2. Параметры напряжении переменного тока

При измерении напряжения постоянного тока определяют его значение. Целью измерения напряжения переменного тока явля­ется, как правило, нахождение значения какого-либо его парамет­ра и сравнительно редко — мгновенного значения, т. е. значения напряжения в определенный момент времени (в таких случаях пользуются осциллографом).

Напряжения переменного тока характеризуют четырьмя основ­ными параметрами: пиковым, средним, средневыпрямленным и среднеквадратическим значениями.

Пиковое значение U_т (амплитудное — для синусоидальных сигналов) — наибольшее мгновенное значение напряжения за вре­мя измерения (или за период, рис. 5.1,а; при разнополярных не­симметричных кривых напряжения различают положительное и отрицательное

рис.5.1.

пиковые значения — рис. 5.1,б). Следует напомнить, что о пиковом значении напряжения случайного сигнала можно говорить только в вероятностном смысле.

Среднее значение за время измерения (или за период) — пос­тоянная составляющая напряжения:

(5.1)

Средневыпрямленное значение — это среднее значение модуля напряжения:

(5.2)

Если Т=1, то средневыпрямленное значение равно площади, ограниченной кривой напряжения (рис. 5.2).

При однополярных напряжениях среднее значение (постоян­ная составляющая) равно средневыпрямленному. При разнополярных напряжениях эти два параметра различны. Например, для синусоидального напряжения

Среднеквадратическое значение напряжения за время измере­ния (или за период)

(5.3)

Напомним, что квадрат среднеквадратического значения пе­риодического напряжения несинусоидальной формы равен сумме

Рис.5.2

квадратов среднеквадратических значении постоянной и всех гар­монических составляющих этого напряжения:

(5.4)

или, иначе говоря, среднеквадратическое значение периодического напряжения сложной формы

(5.5)

Как видно из (5.4) и (5.5), среднеквадратическое значение пе­риодического напряжения несинусоидальной формы не зависит от фазовых соотношений между гармоническими составляющим«.

Связь между пиковым (амплитудным), среднеквадратическим и средневыпрямленным значениями напряжения данной формы устанавливается посредством коэффициента амплитуды, равного отношению пикового значения к среднеквадратическому:

(5.6)

и коэффициента формы кривой, определяемого отношением сред­неквадратического значения к средневыпрямленному:

(5.7)

В технике связи коэффициент амплитуды называют пик-фак­тором. Его принято выражать в логарифмических единицах: Коэффициент формы называют форм-фактором и также выражают в логарифмических единицах:

В качестве примеров определим значения k_а и k_ф для напря­жений различных форм:

1. Синусоидальное напряжение. Для него, как известно, спра­ведливы соотношения Следовательно, коэффициент амплитуды k_а = 1,41; коэффициент формы k_ф=1,11.

2. Напряжение пилообразной формы (рис. 5.3,а), имеющее пи­ковое значение U_т и период Т. Мгновенное значение напряжения в первый период u(t) = (U_т/Т)t. Среднеквадратическое значение согласно (5.3)

Средневыпрямленное значение находится из гра­фика (рис. 5.3,а) путем деления площади треугольника на период,

Рис.5.3

Коэффициент амплитуды Коэффициент формы

3. Напряжение прямоугольной формы с симметричными полупериодами — меандр (рис. 5.3,6)

Среднеквадратическое значение U=U_т, средневыпрямленное значение U_ср.в=Um, коэффициент амплитуды k_а= 1, коэффициент формы k_ф= 1.

3. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ВОЛЬТМЕТРОВ

Структурная схема аналогового электронного вольтметра в са­мом общем виде состоит из входного блока, измерительного пре­образователя, показывающего прибора и блока питания.

Входной блок обычно содержит набор делителей напряжения — аттенюаторов, с помощью которых изменяют пределы измерения, и эмиттерный (истоковый) повторитель (в приборах с предвари­тельным усилителем), служащий для создания высокого входного сопротивления прибора.

Измерительным преобразователем вольтметра постоянного то­ка служит усилитель мощности постоянного тока, увеличивающий мощность исследуемого сигнала до уровня, достаточного для зна­чительного отклонения указателя отсчетного устройства. У вольт­метров переменного тока измерительный преобразователь — это устройство, преобразующее напряжение переменного тока в нап­ряжение постоянного тока и называемое для кратности просто преобразователем (название детектор признано устаревшим). Его применяют обычно в сочетании с усилителем (напряжения пере­менного тока до преобразователя или постоянного тока — после него).

