1.1 Расчет входного делителя

Сопротивление входного делителя и входное сопротивление прибора должны быть не менее заданного в техническом задании входного сопротивления прибора, т.е. не менее 2.5 МОм.

Рис. 3.1

С резистора R2 на вход преобразователь импеданса подается напряжение UВЫХ, составляющее часть измеряемого напряжения UВX, задаваемое коэффициентом умножения K равным 0.001, т.е. входной делитель делит входное напряжение на 1000.

,               (3.1.1)

где    ;

RП – входное сопротивление преобразователя импеданса. RП » 109 Ом.

Сопротивление RП >> (R2 + R3), поэтому можно считать, что R2П » (R2 + R3). Для обеспечения требуемого входного сопротивления прибора Rвх необходимо выполнение условия:

,                          (3.1.2)

где    .

Следовательно,

.                    (3.1.3)

Зная входное сопротивление преобразователя импеданса RП и входное сопротивление Rвх электронного вольтметра, можно найти RД:

 [МОм].(3.1.4)

Из формул (3.1.2) и (3.1.3) следует, что

 [кОм].(3.1.5)

 [МОм].(3.1.6)

При работе делителя напряжения из активных сопротивлений на переменном токе, коэффициент деления зависит от частоты в результате шунтирования сопротивлений паразитными ёмкостями. Для устранения этой зависимости необходимо осуществить частотную коррекцию путём шунтирования сопротивлений делителя ёмкостями C1 и C2. При этом:

,                     (3.1.7)

где    C2П = C2 + CП;

CП – входная ёмкость преобразователя импеданса. CП » 2 пФ.

Ёмкость конденсатора C1, в основном, определяет входную ёмкость электронного вольтметра Cвх. Приняв C1 » Cвх, получим, что C1 = 10 пФ. Конденсатор C1 подстроечный, поэтому условие, заданное в техническом задании о значении входной ёмкости, выполнимо.

Исходя из условия (3.1.7), получим значение C2:

    [нФ],(3.1.8)

Ограничительные диоды VD1 и VD2 предназначены для защиты преобразователя импеданса от перегрузки по напряжению. В качестве диодов используются Д311, прямое падение напряжения на которых составляет 0.4 В.

R1: С2-29В-0.25-2.49 МОм ± 0.5%

R2: С2-29В-0.25-2.49 кОм ± 0.5%

R3: РП1-85А-0.5-240 Ом ± 10%

C1: КТ4-25-250В-3…15 пФ ± 10%

C2: К71-6-300В-10 нФ ± 10%

1.2 Расчет преобразователя импеданса

Преобразователь импеданса, изображённый на рис. 3.2, основан на неинвертирующем повторителе напряжения. Его достоинством является высокое входное сопротивление.

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 Ki определяется как отношение его выходного напряжения Ui к входному Ui+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 Ki 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 Rн, сопротивление которой не бесконечно велико, принимают верным равенство R0 = Rн.

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 Ui 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 = Rн = 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%