Тема 2.3 Аналоговые электронные вольтметры

2.3.1 Общие сведения

При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключают параллельно участку исследуемой цепи. Для уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление - велико. Поэтому в последние годы в основном используют электронные вольтметры.

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерительного прибора. В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное сопротивление и чувствительность, широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20 Гц до 1000 МГц), малое потребление тока из измерительной цепи.

Классифицируют электронные вольтметры по ряду признаков:

• по назначению - вольтметры постоянного, переменного и импульсного напряжений; универсальные; фазочувствительные; селективные;

• по способу измерения - приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

• по характеру измеряемого значения напряжения - амплитудные (пиковые), среднего квадратического значения, средневыпрямленного значения;

• по частотному диапазону - низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные.

Кроме того, все электронные приборы можно разделить на две большие группы: аналоговые электронные со стрелочным отсчетом и приборы дискретного типа с цифровым отсчетом.

При измерениях силы тока электронным вольтметром, вначале ток преобразуется в напряжение, а затем определяют по формуле: I_x = U_x / R_0, где R_o - образцовое расчетное сопротивление.

2.3.2 Техника измерения напряжения

Для измерения напряжения необходимо правильно выбрать прибор с учетом его диапазона измерения, частотного диапазона, класса точности, потребления мощности из измерительной цепи, влияния формы сигнала на результат измерения. Эти параметры указаны в технической документации на прибор. При этом следует обратить внимание на следующие важные обстоятельства.

При измерении гармонических напряжений частота измеряемого сигнала должна находиться в пределах рабочего диапазона частот. Следует проверить по паспорту, не имеет ли место дополнительная частотная погрешность в измеряемой точке.

При измерении сигналов сложной формы частотный диапазон выбирают с учетом высших гармоник. Если используется электронный прибор с амплитудным детектором, то по его показаниям можно определить среднее квадратическое значение U только для случая, когда известен коэффициент амплитуды измеряемого сигнала.

Аналогично, при измерении прибором с преобразователем средневыпрямленного значения U_пр для определения среднего квадратического значения сигнала нужно знать коэффициент его формы К_ф.сиг. Тогда, с учетом формулы (3.6), получим:

, (2.3)

Необходимо помнить, что приборы средневыпрямленного значения подчас вообще непригодны для измерения сигналов сложной формы, поскольку не обеспечивают необходимого рабочего диапазона частот.

При измерениях на переменном токе с помощью электронных приборов следует иметь в виду, что основная их масса имеет «закрытый вход» для постоянной составляющей сигнала.

Это позволяет производить измерения в схемах, где уровень сигнала значительно меньше, чем постоянные напряжения режима покоя схемы. Однако при измерении импульсных сигналов приборами с амплитудными преобразователями на это следует обратить особе внимание.

Рисунок 2.4 Диаграммы к вольтметру с амплитудным преобразователем

На временных диаграммах, представленных на рис. 2.4, показано, как можно определить параметры однополярных прямоугольных импульсов, амплитуда U_р, длительность τ и частота ƒ = 1 /T следования которых известны.

Пусть шкала измерительного прибора отградуирована в средних квадратических значениях синусоиды. Тогда показание прибора с амплитудным преобразователем измеряемого напряжения должно быть U_np = U_m/I 1,41. Вследствие того, что прибор реагирует только на переменную составляющую сигнала, представленную на рис. 2.4 по отношению временной оси t', показания прибора будут: U_пр = U⁺_m/1,41 или U_пр = U^-_m/1,41 в зависимости от полярности его подключения, где U⁺=U_P(T-τ)/Т = положительное амплитудное значение; U = U_p τ/T - отрицательное амплитудное значение импульса.

Формулы перевода напряжений получены из условия равенства нулю постоянной составляющей, т.е. площади S_] и S₂ относительно оси времени t' равны:

S₁ = U⁺_mτ S₂ = U^-_m (T-τ), (2.4)