1.4 Структурная схема аналогового электронного вольтметра переменного тока для сигналов большого уровня

Указанная схема приведена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема вольтметра для напряжений большого уровня

В вольтметрах переменного тока обязательно применяется детектор (это измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное).

По функции преобразования входного напряжения в выходное, детекторы подразделяются на:

− амплитудные (пиковые);

− среднего квадратического значения;

− средневыпрямленного значения.

Свойства вольтметра во многом определяются типом используемого де-тектора. Вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высоко-частотными. Последнее достигается за счёт применения специального выносно-го узла – пробника ( ВЧ вход ). При этом верхний предел частотного диапазона составляет 1000 МГц. Одновременно такие вольтметры обладают низкой чувст-вительностью из-за отсутствия усилителя переменного напряжения. Более по-дробно работа различных детекторов рассматривается ниже.

1.5 Структурная схема электронного вольтметра для напряжений низкого уровня

Рис. 3. Структурная схема электронного милливольтметра

Особенностью схемы является наличие второго усилителя – усилителя переменного напряжения, что обусловливает высокую чувствительность такого вольтметра и значительное сужение частотного диапазона (30…100 МГц)

в сравнении с вольтметром амплитудного значения. Таково свойство усилителя переменного напряжения: он не может одновременно быть широкополосным и обладать значительным коэффициентом усиления. Применяемые в этой схеме детекторы являются детекторами среднеквадратичного значения или средне-выпрямленного.

Вольтметры с детекторами среднего квадратичного значения измеряют напряжение любой формы. Вольтметры средневыпрямленного значения изме-ряют гармонические сигналы, но являются самыми простыми и надёжными. Из сказанного видно, что в зависимости от вида преобразования показание вольт-метра может быть пропорционально амплитудному ( пиковому ), средневы-прямленному или среднеквадратичному значению. Однако шкалу любого элек-тронного вольтметра градуируют в среднеквадратичных (действующих) значе-ниях напряжения синусоидальной формы. Исключение составляют импульсные вольтметры, шкалу которых градуируют в амплитудных значениях.

Рассмотрев особенности структурных схем электронных аналоговых вольтметров, можно дать определение электронного вольтметра.

Электронный вольтметр – прибор, показания которого обусловлены то-ком электронных элементов, т.е. энергией источника питания.

Измеряемое напряжение управляет током электронных приборов, благо-даря чему входное сопротивление электронных вольтметров достигает весьма больших значений, и они допускают значительные перегрузки.

1.6 Измерительные преобразователи, используемые в аналоговых электронных вольтметрах

Преобразователь амплитудного (пикового) значения (преобразователь типа ПАЗ)

Данный преобразователь выполняют по схеме с открытым или закрытым входом.

На рис. 4 приведена схема преобразователя типа ПАЗ с открытым входом, а на рис .5 – процесс преобразования переменного напряжения в постоянное.

Рис. 4. Схема преобразователя типа ПАЗ с открытым входом

При приложении напряжения конденсатор через диод будет заряжаться до некоторого значения U_c, которое обусловит работу диода в режиме отсечки, т.е. большую часть периода диод будет закрыт. В течение каждого периода диод открывается на некоторый промежуток времени , когда U>U_c, подзаряжая конденсатор импульсом тока до напряжения

U_смакс ,затем диод закрывается и конденсатор разряжается через резистор R.

Рис. 5. Процесс преобразования переменного напряжения в постоянное

В результате амплитудного преобразования получаем среднее значение слабо пульсирующего напряжения , которое назовём пиковым значением

Напряжение поступает на вход усилителя постоянного тока (УПТ).

В схеме вольтметр типа ПАЗ УПТ предназначен для :

− повышения чувствительности индикатора;

− согласование выходного сопротивления преобразователя с сопротив–

лением индикатора.

Преобразователь типа ПАЗ с закрытым входом (рис. 6) представляет собой последовательное соединение конденсатора постоянной ёмкости с параллельно соединёнными диодом Д и резистором R.

Рис. 6. Схема амплитудного преобразователя с закрытым входом

В этой схеме процесс преобразования переменного напряжения в посто-янное аналогичен рассмотренному выше. Отличие заключается в том, что на зажимах 3–4 возникают значительные пульсации напряжения, для сглажива-ния которых предусмотрен фильтр .

Теперь рассмотрим процесс преобразования пульсирующего напряжения (присутствует постоянная составляющая) преобразователем с открытым и за-крытым входом. Эти процессы зависят от полярности подключения к входным зажимам 1–2 постоянной составляющей пульсирующего напряжения. Если на вход преобразователя ПАЗ с открытым входом включено пульсирующее напря-жение так, что «+» постоянной составляющей приложен к аноду диода, то вход-ное напряжение где – постоянная составляющая,

а – амплитуда положительного полупериода переменной составляющей (рис. 7).

Рис. 7. Диаграмма напряжений в преобразователе ПАЗ с открытым входом

Если к аноду диода приложен « − » постоянной составляющей, то диод закрыт всё время и преобразование отсутствует.

Если к аноду преобразователя ПАЗ с закрытым входом приложено пуль-сирующее напряжение, то конденсатор С заряжен постоянной составляющей и преобразователь реагирует только на переменную составляющую: если к аноду диода приложен «+», то выходное напряжение, а если «–», то (рис. 8).

