Электронные измерительные приборы.

Все множество электронных измерительных приборов разделяется на следующие классы:

Класс В - измерители напряжений.

Класс Г - измерительные генераторы сигналов и измерительные усилители.

Класс Е- приборы для измерения распределенных параметров электрических цепей.

Класс С - приборы для наблюдения за формой электрического сигнала.

Класс Ч - приборы для измерения частоты и интервалов времени.

Классы Ф и Ч - цифровые и комбинированные приборы.

Аналоговые электронные приборы класса В имеют, как правило, следующую структуру:

В качестве примера, ниже приведены несколько упрощенных структур электронных аналоговых приборов.

На данном рисунке приведена схема простейшего многопредельного электронного вольтметра. Схема содержит следующие элементы:

R и S1 - образуют входной аттенюатор. S2 - изменяет коэффициент градуировки шкалы при измерениях постоянного и переменного напряжений. На транзисторе VT- собран простейший усилитель. Резисторы R1, R2 и R3 определяют рабочую точку транзистора.

Схема электронного прибора средних значений. Такую структуру имеют электронные вольтметры типа В 3-38, В3-39, и В 3-48. Показания прибора соответствуют средним значениям измеряемого напряжения и определяются выражением:

.

Схема электронного вольтметра средних значений. В приборе применен тепловой преобразователь (термостат) в котором происходит выделение действующего значения напряжения, которое соответствует:

.

По такому принципу строятся приборы типа В 3-42 и В 3-45. Эти приборы имеют широкий частотный диапазон измеряемых напряжений.

Пределы измерения аналоговых приборов лежат в пределах: 1 мВ…500 В, частотный диапазон 10 Гц…50 МГц, основная приведенная погрешность до 4%.

Следует заметить, что характеристики электронных приборов во многом определяются схемой электронного преобразователя – детектора.

Различают следующие основные схемы детекторов:

Детектор амплитудного значения.

Детектор средневыпрямленного значения.

Детектор среднеквадратичного значения.

Детекторы, как правило, устанавливаются на входе прибора. Структура электронного аналогового прибора с входным детектором показана на рисунке:

ВУ - входное устройство.

Д- детектор.

УПТ - усилитель постоянного тока.

ИМ - измерительный механизм магнитоэлектрического типа.

S- переключатель режимов измерения (переменное напряжение – постоянное напряжение).

Рассмотрим основные схемы и принцип действия входных детекторов.

Первая схема представляет  входной детектор амплитудных значений с открытым входом. На рисунке приведена его схема и диаграмма, поясняющая работу.

    

При проектировании таких схем следует выбирать следующие элементы:

С=0.02…0.05 мкФ.

R=50…100 мОм.

Работа детектора достаточно очевидна. При похождении положительной полуволны напряжения емкость С заряжается практически до амплитудного значения. При прохождении отрицательной полуволны напряжения диод VD закрыт, и емкость начинает разряжаться через цепи микроамперметра. Так как сопротивление этой цепи велико заряд на обкладках конденсатора, а, следовательно, и напряжение на емкости будут изменяться медленно и за полпериода входного напряжения изменятся незначительно. Таким образом, на емкости поддерживается напряжение близкое к амплитудному.

На следующей схеме представлен детектор амплитудных значений с закрытым входом, и диаграмма поясняющая его работу.

    

Работу детектора поясняет соотношение:

Подробно работу таких детекторов рассмотрим на примере одной из практических схем.

Детектор содержит входную емкость С, диод VD, нагрузочное сопротивление R, RC фильтр и усилитель постоянного тока УПТ.

Схема работает следующим образом: Входное напряжение u(t) приложенное к цепи C-VD вызывает на резисторе R падение напряжения со смещением на величину равную –Um (см рисунок). Далее это напряжение через фильтр подается на усилитель и измерительный механизм. Прибор, собранный по такой схеме показывает амплитудное значение входного напряжения. Формулы, поясняющие этот процесс, приведены ниже:

.

Если , тогда: .

Преобразователи (детекторы) средневыпрямленного значения.

На схеме приведенной ниже показан детектор средневыпрямленного значения.

Показания прибора соответствуют:

Преобразователи (детекторы) среднеквадратичного значения.

Преобразователь среднеквадратичного значения получают путем апроксимации квадратичной функции несколькими отрезками (см. рисунок). Как правило, такие детекторы представляют собой электронные схемы. Одна из простейших схем апроксимации представлена на рисунке.

     

Схема работает следующим образом: Каждый из диодов VD1 – VD3 находится под своим напряжением смещения, соответственно U1 – U3, которые формирует резистивный делитель напряжения R4 – R6 и источник дополнительного питания Uп. При изменении входного напряжения U в пределах от 0…Uп происходит следующее: В начальный момент, когда U<U1, измеряемый ток Iи определяется цепью R1VD3- и является первым участком апроксимации (см. диаграмму). Когда напряжение U лежит в пределах U1<U<U2 происходит пробой диода VD2, и ток через измерительный механизм равен i1+i2. Это второй участок апроксимации. На третьем участке(U2<U<U3) пробивается VD1 и ток составляет Iи составляет сумму трех токов i1+i2+i3. Таким образом, кривая Iп=U2 получается апроксимированной тремя отрезками.

Уравнения, поясняющие работу схемы на переменном напряжении, приведены ниже.

- коэффициент пропорциональности.

При входном напряжении произвольной формы работу схемы поясняют следующие уравнения:

Измерительные генераторы сигналов.

Генератором измерительных сигналов называют источники напряжения, вырабатывающие стабильные испытательные сигналы с известными с определенной точностью параметрами (частотой, напряжением, мощностью и формой).

Генераторы различают по форме выходного напряжения, по частотному диапазону, по величине и мощности выходного сигнала.

По форме выходного сигнала генераторы бывают:

По виду модуляции выходного сигнала генераторы бывают:

По частотному диапазону выходного сигнала генераторы делятся на:

Наибольшее распространение получили генераторы синусоидальных сигналов. Они применяются для настройки радиоэлектронной аппаратуры и устройств автоматики.

Параметры генераторов синусоидальных колебаний.

Важнейшим параметром, характеризующим форму выходного сигнала, являются нелинейные искажения (измеряются в %). А параметр, определяющий нелинейные искажения называется коэффициент гармоник.

.

U1, U2, Un- действующие значения, соответственно первой и высших гармоник составляющих спектр выходного сигнала. Данный коэффициент зависит от частоты и мощности на выходе.

Диапазон регулируемых частот характеризуется коэффициентом перекрытия.

.

Стабильность частоты в процессе работы определяется коэффициентом стабильности.

,

где f1- частота генератора, измененная внешними условиями (например, изменением температуры или подключением нагрузки).

f0- начальная частота генератора.