Схема цифрового вольтметра переменного тока: структурная схема электронных встраиваемых мини-вольтметров постоянного тока и других моделей. Принцип их работы

Содержание

структурная схема электронных встраиваемых мини-вольтметров постоянного тока и других моделей. Принцип их работы

На первый взгляд может показаться, что вольтметр является узкоспециализированным прибором. Но на самом деле он может быть более востребован и иметь множество применений в быту. Особенно это относится к радиолюбителям и владельцам автомобилей. К примеру, с помощью данного аппарата можно настроить собранную электронную конструкцию, измерить вольтаж аккумулятора и напряжение домашней электросети.

Наиболее популярной разновидностью сегодня считаются цифровые вольтметры. В этой статье мы подробно разберем их особенности, рассмотрим разновидности, а также расскажем о том, как настраивать аппарат и правильно его использовать.

Особенности и технические характеристики

Основным применением цифровых вольтметров является проверка напряжения в электрической цепи.

Главной особенностью такого прибора является удобство и простота эксплуатации. Также он отличается высокими показателями внутреннего сопротивления, что обеспечивает точность измерений.

К главным техническим характеристикам вольтметра относятся следующие.

  • Диапазон измерений: у цифровых моделей он составляет от 1мВ до 1 кВ. Этого вполне достаточно для проведения большинства замеров. Однако бывает и такое, что необходимо измерить крайне низкое напряжение или слишком высокое. Для этих целей требуются более сложные вольтметры.
  • Допустимая погрешность: чем меньше этот показатель, тем точнее получаемые результаты. Данная характеристика устанавливается производителем после первых испытаний и обычно указывается в процентах.
  • Внутреннее сопротивление: чем оно выше, тем точнее вольтметр. Аппараты с высоким сопротивлением практически не влияют на электроцепь.
  • Диапазон частот переменного напряжения.

Эти характеристики вы сможете найти в описании к той или иной модели вольтметра.

Сердцем аппарата, которое отвечает за вычисления, является структурная схема. О принципе ее работы мы поговорим далее. Для визуализации полученных данных многие цифровые вольтметры используют индикатор.

Принцип работы

В основе той самой схемы цифрового прибора лежат дискретные величины. К основным составляющим схемы относятся:

  • входное устройство;
  • аналого-цифровой преобразователь;
  • цифровое отсчетное устройство;
  • управляющее устройство.

Входное устройство, играющее первостепенную роль в этой конструкции, оснащено делителем напряжения. Также оно выступает в роли преобразователя. Проходя через него, переменный ток превращается в постоянный. Аналогово-цифровой преобразователь изменяет аналоговый сигнал. На выходе получается цифровой код. Если модель поддерживает двоичные числа, процесс измерения проходит гораздо быстрее.

Старые аппараты поддерживали исключительно десятичный код.

Полученный после преобразования код поступает в отсчетное устройство, которое регистрирует измеряемую величину. Для объединения всех узлов вольтметра используется управляющее устройство.

Точность измерений вольтметра также зависит от стабильности опорного напряжения. Поэтому следует учитывать порог прецизионного делителя во входном устройстве и защиту от помех в цепочке. Во время проведения лабораторных исследований точность замеров можно значительно увеличить с помощью фильтра в начале электрической цепи.

Тем не менее полностью исключить погрешности невозможно, можно лишь свести их к минимуму.

Дело в том, что источник питания вызывает помехи, изменяющие параметры сопротивления. Из-за этого показатели значительно уменьшаются.

Не стоит забывать, что точность выводимых вольтметром показаний зависит от их градуировки. Градуировка представляет собой совокупность действий по сопоставлению шкалы прибора с измеряемой величиной. Как правило, эта процедура выполняется в заводских условиях. Для этого сравниваются значения настраиваемого вольтметра и эталонного аппарата с самыми высокими показателями точности.

Обзор видов

Вольтметр не является многофункциональным приспособлением. Он выполняет лишь одну задачу – измерение напряжения электрической цепи. Однако на сегодняшний день было изобретено немало разновидностей вольтметров. Их классификация зависит от характеристик, которые берутся во внимание.

Давайте рассмотрим основные виды и параметры, по которым они подразделяются. Наиболее важный из них – это принцип работы. В зависимости от него вольтметры бывают двух типов:

  • электромеханические – электромагнитные и магнитоэлектрические;
  • электронные – аналоговые и цифровые.

Электромагнитные аппараты считаются самыми дешевыми и наиболее простыми.

Но из-за высокой индуктивности собственных обмоток заметно страдает точность измерений. Такие приборы чаще всего встречаются на электроподстанциях.

Магнитоэлектрические, наоборот, наименее доступны и применяются в основном для лабораторных исследований. Но не будем надолго останавливаться на этих разновидностях, так как речь идет о цифровых вольтметрах, а значит, нас интересуют только электронные. Электронный аппарат имеет табло для вывода результатов. На аналоговых устройствах оно состоит из шкалы и стрелки. На цифровых – представляет собой светодиодный дисплей.

Следующий рассматриваемый параметр – это назначение. Согласно ему, электронный вольтметр разделяется на:

  • прибор для измерения напряжения постоянного тока;
  • прибор для измерения напряжения переменного тока;
  • универсальный прибор для измерения обоих типов напряжения, с возможностью переключения режимов;
  • импульсный прибор для замеров одиночных импульсов.

Вольтметры для измерения постоянного тока бывают:

  • выпрямительными;
  • квадратичными.

Для измерения напряжения переменного тока в трехфазной сети применяется трехфазный вольтметр.

Особой разновидностью электронных вольтметров являются приборы с время-импульсным преобразованием.

Они фиксируют напряжения только в определенные отрезки времени. Дополнительно аппарат учитывает импульсные колебания и среднюю частоту напряжения.

Вольтметры с двойным интегрированием предназначены для работы с постоянным током. Они основываются на принципе периодического повторения, при котором исходный код в цепи возвращается автоматически.

Дополнительно вольтметры разделяются по способу установки:

  • стационарные;
  • щитовые;
  • переносные.

К переносным относятся, например, миниатюрный и розеточный аппараты. Последний работает от электросети, мини-вольтметр работает на батарейках. Среди владельцев автомобилей востребована современная разновидность – круглый портативный вольтметр со светодиодным табло. Он легко позволяет замерить напряжение автомобильного аккумулятора.

Отдельно можно приобрести встраиваемые приборы. Они предназначены для тех блоков питания, которые производитель не оснащает вольтметром.

Как выбрать?

Широкий выбор моделей, представленных на современном рынке, позволяет подобрать вольтметр, соответствующий любым запросам и финансовым возможностям. О главных технических характеристиках, которые нужно учитывать при выборе в первую очередь, мы уже рассказали выше. Также следует выбирать аппарат, соответствующий своей области применения.

Но даже с учетом этих критериев круг выбора остается довольно широким. Мы рекомендуем обратить внимание на следующие бренды:

  • «Актаком» – Россия;
  • «АКИП» – Россия;
  • Circutor S. A. – Испания;
  • Good Will Instrument Co. – Тайвань;
  • Agilent – США.

Под этими торговыми марками выпускаются в основном качественные разнообразные приборы по доступным ценам.

Однако это лишь малая часть производителей, выпускающих качественную технику для замеров.

Как пользоваться?

Эксплуатация вольтметра допускается только при соблюдении трех важных условий. К ним относятся:

  • соответствие возможностей аппарата напряжению в участке цепи;
  • соответствие типу напряжения, которое может быть постоянным или переменным;
  • верное положение, в котором должен находиться вольтметр для корректной работы (вертикальное или горизонтальное, данная информация указывается на корпусе прибора).

Аналоговые вольтметры также требуют предварительной настройки.

Но в этот раз мы говорим о цифровых устройствах, которые в этом не нуждаются, что является еще одним доказательством удобства и простоты использования. Весь процесс измерения напряжения цифровым вольтметром можно разделить на 3 шага.

  1. Подсоединить провода. Для этого на цифровых моделях имеются специальные разъемы и гнезда. Установить переключатель в положение «включено».
  2. Если вольтметр является универсальным, установить тип напряжения и диапазон значений. При неизвестных значениях можно обозначить максимальный предел, а затем плавно его снижать до выявления читаемых значений.
  3. Установить параллельное подключение щупов к проводникам на выбранном участке цепи.

    Как видите, процесс не так сложен и не занимает большого количества времени.

    Однако стоит соблюдать осторожность. Халатное отношение может не только повредить устройство, но и нанести вред здоровью человека.

    Вот самые распространенные ошибки, которые совершаются при замерах.

    1. Переход с одного участка цепи на другой без переустановки значений или типа напряжения. Вольтметр может перегреться и даже сгореть.
    2. Из-за внешнего сходства вольтметр можно легко перепутать с амперметром.
    3. При длительной эксплуатации изоляция проводов на щупах приходит в негодность и проводник оголяется. Это может привести к поражению оператора электрическим током. Поэтому нужно регулярно осматривать аппарат на предмет повреждений.
    4. Некоторые покупатели предпочитают экономить на подобной технике, покупая дешевые аппараты от неизвестных производителей. Велик риск потратить деньги на непригодный для измерений вольтметр. Такие устройства лучше приобретать в специализированных магазинах. Лучше всего если товары имеют сертификат качества и гарантийный срок.

    В целом это все, что нужно знать о вольтметре для его домашнего использования.

    Данный прибор является очень полезным и ему всегда найдется применение. Так что эта покупка стоит того.

    Тем не менее, если работать приходится с электричеством, необходимо соблюдать предельную внимательность и быть подготовленными. Обязательно ознакомьтесь с прилагаемой инструкцией и техническими характеристиками именно вашей модели.

    В следующем видео вы узнаете, как подключить цифровой вольтметр с тремя проводами.

    Как выбрать цифровой вольтметр. Лучшие вольтметры для USB-портов

    Необходимость применения вольтметра возникает у большинства домовладельцев, автолюбителей, не говоря уже о радиолюбителях. Определить наличие напряжения в домашней сети при отсутствии света в доме, измерить вольтаж аккумуляторной батареи в случае её разряда, настроить собранную радиолюбителем конструкцию — во всех этих ситуациях без его использования не обойтись.

    Все вольтметры можно разделить по: принципу действия, назначению, способу применения и конструкции.

    По принципу действия устройства делятся на группы :

    • Вольтметры электромеханические.
    • Электронные вольтметры.

    Рассмотрим конкретно каждую группу.

    Электромеханические и электронные вольтметры

    Эти измерительные приборы являются устройствами прямого преобразования. Измеряемая величина в них преобразуется напрямую в показания на шкале устройства отсчёта. Она предназначена для визуальной оценки измеряемого напряжения.

    Шкала выглядит как последовательность отметок с числами и составляет неподвижную часть прибора. Расстояние между двумя соседними отметками — цена деления шкалы. Шкалы могут быть линейными и нелинейными, односторонними (отметка «0» расположена у начала) и двусторонними (отметка «0» расположена в середине). На шкале обычно наносится число, обозначающее класс точности прибора.

    Подвижная часть устройства состоит из рамки, находящейся между полюсов постоянного магнита. По обмотке рамки протекает ток. С подвижной рамкой связана стрелка, по величине угла отклонения которой можно по шкале оценить значение измеряемого параметра. Этот угол напрямую зависит от тока, протекающего через обмотку рамки, а значит и от величины напряжения, которое измеряется.

    Такие приборы используют для измерения магнитоэлектрический метод . Он наиболее часто используется в электромеханических приборах для измерения различных физических величин.

    Следует отметить, что такие приборы отдельно используются довольно редко. Как правило, они являются составной частью более сложных по схемному исполнению устройств.

    Кроме, магнитоэлектрического способа измерения в электромеханических приборах используют и другие: электромагнитный, электродинамический, ферродинамический, термоэлектрический, способ выпрямления.

    Применение этих приборов исходя из требований, предъявляемых к измерителям напряжения, более предпочтительно, чем электромеханических. А требования эти таковы — уменьшение методической погрешности измерения.

    Для измерения напряжений в различных точках схемы вольтметр подключают параллельно измеряемой цепи . Поэтому его использование не должно искажать реальную картину. Он не должен шунтировать участок схемы, следовательно, его входное сопротивление должно быть большим (в идеале стремиться к бесконечности).

    Вольтметры электронные можно разделить на две группы. Одну составляют аналоговые приборы, другую цифровые. Различия между ними заключается в форме предоставления информации о результатах измерения.

    Возможные аналоги

    Входное напряжение, величину которого необходимо измерить, поступает на масштабирующее устройство. Оно выполнено в виде многопредельного резисторного делителя высокого класса точности. Количество резисторов соответствует количеству диапазонов измерения напряжения.

    После резисторного делителя сигнал поступает на усилитель постоянного тока (УПТ). Его назначение — усилить входное напряжение , прошедшее через делитель, до величины, требуемой для нормальной работы устройства индикации. УПТ также необходим для повышения входного сопротивления прибора и согласования его с низкоомной обмоткой рамки указателя магнитоэлектрической системы.

    Устройство электромеханического прибора, по которому в аналоговых вольтметрах производится отсчёт измеряемой величины напряжения, был рассмотрен выше.

    Высокое входное сопротивление этого прибора определяется в основном схемой УПТ. В ней широко используется применение транзисторов, включённых по схеме эмиттерного повторителя сигнала, или полевых транзисторов.

    Точность аналоговых вольтметров определяется классом точности резисторов входного устройства и классом точности головки микроамперметра, по стрелке которого производится отсчёт измеренного напряжения.

    Для измерения напряжений малой величины применение в схеме прибора усилителя постоянного тока не всегда приводит к достаточной точности измерений.

    В милливольтметрах измерения производятся на переменном токе. Постоянное входное напряжение преобразуется в переменное с помощью собственного модулятора. Усилитель переменного тока обладает лучшими характеристиками в отношении линейности, дрейфа нуля, коэффициента усиления, мало зависящего от температуры. После усиления переменное напряжение детектируется. Стабильное выпрямленное постоянное напряжение поступает на стрелочный электромеханический прибор.

    Если вольтметром необходимо измерить переменное напряжение, то его схема изменится. Существуют две разновидности схем .

    В одной из них входное напряжение детектируется и затем усиливается усилителем постоянного тока.

    В схемах с другим построением усиливается сначала входное переменное напряжение усилителем переменного тока. После этого сигнал выпрямляется детектором.

    В зависимости от требований, предъявляемых к результатам измерений, выбирается либо одно построение схемы, либо другое.

    Первый вариант используется там, где необходимо произвести измерение в широком диапазоне частот (от 10Гц до 1000МГц).

    Применение второго варианта построения имеет место при измерении очень малых переменных напряжений (единицы микровольт).

    Цифровые вольтметры

    Измерители этого вида в процессе обработки представляют входное напряжение в виде ступенек (дискретных значений). Его значение отображается на индикаторе прибора в цифровом виде.

