книги из ГПНТБ / Савенко, В. Г. Измерительная техника учеб. пособие

корпусе прибора вместе с ИМ размещают выпрямители, набор шунтов и добавочных сопротивлений, которые с по­ мощью устройств могут создавать различные измеритель­ ные схемы на постоянном и переменном токах: ампермет­ ры, вольтметры, омметры (см. § 7.3). Таким образом, по­ лучается компактный и удобный в работе переносный универсальный прибор — т е с т е р (испытатель). Тестеры широко применяются для быстрых приближенных измере­ ний при испытании и проверке работы различных электри­ ческих цепей и радиоустройств.

§ 5.9. ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Общая характеристика, область применения

и классификация

Электронные вольтметры (ЭВ) представляют собой со­ четание измерительной схемы, содержащей электронные лампы или полупроводниковые приборы, и измерительного механизма магнитоэлектрической или электростатической системы. Электронные вольтметры разнообразны по наз­ начению и схемам. Поэтому с их помощью можно измерять напряжение в значительных диапазонах значений напря­ жений и их частот. Так, например, вольтметр В2-11 может

напряжения с частотой от десятка герц до 1000 Мгц. Элек­ тронные вольтметры обладают очень большим входным сопротивлением (например, прибор В7-2А имеет > 1 0 Мом), а входная емкость вольтметров может быть

доведена до нескольких единиц пикофарад. Из этого сле­ дует, что для электронных вольтметров характерны такие особенности: высокая чувствительность, значительный диа­ пазон измерений, весьма слабая зависимость показаний от частоты в широком диапазоне частот, ничтожное собст­ венное потребление мощности. При этом они могут выдер-: живать значительно большие перегрузки, чем электроме­ ханические приборы. Все это определяет основную область применения электронных приборов — измерения в радио­ электронных схемах.

К недостаткам ламповых вольтметров следует отнести: сравнительно большую погрешность измерения (несколь­ ко процентов); влияние старения или замены электронных ламп на градуировку шкалы; сравнительно большие габа-

170

риты; необходимость наличия дополнительных источников питания (сети, батарей). Применение транзисторов и ма­ логабаритных деталей позволяют снизить потребляемую прибором мощность, уменьшить габариты вольтметров. Использование компенсационных методов измерения, вве­ дение обратных связей и другие меры позволяют умень­ шить погрешности измерений и стабилизировать их рабо­ ту. Электронные вольтметры с цифровым отсчетом имеют погрешность порядка долей процента.

Классификация электронных приборов проводится по: назначению (вольтметры постоянного тока В2-..., перемен­ ного ВЗ-..., импульсные В4-..., фазочувствительные В5-...,

действующего значения, средневыпрямленного); частотно­ му диапазону (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ); способу измерения (непосредственного, сравнением); типу электронных приборов (ламповые, полупроводниковые); схеме входа (с открытым, закрытым); точности (классам точности); типу индикатора (стрелочные, цифровые и др.).

В начале рассмотрим вольтметры со стрелочными ин­ дикаторами. Вольтметры с цифровыми индикаторами (цифровые) даны в § 5.11.

Структурные схемы стрелочных электронных вольтмет­ ров приведены на рис. 5.19 (источники питания не изоб­ ражены). Входное'устройство, на которое подается изме­ ряемое напряжение, позволяет изменять пределы измере­ ния и обеспечивает высокое входное сопротивление прибо­ ра. Оно обычно состоит из делителей напряжения — атте­ нюаторов и катодного (эмиттерного) повторителя. Стрелоч­ ные индикаторы— показывающие приборы, шкалы их обыч­ но градуируются в вольтах (дольных или кратных его ча­ стях). Как правило, используются микроамперметры маг­ нитоэлектрической системы с пределами измерения 1 0 0 -1- -УІ000 мка. В импульсных киловольтметрах в качестве индикаторов применяются также электростатические изме­ рительные механизмы. На рис. 5.19, а дана схема вольтмет­ ра для измерения постоянного напряжения. Усилитель по­ стоянного тока увеличивает мощность измеряемого сигна­ ла до уровня, необходимого для требуемого отклонения указателя стрелочного индикатора. Кроме того, усилитель позволяет согласовать сопротивление выхода входного

устройства с малым сопротивлением магнитоэлектрическо­ го индикатора.

171

тем, что в качестве детектора здесь могут применяться ламповые диоды, различные электронные схемы. При из­ мерении малых напряжений используются более чувстви­ тельные вольтметры. В их структурных схемах преобразо­ ватель состоит из детектора и усилителя. Благодаря уси­ лителю постоянного тока вольтметры, имеющие структур­ ную схему (рис. 5.19, в), могут измерять значительно мень­ шие переменные напряжения — начиная с десятых долей вольта; верхний предел измеряемых напряжений в этом случае обычно составляет несколько сот вольт. Этот уси­

ния в широком диапазоне частот — вплоть до нескольких сотен мегагерц.

