Аналоговые вольтметры

Вольтметры предназначены для измерения напряжений постоянного, переменного и импульсного токов в большом диапазоне напряжений и частот.

Аналоговые вольтметры делятся на электромеханические и электронные.

Электромеханические вольтметры преобразуют электромагнитную энергию, полученную из измеряемой цепи, в механическую энергию, которая служит для перемещения подвижной части.

Нужно измерить электрическую величину U_x . Измерительная цепь преобразует U_x в промежуточную величину Y (ток, напряжение) , а величина Y уже воздействует на измерительный механизм. Измерительный механизм преобразует электромагнитную энергию в механическую, которая нужна для отклонения его подвижной части на угол .

Отсчетное устройство состоит из указателя, который связан с подвижной частью измерительного механизма, и шкалы. Шкалы бывают прямолинейные, дуговые, круговые. По расположению отметок шкалы бывают равномерные и неравномерные, также различаются шкалы и по расположению относительно нуля.

Значение измеряемой величины = произведению числа делений отсчитанных по шкале на цену деления прибора.

Аналоговые электронные вольтметры включают в себя электронные преобразователи измеряемой величины в постоянное напряжение или ток и магнитоэлектрический прибор.

Характерны высокая чувствительность, широкий частотный диапазон, высокое входное сопротивление.

Вольтметры постоянного тока:

ДН - резистивный делитель напряжения. Он уменьшает измеряемое напряжение до такого, которое необходимого усилителю постоянного тока. С выхода УПТ напряжение попадает на измерительный механизм ИМ и преобразуется в изменение угла α указателя.

Для измерения низких напряжений используются микровольтметры и милливольтметры, содержащие усилители с МДМ-преобразованием.

Схемы модулятора и демодулятора:

Эпюры напряжений:

Постоянное входное напряжение модулятор преобразует в переменное импульсное. Модулятор состоит из ключей SA1 и SA2, управление производится от генератора Г. Коммутация ключей в противофазе. Если сопротивление ключа=0 когда он замкнут и = бесконечности когда разомкнут, то на выходе модулятора будет последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой входного сигнала (при условии что переключение мгновенное). Эти импульсы усиливаются усилителем.

Работа демодулятора аналогична.

Фильтр Ф усредняет импульсы. На выходе получаем усиленное постоянное напряжение с полярностью, соответствующей входному сигналу.

Применение усилителей МДМ значительно уменьшает погрешности от нестабильности напряжения смещения (дрейфа нуля). Эти погрешности значимы при измерении малых напряжений.

Вольтметры переменного тока:

Особенности 1й схемы: широкий частотный диапазон, низкая чувствительность. Вторая схема – наоборот более узкий частотный диапазон, но более высокая чувствительность.

Универсальные аналоговые вольтметры: для цепей постоянного и переменного тока

Входное устройство: для преобразования u_x к напряжению, которое необходимо для дальнейшего преобразования. Это может быть резистивный, конденсаторный, резистивно-конденсаторный делитель напряжения, а также преобразователь.

Резистивно-конденсаторный делитель работает как резистивный при низких и как конденсаторный при высоких частотах.

Часто делители напряжения делаются многопредельными, с постоянным входным или выходным сопротивлениями.

Преобразователи преобразуют переменное в постоянное напряжение, причем делают его пропорциональным амплитудному, среднему или действующему значению.

Преобразователь амплитудного значения ПАЗ :

Если подать на вход синусоидальное напряжение при малой постоянной времени заряда, то на конденсаторе напряжение почти повторяет исходное и достигает Umax. Затем u_вх падает, диод закрывается, конденсатор разряжается через резистор R. Когда u_вх опять достигает напряжения на конденсаторе, диод открывается, конденсатор подзаряжается снова до Umax.

Получается, что среднее значение напряжения на конденсаторе Uco близко к Umax. Их отношение – коэффициент преобразования ПАЗ. Величину сопротивления нельзя брать бесконечно большой, т.к. есть шунтирование следующим каскадом, а также увеличения инерционности ПАЗ при изменении Umax.

Преобразователи среднего значения ПСЗ

Показания микроамперметра пропорциональны U_ср . Для повышения чувствительности ПСЗ эта мостовая схема включается как нагрузка усилителя переменного тока с отрицательной обратной связью по току.

