3 Аналоговые электронные вольтметры

Для измерения напряжения (как энергетического параметра электромагнитных колебаний) в диапазоне частот от постоянного тока до 1000 МГц предназначены приборы группы В. Среди них для измерения напряжения в указанном диапазоне частот предназначены приборы видов:

В2 – электронные вольтметры для измерения напряжения постоянного тока;

В3 – электронные вольтметры для измерения напряжения переменного тока;

В4 – электронные вольтметры для измерения импульсных напряжений;

В7 – универсальные электронные вольтметры.

В радиоэлектронных устройствах используются периодические сигналы, форма которых далека от синусоидальной. Измерение напряжения таких сигналов электронными вольтметрами имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать, чтобы избежать методических погрешностей.

Характеристики переменного напряжения

В качестве характеристики напряжения периодического сигнала произвольной формы могут служить следующие значения:

Рисунок 3.1

1. Пиковое значение (U_m) (амплитудное для гармонических сигналов) – наибольшее по абсолютной величине значение измеряемого напряжения за период сигнала. В общем случае пиковое напряжение может быть различным в области положительных и отрицательных значений сигнала и , см. рисунок 1.3).

2. Среднее значение (U_ср или U₀) (постоянная составляющая сигнала) – среднее арифметическое мгновенных значений напряжения за период

.

Это значение характеризует наличие или отсутствие постоянной составляющей напряжения в измеряемом сигнале.

3. Средневыпрямленное значение (U_свз) – среднее арифметическое из абсолютных мгновенных значений напряжения за период

.

4. Среднеквадратическое значение (U) (действующее) – среднеквадратическое из всех мгновенных значений напряжения за период

.

Поскольку пиковое, средневыпрямленное и среднеквадратическое значения напряжения являются различными характеристиками одного и того же сигнала, то между ними существует определённая связь, характеризуемая коэффициентом амплитуды , и коэффициентом формы .

Эти коэффициенты определяются формой кривой напряжения (для синусоиды, например, K_A = 1,41, K_Ф = 1,11).

Из теории сигналов известно, что периодический сигнал произвольной формы можно представить рядом Фурье:

,

где U₀ – постоянная составляющая сигнала;

U_mi – амплитуда i – ой гармонической составляющей.

Полезно напомнить, что в этом случае среднеквадратическое значение напряжение сигнала можно представить в виде:

,

где U_i – среднеквадратическое значение i-ой гармонической составляющей сигнала;

U_~ – среднеквадратическое значение напряжения только переменной составляющей периодического сигнала.

Все электронные вольтметры для измерения напряжения переменного тока (В3, В4, В7) используют общий принцип измерения – преобразования переменного напряжения в пропорциональное значение постоянного напряжения с последующим его измерением механизмом магнитоэлектрической системы. Преобразование переменного напряжения в постоянное в определенном диапазоне значений и диапазоне частот осуществляется устройством, которое называется измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное.

Поскольку переменное напряжение можно характеризовать одним из значений (1, 3, 4), то и измерительный преобразователь строится таким образом, что реагирует на одно определенное значение переменного напряжения. Существует три типа измерительных преобразователей. Полное название измерительного преобразователя включает название параметра переменного напряжения, на который реагирует преобразователь. Например: измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное по пиковому значению. На выходе такого преобразователя постоянное напряжение пропорционально (в идеальном случае равно) пиковому значению переменного напряжения на входе. Поскольку в общем случае , пиковый преобразователь реагирует либо на , либо на . Если это особо не оговорено, подразумевается, что пиковый преобразователь реагирует на .

Полное (строгое) название измерительного преобразователя достаточно громоздкое, поэтому часто его заменяют термином детектор (пиковый детектор, детектор средневыпрямленного значения, детектор среднеквадратического значения или квадратичный детектор).

Таким образом, измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное или детектор является обязательным устройством в составе схемы любого электронного вольтметра. На структурной схеме детектор изображается следующим образом.

