Электронный вольтметр переменного тока

Нестабильность сопротивлений  приводит к погрешности коэффициента деления делителя. Относительная погрешность коэффициента деления при изменении сопротивлений находится как:

,                                    (4.1.1)

где R₁,R₂ – номинальные значения резисторов делителя,

                     (4.1.2)

δ_R1, δ_R2 – значения допусков резисторов.

Пользуясь формулой (4.1.2) находим:

;

Следовательно, из (4.1.1) получим:

.

Данная погрешность  устраняется с помощью подстроечного резистора R₃ и её можно не учитывать.

2. Расчет погрешности преобразователя импеданса

а) Погрешность, обусловленная  нестабильностью коэффициента усиления ОУ:

,                                           (4.2.1)

где – средний коэффициент усиления;

β – коэффициент передачи цепи ООС и β=1.

Из справочника  . Тогда .

Тогда погрешность γ_К найдем по формуле (4.2.1):

б) Погрешность, вызванная наличием e_см:

.                                         (4.2.2)

Тогда по формуле (4.2.2) получим: .

в) Погрешность от наличия разности входных токов:

.                                            (4.2.3)

Поскольку Rвх=∞, Rос=0 для данного подключения, то при данных сопротивлениях погрешнотсь стремится к 0.

Суммарная погрешность  преобразователя импеданса:

,                                  (4.2.4)

или

3. Расчет погрешности аттенюатора

Относительная погрешность j-го звена определяется по формуле:

, (4.3.1)

где  – суммарная относительная погрешность резистора R_i;

 – суммарная относительная  погрешность резистора R_i+1;

δ_iр, δ_(i+1)р – относительная погрешность, возникающая в результате несовпадения расчетного и номинального значений соответственно резисторов R_iр, R_(i+1)р;

δ_iн, δ_(i+1)н – допускаемые отклонения номинальных сопротивлений резисторов R_iн, R_(i+1)н.

Абсолютные величины относительной погрешности, возникающей  в результате несовпадения расчетного и номинального значений резисторов R_i и R_i+1, находятся по формулам:

, (4.3.2)

, (4.3.3)

где  – абсолютное значение погрешности сопротивления R_i;

 – абсолютное значение погрешности сопротивления R_i+1;

R_iр, R_(i+1)р – расчетные значения сопротивлений резисторов R_i, R_i+1;

R_iн, R_(i+1)н – номинальные значения сопротивлений резисторов R_i, R_i+1.

Определим суммарные  погрешности резисторов:

, (4.3.4)

, (4.3.5)

. (4.3.6)

Определим относительные погрешности для каждого звена:

, (4.3.7)

 (4.3.8)

Относительная погрешность  аттенюатора равна:

. (4.3.9)

4. Расчет погрешности ПДЗ

Для квадратичных преобразователей характерно, что коэффициент усиления транзисторов VT1 и VT2 существенно не изменяется в рабочем диапазоне частот вольтметра. Дрейф нуля операционных усилителей составляет 0.5 мкВ/град, коэффициент усиления изменяется в рабочей полосе частот на 10 %.

Для аналогового перемножителя погрешность преобразования составляет 1.0 %.

Суммарное значение погрешности  ПДЗ, в котором учтены составляющие, вносимые активными интегральными  компонентами, составляет 1.12 %.

5. Расчет погрешности усилителя

Рассчитаем погрешность  усилителя DA2:

а) Погрешность, обусловленная нестабильностью коэффициента усиления ОУ:

,                                           (4.5.1)

где – средний коэффициент усиления;

- коэффициент передачи цепи  ООС, учитывающий конечное значение R_вх.                                         (4.5.2)

Из справочника  . Тогда .

А по формуле (4.5.2): . Тогда погрешность γ_К найдем по формуле (4.5.1):

б)  Погрешность, обусловленная  нестабильностью входного сопротивления  ОУ:

                                      (4.5.3)

Тогда по формуле: .

в) Погрешность, обусловленная непостоянством сопротивления резисторов: 

.                                    (4.5.4)

Тогда по формуле: .

