeter diberikan dalam Bagian 4.2. Saat mengukur tegangan dengan evaluasi langsung, voltmeter dihubungkan secara paralel ke bagian sirkuit di mana tegangan diukur. Untuk mengurangi kesalahan pengukuran metodologis, konsumsi energi voltmeter itu sendiri harus kecil, dan resistansi inputnya harus besar. Oleh karena itu, di sirkuit elektronik, ketika mengukur di sirkuit berdaya rendah, perubahan perangkat elektromekanis terbatas (resistansi input relatif kecil).Penggunaan voltmeter elektronik lebih disukai.

Voltmeter elektronik adalah kombinasi dari transduser elektronik dan magnetoelektrik atau alat ukur digital.

Tidak seperti voltmeter dari kelompok elektromekanis, voltmeter elektronik arus searah dan bolak-balik memiliki resistansi dan sensitivitas input yang tinggi dan konsumsi arus yang rendah dari rangkaian pengukuran. Voltmeter elektronik, analog dan digital memungkinkan pengukuran pada rentang tegangan dan frekuensi yang luas.

Menurut jenis arus, voltmeter elektronik dibagi menjadi voltmeter tegangan searah, tegangan bolak-balik, universal dan pulsa. Selain itu, voltmeter dengan sifat selektif frekuensi diproduksi - selektif. Voltmeter DC elektronik dilakukan sesuai dengan skema yang ditunjukkan pada Gambar 4.6, a.

Tegangan terukur U diterapkan ke perangkat input VU, yang merupakan pembagi tegangan resistansi tinggi multi-batas pada resistor. Dari pembagi tegangan menuju ke penguat UPT DC dan kemudian ke alat penunjuk V. Pembagi dan penguat DC masing-masing melemahkan dan memperkuat tegangan ke nilai yang diperlukan untuk pengoperasian normal perangkat. Pada saat yang sama, amplifier menyediakan pencocokan impedansi tinggi sirkuit masukan bingkai instrumen voltmeter resistansi rendah sistem magneto-listrik. Impedansi input yang tinggi dari voltmeter elektronik (beberapa puluh MΩ) memungkinkan untuk mengukur tegangan di sirkuit resistansi tinggi tanpa konsumsi daya yang nyata dari objek pengukuran. Untuk memberikan akurasi yang diperlukan dari voltmeter dan penguat DC dengan voltmeter elektronik variabel, persyaratan ketat dikenakan pada linearitas karakteristik amplitudo, keteguhan gain, suhu dan penyimpangan waktu nol. Saat membangun voltmeter elektronik untuk mengukur tegangan rendah, persyaratan ini tidak selalu dapat dipenuhi. Oleh karena itu, voltmeter DC untuk mengukur tegangan rendah dilakukan sesuai dengan skema (Gambar 4. 6).

Gambar 4.6 Voltmeter elektronik.

Dalam voltmeter seperti itu, tegangan terukur konstan pertama diubah oleh modulator M menjadi tegangan bolak-balik, dan kemudian sinyal terukur diperkuat oleh penguat arus bolak-balik U, yang memiliki karakteristik metrologi lebih baik dibandingkan dengan UPT. Diperbaiki oleh penyearah (detektor) V, tegangan diterapkan ke perangkat penunjuk V, ini memungkinkan Anda untuk mendapatkan mikrovoltmeter elektronik dengan batas pengukuran yang lebih rendah dari urutan 10 -8 V.

Voltmeter AC elektronik dilakukan menurut dua diagram blok (Gambar 4.6, c, d). Dalam rangkaian pertama ini, tegangan AC yang diukur pertama-tama diubah menjadi DC oleh detektor. dan kemudian UPT diperkuat. Dalam skema kedua, amplifikasi dilakukan pada arus bolak-balik dan hanya kemudian, sinyal yang diperkuat sebelumnya, diperbaiki oleh detektor. Skema ini saling melengkapi. Masing-masing dari mereka memiliki kelebihan dan kekurangannya sendiri. Voltmeter, dibangun sesuai dengan skema pertama, memungkinkan Anda untuk mengukur tegangan AC dalam rentang frekuensi yang luas (10Hz..100MHz), tetapi tidak memungkinkan untuk mengukur tegangan kurang dari beberapa persepuluh volt, karena detektor hanya memperbaiki tegangan yang cukup besar. Skema kedua memungkinkan Anda untuk membuat voltmeter yang lebih sensitif, batas pengukuran yang lebih rendah hanya beberapa mikrovolt. Namun, voltmeter tersebut memiliki rentang frekuensi yang lebih kecil, karena rentang frekuensi UPT sulit untuk dibuat cukup lebar.

Elemen terpenting dari voltmeter elektronik, yang sangat menentukan karakteristik metrologisnya, adalah detektor. Tegangan pada keluaran detektor dapat sebanding dengan amplitudo, nilai rata-rata yang diperbaiki atau nilai kuadrat rata-rata dari tegangan yang diukur. Sifat ketergantungan ini menentukan yang mana dari nilai-nilai ini yang ditanggapi oleh perangkat penunjuk magnetoelektrik. Oleh karena itu, ada voltmeter dengan nilai penyearahan sedang, amplitudo, dan akar-rata-rata-kuadrat. Namun, harus diingat bahwa skala voltmeter elektronik biasanya dikalibrasi dalam nilai kuadrat rata-rata dari tegangan sinusoidal, dan ini harus diperhitungkan ketika mengukur dan menganalisis kesalahan karena penyimpangan bentuk nyata. sinyal terukur dari sinusoidal.