Преобразователи действующего значения ПДЗ

термопреобразователь ТП, операционный усилитель ОУ. Е – ЭДС.

Такие ПДЗ эффективны при измерении напряжений с большим количеством гармонических составляющих. Но быстродействие из-за инерционности термопреобразователей низкое.

АЦП и ЦАП

Цифроаналоговые преобразователи предназначены для преобразования цифровых сигналов в квантованную аналоговую величину.

У ЦАП есть n входов (где n – количество разрядов входного кода) и один аналоговый выход. Входной код бывает разным - двоичным, двоично-десятичным…

ЦАП работает следующим образом: если входной код максимален, то U_вых = max = E₀ (где E₀ – напряжение источника питания). А если входной код минимален, то U_вых = 0. Чем больше входной код, тем больше выходное напряжение.

ЦАП состоит из источника питания E₀ , резисторов R₁ … R_n и управляемых разрядами входного кода ключей SA.

Схема, эквивалентная принципиальной:

g_AB – общая проводимость резисторов, подключенных ключами SA к шине В; g_AC – общая проводимость резисторов, подключенных ключами к шине C.

Напряжение источника питания E₀ в итоге делится в зависимости от g_AB :

,

k_i – коэффициент, зависящий от того, подключен ли резистор к шине В или нет. k= 0 или 1

Аналого-цифровые преобразователи преобразуют входное аналоговое напряжение в цифровой код. У АЦП есть один аналоговый вход, n выходов (где n – число разрядов выходного кода), управление Старт(вход) и Стоп(выход).

Чем больше входное напряжение тем больше выходной код. (в пределах от 0 до Е_0­)

Существуют различные АЦП.

Развертывающий АЦП

Сначала ожидание прихода импульса Старт, затем обнуляется счетчик импульсов Сч и взводится триггер Т. Единица с выхода триггера Т замыкает ключ Кл, импульсы с генератора Г начинают поступать на счетный вход счетчика. Увеличивается напряжение U­_цап (так как код на выходе счетчика возрастает). Когда U­_цап сравняется с U­_вх , схема сравнения СС сформирует сигнал, после которого произойдет запись текущий кода с выхода счетчика в регистр памяти РП . Это и будет выходной код. Также произойдет сброс триггера. Ключ Кл размыкается, преобразование окончено.

Время преобразования зависит от уровня входного сигнала. Максимальное время преобразования t_{np max} =T₀ (2ⁿ – 1) (где Т₀ – период импульсов генератора; n – разрядность АЦП).

Недостаток – мало быстродействие – каждое преобразование начинается с нуля.

Следящий АЦП

Схема сравнения СС управляет пропуском тактовых импульсов с генератора Г на суммирующий или вычитающий входы счетчика РС (при помощи ключей Кл1 и Кл2). Критерий управления – текущее соотношение U_цап и U_вх. Если U_цап больше U_вх то пропускаются импульсов на суммирующий вход РС. Иначе импульсы поступают на вычитающий вход РС. Когда указанные величины сравниваются, размыкаются оба ключа.

Такой АЦП уменьшает время преобразования по сравнению с развертывающим АЦП, т.к. не начинает всегда с нуля, а «следит» за входным сигналом.

АЦП поразрядного уравновешивания

Преобразования начинается после импульса Старт. Запускается генератор импульсов Г. Он тактирует перемещение единицы по сдвиговому регистру СР от старшего разряда к младшему.

Эта единица из регистра через логический ключ Кл записывается в выходной регистр памяти РП, если при этом U_вх > U_цап . Если же входное наоборот меньше, то в данный разряд записывается логический 0. Управление записью 0 и 1 реализуется схемой сравнения СС. Так оказывается сформирован цифровой код на выходе АЦП.

Этот АЦП имееет высокое быстродействие. Для него максимальное время преобразования = T₀ n.

Чем выше разрядность АЦП тем выше его точность, т.к. погрешность АЦП в основном зависит от погрешности дискретизации. Но следует учитывать, что при этом снижается быстродействие. Реально следует выбирать n = 10 .. 12, что соответствует времени преобразования единицы и десятки мкс.