Аналоговый электронный вольтметр - измерительный прибор, представляющий собой сочетание электронного преобразователя, выполненного на лампах, полупроводниковых элементах, интеграль­ных микросхемах, и магнитоэлектрического измерителя.

По назначению аналоговые электронные вольтметры различают: постоянного тока, переменного тока, импульсные тока, фазочувствительные, селективные, универсальные.

Основное назначение аналоговых вольтметров - измерение нап­ряжения в радиоэлектронных цепях.

Электронные вольтметры постоянного тока по сравнению с маг­нитоэлектрическими вольтметрами имеют очень большое входное сопротивление (порядка 5-10 МОм) и высокую чувствительность. Значение входного сопротивления неизменно при переключении пределов измерения.

Вольтметр состоит из входного устройства - высокоомного резистивного делителя напряжения; электронного преобразователя - усилителя постоянного тока; электромеханического преобразова­теля - магнитоэлектрического измерителя.

Усилитель постоянного тока служит для повышения чувствитель­ности вольтметра, является усилителем мощности, необходимым для приведения в действие магнитоэлектрического измерителя. Он должен обладать высокой линейностью амплитудной характери­стики, постоянством коэффициента усиления, малым дрейфом нуля.

Линейность амплитудной характеристики обеспечивается пра­вильным выбором режимов работы ламп, транзисторов, микросхем усилителя. Отрицательная обратная связь в усилителях повышает стабильность коэффициента усиления и улучшает линейность ампли­тудной характеристики. Стабилизация питающих напряжений также способствует стабилизации коэффициента усиления.

Для уменьшения дрейфа нуля, кроме стабилизации питающих напряжений, усилитель выполняется по мостовой балансной схеме.

Расширение пределов измерения осуществляется с помощью дели­теля и сопротивления обратной связи.

II АЭВ переменного тока строятся по 2м схемам:

а) , характеризу­ются широким частотным диапазоном 20 Гц - 700 МГц, но недоста­точно высокой чувствительностью.

Вольтметры, построенные по схеме б) , характеризу­ются сравнительно узким частотным диапазоном 10 Гц - 10 МГц, определяемым полосой пропускания усилителя переменного тока, но более высокой чувствительностью.

Универсальные аналоговые электронные вольтметры , предназна­ченные для измерений в цепях постоянного и переменного токов, реализуются так, как показано на рисунке:

Характеристики аналоговых электронных вольтметров перемен­ного тока и характер их шкал в основном определяются схемой электронного преобразователя (детектора). Различают преобразо­ватели пикового, средневыпрямленного, среднеквадратичного зна­чений, осуществляющие преобразование переменного напряжения в постоянное, пропорциональное соответственно пиковому (макси­мальному), средневыпрямленному и среднеквадратичному значе­ниям измеряемого напряжения.

Вход преобразователей относительно постоянной составляющей измеряемого напряжения может быть либо открытым, либо закрытым (с разделительным конденсатором).

По частотному диапазону аналоговые электронные вольтметры переменного тока делятся на низкочастотные, высокочастотные, сверхчастотные.

Основные узлы аналоговых электронных вольтметров

Входное устройство обеспечивает значения измеряемого напря­жения, необходимые для дальнейшего преобразования. В зависимо­сти от амплитудного и частотного диа­пазонов измеряемого напряжения вход­ное устройство представляет собой ли­бо высокоомный вход преобразователя, либо резистивный делитель, либо резистивно-конденсаторный делитель, либо конденсаторный делитель.

В преобразователях амплитудного(пикового) значе­ния показания микроамперметра про­порциональны пиковому значению изме­ряемого напряжения и (t), . На рисункеприводятся схемы пре­образователей амплитудного значения соот­ветственно с открытым и закрытым вхо­дами

В преобразователе амплитудного значения с открытым входом диод включен по­следовательно с высокоомным резисто­ром R и непосредственно связан с объ­ектом измерения. Параметры преобразователя подобраны таким образом

(R > Rпр, R = 50 - 100 МОм, С = 0,02 - 0,05 мкФ),

чтобы при первой положительной полуволне измеряемого напряже­ния и (t) = UM sin wt большим импульсом тока i через открытый диод Д с сопротивлением Rnp осуществлялся быстрый заряд конден­сатора С до некоторого значения напряжения UC1 (рис. 5.6) и мед­ленный разряд на резистор R + Rи с момента, когда и (t) < UC, и при отрицательной полуволне напряжения и (t). Постоянные

времени заряда RnpC и разряда RC связаны условием RC>> RnpC (сопротивление Rи микроамперметра не учиты­вается из-за малого значе­ния).

При второй положитель­ной полуволне и

4.4. Электронные аналоговые вольтметры.

Классификация вольтметров приведена в разделе 4.2. При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором измеряется напряжение. Для уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление энергии вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление велико. Поэтому в схемах электроники при измерении в маломощных цепях изменение электромеханических приборах ограничено (относительно небольшое входное сопротивление).Предпочтительнее является использование электронных вольтметров.

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и магнитоэлектрического или цифрового измерительного прибора.

В отличии от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокое входное сопротивление и чувствительность и малое потребление тока от измерительной цепи. Электронные, аналоговые и цифровые вольтметры позволяют производить измерения в широком диапазоне напряжений и частот.

По роду тока электронные вольтметры делятся на вольтметры постоянного напряжения, переменного напряжения, универсальные и импульсные. Кроме того, выпускаются вольтметры с частотно-избирательными свойствами – селективные. Электронные вольтметры постоянного тока выполняются по схеме, представленной на рисунке 4.6,а.

Измеряемое напряжение Uподается на входное устройство ВУ, представляющее собой многопредельный высокоомный делитель напряжения на резисторах. С делителя напряжения поступает на усилитель постоянного тока УПТ и далее – на стрелочный приборV. Делитель и усилитель постоянного тока ослабляют и усиливают соответственно напряжение до значений, необходимых для нормальной работы прибора. Одновременно усилитель обеспечивает согласование высокого сопротивления входной цепи вольтметра с низким сопротивлением рамки прибора магнито-электрической системы. Высокое входное сопротивление электронного вольтметра (несколько десятков Мом) позволяет производить измерение напряжения в высокоомных цепях без заметного потребления мощности от объекта измерения. Чтобы обеспечить необходимую точность вольтметра и усилителя постоянного тока с изменяемым в электронных вольтметрах предъявляются жесткие требования в отношении линейности амплитудной характеристики, постоянство коэффициента усиления, температурного и временного дрейфа нуля. При построении электронных вольтметров для измерения малых напряжений эти требования не всегда могут быть удовлетворены. Поэтому вольтметры постоянного тока для измерения малых напряжений выполняются по схеме (рисунке 4. 6).

Рисунок 4.6.Электронные вольтметры.

В таких вольтметрах постоянное измеряемое напряжение вначале преобразуется модулятором М в переменное, а далее усиление измеряемого сигнала осуществляется усилителем переменного тока У, обладающим лучшими метрологическими характеристиками по сравнению с УПТ. Выпрямленное выпрямителем(детектором) В, напряжение подается на стрелочный прибор V, это позволяет получить электронные микровольтметры с нижним пределом измерении порядка 10 -8 В.

Электронные вольтметры переменного тока выполняют по двум структурным схемам (рисунок 4.6 ,в, г). В первой из этих схем измеряемое переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное детектором. а затем усиливается УПТ. Во второй схеме усиление производится на переменном токе и лишь затем, предварительно усиленный сигнал, выпрямляется детектором. Эти схемы дополняют друг друга. Каждая из них обладает своими преимуществами и недостатками. Вольтметры, построенные по первой схеме, позволяют измерять напряжение переменного тока в широком частотном диапазоне(10Гц..100МГц), но не дают возможности измерять напряжение меньше нескольких десятых долей вольта, т.к. детектор выпрямляет только достаточно большие напряжения. Вторая схема позволяет строить более чувствительные вольтметры, нижний предел измерения которых составляет всего лишь единицы микровольт. Однако такие вольтметры имеют меньший частотный диапазон, поскольку частотный диапазон УПТ трудно сделать достаточно широким.

Важнейшим элементом электронного вольтметра, в значительной мере определяющим его метрологические характеристики, является детектор. Напряжение на выходе детектора может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения. Характер этой зависимости определяет, на какое из этих значений реагирует магнитоэлектрический стрелочный прибор. Соответственно, различают вольтметры средневыпрямленных, амплитудных и среднеквадратических значений. Необходимо, однако, помнить, что шкалу электронного вольтметра обычно градуируют в средних квадратических значениях напряжения синусоидальной формы и это следует учитывать при измерении и при анализе погрешностей, обусловленных отклонением формы реального измеряемого сигнала от синусоиды.

Простейшими вольтметрами средних значений являются выпрямительные вольтметры, рассмотренные выше на основе пассивных преобразователей средневыпрямленных значений. Преобразователи выполняются на полупроводниковых диодах, работающих на линейном участке вольт-амперной характеристики(ВАХ).

Структурная схема электронного вольтметра средневыпрямленных значений приведена на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7.

Измеряемое напряжение Uх подается на вход эмиттерного повторителя У1, назначение которого – обеспечить высокое входное и низкое выходное сопротивление. Для изменения коэффициента передачи в схему включен аттенюаторRP1, напряжение с выхода которого подается на операционный усилитель У2 переменного напряжения. Двухполлупериодный диодный преобразователь средневыпрямленных значений (VD1,VD2) включен в цепь последовательной отрицательной обратной связи потоку, охватывающей усилитель У2. Введение ООС повышает стабильность и улучшает частотную характеристику усилителя, уменьшает нелинейность, обусловленную прямым сопротивлением диодов. В мостовой схеме два диода заменены на резисторыR2 иR1, что обеспечивает термостабилизацию диодовVD1,VD2.

Резистор R3 предназначен для выравнивания токов в плечах мостовой схемы преобразователя (детектора). При достаточно большом коэффициенте передачи усилителя У2 и при условииR1=R2=Rпостоянное выходное напряжение

Uвых=Uх*R/ Кф*R3, (4.11)

Где Uвых.- постоянное напряжение на индикаторном приборе;

Uх – действующее значение переменного напряжения на входе усилителя;

Кф – коэффициент формы, равный 1,11.

Вольтметры средних квадратических значений строятся по структурной схеме, приведенной на рисунке 4.8

Р

исунок 4.8.

Детекторы среднеквадратического значения используют квадратический участок ВАХ диода или диодной цепочки, в результате чего постоянная составляющая напряжения на выходе детектора оказывается пропорциональной квадрату среднего квадратического значения измеряемого напряжения, независимо от формы этого напряжения. Пример квадратического детектора типа «диодная цепочка» приведен на рисунке 4.8, а. На вход такого детектора подается измеряемое переменное напряжение U(t).К делителюR6…R9 приложено напряжение, которое создаёт на резисторахR6…R9 падения напряженияE1…E4, запирающие диодыVD2…VD5.В положительный полупериод, если входное напряжение не превышает напряженияe1, ток протекает через диодVD1 и на резистореRн возникает падение напряженияU 0 , являющееся выходным напряжением схемы. Ток диодаVD1, определяемый резисторамиR1 иRн. Линейно зависит от входного напряжения. По мере роста тока диодаVD1 увеличивается и падение напряжения на резистореR1.

При входном напряжении равном E1 напряжения на резисторахR1 иR9 компенсируются,VD2 открывается, ток входного напряжения начинает протекать и через К2, крутизна зависимости тока от входного напряжения увеличивается. Аналогичное явление происходит, когдаU(t)=E2 и т.д.

Подбирая параметры схемы, можно получить ломаную линию, отражающую зависимость суммарного тока I, протекающего черезRн(а, следовательно, и выходного напряженияU 0 =i*Rн), близкую к ветви квадратичной параболы (рисунок 4.8).Это приближение тем лучше, чем больше отрезков содержит ломаная линия, т.е. чем больше диодов включено в схему.

К недостаткам данной схемы следует отнести сложность подбора элементов схемы, наличие дополнительного источника питания E.

В некоторых вольтметрах в качестве детектора среднеквадратических значений применяются термоэлектрические преобразователи.

Принцип действия АД основан(рисунок 4.9,а) на заряде конденсатора С

Рисунок 4.9.Аамплитудный детектор с открытым входом.

Через диод Д до амплитудного значения измеряемого напряжения и медленном его разряде через нагрузочный резистор Р.Из-за различия времени заряда и разряда на конденсаторе появляется постоянная составляющая напряжения. Тем больше отношение времени постоянной времени разряда конденсатора к постоянной времени его заряда, тем больше напряжение на конденсаторе приближается к амплитудному значению. При синусоидальной форме сигнала U(t) среднее значение напряжения на диоде равно среднему значению напряжения на конденсаторе, но с противоположенным знаком. Постоянная составляющая напряжения на конденсаторе и напряжение на диоде несёт информацию об амплитудном значении преобразуемого напряжения. В зависимости от того, какое из этих напряжений принимается за выходное, различают две разновидности АД. Если выходным служит напряжение на конденсаторе, то получаем АД с открытым входом (рисунок 4.9) , который пропускает постоянную составляющую измеряемого напряжения. Если выходное напряжение снимается с диода, то имеем АД с закрытым входом (рисунок 4.10). При измерении пульсирующего напряжения конденсатор С будет заряжаться до пикового напряженияUmax.

Рисунок 4.10.Аамплитудный детектор с закрытым входом.

АД с закрытым и открытым входами применяются в универсальных ВЧ вольтметрах при измерении в широком диапазоне частот. Погрешность измерения вольтметра с АД зависит от частоты. Эта погрешность тем больше, чем меньше частота измеряемого напряжения.

Одним из существенных недостатков вольтметров с АД является зависимость показания прибороа от формы сигнала. Обычно шкала амплитудных вольтметров градуируется в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения, тогда как отклонение стрелки прибора пропорционально амплитуде напряжения. Поэтому показания, отсчитанные по шкале стрелочного прибора, справедливы толькопри измерении синусоидальных напряжений. При произвольной форме сигнала, если значения Кф для этого сигнала неизвестно, измерение среднеквадратического значения напряжения оказывается невозможным.

На электронные вольтметры установлены классы точности от 0,1 до 25.Обычныеклассы точности 2,5; 4.

Избирательные вольтметры применяются для измерения отдельных составляющих многочастотного сигнала, определения коэффициента гармоник. Приборы избирательного действия могут быть изготовлены на различных принципах. Чаще всего применяются приборы гетеродинного типа, близкие по своему устройству к радиоприемникам, обладающие большой чувствительностью и широким диапазоном измерений. Структурная схема такого вольтметра приведена на рисунке 4.11.

Рисунок 4.11.Схема селективного вольтметра гетеродинного типа.