    Входное устройство (ВУ) производит определение масштаба входного сигнала, его фильтрацию от помех. При измерении переменного напряжения производится его выпрямление. Таким образом, схема ВУ содержит делитель напряжения, фильтр сетевых помех, усилитель сигнала.

    Фильтр необходим для повышения точности измерений, потому что сигнал помехи может восприниматься в виде полезного сигнала и после её дискретизации на выходном индикаторе отобразятся цифры, не соответствующие измеряемой величине полезного входного сигнала.

    В «продвинутых» моделях дополнительно имеются устройства, осуществляющие выбор полярности и пределов измерения автоматически.

    Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) осуществляет представление напряжения на входе прибора в виде интервала времени, длительность которого зависит от его величины. Этот интервал заполняется импульсами, которые вырабатывает собственный генератор вольтметра. Счётчик по командам устройства управления производит их подсчёт и на цифровом индикаторе прибора появляется цифровое значение величины, пропорциональное количеству импульсов.

    Поскольку электронные компоненты ВУ имеют значительное входное сопротивление, цифровые вольтметры очень незначительно влияют на сопротивление участка цепи, на которой производится измерение. Точность их показаний намного выше, чем у всех предыдущих вольтметров.

    Работать с прибором стало значительно проще. Нет необходимости производить дополнительный пересчёт полученного значения с учётом выбранной шкалы и установленного множителя (как у аналоговых вольтметров). Но требования, предъявляемые к качеству питающего напряжения очень высоки.

    Основные характеристики приборов

    Чем больше внутреннее сопротивление вольтметра, тем меньше его влияние на измеряемую цепь. Поэтому приборы с более высоким входным сопротивлением обладают большей точностью при проведении измерений.

    Для того чтобы оценить возможности прибора, его преимущества по сравнению с другими, сделать окончательный вывод о возможности его приобретения необходимо внимательно ознакомиться с его техническими параметрами, к которым относятся:

    • внутреннее сопротивление вольтметра;
    • диапазон измеряемых вольтметром напряжений;
    • диапазон частот переменного напряжения;
    • погрешность измерения прибора.

    Диапазон необходимо учитывать исходя из того, с какими величинами напряжений придётся иметь дело. Большинство вольтметров позволяют проводить измерение напряжений от нескольких десятков милливольт до сотен вольт . Этот диапазон вполне приемлем для многих пользователей. Исключение составляют милливольтметры с расширенным диапазоном и киловольтметры.

    Погрешность показывает возможное отклонение измеряемой величины от эталонной. Определяется на этапе заводских испытаний прибора. Выражается в процентах или долях процента.

    Все эти параметры представлены в описании на конкретный прибор.

    Самодельные устройства

    Как сделать вольтметр своими руками, для чего он нужен, как устроен, как подключается вольтметр, как пользоваться вольтметром — вот неполный перечень вопросов, которые возникают у начинающих радиолюбителей и простых пользователей. Принцип действия вольтметра или принцип работы вольтметра был рассмотрен ранее при рассмотрении разных его типов и видов.

    При совсем небольших затратах можно самостоятельно его изготовить . Основной его частью является стрелочный измерительный прибор. На шкале присутствует обозначение напряжения — латинская буква «V». Конечно, желательно иметь вольтметр с необходимым диапазоном измерения. В левой части шкалы должна быть отметка «О», а в правой — число, которое показывает предельное значение напряжения, измеряемого этим прибором.

    Это значение определяется величиной добавочного резистора, находящегося в корпусе готового прибора и током полного отклонения стрелки микроамперметра.

    Часто при работе приходится измерять значения напряжений в широком диапазоне. Для обеспечения допустимой точности приходится использовать одну общую шкалу с набором добавочных сопротивлений. Их количество зависит от величин напряжений, которые необходимо измерять при работе.

    Использование добавочных сопротивлений дают возможность измерять напряжения, величины которых больше последнего числа шкалы. Для измерения напряжений меньшего значения с достаточной точностью необходимо найти прибор с числом максимального значения шкалы меньшей величины или переделать существующий путём изменения величины добавочного сопротивления в корпусе прибора.

    Входное сопротивление стрелочного вольтметра оценивается показателем относительного (удельного) сопротивления. Единица его измерения — кОм/В. То есть для разных значений измеренного напряжения величина входного сопротивления прибора будет разной. Отсюда вывод — наибольшей точности измерения соответствует правая часть шкалы. Внутреннее сопротивление вольтметра здесь имеет большее значение и его подключение оказывает меньшее негативное воздействие на работу схемы. Необходимо выбирать прибор с большей величиной удельного сопротивления.

    Если приходится измерять переменное напряжение, то при небольшом усложнении схемы самодельного прибора можно решить и эту задачу. Входное напряжение необходимо выпрямить, сделать его однополярным.

    Ток для нормальной работы микроамперметра прибора должен протекать по обмотке рамки прибора только в одном направлении (клеммы прибора имеют маркировку «+» и «-«). Только в этом случае стрелка прибора отклонится. Выпрямление может быть однополупериодным или двухполупериодным. Это зависит от выбранной схемы выпрямителя. При определении реальной величины напряжения показания стрелочного прибора разделить примерно на 3 (выпрямление однополупериодное) или на 1,5 (выпрямление двухполупериодное).

    Эти советы помогут новичкам, которым впервые приходится использовать вольтметр в своей работе. Их немного:

    • Подключение вольтметра.
    • Соблюдение полярности.

    Полярность подключаемых измерительных щупов вольтметра должна соответствовать полярности напряжения, указанного на схеме.

    Вольтметр всегда надо подсоединять параллельно измеряемой цепи. Этим он отличается от амперметра, который включается в разрыв. Для двухполупериодной схемы выпрямления переменного тока полярность измерительных щупов можно не учитывать. Щупы надо держать так, чтобы руки касались только изолированной их части.

    Вольтметр — это прибор, который используется для измерения напряжения до 1000 В в сетях постоянного и переменного тока промышленной частоты и применяется в информационно-измерительных системах. Качественный вольтметр имеет чрезвычайно высокое, бесконечное сопротивление. Благодаря большому сопротивлению прибора достигается оптимальная точность измерения.

    Прибор предназначен для логической и математической обработки измерений.

    Виды вольтметров

    Всего существует два вида вольтметров:

    Если цифровые приборы характеризуются точностью показаний, то аналоговые (стрелочные) вольтметры могут реагировать на минимальные отклонения параметров, которые не определяются цифровым тестером.

    1. Портативные (или переносные) вольтметры предназначены для проверки (тестирования) напряжения в сети. В большинстве случаев, этот прибор включается в конструкцию тестера. Бывают стрелочные или цифровые приборы, кроме измерения напряжения они измеряют токи нагрузки, температуры, сопротивление цепи и т. д.
    2. Стационарные вольтметры устанавливаются на приборной панели в электрораспределительных щитах. Они предназначены для контроля работы оборудования. Стационарные вольтметры относятся к электромагнитному типу.

    Классификация

    Приборы отличаются принципом действия, бывают электронные и электромеханические.

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

    Как подключить вольтметр

    Вольтметр включается в цепь параллельно источнику напряжения и нагрузке. Это делается, чтобы высокое сопротивление, которое используется в приборе, не оказывало влияния на показания. Ток, протекающий через прибор, должен быть минимальным.

    Рис. №1. Схема подключения вольтметра в сеть.

    Технические характеристики вольтметра

    Вольтметр может нормально функционировать при температуре воздуха, не превышающей 25-30 ºС и относительной влажности до 80 % при атмосферном давлении 630-800 мм ртутного столба. Напряжение 220 В (частота до 400 Гц), частота сети 50 Гц. На измерение значительное влияние оказывает форма кривой напряжения питающей сети — синусоида, имеющая коэффициент гармоник max 5 %.

    Возможности прибора оцениваются c помощью следующих показателей:

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

    Принцип действия прибора

    Основа работы вольтметра — метод аналогово-цифрового преобразования. Так, преобразователи, установленные в конструкции прибора В7-35, измеряют величину напряжения переменного и постоянного тока (а также сопротивление, силу тока), преобразуя измеряемую величину в нормализованное напряжение, а затем с использованием АЦП в цифровой код.

    Функциональная схема цифрового тестера работает с использованием 4 преобразователей:

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

    Рис. №2. Схема цифрового вольтметра

    Вольтметр переменного тока

    Электронные широкополосные вольтметры, которые используются в сетях переменного тока, имеют конструктивные особенности и свойственную лишь им градуировку. Воздействие на измеряемую цепь зависит от входных параметров: входного активного сопротивления (Rв) (при этом оно должно быть наиболее высоким), емкости на входе (Cв) (она должна быть минимальной) и индуктивности (Lпр) (вместе с емкостью создается последовательный колебательный контур, который отличается своей резонансной частотой).

    Рис. №3. Схема подключения вольтметра

    Измерение сопротивления

    Низкоомный вольтметр с сопротивлением max 15 Ом годится для измерения сопротивлений, которое выполняется с помощью формулы:

    Rx = Rи * (U1/U2 — 1).

    В формуле используется сопротивление Rв (вольтметра), и 1 и 2 показания прибора, точность измерения при этом не обязательно соответствует действительности, потому что замер не учитывает внутреннего сопротивления. Более точного результата можно достичь при использовании формулы:

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

    При замере каждое следующее сопротивление должно быть большим и выполняться с записью каждого замера.

    Чтобы узнать, какое напряжение показывает прибор, необходимо руководствоваться шкалой вольтметра и ценой деления. Она определяется по максимальному пределу замеряемого значения, разделенного на количество делений шкалы.

    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.

    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.

    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.

    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.

    Изначально вольтметры и амперметры были только механическими, и лишь спустя многие годы, с развитием микроэлектроники, начали выпускаться цифровые вольтметры и амперметры. Тем не менее, даже сейчас механические измерительные приборы пользуются популярностью. Они, по сравнению с цифровыми, устойчивы к помехам и дают более наглядное представление о динамике измеряемой величины. Их внутренние механизмы остаются практически теми же, что и канонические магнитоэлектрические механизмы первых вольтметров и амперметров.

    В данной статье мы рассмотрим устройство типичного стрелочного прибора, чтобы каждый новичок мог бы понимать основные принципы работы вольтметров и амперметров.


    В своей работе стрелочный измерительный прибор использует магнитоэлектрический принцип. Постоянный магнит с выраженными полюсными наконечниками закреплен неподвижно. Между этими полюсами расположен неподвижный стальной сердечник так, что в воздушном кольцеобразном зазоре между сердечником и полюсными наконечниками магнита формируется .

    В зазор вставлена подвижная алюминиевая рамка, на которую очень тонким проводом намотана катушка. Рамка закреплена на полуосях, и может поворачиваться вместе с катушкой. К рамке спиральными пружинами прикреплена стрелка прибора. Через пружины к катушке подводится ток.


    Когда по проводу катушки проходит ток I, то, поскольку катушка помещена в магнитное поле, и ток в ее проводниках течет пересекая перпендикулярно магнитные силовые линии в зазоре, на нее будет действовать вращающая сила со стороны магнитного поля. Электромагнитная сила создаст вращающий момент М, и катушка вместе с рамкой и стрелкой станет поворачиваться на некоторый угол α.

    Поскольку индукция магнитного поля в зазоре неизменна (магнит постоянный), то вращающий момент будет всегда пропорционален именно току в катушке, и величина его будет зависеть от тока и от неизменных конструктивных параметров данного конкретного прибора (с1). Этот момент будет равен:

    Препятствующий повороту рамки момент противодействия, возникающий из-за наличия пружин, окажется пропорционален углу закручивания пружин, то есть углу поворота стрелки, связанной с подвижной частью:

    Таким образом, поворот будет продолжаться до тех пор, пока момент М, создаваемый током в рамке не окажется равным моменту противодействия Мпр от пружин, то есть пока не наступит равновесие. В этот момент стрелка остановится:

    Очевидно, угол закручивания пружин будет пропорционален току рамки (и измеряемому току), по этой причине приборы магнитоэлектрической системы обладают равномерной шкалой. Коэффициент пропорциональности k между углом поворота стрелки и единицей измеряемого тока называется чувствительностью прибора.

    Обратная величина именуется ценой деления или постоянной прибора. Значение измеренной величины определяется как произведение цены деления на .

    Чтобы избежать мешающих колебаний подвижной рамки при переходах стрелки от одного ее положения к другому, в данных приборах применяют магнитно-индукционные или воздушные демпферы.

    Магнитно-индукционный демпфер представляет собой пластину из алюминия, которая закреплена на поворотной оси прибора, и всегда движется вместе со стрелкой в поле постоянного магнита. Возникающие вихревые токи тормозят катушку. Суть в том, что по правилу Ленца, вихревые токи а пластине, взаимодействуя с порождающим их магнитным полем постоянного магнита, препятствуют движению пластины, и колебания стрелки быстро затухают. Роль такого магнитно-индукционного демпфера и выполняет алюминиевый каркас, на который намотана катушка.

    При повороте рамки, магнитный поток от постоянного магнита, пронизывающий алюминиевый каркас, изменяется, а значит в алюминиевом каркасе индуцируются вихревые токи, которые при взаимодействии с магнитным полем постоянного магнита оказывают тормозящее действие, и колебания стрелки прекращаются.

    Воздушные демпферы магнитоэлектрических приборов представляют собой цилиндрические камеры с помещенными внутри поршнями, связанными с подвижными системами приборов. Когда подвижная часть приходит в движение, поршень в форме крыла тормозится в камере, и колебания стрелки затухают.

    Для достижения нужной точности измерений, прибор не должен быть подвержен влиянию силы тяжести в процессе измерения, а отклонение стрелки должно быть связано лишь с вращающим моментом, возникающим при взаимодействии тока катушки с магнитным полем постоянного магнита и с торможением рамки пружинами.

    Чтобы исключить вредное влияние силы тяжести и избежать связанных с ним погрешностей, к подвижной части прибора добавляют противовесы в виде грузиков, перемещающихся на стержнях.

    Для снижения трения стальные наконечники выполняются из отполированной износостойкой стали или из вольфрамо-молибденового сплава, а подпятники изготавливают из твердого минерала (агат, корунд, рубин и т. д.). Зазор между наконечником и подпятником настраивают при помощи стопорного винта.

    Для точной установки стрелки в нулевое исходное положение, прибор оснащается корректором. Корректором в стрелочном приборе служит винт, выведенный наружу, и соединенный поводком с пружиной. При помощи винта можно передвигать немного спираль на оси, регулируя таким образом исходное положение стрелки.

    Большинство современных приборов имеют подвижную часть, подвешенную на паре растяжек в виде упругих металлических лент, служащих для подачи тока на катушку, и создающих противодействующий момент. Растяжки соединены с парой плоских пружин, расположенных взаимно перпендикулярно.

