Электронный вольтметр переменного тока действующих значений (стр. 2 из 5)

Рис. 3.2

Ёмкость разделительного конденсатора C₃ можно рассчитать по формуле:

. (3.2.1)

Согласно техническому заданию, нижняя граничная частота электронного вольтметра составляет 20 Гц, входное сопротивление ОУ КР140УД26 составляет 1 ГОм, следовательно

[пФ].(3.2.2)

R4: РП1-85А-0.5-10 кОм ± 10%

С3: К71-6-300В-390 пФ ± 10%

1.3 Расчет аттенюатора

Аттенюатор – это набор однотипных ячеек, представляющих собой симметричные четырехполюсники П- и Т-типов. Равенство и постоянство входных и выходных сопротивлений ячеек аттенюаторов облегчает согласование звеньев канала, через которые проходит преобразуемый сигнал. Затухание (коэффициент деления) в аттенюаторах можно изменять либо изменяя количество включенных ячеек (аттенюаторы с постоянными параметрами звеньев), либо изменяя параметры входящих в ячейки элементов (аттенюаторы с переменными параметрами звеньев).

Рис. 3.3

В электронных вольтметрах, как правило, применяются аттенюаторы с постоянными параметрами звеньев, в качестве которых используются П-образные четырёхполюсники.

Рис 3.4

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

. (3.3.1)

Коэффициент затухания K аттенюатора равен произведению коэффициентов затухания четырёхполюсников:

, (3.3.2)

где n – число четырёхполюсников.

Значение коэффициента затухания i-го звена K_i находится как:

. (3.3.3)

Сопротивление части схемы, находящейся слева от точки 1, согласно теории аттенюаторов, равно R₀:

. (3.3.4)

Решая совместно полученные уравнения, получим:

, (3.3.5)

. (3.3.6)

Если аттенюатор должен работать на нагрузку R_н, сопротивление которой не бесконечно велико, принимают верным равенство R₀ = R_н.

Диапазон измерения напряжения разрабатываемого электронного вольтметра от 1 мВ до 300 В. Определим количество пределов измерения, число ступеней и коэффициенты затухания аттенюатора.

Соотношение номинальных напряжений двух смежных пределов измерений выбираем равным

.

Получим 12 пределов измерения:

№ 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 и коэффициента деления входного делителя, напряжения на ступенях затухания аттенюатора U_i будут соответственно 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 (3.3.1),

.(3.3.7)

Тогда из формул (3.3.5) и (3.3.6):

;(3.3.8)

.(3.3.9)

Параллельно соединённые сопротивления могут быть заменены одним:

; ; ;

; ; .(3.3.10)

Зная входное сопротивление усилителя и приняв R₀ = R_н = 20 кОм, по формулам (3.3.5) и (3.3.6) определим параметры сопротивлений аттенюатора.

[кОм];(3.3.11)

[кОм];(3.3.12)

[кОм].(3.3.13)

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

Ёмкость разделительного конденсатора C₄ можно рассчитать по формуле:

[нФ] (3.3.14)

Расчетные значения резисторов:

R5, R15: 13.18 кОм

R6, R8, R10, R12, R14: 28.43 кОм

R7, R9, R11, R13: 19.27 кОм

Номинальные значения:

R5, R15: С2-29В-0.25-13.2 кОм ± 0.1%

R6, R8, R10, R12, R14: С2-29В-0.25-28.4 кОм ± 0.1%

R7, R9, R11, R13: С2-29В-0.25-19.3 кОм ± 0.1%

С4: К71-6-300В-390 нФ ± 10%

1.4 Расчет усилителя

Усилитель представляет собой усилитель переменного напряжения, состоящий из двух каскадов, выполненных на ОУ OP37.

Рис 3.5

Коэффициент усиления выбирается исходя из максимального значения величины входного напряжения и величины тока максимального отклонения стрелки измерительного механизма.

В разрабатываемом устройстве применяется измерительный механизм типа М2027-М1, описание которого находится в Приложении А. Данный прибор имеет внутреннее сопротивление 3 кОм и ток полного отклонения стрелки 100 мкА.

Для уменьшения влияния температуры последовательно с ним ставится добавочное сопротивление, номинал которого в 5…10 раз больше внутреннего сопротивления. Принимаем R_доб = 15 кОм.

Для полного отклонения стрелки измерительного механизма необходимо приложить напряжение, вычисляемое по формуле:

[В].(3.4.1)

Максимальное напряжение, поступающее на вход усилителя равно 1 мВ, тогда общий коэффициент усиления равен 1800. Принимаем коэффициент усиления первого каскада К₁ = 40, а коэффициент усиления второго каскада К₂ = 45. Примем R₁₆ и R₂₀ равными 20 кОм. Тогда

R₁₇ = K₁∙R₁₇ = 40∙20 = 800 [кОм]. (3.4.2)

R₂₁ = K₂∙R₂₀ = 45∙20 = 900 [кОм]. (3.4.3)

Номиналы резисторов R₁₈ и R₂₂ вычисляются по формулам:

[кОм].(3.4.4)

[кОм].(3.4.5)

Ёмкость разделительного конденсатора C₅ можно рассчитать по формуле:

[нФ](3.4.6)

R16, R20: С2-29В-0.25-20 кОм ± 0.5%

R17: С2-29В-0.25-806 кОм ± 0.5%

R18: С2-23-0.25-20 кОм ± 10%

R19, R23: РП1-85А-0.5-10 кОм ± 10%

R21: С2-29В-0.25-898 кОм ± 0.5%

R22: С2-23-0.25-20 кОм ± 10%

C5: К71-6-300В-390 нФ ± 10%

1.5 Расчет преобразователя действующих значений (ПДЗ)

Преобразователи действующих значений напряжений могут быть реализованы двумя методами: с использованием логарифмирующих-антилогарифмирующих устройств, но преобразователь получается сложным и невысокоточным; с помощью преобразователей с квадратичной характеристикой и извлекающей квадратный корень. Чаще пользуются вторым методом.

Структурная схема ПДЗ состоит из устройства выделения модуля (УВМ), квадратирующего функционального преобразователя (КФП), усредняющего устройства (УУ) и функционального преобразователя, реализующего извлечение квадратного корня (

).

Рис. 3.6

В качестве УВМ входного напряжения в зависимости от граничных значений частоты могут использоваться активные или пассивные преобразователи средних значений (ПСЗ).

В качестве КФП применяются преимущественно терморезисторные, термоэлектрические преобразователи и функциональные преобразователи с естественной нелинейностью характеристик и кусочно-линейной аппроксимацией параболы.

В качестве УУ могут использоваться активные и пассивные фильтры нижних частот.

В данном проекте КФП выполнено на основе множительно-делительного устройства (МДУ) на управляемых проводимостях. На входе такого КФП нет необходимости использовать УВМ. Схема МДУ приведена на рис. 3.7.

Рис. 3.7

МДУ состоит из усилителя рассогласования на операционном усилителе (ОУ) DA4, двух полевых транзисторов VT1 и VT2, расположенных в одном корпусе, преобразователя напряжение-ток на ОУ DA5, преобразователя ток-напряжение на ОУ DA6 и двух источников питания на U₀ и E.

Модуль напряжения стабилизации стабилитронов 2С156В VD3 и VD4 U_ст = 5.6 В, а ток стабилизации I_ст = 5 мА. Следовательно, номиналы сопротивлений R₂₄ и R₂₅ можно определить по формуле: