§2. Методы измерения и классификации вольтметров и амперметров. §3. Структурные схемы приборов

В зависимости от частотного диапазона ЭВ делятся на вольтметры переменного тока низких частот и переменного тока высоких частот, которые различаются по структурным схемам.

В вольтметрах низких частот (рис. 19, а) измеряемое напряжение предварительно усиливается усилителей низкой частоты (УНЧ) и затем с помощью детектора Д преобразуется в постоянное напряжение, непосредственно фиксируемое выходным магнитоэлектрическим прибором И. Частотный диапазон применимости этой схемы ограничивается полосой пропускания используемого усилителя и резонансными свойствами входной цепи.

Для измерения на высоких частотах подобную схему не применяют из-за возрастающего влияния индуктивностей подводящих проводников и паразитных емкостей. Поэтому в высокочастотных ЭВ детектирующий узел Д (рис. 19, б) выполняют в виде отдельного выносного «пробника», обеспечивающего подключение входных электродов к измеряемому напряжению без дополнительных подводящих проводников. Продетектированное напряжение с выхода узла Д усиливается усилителем постоянного тока УПТ и воздействует на выходной прибор И.

Независимо от типа ЭВ и измеряемого им параметра его качество можно определять рядом характеристик, к числу которых обычно относят значения входного сопротивления Rвх и входной емкости Свх, характер шкалы (линейный, квадратичный), пределы измерения, тип входа (открытый, закрытый) и точность измерения, нормируемую ГОСТ 9781—61 по значениям основной приведенной погрешности: 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0%.

Рис. 18. Структурные схемы электронных вольтметров:

а - низкочастотных;

б - высокочастотных.

Рис. 19. Формы напряжений, измеряемых ламповыми вольтметрами.

Вольтметры с квадратичной шкалой применяются для измерения эффективных (действующих) значений переменного напряжения. В простейших ЭВ этого типа используются начальные, близкие к квадратичным, участки вольтамперных характеристик ламповых или полупроводниковых диодов. Однако эти участки ограничены малыми пределами изменения напряжения (не более 1В) и характеризуются низкой стабильностью во времени. Поэтому в современных ЭВ для получения квадратичной зависимости применяют искусственные цепи типа диодных аппроксиматоров, позволяющих получить квадратичную характеристику в результате кусочно-гладкой аппроксимации параболической кривой.

Подобный аппроксиматор состоит из ряда последовательно соединенных элементарных диодных ячеек (рис. 20). Полагая, что прямое сопротивление диода Rп 0, а обратное Rоб можно считать, что ток диода равен нулю пока напряжение Ux , подводимое к его аноду, меньше напряжения смещения Еi задаваемого делителем напряжения Ri', Ri", и линейно метется при Ux>Ei . Подобные ячейки соединяют последовательно, а сопротивления резисторов Ri', Ri", делителей напряжения, подключаемых к диодам, рассчитаны так, чтобы на каждый последующий диод подавалось смещение еi > еi-1 . При этом условии ток через измерительный прибор И будет последовательно возрастать по мере достижения измеряемым напряжением значений E1 ,E2 ,. . . En . Очевидно, что точность аппроксимации параболы будет возрастать с увеличением числа ячеек.

Рис. 20. Схема построения электронных вольтметров.

Рис. 21. Схема диодного вольтметра с открытым входом и автоматическим смещением.

Для того чтобы ЭВ измеряли не симметричные напряжения, на входе цепи предусматривается схема линейного двухполупериодного выпрямителя, включенного во вторичную обмотку широкополосного трансформатора с равномерной амплитудно-частотной характеристикой в пределах частотного диапазона применения данного ЭВ.

Для измерения амплитудных (пиковых) значений напряжений применяют диодные детекторы с автоматическим смещением с открытым или закрытым входом, а также ЭВ компенсационного типа. Упрощенная схема ЭВ первого типа и график показаны на рис 21, а, б. При подаче на его вход напряжения Ux=UmSin t конденсатор С быстро заряжается Uc=Um, так как постоянная времени его заряда з=RiС очень мала. С момента времени t1 диод Д закрывается (к его аноду приложено отрицательное напряжение Um большее, чем текущее значение напряжения Ux=UmSin t) и конденсатор начинает разряжаться через очень большое сопротивление Rp с постоянной времени

(15)

Разряд происходит до момента времени t2, когда выполняется равенство напряжении Uс(t)=UmSin t, после чего конденсатор С снова подзарядится до значения uM. Этот процесс будет происходить периодически с частотой измеряемого напряжения. Но так как , то среднее значение Ucp на конденсаторе С будет тем ближе к Um, чем резче выражено неравенство .

Под воздействием напряжения Uc(t) через резистор Rp в установившемся состоянии будет протекать ток

(16)

Падение напряжения на Rp после дополнительного фильтра нижних частот RфСф, усиливается усилителем постоянного тока (УПТ) и обеспечивает соответственное отклонение а стрелки выходного указателя И, пропорциональное току IcpkUm. При измерении пульсирующего напряжения показания прибора будут пропорциональны Umax .