Voltmeter nilai rata-rata paling sederhana adalah voltmeter penyearah yang dibahas di atas berdasarkan konverter nilai rata-rata pasif. Konverter dibuat pada dioda semikonduktor yang beroperasi di bagian linier dari karakteristik tegangan arus (CVC).

Diagram blok voltmeter elektronik dengan nilai rata-rata yang diperbaiki ditunjukkan pada Gambar 4.7.

Gambar 4.7.

Tegangan terukur Ux diterapkan pada input pengikut emitor U1, yang tujuannya adalah untuk memberikan resistansi input tinggi dan resistansi output rendah. Untuk mengubah koefisien transmisi, atenuator RP1 termasuk dalam rangkaian, tegangan dari output yang disuplai ke penguat operasional U2 dari tegangan bolak-balik. Konverter dioda gelombang penuh dengan nilai rata-rata yang diperbaiki (VD1, VD2) termasuk dalam rangkaian umpan balik negatif seri ke aliran, yang menutupi penguat U2. Pengenalan OOS meningkatkan stabilitas dan meningkatkan respons frekuensi penguat, mengurangi non-linearitas karena resistansi maju dioda. Di sirkuit jembatan, dua dioda diganti oleh resistor R2 dan R1, yang memastikan stabilisasi termal dioda VD1, VD2.

Resistor R3 dirancang untuk menyamakan arus di bahu rangkaian jembatan konverter (detektor). Dengan penguatan yang cukup besar dari penguat U2 dan dalam kondisi R1=R2=Rtegangan keluaran konstan

Uout \u003d Ux * R / Kf * R3, (4.11)

Dimana Uout.- tegangan konstan pada perangkat indikator;

Ux adalah nilai efektif tegangan bolak-balik pada input penguat;

Kf - faktor bentuk sama dengan 1,11.

Voltmeter RMS dibangun sesuai dengan diagram blok yang ditunjukkan pada Gambar 4.8

R

Gambar 4.8.

Detektor RMS menggunakan kuadrat karakteristik I-V dari dioda atau string dioda, sehingga komponen DC dari tegangan pada keluaran detektor sebanding dengan kuadrat dari nilai RMS dari tegangan yang diukur, terlepas dari bentuknya. voltase. Contoh detektor kuadrat dari tipe "rantai dioda" ditunjukkan pada Gambar 4.8, a. Tegangan bolak-balik yang diukur U(t) diterapkan pada input detektor semacam itu, tegangan diterapkan ke pembagi R6 ... R9, yang menghasilkan penurunan tegangan E1 ... E4 pada resistor R6 ... R9, memblokir dioda VD2 ... VD5. Dalam setengah siklus positif, jika tegangan input tidak melebihi tegangan e1, arus mengalir melalui dioda VD1 dan penurunan tegangan U 0 terjadi pada resistor Rn, yang merupakan tegangan keluaran rangkaian . Arus dioda VD1, ditentukan oleh resistor R1 dan Rn. Bergantung linier pada tegangan input. Ketika arus dioda VD1 meningkat, penurunan tegangan pada resistor R1 juga meningkat.

Dengan tegangan input sama dengan E1, tegangan melintasi resistor R1 dan R9 dikompensasi, VD2 terbuka, arus tegangan input mulai mengalir melalui K2, kemiringan arus versus tegangan input meningkat. Fenomena serupa terjadi ketika U(t)=E2, dll.

Dengan memilih parameter rangkaian, Anda bisa mendapatkan garis putus-putus yang mencerminkan ketergantungan arus total I yang mengalir melalui Rn (dan, akibatnya, tegangan keluaran U 0 \u003d i * Rn), dekat dengan cabang parabola kuadrat ( Gambar 4.8).Aproksimasi ini semakin baik, semakin banyak segmen berisi garis putus-putus, mis. semakin banyak dioda yang termasuk dalam rangkaian.

Kerugian dari rangkaian ini termasuk kerumitan pemilihan elemen rangkaian, adanya sumber daya tambahan E.

Beberapa voltmeter menggunakan konverter termoelektrik sebagai detektor RMS.

Prinsip operasi AD didasarkan (Gambar 4.9, a) pada muatan kapasitor C

Gambar 4.9 Detektor amplitudo dengan input terbuka.

Melalui dioda D ke nilai amplitudo tegangan yang diukur dan pelepasannya yang lambat melalui resistor beban R. Karena perbedaan waktu pengisian dan pengosongan, komponen tegangan konstan muncul pada kapasitor. Semakin besar rasio konstanta waktu dari konstanta waktu pelepasan kapasitor dengan konstanta waktu pengisiannya, semakin besar tegangan pada kapasitor mendekati nilai amplitudo. Dengan bentuk gelombang sinusoidal U(t), nilai rata-rata tegangan melintasi dioda sama dengan nilai rata-rata tegangan melintasi kapasitor, tetapi dengan tanda yang berlawanan. Komponen konstan tegangan pada kapasitor dan tegangan pada dioda membawa informasi tentang nilai amplitudo dari tegangan yang dikonversi. Tergantung pada tegangan mana yang diambil sebagai output, dua jenis tekanan darah dibedakan. Jika tegangan pada kapasitor berfungsi sebagai output, maka kita mendapatkan AD dengan input terbuka (Gambar 4.9), yang melewati komponen konstan dari tegangan yang diukur. Jika tegangan output dihilangkan dari dioda, maka kita memiliki AD dengan input tertutup (Gambar 4.10). Saat mengukur tegangan riak, kapasitor C akan diisi hingga tegangan puncak Umax.