Расчетное и номинальное  значение резистора R₁₆, не отличается, поэтому значение величин γ_R16 равно нулю.

г) Погрешность, вызванная  наличием e_см:

.                                         (4.5.5)

Тогда по формуле (4.5.5) получим: .

д) Погрешность от наличия  разности входных токов:

.                                            (4.5.6)

Подставляя значения в формулу (4.5.6) получим: .

Суммарная погрешность  усилителя DA2:

,                                  (4.5.7)

или

Относительная погрешность 2-го усилительного каскада на DA3 вычисляется аналогично. В итоге получается: Таким образом, относительная погрешность всего усилителя равна γ_У = 0,273%.

6. Расчет основной погрешности прибора

Основная погрешность прибора вычисляется по формуле:

 (4.6.1)

Полученное значение основной погрешности соответствует  требованиям технического задания (не более 2 %).

5. Описание спроектированного прибора

Электронный вольтметр  действующего значения переменного тока является переносным электроизмерительным прибором, предназначенным для измерения действующего значения переменного напряжения со следующими характеристиками:

1. Диапазон измерения: 1 мВ – 300 В;
2. Диапазон частот: 20 Гц – 1 МГц;
3. Входное сопротивление: не менее 2 МОм;
4. Входная емкость: не более 25 пФ;
5. Основная погрешность: 2 %.

В качестве электроизмерительного прибора в электронном вольтметре применяется микроамперметр М2027-М1 магнитоэлектрической системы со стрелочным указателем с подвижной частью на растяжках, с антипараллаксным устройством, с током полного отклонения 100 мкА и имеющий две шкалы: 0…10 и 0…31.6.

Расширение диапазонов измерения достигается за счет использования  делителя, аттенюатора и электронного усилителя.

Питание вольтметра производится от сети переменного тока 220 В 50 Гц.

Вольтметр предназначен для работы при температуре окружающей среды от 10˚С до 40˚С.

Рабочее положение прибора  – горизонтальное.

Ручка переключателя диапазонов измерений, выключатель сети и входное гнездо выведены на переднюю панель прибора.

Вольтметр является законченной  конструкцией. Все основные блоки  прибора размещены в прямоугольном  металлическом корпусе.

При эксплуатации прибора  необходимо соблюдать следующие  требования:

1. Перед проведением измерений включить вольтметр в сеть и прогревать в течение 10 – 15 минут;
2. Перед началом измерений убедиться, что стрелка измерителя покоится на левой крайней отметке шкалы;
3. Начинать измерения рекомендуется с верхних пределов измерения, лишь затем при необходимости переходить на нижние ступени аттенюатора.

Не реже одного раза в  шесть месяцев рекомендуется  поверять прибор в соответствии с  инструкцией 184-62 “Поверка амперметров, вольтметров, ваттметров, вариометров”.

Принципиальная схема  вольтметра приведена на чертеже  Э3.

6. Выводы по результатам проектирования

В данном курсовом проекте  был разработан электронный вольтметр  переменного тока действующего значения, удовлетворяющий следующим требованиям  технического задания:

1. Диапазон измерения: 1 мВ – 300 В;
2. Диапазон частот: 20 Гц – 1 МГц;
3. Входное сопротивление: не менее 2 МОм;
4. Входная емкость: не более 25 пФ;
5. Основная погрешность: 2 %.
6. Рабочий диапазон температур: 10 - 40 ˚С;
7. Напряжение питания: 220 В ± 10 %.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  литературы:

 