Детектор любого типа эффективно работает (осуществляет преобразование переменного напряжения в постоянное с погрешностью не более оговорённой в технических характеристиках) при уровне переменного напряжения на его входе не менее определенного значения. Для пассивных детекторов эта величина составляет несколько десятков милливольт. При измерении переменных напряжений от единиц микровольт в электронных вольтметрах перед детектором включается активный масштабный преобразователь (измерительный усилитель).

Структурные схемы аналоговых электронных вольтметров непосредственной оценки приведены на рисунке 3.2.

Рисунок3.2

а) структурная схема вольтметра вида В2;

б - д) структурные схемы вольтметров видов В3, В4 и В7.

При измерении напряжения переменного тока произвольной формы электронным вольтметром могут иметь место систематические погрешности двух видов, которые следует классифицировать как методические.

Первая причина возможных методических погрешностей обусловлена способом градуировки шкалы электронных вольтметров. Градуировка шкалы осуществляется при подаче на вход вольтметра переменного напряжения синусоидальной формы в среднеквадратических значениях для вольтметров вида В3 и В7 и в пиковых (амплитудных) значениях для вольтметров вида В4. Электронные вольтметры вида В3 и В7 могут иметь любой тип детектора, а вольтметры вида В4 имеют всегда пиковый детектор. Таким образом, при измерении напряжения сигналов несинусоидальной формы электронными вольтметрами вида В3 (В7) в ряде случаев возникает ситуация, когда вольтметр фактически измеряет то значение напряжения, на которое реагирует детектор вольтметра (детектор средневыпрямленных значений или пиковый детектор), а шкала вольтметра градуирована в других значениях (среднеквадратических). В этих случаях возникает методическая погрешность измерения напряжения сигналов несинусоидальной формы, обусловленная способом градуировки шкалы электронных вольтметров. Эту методическую погрешность устраняют, пересчитывая показания прибора в измеряемое значение параметра с использованием градуировочных коэффициентов. Для того, чтобы избежать методических погрешностей этого вида следует помнить правило: пересчет показаний вольтметра в значение измеряемого параметра необходим всегда, когда шкала используемого вольтметра градуирована не в тех значениях переменного напряжения, на которое реагирует детектор вольтметра. Причем, если форма измеряемого напряжения отличается от синусоидальной, то, используя показания вольтметра – U_V и известные значения коэффициента амплитуды и коэффициента формы для синусоиды (форма сигнала, на котором осуществлялась градуировка вольтметра), можно определить только то значение переменного напряжения измеряемого несинусоидального сигнала, которое соответствует типу используемого в вольтметре измерительного преобразователя (детектора).

Например, электронный вольтметр имеет пиковый детектор, показания его при измерении напряжения произвольной формы – U_V. Следовательно можно определить только пиковое значение измеряемого напряжения

U_m = U_V K_Asin = 1,41 U_V.

Вторая причина, которая приводит к методическим погрешностям при измерении напряжения несинусоидальной формы, связана с наличием разделительного конденсатора в любом месте в цепи прохождения сигнала от входного разъема вольтметра (от входного контакта выносного пробника, при его наличии) до входа детектора. Если такой конденсатор в цепи имеется, то говорят, что вход у вольтметра «закрытый». При отсутствии в цепи разделительных конденсаторов вход вольтметра считается «открытым».

Если вольтметр имеет закрытый вход, то входной измеряемый сигнал теряет на разделительной емкости постоянную составляющую (если таковая имеется в сигнале) и на вход детектора попадает уже другой сигнал, параметры которого могут очень существенно отличаться от параметров сигнала, поданного на вход вольтметра. Так как по показаниям вольтметра можно определить параметры переменного напряжения, поступающего на вход детектора, а не на вход вольтметра, то возникает методическая погрешность, обусловленная потерей постоянной составляющей во входном сигнале. Если входной сигнал не имеет постоянной составляющей, то методическая погрешность этого вида не возникает и для вольтметров с закрытым входом. Устранить эту методическую погрешность можно только расчетным путем, определив предварительно величину постоянной составляющей.

Методика устранения методической погрешности, обусловленной влиянием закрытого входа вольтметра, рассмотрена на примерах (см. примеры решения задач по соответствующему разделу в методических указаниях по изучению дисциплины).