Вольтметр ИНИ

 

 Основными недостатками данного прибора служит его ненадёжность и дороговизна. Также к недостаткам  данного прибора относится его значительные габариты, что довольно неудобно для условий домашней лаборатории.

К преимуществам данного  прибора над проектируемым можно отнести возможность автоматической перестройки частоты, на которой измеряется коэффициент гармоник.

 

1.3 Анализ схемы  электрической функциональной

 

Схема электрическая функциональная представлена на ДП100.ТЭМ13.201 Э1.

Проектируемое устройство состоит  из следующих основных функциональных частей:

1. измеритель нелинейных искажений
2. блок управления;
3. блок вольтметра;
4. блок питания.

Под измерителем нелинейных искажений понимают устройство на базе микросхем, которое снимает исходный измеряемый сигнал и, в зависимости  от регулировок блока управления, преобразовывает его в сигнал необходимый для измерения вольтметром. После прохождения измерителя нелинейных искажений сигнал подаётся на блок управления, который, в свою очередь, предназначен для автоматического установления предела измерений. Далее сигнал попадает в блок вольтметра, где измеряется и выводится на индикатор. Блок питания понижает входное напряжение до 15В, преобразует его в постоянное и обеспечивает питание всех узлов устройства.

Во входном делителе напряжения установлен переключатель S1, снижающий уровень входного сигнала на 10дБ (множитель “x0,316”).

 

Это позволяет измерять переменное напряжение до 31.5В. На практике лучше переключать чувствительность при превышении входным сигналом значения 7…8В, чтобы избежать влияния на оценку искажений операционных усилителей (ОУ) самого прибора.

Сигнал можно снимать либо с  выхода входного усилителя (DA2.1), либо с выхода ФВЧ (выбирают переключателем S2). Фильтр высоких частот (ФВЧ) срезает низкочастотные составляющие в спектре сигнала ниже 1кГц и применяется, чтобы избавиться от сетевого фона при измерениях. Подобные фильтры есть во многих ИНИ. Для измерений характеристик цифровой аппаратуры было бы желательно иметь еще фильтр низкой частоты (ФНЧ) с частотой среза Fср.=15…20кГц, чтобы уменьшить влияние помех квантования при измерениях Кг. Но такие доработки особой сложности не представляют и при желании могут быть выполнены самостоятельно.

Измеритель нелинейных искажений  включает в себя автоматический регулятор  усиления (АРУ) и режекторный фильтр. Наличие АРУ позволяет обойтись без калибровки при больших изменениях напряжения сигнала. Известно, что при обратной регулировке уровень выходного сигнала обязательно увеличивается на 1…2дБ, если сигнал на входе возрастает на 10…20дБ, и это приводит к увеличению погрешности измерений. Подстроечный резистор R26 образует с регулируемым элементом (РЭ) дополнительный делитель на входе основного канала (DA2.4) и позволяет уменьшить прирост выходного напряжения и даже получить “перерегулировку”. При этом значительно уменьшается погрешность измерений Kr в большом диапазоне входных уровней сигнала.

При нажатии на кнопку S4 можно проконтролировать точность калибровки; тогда сигнал на вольтметр поступает с выхода АРУ до режекторного фильтра. На вход вольтметра сигнала можно подать с помощью переключателя S3 либо с узла ИНИ для измерения Kr, либо с выходного усилителя для измерения напряжения. 

 

В зависимости от значения входного напряжения коэффициент передачи (Kn) усилителя, управляемого компараторами DA7.1-DA7.4, может принимать значения: 100, 10, 1, 0.1, и 0.01. Сигналы управления поступают с пороговых устройств блока управления (четыре компаратора). С ростом выпрямленного входного напряжения компараторы срабатывают, зажигаются соответствующие светодиоды и сигналы управления подаются на электронные ключи, изменяя Kn управляемого усилителя так, чтобы напряжение сигнала на его выходе не превышало 300мВ. Выходной сигнал подается на милливольтметр и на разъем X2 для подключения осциллографа.