1. Аксенов А.И., Нефедов А.В. Резисторы, конденсаторы, провода, припои, флюсы. Справочное пособие. – М.: “Солон-Р”, 2000 г.
2. Аналоговые измерительные устройства: Учебное пособие/В. Г. Гусев, А. В. Мулик. - Уфа: УГАТУ, 1996. - 147с.
3. Аналоговые и цифровые интегральные схемы: Справочное пособие/ С. В. Якубовский, Н. А. Баранов, Л. И. Ниссельсон; под ред. С. В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1985. – 432 с.
4. Аналоговые измерительные приборы: Учебное пособие для вузов/ Е. Г. Бишард, Е. А. Киселева, Г. П. Лебедев и др. – М.: Высшая школа, 1991. – 415 с.
5. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника: Учеб. Пособие для приборостроит. спец. вузов. – М.: Высшая школа, 1991. – 622 с.
6. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.:Энергоатомиздат, 1988. – 304 с.
7. Интегральные схемы: Операционные усилители. Том 1. – М.: Физматлит, 1993. – 240 с.
8. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов/Б. Я. Авдеев, Е. М. Душин и др. – Л.: Энергоатомиздат, 1987. – 480 с.
9. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник / А.В. Баюков, А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев и др. – М.: Энергоатомиздат, 1983 г.
10. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА: Справочник / Э. Т. Романычева, А. К. Иванова, А. С. Куликов и др.; под ред. Э. Т. Романычевой.- М.: Радио и связь, 1989. – 448 с.

11. Каталог фирмы “ЧИП Индустрия”. 2003 г. www.chipindustry.ru.

 

 

 

 

1. Справочные данные

 

Параметры диода Д311.

 
           Диоды германиевые, мезадиффузионные, импульсные. Предназначены для применения в импульсных устройствах.  Выпускаются в металлостеклянном корпусе с гибкими выводами. Тип диода и схема соединения электродов с выводами приводится на корпусе. Масса диода не более 0,6 г.

Электрические параметры 
Постоянное прямое напряжение при I_пр = 10 мА не более: 
при Т = +25 ... +70 °С . . . . . . . . 0,4 В 
при Т = -60 °С . . . . . ………. . . 0,7 В 
Импульсное прямое напряжение при I_{пр. и.} = 50 мА не более: 
Д311 . . . . . . . . . 1,25 В 
Д311А . . . . . . . . . 1 В 
Постоянный обратный ток при U_обр = 30 В не более: 
при Т = -60 ... +25 °С . . . . . . . . 100 мкА 
при Т = +70 °С ……. . . .. . . ... . 1000 мкА 
Время обратного восстановления при I_{пр. и.} = 50мА,I_пр. = 1мА,U_{обр. и.} = 10В не более 0,05 мкс 
Общая емкость диода при U_обр = 5 В не более: 1,5 пФ 
          Предельные эксплуатационные данные 
Постоянное обратное напряжение . . . . . . . . 30 В 
Постоянный или средний прямой ток: 
Д311 при Т = -60 ... +35 °С . . . . . . . . 40 мА 
Д311А при Т = -60 ... +35 °С . . . . . . . 80 мА 
Д311,Д311А при Т = +70 °С . . . . . . . 20 мА 
Импульсный прямой ток при τ_и < 10 мкс: 
Д311 при Т = -60 ... +35 °С . . . . . . . . 500 мА 
Д311А при Т = -60 ... +35 °С . . . . . . . 600 мА 
Д311 при Т = +70 °С . . . . . . . . 250 мА 
Д311А при Т = +70 °С . . . . . . . 300 мА 
Диапазон рабочих температур окружающей среды . . . . . . . от -60 до +70 °С

 

 

 

 

Описание измерительного механизма М2027-М1.

Измерительный механизм представляет собой прибор общетехнического назначения постоянного тока типа М2027-М1, электроизмерительный прибор магнитоэлектрической системы со стрелочным указателем с подвижной частью на растяжках и с антипараллаксным устройством.

Применяется для измерения  постоянного тока стационарных, переносных устройств, эксплуатируемых в различных  областях промышленности, науки и техники в качестве показывающих приборов.

По устойчивости к  климатическим воздействиям соответствуют  ГОСТ 22261-76 (группа 5).

Изготавливаются с нулевой  отметкой на краю диапазона измерения  и имеют следующие технические  характеристики:

Диапазон измерения: 0…100 мкА;

Класс точности: 1.0;

Внутреннее сопротивление: не более 3 кОм;

Длина шкалы: 100 мм;

Время успокоения подвижной  части: не более 3 с;

Габаритные размеры: 120 х 105 х 75 мм;

Масса: 0.5 кг;

Наработка на отказ: не менее 27500 ч;

Средний срок службы: не менее 6 лет;