    Справедливости ради отметим, что кроме классического механизма, рассмотренного выше, встречаются также и приборы с магнитами не только п-образной формы, но и с цилиндрическими магнитами, и с магнитами в форме призм, и даже с внутрирамочными магнитами, которые сами могут быть подвижными.

    Для измерения тока или напряжения, магнитоэлектрический прибор включают в цепь постоянного тока по схеме амперметра или вольтметра, разница лишь в сопротивлении катушки и в схеме включения прибора в цепь. Разумеется через катушку прибора не должен проходить весь измеряемый ток при измерении тока, и не должна потребляться большая мощность при измерении напряжения. Для создания надлежащих условий служит добавочный резистор, встроенный в корпус измерительного прибора.

    Сопротивление добавочного резистора в схеме вольтметра превосходит сопротивление катушки во много раз, и этот резистор изготовлен из металла с чрезвычайно малым , такого как манганин или константан. Резистор, включаемый параллельно катушке в амперметре, называется шунтом.

    Сопротивление шунта напротив во много раз меньше сопротивления измерительной рабочей катушки, поэтому через провод катушки проходит только мизерная доля измеряемого тока, в то время как основной ток течет через шунт. Добавочный резистор и шунт позволяют расширить пределы измерения прибора.

    Направление отклонения стрелки прибора зависит от направления тока через измерительную катушку, поэтому при включении прибора в цепь важно правильно соблюсти полярность, иначе стрелка будет двигаться в другую сторону. Соответственно, магнитоэлектрические приборы в каноническом виде непригодны для включения в цепь переменного тока, поскольку стрелка будет просто вибрировать оставаясь на одном месте.

    Тем не менее, к достоинствам магнитоэлектрических приборов (амперметров, вольтметров) относятся высокая точность, равномерность шкалы и устойчивость к помехам, порождаемым внешними магнитными полями. К недостаткам — непригодность к измерению переменного тока (чтобы измерить переменный ток, нужно будет его сначала выпрямить), требование к соблюдению полярности и уязвимость тонкой проволоки измерительной катушки к перегрузкам.

    Такой прибор, как вольтметр, знаком каждому еще со времен изучения физики, а точнее — электродинамики. Если знать, что измеряет вольтметр, можно применять его с пользой. Главное — помнить, что подключать в сеть его нужно параллельно, иначе показания будут неточными. При работе важно соблюдать меры предосторожности, так как электрический ток любого напряжения представляет опасность для жизни.

    Подробнее о приборе

    Вольтметр предназначен для измерения напряжения тока в электрической цепи. Название его происходит от традиционного для измерительных приборов слова «метр» и от единицы измерения напряжения — «Вольт». Достаточно включить такой прибор в сеть, и он начнет показывать значение напряжения.

    Конечно, без погрешностей не обходится, но они незначительны. Для того чтобы показания прибора были идеальными, он должен иметь бесконечное внутреннее сопротивление, в противном случае неизбежно его влияние на ту цепь, к которой он подключен. Разумеется, такое сопротивление быть не может: идеальных вольтметров не бывает, но при их производстве делается все возможное, чтобы повысить внутреннее сопротивление.

    Что такое напряжение

    Чтобы точно понять, как работает и что показывает вольтметр, необходимо знать, что собой представляет объект его измерения. Важно понимать, что такое напряжение и от чего зависит его величина.

    Как известно, из школьного курса физики, величина вычисляется по формуле U=IR, где:

    • U — это собственно и есть напряжение;
    • I — сила тока;
    • R — сопротивление на участке цепи.

    Чтобы определить напряжение в сети, нужно умножить силу тока на сопротивление. Причем предварительно, следует узнать, чему равны две последние величины. Например, если сила тока равна 5 Ампер, а сопротивление на участке — 2 Ом, то напряжение составит 10 Вольт.

    Впрочем, приведенная выше формула, хоть и максимально проста, но все же не дает представления о том, что же такое напряжение и зачем его вообще нужно измерять. Ведь это лишь цифры, не более. Сам ток, к сожалению, не виден, как, впрочем, не видны и заряженные микроскопические частицы.

    Для простоты понимания можно сравнить электрический ток в проводнике с предметами, которые часто нами наблюдаются в обыденной жизни. В частности, здесь поможет сравнение с движением воды в реках и водопадах: то есть ее течением с высокого уровня на низкий. Здесь напряжение соответствует высоте: разности уровней. Иными словами напряжение в электросети — это то же самое, что напор воды в реке. Если напряжения в сети нет, то нет и тока. Также не будет и течения в том водоеме, где уровень воды всюду одинаков, например, в пруду или в озере.

    На шкале прибора обычно ставят букву «V». Это делается для того, чтобы его проще можно было отличить от других электроизмерительных приборов, например, от амперметра, который показывает силу тока. Дело в том, что эти приборы внешне очень похожи друг на друга.

    Диапазон вольтметра может быть различным. Те приборы, которые предназначены для включения в слабую электрическую сеть, максимум могут показать 5 Вольт. Бывают приборы и с большим диапазоном, например, в 10 или в 25 Вольт. Более мощные устройства способны показывать и тысячу Вольт. Разумеется, все зависит от предназначения вольтметра.

    Разновидности вольтметров

    Есть несколько видов вольтметров. В первую очередь устройства вольтметров подразделяются на две основные разновидности:

    1. Стационарные . Как правило, встроены в саму сеть и отсоединение их не представляется возможным.
    2. Мобильные . Их можно переносить с места на место и использовать в разных электросетях.

    Выделяется также несколько видов вольтметров по принципу действия. Среди них есть множество электромеханических и пара электронных. Последние, в свою очередь, могут быть цифровыми и аналоговыми. Значение напряжения может указываться движущейся стрелкой или меняющимися электронными цифрами на дисплее.

    Также вольтметры классифицируются по назначению. Среди них выделяются приборы, предназначенные для измерения постоянного тока или переменного.

    Кроме того, устройства могут быть импульсными, фазочувствительными, универсальными.

    Технические характеристики

    Характеристики вольтметра зависят от его предназначения. Например, прибор, который измеряет напряжение постоянного тока, может обладать двумя, тремя или большим количеством диапазонов. Их число как раз и является одной из важнейших технических характеристик.

    При выборе вольтметра нужно:

    1. Обращать внимание на такую характеристику, как входное сопротивление. Она зависит от того, в каком диапазоне находится напряжение исследуемого участка электросети
    2. Учитывать цену деления шкалы прибора и его погрешность в измерении.
    3. Если был приобретен универсальный вольтметр, то обязательно учесть диапазоны величин, с которыми вольтметр может работать: сопротивления, силы тока, температуры.

    Принцип работы

    Как уже говорилось выше, по принципу действия вольтметры подразделяются на две разновидности — электромеханические и электронные. Строение первых представляет собой магнитную систему, которая способна реагировать на электрическое поле. Главный недостаток таких приборов состоит в том, что они, будучи подключенными к сети, способны сами на нее влиять, и поэтому их показания зачастую являются неточными.

    Электронные же приборы, которые сегодня, в эпоху цифровых технологий становятся все популярнее, могут преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой. Такие приборы недороги и очень удобны в использовании.

    При подключении устройства в сеть важно соблюдать основное правило: его зажимы должны подсоединяться к тем точкам цепи, между которыми определяется напряжение. Такое подключение называется параллельным. Это требование нужно соблюдать обязательно, иначе устройство может просто-напросто перегореть.

    Меры безопасности

    Поскольку сам прибор имеет большое сопротивление, а в сеть он подключается параллельно, вероятность того, что при работе с ним человек получит сильный удар током, минимальна. Однако если вольтметры используются в промышленности, часто приходится иметь дело с большими значениями напряжения и других величин, характеризующих электрический ток.

    Нужно быть очень осторожным, измеряя напряжение в сети посредством этого электроизмерительного прибора. Ни в коем случае нельзя прикасаться к прибору голыми руками. Избежать несчастного случая помогут перчатки из непроводящего ток материала, например, из резины.

    Нельзя прикасаться к оголенным проводам, даже если уже известно, что напряжение в них не очень велико, например, Вольт или еще меньше.

    Вольтметр. Устройство, принцип работы, виды и характеристики | ENARGYS.RU

    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 – 30оС 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.

    Электронные вольтметры (1) (Реферат) — TopRef.ru

    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 RДсопротивление 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 < 1/fв и p > I/fн где fв и fн — границы частотного диапазона вольтметра. Очевидно, что з<<p и R >> 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.


    1 Д

    U~ Ri + C R Uпик

    2


    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.

    1 С 3 Rф

    Rд

    U~ Д R СФ Uпик

    2 4



    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 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.

    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.

    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.

    ЦИ

    АЦП


    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=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.

    10 Электронные измерительные приборы — СтудИзба

    (гармонической, пилообразной, прямоугольной). Методы измерения в зависимости от формы и частоты будут разными.

    Рассмотрим наиболее распространенный тип прибора для измерения частоты – электронный частотомер с цифровым отсчетом, работающий по методу счета импульсов за стандартный интервал времени. Структурная схема частотомера приведена на рис.1.


    Рис.1. Упрощенная структурная схема частотомера.

    На вход частотомера поступает исследуемый сигнал. Устройство согласования уровней преобразует сигнал до уровня обеспечивающего нормальную работу формирователя стандартного импульса. Формирователь стандартного импульса преобразует входной сигнал (аналоговый или импульсный) в короткие импульсы стандартной длительности и амплитуды. Входной блок формирователя является пороговым устройством, вырабатывающим перепад напряжения в момент перехода амплитуды входного сигнала через заранее выбранный уровень сигнала сравнения. Уровень сигнала сравнения задается таким, чтобы при наличии сигнала помехи не вырабатывался перепад напряжения. Амплитудная фильтрация входного сигнала имеет большое значение в системах автоматики, содержащих в своем составе электромеханические преобразователи энергии, и другие источники электромагнитных помех по сетям питания.

    Рекомендуемые файлы

    Формирователь стандартного импульса формирует на выходе короткие импульсы, имеющие частоту равную частоте исследуемого сигнала. Эти импульсы поступают на вход счетчика преобразователя.

    Счетчик преобразователь состоит из нескольких последовательно соединенных триггеров (триггером называется устройство, имеющее два устойчивых состояния). Состояния изменяются после поступления импульса на вход триггера. Одно из этих состояний принимается за ноль, другое за единицу. Цепочка последовательно соединенных триггеров способна запомнить ограниченное количество импульсов n=2N, где N – количество последовательно включенных триггеров, n – емкость счетного устройства. Неуправляемый счетчик, заполнив свою емкость, вернется в начальное состояние, и начнет заполняться вновь. В неуправляемом виде счетчик бесполезен.

    Работой счетчика управляет блок управления, состоящий из; — тактового генератора, — формирователя цикла, — формирователя длительности измерения, — формирователя времени индикации.

    Тактовый генератор формирует непрерывную последовательность коротких импульсов, обеспечивающих возможность получения заданного времени измерения и времени индикации результата. Это два интервала времени необходимые при работе прибора.

    Время измерения tизм –это время в течение которого счетчик преобразователь считает входные сигналы. Время измерения связано с емкостью счетчика и частотой следования

    -43-

    входного сигнала следующим соотношением — , где; — tизм – время измерения, — n –емкость счетчика,f –исследуемого сигнала. Из приведенной формулы видно, что имея счетчик емкостью 104 и время измерения одну секунду мы сможем измерить частоту не превосходящую значение 10 кГц. Погрешность измерения составит 1 Гц. За счет возможных просчетов счетчика, связанных с несовпадением уровня с которого начинается формирование стандартного сигнала преобразователя стандартного импульса с началом цикла измерения. Дополнительная погрешность возникает из-за погрешности формирователя длительности измерения. Расширение диапазона измеряемых частот возможно за счет уменьшения длительности времени измерения. Если уменьшить время измерения в 10 раз, то измеряемая частота для данного счетчика возрастет в 10 раз, одновременно возрастет и погрешность измерения.

    В приведенной схеме частотомера индикатор (устройство визуального отсчета) одновременно выполняет функцию преобразования кода. Преобразователь кода предназначен для получения сигнала в форме доступной для наблюдения или использования в системах управления. При использовании в качестве индикатора семи сегментных полупроводниковых индикаторов сигнал счетчика преобразуется дешифратором, обеспечивающим подачу напряжения на соответствующие сегменты индикатора.

    Устройство управления работает следующим образом. Формирователь цикла подает на вход счетчика R команду установки счетчика в нулевое состояние, подготавливая счетчик к работе. Одновременно на вход С поступает сигнал разрешения счета. Счетчик считает поступающие импульсы. По окончании сигнала разрешения счета формирователь длительности индикации разрешает прием информации со счетчика и ее преобразование в информацию на дисплее или передачу кода на вход системы управления. После завершения измерительного цикла устройство управления формирует импульс начала нового цикла. Информация на индикаторе обновляется в каждом цикле. Время индикации выбирается из условия удобства считывания результата, или по команде автоматизированной системы, в которую частотомер входит как измерительный прибор.

    Вольтметр переменного тока.

    Электронные вольтметры нашли широкое применение по двум основным причинам:

     — высокое входное сопротивление прибора, существенно снижающее искажения в работе электрической цепи, вносимое прибором,

     — возможность непосредственного использования результатов измерения в системах автоматического управления и регистрации результатов.

    Вольтметры способны измерять действующее значение напряжения переменного и постоянного тока в электрических цепях. Они подразделяются на вольтметры, постоянного, переменного, импульсного рода тока. Выходной сигнал может быть аналоговым, в этом случае прибор снабжается стрелочным электромеханическим индикатором, или дискретным, в этом случае индикатор цифровой дисплей.

    Структурная схема вольтметра постоянного тока наиболее проста. В его состав входит аттенюатор, усилитель и стрелочный измерительный прибор. Основным достоинством таких вольтметров является возможность усиления измеряемого сигнала до значений, доступных прямому измерению электромеханическими стрелочными приборами.

    Введение в состав прибора выпрямительного устройства позволяет превратить вольтметр постоянного тока в вольтметр переменного тока. Выпрямительное устройство такого прибора

    -44-

    позволяет исключить влияние напряжения отпирания выпрямительных диодов, что повышает точность измерения. Структурная схема вольтметра переменного напряжения приведена на Рис.2.


    Рис.2. Структурная схема электронного вольтметра переменного тока

    На вход вольтметра подается измеряемое напряжение, переключатель диапазона измеряемых напряжений позволяет изменить амплитуду входного сигнала до необходимого уровня, не разрушающего входные цепи усилителя, и выводят его на линейный участок передаточной характеристики. Усилитель обеспечивает необходимый коэффициент усиления для нормальной работы усилителя – выпрямителя. Последний, обеспечивает усиление мощности и фильтрацию напряжения, подаваемого на измерительный прибор. Фильтрация необходима, если выходной сигнал используется в система автоматического управления. Калибровка вольтметра производится по эталону действующего значения напряжения.