При измерениях напряжения различных уровней не приходится переключать чувствительность осциллографа, а при определении коэффициента гармоник можно видеть  продукты нелинейных искажений сигнала на выходе режекторного фильтра. Однако такая автоматика затрудняет наблюдение за переходными процессами при настройке, например, авторегуляторов. Поэтому в прибор введен переключатель S5; в положении “ручной” вместо выпрямленного сигнала на вход блока управления подается напряжение с движка переменного резистора R67, которым можно выбрать требуемую чувствительность вольтметра. Поскольку все микросхемы допускают входное напряжение до 10В, то опасности выхода их из строя при перегрузке не возникает. Может пострадать только входной усилитель, если на вход прибора подать больше 10В. Но входное напряжение можно снизить переключателем чувствительности S1.

Вольтметр переменного тока представляет собой аналоговый прибор со стрелочным индикатором PV1 и двумя пределами измерения, переключаемыми пороговым устройством. Можно выбрать любое значение напряжения переключения до значения Uвх=1В. В нашем случае порог срабатывания компаратора DA5 выбран равным 100мВ. При срабатывании компаратора переключается резистор, ограничивающий ток через измерительную головку, и чувствительность вольтметра снижается до 300мВ.

Одновременно на семиэлементном индикаторе используемой шкалы вместо цифры  “1” высвечивается цифра “3”, соответствующая отсчету показаний  по шкале на 30 делений.

 

1.4 Описание схемы электрической  принципиальной

 

Схема электрическая принципиальная представлена на ДП100.ТЭМ13.201 Э3.

Рассмотрим принцип работы устройства.

Сначала сигнал с источника  поступает на вход измерителя нелинейный искажений. Сигнал можно снимать  либо с выхода входного усилителя  DD2.1, либо с выхода фильтра высокой частоты, собранного на DD2.2, который срезает низкочастотное составляющее в спектре сигнала ниже 1 кГц и применяется, чтобы избавиться от сетевого фона.

Измеритель нелинейных искажений  включает в себя автоматический регулятор  усиления и режекторный фильтр, что  позволяет обойтись без коллебровки  при больших изменениях напряжения сигнала. Подстроечный резистор  R26 образует с регулируемым элементом дополнительный делитель на входе основного канала DD2.4 и позволяет уменьшить прирост выходного напряжения.

Переключатель S5 позволяет в ручную регулировать чувствительность вольтметра резистором R67. Автоматическое же регулирование производится микросхемой DD6 (К157ДА1). Поскольку при входном напряжении более 1 В напряжение на выходе начинает снижаться, а при делении входного напряжения невозможно добиться уверенного срабатывания DD7.4 при 3 мВ, то было принято решение ограничение входного сигнала на DD6 цепью R34VD1VD2, а на 13 выходе данной микросхемы подбором резистора R62 получаем желательный наклон характеристики ограничителя. Также в цепь операционного усилителя DD6 включена дополнительная коректирующая 

 

цепь R53C40.

Управляющие сигналы для  регулировки усиления попадают на микросхему DD1 (КР590КН5). Она представляет собой четыре аналоговых ключа со схемой управления, которые переключают резисторы цепей с инвертирующих входов операционных усилителей DD3.1 и DD3.2 (NE5532). Корректировку осуществляют конденсаторы C3, C11.

Для уменьшения погрешностей вносимых в измерения режекторными фильтрами в конструкцию вносят фильтры DD4.1, DD4.2 (NE5532), корректируемые резисторами R41 и R39.

В качестве пороговых устройств  блока управления используется микросхема DD7 (LM324), все четыре операционных усилителя которой включены как компораторы. Электронный ключ на VT4 обеспечивает правильную очерёдность зажигания светодиодов HL1-5. Конденсаторы C42, С51, С53, С62 позволяют получить более чёткую границу зажигания.

В принципиальной схеме блока  вольтметра используется микросхема DD7 (К157ДА1), которая представляет собой двухкаскадный выпрямитель. Входной сигнал поступает на вывод 2 для выпрямления, а измерительный ток поступает на микроамперметр PV1 с вывода 12. Напряжение с вывода 7 через VT5 подаётся на индикатор HG1 (АЛС324А) и на VT3, на котором постоянно высвечивается цифра «1». При срабатывании компаратора цифра меняется на «3», что сигнализирует о переходе на другой предел измерений. Резисторами R73, R71, R70, R63 устанавливаются соответствующие значения на шкале пределов измерений вольтметра.

Блок питания принципиальных особенностей не имеет и сконструирован на унифицированном трансформаторе Т1, мощьностью 7 Вт и диодных мостах DB02.