Универсальный комбинированный электронный вольтметр

+ Е0

Такие вольтметры предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов в широком диапазоне частот.

mV

2 Калибровка

1 Установка нуля

4 Измерение переменного напряжения

3 Измерение постоянного напряжения

5 Измерение RX

RX

R03

R01

R02

П

М/Э ИМ

Калибровка

Установка нуля

УПТ

Д

V

Множество высокочувствительных шкал

На схеме:

УПТ – это усилитель постоянного тока. К нему подсоединены два (условно) подключённых к нему резистора, предназначенных, один – для установки нуля, другой – для калибровки. П – переключатель с пятью возможными положениями. E₀ - образцовый стабильный источник питания; R_0i – это образцовые сопротивления. В универсальных вольтметрах, называемых также комбинированными, часто присутствует возможность измерения сопротивления R_X (на рисунке присутствует). В зависимости от положения переключателя, прибор занимается либо установкой нуля и калибровкой (подготовка к работе), либо непосредственно измерением переменного и постоянного напряжения (основная функция), либо измерить неизвестное сопротивление R_X (дополнительная функция). Для измерения напряжения на кабельный вход ( ) подаётся либо постоянное напряжение, либо переменное(на разные, разумеется, кабельные входы). Буква Д в квадратике – это детектор, предназначенный для преобразования переменного напряжения в постоянное. А нужен он для того чтобы преобразовать переменный сигнал приходящий к нему на вход в постоянный сигнал для усилителя постоянного тока.

Д

~ =

Детекторы бывают:

Выпрямительные (например, диод) или «среднего значения»

Синхронные (с высокой помехоустойчивостью)

Амплитудные

Действующего значения

В предложенной схеме почти наверняка будет детектор действующего значения.

амплитудный детектор

детектор среднего значения

детектор действующего значения

Работа схемы:

Подготовка к работе:

1^ОЕ положение переключателя – фактическое КЗ (короткое замыкание). Смотрим на самую точную из шкал, проверяя, нуль ли показан на шкале; если не нуль – не забываем что у нас не простой резистор, а реостат и делаем сопротивление таким, чтобы указатель (стрелка? заяц?) показывал нуль.

2^ОЕ положение переключателя – измеряем падение напряжения на образцовом резисторе R₀₂ . Если по самой точной шкале показывает нуль – всё замечательно. Если что-то не так, опять-таки помним про свойства реостата. Можем приступить непосредственно к измерения.

Основное функции прибора:

3^Е положение переключателя – измеряем поданное на кабельный вход переменное напряжение.

4^ОЕ положение переключателя – измеряем конвертированное в постоянное, переменное напряжение, поданное на кабельный вход.

Дополнительные функции прибора:

5^ОЕ положение переключателя: подключаем к клеммам неизвестно, но искомое сопротивление R_X и снимаем падение напряжения на R_X (прям как во втором положении). Падение напряжения будет пропорционально искомому сопротивлению.

Обычно электронные приборы градуируют в действующих значения синусоидального напряжения. Если на вход вольтметра подаётся напряжение, отличное от синусоидального, то возникает погрешность от формы кривой, которую необходимо учитывать (погрешность). К вышенаписанному – пример на следующей странице…

Пример:

Пусть есть электронный вольтметр и сигнал U_X, ему на вход подаваемый.

ЭВ

Градуировка шкалы в синусоидальных

АД

U_X ? U_α действующих значений.

Амплитудный датчик

Пускай на вход подаём два различных по форме сигнала:

а) «Хорошая» синусоида. Погрешности по форме на выходе не будет.

На выходе, при таком входном сигнале, будет присутствовать

б) погрешность от формы, которую необходимо учитывать.

Пускай померили при случае а), там никаких проблем не будет. А в случае б) получили следующие показания:

0 1 2 (В) и так далее

U_α в случае б)

Всегда стремимся узнать неизвестное U_X , то есть действующее значение. Причём точно знаем, что:

где U_MAX – амплитудное значение; K_A –амплитудный коэффициент; U – действующее значение.

Для синусоидального сигнала

Для сигнала типа меандр («сигнал со скважностью 2»)

Для сигнала типа «непонятный»

Амплитудное значение

Но, для последнего случая:

Электронный осциллограф

Электронно-лучевые (электронные) осциллографы предназначены для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов. Возможность наблюдения меняющихся во времени сигналов делает осциллографы чрезвычайно удобными при определении различных амплитудных и временных параметров наблюдаемых сигналов. Важными достоинствами осциллографов являются широкий частотный диапазон, высокая чувствительность и большое входное сопротивление. Всё это обусловило их широкое практическое применение.

В основе работы любых электронных осциллографов лежит преобразование исследуемых сигналов в видимое изображение, получаемое на экране электронно-лучевой трубки.