    Замена усилителя – выпрямителя на пиковый детектор преобразует вольтметр переменного тока в пиковый вольтметр. Такой вольтметр будет измерять максимальную амплитуду сигнала в составе исследуемого сигнала. Все сигналы имеющие амплитуду меньше максимальной не изменят показаний вольтметра.

    Цифровой вольтметр постоянного тока

    Цифровой вольтметр постоянного тока можно создать, если использовать метод сравнения измеряемого напряжения с эталонным напряжением, которое формируется с помощью специального устройства цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Цифро-аналоговый преобразователь преобразует цифровой код поступающий на его вход в постоянное напряжение. Значение выходного сигнала точно соответствует числовому значению напряжения. Структурная схема вольтметра постоянного тока приведена на Рис.3.


    Рис.3. структурная схема цифрового вольтметра постоянного тока

    ( блок управления не показан).

    Для понимания принципа работы цифрового вольтметра достаточно сказать, что блок управления выполняет функцию включения функциональных блоков в соответствии с

    -45-

    программой обработки сигнала. Аттенюатор позволяет преобразовать входной сигнал до необходимого значения (выходное напряжение аттенюатора укладывается на линейный участок характеристики усилителя).

    Усилитель доводит напряжение до значения, попадающего в диапазон эталонных напряжений, формируемых цифро-аналоговым преобразователем. Усиленный сигнал поступает на один из входов устройства сравнения. На второй вход подается выходное напряжение с ЦАП.

    Простейший ЦАП последовательного приближения формирует ступенчато нарастающее напряжение. На вход ЦАП с генератора цифрового кода поступает последовательность коротких импульсов, переключающая счетчик. Выходы счетчика управляют напряжением, снимаемым с ЦАП и поступающим на устройство сравнения. В момент достижения равенства устройство сравнения вырабатывает сигнал, прерывающий поступление на вход ЦАП импульсов генератора цифрового кода.

    Счетчик, входящий в состав ЦАП, фиксирует количество принятых импульсов, и предает эту информацию на индикатор или на вход системы автоматики.

    Особенностью работы цифровых вольтметров является то, что измерение производится в некоторый произвольный момент времени. Если измеряемое напряжение не постоянно во времени, то полученный результат будет соответствовать только этому моменту времени. В виде простейших электронных измерительных приборов для измерения медленно меняющихся сигналов данные вольтметры не пригодны.

    Многофункциональные электронные приборы.

    Для работы по отладке аппаратуры и электронных блоков широкое применение нашли многофункциональные приборы (мультиметры). Мультиметры строятся на базе цифровых вольтметров. Упрощенная структурная схема такого прибора приведена на Рис.4.


    Рис.4. Структурная схема мультиметра.

    Мультиметр, показанный на Рис.4, позволяет выполнить измерение;

     — постоянного и переменного напряжений,

     — постоянного и переменного токов,

     — сопротивление резисторов.

    Для измерения напряжения исследуемый сигнал подается на вход — «напряжение», переключатель вида измерения ставится в положение, соответствующее роду тока и измеряемой

    -46-

    величины. На цифровом вольтметре выбирается необходимый диапазон измеряемой величины, и производится отсчет результата. На индикаторе высвечивается единица измерения. (Электрическая связь, обеспечивающая формирование этой информации не показана). Работа цифрового вольтметра аналогична работе рассмотренного ранее цифрового вольтметра постоянного тока.

    Для измерения силы тока входные зажимы преобразователя тока в напряжение соединяются с участком электрической цепи, в которой необходимо измерить силу тока. Для измерения одним прибором силы тока в участках цепи отличающихся режимом работы может быть предусмотрено подключение амперметра через различные входные зажимы. Преобразование силы тока в напряжение происходит при протекании измеряемого тока через эталонное сопротивление. Входное сопротивление амперметров, использующих это принцип преобразования, зависит от силы измеряемого тока. При больших значениях измеряемой величины входное сопротивление прибора меньше. Далее следует коммутация вида измерений и выбор диапазона измеряемой величины. Все подключения амперметра к измеряемому участку электрической цепи выполняются при отключенной от питающей сети установке.

    Для измерения сопротивления резисторов они подключаются к входным зажимам преобразователя сопротивления в напряжение. Преобразование осуществляется пропусканием стабильного тока через измеряемое сопротивление. В этом случае падение напряжения на измеряемом сопротивлении пропорционально сопротивлению резистора. После измерения этого напряжения вольтметром получаем результат измерения.  Индикатор показывает значение полученного сопротивления в Омах. Коммутация переключателя вида измерений обеспечивает перевод в омическую шкалу.

    В лаборатории применяются многофункциональные измерительные приборы – мультиметры. Эскиз лицевой панели мультиметра приведен на Рис.5. Режим измерения выбирается кнопкой «AC – DC». В режиме ”АС” прибор измеряет переменный ток или переменное напряжение, в зависимости от выбора рода измеряемой величины. В режиме “DC” измеряется постоянный ток или постоянное напряжение. Входные гнезда прибора для измерения тока и напряжения разные.


    Рис. 2. Эскиз лицевой панели мультиметра.

    -47-

    Органы управления мультиметром.

    1.            Дисплей мультиметра.

    2.            2, 3, 4, 5 – входные гнезда подключения измерительных щупов.

    3.            6 – переключатель рода измеряемого тока или напряжения – “АС-ДС”.

    4.            7 – переключатель измерения напряжения –“V”.

    5.            8 – переключатель измерения тока “мА “.

    6.            9 – переключатель измерения электрического сопротивления “кО”.

    7.            10, 11,12,13,14,15 –переключатели диапазона измерения всех измеряемых величин диапазон указан надписями, расположенными над кнопками переключателя.

    8.            16 – выключатель напряжения питания мультиметра.

    Для измерения напряжения и электрического сопротивления используются гнезда 2,3. Измерение силы тока производится при подключении цепи, в которой измеряется ток, к гнездам 3,5 (сила тока до 2 А), или к гнездам 3,4 (сила тока до 20 А). При работе с мультиметром следует помнить, что прибор измеряет действующее напряжение. При измерении переменного тока и напряжения, имеющего частоту ниже 50 Гц, результаты измерения существенно зависят от фазы исследуемого сигнала, при которой начался измерительный цикл. Мультиметр не предназначен для измерения низкочастотных сигналов.

    9 — Пределы измеряемых величин задаются кнопочными переключателями – 10.11,…15.

    В лекции рассмотрены:

    Вам также может быть полезна лекция «13 Этология».

    — типовая структурна схема частотомера,

    — оценка точности,

    — структурные схемы электронных вольтметров с аналоговым и цифровым индикаторами,

    — типовая структурная схема многофункционального измерительного прибора,

    — рассмотрена структурная схема мультиметра и его органы управления.

    Цифровые вольтметры переменного напряжения

    Изобретательство Цифровые вольтметры переменного напряжения

    просмотров — 639

    Электрические сигналы (напряжение или ток) характеризуются мгновенным u(t), средним Uср (для периодического сигнала постоянная составляющая U0), средневыпрямленным Uср. в, среднеквадратичным (действующим, эффективным) U и пиковым (для периодических сигналов амплитудным) Uм значениями (рис.1). Аналогично, для тока: i(t), Iср, I0, Iср. в, І, Ім.

    Все значения напряжения (тока) бывают определœены соответствующим вольтметром (амперметром) или с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Вместе с тем, мгновенные значения напряжения можно наблюдать на осциллографе и определять их для каждого момента времени по осциллограмме.

    Рисунок 9.2. Определœение параметров переменного напряжения периодического однополярного (а), разнополярного несимметричного (б) и симметричного (в) сигналов

    Среднее значение напряжения является среднеарифметическим из мгновенных значений за один или несколько периодов.

    ,

    где n = 1,2,3… .

    Важно заметить, что для симметричных относительно оси времени напряжний Ucp= 0, в связи с этим в основном пользуются средневыпрямленным значением– средним значением модулей мгновенных значений напряжений

    .

    Все, выпускаемые промышленностью вольтметры, носящие название вольтметр средних значений, измеряют средневыпрямленные значения. Это связано с тем, что на практике, при измерении напряжений, в подавляющем большинстве случаев, измеряются симметричные сигналы, среднее значение которых равно нулю.

    Среднеквадратичное (действующее, эффективное) значение напряжения

    .

    В приведенных формулах указано, что число периодов напряжения, за ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ производится измерение, должно быть целым. Действительно, если выполнено это условие, то результат измерения справедлив для любого интервала времени и не зависит от времени начала измерения.

    Пиковое значение Uм (амплитудное для гармонического сигнала) – наибольшее мгновенное значение напряжение за время измерения (за период или полупериод). При разнополярных несимметричных кривых напряжения различают положительное или отрицательное пиковое значение. Каждому закону изменения напряжения (форме кривой мгновенных значений) соответствуют определœенные количественные соотношения между амплитудным, среднеквадратичным и средним значениями напряжений. Эти отношения оцениваются коэффициентом амплитуды

    и коэффициентом формы

    .

    Учитывая зависимость отрежима работы измерительного преобразователя и градуировки шкалы прибора, его показания могут соответствовать среднему, среднеквадратичному или пиковому (амплитудному) значениям измеряемого напряжения. В соответствии с измеряемым параметром различают вольтметры и амперметры амплитудного (пикового), среднеквадратичного, средневыпрямленного, (среднего) значения.

    По причине того, что на практике, наиболее часто крайне важно измерять среднеквадратичные значения напряжения, то и градуировку шкал многих вольтметров, кроме импульсных, производят в среднеквадратичных значениях синусоидального напряжения. При этом, если известна форма кривой измеряемого напряжения и известны коэффициенты kа и kф, то по одному из параметров напряжения можно определить два других. При измерении такими вольтметрами синусоидальных напряжений расчеты других параметров напряжения можно производить непосредственно по формулам:

    и .

    В случае если же измеряются несинусоидальные напряжения такими вольтметрами, то показания таких приборов должны быть переоценены, и в показания внесены поправки в соответствии с значениями и для измеряемого сигнала. Но если форма измеряемого сигнала неизвестна или она известна, но невозможно определить kф и kа (к примеру, форма сигнала – искаженный треугольный сигнал), то при этих измерениях неизбежно возникает дополнительная погрешность из-за отличия формы измеряемого напряжения от синусоидальной. Эта погрешность может достигать 20% и даже больше.

    Переменного напряжения можно измерить, предварительно преобразовав его в постоянное. Цифровые вольтметры постоянного напряжения были рассмотрены нами выше. Упрощенная структурная схема такого измерителя изображена на рисуноке 9.3.

    Рисунок 9.3 Структурная схема цифрового вольтметра переменного тока

    Основная погрешность данного цифрового вольтметра будет определяться аналоговой частью.

    Для того, чтобы показания среднеквадратичного (действующего) значений вольтметра были равны среднеквадратичному значению напряжения при любой форме кривой измеряемого сигнала, преобразователь переменного напряжения в постоянное должен осуществлять преобразование в соответствии со следующей зависимостью

    .

    Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, крайне важно в каждый момент времени возводить в квадрат мгновенные значения u(t) измеряемого напряжения, затем проинтегрировать это напряжение за целое число периодов и далее извлечь квадратный корень. В результате получим среднеквадратичное значение напряжения. Функциональная схема преобразователя, который осуществляет эти операции изображена на рисунке 9.4.

    Рисунок 9.4. Функциональная схема преобразователя переменного напряжения в постоянное по среднеквадратическим значениям

    Вольтметры для измерения амплитудных значений имеют разнообразные структурные схемы. При этом в любой схеме имеется преобразователь переменного напряжения в постоянное – преобразователь амплитудных значений (пиковый детектор) с открытым входом (рисунок 9.5) или закрытым входом (рисунок 9.6).

    Рисунок 9.5. Схема (а) и временные диаграммы входных и выходных сигналов (б) преобразователя амплитудных значений с открытым входом

    В амплитудных преобразователях с открытым входом конденсатор заряжается практически до максимального положительного (при данном включении диода) значения входного напряжения через открытый диод VD, когда на входе действует положительная полуволна этого напряжения б). Когда ко входу преобразователя приложена отрицательная полуволна, то диод VD закрыт. Пульсации напряжения на конденсаторе объясняются его подзарядкой при открытом диоде, когда , и его разрядом через резистор R при закрытом диоде, когда . Для того, чтобы пульсации напряжения на выходе преобразователя были незначительными крайне важно, чтобы постоянная заряда емкости С

    ,

    где – сопротивление открытого диода; – верхняя частота измеряемого напряжения, а также постоянная разряда

    ,

    где – нижняя частота измеряемого напряжения. При этом среднее значение выходного напряжения

    .

    Особенностью амплитудных преобразователœей с открытым входом является то, что они реагируют на постоянную составляющую входного сигнала. Так, при наличии постоянной составляющей во входном сигнале , выходное напряжение преобразователя равно

    .

    В вольтметрах амплитудных значений, выпускаемых промышленностью чаще всœего применяется схема преобразователя с закрытым входом (рисунок 9.6).

    Рисунок 9.6 Схема преобразователя амплитудных значений с закрытым входом

    Условия работы и всœе процессы, происходящие в схеме аналогичны процессам, происходящим в преобразователœе с открытым входом. Отличие состоит в том, что выходное напряжение снимается с диода VD, где имеется большая переменная составляющая, в связи с этим в таких преобразователях устанавливается фильтр нижних частот . Второе, очень важное отличие, состоит по сути в том, что эти преобразователи не реагируют на постоянную составляющую входного сигнала. И даже при наличии постоянной составляющей во входном сигнале , выходное напряжение преобразователя равно амплитудному значению только переменной составляющей.

    10. ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ ПАРАМЕТРОВ R, C, L

    Измерительные мосты предназначены для измерения параметров элементов электрических цепей: сопротивлений, индуктивностей, ём­костей, ᴛ.ᴇ. пассивных электрических величин. Следовательно, необ­ходима их активизация, в результате которой пассивную величину пре­образуют в активную – напряжение ихили ток Ix. При активизации к объекту измерения подводится энергия от дополнительного источника питания. Подобным же образом формируется и уравновешивающая активная величина. В зависимости от вида активной величины образуют контур или узел уравновешивания. В результате получают структурную схему, изображенную на рисунке 10.1.

    Рисунок 11.1 Структурная схема моста

    Усло­вие равновесия моста͵ схема которого приведена на рисунке 10.2.

    ,

    где –комплексные сопротивления. Пусть измеряется , тогда из уравнения

    видим, что в состояние равновесия мост может быть приведен измене­нием любого из сопротивлений или двумя из них, или всœе­ми вместе.

    Уравновешивание мостов переменного тока осуществляют не толь­ко по модулю, но и по фазе.

    Рисунок 11.2 Измерительная схема моста

    В случае если мост работает на постоянном токе, то уравнение примет вид

    где – сопротивления постоянному току.