Приборы, выполненные по схеме рис. 5.19, г, имеют высокую чувствительность, которая ограничивается только собственными шумами усилителя. Эти приборы называ­

до 100-1-200в). Полоса измеряемых частот у этих приборов уже, чем у предыдущих, и определяется полосой пропуска­ ния усилителя переменного тока.

Соединив вместе схемы рис. 5.19, а и в, получим уни­ версальный вольтметр (например, В7-2) для измерения постоянного и переменного напряжений (рис. 5.19, д). Встречаются также вольтметры (например, импульсный милливольтметр В4-3), у которых структурная схема со­ держит: входное устройство — усилитель переменного то­ ка, детектор (усилитель постоянного тока стрелочный ин­ дикатор).

Рассмотренные схемы представляют общий случай. При создании вольтметров некоторые элементы этих схем могут отсутствовать.

От параметров входной цепи вольтметра зависит диа­ пазон частот измеряемых напряжений, возможные иска­ жения режима работы измеряемой цепи при подключении вольтметра. На постоянном токе и на низких частотах входное сопротивление будет определяться омическим или активным сопротивлением входного устройства. На высо­ ких частотах определяющими становятся реактивные па­ раметры входной цепи. Анализ влияния этих параметров для высоких частот произведем на упрощенной эквивалент­

173

ной схеме входной цепи рис. 5.20. Здесь Lm — сумма всехиндуктивностей на входе вольтметра (индуктивности сое­ диняющих участки входной схемы проводов, элементов лампы и т. п.); Свх — входная емкость вольтметра (сумма всех емкостей, действующих на входе вольтметра); RBX— активное входное сопротивление вольтметра; L3K и Свх об­ разуют колебательный контур, на вход которого подается измеряемое напряжение Ux. Напряжение UBX усиливается или детектируется, и измеряется индикатором. Для соот­ ветствия между Ux и Uвх стараются уменьшить L3K: вход­ ные провода делают короткими — 2 -УЗ см, применяя мало­ габаритные электронные лампы с короткими выводами и небольшими электродами. Однако наличие даже очень малой индуктивности входной цепи в сочетании с входной емкостью Свх создает колебательный контур, который при

намного превышать измеряемое напряжение. Для избе­ жания этого надо измерять напряжение только при час­ тотах / ниже собственной частоты /о входной цепи, так как чем ниже рабочая частота / относительно /0, тем мень­ ше отличается UBX от Ux и тем меньше погрешность изме­ рений. Удовлетворительные результаты можно получить при /о: /> 5 -Ь б .

Из этого следует, что для увеличения верхнего предела частотного диапазона вольтметр нужно, чтобы /о было как

ции, называемой «пробником», которая является частью вольтметра. В пробнике вмонтирован блок детектора (рис. 5.19, в) или первый каскад усилителя (обычно катодный повторитель) (рис. 5.19, г). Пробник соединяется с осталь-

174

ной частью вольтметра в первом случае обычными прово­ дами, во втором — коаксиальным кабелем.

Детекторы. Служат для преобразования измеряемого переменного напряжения в постоянный пульсирующий ток (напряжение). Детекторы бывают ламповые и полупро­ водниковые, а их характеристики линейные и квадратич­ ные. Детектирование может быть диодным, сеточным,

5)

Рис. 5.21. Схемы диодных амплитудных де­ текторов

анодным, катодным. Различают разные схемы включения детектора — с открытым входом и закрытым. Кроме того, в зависимости от закона преобразования в схемах с детек­ тором напряжение на его выходе может быть пропорцио­ нально амплитудному (пиковому), действующему или средневыпрямленному значению входного напряжения.

Амплитудный (пиковый) детектор — устройство, с по­ мощью которого подаваемое на его вход измеряемое на­ пряжение преобразуется в ток (напряжение) на выходе, пропорциональный амплитудному значению этого напря­ жения. Схема пикового детектора содержит диод и эле­ мент памяти, запоминающий максимальное значение вход­ ного напряжения. В качестве запоминающего элемента применяют конденсатор, заряжаемый через диод до ампли­ тудного значения.

