Электронные приборы
03.10.2009 19:58

Электронные приборы отличаются высоким быстродействием, широким частотным диапазоном, высокой чувствительностью. Применение интегральных микросхем приводит к дальнейшему увеличению стабильности и надежности электронных приборов, к уменьшению их размеров, массы и потребления энергии.
Многие вольтметры, осциллографы, частотомеры и фазометры, а также устройства для измерения параметров и характеристик электрических и электронных схем строятся на основе электронных приборов.

Вольтметры, амперметры, омметры

Электронные измерительные приборы широко используются для измерения напряжения, силы тока, сопротивления, мощности, индуктивности, емкости, частоты и т.д. Они сочетают в себе электронные преобразователи из меряемой величины в постоянное напряжение (силу тока) и магнитоэлектрический прибор или электронно-лучевую трубку и отличаются высокой чувствительностью (цена деления до 0,1 мВ), широким частотным диапазоном (от постоянного тока до переменного частотой единицы мегагерц) и малым потреблением мощности от источника измеряемого напряжения (выходное сопротивление вольтметров, например, достигает до 1016 Ом)

На выход усилителя через делитель R1-R2 подводится измеряемое напряжение Uх, а выходное напряжение Uвых после электронного усилителя измеряется магнитоэлектрическим прибором PV.
Основная приведенная погрешность таких вольтметров составляет 0,5…1,0%
Вольтметры переменного тока представляют собой преобразователь переменного напряжения в постоянное и электронный вольтметр постоянного тока. В зависимости от того, для измерения какого значения переменного напряжения предназначен прибор, различают вольтметры:
" среднего квадратичного
" среднего выпрямленного
" амплитудного
значений.
Погрешность вольтметра лежит в диапазоне 0,5…15%. Значение силы тока определяют по значению падения напряжения UX на резисторе RN электронным вольтметров ЭВ, т.е. в виде отдельных приборов амперметры не выпускаются.

Как и электронные амперметры, омметры в виде отдельных приборов не выпускают; их функции выполняют электронные вольтметры, строящиеся по схеме, приведенной на рис.5

Преобразователи таких омметров представляют собой операционный усилитель, охваченный отрицательной обратной связью образцовым RN и измеряемым RX резисторами.

Таким образом измеряемое электронным вольтметром ЭВ напряжение Uвых пропорционально сопротивлении. измеряемого резистора RX. Эта схема широко применяется для измерения сопротивлений в диапазоне 10 1000 МОм.

Частотомеры и осциллографы

В частотомерах используется принцип заряда и разряда конденсатора в сочетании с выходным аналоговым прибором, который предназначен для измерения среднего значения силы, протекающего через конденсатор при его периодическом перезаряде в соответствии с измеряемой частотой.
Упрощенная схема конденсаторного частотомера приведена на рис.6

Реле KV через ключ SA подключает конденсатор С в течение одного полупериода к источнику G образцового напряжения U0, а в течение другого - через резистор RN к прибору PA. Если постоянные времени t3 = R0C и разряда tраз = RNC значительно меньше полупериода Tx/2, то конденсатор будет успевать зарядиться до напряжения U0 и полностью зарядится.
Конденсаторные частотомеры имеют широкий частотный диапазон измерений (от 10Гц до 1 МГц) при приведенной погрешности 1,5-2%
Для исследований поведения сигналов во времени используются электронные осциллографы, которые дают возможность непосредственно наблюдать и(или) записывать форму периодических и непериодических сигналов. Благодаря тому, что подвижная часть в осциллографах создается электронным лугом, они практически безынерционны и применяются для измерения электрических величин частотой до сотен мегагерц или непериодических процессов длительностью до долей микросекунд. К другим достоинствам осциллографов относятся: большое входное сопротивление и высокая чувствительность. К недостаткам относятся: невысокая точность измерения(основная погрешность достигает ±10%), конструктивная и электрическая сложность, высокая стоимость. Кроме того, осциллограф по сравнению с другими измерительными приборами сложнее в эксплуатации и требует определенной квалификации обслуживающего персонала при работе с ними.
Основным узлом электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ).

В баллоне трубки, в которой создан вакуум, помещена группа электродов, катод К с нитью накала, модулятор М, фокусирующий А1 и ускоряющий А2 аноды, образующие так называемую "электронную пушку", предназначенную для получения узкого электронного луга. Отклоняющая система ЭЛТ состоит из двух пар пластин, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях ОПх и ОПу. Пластины ОПу используются для отклонения луга по вертикали, пластины ОПх - по горизонтали. Внутренняя поверхность экрана Э покрыта специальным составом (люминофором), обеспечивающим свечение под действием электронной бомбардировки в тех местах, куда попадают электроны. Изменение потенциала модулятора М обеспечивает возможность регулировки плотности электронов в луге и изменении яркости изображения на экране Э. Анодами А1 и А2 электроны разгоняются до необходимой скорости и одновременно осуществляется фокусировка пуска электронов в точку на экране Э.
В современных осциллографах для дополнительного ускорения электронов в ЭЛТ устанавливается третий анод А3, на который подается большое положительное напряжение.
Внутреннюю поверхность ЭЛТ покрывают проводящим слоем металла или графита, служащим электрическим экраном, защищающим трубку от внешних электрических полей, и соединяют с анодом А2. От внешних магнитных полей ЭЛТ защищается с помощью кожуха из магнитомягкого материала.
Выпускаемые промышленностью ЭЛТ осциллографы условно подразделяются на приборы:
общего назначения;
универсальные (импульсные);
скоростные;
стробоскопические;
запоминающие;
специальные.
Универсальные осциллографы, предназначенные для наблюдения формы и измерения параметров электрических сигналов в широком диапазоне частот, имеют наибольшее распространение.
Значение чувствительности S в современных осциллографах определяют по положению ручки "Чувствительность".
Для измерения тока с помощью осциллографа на вход ОПу подается падение напряжения на известном резисторе (шунте), при этом точность измерения напряжения и тока невелика(погрешность составляет 5-10%).
Широкое распространение получило измерение частоты и фазы электрических колебаний с помощью осциллографа, при этом можно исследовать колебания любой формы.
Во многих случаях более точные результаты при измерении частоты и фазы могут быть получены с помощью фигур Лиссажу при сравнении двух колебаний синусоидальной формы. При этом на одну из пар пластин подается синусоидальное напряжение известной частоты, а на другую исследуемое напряжение, и по фигуре Лиссажу определяются частота и сдвиг по фазе неизвестного напряжения.
Электронный осциллограф находит применение и для измерения полных сопротивлений и их активных и реактивных составляющих.