Gambar 4.10 Detektor amplitudo dengan pintu masuk tertutup.

NERAKA dengan input tertutup dan terbuka digunakan dalam voltmeter RF universal saat mengukur dalam rentang frekuensi yang lebar. Kesalahan pengukuran voltmeter dengan tekanan darah tergantung pada frekuensi. Kesalahan ini semakin besar, semakin rendah frekuensi tegangan yang diukur.

Salah satu kelemahan signifikan voltmeter dengan tekanan darah adalah ketergantungan pembacaan instrumen pada bentuk sinyal. Biasanya, skala voltmeter amplitudo dikalibrasi dalam nilai RMS dari tegangan sinusoidal, sedangkan penyimpangan jarum instrumen sebanding dengan amplitudo tegangan. Oleh karena itu, pembacaan yang dihitung pada skala perangkat penunjuk hanya valid saat mengukur tegangan sinusoidal. Dengan bentuk gelombang yang berubah-ubah, jika nilai Kf untuk sinyal ini tidak diketahui, pengukuran nilai akar mean square dari tegangan tidak mungkin dilakukan.

Kelas akurasi dari 0,1 hingga 25 dipasang pada voltmeter elektronik.Kelas akurasi yang biasa adalah 2,5; empat.

Voltmeter selektif digunakan untuk mengukur komponen individu dari sinyal multi-frekuensi, untuk menentukan koefisien harmonik. Perangkat tindakan selektif dapat dibuat dengan berbagai prinsip. Perangkat yang paling umum digunakan adalah dari jenis heterodyne, mirip dalam desain untuk penerima radio, dengan sensitivitas tinggi dan rentang pengukuran yang luas. Diagram blok voltmeter tersebut ditunjukkan pada Gambar 4.11.

Gambar 4.11 Skema voltmeter tipe heterodyne selektif.

Sinyal input frekuensi fx diubah oleh konverter frekuensi Pr ke frekuensi perbedaan (perantara). Dengan perubahan halus pada frekuensi osilator lokal G, Anda dapat memilih frekuensi fg -fx \u003d fpch (di mana filter band-pass F disetel) dan menentukan nilai sinyal ini dengan voltmeter. Dengan faktor konversi konstan, pembacaan voltmeter sebanding dengan sinyal komponen harmonik yang diberikan pada input. Untuk menyetel dalam rentang frekuensi yang lebar dan meningkatkan selektivitas, dua atau lebih konversi frekuensi digunakan.

VOLTMETER ELEKTRONIK

Definisi dan klasifikasi. Voltmeter elektronik adalah perangkat yang pembacaannya disebabkan oleh arus perangkat elektronik, yaitu energi dari sumber daya voltmeter. Tegangan yang diukur mengontrol arus perangkat elektronik, yang menyebabkan resistansi input voltmeter elektronik mencapai nilai yang sangat besar dan memungkinkan kelebihan beban yang signifikan.

Voltmeter elektronik dibagi menjadi: analog dan diskrit. Dalam voltmeter analog, tegangan terukur diubah menjadi nilai arus searah proporsional, diukur dengan mikroammeter magnetoelektrik, yang skalanya dikalibrasi dalam satuan tegangan (volt, milivolt, mikrovolt). Dalam voltmeter diskrit, voltase terukur mengalami serangkaian transformasi, akibatnya nilai terukur analog diubah menjadi sinyal diskrit, yang nilainya ditampilkan pada perangkat indikator dalam bentuk angka bercahaya. Voltmeter analog dan diskrit sering disebut keluarkan dan digital masing-masing.

Menurut jenis arus, voltmeter elektronik dibagi menjadi voltmeter tegangan konstan, Tegangan AC, Universal dan impuls. Selain itu, ada voltmeter dengan sifat selektif frekuensi - selektif.

Saat mengembangkan voltmeter elektronik, hal utama berikut: persyaratan teknis: sensitivitas tinggi; batas lebar tegangan terukur; rentang frekuensi operasi yang luas; impedansi input tinggi dan kapasitansi input rendah; kesalahan kecil; diketahui ketergantungan pembacaan pada bentuk kurva tegangan terukur. Persyaratan yang tercantum tidak dapat dipenuhi dalam satu perangkat, oleh karena itu voltmeter dengan diagram blok yang berbeda diproduksi.

voltmeter AC. Voltmeter AC elektronik terdiri dari konverter AC-ke-DC, amplifier, dan indikator magnetoelektrik. Seringkali pembagi tegangan yang dikalibrasi dipasang pada input voltmeter. yang meningkatkan batas atas tegangan terukur. Tergantung pada jenis konversi, pembacaan voltmeter mungkin sebanding dengan amplitudo (puncak), nilai rata-rata rectified atau root mean square dari tegangan yang diukur.

Gambar.1. Diagram struktural voltmeter elektronik analog dengan konverter amplitudo

Namun, harus diingat bahwa skala voltmeter elektronik apa pun dikalibrasi dalam nilai tegangan sinusoidal rms (rms). Pengecualian adalah voltmeter pulsa, yang skalanya dikalibrasi dalam nilai amplitudo.

Amplitudo (puncak) nilai voltmeter(Gbr.1) terdiri dari transduser amplitudo April, penguat dc UPT dan indikator magnetoelektrik dinyatakan dalam volt. Sebuah pembagi tegangan kadang-kadang disediakan pada input voltmeter. DN. Konverter amplitudo dilakukan sesuai dengan skema dengan input terbuka atau tertutup.

