Электронные вольтметры

ЭЛЕКТРОННЫЕ ВО ЛЬТМЕТРЫ

Определение и классификация. Электронным вольтмет¬ром называется прибор, показания которого вызываются током электронных приборов, т. е. энергией источника пи¬тания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет то¬ком электронных приборов, благодаря чему входное сопро¬тивление электронных вольтметров достигает весьма боль¬ших значений и они допускают значительные перегрузки.

Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дис¬кретные. В аналоговых вольтметрах измеряемое напряже¬ние преобразуется в пропорциональное значение постоян¬ного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроампер¬метром, шкала которого градуируется в единицах напряже¬ния (вольты, милливольты, микровольты). В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду преобразований, в результате которых аналоговая измеряе¬мая величина преобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается на индикаторном устройстве в виде светящихся цифр. Аналоговые и дискретные вольтметры ча¬сто называют стрелочными и цифровыми соответственно.

По роду тока электронные вольтметры делятся на вольт¬метры постоянного напряжения, переменного напряжения, Универсальные и импульсные. Кроме того, имеются вольт¬метры с частотно-избирательными свойствами — селектив¬ные.

При разработке электронных вольтметров учитываются следующие основные технические требования: высокая чувствительность; широкие пределы измеряемого напряжения; широкий диапазон рабочих частот; большое входное сопро¬тивление и малая входная емкость; малая погрешность; известная зависимость показаний от формы кривой измеря¬емого напряжения. Перечисленные требования нельзя удов¬летворить в одном приборе, поэтому выпускаются вольт¬метры с разными структурными схемами.

Вольтметры переменного напряжения. Электронный вольтметр переменного напряжения состоит из преобразова¬теля переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического индикатора. Часто на входе вольт¬метра устанавливается калиброванный делитель напряже¬ния. с помощью которого увеличивается верхний предел измеряемого напряжения. В зависимости от вида преобразования показание вольтметра может быть про¬порционально амплитудно¬му (пиковому), средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения.

Рис.1. Структурная схема ана¬логового электронного вольтметра с амплитудным преобразователем

Однако следует иметь в виду, что шкалу любого электронного вольтметра градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряже¬ния синусоидальной формы. Исключение составляют им¬пульсные вольтметры, шкалу которых градуируют в ам¬плитудных значениях.

Вольтметр амплитудного (пикового) значения (рис.1) состоит из амплитудного преобразователя АПр, усилителя постоянного тока УПТ и магнитоэлектрического индика¬тора, градуированного в вольтах. На входе вольтметра иногда предусматривается делитель напряжения ДН. Ам¬плитудный преобразователь выполняют по схеме с откры¬тым или закрытым входом.

Амплитудный преобразователь с открытым входом (рис.2, а) представляет собой последовательное соеди¬нение вакуумного диода Д с параллельно соединенными ре¬зистором Л? и конденсатором С. Если к зажимам 1—2 при¬ложено напряжение u = Um sint от источника с внутрен¬ним сопротивлением RI, то конденсатор через диод заря¬жается до некоторого значения Uc, которое приложено к электродам диода так, что он большую часть периода закрыт, т. е. работает в режиме отсечки (рис. 2, б). В те¬чение каждого периода диод открывается на некоторый промежуток времени 't1 - 't2 тогда и>Uc и конденсатор подзаряжается импульсом тока iД до напряжения Uc • постоянная времени заряда з = (Ri +RД ) С, где RД — сопротивление открытого диода. Затем диод закрывается и конденсатор разряжается через резистор R в течение ин¬тервала t2 - 't1 постоянная времени разряда p = RC.

Постоянные времени должны отвечать следующим усло¬виям: з < 1/fв и p > I/fн где fв и fн — границы частотного диапазона вольтметра. Очевидно, что з > Ri +RД. В широкодиапазонных вольтметрах неравенство: з < 1/fв выполнить не удается, и потому на высоких ча¬стотах процесс установления длится в течение нескольких периодов измеряемого напряжения.

а) б)

Рис.2. Амплитудный преобразователь с открытым входом

Результатом амплитудного преобразования является среднее значение слабопульсирующего напряжения Uc, которое в отличие от Um называют пиковым значением Uпик.

Uпик = Umcos 

Где  - угол отсечки диода.

Напряжение Uпик поступает на вход усилителя постоян¬ного тока, входное сопротивление которого большое, а выходное — малое. УПТ служит для согласования выходного сопротивления преобразователя с сопротивлением индика¬тора и для повышения чувствительности вольтметра.

