18.5. Электронные аналоговые и цифровые вольтметры

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и магнитоэлектрического измерительного прибора. В отличие от электромеханических приборов электронные вольтметры обладают большим входным сопротивлением и высокой чувствительностью. Различают вольтметры постоянного и переменного напряжений.

Структурная схема электронного вольтметра постоянного напряжения представлена на рис. 18.6, где Вх.У - входное устройство в виде высокоомного резистивного делителя напряжения, УПН - усилитель постоянного напряжения, МП - магнитоэлектрический измерительный прибор.

Входное устройство обеспечивает высокое входное сопротивление и значения измеряемого напряжения, необходимые для дальнейшего преобразования.УПН служит для увеличения чувствительности вольтметра и усиления мощности измеряемого сигнала с целью приведения в действие магнитоэлектрического измерительного механизма. Требования к УПН - обеспечение высокой линейности и стабильности амплитудной характеристики U_вых(U_вх), малый дрейф нуля.

Линейность и стабильность амплитудной характеристики достигаются правильным выбором режима работы активных элементов (электронных ламп, транзисторов) усилителя напряжения и введением отрицательной обратной связи с выхода УПН на его вход.

Уменьшение дрейфа нуля обеспечивается построением УПН по мостовой балансной схеме или с использованием структуры МДМ, где измеряемое постоянное напряжение сначала преобразуется в переменный сигнал, который усиливается до необходимого уровня усилителем переменного напряжения, а затем выпрямляется, превращаясь в усиленное постоянное напряжение.

Современные электронные вольтметры постоянного напряжения имеют диапазон измеряемых напряжений 10^-3÷10³ В, входное сопротивление порядка 1÷10 МОм, погрешность измерения 1÷6 %.

Электронные вольтметры переменного напряжения выполняют по схеме, представленной на рис. 18.7. Вольтметр, состоит из входного устройства Вх.У, усилителя переменного напряжения УС, преобразователя Пр переменного напряжения в постоянное, усилителя постоянного напряжения УПН и магнитоэлектрического измерительного прибора МП. Такие вольтметры обладают высокой чувствительностью, сравнительно широким частотным диапазоном и большим входным сопротивлением.

Отличительной особенностью электронных вольтметров переменного напряжения является наличие преобразователя Пр переменного напряжения в постоянное. В зависимости от того, какое значение переменного напряжения требуется измерить (амплитудное, среднее или действующее), различают соответственно преобразователи амплитудного, среднего и действующего значений. Тогда МП измеряет постоянное напряжение на выходе таких преобразователей.

Для объяснения особенностей этих преобразователей напомним некоторые определения, полагая периодическим, периодаT .

Амплитудным значением переменного напряжения считается его наибольшее мгновенное значение. ПоэтомуПр амплитудного значения представляет собой пиковый детектор, который реализуется по схеме однополупериодного выпрямителя с емкостным накопителем, который включают параллельно нагрузке (см. раздел «Источники питания»).

Под средним значением напряжения понимают, как правило, «среднее по модулю» значение: . Поэтому Пр среднего значения должен производить операции «формирования модуля» и «усреднение по времени», которые реализуются в схеме однофазного мостового выпрямителя с LC-фильтром (см. раздел «Источники питания»).

Действующее значение напряжения определяет выражение:

: ,

где второй вариант формулы позволяет упростить схему преобразователя, поскольку сложную операцию «возведение в квадрат каждого мгновенного значения» нужно производить только над положительными напряжениями. Кроме отмеченной операции, для определения значения требуется осуществить «формирования модуля», «усреднение по времени» и «извлечение квадратного корня». Рассмотрим особенности реализации преобразователя действующего значения.

ВПр действующего значения, для «формирование модуля» измеряемого напряжения используют однофазный мостовой выпрямитель без каких-либо накопителей. После этого переменное напряжениепоступает наквадратор, который выполняют на базе нелинейного двухполюсника (выделен пунктиром на рис. 18.8,а) с квадратичной вольтамперной характеристики , которая показана красными точками на рис. 18.8,б. Этот двухполюсник состоит из последовательных диодно-резистивных звеньев, реализующих кусочно-линейную аппроксимацию требуемой ВАХ (см. рис. 18.8,б, где отмечены граничные напряжения линейных участков синтезируемой ВАХ). Напряжения смещения U₁, U₂, U₃ , необходимые для поочередной работы звеньев, создаются сравнительно низкоомным делителем из резисторов R₁, R₂, R₃, R₄ и источником «опорного» постоянного напряжения E₀ . Поскольку сопротивление R₀ (датчик тока) существенно меньше эквивалентного сопротивления нелинейного двухполюсника, измеряемое напряжение почти целиком прикладывается к зажимам двухполюсника.

Когда мгновенное значение измеряемого напряжения , то открыт только диодVD1 и рабочая точка, определяющая величину , перемещается по первому участку кусочно-линейной ВАХ. (рис. 18.7,б). Если , то рабочая точка перемещается по второму участку кусочно-линейной ВАХ и т. д. Таким образом осуществляется операция «возведение в квадрат».

Операция «усреднение во времени» реализуется благодаря инерционным свойствам механизма магнитоэлектрического прибора, если он используется в качестве результирующего цифрового индикатора и включается вместо R₀. Тогда операция «извлечение квадратного корня» реализуется посредством градуировки шкалы прибора в действующих значениях калибровочного синусоидального напряжения.