Transduser amplitudo dengan input terbuka (Gbr. 2, sebuah) adalah hubungan seri dioda vakum D dengan resistor terhubung paralel L? dan kapasitor DARI. Jika ke terminal 1- 2 tegangan yang diberikan u = U m sinwt dari sumber dengan resistansi internal r saya, kemudian kapasitor melalui dioda dibebankan ke nilai tertentu U c , yang diterapkan pada elektroda dioda sehingga tertutup untuk sebagian besar periode, yaitu, beroperasi dalam mode cutoff (Gbr. 2, b). Selama setiap periode, dioda terbuka untuk jangka waktu tertentu "t 1 - "t 2 maka dan > kamu c dan kapasitor diisi ulang oleh pulsa arus i D menjadi tegangan uc mengisi konstanta waktu t c \u003d (R i + R D) DARI, di mana R D - resistansi dioda terbuka. Kemudian dioda menutup dan kapasitor dilepaskan melalui resistor R selama interval t 2 - "t 1 konstanta waktu pengosongan t p = R.C.

Konstanta waktu harus memenuhi kondisi berikut: t< 1/f c dan t p > I/ f di mana f di dan f n - batas rentang frekuensi voltmeter. Jelas bahwa t<< tp dan R>> R i + R D. Pada voltmeter rentang lebar, pertidaksamaan: t s< 1/f tidak dapat dilakukan, dan oleh karena itu, pada frekuensi tinggi, proses pembentukan berlangsung selama beberapa periode dari tegangan terukur.

Gbr.2. Transduser amplitudo dengan input terbuka

Hasil transformasi amplitudo adalah nilai rata-rata dari tegangan berdenyut lemah uk, yang, tidak seperti um disebut nilai puncak U puncak.

U puncak = U m cos q

Dimana q adalah sudut cutoff dioda.

Puncak tegangan U diumpankan ke input penguat DC, resistansi inputnya besar, dan resistansi outputnya kecil. UPT berfungsi untuk mencocokkan resistansi keluaran konverter dengan resistansi indikator dan untuk meningkatkan sensitivitas voltmeter.

Transduser amplitudo dengan input tertutup (Gbr. 3) adalah a koneksi serial kapasitor tetap DARI dengan dioda terhubung paralel D dan resistor R. Proses konversi tegangan AC ke puncak DC U mirip dengan yang dibahas di atas, dengan perbedaan pada terminal 3-4 ada riak tegangan yang signifikan, untuk menghaluskan yang disediakan filter.

Beras. 3. Diagram skema konverter amplitudo dengan input tertutup

Proses konversi tegangan berdenyut oleh konverter dengan input terbuka dan tertutup berbeda dan tergantung pada polaritas koneksi ke terminal input / - 2 komponen konstan dari tegangan berdenyut. Jika tegangan pulsa dihubungkan ke input konverter amplitudo dengan input terbuka sehingga

Beras. 4. Diagram tegangan dalam konverter amplitudo: a-dengan terbuka jalan masuk; b - dengan pintu masuk tertutup

bahwa "+" dari komponen konstan diterapkan ke anoda | dioda, maka tegangan keluaran U puncak "U max \u003d U 0 + U m + , di mana Uo - komponen konstan, dan U m + - amplitudo setengah siklus positif dari komponen variabel (Gbr. 4, sebuah). Jika komponen konstan "-" diterapkan pada anoda dioda, maka dioda tertutup sepanjang waktu dan tidak ada konversi. Jika tegangan berdenyut diterapkan ke anoda konverter amplitudo dengan input tertutup, maka kapasitor DARI diisi dengan komponen konstan U 0 konverter hanya bereaksi terhadap komponen variabel. jika "+" diterapkan ke anoda dioda, maka tegangan keluaran U puncak » U m+ , dan jika “-”, maka U puncak » U m- (Gbr. 4, b). dia properti yang berguna voltmeter input tertutup mengukur secara terpisah nilai tegangan setengah siklus positif atau negatif banyak digunakan untuk menentukan simetri modulasi amplitudo, adanya kliping sinyal, dll. Amplitudo (voltmeter puncak ditandai dengan sensitivitas rendah (ambang sensitivitas "0.1V) dan pita frekuensi lebar (hingga 1 GHz).

Voltmeter diperbaiki sedang(Gbr. 6) terdiri dari pembagi tegangan input DYa, penguat transistor broadband SHU, konverter penyearah Dll dan indikator magnetoelektrik.

Gbr.5. Diagram struktural voltmeter universal

Impedansi input dari pembagi tegangan tinggi, dan jika amplifier memiliki impedansi input rendah, maka unit yang cocok ditempatkan di antara mereka - konverter resistansi (dengan input tinggi dan impedansi output rendah). Tegangan keluaran penguat disuplai ke konverter penyearah , dan komponen konstan dari arus yang diperbaiki mengalir melalui mikroammeter, sebanding dengan nilai rata-rata yang diperbaiki dari tegangan yang diukur.

Gbr.6. Diagram struktural voltmeter sensitivitas tinggi

Skala indikator dikalibrasi dalam nilai RMS dari tegangan sinusoidal.

Pengukur voltase yang dibangun sesuai dengan skema struktural semacam itu dicirikan oleh sensitivitas tinggi (mikro dan milivolt) dan pita frekuensi yang relatif sempit dari voltase terukur (1; 5; 10 MHz). Kedua karakteristik ini ditentukan oleh penguat tegangan AC.

