Электронный вольтметр переменного тока

Содержание

Техническое задание

Разработать электронный вольтметр  переменного тока действующих значений, обеспечивающий измерение напряжения в заданном диапазоне со следующими характеристиками (параметрами):

Диапазон измерения, В:	10-3 – 300;
Диапазон частот, МГц:	2*10-5 – 1,0;
Входное сопротивление, не менее, МОм:	2.0;
Входная ёмкость, не более, пФ:	25;
Основная погрешность, %:	2;
Рабочий диапазон температур, оС:	10 – 40;
Напряжение питания, В:	220 ± 10 %.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Введение

Для измерения напряжения широко применяются электронные вольтметры, которые представляют собой сочетание электронного преобразователя, выполненного на полупроводниковых элементах и (или) интегральных микросхемах, и средствах отображения и возможно, регистрации информации.

Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью, малым собственным потреблением и большим входным импедансом, используются в широком диапазоне частот  –  от постоянного тока до частот порядка сотен мегагерц. Электронные вольтметры могут обеспечивать более высокую точность измерения малых напряжений в высокоомных цепях и цепях на повышенных частотах по сравнению с приборами других систем. Важным преимуществом этих вольтметров является их универсальность. Электронные вольтметры выпускаются для измерения постоянных, переменных и импульсных напряжений в широкой или узкой полосе частот, они могут измерять амплитудные, средние и действующие значения напряжений.

Несмотря на присущие недостатки (высокая стоимость, относительная  сложность настройки) аналоговые электронные вольтметры на сегодня являются одним из самых распространенных средств измерения напряжений.

В данной курсовой работе будет разработан показывающий электронный вольтметр  с показывающим устройством типа  магнитоэлектрического микроамперметра.

1. Выбор и обоснование схемы прибора

Электронные вольтметры переменного  тока представляют собой сочетание  выпрямляющего устройства (детектора), усилителя, измерительного механизма  и выполняются по двум схемам:

1. “Детектор – Усилитель постоянного тока”.

Рис. 2.1

 

Данная схема имеет  широкую область частот измеряемых напряжений с верхней границей порядка 0.5 – 1 ГГц, но обладает меньшей точностью и чувствительностью, чем электронные вольтметры, выполненные по второй схеме.

2. “Усилитель – Детектор”.

Рис. 2.2

 

Данная схема имеет  более высокую чувствительность, нижний предел измерения порядка 1 мВ, класс точности порядка 1.5 – 2.5, но меньший диапазон частот измеряемых напряжений, верхняя граница частот не превышает 5 – 10 МГц.

Исходя из технического задания, выбираем вторую схему. Общая  структурная схема проектируемого вольтметра представлена на рис. 2.3. Данная схема используется потому, что применение обратных связей, охватывающих несколько блоков, усложняет расчёт и настройку прибора.

 

Рис. 2.3

 

Первые четыре элемента, представленные на рис. 2.3, образуют масштабный преобразователь, следующие три – преобразователь действующих значений, а последний – измерительный механизм (ИМ).

Из-за сложности конструирования многопредельного входного высокоомного делителя и для получения требуемого входного сопротивления прибора и точности измерения, входной блок прибора строят на основе одноступенчатого входного делителя, повторителя напряжения и многоступенчатого низкоомного делителя (аттенюатора).

ВД – входной делитель. Представляет собой пассивный одноступенчатый  делитель. Состоит из высокоомных  сопротивлений, чтобы переключения ВД не сильно изменяли входное сопротивление  прибора и корректирующих конденсаторов, чтобы коэффициент деления не зависел от частоты.

ПИ – преобразователь импеданса. Реализован на операционном усилителе  КР140УД26 с полной обратной связью и представляет собой повторитель напряжения. Предназначен для согласования сопротивлений входного делителя и аттенюатора.

Атт. – аттенюатор. Осуществляет реализацию нескольких пределов измерения путем  деления входной величины на разные коэффициенты. Строится таким образом, чтобы его выходное сопротивление  не было в зависимости от предела  измерения.

У – однопредельный активный усилитель с постоянным коэффициентом преобразования. Должен обладать малым дрейфом нуля, низким порогом чувствительности, большим диапазоном частот пропускания. Предназначен для получения необходимого коэффициента усиления. Для усиления только переменной составляющей тока перед усилителем необходимо расположить разделительную цепь, которая устранит постоянную составляющую тока.