Обозначения на схеме:

БП – блок питания (для возможности нагрева катода)

Тракт вертикального отклонения (канал вертикального отклонения) или канал Y:

А_Y – аттенюатор или делитель напряжения канала Y

ПУ_Y – предварительный усилитель по каналу Y (для того, чтобы не «испортить сигнал, подаваемый на вход канала Y, к данному блоку предъявляются требования линейности частотных, амплитудных и фазовых характеристик)

ЛЗ – линия задержки (необходима, естественно, для задержки подачи входного сигнала на пластины YY для исключения возможности опережения развёртки (короче, чтобы развёртка запускалась раньше чем сигнал попадёт на пластины отклонении YY))

ОУ_Y – окончательный усилитель по каналу Y (это каскад для симметрирования напряжения относительно нулевой линии (из-за этого выводов у этого блока три, один из которых земля))

Чтобы было на так, , а так

Тракт горизонтального отклонения (канал горизонтального отклонения) или канал X:

БС – блок синхронизации, работающий в трёх режимах:

Внутренняя синхронизация (от канала Y (!))

Синхронизация от сети (частота 50 Гц)

Внешняя синхронизация (подаём сигнал сами)

БР – блок временной развёртки, работающий в двух режимах:

Ждущий режим

Непрерывный режим

ПУ_X – предварительный усилитель по каналу X

ОУ_X – окончательный усилитель по каналу X (то же самое что ОУ_Y , только по X)

А_Y – аттенюатор

Канал X может работать в двух режимах:

Переключатель П3 находится в положении 1 – режим временной развёртки

Переключатель П3 находится в положении 2 – режим измерения сигнала, поданного на вход X

Режим развёртки обычно используется для наблюдения сигнала, поданного на вход Y на экране осциллографа.

Если развёртка выключена, то осциллограф позволяет либо измерять сигналы, поданные на вход X, либо наблюдать функциональные зависимости типа , но для этого необходимо подать сигнал на оба входа: и на вход Y и на вход X.

Канал Z или канал управления яркостью, присутствующий в современных осциллографах, состоит из:

СИП – схема измерения полярности

У_Z – усилитель по каналу Z

Этот канал подключен к сетке-модулятору.

Современные приборы снабжены различными калибраторами, такими как калибратор амплитуды (на схеме - КА), устанавливающий градуированное значение канала Y (проще говоря, масштаб по Y) и калибратор длительности (КД), устанавливающий масштаб по временной оси.

Так же в современных осциллографах на экране присутствует калибровочная сетка, такая:

Все квадраты на сетке идентичны

друг другу. Высота и длина

штриха точно известны.

Работа осциллографа:

Простейшая однолучевая трубка (ЭЛТ) представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух и в котором расположены (смотри рисунок), подогреваемый накалом Н, катод К, сетка (или модулятор) С(М), фокусирующий анод А1, ускоряющий анод А2, две пары взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин YY и XX (вертикальные и горизонтальные пластины). Внутренняя поверхность дна баллона (экран) покрыта люминофором, веществом, способным светиться под действием бомбардировки электронами. Совокупность электродов К, С(М), А1, А2 называют электронной пушкой (ЭП). Конструктивно эти электроды выполнены в виде цилиндров, расположенных по оси трубки. Электронная пушка излучает узкий пучок электронов – электронный луч. Для этого на электроды пушки подают напряжение особым образом. Интенсивность электронного луча регулируется путём изменения отрицательного, относительно катода, напряжения на сетке (модуляторе), что приводит к изменению яркости свечения люминофора. Напряжение («хорошее», большее, положительное напряжение для уменьшения разброса заряженных частиц) на первом аноде фокусирует поток электронов в узкий луч, позволяющий получить на экране трубки светящееся пятно малого радиуса. Для ускорения электронов до скорости, необходимой для свечения люминофора, на второй анод подаётся высокое положительное напряжение (электрон – отрицательная частица; противоположно заряженные частицы притягиваются с высокой скоростью). Сформированный электронный луч проходит между парами отклоняющихся пластин YY и XX и под действием напряжений, приложенных к этим пластинам, отклоняется, соответственно, по осям координат Y и X, вызывая смещение светящегося пятна на экране трубки.

При исследовании быстропротекающих процессов с малой частотой повторения или однократных импульсов электронный луч не успевает возбудить в достаточной мере люминофор, и яркость свечения может оказаться недостаточной. Поэтому в современных электронно-лучевых трубках применяют дополнительное ускорение электронов при помощи третьего анода А3, подавая на него большое положительное напряжение.

Погрешность у осциллографов составляет 6%, что довольно много. Дело в том, что даже простая точка, в сравнении с размерами экрана электронно-лучевой трубки имеет весьма большие габариты. Кстати, размеры экрана современных осциллографов начинаются с семидесяти миллиметров и выше. Тип люминофора определяет цвет свечения экрана. Обычно находят применение трубки с зелёным цветом свечения (как в лаборатории). А, например, для удобства фотографирования изображения с экрана ЭЛТ, применяют трубки с голубым свечением люминофора.

В современных осциллографах применяют также более сложные, в частности, многолучевые трубки для наблюдения сразу двух и более сигналов, трубки с линией бегущей волны для наблюдения сверхвысокочастотных колебаний и др.