Помехозащищенность цифрового вольтметра, страница 10

                                                      .

В течение первого полупериода, соответствующего положительным полуволнам входного напряжения, =-,а в течение второго =0, поэтому выходное напряжение имеет такой же вид как при обычном двухполупериодном выпрямлении (рис. 23,б), а его значение определяется выражением

                                                 .

При подключенном конденсаторе образуется фильтр, который выделяет постоянную составляющую этого напряжения – выходное напряжение постоянного тока U_:

                                         .

Если выбрать , то она будет равна среднему квадратическому значению входного синусоидального напряжения. При больших значениях отношения  преобразователь будет выполнять также и функцию усиления.

Преобразователи среднего квадратического значения

Как видно из (22), для получения среднего квадратического значения периодического напряжения нужно так или иначе выполнить три операции: возведение в квадрат мгновенных значений, усреднение и извлечение квадратного корня. Есть много способов выполнить эти операции, вплоть до применения микро процессов. Остановимся на одном из наиболее простых способов, основанном на применении термообразователей, представляющих собой вакуумный баллончик, внутри которого находятся нагреватель и термопара 9 рис. 24,а). При пропускании постоянного или переменного тока I по нагревателю в нем выделяется тепло, и температура  рабочего спая термопары будет отличаться от температуры  ее свободных концов. На них образуется термо-ЭДС

                                                         .

Если считать  и не учитывать нелинейность функции F, то

                                             

где - коэффициент преобразования; P-мощность, выделяемая в нагревателе; r – его сопротивление.

В схеме, показанной на рис. 24,б применено два одинаковых термообразователя  и . По нагревателю  протекает переменный ток – выходной ток I~ операционного усилителя , а по нагревателю  → постоянный ток – выходной ток I_ операционного усилителя . При

больших коэффициентах усиления  и  можно считать, что среднее квадратическое значение входного напряжения U=I~ и что термо-ЭДС . При идентичных  и  это означает, что I_=I~. Ток I_ создает выходное напряжение . Выбрав , получим U_=U, т.е. выходное напряжение  постоянного тока равно среднему квадратическому значению входного переменного напряжения независимо от его формы. При  рассмотренный преобразователь будет выполнять также и функции усиления.

Если, наоборот, измеряемое напряжение велико. То перед преобразователем должен быть установлен делитель напряжения (это относится к преобразователям среднего выпрямленного значения). Могут применяться резисторные, конденсаторные и индуктивные делители. В последних используют сердечники из материалов с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями. Такие делители позволяют получать весьма высокую точность и стабильность коэффициента деления на один - два порядка  выше по сравнению с резисторными делителями (до %). Если ЦВ предназначается для измерения и переменного напряжения, то обычно применяется один общий частотно-компенсированный делитель. Для простоты на рис. 25 такой делитель показан состоящим всего из двух секций (ср. со схемой на рис. 21). если с помощью подстроенного конденсатора  обеспечено условие

                                              ,               

то этим достигается почти полная независимость коэффициента деления от частоты измеряемого напряжения.

Преобразователи сопротивления в напряжение постоянного тока

Напряжение постоянного тока U_ будет прямо пропорционально измеряемому сопротивлению R, если по нему пропускать ток от опорного источника тока (рис 26,а). Но идеальных источников тока не существует.

В схеме на рис. 26,б зависимость U_ от R нелинейна. При >>R эта нелинейность мала и схема приближается к идеальному источнику тока , но при этом U_<<, т.е. для получения приемлемых значений U_ нужна очень большая ЭДС .

Этого недостатка лишена схема с использованием операционного усилителя ОУ (рис. 26,в). Она эквивалентна источнику тока , близкому  к идеальному.

Входной ток операционного усилителя ограничивает сверху диапазон измерения R. Если, например,  нА и погрешность, вносимая , не должна превышать 0,1%, но ток  должен быть выбран из условия = 1 мкА. Если при этом зона линейности выходного напряжения составляет  В, то *=10 МОм.

Снизу диапазон измерения ограничен влиянием соединительных проводов ( и  на рис. 26,в). В преобразователе на рис. 26, в применена двухпроводная система подключения R. Если ==, то относительная погрешность от влияния проводов будет . В этом смысле для малых R существенное преимущество имеет четырехпроходная схема подключения R (рис. 26,г). В этой схеме практически влияет на погрешность измерения только сопротивление  провода, присоединенного к одному из двух токовых зажимов измеряемого сопротивления R. Для номинального значения  регулируемого резистором  можно обеспечить . Тогда погрешность будут вносить отклонения  от этого номинального значения. Легко показать, что относительная погрешность от определяется выражением

                                              .              

Сопротивления  и  проводов, присоединенных  к потенциальным зажимам R, практически не влияют, потому что они включены последовательно с очень большим сопротивлениями: - с входным сопротивлением ОУ, а - с входным сопротивлением последующего устройства – обычно усилителя. Сопротивление  провода, присоединенного ко второму токовому зажиму R, тоже практически не влияет, потому что оно входит в прямой такт, а не в цепь ООС.