Входной сигнал частоты fxпреобразуется преобразователем частоты Пр в разностную (промежуточную) частоту. При плавном изменении частоты гетеродина Г можно подобрать частотуfг –fx= fпч (на которую настроен полосовой фильтр Ф) м определить значение этого сигнала вольтметром. При постоянстве коэффициента преобразования показания вольтметра пропорциональны сигнала данной гармонической составляющей на входе. Для перестройки в широком диапазоне частот и повышения избирательности применяют двух и более кратное преобразование частоты.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ВО ЛЬТМЕТРЫ

Определение и классификация. Электронным вольтмет­ром называется прибор, показания которого вызываются током электронных приборов, т. е. энергией источника пи­тания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет то­ком электронных приборов, благодаря чему входное сопро­тивление электронных вольтметров достигает весьма боль­ших значений и они допускают значительные перегрузки.

Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дис­кретные. В аналоговых вольтметрах измеряемое напряже­ние преобразуется в пропорциональное значение постоян­ного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроампер­метром, шкала которого градуируется в единицах напряже­ния (вольты, милливольты, микровольты). В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду преобразований, в результате которых аналоговая измеряе­мая величина преобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается на индикаторном устройстве в виде светящихся цифр. Аналоговые и дискретные вольтметры ча­сто называют стрелочными и цифровыми соответственно.

По роду тока электронные вольтметры делятся на вольт­метры постоянного напряжения, переменного напряжения, Универсальные и импульсные. Кроме того, имеются вольт­метры с частотно-избирательными свойствами - селектив­ные.

При разработке электронных вольтметров учитываются следующие основные технические требования: высокая чувствительность; широкие пределы измеряемого напряжения; широкий диапазон рабочих частот; большое входное сопро­тивление и малая входная емкость; малая погрешность; известная зависимость показаний от формы кривой измеря­емого напряжения. Перечисленные требования нельзя удов­летворить в одном приборе, поэтому выпускаются вольт­метры с разными структурными схемами.

Вольтметры переменного напряжения. Электронный вольтметр переменного напряжения состоит из преобразова­теля переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического индикатора. Часто на входе вольт­метра устанавливается калиброванный делитель напряже­ния. с помощью которого увеличивается верхний предел измеряемого напряжения. В зависимости от вида преобразования показание вольтметра может быть про­порционально амплитудно­му (пиковому), средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения.

Рис.1. Структурная схема ана­логового электронного вольтметра с амплитудным преобразователем

Однако следует иметь в виду, что шкалу любого электронного вольтметра градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряже­ния синусоидальной формы. Исключение составляют им­пульсные вольтметры, шкалу которых градуируют в ам­плитудных значениях.

Вольтметр амплитудного (пикового) значения (рис.1) состоит из амплитудного преобразователя АПр, усилителя постоянного тока УПТ и магнитоэлектрического индика­тора, градуированного в вольтах. На входе вольтметра иногда предусматривается делитель напряжения ДН. Ам­плитудный преобразователь выполняют по схеме с откры­тым или закрытым входом.

Амплитудный преобразователь с открытым входом (рис.2, а) представляет собой последовательное соеди­нение вакуумного диода Д с параллельно соединенными ре­зистором Л? и конденсатором С. Если к зажимам 1-2 при­ложено напряжение u = U m sinwt от источника с внутрен­ним сопротивлением r i , то конденсатор через диод заря­жается до некоторого значения U c , которое приложено к электродам диода так, что он большую часть периода закрыт, т. е. работает в режиме отсечки (рис. 2, б). В те­чение каждого периода диод открывается на некоторый промежуток времени "t 1 - "t 2 тогда и > U c и конденсатор подзаряжается импульсом тока i Д до напряжения Uc постоянная времени заряда t з = (R i +R Д) С, где R Д - сопротивление открытого диода. Затем диод закрывается и конденсатор разряжается через резистор R в течение ин­тервала t 2 - "t 1 постоянная времени разряда t p = RC.

Постоянные времени должны отвечать следующим усло­виям: t з < 1/f в и t p > I/f н где f в и f н - границы частотного диапазона вольтметра. Очевидно, что t з << t p и R >> R i +R Д. В широкодиапазонных вольтметрах неравенство: t з < 1/f в выполнить не удается, и потому на высоких ча­стотах процесс установления длится в течение нескольких периодов измеряемого напряжения.

Рис.2. Амплитудный преобразователь с открытым входом

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

U пик = U m cos q

Где q - угол отсечки диода.

Напряжение U пик поступает на вход усилителя постоян­ного тока, входное сопротивление которого большое, а выходное - малое. УПТ служит для согласования выходного сопротивления преобразователя с сопротивлением индика­тора и для повышения чувствительности вольтметра.

Амплитудный преобразователь с закрытым входов (рис. 3) представляет собой последовательное соединение конденсатора постоянной емкости С с параллельно соеди­ненными диодом Д и резистором R. Процесс преобразова­ния переменного напряжения в постоянное U пик аналогичен рассмотренному выше, с тем отличием, что на зажимах 3-4 име­ются значительные пульсации напряжения, для сглаживания которых предусмотрен фильтр.