Voltmeter RMS dibangun sesuai dengan diagram blok gbr.6. Konverter dengan karakteristik persegi digunakan, yang memberikan pengukuran nilai tegangan akar rata-rata-kuadrat dalam bentuk apa pun. Konverter ini termasuk, pertama-tama, termoelektrik dan optocoupler. Berdasarkan konverter termoelektrik (lihat Gambar 3-15, G) membuat konverter RMS [b] yang beroperasi pada dua elemen yang identik Tpr1 dan Tpr2(Gbr. 7) dan penguat diferensial DU(mikrochip). Pemanas konverter termal pertama terhubung ke output penguat broadband, mis., ke sirkuit tegangan yang diukur Ux, dan pemanas detik - ke output penguat diferensial DU, yaitu, dalam rangkaian umpan balik negatif. ThermoEMF dari konverter pertama E t 1 = a t U 2 x yang kedua - E t 2 = a t U 2 out, di mana Ux dan (U out - root mean nilai kuadrat dari tegangan terukur dan tegangan keluaran, masing-masing.

Gbr.7. Skema konverter termoelektrik nilai tegangan rms

Termokopel dihubungkan dengan arah yang berlawanan. Penguat diferensial dengan gain tinggi digunakan. Tegangan keluaran dari konverter RMS secara linier berhubungan dengan nilai RMS dari tegangan yang diukur.

Kesalahan konversi utama adalah karena non-identitas parameter konverter termal, yang meningkat seiring bertambahnya usia, dan 2,5-6%.

voltmeter DC. Voltmeter universal yang dipertimbangkan di atas (Gbr. 5) memungkinkan Anda mengukur tegangan langsung dari sepersepuluh volt ke atas. Untuk mengukur nilai yang lebih rendah (dari 0,5 V), voltmeter elektronik yang sangat sensitif digunakan dengan konversi tegangan langsung menjadi tegangan bolak-balik, yang, setelah amplifikasi yang signifikan, diubah lagi menjadi arus searah dan diukur dengan mikroammeter magnetoelektrik.

Voltmeter elektronik digital. Prinsip pengoperasian voltmeter diskrit adalah mengubah konstanta terukur atau tegangan yang berubah perlahan menjadi kode listrik, yang ditampilkan pada layar dalam bentuk digital. Sesuai dengan ini, diagram blok umum voltmeter digital terdiri dari perangkat input Vhu, konverter analog-ke-digital ADC dan indikator digital C I

Gbr.8 Diagram blok umum voltmeter digital.

Voltmeter digital dengan konversi waktu-pulsa. Prinsip operasinya adalah mengubah tegangan terukur ux dalam interval waktu proporsional DW, diukur dengan angka N mengisinya dengan pulsa dengan tingkat pengulangan yang stabil.

Voltmeter (Gbr. 3-30, sebuah) bekerja dalam siklus, durasinya T diatur menggunakan CU perangkat kontrol dan biasanya sama dengan atau kelipatan dari periode listrik. Untuk pengukuran tunggal ux mulai manual disediakan.

Kesalahan pengukuran muncul karena ketidaklinieran perubahan tegangan jatuh linier, ketidakstabilan ambang respons perangkat pembanding.

Beras. 3-30. voltmeter digital dengan konversi waktu-pulsa

dan kemungkinan kehilangan pulsa penghitungan, mis., kesalahan diskrit. Kesalahan dasar biasanya 0,1%. Kekebalan kebisingan voltmeter dengan konversi waktu-ke-pulsa rendah, karena gangguan apa pun menyebabkan perubahan saat pengoperasian perangkat pembanding. Keuntungan utama dari voltmeter ini adalah kesederhanaan komparatifnya.

Voltmeter digital dengan konversi frekuensi. Prinsip operasinya adalah mengubah tegangan terukur menjadi frekuensi pulsa yang sebanding dengannya, diukur dengan pengukur frekuensi digital.

Voltmeter digital dengan integrasi ganda. Prinsip operasinya mirip dengan prinsip konversi waktu-pulsa, dengan perbedaan bahwa di sini dua interval waktu terbentuk selama siklus pengukuran, yang durasinya diatur ke kelipatan periode interferensi. Dengan demikian, nilai rata-rata dari tegangan terukur ditentukan, dan interferensi ditekan. Voltmeter ini lebih akurat dan tahan kebisingan daripada yang dibahas di atas, tetapi mereka memiliki lebih banyak waktu pengukuran.

Voltmeter tindak lanjut tidak bekerja dalam siklus, tetapi terus-menerus menanggapi perubahan tegangan yang diukur: jumlah tegangan referensi mengambil nilai yang lebih besar atau lebih kecil tergantung pada nilai tegangan yang diukur. Ketika kesetaraan tercapai U x =åU arr. kode diubah menjadi pembacaan, dan keadaan perangkat tetap tidak berubah sampai nilai U x berubah. Keuntungan dari voltmeter penyeimbang pelacakan adalah untuk mengurangi kesalahan statis dan dinamis dan meningkatkan kecepatan.

KULIAH #5

PERANGKAT DAN KONVERTER ANALOG ELEKTRONIK

Perangkat analog elektronik dan konverter adalah alat ukur di mana konversi sinyal informasi pengukuran dilakukan dengan menggunakan perangkat elektronik analog. Sinyal keluaran dari sarana tersebut adalah fungsi kontinu dari nilai terukur. Perangkat elektronik dan konverter digunakan untuk mengukur hampir semua besaran listrik: tegangan, arus, frekuensi, daya, hambatan, dll.