    Мосты бывают автоматизированы.

    Основным достоинством мостов с уравновешиванием токов являет­ся наличие общей точки у индикатора равновесия, источника питания и некоторых плеч. Заземление общей точки позволяет повысить помехо­защищенность схем и применять их в широком диапазоне частот. Οʜᴎ применимы только для измерения комплексных сопротивлений.

    Цифровой метод измерениязаключается в аналоговом преобразовании измеряемого параметра во временной интервал и последующим его измерением цифровым способом.

    Для измерения активных сопротивлений и ёмкостей преобразование осуществляется на основании апериодического разряда конденсатора. Принцип действия преобразователя основан на определœении постоянной времени цепи разряда конденсатора через активное сопротивление. В качестве образцового элемента выбирают либо резистор, либо конденсатор.

    Структурная схема электронно-счетного измерителя ёмкости (рис. 11,3) состоит из двух частей: измерительного преобразователя и измерителя временного интервала.

    В исходном состоянии ключ S1 находится в положении 1, а конденсатор Сx заряжен до стабилизированного напряжения Е. Начало измерений задаётся управляющим устройством, сигналом которого ключ переводится в положение 2, и начинается разряд конденсатора через резистор Rобр по экспоненциальному закону

    .

    Это напряжение поступает на вход сравнивающего устройства, на другой вход которого поступает опорное напряжение , где e = 2,7172.

    Рисунок 10.3 Структурная схема электронно-счетного измерителя ёмкости

    Это напряжение поступает на вход сравнивающего устройства, на другой вход которого поступает опорное напряжение , где e = 2,7172… В момент равенства напряжений сравнивающее устройство вырабатывает импульс, отстоящий от начала разряда конденсатора на интервал времени . Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, измерение ёмкости сводится к измерению временного интервала, заданного началом разряда конденсатора с управляющего устройства, и интервальным импульсом устройства сравнения. Одновременно с начальным импульсом управляющее устройство вырабатывает импульс сброса, устанавливающий в нуль показания цифрового измерителя временных интервалов.

    Погрешность измерения ёмкости содержит следующие составляющие: нестабильность порога срабатывания сравнивающего устройства, погрешность образцового сопротивления, погрешность цифрового измерителя. На практике суммарная погрешность составляет примерно 1% от предела измерений ± 1 (единица) младшего разряда счета. Величина измеряемых ёмкостей находятся в пределах 100 пФ – 100 мкФ. Прибор может быть использован также для измерения активных сопротивлений. Для этого стоит лишь вместо Cx установить конденсатор образцовой ёмкости, а измеряемый резистор включить вместо Rобр.

    11 ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ

    Применение микропроцессоров в измерительных при­борах явилось одним из важнейших этапов в развитии приборострое­ния.

    Следует отметить, что микропроцессоры не являются измеритель­ными устройствами. Οʜᴎ предназначены для выполнения вычислитель­ных и логических операций с высокой скоростью и точностью. Совместная их работа с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобра­зователями в измерительной технике позволила резко повысить точ­ность, надёжность и быстродействие приборов, расширить их возмож­ности, создавать программируемые, полностью автоматизированные устройства.

    Применение микропроцессоров позволило прежде всœего улучшить метрологические характеристики – точность, чувствительность, поме­хоустойчивость. Повышение точности было достигнуто за счет введе­ния калибровочных операций, позволяющих минимизировать как адди­тивную, так и мультипликативную погрешность. Для исключения адди­тивной составляющей погрешности АЦП его входные зажимы замыкаются накоротко и заземляются. При этом число, полученное на выходе АЦП, характеризующее смещение, запоминается. При измерении оно вноситься в результат как поправка.

    Для исключения мультипликативной составляющей погрешности перед циклом измерения на вход АЦП подаётся воспроизводимая мерой величина А0. На выходе при номинальном значении чувствительности должно быть число В. Такое же число хранится в памяти микропроцессорной системы. При изменении чувствительности преобразователя на выходе АЦП получим число . Отношение В/В/, вычисляемое микропроцессором, вводиться как поправочный множитель.

    Повышение пороговой чувствительности и помехоустойчивости приборов достигается обработкой сигнала по алгоритмам, приведённым в первой главе, или по другим алгоритмам, включающим операции вычисления оценки среднеквадратического отклонения результата измерения, решения вопроса, выполняется ли гипотеза о нормальном распределœении вероятностей случайных погрешностей, а также операции вычисления доверительных границ случайных погрешностей.

    Цифровая фильтрация сигналов позволяет повысить чувствительность и расширить диапазон измеряемых величин в сторону малых значений.

    Рассмотренные приёмы позволяют полнее использовать метрологические свойства мер и приблизить погрешности измерительных приборов к погрешностям применяемых в них образцовых мер.

    Важным направлением применения микропроцессоров в измерительной технике является возможность получения различных математических функций измеренных значений и решения систем уравнений, что позволяет сравнительно просто перейти от косвенных, совокупных или совместных измерений к прямым. Причём микропроцессорные вычислители могут осуществлять эти операции с высокой точностью, значительно превышающей точность аналоговых вычислительных устройств. Многие приборы, содержащие микропроцессоры, позволяют автоматически выполнять запрограммированные функциональные и логические преобразования, к примеру:

    1.Умножение найденного значения на константу.

    2.Определœение отклонения измеряемой величины от заданной в абсолютных единицах, относительных или в процентах.

    3.Сложение или вычитание константы.

    4.Вычисление отношений: делœение на константу, нахождение частного от делœения одного результата измерения на другой результат, делœение константы на результат измерения.

    5. Нахождение максимума и минимума из ряда измерений.

    6. Определœение выхода измеряемой величины за пределы уставки максимума и минимума. Представление результата измерения в логарифмических единицах.

    8. Линœеаризация зависимостей.

    Применение микропроцессорной техники позволило создавать мно­гофункциональные приборы, предназначенные для измерения несколь­ких параметров сигналов или характеристик объекта исследования. Функциональные возможности таких устройств определяются выполняе­мой программой, их можно легко видоизменить путем перехода к дру­гой программе, хранимой в ПЗУ. Программируемая логика работы в от­личие от жесткой создает гибкость перестройки, позволяет наращи­вать функции при модернизации прибора без существенных изменений в его схеме.

    В результате сокращения числа компонентов в схеме прибора вследствие выполнения многих функций микропроцессорными системами уменьшились их габариты, вес, потребляемая мощность и стоимость. Существенно сократились сроки разработки измерительной аппа­ратуры.

    Часто для получения новых свойств прибора не требуется значительных изменений в его схеме и тем более в конструкции. Раз­работка сводится к созданию крайне важного программного обеспечения. В случае если учесть, что имеется библиотека совершенных типовых приклад­ных программ, то разработка програм­много обеспечения сводится к рациональному выбору имеющихся прог­рамм.

    Пример структурной схемы микропроцессорного вольтметра показан на рисунке 11.1.

    Коэффициент передачи масштабирующего устройства изменяется автоматически в зависимости от величины входного сигнала. Он работает по принципу устройства автоматического определœения предела. АЦП производит аналого-цифровое преобразование. Быстродействие данного вольтметра будет определяться быстродействием АЦП, тогда время преобразования АЦП:

     
     

    Рисунок 12.1 Структурная схема микропроцессорного вольтметра

    Период дискретизации также определяется быстродействием АЦП. Контроллер содержит микропроцессор, который позволяет найти и действующее значение напряжения, и амплитудное, и средневыпрямленное. Микропроцессор вычисляет значения этих напряжений и передает их на цифро-отсчетное устройство. ЦАП по сигналу контроллера может вырабатывать переменное напряжение с известными параметрами, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ применяется для калибровки вольтметра. Процесс калибровки может происходить и автоматически.

    По приведенному принципу измерения строятся мультиметры, которые позволяют измерять разные параметры сигнала и цепи (,,,).

    Частотный диапазон прибора определяется временем преобразования АЦП. Сейчас существуют АЦП, которые измеряют переменное напряжение с частотой до 100 МГц

    13 ИНФОРМАЦИОННО-измерительные системы

    Усложнение современного производства, развитие научных исследований привело к крайне важности измерений одновременно сотен и тысяч физических величин. Значительно увеличились потоки измерительной информации, возросла сложность ее обработки с целью принятия решений, что вызвало появление такого вида средств измерений, как измерительные системы.

    Совокупность функционально объединœенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователœей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого пространства (среды, объекта и т.п.) с целью измерения одной или нескольких физических величин, свойственных этому пространству (объекту, среде и т.п.) принято называть измерительной системой (ИС). Различают: 1) измерительная информационная система (ИИС) – система, предназначенная для целœей представления информации в виде, крайне важном потребителю; 2) измерительная контролирующая система (ИКС) – система, предназначенная для целœей контроля параметров технологического процесса, явления, движущегося объекта и т.п.; 3) измерительная управляющая система (ИУС) – система, предназначенная для целœей автоматического управления технологическим процессом, движущимся объектом и т.п.; 4) измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) – функционально объединœенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенных для выполнения в составе ИИС конкретных измерительных задач.

    Из приведенных определœений видно, что данное разделœение весьма условно. Все виды измерительных систем взаимно перекрываются, их структурное построение во многом аналогично. На рисунке 13.1 приведена обобщенная структурная схема измерительной системы.

    Рис. 13.1 Общенная структурная схема измерительной системы

    Некоторые составляющие в конкретной ИС могут отсутствовать. Основная область применения ИС: научные исследования, испытания и контроль сложных изделий, управление технологическими процессами. По организации алгоритма функционирования различают:

    1) системы с жестким алгоритмом функционирования – алгоритм работы ИС постоянен, не меняется;

    2) программируемые системы – алгоритм работы ИС меняется в соответствии с заранее заданной программой, учитывающей особенности функционирования объекта;

    3) адаптивные системы – алгоритм работы, а иногда и структура ИС, изменяются в зависимости от изменений измеряемых величин и условий работы объекта исследования.

    С целью универсализации ИС всœе разнообразные измеряемые и контролируемые физические величины представляют унифицированными электрическими сигналами (непрерывные, импульсные, кодово-импульсные сигналы, параметры или диапазоны изменения параметров которых нормируются государственными стандартами).


    Читайте также


  1. — Цифровые вольтметры переменного напряжения

    Импульсный вольтметр с использованием интегратора Импульсные вольтметры Преобразователи (вольтметры) амплитудных значений     С открытым входом (а),с закрытым входом (б) Заряд при , разряд при , >>, () ; &… [читать подробенее]


  2. — Цифровые вольтметры переменного напряжения

    Электрические сигналы (напряжение или ток) характеризуются мгновенным u(t), средним Uср (для периодического сигнала постоянная составляющая U0), средневыпрямленным Uср. в, среднеквадратичным (действующим, эффективным) U и пиковым (для периодических сигналов амплитудным) Uм… [читать подробенее]


  3. Цифровой вольтметр переменного тока

    Мой источник переменного тока с переменным током за последние годы претерпел несколько изменений. Он начинался как простой открытый вариак (регулируемый автотрансформатор) и электрическая розетка, установленная на деревянном бруске. В конце концов, я поместил его в корпус того, что раньше было старым генератором аудиосигналов, для безопасности и внешнего вида. Среди других добавленных функций я использовал аналоговый измеритель 0–250 В переменного тока, который у меня был под рукой, для отображения выходного напряжения, потому что в противном случае было бы неприятно вытаскивать мультиметр для отслеживания напряжения, выходящего из вариакума.С годами я понял, что счетчик неточен и просто бесполезен, поэтому необходимо новое считывание.

    Я использовал схему ШИМ, управляемую напряжением, для преобразования аналогового напряжения постоянного тока в импульсный рабочий цикл. Для этого используется таймер 555 для генерации пилообразной волны с частотой около 500 Гц, которая подается в компаратор для сравнения с измеренным аналоговым напряжением постоянного тока. Выходной сигнал компаратора имеет период 500 Гц с шириной импульса, пропорциональной входному напряжению постоянного тока. Однако размах зубьев пилы составляет всего около 1.От 65 до 3,3 В, поэтому делитель напряжения между 5 В и измеренным напряжением постоянного тока используется для смещения и уменьшения размаха до этого диапазона. Резистор 10 кОм на пилообразном таймере 555 предназначен для регулировки смещения транзистора для управления током, идущим в конденсатор 0,1 мкФ. Отрегулируйте это так, чтобы зубья пилы были как можно более чистыми, имели диапазон 1,65–3,3 В и правильную частоту. Следите за тем, чтобы потенциометр не был полностью заземлен, иначе вы можете взорвать транзистор 2N3906. Было бы безопаснее добавить резисторы 1 кОм вокруг потенциометра, но я использовал только горшок, чтобы уменьшить количество деталей.

    Схему в верхней половине схемы можно было бы использовать в качестве частотомера. CD4518 — это микросхема двойного декадного счетчика, которая подключена для подсчета от 00 до 99. CPB ~ для опережения счетчика B запускается по отрицательному фронту, поэтому, когда счетчик A переходит с 0111 на 1000, четвертый бит не запускает B прилавок. Когда счетчик A переключается со 1001 на 0000, отрицательный фронт запускает B для однократного повышения. Триггер CD4013 для третьей цифры продвигается вперед по положительному фронту тактовой частоты, поэтому транзисторный инвертор используется на четвертом бите выхода счетчика B, поэтому, когда он переключается с 1001 на 0000, транзистор управляет тактовой частотой CD4013 с положительным край.74LS175 и вторая половина CD4013 используются как триггерные регистры для захвата выходного сигнала счетчика для отображения на переднем фронте НАГРУЗКИ. Кроме того, когда НАГРУЗКА становится высокой, CD4518 сбрасывается, чтобы очистить свои счетчики.

    Чтобы использовать счетчик в качестве частотомера, все, что нужно сделать, это подать 1 Гц, 10 Гц и т. Д. В LOAD, чтобы он служил «затвором». Например, при измерении 60 Гц счетчик будет отсчитывать от 000 до 060 за 1 секунду, а затем строб позволяет LOAD сбросить счетчик и отобразить значение 060 захвата 74LS175.Счетчик снова начнет отсчет от 000 до 060 в следующую секунду и так далее. Если скорость ворот увеличена до 10 Гц, то у счетчика есть только 0,1 секунды для подсчета и он будет считать от 000 до 006, и умножить это на 10, чтобы получить представление частоты. По сути, скорость гейта 10 Гц изменяет частотный диапазон от 000–199 Гц до 0000–1990 Гц. Гейт 100 Гц будет иметь диапазон 00000-19900 Гц.

