2.8. Вольтметр среднеквадратических (Uскв) значений напряжения

Простейшая схема, поясняющая принцип работы вольтметра, приведена на рис .2.5. Для измерения U_скв значений напряжений необходимо, чтобы участок вольтамперной характеристики детектора (рис. 2.5, б) Д₁, на котором происходит работа, был квадратичен. Широко распространен для измерения U_скв напряжений вольтметр с синтезированной нелинейностью (рис. 2.5, в), рабочий участок характеристики которого может быть сделан большим.

Цепочка диодов Д₁, Д₂, Д₃, Д₄, Д₅ позволяет получить вольтамперную характеристику i = aU², близкую к полупараболе, в результате кусочно-гладкой аппроксимации параболической кривой. Измеряемое напряжение поступает с вторичной обмотки широкополосного трансформатора, имеющего равномерную амплитудно-частотную характеристику для всех составляющих спектра измеряемого сигнала, на схему линейного двухполупериодного выпрямителя, собранного на диодах Д₁, Д₅. Диоды Д₂, Дз, Д₄ закрыты, причем уровень запирающего напряжения повышается с номером диода. В этом случае вольтметр имеет закрытый вход. Диоды Д1, Д5 работают на начальном участке характеристики, близком к параболе.

Полагая, что прямое сопротивление диода R_пр=0, а обратное R_обр=¥ можно считать, что ток через диод отсутствует, если напряжение подводимого сигнала U(t) меньше напряжения запирания E_c (рис. 2.5, б) и

Рис. 2.5 - Схема нелинейного устройства с квадратичной характеристикой

а – характеристика; б – входная часть в – общая схема

вольтамперная характеристика диодной ячейки имеет вид, показанный на рисунке 2.5, а. Формирование полупараболы проиллюстрировано на рисунке 2.5, в. Если диод Д₂ заперт, то ток , протекающий через прибор, определяется только выпрямленным напряжением источника и сопротивлением R₂. Когда выпрямленное напряжение будет лежать в промежутке E_c1-E_c2, ток через прибор возрастет и будет равен сумме токов i₁+i₂. При открытии диода Д₃ ток через прибор увеличится и будет равен i₁+i₂+i₃ и т.д. На рис. 2.5а построена вольтамперная характеристика синтезированной нелинейности как зависимость суммы токов от приложенного напряжения. Выбрав соответствующие пороги запирания (напряжения E_c2, E_c3, E_c4 и т.д.) можно с достаточной точностью аппроксимировать полупараболу из отрезков прямых.

Для измерения U_скв напряжения сложной формы, имеющего постоянную составляющую, необходимо в вольтметрах использовать детекторы с характеристикой вида i=aU² без линейного члена, причем путь для постоянной составляющей к детектору должен быть открыт (открытый вход). В большинстве вольтметров, выпускаемых промышленностью для измерения напряжения U_скв синусоидальных и шумовых сигналов, такая возможность реализуется с помощью термоэлектрических преобразователей, которые измеряют ток после значительного усиления входного сигнала.

2.9 . Вольтметры средневыпрямленного значения напряжения

В разделе 2-5 рассмотрены магнитоэлектрические приборы с преобразователями, детекторной системы, которые измеряют средневыпрямленное значение напряжения или тока промышленной или низкой частот. Схемы вольтметров для измерения средневыпрямленного U_ср.в значения напряжения аналогичны описанным выше и представляют собой однополупериодный (рис. 2.6, а) или двухполупериодный выпрямитель с усредняющим прибором магнитоэлектрической системы. Наиболее распространены мостовые схемы (рис. 2.6, б).

Рис .2.6 .Детекторные вольтметры

а - с однополупериодным выпрямлением; б - с двухполупериодным

При наличии больших сопротивлений R в схеме вольтметров зависимость между током диода и приложенным напряжением можно считать линейной и записать в виде i = a₁U, если a₁ – коэффициент зависимый от входного сопротивления остается постоянным в течении периода сигнала.

Отклонение стрелки магнитоэлектрической системы пропорционально средневыпрямленному значению напряжения. Шкала прибора линейна. Эта зависимость существует при любой форме измеряемого напряжения. По режиму работы детектора эти вольтметры относятся к классу В. Такие вольтметры находят широкое применение благодаря простоте детектора.Но градуировка в средневыпрямленных значениях применяется редко.

В подавляющем большинстве электронных вольтметров шкалы градуируются в среднеквадратических значениях гармонического напряжения. Это объясняется тем, что при измерении гармонического сигнала преимущественно интересуются его среднеквадратическим значением, хотя детектор вольтметра может реагировать на средневыпрямленное или амплитудное значение сигнала, в том числе не обязательно только синусоидальной формы.

• Если для синусоидального сигнала тип детектора не совпадает с характером градуировки шкалы и шкала вольтметра градуирована также в значениях синусоидального сигнала (например, детектор средневыпрямленных значений, а шкала отградуирована в среднеквадратических значениях гармонического сигнала), то используется прямой отсчет по шкале без какого - либо пересчета (в примере – среднеквадратическое значение).

• Для не синусоидальных сигналов, если тип детектора не совпадает с характером градуировки шкалы, вольтметром можно измерять только тот параметр негармонического сигнала, на который реагирует детектор, а не тот, в значениях которого отградуирована шкала, и при этом необходимо вводить соответствующие коэффициенты пересчета.

Например, если в вольтметре применен амплитудный детектор, а шкала отградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала, то для измерения амплитудного значения несинусоидального сигнала любой формы показание шкалы вольтметра необходимо умножить на коэффициент амплитуды гармонического сигнала 1.41.

Если в вольтметре применен детектор средневыпрямленных значений, а шкала также отградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала, то для измерения средневыпрямленного значения сигнала любой формы показание шкалы необходимо разделить либо на коэффициент формы гармонического сигнала (), если детектор двухполупериодный, либо на его удвоенное значение (), если детектор однополупериодный.