Основные узлы аналоговых электронных вольтметров.

Входное устройство обеспечивает значения измеряемого напряжения, необходимые для дальнейшего преобразования. В зависимости от амплитудного и частотного диапазонов измеряемого напряжения входное устройство представляет собой либо высокоомный вход преобразователя, либо резистивный делитель, либо резистивно-конденсаторный делитель , либо конденсаторный делитель.

В преобразователях амплитудного (пикового) значения выходное напряжение U_m и соответственно показания микроамперметра  пропорциональны амплитудному значению измеряемого напряжения, т.е.  = kU_m (рис.6. а, б).

Рис.6. Амплитудный преобразователей с открытым входом а) и временная диаграмма б)

В преобразователе амплитудного значения с открытым входом диод VD1 включен последовательно с высокоомным резистором R и непосредственно связан с объектом измерения. Параметры преобразователя подобраны таким образом (R >> R_пр, R = 50 ‑ 100 МОм, С= 0,02 ‑ 0,05мкФ), чтобы при первой положительной полуволне измеряемого напряжения большим импульсом тока через открытый диод VD1 с сопротивлениемR_пр осуществлялся быстрый заряд конденсатора С до некоторого значения напряжения U_c1 (рис.7.) и медленный разряд на резистор R с момента, когда u(t)<U_c1 и при отрицательной полуволне напряжения u(t). Постоянные времени заряда R_прС и разряда RC связаны условием RC>>R_пр.C.

При второй положительной полуволне конденсаторС вновь подзаряжается до напряжения U_c2>U_c1. При значении постоянной разряда, много большей периода Т измеряемого напряжения, примерно через (3-4)Т конденсатор зарядится до амплитудного значения измеряемого напряжения U_max, т.е. U_c=U_m.

Напряжение U_m поступает на вход усилителя постоянного тока, входное сопротивление которого большое, а выходное малое. УПТ служит для согласования выходного сопротивления преобразователя с сопротивлением магнитоэлектрического микроамперметра и для повышения чувствительности вольтметра.

Если измеряемое напряжение подаваемое на вход преобразователя амплитудного значения с открытым входом, содержит кроме переменного еще и постоянного еще и постоянную составляющую, т.е, то показания вольтметра будут пропорциональны суммеU₀+U_m.

Большое практическое применение имеет преобразователь амплитудного значения с закрытым входом (рис.7) в котором диод VD1 включен параллельно высокоомному резистору R (такая схема используется в универсальных аналоговых электронных вольтметрах).

Рис.7. Амплитудный преобразователей с закрытым входом

Рис.8. Временные диаграммы напряжения, поясняющие работу пикового преобразователя с закрытым входом.

При положительной полуволне измеряемого напряжения конденсатор С заряжается через диод VD1 сопротивлением R_пр приблизительно до амплитудного значения U_m, а при отрицательной полуволне измеряемого напряжения диод VD1 будет заперт, поэтому заряженный конденсатор разряжается на резистор R, но так как постоянная времени разряда RС конденсатора велика по сравнению с периодом Т измеряемого напряжения, то конденсатор С не успевает разрядится за период и напряжение на нем остается равным U_m.

К резистору R приложено напряжение, равное разности измеряемого напряжения u(t) и напряжения на конденсаторе U_c=U_m, т.е.

.

Напряжение u_R(t) на резисторе повторяет форму измеряемого напряжения u(t), но смещено на амплитудное значение (рис.8), т.е. пульсирует от 0 до -2U_m. Так как напряжение пульсирует от 0 до -2U_m, то чтобы уменьшить пульсации тока через прибор, напряжение u_R(t) подается на вход усилителя постоянного тока через сглаживающий фильтр низкой частоты R_фC_ф, на выходе которого выделяется среднее значение напряжения т.е. U_max, а микроамперметр уже включается на выходе УПТ.

Если измеряемое напряжение u(t), поданное на преобразователь амплитудного значения с закрытым входом, содержит кроме переменной еще и постоянную составляющую, т.е. , то при действии напряженияu(t) конденсатор зарядится до значения U_c=U_m+U₀, напряжение на резисторе R будет

.

Постоянные составляющие измеряемого напряжения и напряжения конденсатора С друг друга взаимно компенсирует на резисторе R. Таким образом, вольтметр с преобразователем пикового значения с закрытым входом реагирует только на переменную составляющую напряжения.

Впреобразователях средневыпрямленного значения (рис. 9) показания микроамперметра пропорциональны средневыпрямленному значению измеряемого напряжения u(t),т.е. =kU_ср. Преобразователи выполняются на полупроводниковых диодах, работающих в цепях одно- и двухполупериодного выпрямления. Работа диодов осуществляется на линейном участке вольтамперной характеристики.

Наиболее распространенные схемы ‑ мостовые. Они работают следующим образом. Ток через микроамперметр протекает в одном и том же направлении в течение обоих полупериодов переменного напряжения (в положительный полупериод по цепи VD2-R-VD3, а в отрицательный полупериод ‑ по цепи VD4-R-VD1. При использовании линейного участка характеристики диода и при открытом входе показания микроамперметра пропорциональны средневыпрямленному значению измеряемого напряжения. Если же вход преобразователя закрытый, то показания микроамперметра пропорциональны только средневыпрямленному значению переменной составляющей измеряемого напряжения.

В преобразователях среднеквадратичного значения (рис.10,а) показания a микроамперметра пропорциональны квадрату среднеквадратичного значения измеряемого напряжения u(t), т.е.  = kU². Преобразователи выполняются на элементах с квадратичной вольтамперной характеристикой, при этом ток через микроамперметр пропорционален квадрату среднеквадратичного значения измеряемого напряжения, поданного на вход преобразователя, т.е. I_u=u²(t).

При ток .

а) б)

Рис.10. Схема квадратичного преобразователя (а) и диаграмма напряжения (б)

Поскольку выходной прибор ‑ магнитоэлектрический микроамперметр, он будет реагировать на среднее значение тока .

Аналогичное доказательство можно выполнить для измеряемого напряжения u(t) любой формы:

где k ‑ номер гармоники; U_mk, U_k ‑ соответственно максимальное и среднеквадратичное значение измеряемого напряжения.

Для увеличения протяженности квадратичного участка вольтамперной характеристики используются преобразователи на диодных цепочках. Напряжение U создает на резисторах R4 и R5 соответственно напряжения смещения U1 и U2. Если входное напряжение u(t) не превышает значения U₁, то ток I=I₁ протекает через диоды VD1. Если U₁<U(t)<U₂, то ток протекает через диоды VD1 и VD2, в результате чего крутизна зависимости тока от напряжения увеличивается (рис.10. б). Ток I_u через прибор равен I₁ +I₂. Если u(t)>U₂, то ток протекает через диоды VD1, VD2, VD3, и ток I_u через прибор равен I₁+I₂+I₃ и крутизне зависимости I(u) увеличивается еще больше. Подбирая параметры цепи, можно осуществить кусочно-линейную аппроксимацию вольтамперной характеристики отдельных диодов и увеличить протяженность квадратичного участка преобразователя.