Преобразователь действующих значений (ПДЗ) предназначен для преобразования переменного тока в постоянный. Может быть реализован двумя способами: с использованием логарифмирующих и антилогарифмирующих устройств; с помощью нелинейных преобразователей с квадратичной характеристикой и устройства, извлекающего квадратный корень. При использовании первого способа преобразователь получается достаточно сложным и имеет небольшую точность преобразования. Структура ПДЗ состоит из следующих трёх блоков:

Кв. ФП – квадратирующий функциональный преобразователь.

УУ – усредняющее устройство.

ФП ИК – функциональный преобразователь, реализующий извлечение квадратного корня.

В данном проекте ПДЗ выполнен на квадратичном преобразователе, основанном на множительно-делительном устройстве на управляемых проводимостях. На входе  такого квадратичного преобразователя  нет необходимости использовать устройство выделения модуля.

 

2 Расчет общих параметров прибора

 

По техническому заданию  диапазон измерения напряжения разрабатываемого электронного вольтметра 1мВ…300В. Примем основной предел измерений 10В. Определим количество пределов измерения, коэффициент деления делителя напряжения, число ступеней аттенюатора и коэффициенты затухания аттенюатора.

Соотношение номинальных  напряжений двух смежных пределов измерений  выбираем равным [1]. Получим 12 пределов измерения:

 

Таблица 1 Пределы измерения напряжения ЭВ

№ предела	Диапазон, мВ	№ предела	Диапазон, В
1	0 – 1	7	0 – 1
2	0 – 3.16	8	0 – 3.16
3	0 – 10	9	0 – 10
4	0 – 31.6	10	0 – 31.6
5	0 – 100	11	0 – 100
6	0 – 316	12	0 – 316

 

Исходя из установленных  пределов измерения электронного вольтметра видно [1], что целесообразно использовать входной делитель с двумя положениями и шестиступенчатый аттенюатор.

Входной делитель должен имееть два коэффициента деления: 1 при значениях входного сигнала от 0 до 316 мВ и 1*10^-3 при значениях от 0 В до 316 В.

Коэффициент затухания i-го четырехполюсника K_i определяется как отношение его выходного напряжения U_i  к входному U_i+1:

,        (2.1)

Напряжения U_i  на ступенях затухания аттенюатора должны быть равны:

U₁ = 1 мВ; U₂ = 3.16 мВ; U₃ = 10 мВ; U₄ = 31.6 мВ; U₅ = 100 мВ; U₆ = 316 мВ.

В соответствии с уравнением (2.1) коэффициенты затухания аттенюатора должны быть равны: .

3. Расчет элементов и узлов прибора

3.1Расчет входного делителя

 

Для изменения пределов измерения ЭВ ставится входной делитель напряжения. Делитель не должен снижать входное сопротивление прибора, заданного ТЗ не менее 2 МОм. Поэтому эквивалентное сопротивление делителя должно быть также не меньше 2 МОм.

В разделе 2 был обоснован выбор одноступенчатого делителя с  коэффициентом деления K=0.001,  т.е. входной делитель производит разделение на вольты “В” и милливольты “мВ”.

Рисунок 3.1.1  - Входной делитель напряжения

 

Коэффициент деления входного делителя определяется формулой [1]:

,      (3.1.1)

где - выходное напряжение делителя в первом положении переключателя SA1.1, - выходное напряжение во втором положении переключателя SA1.1, R_П – входное сопротивление преобразователя импеданса.

 

Если  R_П  >> (R2+R3) то, коэффициент деления определяется следующей формулой:

,       (3.1.2)

Полное сопротивление  делителя и входное сопротивление преобразователя импеданса R_П  должны быть подобраны таким образом, чтобы выполнялось неравенство:

,       (3.1.3)

,       (3.1.4)

 

Зададим входное сопротивление  повторителя  R_П  =20 МОм (расчеты см. в разделе 3.2). Зная R_П  и требуемое входное сопротивление электронного вольтметра R_вх =2 МОм, можно найти R_Д по формуле 3.1.3:

 МОм,    (3.1.5)

Выберем ближайшее значение из ряда номинальных значений сопротивлений  Е96 равное 1,82 МОм.

По формулам (3.1.2) и (3.1.4) рассчитываем номиналы резисторов делителя:

 Ом,    (3.1.6)

 Ом,   (3.1.7)

Выберем ближайшее значение R1 из ряда номинальных значений сопротивлений Е96 равное 1,82 МОм.