Рис. 3. Принципиальная схема амплитудного преобра­зователя с закрытым входом

Процессы преобразования пульсирующего напряжения преобразователем с открытым и закрытым входом различны и зависят от полярности подключения к входным зажи­мам /-2 постоянной составляющей пульсирующего напря­жения. Если на вход амплитудного преобразователя с от­крытым входом включено пульсирующее напряжение так,

Рис. 4. Диаграммы напряжении в амплитудных преоб­разователях: а-с открытым входом; б - с закрытым входом

что «+» постоянной составляющей приложен к аноду| диода, то выходное напряжение U пик »U max =U 0 +U m+ , где Uo - постоянная составляющая, а U m+ - 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 закры­тым входом приложено пульсирующее напряжение, то кон­денсатор С заряжен постоянной составляющей U 0 преобразователь реагирует только на переменную составляющую. если к аноду диода приложен «+», то выходное напряже­ние U пик » U m+ , a если «-», то U пик » U m- (рис. 4, б). Это полезное свойство вольтметров с закрытым входом из­мерять отдельно значения напряжения положительного или отрицательного полупериодов широко используется для определения симметричности амплитудной модуляции, на­личия 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, широкопо­лосного транзисторного усилителя ШУ, выпрямительного преобразователя Пр и магнитоэлектрического индикатора.

Рис.5. Структурная схема универсаль­ного 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 посту­пает на выпрямительный преобразователь, и через микроамперметр протекает постоянная со­ставляющая выпрямленно­го тока, пропорциональная средневыпрямленному зна­чению 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 изме­ряемых напряжений (1; 5; 10МГц). Обе эти характеристики определяются усилителем переменного напряжения.

Вольтметр среднеквадратического (действующего) зна­чения строится по структурной схеме рис.6. Применя­ются преобразователи с квадратичной характеристикой, обеспечивающей измерение среднеквадратического значе­ния 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 термопреобразова­теля подключен к выходу широкополосного усилителя, т. е. в цепь измеряемого напряжения Ux, а нагреватель вто­рого - к выходу дифференциального усилителя ДУ, т. е. в цепь отрицательной обратной связи. ТермоЭДС первого преобразователя Е т 1 =a т U 2 x второго - Е т 2 =a т U 2 вых, где Ux и (Uвых -среднеквадратические значения измеряе­мого и выходного напряжений соответственно.

Рис.7. Схема термоэлектрического пре­образователя среднеквадратического зна­чения напряжения

Термопары включены встречно. Применяют диф­ференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления. Выходное напря­жение среднеквадратического преобразователя связано ли­нейной зависимостью со среднеквадратическим значением измеряемого напряжения.

Основная погрешность преобразования обусловлена не ­идентичностью параметров термопреобразователей, увели­чивающейся с их старением, и составляет 2,5-6 %.

Вольтметры постоянного напряжения. Рассмотренный выше (рис.5) универсальный вольтметр позволяет из­мерять постоянное напряжение от десятых долей вольта и выше. Для измерения меньших значений (от 0,5 мкВ) применяют высокочувствительные электронные вольтметры с преобразованием постоянного напряжения в переменное, которое после значительного усиления вновь преобразуется в постоянное и измеряется магнитоэлектрическим микро­амперметром.

Цифровые электронные вольтметры. Принцип работы вольтметров дискретного действия состоит в преобразова­нии измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код, который отображается на табло в цифровой форме. В соответствии с этим обобщен­ная структурная схема цифрового вольтметра состоит из входного устройства ВхУ, аналого-цифрового преобразователя АЦП и цифрового индикатора Ц И.

Рис.8 Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра.

Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразова­нием. Принцип работы заключается в преобразовании из­меряемого напряжения Ux в пропорциональный интервал времени ДГ, измеряемый числом N заполняющих его им­пульсов со стабильной частотой следования.

Вольтметр (рис. 3-30, а) работает циклами, длительность которых Т устанавливается с помощью управляющего уст­ройства УУ и обычно равна или кратна периоду питающей сети. Для единичного измерения Ux предусмотрен ручной запуск.

Погрешность измерения возникает вследствие нелиней­ности изменения линейнопадающего напряжения, неста­бильности порога срабатывания сравнивающих устройств.

Рис. 3-30. Цифровой вольтметр с время-импульс­ным преобразованием

и возможности потери счетного импульса, т. е. погрешности дискретности. Основная погрешность составляет обычно 0,1 %. Помехоустойчивость вольтметров с время-импульс­ным преобразованием низкая, так как любая помеха вызы­вает изменение момента срабатывания сравнивающего уст­ройства. Главным достоинством этих вольтметров является их сравнительная простота.

Цифровой вольтметр с частотным преобразованием. Принцип действия заключается в преобразовании измеряе­мого напряжения в пропорциональную ему частоту следова­ния импульсов, измеряемую цифровым частотомером.