Keuntungan elektronik alat pengukur:

sensitivitas tinggi karena penggunaan amplifier;

konsumsi energi rendah dari sirkuit di mana pengukuran dilakukan, yang ditentukan oleh tinggi impedansi masukan data instrumen;

rentang frekuensi yang lebar di mana sensitivitas tidak berubah.

Kekurangan:

kompleksitas karena sejumlah besar bagian dan elemen;

kebutuhan pasokan listrik untuk perangkat elektronik yang termasuk dalam perangkat;

keandalan yang relatif rendah karena banyaknya elemen.

VOLTMETER ELEKTRONIK

Dalam voltmeter elektronik, tegangan terukur diubah menggunakan analog perangkat elektronik menjadi arus searah, yang diumpankan ke mekanisme pengukuran magnetoelektrik dengan skala yang diukur dalam satuan tegangan. Voltmeter elektronik memiliki sensitivitas tinggi dan rentang tegangan terukur yang luas (dari puluhan nanovolt pada arus searah hingga puluhan kilovolt), resistansi input tinggi (lebih dari 1 MΩ), dan dapat beroperasi dalam rentang frekuensi yang luas (dari arus searah hingga frekuensi orde ratusan MHz).

Ada banyak berbagai jenis voltmeter. Menurut tujuan dan prinsip operasinya, voltmeter yang paling umum dapat dibagi menjadi voltmeter DC, AC, universal, pulsa, dan selektif.

voltmeter DC. Diagram blok yang disederhanakan dari voltmeter tersebut ditunjukkan pada gambar. 5.1, dimana VD– pembagi tegangan masukan; UPT– penguat DC; MEREKA– mekanisme pengukuran magnetoelektrik; kamu x- tegangan terukur

Beras. 5.1. Diagram struktural voltmeter DC elektronik

Sambungan serial dari pembagi tegangan dan penguat memungkinkan voltmeter menjadi sangat sensitif dan multi-batas dengan mengubah koefisien konversi keseluruhannya pada rentang yang luas. Meningkatkan sensitivitas voltmeter DC dengan meningkatkan penguatan UPT k UPT menghadapi kesulitan teknis karena ketidakstabilan pekerjaan UPT, ditandai dengan perubahan k UPT dan perubahan spontan dalam sinyal keluaran penguat ("zero" drift). Oleh karena itu, dalam voltmeter seperti itu k UPT 1, dan tujuan utama UPT- memberikan resistansi input voltmeter yang besar.

Diagram blok voltmeter DC ini digunakan sebagai bagian dari voltmeter universal, karena dengan sedikit komplikasi - menambahkan konverter AC ke DC, menjadi mungkin untuk mengukur tegangan AC.

voltmeter AC. Voltmeter tersebut terdiri dari konverter AC-ke-DC, amplifier, dan mekanisme pengukuran magnetoelektrik. Ada dua diagram blok umum voltmeter AC (Gbr. 5.2), yang berbeda dalam karakteristiknya. Dalam voltmeter sesuai dengan skema gambar. 5.2, sebuah tegangan terukur kamu X, pertama diubah menjadi tegangan DC, yang kemudian diterapkan ke UPT dan MEREKA, yang pada dasarnya adalah voltmeter DC. Konverter Dll adalah link non-linear, sehingga voltmeter dengan struktur ini dapat beroperasi dalam rentang frekuensi yang luas. Pada saat yang sama, kekurangan ini UPT dan fitur pengoperasian elemen nonlinier pada tegangan rendah tidak memungkinkan voltmeter tersebut menjadi sangat sensitif.

Beras. 5.2. Diagram struktural voltmeter AC

Dalam voltmeter dibuat sesuai dengan skema Gambar. 5.2, b, karena pra-amplifikasi dimungkinkan untuk meningkatkan sensitivitas. Namun, pembuatan amplifier AC gain tinggi yang beroperasi pada rentang frekuensi yang lebar adalah tugas teknis yang sulit. Oleh karena itu, voltmeter tersebut memiliki rentang frekuensi yang relatif rendah (1 - 10 MHz).

Ada voltmeter amplitudo, nilai rata-rata atau efektif.

Beras. 5.3. Skema (a) dan diagram waktu sinyal konverter nilai amplitudo (detektor puncak) dengan input terbuka

Voltmeter nilai puncak memiliki konverter nilai amplitudo (detektor puncak) dengan bukaan (Gbr. 5.3, sebuah) masukan, dimana kamu di dan kamu KELUAR– tegangan input dan output konverter. Jika voltmeter memiliki struktur gambar. 5.3, sebuah, maka untuk konverter kamu di =kamu X. Dalam transduser amplitudo dengan input terbuka, kapasitor diisi hampir ke maksimum kamu xmax positif (dengan penyertaan dioda tertentu) nilai tegangan input (Gbr. 5.3, b). riak tegangan kamu KELUAR pada kapasitor dijelaskan oleh pengisiannya dengan dioda terbuka, ketika kamu di >kamu KELUAR, dan pelepasannya melalui resistor R dengan dioda tertutup, ketika kamu di <kamu KELUAR .

voltmeter universal. Voltmeter tersebut dirancang untuk mengukur tegangan DC dan AC. Diagram blok umum ditunjukkan pada gambar. 5.4, ​​di mana PADA- mengalihkan. Tergantung pada posisi sakelar PADA voltmeter bekerja sesuai dengan skema voltmeter arus bolak-balik dengan konverter P(posisi 1 ) atau voltmeter DC (posisi 2 ).

