Тема Электронные аналоговые измерительные приборы Электронными аналоговыми

Тема: Электронные аналоговые измерительные приборы

Электронными аналоговыми приборами называют приборы, в которых преобразование сигналов измерительной информации осуществляется с помощью аналоговых электронных устройств. Выходной сигнал таких приборов является непрерывной функцией измеряемой величины.

Достоинствами таких приборов являются: 1) высокая чувствительность; 2) широкий диапазон измерений; 3) широкий частотный диапазон. В настоящее время наиболее широко используются следующие приборы: электронные вольтметры, электронные омметры, электронно-лучевые осциллографы.

1 Электронные вольтметры В электронных вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых электронных устройств в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический измерительный механизм со шкалой, градуированной в единицах напряжения.

Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью и широким диапазоном измеряемых напряжений (от десятков нановольт на постоянном токе до десятков киловольт), большим входным сопротивлением (более 1 МОм), могут работать в широком частотном диапазоне (от постоянного тока до частот порядка сотен мегагерц).

Аналоговые электронные узлы могут вносить значительные погрешности. Особенно это сказывается при измерении малых напряжений или напряжений высоких частот. Поэтому электронные вольтметры обычно имеют относительно невысокие классы точности (1… 6). По своему назначению и принципу действия наиболее распространенные вольтметры могут быть подразделены на вольтметры постоянного тока и вольтметры переменного тока.

Вольтметры постоянного тока Упрощенная структурная схема таких вольтметров показана на рис. 1, где Д — входной делитель напряжения; УПТ — усилитель постоянного тока; ИМ — магнитоэлектрический измерительный механизм. Рис. 1 Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока

Последовательное соединение делителя напряжения и усилителя является характерной особенностью построения всех электронных вольтметров. Такая структура позволяет делать вольтметры высокочувствительными и многопредельными за счет изменения в широких пределах их общего коэффициента преобразования.

Вольтметры переменного тока Такие вольтметры состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Возможны две обобщенные структурные схемы вольтметров переменного тока (рис. 2), различающиеся своими характеристиками. Рис. 2. Структурные схемы вольтметров переменного тока

В вольтметрах по схеме рис. 2 а измеряемое напряжение ux сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подается на УПТ и ИМ, являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. Преобразователь Пр представляет собой малоинерционное нелинейное звено, поэтому вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном диапазоне (от десятков герц до 103 МГц).

В то же время особенности работы нелинейных элементов при малых напряжениях не позволяют делать такие вольтметры высокочувствительными. В вольтметрах, выполненных по схеме 2 б, благодаря предварительному усилению удается повысить чувствительность. Однако создание усилителей переменного тока с большим коэффициентом усиления, работающих в широком диапазоне частот — достаточно трудная техническая задача. Поэтому такие вольтметры имеют относительно низкий частотный диапазон (1 — 10 МГц).

В зависимости от вида преобразователя переменного напряжения в постоянное, отклонения указателя измерительного механизма вольтметров могут быть пропорциональны амплитудному, среднему или действующему значениям измеряемого напряжения. В связи с этим вольтметры называют соответственно вольтметрами амплитудного, среднего или действующего значения. Однако независимо от вида преобразователя шкалу вольтметров переменного тока, как правило, градуируют в действующих значениях напряжения синусоидальной формы.

2 Электронные омметры имеют широкий диапазон измеряемых сопротивлений (10 -4 … 10 17 Ом). Однако точность измерений, как правило, не очень высока: основная приведенная погрешность составляет 2… 6 % и увеличивается до 10… 15 % при измерении особо больших сопротивлений (R > 10 12 Ом).

В основе работы электронных омметров лежит преобразование измеряемого сопротивления в функционально связанное с ним напряжение постоянного тока, которое затем подается на магнитоэлектрический измерительный механизм; при этом шкала измерительного механизма градуируется в единицах сопротивления.