           При работе делителя напряжения из активных сопротивлений на переменном токе, коэффициент деления зависит от частоты в результате шунтирования сопротивлений паразитными ёмкостями [1]. Для устранения этой зависимости необходимо осуществить частотную коррекцию путём шунтирования сопротивлений делителя ёмкостями C₁ и C₂. При этом:

,        (3.1.7)

где C_2П = C₂ + C_П; C_П – входная ёмкость повторителя. C_П » 2пФ (приложение А).

Ёмкость конденсатора C₁, в основном, определяет входную ёмкость электронного вольтметра C_вх. Приняв C₁ » C_вх, получим, что C₁ = 20 пФ. Конденсатор C₁ подстроечный, поэтому условие, заданное в техническом задании о значении входной ёмкости, выполнимо.

Исходя из условия (3.1.7), получим значение C₂:

[нФ],

 

Из справочника [1] выбираем резисторы:

R1 типа С2-29В-0,125Вт-1,82 МОм±0,5% (из ряда Е96);

R2 типа С2-29В-0,125-1 кОм±0,5% (из ряда Е96);

R3 типа РП1-85А-0,5-1 кОм±10% (из ряда Е6).

Из справочника [1] выбираем:

С1 типа КТ4-25-М75-250В-20 пФ±(0,15С+0,1) (из ряда Е24);

С2 типа К10-47в-Н30-250В-0,022 мкФ±20% (из ряда Е24) ;

С7 типа TZB4P300BA10-30пФ[приложение В].

Ограничительные диоды VD1 и VD2 предназначены для защиты преобразователя импеданса от перегрузки по напряжению. В качестве диодов используются Д311 (приложение А), прямое падение напряжения на которых составляет 0.4 В.

   

2. Расчет преобразователя импеданса

 

Преобразователь импеданса повторитель  необходим для обеспечения заданного  входного сопротивления схемы и  согласования высокого входного сопротивления прибора с низким входным сопротивлением аттенюатора.

 

Рисунок 3.2.1 – Преобразователь импеданса

 

Выбираем инвертирующую  схему включения операционного  усилителя (ОУ). По ТЗ R_вх должен быть не менее 2 МОм, и рассчитанное в разделе 3.1 входное сопротивление преобразователя импеданса должно быть не менее 2 МОм. Входное сопротивление данной схемы определяется номиналом резистора R4, а коэффициент усиления должен быть равен 1.

_,       (3.2.1)

Исходя из этих соображений, принимаем R4=R5=2 МОм.  Для уменьшения погрешностей вызванных нестабильностью входных токов ставим резистор R6= (R5* R4)/( R5+ R4)= (2* 2)/( 2+ 2)=1 МОм.

Разделительный конденсатор С3 находится в схеме, чтобы устранить  постоянную составляющую сигнала. Его емкость рассчитывается по следующим формулам:

_{,   (3.2.2)}

где  R_ВЫХ(i), R_ВХ(i+1) - выходные и входные сопротивления разделяемых блоков,   M_N=1.1.

Рассчитаем номинал конденсатора C3:

_,(3.2.3)

Для защиты ОУ от выгорания на входе повторителя стоят включенные встречно-параллельно диоды VD1,VD2. Максимальное входное напряжение для выбранного ОУ при питании ±15В равно ±12В (см. приложение A). Поэтому тип диодов выбираем КД212Б со следующими характеристиками: U_ПР=1В, U_{ОБР МАХ}=350 В. В нормальном режиме работы диоды заперты (уровень входного сигнал до ± 1 мВ), а при превышении уровня входного сигнала выше ± 1 В, диоды откроются, т.е. сработает защита. Это защитит ОУ от случайных высоких входных сигналов, и сама защиты на выйдет из строя при подачи сигналов до 350 В.

Из справочника [1] выбираем резисторы:

R4, R5: С2-29В-0,125Вт-2 МОм±0,5% (из ряда Е96);

R6: С2-29В-0,125Вт-1 МОм±0,5% (из ряда Е96);

R7*: РП1-85А-0,5-10 кОм ± 10% (из ряда Е6),

С3: К10-51-350В-36 нФ ± 10% М750(из ряда Е24).

ОУ выбираем К140УД26А

3.4  Аттенюатор

 

Аттенюатор – это набор однотипных ячеек, представляющих собой симметричные четырехполюсники П– и Т–типов [1]. Равенство и постоянство входных  и выходных сопротивлений ячеек  аттенюаторов облегчает согласование звеньев канала, через которые проходит преобразуемый сигнал.

Особенностью аттенюаторов является то, что вне зависимости  положения его переключателя, его  входное и выходное сопротивления  постоянны и равны R0.