Рис. 22. Схема диодного вольтметра с закрытым входом и автоматическим смещением.

Диодные ЭВ с закрытым входом строят по структурной схеме рис. 22, а. Они отличаются от ЭВ с открытым входом только схемой детектирующего узла, выполняемого, как правило, в виде выносного «пробника», обеспечивающего применение его до очень высоких частот.

При измерении синусоидального напряжения показания выходного указателя И в этом ЭВ будут также пропорциональны значению Um как и в схеме рис. 21. Но поведение ЭВ с закрытым входом при измерении пульсирующих напряжений будет существенно отличаться. При этом возможны два варианта подключения напряжения к входу схемы: минусом или плюсом к катоду диода Д.

В первом случае конденсатор С будет заряжаться до напряжения Ucp' Umax, и ток (рис. 22, б)

(17)

где U0 и Um1 - соответственно постоянная составляющая пульсирующего напряжения и амплитуда положительной полуволны его переменной части.

Во втором случае конденсатор С будет заряжаться до напряжения Ucp" Umin (рис. 22, б), и ток через резистор Rр окажется равным

(18)

где Um2 — амплитуда отрицательной полуволны переменной составляющей пульсирующего напряжения; Umin — минимальное значение этого напряжения.

Это свойство вольтметра с закрытым входом измерять Um1 или Um2 используется в мо-дулометрах.

Оба типа ЭВ относятся к пиковым вольтметрам с линейной шкалой, хотя на практике их шкалы чаще градуируют не в пиковых, а в эффективных значениях измеряемого напряжения. Вид градуировки указывается на стрелочном приборе.

Рассмотренные диодные пиковые вольтметры можно применять для измерения амплитуды импульсных напряжений, но их показания будут зависеть не только от значения Um, но и от коэффициента заполнения /Т, что требует введения соответствующих поправок для каждого значения /Т. Поэтому для измерения амплитуд импульсных напряжений разработаны специальные устройства - автокомпенсационные импульсные вольтметры. Эти вольтметры обеспечивают высокую точность измерения импульсных напряжений, присущую компенсационным схемам, но не требуют ручных операций установки компенсирующего напряжения. Автокомпенсационные импульсные вольтметры можно выполнять по схемам с открытым или

закрытым входом.

На рис. 23 показана структурная схема автокомпенсационного вольтметра с закрытым входом. При приходе на схему положительного импульса конденсатор С заряжается через диод Д1 и резистор R. Получающееся при этом на резисторе R импульсное напряжение усиливается инвертирующим импульсным усилителем У с большим коэффициентом усиления. Выходные импульсы с усилителя отрицательной полярности через диод Д2 дозаряжают конденсатор С. Процесс подобного дозаряда конденсатора будет происходить до тех пор, пока напряжение Uc на нем не будет равным амплитуде входных импульсов. Практически напряжение Uc отличается от Um на величину U тем меньшую, чем больше коэффициент усиления усилителя У и чем больше сопротивление резистора Rн. Падение напряжения на rн измеряется вольтметром постоянного тока ЛВ.

Рис. 23. Структурная схема автокомпенсационного вольтметра с закрытым входом.

Рис. 24. Структурная схема автокомпенсационного вольтметра с открытым входом.

Упрощенная структурная схема автокомпенсационного импульсного вольтметра с открытым входом приведена на рис. 24. Входной импульс положительной полярности через диод Д1 заряжает - конденсатор C1 малой емкости. Так как после окончания импульса диод Д1 закрывается, то заряд, накопленный на C1, будет перераспределяться через резистор R между C1 и C2>>C1. Импульс с экспоненциальным спадом, возникающий в точке а, усиливается усилителем У (обязательно с четным числом каскадов) и подзаряжает конденсатор С2 через диод Д2. Каждый последующий импульс будет таким же образом подзаряжать C2 до тех пор, пока напряжения на C1 и С2 не станут равными амплитуде Um измеряемых импульсов. Установившееся напряжение на конденсаторе С2 измеряется ламповым вольтметром ЛВ постоянного тока с большим входным сопротивлением.

Недостатком подобных приборов является то, что они способны следить только за увеличивающимися значениями Um, а при контроле амплитуд, уменьшающихся во времени, перед каждым отсчетом Um следует разряжать выходной конденсатор С2.

Иногда возникает необходимость измерения амплитуд одиночных или редко следующих импульсов, например в радиолокации, в полупроводниковой технике при формировании переходов с помощью однократных импульсных воздействий, при исследовании однократных импульсных помех и т. д. Из известных методов измерения амплитуды одиночных импульсов наиболее распространены два метода:

1)метод расширения измеряемого импульса на уровне пикового значения с последующим запоминанием этого уровня для измерения вольтметром постоянного тока с большим входным сопротивлением;

2)метод, основанный на преобразовании амплитуды Um импульса в длительность прямоугольного импульса, пропорциональную измеряемой амплитуде, и последующего измерения длительности цифровым устройством или иным способом.