Beras. 5.4. Diagram struktural voltmeter universal

Dalam voltmeter universal, juga disebut gabungan, seringkali mungkin untuk mengukur resistansi R X. Dalam voltmeter seperti itu ada konverter P R, yang tegangan keluarannya bergantung pada resistansi yang tidak diketahui: kamu KELUAR =f(R x ). Berdasarkan ketergantungan ini, skala instrumen dikalibrasi dalam satuan resistansi. Saat mengukur, resistor dengan resistansi yang tidak diketahui terhubung ke terminal input konverter, dan sakelar diatur ke posisi 3 .

Voltmeter pulsa. Untuk mengukur amplitudo sinyal pulsa dari berbagai bentuk, voltmeter pulsa digunakan. Fitur pengoperasian voltmeter pulsa ditentukan oleh durasi pendek dari pulsa yang diukur (dari 10-100 ns) dan siklus kerja yang signifikan

(hingga 10 9), di mana T adalah periode pengulangan pulsa.

Voltmeter pulsa dapat dibuat sesuai dengan diagram blok pada gambar. 5.2, sebuah, saat menggunakan konverter nilai amplitudo dengan input terbuka (Gbr. 5.3, sebuah). Siklus tugas yang besar dari pulsa dan durasi pendeknya memaksakan persyaratan ketat pada konverter nilai amplitudo. Oleh karena itu, dalam voltmeter pulsa, sirkuit kompensasi konverter amplitudo digunakan (Gbr. 5.5).

Beras. 5.5. Skema kompensasi konverter amplitudo

Masukan pulsa kamu di mengisi kapasitor DARI 1 . Komponen variabel tegangan pada kapasitor ini, yang disebabkan oleh pengisian ulang pulsa terukur dan pelepasan antara pulsa (mirip dengan Gambar 5.3, b), diperkuat oleh amplifier Pada arus bolak-balik dan disearahkan oleh dioda D 2 . Konstanta waktu sirkuit RC 2 dipilih cukup besar, sehingga tegangan kapasitor DARI 2 berubah secara signifikan dalam interval antara pulsa. Dari output konverter menggunakan resistor R o.s. umpan balik pada kapasitor DARI 1 tegangan kompensasi diterapkan. Dengan penguatan penguat yang besar, ini menyebabkan penurunan yang signifikan pada komponen variabel tegangan melintasi kapasitor DARI 1 , sebagai akibatnya, dalam keadaan tunak, tegangan pada kapasitor hampir sama dengan amplitudo pulsa yang diukur, dan tegangan keluaran sebanding dengan amplitudo ini:

.

voltmeter selektif. Voltmeter tersebut dirancang untuk mengukur nilai efektif tegangan pada pita frekuensi tertentu atau nilai efektif komponen harmonik individu dari sinyal yang diukur.

Prinsip pengoperasian voltmeter selektif adalah mengisolasi komponen harmonik individu dari sinyal atau sinyal pita sempit menggunakan filter lintasan pita yang dapat disetel dan mengukur nilai efektif dari sinyal yang dipilih.

Filter bandpass yang direalisasikan secara fisik tidak memiliki respons frekuensi persegi panjang (AFC) yang ketat. Ini dapat mengarah pada fakta bahwa komponen harmonik tetangga dengan penguatan tertentu akan melewati filter semacam itu. Dalam hal ini, voltmeter selektif mengukur nilai efektif dari jumlah komponen harmonik yang telah melewati filter, dengan mempertimbangkan koefisien transmisi aktual untuk setiap komponen.

Beras. 5.6. Diagram blok voltmeter selektif

sinyal terukur kamu X melalui penguat input selektif VU diumpankan ke mixer Cm, yang dirancang untuk mengubah spektrum frekuensi dari sinyal yang diukur. Pada output mixer, muncul sinyal yang sebanding dengan sinyal yang diukur, tetapi dengan frekuensi spektrum

, di mana - frekuensi komponen harmonik dari sinyal input; - frekuensi sinyal generator sinusoidal G(heterodyna). JIKA penguat HRO disetel ke beberapa frekuensi tetap

. Oleh karena itu, di jalan keluar HRO hanya komponen sinyal keluaran mixer yang akan lewat, yang frekuensinya

. Sinyal ini sesuai dengan komponen harmonik dari sinyal yang diukur dengan frekuensi

. Nilai efektif komponen harmonik ini diukur dengan voltmeter nilai efektif VDZ. Dengan mengubah frekuensi generator , Anda dapat mengukur nilai efektif dari berbagai komponen harmonik sinyal kamu X .

Fungsi filter band-pass di sirkuit ini dilakukan oleh: HRO. Karena nilai frekuensi tuning yang tetap (tidak dapat disetel) HRO penguat ini memiliki gain tinggi dan bandwidth sempit, yang memastikan sensitivitas dan selektivitas voltmeter selektif yang tinggi.

Voltmeter tersebut terdiri dari konverter AC-ke-DC, amplifier, dan mekanisme pengukuran magnetoelektrik. Ada dua diagram blok umum voltmeter AC (Gbr. 4.17), yang berbeda dalam karakteristiknya. Dalam voltmeter sesuai dengan skema Gambar 4.17, sebuah tegangan terukur mereka pertama diubah menjadi tegangan DC, yang kemudian diterapkan ke UPT dan MEREKA, yang pada dasarnya adalah voltmeter DC. Konverter Dll adalah tautan non-linear inersia rendah, sehingga voltmeter dengan struktur seperti itu dapat beroperasi dalam rentang frekuensi yang luas (dari puluhan hertz hingga 10 3 MHz).