Цифровой вольтметр с двойным интегрированием. Прин­цип его работы подобен принципу времямпульсного пре­образования, с тем отличием, что здесь образуются два вре­менных интервала в течение цикла измерения, длительность которого устанавливается кратной периоду помехи. Таким образом определяется среднее значение измеряемого напря­жения, а помеха подавляется. Эти вольтметры являются более точными и помехоустойчивыми по сравнению с рас­смотренными выше, однако время измерения у них больше.

Вольтметр следящего уравновешивания работает не цик­лами, а непрерывно реагируя на изменение измеряемого напряжения: сумма образцовых напряжений принимает большее или меньшее значение в зависимости от значения измеряемого напряжения. Когда достигается равенство U x =åU обр. код преобразуется в показание, а состояние прибора остается неизменным до тех пор, пока не изменится значение U x .Преимущество вольтмет­ров следящего уравновешивания заключается в уменьше­нии статической и динамической погрешности и в повыше­нии быстродействие.

ЛЕКЦИЯ №5

ЭЛЕКТРОННЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Электронные аналоговые приборы и преобразователи представляют собой средства измерений, в которых преобразование сигналов измерительной информации осуществляется с помощью аналоговых электронных устройств. Выходной сигнал таких средств является непрерывной функцией измеряемой величины. Электронные приборы и преобразователи применяют при измерениях практически всех электрических величин: напряжения, тока, частоты, мощности, сопротивления и т.д.

Достоинства электронных измерительных приборов:

высокая чувствительность обусловлена применением усилителей;

малое потребление энергии из цепи, в которой производят измерение, что определяется высоким входным сопротивлением данных приборов;

широкий диапазон частот, в котором чувствительность неизменна.

Недостатки :

сложность, обусловленная большим числом деталей и элементов;

необходимость в источниках питания электронных устройств, входящих в прибор;

сравнительно невысокая надежность, обусловленная большим числом элементов.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

В электронных вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых электронных устройств в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический измерительный механизм со шкалой, градуированный в единицах напряжения. Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью и широким диапазоном измеряемых напряжений (от десятков нановольт на постоянном токе до десятков киловольт), большим входным сопротивлением (более 1 Мом), могут работать в широком частотном диапазоне (от постоянного тока до частот порядка сотен МГц).

Существуют множество различных типов вольтметров. По своему назначению и принципу действия наиболее распространенные вольтметры могут быть подразделены на вольтметры постоянного тока, переменного тока, универсальные, импульсные и селективные.

Вольтметры постоянного тока. Упрощенная структурная схема таких вольтметров показана на рис. 5.1, где ВД – входной делитель напряжения; УПТ – усилитель постоянного тока; ИМ – магнитоэлектрический измерительный механизм; U x – измеряемое напряжение.

Рис. 5.1. Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока

Последовательное соединение делителя напряжения и усилителя позволяет делать вольтметры высокочувствительными и многопредельными за счет изменения в широких пределах их общего коэффициента преобразования. Повышение чувствительности вольтметров постоянного тока путем увеличения коэффициента усиления УПТ k УПТ наталкивается на технические трудности из-за нестабильности работы УПТ , характеризующейся изменением k УПТ и самопроизвольным изменением выходного сигнала усилителя (дрейф "нуля"). Поэтому в таких вольтметрах k УПТ ≈1, а основное назначение УПТ – обеспечить большое входное сопротивление вольтметра.

Данная структурная схема вольтметра постоянного тока используется в составе универсальных вольтметров, поскольку при незначительном усложнении – добавлении преобразователя переменного напряжения в постоянное, появляется возможность измерения и переменного напряжения.

Вольтметры переменного тока. Такие вольтметры состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Возможны две обобщенные структурные схемы вольтметров переменного тока (рис. 5.2), различающиеся своими характеристиками. В вольтметрах по схеме рис. 5.2,а измеряемое напряжение u х , сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подается на УПТ и ИМ , являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. Преобразователь Пр представляет собой нелинейное звено, поэтому вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном диапазоне. В то же время указанные недостатки УПТ и особенности работы нелинейных элементов при малых напряжениях не позволяют делать такие вольтметры высокочувствительными.

Рис. 5.2. Структурные схемы вольтметров переменного тока

В вольтметрах, выполненных по схеме рис. 5.2,б , благодаря предварительному усилению удается повысить чувствительность. Однако создание усилителей переменного тока с большим коэффициентом усиления, работающих в широком диапазоне частот, – трудная техническая задача. Поэтому такие вольтметры имеют относительно низкий частотный диапазон (1 – 10 МГц).

Различают вольтметры амплитудного, среднего или действующего значения.