Амплитудный преобразователь с закрытым входов (рис. 3) представляет собой последовательное соединение конденсатора постоянной емкости С с параллельно соеди¬ненными диодом Д и резистором R. Процесс преобразова¬ния переменного напряжения в постоянное Uпик аналогичен рассмотренному выше, с тем отличием, что на зажимах 3—4 име¬ются значительные пульсации напряжения, для сглаживания которых предусмотрен фильтр.

Рис. 3. Принципиальная схема амплитудного преобра¬зователя с закрытым входом

Процессы преобразования пульсирующего напряжения преобразователем с открытым и закрытым входом различны и зависят от полярности подключения к входным зажи¬мам /—2 постоянной составляющей пульсирующего напря¬жения. Если на вход амплитудного преобразователя с от¬крытым входом включено пульсирующее напряжение так,

Рис. 4. Диаграммы напряжении в амплитудных преоб¬разователях: а—с открытым входом; б — с закрытым входом

что «+» постоянной составляющей приложен к аноду| диода, то выходное напряжение UпикUmax=U0+Um+, где Uo — постоянная составляющая, а Um+ — амплитуда положительного полупериода переменной составляющей (рис.4, а). Если к аноду диода приложен «—» постоянной составляющей, то диод закрыт все время и преобразования нет. Если к аноду амплитудного преобразователя с закры¬тым входом приложено пульсирующее напряжение, то кон¬денсатор С заряжен постоянной составляющей U0 преобразователь реагирует только на переменную составляющую. если к аноду диода приложен «+», то выходное напряже¬ние Uпик Um+, a если «—», то Uпик Um- (рис. 4, б). Это полезное свойство вольтметров с закрытым входом из¬мерять отдельно значения напряжения положительного или отрицательного полупериодов широко используется для определения симметричности амплитудной модуляции, на¬личия ограничения сигналов и т.д. Амплитудные (пиковые вольтметры характеризуются невысокой чувствительностью (порог чувствительности 0.1В) и широкой полосой частот (до 1 ГГц).

Вольтметр средневыпрямленного значения (рис.6) состоит из входного делителя напряжения ДЯ, широкопо¬лосного транзисторного усилителя ШУ, выпрямительного преобразователя Пр и магнитоэлектрического индикатора.

Рис.5. Структурная схема универсаль¬ного вольтметра

Входное сопротивление делителя напряжения высокое, и если усилитель имеет низкое входное сопротивление, то между ними ставится узел согласования — преобразователь сопротивлений (с высоким входным и низким выходным сопротивлениями). Выходное напряжение усилителя посту¬пает на выпрямительный преобразователь, и через микроамперметр протекает постоянная со¬ставляющая выпрямленно¬го тока, пропорциональная средневыпрямленному зна¬чению измеряемого напряжения.

Рис.6. Структурная схема вольтметра высокой чувствительности

Шкалу индикатора градуируют в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения.

Вольтметры, построенные по такой структурной схеме, характеризуются высокой чувствительностью (микро- и милливольты) и сравнительно узкой полосой частот изме¬ряемых напряжений (1; 5; 10МГц). Обе эти характеристики определяются усилителем переменного напряжения.

Вольтметр среднеквадратического (действующего) зна¬чения строится по структурной схеме рис.6. Применя¬ются преобразователи с квадратичной характеристикой, обеспечивающей измерение среднеквадратического значе¬ния напряжения любой формы. К таким преобразователям относятся, в первую очередь, термоэлектрические и оптронные. На базе термоэлектрических преобразователей (см. рис-. 3-15, г) создан преобразователь среднеквадратического значения [б], работающий на двух идентичных элементах ТПр1 и ТПр2 (рис. 7) и дифференциальном усилителе ДУ (микросхеме). Нагреватель первого термопреобразова¬теля подключен к выходу широкополосного усилителя, т. е. в цепь измеряемого напряжения Ux, а нагреватель вто¬рого — к выходу дифференциального усилителя ДУ, т. е. в цепь отрицательной обратной связи. ТермоЭДС первого преобразователя Ет1 =aтU2x второго — Ет2 =aтU2вых, где Ux и (Uвых —среднеквадратические значения измеряе¬мого и выходного напряжений соответственно.

Рис.7. Схема термоэлектрического пре¬образователя среднеквадратического зна¬чения напряжения

Термопары включены встречно. Применяют диф¬ференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления. Выходное напря¬жение среднеквадратического преобразователя связано ли¬нейной зависимостью со среднеквадратическим значением измеряемого напряжения.

Основная погрешность преобразования обусловлена не ¬идентичностью параметров термопреобразователей, увели¬чивающейся с их старением, и составляет 2,5—6 %.

Вольтметры