    Для целей DVM другой таймер 555 выдает очень узкие импульсы с частотой около 100 кГц.Это гарантирует, что до 200 узких импульсов уместятся в одном цикле 500 Гц, и каждый импульс соответствует 1 В. Выход управляет транзистором, который работает параллельно с выходом компаратора LM319. Обратите внимание, что LM319 имеет выход с открытым коллектором. Другим компараторам, не имеющим этой функции, придется управлять транзистором. Выход компаратора и транзистор с резистором 3,3 кОм образуют логический элемент И. Когда выход компаратора не понижается (то есть логическая 1), выход CLK будет управляться частотой 100 кГц 555 для генерации импульсов для частотомера.Когда рабочий цикл, пропорциональный измеренному напряжению, заканчивается, выход компаратора понижается (логический 0) и CLK переходит в 0. Частотомер подсчитывает все узкие импульсы в течение этого периода, и количество импульсов представляет измеренное напряжение. при условии, что потенциометры 4,7K и 10K откалиброваны правильно. После цикла 500 Гц пилообразный сигнал снова запускается, и НАГРУЗКА достигает высокого уровня с помощью узкого импульса, чтобы подать сигнал на счетчик частоты, чтобы захватить счетчик для отображения в виде напряжения и сбросить счетчик для следующего цикла измерения.

    Измерение переменного тока выполняется путем преобразования 0–150 В переменного тока в напряжение постоянного тока, определяемое потенциометром 4,7 кОм, который устанавливает диапазон постоянного тока, который пропорционален входному напряжению переменного тока.

    Поскольку частота обновления составляет 500 Гц, дисплей имеет тенденцию к дрожанию между значениями, такими как 99 и 100, но размещение конденсатора от 4,7 мкФ до 10 мкФ на выводе 5 компаратора LM319 решает проблему, но значительно снижает реакцию дисплея на фактическое Напряжение. Если я установлю вариак на 120 В и сразу включу, дисплей начнет с 000 и постепенно достигнет 120 за пару секунд.Лучшее решение, вероятно, — уменьшить цикл 500 Гц примерно до 10 Гц и соответственно уменьшить частоту таймера 555 100 кГц, чтобы в один цикл 10 Гц уместилось около 200 импульсов.

    При правильной калибровке погрешность этого вольтметра в худшем случае составляет около 5%, что достаточно точно для моих целей и дает мне хорошее приблизительное представление о том, чего ожидать от вариакла. Я откалибровал свой для большей точности в диапазоне 100–140 В переменного тока, потому что именно там я обычно устанавливаю вариак.

    Схема цифрового вольтметра с использованием микросхемы L7107

    В этом посте объясняется очень простая схема цифрового вольтметра панельного типа с использованием одной микросхемы L7107 и нескольких других обычных компонентов.Схема может измерять напряжения вплоть до 2000 переменного / постоянного тока В.

    Об ИС L7107

    Создание этой простой схемы цифрового панельного вольтметра особенно легко из-за наличия микросхемы процессора аналогово-цифрового напряжения в виде Микросхема L7107.

    Спасибо Intersil за предоставленную нам эту замечательную маленькую микросхему L7107, которую можно легко сконфигурировать в схему цифрового вольтметра с широким диапазоном, используя несколько обычных анодных семисегментных дисплеев.

    IC 7107 — это универсальная микросхема аналого-цифрового преобразователя с низким энергопотреблением на 3 и 1/2 разряда, которая имеет встроенные процессоры, такие как семисегментные декодеры, драйвер для дисплеев, установочные уровни и генераторы тактовых импульсов.

    Микросхема работает не только с обычными семисегментными дисплеями CA, но также и с жидкокристаллическими дисплеями (ЖКД) и имеет встроенный мультиплексированный осветитель задней панели для подключенного ЖК-модуля.

    Обеспечивает автоматическую коррекцию нуля для входов менее 10 мкВ, дрейф нуля для входов ниже 1 мкВ / oC, ток смещения для входов максимум 10 пА и ошибку перехода менее одного счета.

    Для ИС можно установить диапазоны от 2000 В переменного / постоянного тока и до 2 мВ, что делает ИС очень подходящей для измерения низких входных сигналов от датчиков, таких как тензодатчики, пьезопреобразователи, тензодатчики и аналогичные мостовые преобразователи. сети.

    Другими словами, микросхема может быть просто сконфигурирована для изготовления таких продуктов, как цифровые весы, измерители давления, электронный тензодатчик, детектор вибрации, сигнализация удара и многие подобные схемы.

    Излишне говорить, что IC L7107 также может быть встроен в простую, но точную схему панельного цифрового вольтметра, что и является тем, что нас сейчас интересует. полноценная схема цифрового вольтметра, которая может использоваться для измерения постоянного напряжения от нуля до 199 вольт.

    Диапазон можно соответствующим образом расширить или сократить, просто изменив номинал резистора 1M, установленного последовательно с входной клеммой. С 1M диапазон дает полную шкалу 199,99 В, при 100K диапазон станет 19,99 В.

    Схема требует двойного источника питания +/- 5 В для работы, здесь + 5 В может быть строго получено от стандартной схемы регулятора 7805 IC, -5 В автоматически создается IC 7660 и подается на контакт № 26 цепи Микросхема L7106.

    Три диода 1N4148, соединенные последовательно с линией питания дисплея, обеспечивают оптимальное рабочее напряжение дисплеев для их освещения с правильной интенсивностью, однако для более яркого освещения количество диодов может быть изменено в соответствии с личными предпочтениями.

    Предварительная установка 10K на контакте №35 / 36 используется для правильной калибровки вольтметра и должна быть установлена ​​так, чтобы на контакте №35 / 36 было ровно 1В. Это настроит схему для точного отображения измеренных величин в соответствии с данными спецификациями и таблицей данных IC.

    Список деталей

    Все резисторы имеют мощность 1/4 Вт, если не указано иное

    • 220 Ом — 1
    • 10K = 1
    • 1M = 1
    • 47K = 1
    • 15K = 1
    • 100K = 1
    • предустановлено / триммер 10K = 1

    Конденсаторы

    • 10 нФ Керамический диск = 1
    • 220 нФ Керамический диск = 1
    • 470 нФ Керамический диск = 1
    • Керамический диск 100 нФ или 0,1 мкФ = 1
    • Керамический диск 100 пФ = 1
    • 10 мкФ / 25 В Электролитический = 2

    Полупроводники

    • 1N4148 Диоды = 3
    • 7-сегментные дисплеи MAN6910 или эквивалент = 2
    • IC L7106 = 1
    • IC 76 IC60 = 1
    Подробная информация о распиновке L7106 для сопряжения с 3 и 1/2 цифровым ЖК-дисплеем.

    Схема цифрового мультиметра с использованием ICL7107

    Я показываю вам схему цифрового мультиметра с использованием ICL7107.

    Модифицируем их с обычного цифрового вольтметра постоянного тока на интеллектуальный мультиметр. Это настолько универсальная доступная функция.

    Например, измерить напряжение постоянного тока, переменное напряжение, амперметр постоянного тока, измеритель ампер переменного тока, а также измеритель сопротивления и т.д.

    Спасибо, Фото с цифрового мультиметра AstroAI.Почему хороший инструмент? Вы можете получить ответ здесь.

    5 Особенности

    • 1. Напряжение постоянного тока: 200 мВ, 2 В, 20 В, 200 В, 2 кВ, 20 кВ
    • 2. Напряжение переменного тока: 200 мВ, 2 В, 20 В, 200 В, 2 кВ, 20 кВ
    • 3. Усилитель постоянного тока: 200 мкА , 2 мА, 20 мА, 2 А, 10 А
    • 4. Усилитель переменного тока: 200 мкА, 2 мА, 20 мА, 2 А, 10 А
    • 5. Измеритель сопротивления: 200, 2 кОм, 20 кОм, 200 кОм, 2 м, 20 м

    Функция 1: цифровой постоянный ток Схема вольтметра

    На рисунке 1: принципиальная схема данного проекта. Конечно, проще всего использовать схему измерителя постоянного напряжения.


    Рисунок 1: Схема измерения постоянного напряжения

    Исходные характеристики этой схемы позволяют измерять только напряжения до 200 мВ.

    Однако мы можем применить его для измерения более высокого диапазона напряжений с помощью нескольких входных резисторов. См. В таблице 1:


    В таблице 1 показано сопротивление в различных диапазонах.

    Примечание:

    Мы можем выбрать резисторы в обоих форматах.

    Для измерения слишком высокого напряжения.Необходимо использовать внешний датчик высокого напряжения.

    R3 = 100К; R4 = 10K

    Функция 2: Схема амперметра постоянного тока

    Затем взгляните на простую цифровую схему амперметра постоянного тока. Соответствующую конструкцию определяют с параллельным сопротивлением на входе вольтметра.

    Основной принцип расчета.

    Сопротивление — это напряжение, вызванное протеканием тока через резистор. В каждом диапазоне максимум до 200 мВ.

    Как показано на принципиальной схеме ниже.


    Рисунок 2: Цепь амперметра постоянного тока

    См. Схему на рисунке 2. Проектирование с диапазоном до 5 диапазонов.

    Для измерения сильного тока 2 ампера. Вы должны отделить его от других входных данных. Потому что контакт выключателя не выдерживает токов.

    Диоды D1 и D2 являются защитой от перегрузки для обеспечения входа.

    Примечание: R2 = 90 Ом, R3 = 9 Ом

    Функция 3: Измерение переменного напряжения

    Мы можем разработать схему измерения переменного напряжения.Путем добавления цепи преобразователя переменного тока в постоянный. У них отношения вместе. Как показано на рисунке 3.


    Рисунок 3: Цепь цифрового вольтметра переменного тока без трансформатора

    Напряжение переменного тока измеряется для снижения напряжения так же, как и в цепи вольтметра постоянного тока. Затем войдите в схему преобразователя переменного тока в постоянный с помощью IC1 и аксессуаров, показанных на рисунке 3.

    Отрегулируйте VR1, чтобы настроить правильное значение напряжения.

    Функция 4: Цепь амперметра переменного тока

    Тот же принцип применяется к цепи вольтметра постоянного тока.Нас можно применить к амперметру переменного тока, добавив преобразователь переменного тока в постоянный, как показано на рисунке 4


    Рисунок 4: Измерение амперметром переменного тока

    Функция 5: измеритель сопротивления

    Преимущество этого цифрового мультиметра лучше, чем у цифрового мультиметра. обычный счетчик:

    Это может считывать точно. И может измерить сопротивление 0,1 Ом или меньше. И выше 10М запросто.

    С подключением схемы, как показано на рисунке 5.


    Рисунок 5 схема измерителя сопротивления


    Рисунок 6 модуль ICL7107

    Модуль цифрового измерителя на рисунке 1-5 показывает ножки ICL7107.
    По сравнению с ножками модулей, чтобы легко записать все схемы. Вывод ROH — это выходное опорное напряжение на средней ножке подковообразного резистора.


    Рисунок 7: Полная принципиальная схема цифрового мультиметра

    Вот полная схема, которая работает идеально.

    И покажите компоновку печатной платы и компоненты, как показано на рисунке 8. Которые можно построить удобным для пользователя способом.


    Рисунок 8, компоновка печатной платы и компоновка компонентов

    Детали, которые вам понадобятся
    • IC1: TL071, Операционные усилители — операционные усилители Вход JFET с низким уровнем шума
    • IC5: LM7805, Стандартный регулятор 5 В 1 А 3 Контакт 3 + Tab TO-220
    • IC3: CD4049, шестнадцатеричный инвертирующий буфер / преобразователь CMOS
    • IC2: CD4066, четырехканальный аналоговый коммутатор / мультиплексор / демультиплексор
    • IC4: ICL7107 или ICL7106, аналого-цифровой преобразователь, односторонний 0.003k SPS 3 1/2 цифры Светодиодный 40-контактный PDIP
    • Светодиодный 7-сегментный или ЖК-дисплей

    Другие переключатели, пожалуйста, прочтите текст

    0,5 Вт Допуск резисторов: 1%

    • R1, R26: 10M
    • R2, R25, R30, R33, R36, R38: 1M
    • R3, R15, R24: 100K
    • R4, R19, R20, R23: 10K
    • R5, R22: 1K
    • R6: 110 Ом
    • R7 : 1K
    • R8: 100 Ом
    • R9: 10 Ом
    • R10: 1 Ом 1 Вт
    • R11, R12, R13, R14: 0.1 Ом 2 Вт
    • R16: 3,3 кОм
    • R17, R27: 2,2 кОм
    • R21: 100 Ом
    • R28: 270 Ом
    • R29: 47 кОм
    • R32: 5 кОм

    Конденсаторы MKT

    • C14: 33pF 63V
    • C15: 330pF 63V
    • C16: 0,0039 мкФ 63V
    • C11: 100pF 63V
    • C10: 0,1 мкФ 63V
    • C9: 0,01 мкФ 63V
    • C8: 0,47 мкФ 63V
    • C7: 0,22 мкФ 63 В
    • Электролитические конденсаторы
    • C5, C6: 470 мкФ 16 В
    • C13: 10 мкФ 16 В

    Диоды

    • D1-D4: 1N5401
    • D7, D108, D9N
    • D5, D6, D11, D12, D13, D14, D15: 1N4148

    Переключатель см. Схему и макет печатной платы

    ПОЛУЧИТЬ ОБНОВЛЕНИЕ ЧЕРЕЗ ЭЛЕКТРОННУЮ ПОЧТУ

    Я всегда стараюсь упростить обучение электронике .

    Что такое цифровой вольтметр — как он работает, типы, применение, преимущества

    Цифровой вольтметр отображает показания напряжения цепи в числовом виде. Первоначально аналоговые вольтметры использовались для снятия показаний напряжения, когда стрелка или индикатор перемещается по шкале пропорционально напряжению в цепи, а позже были введены цифровые вольтметры, которые дают числовое отображение напряжения с точностью. В этой статье мы обсудим, что такое цифровой вольтметр, как он работает, включая пошаговые инструкции, его типы, применение, преимущества и недостатки.

    Что такое цифровой вольтметр

    Цифровой вольтметр

    , сокращенно DVM, — это прибор, используемый для измерения разности электрических потенциалов между двумя точками в цепи. Напряжение может быть переменным током (AC) или постоянным током (DC). Он измеряет входное напряжение после преобразования аналогового напряжения в цифровое и отображает его в числовом формате с помощью преобразователя. Использование цифрового вольтметра увеличило скорость и точность регистрации показаний.Типичный DVM показан ниже.

    Рис. 1 — Цифровой вольтметр и мультиметр

    Как работает цифровой вольтметр

    Принцип работы цифрового вольтметра можно разделить на пять функциональных разделов. Это:

    • Генератор импульсов
    • Управление напряжением и стробирование
    • Подсчет тактовых импульсов
    • Аналого-цифровое преобразование
    • Секция фиксации и отображения

    Генератор импульсов

    В электронике он называется «тактовым сигналом». который генерирует импульсы, обычно достигаемые с помощью микросхемы таймера 555.