Рис. 8. Диаграмма напряжений в преобразователе ПАЗ с закрытым входом

Таким образом, с помощью вольтметров с преобразователем ПАЗ с за-крытым входом возможно измерять отдельно значения напряжения положи-тельного или отрицательного полупериодов. Это свойство используют для оп-ределения симметричности амплитудной модуляции, наличия ограничения сиг-налов и т.д.

Пример.

С помощью вольтметра типа ПАЗ (вход закрытый) измеряется последова-тельность прямоугольных импульсов с известной амплитудой , периодом Т и длительностью (рис. 9). Требуется определить показания вольтметра.

Решение.

Так как вход ПАЗ закрытый, то вольтметр будет реагировать только на переменную составляющую заданного сигнала.

Рис. 9. Диаграмма к вольтметру типа ПАЗ с закрытым входом

Переменная составляющая сигнала представлена по отношению времен-ной оси амплитудами и , значения которых определяются выраже-ниями:

,

где , а q – скважность, равная .

Указанные выражения получены из условия равенства нулю постоянной составляющей, т.е. площади и относительно оси времени равны :

Показание вольтметра типа ПАЗ пропорционально амплитудному значе-нию сигнала, деленному на 1,41 (из-за градуировки шкалы в средних квадрати-ческих значениях синусоиды). С учётом особенности вольтметра типа ПАЗ из-мерять обе полярности знакопеременного сигнала мы получим следующие по-казания вольтметра:

– для положительной полярности

– для отрицательной полярности

.

Рассмотрим частотные свойства вольтметров с преобразователем ПАЗ. Для понимания суммарной работы ПАЗ на частотах порядка Ггц представим два варианта размещения ПАЗ в схеме вольтметра: первый вариант – ПАЗ внут-ри корпуса вольтметра, второй вариант – вне корпуса на расстоянии от УПТ, например, в 1 м.

Для первого варианта эквивалентная схема замещения будет иметь следу-ющий вид (рис. 10).

Рис. 10. Входная цепь ПАЗ, расположенного внутри корпуса вольтметра

В этой схеме и – индуктивности и сопротивления жил входного кабеля, по которому проходит знакопеременный измеряемый сигнал – сумма всех паразитных ёмкостей, имеющихся на входе: между зажи-мами соединительными проводами а также между электродная ёмкость диода. – активное входное сопротивление вольтметра, составляющее на низких частотах единицы мега Ом, а на высших десятки и даже единицы кило Ом.

Эквивалентная схема на рис.10 представляет собой последовательный колебательный контур, собственная резонансная частота которого

где .

Из-за больших значений получается не очень высокой, т.е. при измерении высокочастотных сигналов возможно возникновение резонанса на-пряжений и, следовательно, резонансной погрешности. Последняя может быть значительной, так как при РН напряжение на входе вольтметра может в десятки и сотни раз превышать уровень измеряемого сигнала.

Во втором варианте (рис. 11), разместив ПАЗ вне корпуса вольтметра в виде выносного узла – пробника, мы резко сокращаем путь протекания пере-менного сигнала от 1м до сантиметра (длина щупов), т.е. снижаем и повышаем . В этом случае входная ёмкость пробника не превышает 1,5 пФ, а собственная резонансная частота составляет 2-2,5 ГГц. Таким образом мы обеспечиваем широкую полосу частот (до 1 ГГц) амплитудных (пиковых) вольтметров.

Однако при этом мы проигрываем в чувствительности (порог чувстви-тельности 0,1 В).

Рис. 11. Компоновка вольтметра типа ПАЗ с использованием выносного пробника

Выходное напряжение ПАЗ с помощью внутреннего делителя напряже-ния делится на , в результате чего на вход УПТ поступает 0,707 и инди-катор градуируется в средних квадратических значениях измеряемого напряже-ния. Так как градуировка производится при синусоидальной форме напряже-ния, то при измерении напряжения другой формы необходимо показание вольт-метра умножить на 1,41 (получаем пиковое значение измеряемого напряжения) и разделить на коэффициент амплитуды измеряемого напряжения (получаем действующее значение), т.е.

,где – показание вольтметра; – новое значение коэффициента амплитуды, например: для меандра .

Преобразователь средневыпрямленного значения (преобразователь

типа ПСЗ)

Преобразователь типа ПСЗ аналогичен детектору, применяемому в аналоговых электромеханических вольтметрах выпрямительной системы. Выходное напряжение усилителя переменного тока поступает на выпрямительный преобразователь (мостовая схема) и через микроамперметр протекает постоянная составляющая выпрямленного тока, пропорциональная средневыпрямленному значению измеряемого напряжения:

Шкалу индикатора градуируют в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. При измерении напряжения несинусоидальной формы следует произвести пересчёт показаний вольтметра по формуле:

,

где – коэффициент формы при синусоидальной форме напряжения (1,11); – для несинусоидального сигнала (например: для меандра – 1).

Аналоговый электронный вольтметр средневыпрямленного значения обладает высокой чувствительностью (за счёт дополнительного усиления), и сравнительно узкой полосой частот измеряемых напряжений ( 10 МГц). Обе эти характеристики обусловлены применением усилителя переменного напряжения.

Преобразователь среднего квадратического значения (преобразователь

типа ПДЗ)