На рис. 5.21 даны схемы наиболее часто встречающих­

175

в течение первой положительной полуволны конденсатор С заряжается через диод Д большим импульсом тока (ем-

Рис. 5.22. Графики напряжения их «о и тока (а в схеме пико­ вого детектора с открытым входом

кость анод — катод диода значительна меньше емкости С) до величины ис1 (рис. 5.22). Полностью зарядиться за это время он не успевает. При отрицательной полуволне диод закрыт и конденсатор С несколько разрядится через ре­ зистор R и напряжение на нем будет ис2- Параметры цепи

жается до Нсз>«с2 и т. д. Из-за быстрого заряда и мед­ ленного разряда через несколько периодов на конденсато­ ре С наступает установившийся процесс, при котором среднее значение напряжения на конденсаторе Uc.cр будет почти равным амплитуде входного напряжения Um. Отли­ чие будет из-за утечки заряда через сопротивление R и по­

176

этому Uс.ср будет несколько меньше Um. Когда их> и с через диод в течение незначительной части периода, ха­ рактеризуемой углом отсечки Ѳ, будут проходить неболь­ шие импульсы тока, пополняющие заряд конденсатора С и повышающие напряжение на нем.

Равенство Uc.c p = U m в реальных условиях получить нельзя, так как ЯіФО, Н ф оо, однако, уменьшением отно­ шения RilR получают хорошее приближение. Так, напри­

на 2 %.

Напряжение на выходе детектора UBblx= U с измеряется стрелочным вольтметром. О значении Um можно судить по значению тока в цепи резистора R: i — U JR . Для этого последовательно с R включают микроамперметр, угол а поворота подвижной части которого определится средним значением тока / ср, пропорциональным амплитудному зна­ чению измеряемого напряжения Ux:

Некоторое несоответствие между Um и Uc.cр может быть учтено при градуировке шкалы прибора.

При подаче на вход пикового детектора с открытым входом несинусоидального напряжения их— H0 + £ /msina^, содержащего, например, постоянную U0 и переменную І1т эіпоД составляющие, конденсатор С будет заряжаться до напряжения Uc.cp£z U£Um при положительной поляр­ ности напряжения на аноде диода. При подаче на анод напряжения отрицательной полярности диод закрывается, и ток через микроамперметр проходить не будет.

Рассмотрим особенности измерения амплитуды импульс­ ных напряжений (рис. 5.23). Величину среднего значения напряжения на конденсаторе в установившемся режиме можно получить, исходя из равенства заряда, получаемого конденсатором во время его подразрядки q3 при действии импульса тимп и заряда, стекающего с конденсатора qp во

^(ДТИМП

Отсюда

где т3 и Тр — постоянные времени заряда и разряда пико­ вого детектора.

Рис. 5.23. График напряжения на конден­ саторе пикового вольтметра при измерении импульсного напряжения

Из выражения для Uc.ср видно, что погрешность изме­

через резистор R\ параметры R и С выбираются в схеме так, чтобы заряд конденсатора С был быстрый, а разряд медленный. При измерении их— (Jmsmu>t детектор с за­ крытым входом дает такой же результат, как и с откры­ тым. Если же на вход детектора с закрытым входом подать пульсирующее напряжение, то он не будет реагировать на наличие постоянной составляющей и показания прибора будут пропорциональны только амплитуде переменной со­ ставляющей.

Кроме того, есть отличие и в величине входных сопро­ тивлений детекторов: детектор с открытым входом (после­

178

довательный) имеет большее входное активное сопротив­ ление, чем детектор с закрытым (параллельный). В функ­ циональных схемах вольтметров рис. 5.19, в используются детекторы с закрытым входом.

Если вольтметр предназначен для измерения напряже­ ния синусоидальной формы, то шкалу измерительного при­ бора в диодных пиковых детекторах можно отградуиро­ вать в действующих значениях, но тогда эта градуировка не пригодна для других форм измеряемого напряжения. Пиковые детекторы применяются в вольтметрах ВЗ-4, В7-2А и др.

Квадратичный детектор — устройство, в котором изме­ ряемое напряжение преобразуется в ток, пропорциональ­ ный квадрату действующего значения этого напряжения. Такие детекторы имеют квадратичную вольтамперную ха­ рактеристику:

+ aUmsin со/-----— bU^ cos 2со/.

Магнитоэлектрический прибор, включенный в цепь та­ кого детектора, покажет постоянную составляющую

І«=\ьи>т= ьи\

где U — действующее значение напряжения их.

Если входное напряжение несинусоидальное, т. е. пред­ ставляет собой сумму гармонических составляющих

“* = Е U mk Sin ( Ы + фй), ft—1

то нетрудно убедиться, подставляя их в (5.23), что посто­ янная составляющая тока / 0 будет также пропорциональ­ на квадрату действующего значения измеряемого напря­ жения:

> o - b £ V l = bU‘K. k=l