Если рассмотренный преобразователь используется в цифровом вольтметре переменного напряжения, то операция «усреднение во времени» напряжения осуществляется аналоговым (сглаживающий фильтр). Затем постоянное напряжение преобразуют в цифровой код, и операцию «извлечение квадратного корня» производят при цифровой обработке результата измерения.

Цифровые вольтметры работают по принципу преобразования измеряемого напряжения в электрический код, отображаемый в цифровой форме. В общем случае цифровой вольтметр содержит входное устройство Вх.У, аналого-цифровой преобразователь АЦП и цифровое отсчетное устройство ЦОУ (рис. 18.9).

Входное устройство предназначено для создания большого входного сопротивления, изменения пределов измерения и определения полярности входного сигнала. Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговую величину в дискретный сигнал в виде электрического кода, пропорционального измеряемой величине. Результат измерения регистрируется на цифровом табло цифрового отсчетного устройства. Измерения проводятся циклически. После завершения каждого полного цикла измерений обновляется числовой результат на ЦОУ.

Преимуществами цифровых вольтметров являются: малые погрешности измерения (0,1÷0,01 %) в широком диапазоне измеряемых напряжений (1 мкВ ÷ 1000 В); высокое быстродействие (до 500 измерений в 1 с); выдача результатов измерений в цифровом виде и возможность документальной регистрации их с помощью цифропечатающих устройств; возможность ввода измерительной информации в электронно-вычислительные машины и информационно-измерительные системы. К недостаткам относятся сложность схем и конструкции, высокая стоимость, меньшая надежность. Эти недостатки можно отнести к разряду временных, поскольку в настоящее время они устраняются в связи с быстрым развитием микроэлектроники.

Основные метрологические характеристики цифровых приборов определяются преобразованием непрерывной измеряемой величины в код, так как дальнейшая передача и преобразования кода практически не вносят погрешности.

Наибольшее распространение нашли приборы с время-импульсным, частотно-импульсным преобразованием и с двухтактным интегрированием.

Структурная схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием представлена на рис. 18.10, а. Измеряемое напряжение U_x преобразуется в интервал времени ΔT,, длительность которого определяется числом заполняющих импульсов генератора образцовой частоты ГОЧ. Вольтметр содержит: входное устройство Вх.У, обеспечивающее высокое входное сопротивление и значения измеряемых сигналов, необходимые для дальнейшего преобразования; управляющее устройство УУ, обеспечивающее запуск генератора линейно изменяющегося напряжения ГЛИН и «обнуление» счетчика Сч; сравнивающие устройства СУ₁ и СУ₂, вырабатывающие сигналы при равенстве U_x и линейно падающего напряжения U_г, а также при равенстве U_x нулю; ключ К, пропускающий от ГОЧ импульсы частоты в течение отрезка времениΔT на счетчик импульсов Сч; цифровое отсчетное устройство ЦОУ, фиксирующее результат измерения. Работа цифрового вольтметра поясняется временными диаграммами, представленными на рис. 18.10, б. Из рисунка видно, что измеряемое напряжение U_x пропорционально отрезку времени и тангенсу угла наклона линейно падающего напряжения: . Количество импульсовN, прошедших в счетчик за время ΔT можно определить выражением: . Это число, пропорциональноеU_x, и показывает ЦОУ:

. (18.15)

Наиболее высокими метрологическими показателями обладают цифровые вольтметры с двухтактным интегрированием (рис. 18.11). Измерениепостоянного напряжения U_x осуществляется следующим образом. В исходном состоянии ключи К₁, К₂ и К₃ разомкнуты. В начальный момент очередного цикла измерения устройство управления УУ замыкает ключ К₁ и на вход интегратора И поступает измеряемое напряжение U_x. Через фиксированный интервал времени , когда напряжение на выходе интегратора достигнет величины

,

устройство управления размыкает ключ К₁ и замыкает ключи К₂ и К₃. К входу интегратора будет приложено напряжение U₀, противоположное по знаку U_x, а на счетчик Сч начнут поступать импульсы от генератора образцовой частоты ГОЧ. Напряжение на выходе интегратора уменьшается. В момент времени t₃, когда это напряжение становится равным нулю, сравнивающее устройство СУ размыкает ключ К₃ и прекращает доступ импульсов на счетчик Сч. Длительность отрезка времени , в течение которого импульсы поступали на счетчик Сч, определяется из соотношения: ,

а именно: .Тогда количество импульсов N, поступивших в Сч за время t_x и зафиксированных цифровым отсчетным устройством ЦОУ, пропорционально измеряемому постоянному напряжению U_x:

. (18.16)

Цифровые вольтметры с двухтактным интегрированием нашли широкое применение благодаря повышенной устойчивости к помехам в виде «наводок» переменного напряжения из-за промышленной сети с частотойГц. Это объясняется тем, что интервал интегрирования измеряемого напряжения устанавливают равным: , где п - целое число. Тогда и при совместном интегрировании измеряемого напряжения и помехи влияние помехи будет устранено.

Погрешность выпускаемых приборов находится на уровне 0,005%.