Показывающий прибор — это магнитоэлектрический стрелоч­ный электроизмерительный прибор или другое показывающее уст­ройство аналогового типа. За последние годы активно разрабаты­вают и все шире используют электронные аналоговые линейчатые индикаторы, выполняемые на основе ламп накаливания, жидких кристаллов, светоизлучающих диодов и газоразрядных элементов. Эти устройства отображения в виде светящихся полосок перемен­ной длины обладают высокой разрешающей способностью. Для измерительных приборов, имеющих такие индикаторы, не опасен выход показания за пределы шкалы («зашкаливание»), отпадает необходимость в сложных средствах демпфирования, присущих стрелочным приборам, характерна независимость показаний от по­ложения прибора. Аналоговые линейчатые индикаторы удобны при измерениях в режиме слежения за постоянством значения контролируемого напряжения, фиксации пикового значения и констатации факта выхода за допускаемые пределы. В то же время следует иметь в виду, что линейчатые индикаторы во многих си­туациях уступают цифровым устройствам отображения.

Поскольку, как уже отмечалось, среди аналоговых электронных вольтметров наиболее распространены стрелочные приборы, то в дальнейшем будем говорить о них, не рискуя нарушить общности рассуждений.

Напомним, что измерительные механизмы магнитоэлектричес­ких приборов обладают относительно большим моментом инер­ции и применяются только для измерения постоянных токов и нап­ряжений. Если подать на магнитоэлектрический стрелочный при­бор высокочастотное синусоидальное напряжение, то стрелка оста­нется неподвижной. При подведении пульсирующего напряжения, представляющего собой сумму постоянной и высокочастотной пе­ременной составляющих, стрелка получит отклонение, обусловлен­ное постоянной составляющей. Показания прибора будут соот­ветствовать постоянной составляющей и при других напряжениях сложной формы (в которых отсутствуют весьма низкочастотные составляющие). Иначе говоря, магнитоэлектрический прибор ус­редняет поданное на его вход напряжение сложной формы: от­клонение стрелки дает среднее значение напряжения. Однако если в измеряемом напряжении содержатся составляющие низких час­тот, то стрелка совершает колебания около среднего значения. Во избежание этого применяют фильтры нижних частот.

Структурная схема стрелочного электронного вольтметра для измерения напряжения постоянного тока приведена на рис. 5.4 (источники питания здесь и на последующих рисунках не изобра­жены).

Для приборов, измеряющих напряжение переменного тока, ха­рактерны три варианта структурной схемы, что зависит от типа преобразователя (рис. 5.5,а—в). Принцип действия вольтметра, достроенного по схеме на рис. 5.5,а, заключается в преобразова­нии напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока, которое измеряется стрелочным электроизмерительным прибором. Такие приборы пригодны лишь для измерения напряжений зна­чительной амплитуды (их используют для контроля напряжения в низкочастотных и высокочастотных измерительных генераторах, модуляторах мощных генераторов и т. п.), так как для измерения малых напряжений они недостаточно чувствительны. Поэтому в подобных случаях применяют вольтметры, у которых после преоб­разователя (рис. 5.5,б) либо до него (рис. 5.5,в) дополнительно включен усилитель.

Рис.5.4

Рис.5.5

Сравнивая структурные схемы на рис. 5.5,б и в, можно еще до изучения конкретных схемных решений установить ряд свойств приборов, оценить их достоинства и недостатки. Вольтметры, по­строенные по первой схеме, отличаются очень широким диапазо­ном частот: они позволяют измерять напряжения высоких частот вплоть до 1 ГГц. Приборы же, выполненные по второй схеме, име­ют более узкую полосу, ограниченную полосой пропускания уси­лителя напряжения переменного тока (как правило, до 10... ...50 МГц). Зато схема, показанная на рис. 5.5,б, позволяет полу­чить более высокую чувствительность, чем предыдущая, поскольку усилитель включен перед преобразователем. Такие схемы исполь­зуют в милли- и микровольтметрах, причем основным фактором, ограничивающим нижний предел измеряемого напряжения, явля­ются собственные шумы усилителя. Следует отметить, что в схеме с предварительным усилителем возможны искажения формы нап­ряжения (нелинейные искажения), которые практически отсутст­вуют в схеме, начинающейся с преобразователя.

При сопоставлении схем, изображенных на рис. 5.4 и 5.5,б, вид­но, что их можно сочетать в одном приборе. Такой универсальный вольтметр (рис. 5.5,г) служит для измерения напряжений как пе­ременного, так и постоянного тока.

Возможен еще один вариант структурной схемы электронного вольтметра: входное устройство — усилитель переменного напряжения — преобразователь — усилитель постоянного тока — маг­нитоэлектрический прибор. Подобные схемы встречаются относительно редко.

В заключение отметим, что стрелочные электронные вольтмет­ры характеризуются сравнительно невысокой точностью (по отно­шению к цифровым вольтметрам): у лучших типов приборов при­веденная погрешность 1 ...2,5%. Однако при решении многих прак­тических задач такой точности вполне достаточно.