    Управление напряжением и стробирование

    Этот раздел управления и стробирования основан на интегральной схеме, называемой компаратором. Эта ИС сравнивает два напряжения и сигналы, для которых из двух напряжений больше. Одно из напряжений — это входное напряжение ( В в ), а другое — напряжение на конденсаторе.

    Напряжение контролируется на конденсаторе, и сигналы генерируются, когда напряжение становится равным измеряемому напряжению ( В в ) и зарядка начинается с нуля вольт.Компаратор не потребляет значительного тока, иначе он будет мешать зарядке постоянным током. Для достижения почти нулевого входного тока в качестве компаратора используется операционный усилитель.

    Операционный усилитель — это микросхема с двумя входами, обозначенными + и -, называемыми неинвертирующим и инвертирующим входами. Напряжения в этих точках называются соответственно V + и V-. У него только один выход. Как и любой другой чип, он требует подключения питания и заземления. Если напряжение на входе + операционного усилителя больше (более положительно), чем напряжение на входе — (V +> V-), то на выходе высокий уровень i.е. рядом с V cc , иначе выход будет низким, около V ee .

    Подсчет тактовых импульсов

    Подсчитывается количество тактовых импульсов, которые возникают между сигналами запуска и остановки зарядки. Он также определяется как мера прошедшего времени. Пока конденсатор заряжается, генерируемые импульсы подсчитываются с помощью ИС, которая представляет собой «микросхему подсчета деления на десять». Логические импульсы, генерируемые таймером IC, подаются как вход, и импульсы от 0 (0000 двоичный) до 9 (1001 двоичный) подсчитываются многократно, выдавая двоичные биты, соответствующие количеству подсчитанных импульсов.Как только счет превысит значение «9», выходной двоичный бит снова переключается на 0000, и тот же процесс продолжается.

    Вольтметр будет работать, подсчитывая импульсы с момента начала зарядки конденсатора и момента, когда компаратор обнаруживает, что напряжение на конденсаторе превышает V в и, следовательно, изменяет свое выходное состояние. Для этого в схеме используется простой логический элемент И-НЕ. Последовательность выходных импульсов подключена к одному входу И-НЕ, а второй вход подключен к блоку управления.

    Цепь зарядки конденсатора тока, которую можно включать и выключать, а также автоматически сбрасывать до нуля вольт с помощью сигналов запуска и остановки зарядки, является важным аспектом цифрового вольтметра. Конденсатор должен пройти цикл зарядки и разрядки.

    АЦП (аналого-цифровой преобразователь)

    Аналого-цифровой преобразователь или АЦП (аналого-цифровой преобразователь) преобразует аналоговый образец напряжения и возвращает двоичное число, которое описывает образец.

    Секция фиксации и отображения

    Количество подсчитанных импульсов отображается в числовом формате с помощью семисегментного светодиодного дисплея.Защелка используется для статического отображения окончательного результата одного цикла зарядки конденсатора, даже когда выполняется следующий цикл. Защелка имеет четыре входа и четыре выхода. Он передает логические состояния со своих входов на выходы.

    Рис. 2 — Базовая блок-схема цифрового вольтметра

    Типы цифрового вольтметра

    Цифровой вольтметр

    можно разделить на четыре типа. Это:

    • Цифровой вольтметр линейного типа
    • Интегрирующий цифровой вольтметр
    • Цифровой вольтметр непрерывного баланса
    • Цифровой вольтметр последовательного приближения

    Применения цифрового вольтметра

    • Цифровой вольтметр используется для определения фактического напряжения различных компонентов.
    • Цифровой вольтметр широко используется для проверки наличия питания в цепи, например в сетевой розетке.
    • Зная напряжение в цепи, можно рассчитать ток.

    Преимущества цифрового вольтметра

    • Цифровой дисплей выхода исключает ошибки чтения человеком.
    • Показания точные и быстрые по сравнению с аналоговыми измерителями.
    • Цифровой вольтметр более стабильный и надежный.
    • Меньше по размеру и экономичнее.
    • Цифровой вольтметр может измерять как переменное, так и постоянное напряжение.
    • Последние модели DVM построены с микроконтроллерами, которые хранят показания для дальнейшей обработки.
    • DVM не содержит ошибок параллакса.
    • DVM имеют автоматический выбор диапазона.
    • DVM имеют высокое входное сопротивление.

    Недостатки цифрового вольтметра

    • Цифровые вольтметры подвержены выходу из строя при чрезмерном повышении напряжения.
    • Отображение зависит от внешнего источника питания или аккумулятора.
    • При измерении напряжения цифровой вольтметр может нагреться.Это может привести к неверным показаниям.
    • Когда в цепи возникают колебания, цифровой вольтметр не может считывать показания и отображает ошибку.
    • Скорость работы ограничена схемой оцифровки в цифровых вольтметрах.
    • Очень сложно обнаружить скачки переходного напряжения.
    • У аналого-цифрового преобразователя есть ограничение на длину слова, которое вызывает шум квантования, приводящий к ошибкам в измеренных значениях.
      Также читают: 
      Что такое клещи (клещи-тестеры) - типы, принцип работы и порядок эксплуатации 
      Что такое технология Li-Fi - как она работает, применение и преимущества 
      Что такое суперконденсатор (ультраконденсатор) - характеристики, работа, типы и применение 
     Диод  - история, режимы работы, характеристики VI, типы и применение  
    Цепь вольтметра переменного тока с пиковыми показаниями

    Цепь вольтметра переменного тока с максимальным показанием: Цепь вольтметра переменного тока с пиковым показанием

    : Когда конденсатор подключен к источнику синусоидального напряжения, зарядный ток

    , где V — среднеквадратичное значение напряжения, а co — угловая частота.Если используется полуволновой выпрямитель, среднее арифметическое значение тока выпрямителя пропорционально пиковому значению переменного тока. Напряжение. Принципиальная схема расположения схем представлена ​​на рис. 7.15. Постоянный ток Показание счетчика пропорционально пиковому значению значения V м или

    , где I — постоянный ток. ток измеряется измерителем, а C — емкость конденсатора. Этот метод известен как метод измерения пикового напряжения Chubb-Frotscue.

    Диод D 1 служит для выпрямления a.c. ток в одном полупериоде, в то время как D 2 обходит в другом полупериоде. Такое расположение подходит только для положительных или отрицательных полупериодов и, следовательно, действительно только тогда, когда оба полупериода симметричны и равны. Этот метод не подходит, если форма волны напряжения не является синусоидальной, но содержит более одного пика или максимума, как показано на рис. 7.16. Зарядный ток через конденсатор меняет полярность в пределах

    .

    один из полупериодов, и ток в течение этого периода вычитается из чистого тока.Следовательно, показания счетчика будут меньше и не пропорциональны V m , так как ток, протекающий во время интервалов (t 1 — t 2 ) и т. Д., Не будет включен в среднее значение. Второй или ложный максимум легко обнаружить, наблюдая за формой сигнала зарядного тока на осциллографе. В нормальных условиях с переменным током При тестировании такие формы сигналов не возникают и, как таковые, не вызывают ошибок. Но токи предварительного разряда в испытательных цепях вызывают очень кратковременные падения напряжения, которые могут привести к ошибкам.Эту проблему также можно преодолеть, используя сопротивление R, включенное последовательно с конденсатором C, так что CR <<1 / ω для приложения с частотой 50 Гц.

    Ошибка из-за сопротивления

    где,

    В = фактическое значение, а

    В м = измеренное значение

    При определении погрешности необходимо определить фактическое значение угловой частоты ω.

    Различные источники, которые способствуют возникновению ошибки:

    • эффективное значение емкости отличается от измеренного значения C
    • дефектные рефтификаторы, допускающие малые обратные токи
    • Несинусоидальные формы сигнала напряжения с более чем одним пиком или максимумом за полупериод
    • Отклонение частоты от значения, используемого для калибровки. Таким образом, этот метод в его основной форме не подходит для сигналов с более чем одним пиком в каждом полупериоде.

    Цифровой измеритель пикового значения для измерения напряжения показан на рис. 7.17.

    Вместо прямого измерения выпрямленного зарядного тока выводится пропорциональный аналоговый сигнал напряжения, который затем преобразуется в пропорциональную среднюю частоту f m. Отношение частот f m / f измеряется схемой затвора, управляемой переменным током. частота сети (f) и счетчик, который открывается на регулируемое количество периодов Δt = p / f В течение этого интервала количество подсчитанных импульсов n составляет

    , где p — постоянная прибора, а A — коэффициент преобразования a.c. к постоянному току конвертер.

    Цепь вольтметра переменного тока для измерения пиковых значений с делителями потенциала: Схема вольтметра переменного тока с пиковыми показаниями

    с емкостными делителями, разработанная Боулдером и др., Показана на рис. 7.18a. Напряжение на C 2 используется для зарядки накопительного конденсатора C s . R d — разрядный резистор, используемый для обеспечения возможности изменения V m всякий раз, когда V 2 уменьшается. C s заряжается до напряжения, пропорционального измеряемому пиковому значению.

    Измеритель-индикатор представляет собой электростатический вольтметр или высокоомный индикатор V.T.V.M. Эта постоянная времени разряда C с R d рассчитана на величину от 1 до 10 с. Это вызывает ошибку разряда, которая зависит от частоты напряжения питания. Чтобы компенсировать ошибки заряда и разряда из-за сопротивлений, схема модифицирована, как показано на рис. 7.18b. Измерение среднего пика производится микроамперметром.Модификация Рабуса для компенсации ошибок зарядки представлена ​​на рис. 7.18c.

    Вольт переменного тока | Журнал Nuts & Volts


    В США напряжение постоянного тока юридически определяется решеткой Джозефсона — сверхпроводящим квантовым устройством с очень повторяемым выходным напряжением. ( The DC Volt , Nuts & Volts , Jan. ’97). Банки стандартных ячеек и эталоны термостабилизированных стабилитронов используются Национальным институтом науки и технологий (NIST) для калибровки измерителей постоянного тока для научных и промышленные заказчики.Так как же определяется напряжение переменного тока?

    Как оказалось, не существует «стандартного» напряжения переменного тока, как есть стандартное напряжение постоянного тока. Напротив, переменное напряжение определяется преобразованием в постоянный ток и сравнением со стандартом постоянного напряжения.

    Развитие этого преобразования — еще одна увлекательная история в поисках еще более высокой точности измерений. И попутно я дам вам несколько советов по созданию недорогого калибровочного оборудования переменного тока для вашего собственного магазина или лаборатории.

    ВЫПРЯМИТЕЛЬ ТОЧНЫЙ

    Хотя они и не так точны, как термопреобразователи, которые мы вскоре рассмотрим, прецизионные выпрямители широко используются.Схемы недороги и достаточно хороши для «повседневных» измерений. Многие коммерческие счетчики переменного тока относятся к этому типу.

    Схема в Рис. 1 существует уже много лет, но ее можно заставить работать очень хорошо.

    РИСУНОК 1. Прецизионный выпрямитель. Показанные типичные значения резисторов не являются критическими, но должны быть точно согласованы для достижения наилучшей точности (0,1% или выше).


    Так как это работает? Для положительных входных сигналов диод D2 выключен, а D1 проводит.Таким образом, A1 — это просто инвертор с единичным усилением. Этот сигнал суммируется с исходным входом A2, но поскольку сопротивление R4 составляет всего 10 кОм, выход A1 усиливается вдвое больше, чем исходный вход. Когда вход отрицательный, D1 выключен, а D2 проводит. Это удерживает инвертирующий вход A1 на виртуальной земле и эффективно удаляет A1 из схемы. Таким образом, A2 — это инвертор, вырабатывающий на выходе положительное напряжение того же напряжения, что и на входе положительного полупериода. R5 выбран так, что среднеквадратичное значение на входе составляет один вольт на выходе постоянного тока.И это поднимает интересную тему измерения среднего, среднеквадратичного (RMS) и пикового значения.

    Рисунок 2 иллюстрирует эти отношения; пиковые значения и значения размаха легко увидеть и понять.

    РИСУНОК 2. Зависимость синусоиды между пиком, размахом, средним и среднеквадратичным значением.


    Если все мгновенные значения усредняются за полупериод, результатом является среднее напряжение. Для синусоиды V AV = 0.636 В ПИК . С R5 в Рис. 1 , равным 20 кОм, выход постоянного тока будет средним значением. Но обычно мы считаем, что значение RMS более полезно, потому что оно является мерой энергии в сигнале. Практически все вольтметры переменного тока показывают среднеквадратичное значение вольт, хотя многие из них на самом деле реагируют средним (те, которые используют выпрямители).

    Среднеквадратичный ток переменного тока, протекающий через сопротивление, выделяет такое же количество тепла, как и ток постоянного тока, поэтому это становится основой для определения среднеквадратичного значения вольта.V RMS = 0,707 V пик . Принимая соотношение V RMS / V AV = 0,707 / 0,636 = 1,1116, мы получаем значение 22,2 кОм для R5, чтобы цепь , рис. 1, RMS реагировала (для синусоидальных сигналов).

    Пик-фактор — это отношение пиковых значений к среднеквадратичным значениям. Это 1,414 для синусоидальных входов (1 / 0,707), но может достигать пяти и более для случайного шума. Вольтметры со средним значением отклика откалиброваны для входных синусоид, но теряют точность при использовании для других форм входных сигналов (включая искаженные синусоиды).

    Есть много других схем прецизионного выпрямителя; некоторые используют только операционные усилители и не используют диоды. Один или два новых дизайна или вариации публикуются каждый год, и это показатель того, насколько полезной и широко распространенной стала эта функция. Хорошие места для поиска новых схем — это раздел «Идеи дизайна» в журнале EDN и «Идеи дизайна» в журнале Electronic Design .

    ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ RMS

    Идеальный преобразователь среднеквадратичных значений вычисляет среднее значение квадрата входного сигнала за некоторый интервал времени усреднения, а затем извлекает квадратный корень.То есть:

    Это выглядит хуже, чем есть на самом деле, потому что мы можем выполнить эту операцию в электронном виде несколькими способами.

    Много лет назад Ballantine Laboratories разработали модель вольтметра 320 True RMS. Он использовал серию смещенных диодов, чтобы приблизить «квадратное» соотношение между средним значением и среднеквадратичным значением. Это сработало, но калибровка счетчика, вероятно, была слишком трудоемкой для современного рынка, поэтому ее заменили другими методами. (В справочнике по нелинейным схемам , опубликованном Analog Devices, есть отличное обсуждение того, как аппроксимировать функции с помощью диодов, включая примеры.)

    Теперь, когда микросхемы умножителей стали обычным явлением и относительно недороги, мы можем буквально возвести в квадрат, усреднить, а затем извлечь квадратный корень, как показано на , рис. 3 . Analog Devices и Maxim Integrated Products сделали еще один шаг вперед в этом подходе. Обе компании производят ИС, которые содержат весь преобразователь среднеквадратичного значения в постоянный ток, за исключением усредняющего фильтра нижних частот.