Рис. 5.3. Схема (а) и временная диаграмма сигналов преобразователя амплитудных значений (пикового детектора) с открытым входом

Вольтметры амплитудного значения имеют преобразователи амплитудных значений (пиковые детекторы) с открытым (рис. 5.3,а ) входом, где u вх и u вых – входное и выходное напряжение преобразователя. Если вольтметр имеет структуру рис. 5.3,а , то для преобразователя u вх =u х . В амплитудных преобразователях с открытым входом конденсатор заряжается практически до максимального u хmax положительного (при данном включении диода) значения входного напряжения (рис. 5.3,б). Пульсации напряжения u вых на конденсаторе объясняются его подзарядом при открытом диоде, когда u вх >u вых , и его разрядом через резистор R при закрытом диоде, когда u вх <u вых .

Универсальные вольтметры. Такие вольтметры предназначены для измерения напряжений постоянного и переменного токов. Обобщенная структурная схема показана на рис. 5.4, где В – переключатель. В зависимости от положения переключателя В вольтметр работает по схеме вольтметра переменного тока с преобразователем П (положение 1 ) или вольтметра постоянного тока (положение 2 ).

Рис. 5.4. Структурная схема универсального вольтметра

В универсальных вольтметрах, называемых также комбинированными, часто предусматривается возможность измерения сопротивлений R х . В таких вольтметрах имеется преобразователь П R , выходное напряжение которого зависит от неизвестного сопротивления: U вых =f(R x ). На основании этой зависимости шкала прибора градуируется в единицах сопротивления. При измерении резистор с неизвестным сопротивлением подключается к входным зажимам преобразователя, а переключатель ставится в положение 3 .

Импульсные вольтметры. Для измерения амплитуды импульсных сигналов различной формы применяют импульсные вольтметры. Особенности работы импульсных вольтметров определяются малой длительностью τ измеряемых импульсов (от 10-100 нс) и значительной скважностью

(до 10 9), где Т – период следования импульсов.

Импульсные вольтметры могут быть выполнены по структурной схеме рис. 5.2,а , при этом используют преобразователи амплитудных значений с открытым входом (рис. 5.3,а ). Большая скважность импульсов и малая их длительность предъявляют жесткие требования к преобразователям амплитудных значений. Поэтому в импульсных вольтметрах применяют компенсационные схемы амплитудных преобразователей (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Компенсационная схема амплитудного преобразователя

Входные импульсы u вх заряжают конденсатор С 1 . Переменная составляющая напряжения на этом конденсаторе, вызванная подзарядом его измеряемыми импульсами и разрядом между импульсами (аналогично рис. 5.3,б ), усиливается усилителем У переменного тока и выпрямляется с помощью диода D 2 . Постоянная времени цепи RC 2 выбирается достаточно большой, поэтому напряжение на конденсаторе С 2 в промежутке между импульсами изменяется незначительно. С выхода преобразователя при помощи резистора R о.с. обратной связи на конденсатор С 1 подается компенсирующее напряжение. При большом коэффициенте усиления усилителя это приводит к значительному уменьшению переменной составляющей напряжения на конденсаторе С 1 , вследствие чего в установившемся режиме напряжение на конденсаторе практически равно амплитуде измеряемых импульсов, а выходное напряжение пропорционально этой амплитуде:

.

Селективные вольтметры. Такие вольтметры предназначены для измерения действующего значения напряжения в некоторой полосе частот или действующего значения отдельных гармонических составляющих измеряемого сигнала.

Принцип действия селективного вольтметра заключается в выделении отдельных гармонических составляющих сигнала или сигнала узкой полосы частот с помощью перестраиваемого полосового фильтра и измерении действующего значения выделенных сигналов.

Физически реализуемый полосовой фильтр не обладает строго прямоугольной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Это может привести к тому, что через такой фильтр пройдут соседние гармонические составляющие с некоторым коэффициентом передачи. В этом случае селективный вольтметр измеряет действующее значение суммы гармонических составляющих, прошедших через фильтр, с учетом реальных коэффициентов передачи для каждой составляющей.

Рис. 5.6. Структурная схема селективного вольтметра

Измеряемый сигнал u х через избирательный входной усилитель ВУ подается на смеситель См, предназначенный для преобразования частотного спектра измеряемого сигнала. На выходе смесителя появляется сигнал, пропорциональный измеряемому сигналу, но с частотами спектра

, где - частота гармонических составляющих входного сигнала; - частота сигнала синусоидального генератораГ (гетеродина). Усилитель промежуточной частоты УПЧ настроен на некоторую фиксированную частоту

. Поэтому на выходУПЧ пройдет только та составляющая выходного сигнала смесителя, частота которой

. Этот сигнал соответствует гармонической составляющей измеряемого сигнала с частотой

. Действующее значение этой гармонической составляющей измеряется вольтметром действующего значенияВДЗ . Изменяя частоту генераторов , можно измерять действующее значение различных гармонических составляющих сигналаu х .

Функцию полосового фильтра в этой схеме выполняет УПЧ . Благодаря фиксированному (неперестраиваемому) значению частоты настройки УПЧ этот усилитель имеет большой коэффициент усиления и узкую полосу пропускания, что обеспечивает высокую чувствительность и избирательность селективного вольтметра.

