Вольтметр средних значений

определяется  равенством нулю суммы моментов, действующих  на подвижную часть. 

     2. Выбор метода измерения

     Из  рассмотренных методов наиболее простым  на широком диапазоне частот является преобразователь средних значений (ПСЗ). Переменное напряжение преобразуется в постоянное. Такие вольтметры имеют широкий диапазон измерения: от 1мВ и до 1000 В. При этом основная погрешность приходится на ПСЗ. 

3.Структурная  схема вольтметра переменного тока

П-повторитель

Д-делитель

У-усилитель

ПСЗ-преобразователь  средних значений

МЭВ-магнито-электрический  вольтметр

4.Градуировка

На входе 1 и 100 мВ,а на выходе 100 делений, тогда общие коэффициенты преобразования определяются из уравнений преобразований

              
 

Распределим коэффициенты для первого предела:

1. Повторитель: K_П = 1; ;

2. УПТ: ; ;

3. ПСЗ:  ; γпсз =

4.Магнитоэлектрический  вольтметр 

; ;

Распределим коэффициенты для второго предела:

1. Повторитель: K_П = 1; ;

2. Входной делитель: ; ;

3. УПТ: ; ;

4. ПСЗ:  ; γпсз =

5.Магнитоэлектрический  вольтметр 

; ;

 
 
 
 
 

4.Выбор и расчет элементов принципиальной схемы.

1) Повторитель.

ПОВТОРИТЕЛЬ  - усилитель электрических колебаний, охваченный т. н. 100%-ной отрицательной обратной связью, в к-ром выходное напряжение полностью подаётся на вход в противофазе со входным напряжением. Обладает усилением по току и мощности. Обратная связь обеспечивает высокое входное и низкое выходное сопротивление , а также снижает искажения сигнала, обусловленные нелинейностью усилительного прибора.

Требования:

Kп=1

Rвх=1Мом

fmin=20Гц

fmax=200кГц

В качестве ОУ возьмем ОУ К140УД17, электрические параметры которого:

К_У=1, R_Н=2 кОм, Е+/- =3÷18 В

Рис.11 ОУ К140УД17

Рис.12 Принципиальная схема повторителя 
 

2) Резистивный делитель.

   Делитель  напряжения — устройство для пропорционального уменьшения постоянного или переменного напряжения.

   Требования:

;

;

;

;

.

   Теоретически  определим необходимые номиналы резисторов для расчета данной схемы, определим коэффициенты передачи.

   Выбираем  входное сопротивление R_вх равное 1 МОм. Рассчитаем резисторы  R₁ и R₂: 

   Дано:

                      Рис.13 Принципиальная схема делителя напряжения

Коэффициент передачи для предела  :

     Рассчитаем  коэффициент передачи для предела  :

  

, при  ω = 0

  

                
 
 

Выберем номинальные сопротивления из ряда Е192:

           

                                                                                          

                                           

                                                       
 

Рис. 14 Принципиальная схема делителя  напряжения с добавочными емкостями 

Комплексный коэффициент передачи: 

         

где,        

     Коэффициент передачи на переменном токе имеет  частотную погрешность, для того, чтобы избавиться от нее добавим  емкость параллельно резистору  R₂ и рассчитаем ее исходя из условия:

Рассчитаем  добавочную емкость  :

 

 Частотная  погрешность равна нулю   
 

     Расчет  погрешности делителя:

 — допуск резистора.

F —  функция влияния.

Общая погрешность определяется по геометрической сумме:

[%]. 

3) Выбор и расчет усилителя напряжения.

Требования:

Ку=222

Uп=5-15В

Iп=2мкА

fp=1MГц

f1= МГц

Рис.15 Усилитель переменного напряжения 

Для усилителей переменного напряжения необходимы следующие условия:

• высокая частота единичного усиления
• большой коэффициент усиления
• малый входной ток
• высокое быстродействие

Из справочника  выбираем операционный усилитель, который  максимально удовлетворяет поставленным условиям. Этим условиям удовлетворяет ОУ К154УД4.

I_вх>i_вхoy

Возьмем R₃=11 кОм из номинальных значений резисторов, тогда

Kw= +1=

 
 
 
 
 
 
 

4) Преобразователь средних значений.

Требования: 

     Преобразователь средних значений представляет собой  однофазный однополупериодный выпрямитель. В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь в течении полупериода сетевого напряжения.  Данный преобразователь пропускает лишь одну полуволну.

     Функциональная  схема  преобразователей средневыпрямленных значений (ПСЗ) состоит из устройства выделения модуля и усредняющего устройства. Устройства усреднения представляют собой фильтры нижних частот. Роль фильтра часто выполняет измерительный механизм отсчетного устройства.

     Для преобразования переменного напряжения в постоянное используем, преобразователь  средних значений, схема которого приведена ниже: 

Выберем диод:  D223Б

Uпр = 1 B    Uобр = 50 B

Iпр = 50мA   Iобр = 1 мкA

          Рис.16 Принципиальная схема ПСЗ 

Найдем прямое и обратное сопротивления диода: 

 

Рассчитаем сопротивление  нагрузки: 

 

 

     Расчет  погрешности ПСЗ:

γпсз = ; 

γпсз =

5) Магнитоэлектрический вольтметр.

Дано:

r₀=100Ом

I_п=100мкА

α=100дел

γ_МЭВ=0,5% 

Рис.17 Принципиальная схема измерительного механизма

U_в=99,9м В

Найдем значение Rd

;

=> Rд= =9.9 кОм

Rмэв = 9,88кОм

Выбираем резисторы  которые имеют погрешность не более 0.5% из Е192 - ряда 

 
 
 
 
 

6 Принципиальная схема прибора.

Рис.18 Магнитоэлектрический вольтметр. 

7 Установим класс точности прибора.

 

Выбираем из ряда класс точности 1.0.

 

     

8.Блок  питания.

         Источник питания необходим на ±5 В, ±15В.

        Рис.6 Принципиальная схема блока питания 

1.Диодный мост состоит из диодов Д220 с параметрами: 

 

2.В качестве фильтра используем конденсаторы К50-6 1000мкФx25В.

3.Рассчитываем потребляемую мощность всего прибора:

Мощность  по каждому источнику суммируется и получается P_{НАГРУЗКИ} стабилизатора:

       P_потр= P_н= I₁U₁+I₂U₂+…+I_nU_n=1Вт

       P_г = 1.6P_н=1.6 Вт

4.Выбираем стабилизатор К142ЕН6 с параметрами:

      U_вых = ±15±0.3 В

      U_{вх max} = ±30 В

       I_{н max} = 0.2 А

       I_потр = ±7.5 мА

       К_ст = 0.002 % /B

       TKU_вых 0.02 % /К

И 2 стабилизатора  К142ЕН5А с параметрами:

      U_вых = 5±0.1 В

      U_{вх max} = 15 В

       I_{н max} = 3 А

       I_потр = 10 мА