    РИСУНОК 3. Преобразование среднеквадратичного значения в постоянный ток с помощью двух аналоговых умножителей. Множитель в цепи обратной связи усилителя принимает квадратный корень.Линия над напряжением обозначает среднее значение.


    На рис. 4 показан полный вольтметр RMS, использующий AD536A (или MX536A) и стандартный цифровой панельный измеритель (DPM) для отображения. AD536A требует для работы всего +5 вольт, а DPM, который я использовал, нуждался в плавающем источнике питания на девять вольт, поэтому мне пришлось использовать две девятивольтовые батареи. Фильтрация нижних частот (усреднение) выполняется C2 и C4.

    РИСУНОК 4. Вольтметр RMS использует одну интегральную схему и 3-1 / 2-разрядный DPM для отображения.Все резисторы, кроме R5, имеют 1 / 4Вт, 1% металлическую пленку.


    При показанных значениях погрешность по постоянному току будет меньше 1% от показания до примерно 10 Гц. Высокочастотная характеристика задается самой микросхемой. Полоса пропускания -3 дБ составляет 2 МГц для входного сигнала с среднеквадратичным значением в один вольт или больше и 450 кГц при входном напряжении 100 милливольт. Для получения более подробной информации обратитесь к производителю за полной спецификацией. Вы также найдете множество информации, включая эту схему вольтметра, в буклете Analog Devices Руководство по применению преобразования среднеквадратичного значения в постоянный ток .(AD536A можно приобрести в компании Jameco Electronic Components.)

    ТЕПЛОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

    Термопреобразователь состоит из резистивного нагревателя, контактирующего с термопарой, заключенной в вакуумированную стеклянную колбу (для теплоизоляции). Фотография типового устройства от Best Technology, Inc. показана на Рис. 5 .

    РИСУНОК 5. Вакуумный термопреобразователь модели U.1 от Best Technologies, Inc .; 5 мА через 90-омный нагреватель генерируют выходной сигнал термопары около 7 мВ.


    При прохождении тока через нагреватель возникает разность напряжений между выводами термопары. Для этой модели выходное напряжение составляет около семи милливольт при токе нагревателя пять миллиампер.

    NIST использует термопреобразователи в качестве «передаточных» эталонов для калибровки переменного напряжения и тока. Проще говоря, известное постоянное напряжение подается на нагреватель термопреобразователя и считывается напряжение термопары. Затем к нагревателю подключается переменное напряжение, которое регулируется таким же напряжением термопары.Таким образом, действующее значение переменного напряжения равно исходному (калибровочному) постоянному напряжению. В некотором смысле постоянное напряжение передается переменному напряжению.

    Конечно, на практике существует множество подводных камней, и NIST постоянно изучает различные неопределенности и новые конструкции преобразователей. Например, напряжение термопары немного изменяется при переключении между постоянным и переменным током. Кроме того, направление постоянного тока может создавать небольшую разницу напряжений. Но эти неопределенности составляют не более 0.00005% (0,5 частей на миллион) и имеют значение только для соблюдения национальных стандартов переменного тока.

    Другие факторы неопределенности включают ошибки эффекта Пельтье и прием радиочастоты от другого лабораторного оборудования или коммерческих радиовещательных станций. Примерно один микроватт мощности нагревателя может обеспечить 0,1% номинального выходного напряжения в типичном 5-миллиамперном термопреобразователе. Они довольно чувствительны к электромагнитным помехам (EMI), особенно на частотах FM и TV. Короткие выводы и короткие следы печатной платы помогут минимизировать воздействие электромагнитных помех. Рисунок 6 представляет собой график зависимости неопределенности калибровки переменного и постоянного тока от частоты, опубликованный на веб-сайте NIST по адресу www.nist.gov .

    РИСУНОК 6. Неопределенность калибровки NIST AC-DC для напряжений, меньших или равных 100 вольт, 1 ppm = 0,00001%.


    Даже на относительно низких частотах — 50 кГц и выше — шунтирующая емкость может вызвать измеримую ошибку. NIST обнаружил, что коаксиальные крепления для термопреобразователей и последовательных резисторов падения напряжения стабильны и предсказуемы, хотя идеальная компенсация возможна только на одной частоте.Точное измерение напряжения становится очень сложной задачей при увеличении частоты до 40 или 50 МГц. Вместо этого мощность измеряется с помощью термопреобразователя, сопротивление которого согласовано с линией передачи. При необходимости напряжение можно рассчитать исходя из мощности и импеданса.

    Производители приборов также используют термопреобразователи в своих вольтметрах RMS. Типичная схема показана на рис. 7 .

    РИСУНОК 7. Упрощенная схема теплового преобразователя переменного тока в постоянный.Эта схема использовалась в вольтметре Hewlett-Packard Model 3403C True RMS.


    Компания Hewlett-Packard использовала эту базовую конструкцию в своей модели 3403C с преобразователями и соответствующими усилителями и фильтрами в тяжелом литом алюминиевом корпусе. Хотя больше не производится, 3403C заслуживает внимания, потому что он имеет частотную характеристику от постоянного тока до 100 МГц, и он будет измерять среднеквадратичное значение комбинированного сигнала переменного и постоянного тока. Точность может составлять 10% от показания в диапазоне от 50 до 100 МГц, но она составляет 1% или лучше от постоянного тока до 1 МГц.

    Давайте посмотрим, как работает эта схема. Напряжение входного сигнала нагревает термопару в TC1, создавая напряжение на неинвертирующем входе A2. A2, подключенный как разностный усилитель, обнуляет разность напряжений между своими входными контактами, подавая на TC2 ток, достаточный для обнуления выходного сигнала TC1. В этом приложении термопреобразователи должны быть согласованной парой, чтобы они отслеживали друг друга в диапазоне от нуля до полной шкалы измерителя. Алюминиевый корпус обеспечивает термическую стабильность (длительную тепловую постоянную времени) и защиту от электромагнитных помех.

    На рисунке 8 показан калибратор с переходным напряжением AC-DC, который вы можете построить для домашнего или лабораторного использования. Он основан на недорогой паре согласованных термопреобразователей от Best Technology, Inc. Давайте посмотрим, как это работает.

    РИСУНОК 8. Схема передаточного калибратора AC-DC, который вы можете собрать дома. Детали усилителя показаны на рис. 9.


    Когда S1 находится в положении CAL, входное опорное напряжение постоянного тока подается на оба термопреобразователя через усилители A1 и A2, а R1 настраивается на ноль (нулевое напряжение) на DPM.Термопреобразователи рассчитаны на равные выходные напряжения для тока нагревателя в пять миллиампер, но сопротивление нагревателя может отличаться на 10% от его номинального значения в 90 Ом. Я измерил пару на 87,8 и 91,9 Ом для разницы в 4,1 Ом. R1 — это потенциометр на пять Ом, включенный последовательно с термопреобразователем с меньшим сопротивлением нагревателя. (В зависимости от разницы сопротивлений нагревателя вам может понадобиться 10-омный горшок.)

    Теперь S1 переведен в положение USE, и измеряемое напряжение переменного тока подключено к входным клеммам переменного тока.Изменяйте напряжение переменного тока, пока DPM снова не покажет ноль. Среднеквадратичное значение переменного напряжения теперь равно калибровочному напряжению постоянного тока с точностью ± 0,1% или лучше. (Общая точность зависит от источника опорного напряжения постоянного тока.) Это инструмент для измерения звуковой частоты и должен иметь точность до 10 кГц или около того, в зависимости от схемы вашей схемы.

    A1 и A2 — идентичные композитные усилители, как показано на рис. 9 .

    РИСУНОК 9. Деталь усилителя и источника питания для калибратора с переходным напряжением постоянного и переменного тока, показанного на Рисунке 8.


    Входной операционный усилитель стабилизирован с помощью прерывателя, что обеспечивает низкое смещение постоянного тока и хороший дрейф, но он не может выдавать пять миллиампер для управления термопреобразователем. Включение операционного усилителя с более высоким выходным током в цепь обратной связи дает нам лучшее из обоих миров. A3 также является операционным усилителем со стабилизацией прерыванием, обеспечивающим хорошее нулевое разрешение по шкале ± 200 милливольт для 3-1 / 2-значного DPM.

    Это простая схема, но я должен упомянуть некоторые меры предосторожности. Печатная плата необходима; мы имеем дело с отклонениями микровольт от термопреобразователей.По той же причине припаяйте ИС и не используйте розетки. Каждому операционному усилителю с прерывателем требуется пара внешних конденсаторов для хранения коррекции напряжения смещения. Это должны быть блоки из металлизированного полиэстера или полипропилена хорошего качества. Одна сторона каждого колпачка идет к отрицательному напряжению питания, и следы печатной схемы должны идти прямо к контакту 4. Операционные усилители с прерывателем могут блокироваться, но это не будет проблемой, если вы включите источники питания до подачи сигнала на любой вход. Общие диоды на выходах A1 и A2 защищают термопреобразователи, ограничивая напряжение нагревателя примерно до ± 0.Пиковое напряжение 7 вольт. Переключатель диапазона напряжений должен быть переключателем с замыканием до размыкания, а резисторы регулировки усиления A1 и A2 должны быть 0,1% или лучше. (Mouser Electronics предлагает в небольших количествах резисторы с 0,1% -ным содержанием металла и температурным коэффициентом 25 ppm при цене около доллара за штуку. И я включил пару производителей прецизионных резисторов в список Resources .)

    ИСТОЧНИК ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

    Если калибратора перехода AC-DC больше, чем вам нужно, вы все равно можете создать довольно простой источник калибровки переменного напряжения.SWR300 — это прецизионная эталонная синусоидальная ИС от Thaler Corporation. Он имеет выходное среднеквадратичное значение 7,071 В (± 0,1%) в программируемом диапазоне частот от 10 Гц до 100 кГц.

    Это выходное напряжение, возможно, не слишком полезно для калибровки измерителя, но добавление одного операционного усилителя и нескольких прецизионных резисторов даст вам 10 вольт RMS, что намного лучше. Частота устанавливается двумя плавающими конденсаторами, поэтому для изменения частоты необходим четырехполюсный переключатель. Кроме того, ниже 1500 Гц требуются два внешних конденсатора АРУ ​​(автоматической регулировки усиления), которые изменяют значение вместе с ограничителями регулировки частоты.

    По этим причинам я решил создать опорную частоту с фиксированной частотой (около 1000 Гц). Схема показана на Рисунок 10 .

    РИСУНОК 10. Опорное напряжение переменного тока с использованием Thaler Corp. SWR300. Резисторы регулировки усиления (R2, R3, R4) должны быть 0,1% или лучше с низкотемпературным коэффициентом.


    Операционный усилитель OP-07 имеет очень низкое смещение постоянного тока и достаточно низкий выходной импеданс, чтобы управлять делителем напряжения Варлея-Кельвина 10 кОм. Я измерил общий коэффициент гармонических искажений (THD) на выходе как 0.35%, что важно для калибровки средних срабатываний вольтметров. Обратите внимание, что для выхода 10 В (среднеквадратичное значение) требуется источник питания с напряжением ± 18 В (полная амплитуда 28,28 В). И SWR300, и OP-07 рассчитаны на работу при таком напряжении.

    Я проверил все свои вольтметры переменного тока с помощью этого калибратора и обнаружил все в соответствии со спецификациями, кроме одного … так что похоже, что у меня впереди ремонт! NV


    РЕСУРСЫ

    Схемы прецизионного выпрямителя
    EDN Magazine , 275 Washington St., Newton, MA 02158; Телефон 617-964-3030.
    Electronic Design Magazine , 611 Route 46 West, Hasbrouck Heights, NJ 07604; Телефон для справок 216-696-7000.

    ИС преобразователя среднеквадратичного значения в постоянный ток
    Analog Devices, Inc. , P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062; Телефон 800-262-5643.
    Maxim Integrated Products, Inc. , 120 San Gabriel Dr., Саннивейл, Калифорния 94086; Телефон 408-737-7600.
    Jameco Electronic Components , 1355 Shoreway Rd, Belmont, CA 94002; 800-831-5252.

    Термопреобразователи
    Best Technology, Inc. , 400 Борен авеню Н., Сиэтл, Вашингтон 98109; Телефон 206-623-6135.

    Прецизионные резисторы
    Mouser Electronics , 958 N. Main St., Mansfield, TX 76063; Телефон 800-346-6873.
    Общее сопротивление , P.O. Box 185, North Branford, CT 06471; Телефон 203-481-8937.
    JBM Electronics, Inc. , 1 Commerce Dr., Bedford, NH 03111; Телефон 603-623-0446.
    Micro-Ohm Corp., 1088 Hamilton Rd., Duarte, CA ; Телефон 800-845-5167.

    SWR300 Справочная микросхема переменного тока
    Thaler Corporation , 2015 N. Forbes Blvd., Tucson, AZ 85745; Телефон 520-882-4000.

    Цифровой панельный измеритель (вольтметр переменного тока / амперметр переменного тока) | MISUMI

    9 0906 Функция удержания
    Модель

    EDM10-AV-102

    EDM10-AA-102

    Измерительный компонент Напряжение переменного тока
    (от 0 до 300 В переменного тока)
    (переменный ток 0 до 2 ) A)
    Точность преобразования
    (23 ° C ± 5 ° C)
    ± (0.2% от показания +10 цифр) ± (0,5% от показания +10 цифр)
    Вход 300 В среднекв. 2 Arms
    Входное сопротивление 10 МОм 0,1 Ом (с внешним сопротивление шунта)
    Перегрузка 350 В переменного тока переменного тока 2,1 A
    Напряжение питания От 12 до 24 В постоянного тока
    Потребляемая мощность 0,72 Вт (12 В постоянного тока: 60 ​​мА), 1,08 24 В постоянного тока: 45 мА)
    Дисплей От 0 до 9999, красный светодиод (высота символа 10 мм), с функцией подавления нуля
    Отображение десятичной точки: выбирается с помощью переднего переключателя
    Перекрытие дисплея: мигает со скоростью 130% (мигает 0000 при превышении 9999)
    Функция масштабирования Отображение полной шкалы: от 0 до 9999
    Отображение смещения: от 0 до 9999
    Заводское значение по умолчанию (полная шкала) 3000 2000
    Разрешение 1/10 000
    Цикл выборки 1 / с
    Период отображения 1 с
    Входная цепь Односторонний Рабочий метод 9090 Метод преобразования
    Сохранение данных измерений
    Условия эксплуатации Температура: от 0 до 50 ° C, влажность: 75% относительной влажности или менее (без конденсации)
    Сопротивление изоляции 100 МОм или более (с мегомметром 500 В постоянного тока): Между электрической цепью и корпусом
    Выдерживаемое напряжение 500 В переменного тока (в течение 1 мин.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.