Gambar 4.17. Diagram struktural voltmeter AC

Dalam voltmeter yang dibuat sesuai dengan skema Gambar 4.17, b, karena amplifikasi awal, dimungkinkan untuk meningkatkan sensitivitas. Namun, pembuatan amplifier AC gain tinggi yang beroperasi dalam rentang frekuensi yang lebar merupakan masalah teknis yang agak sulit. Oleh karena itu, voltmeter tersebut memiliki rentang frekuensi yang relatif rendah (1 - 10 MHz); batas atas pengukuran pada sensitivitas maksimum adalah puluhan atau ratusan mikrovolt.

Tergantung pada jenis konverter AC-ke-DC, penyimpangan penunjuk mekanisme pengukuran voltmeter dapat sebanding dengan amplitudo(puncak), rata-rata(diperbaiki sedang) atau saat ini nilai tegangan terukur.

Voltmeter nilai puncak memiliki konverter nilai amplitudo (detektor puncak) dengan bukaan (Gbr. 4.18, sebuah) atau tertutup (Gbr. 4.19, sebuah) masukan, dimana dan masuk dan dan keluar- tegangan input dan output konverter.

Beras. 4.18. Skema (a) dan diagram waktu sinyal (b dan c) dari konverter nilai amplitudo (detektor puncak)

dengan pintu masuk terbuka

Dalam transduser amplitudo dengan input terbuka, kapasitor diisi hampir ke maksimum mereka m ax dari nilai tegangan input positif (dengan dioda yang diberikan aktif) b). Riak tegangan u pada kapasitor dijelaskan oleh pengisian ulang dengan dioda terbuka dan pelepasan melalui resistor R dengan dioda tertutup.

Tegangan keluaran rata-rata dan rabu" dan xtah dan, akibatnya, sudut deviasi penunjuk mekanisme pengukuran

(4.29)

di mana k y- faktor konversi voltmeter.

Fitur konverter amplitudo input terbuka adalah mereka melewatkan komponen DC dari sinyal input (positif untuk pengaktifan dioda yang ditunjukkan)

Pada dan dalam \u003d U o + U m dosa t tegangan keluaran rata-rata dan U o + Um. Akibatnya,

(4.30)

Jelas, untuk U BX<0 подвижная часть MEREKA tidak akan menyimpang, karena dalam hal ini dioda tertutup D.

Beras. 4.19. Skema (a) dan diagram waktu sinyal (b)

transduser amplitudo input tertutup

Pada konverter dengan input tertutup (Gbr. 4.19, a, b) dalam keadaan tunak pada resistor R terlepas dari adanya komponen konstan dari sinyal input, ada tegangan riak kamu R bervariasi dari 0 hingga -2 kamu di mana kamu- amplitudo komponen variabel dari tegangan input. Nilai rata-rata tegangan ini hampir sama dengan um. Untuk mengurangi riak tegangan keluaran pada konverter tersebut, filter lolos rendah R f C f dipasang. Dengan demikian, pembacaan voltmeter dalam hal ini hanya ditentukan oleh nilai amplitudo dari komponen variabel tegangan input mereka, yaitu a = k v U m .

Karena skala voltmeter dikalibrasi dalam nilai efektif tegangan sinusoidal, maka ketika mengukur tegangan dari bentuk yang berbeda, perlu untuk melakukan perhitungan ulang yang sesuai jika faktor amplitudo dari tegangan yang diukur diketahui. Nilai amplitudo dari tegangan terukur dari bentuk non-sinusoidal

di mana k ac =\u003d 1,41 - koefisien amplitudo sinusoida; U np- nilai tegangan, baca pada skala perangkat.

Nilai efektif dari tegangan terukur

di mana k a- faktor amplitudo dari tegangan yang diukur.

Nilai rata-rata voltmeter memiliki konverter AC-ke-DC yang serupa dengan yang digunakan dalam penyearah. Voltmeter tersebut biasanya memiliki struktur yang ditunjukkan pada Gambar 4.17, b. Dalam hal ini, tegangan pra-diperkuat diterapkan ke konverter penyearah mereka, yang meningkatkan sensitivitas voltmeter dan mengurangi efek non-linier dioda. Sudut deviasi dari bagian yang bergerak dari mekanisme pengukuran untuk voltmeter tersebut sebanding dengan nilai rata-rata yang diperbaiki dari tegangan yang diukur, mis.

(4.33)

Skala voltmeter tersebut juga dikalibrasi dalam nilai efektif tegangan sinusoidal. Saat mengukur tegangan non-sinusoidal, nilai rata-rata tegangan ini

dan yang sekarang:

di mana U OL- pembacaan voltmeter; k fs\u003d 1.11 - faktor bentuk sinusoidal; k F adalah faktor bentuk dari tegangan terukur.

voltmeter RMS memiliki konverter tegangan AC dengan karakteristik konversi statis kuadrat dan KELUAR = k u IN 2 . Konverter seperti itu, konverter termal, perangkat kuadrat dengan pendekatan linier sepotong-sepotong dari parabola, tabung vakum, dan lainnya digunakan. Selain itu, jika voltmeter nilai efektif dibuat sesuai dengan diagram blok yang ditunjukkan pada Gambar 4.17, maka terlepas dari bentuk kurva tegangan yang diukur, penyimpangan penunjuk mekanisme pengukuran sebanding dengan kuadrat dari nilai efektif tegangan terukur:

(4.36)