Получили распространение несколько схем электронных вольтметров, одна из которых приведена на рис. 3. Рис. 3 Схема электронного вольтметра: ИСН – источник стабильного напряжения U 0; УПТ – усилитель постоянного тока; R 0 – образцовый резистор (мера сопротивления); Rx – измеряемое сопротивление; Р – магнитоэлектрический измерительный механизм

Учитывая, что входное сопротивление усилителя постоянного тока очень велико, можно считать, что Iвх ≈ 0. Тогда ; (1) и соответственно (2) Угол поворота подвижной части измерительного механизма (3)

где k - коэффициента передачи УПТ, SU чувствительность измерительного механизма по напряжению. Очевидно, что шкала измерительного механизма может быть проградуирована в значениях сопротивления. Причем, если выполняется условие R 0 >> Rx шкала будет близкой к равномерной, в противном случае степенной.

3 Электронно-лучевые осциллографы Электронно-лучевой осциллограф – прибор для визуального наблюдения электрических процессов, представленных в форме напряжения, а также измерения различных параметров сигналов, определяющих их мгновенные значения и временные характеристики. Кроме того, осциллограф может быть использован для измерения фазового сдвига между синусоидальными напряжениями, а также для измерения частоты.

Одним из основных узлов осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), представляющая собой стеклянную колбу, в которой создан вакуум и расположены определенные конструктивные элементы.

Группа электродов, включающая катод с нитью накала, модулятор и аноды (фокусирующий и ускоряющий) образуют так называемую электронную пушку, предназначенную для получения узкого пучка электронов – электронного луча.

Отклоняющая система ЭЛТ состоит из двух пар пластин: горизонтальные пластины используются для отклонения луча по вертикали и называются вертикально отклоняющими, вертикальные пластины – для отклонения луча по горизонтали и называются горизонтально отклоняющими. Экран трубки покрывается специальным веществом – люминофором, обладающим способностью светиться под действием ударяющихся в него электронов (электронного луча).

Для получения на экране осциллографа изображения мгновенных значений сигнала, т. е. осциллограммы изменения сигнала во времени, исследуемый сигнал подается на вертикально отклоняющие пластины ОПY. Одновременно электронный луч отклоняется с постоянной скоростью в горизонтальном направлении с помощью линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения, приложенного к горизонтально отклоняющим пластинам ОПX. Напряжение, отклоняющее луч в горизонтальном направлении, называют развертывающим.

По окончании цикла развертки развертывающее напряжение принимает первоначальное значение, при этом луч возвращается в исходное положение и цикл повторяется. В течение второго и последующих периодов луч и пятно на экране будут повторять свое движение. Световая инерция экрана способствует получению на немелькающей кривой, повторяющей в определенном масштабе исследуемый сигнал.

Условием неподвижного изображения, при автоколебательном режиме развертки, является кратность отношения периода развертывающего напряжения к периоду исследуемого сигнала, т. е. ТР/Т = N, где N – целое число. Если N = 1, то на экране создается изображение одного периода исследуемого сигнала; если N = 2, то наблюдатель видит на экране два периода, и т. д. Процесс получения изображения на экране ЭЛТ можно пояснить рис. 4.

Рис. 4 Временные диаграммы, поясняющие получение осциллограмм при линейной развертке

Помимо электронно-лучевой трубки осциллограф имеет ряд других функциональных узлов, обеспечивающих его работу и возможность использования по назначению. Упрощенная структурная схема электронно-лучевого осциллографа представлена на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема электронно-лучевого осциллографа: Д – делитель напряжения; УВО – усилитель вертикального отклонения; УГО – усилитель горизонтального отклонения; БС – блок синхронизации; ГР – генератор развертки; ОП Y – вертикально отклоняющие пластины; ОП X – горизонтально отклоняющие пластины.

Делитель напряжения, усилители вертикального и горизонтального отклонения обеспечивают возможность исследовать сигналы различной величины (от милливольт до сотен вольт). Генератор развертки вырабатывает периодическое линейно изменяющееся (пилообразное) напряжение. Блок синхронизации служит для управления генератором развертки и обеспечивает выполнение условия: ТР/Т = N.