Такие вольтметры состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Возможны две обобщенные структурные схемы вольтметров переменного тока (рис. 4.17), различающиеся своими характеристиками. В вольтметрах по схеме рис.4.17,а измеряемое напряжение и х сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подается на УПТ и ИМ, являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. Преобразователь Пр представляет собой мало­инерционное нелинейное звено, поэтому вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном диапазоне (от десятков герц до 10 3 МГц).

Рис.4.17. Структурные схемы вольтметров переменного тока

В вольтметрах, выполненных по схеме рис.4.17, б, благодаря пред­варительному усилению удается повысить чувствительность. Однако создание усилителей переменного тока с большим коэффициентом усиления, работающих в широком диапазоне частот,- достаточно трудная техническая задача. Поэтому такие вольтметры имеют относительно низкий частотный диапазон (1 - 10 МГц); верхний предел измерений при максимальной чувствительности составляет десятки или сотни микровольт.

В зависимости от вида преобразователя переменного напряжения в постоянное отклонения указателя измерительного механизма вольтметров могут быть пропорциональны амплитудному (пиковому), среднему (средневыпрямленному) или действующему значениям измеряемого напряжения.

Вольтметры амплитудного значения имеют преобразователи амплитудных значений (пиковые детекторы) с открытым (рис. 4.18, а ) или закрытым (рис. 4.19, а ) входами, где и вх и и вых - входное и выходное напряжения преобразователя.

Рис. 4.18. Схема (а) и временные диаграммы сигналов (б и в) преобразователя амплитудных значений (пикового детектора)

с открытым входом

В амплитудных преобразователях с открытым входом конденсатор заряжается практически до максимального и х m ах положительного (при данном включении диода) значения входного напряжения (см. рис. 4.18, б ). Пульсации напряжения u вых на конденсаторе объясняются его подзарядом при открытом диоде и разрядом через резистор R при закрытом диоде.

Среднее значение выходного напряжения и ср » и хтах и, следовательно, угол отклонения указателя измерительного механизма

(4.29)

где k y - коэффициент преобразования вольтметра.

Особенностью амплитудных преобразователей с открытым входом является то, что они пропускают постоянную составляющую входного сигнала (положительную для показанного включения диода)

При и вх = U o + U m sin ωt среднее значение выходного напряжения и СР ≈ U о + Um. Следовательно,

(4.30)

Очевидно, при U BX <0 подвижная часть ИМ не будет отклоняться, поскольку в этом случае закрыт диод Д.

Рис. 4.19. Схема (а) и временные диаграммы сигналов (б)

преобразователя амплитудных значений с закрытым входом

В преобразователях с закрытым входом (рис.4.19, а, б) в установившемся режиме на резисторе R независимо от наличия постоянной составляющей входного сигнала имеется пульсирующее напряжение u R изменяющееся от 0 до -2U m где U m - амплитуда переменной составляющей входного напряжения. Среднее значение этого напряжения практически равно U m . Для уменьшения пульсаций выходного напряжения в таких преобразователях устанавливается фильтр нижних частот R ф С ф. Таким образом, показания вольтметра в этом случае определяются только амплитудным значением переменной составляющей входного напряжения и х, т. е. a = k v U m .

Поскольку шкала вольтметров градуируется в действующих значениях синусоидального напряжения, то при измерении напряжений другой формы необходимо делать соответствующий пересчет, если известен коэффициент амплитуды измеряемого напряжения. Амплитудное значение измеряемого напряжения несинусоидальной формы

где k ac = = 1,41 -коэффициент амплитуды синусоиды; U np - значение напряжения, отсчитанное по шкале прибора.

Действующее значение измеряемого напряжения

где k a - коэффициент амплитуды измеряемого напряжения.

Вольтметры среднего значения имеют преобразователи пе­ременного напряжения в постоянное, аналогичные преобразователям, используемым в выпрямительных приборах. Такие вольтметры обычно имеют структуру, показанную на рис.4.17,б. В этом случае на выпрямительный преобразователь подается предварительно усиленное напряжение и х, что повышает чувствительность вольтметров и уменьшает влияние нелинейности диодов. Угол отклонения подвижной части измерительного механизма у таких вольтметров пропорционален средневыпрямленному значению измеряемого напряжения, т. е.

(4.33)

Шкала таких вольтметров также градуируется в действу­ющих значениях синусоидального напряжения. При измерении напряжения несинусоидальной формы среднее значение этого напряжения

а действующее:

где U ПР - показание вольтметра; k фс = 1,11 - коэффициент формы синусоиды; k Ф - коэффициент формы измеряемого напряжения.

Вольтметры действующего значения имеют преобразователь переменного напряжения с квадратичной статической характеристикой преобразования и ВЫХ = k u ВХ 2 . В качестве такого преобразователя используют термопреобразователи, квадратирующие устройства с кусочно-линейной аппроксимацией параболы, электронные лампы и другие. При этом если вольтметр действующего значения выполнен по структурным схемам, изображенным на рис.4.17, то независимо от формы кривой измеряемого напряжения отклонение указателя измерительного механизма пропорционально квадрату действующего значения измеряемого напряжения:

(4.36)