Свойства аналоговых электронных вольтметров и особенности их включения

Свойства электронных вольтметров определяются схемой входа, полным входным сопротивлением, схемой преобразователя, характером шкалы, чувствительностью, зависимостью показаний прибора от формы и частоты измеряемого напряжения, пределом измерений, погрешностью.

Входное сопротивление вольтметра состоит из активной и реактивной составляющих. Активная составляющая входного сопротивления R_вх зависит от схемы входа, преобразователя, типа применяемого во входном конденсаторе диэлектрика, и может изменяться в широких пределах. Входная емкость электронного вольтметра С_вх образована емкостью входных элементов, токопроводящих проводников, межэлектродной емкостью входных нелинейных элементов. На высоких частотах учитывается также индуктивность L_вх токопроводящих проводников. С увеличением частоты f входное сопротивление уменьшается, поскольку уменьшается сопротивление электрических потерь во входной емкости.

Эквивалентная схема входной цепи вольтметра на высоких частотах, несимметричная относительно земли, представлена на рис.11. Для уменьшения частотной погрешности измерения собственная частота входной цепи вольтметра должна быть в 5‑10 раз выше частоты измеряемого вольтметром напряжения. Поскольку входное сопротивлениеR_вх определяет мощность потребления вольтметра от объекта измерения, оно должно быть в 50-100 раз больше сопротивления участка цепи, к которому вольтметр подключается параллельно.

Схема входной цепи вольтметра может быть упрощена, если диапазон частот измеряемого напряжения порядка 10-30 МГц и индуктивность не учитываются и входное сопротивление носит активно-емкостный характер (рис.12.а); в диапазоне частот 1-10 МГц входное сопротивление определяется преимущественно емкостным сопротивлением (рис.12.б), поскольку оно много меньше активного сопротивления; в диапазоне частот до 1 МГц ‑ активным сопротивлениемL_вх=R_вх (рис.12.в), т.к. .

Для исключения погрешностей, вызываемых влиянием паразитных емкостей, клеммы электронного вольтметра и объекта измерения, соединенные с корпусом, должны быть соединены вместе и заземлены (рис.13). При измерении напряжения выше 1МГц, необходимо пользоваться пробником, снижающим частотную погрешность, вызваннуюL_вх и C_вх при высоких частотах, а также позволяющим осуществлять измерение непосредственно у объекта.

По пределам измерения напряжений вольтметр выбирают так, чтобы нижний предел обеспечивал достаточно высокую чувствительность, а верхний ‑ позволял по возможности обходиться без применения внешних делителей напряжения.

Шкалы большинства вольтметров, независимо от типа преобразования,

градуируют в действующих значениях синусоидального сигнала, поэтому градуировка справедлива только при измерении сигнала синусоидальной формы, за исключением вольтметра со среднеквадратичным преобразователем.

Электронные вольтметры часто градуируют и в относительных значениях (неперах и децибелах) с использованием соотношения

,

где U₀ ‑ нулевой уровень по напряжению, равный 0,776 В на градировочном сопротивлении в 600 Ом; U ‑ значение измеряемого напряжения.

По сравнению с электромеханическими вольтметрами аналоговые электронные вольтметры имеют следующие достоинства: широкий частотный диапазон измеряемого напряжения (от единиц герц до сотен мегагерц); слабую зависимость показаний от частоты измеряемого напряжения в рабочем диапазоне частот; высокую чувствительность, практически постоянную в рабочем диапазоне частот; широкий динамический диапазон (от десятых долей до сотен вольт) благодаря применению усилителей и делителей напряжения; ничтожно малую мощность потребления, т. к. имеют большое входное сопротивление R_вх (10-10 МОм), малую входную емкость C_вх (1-4 пФ), но и в тоже время развивают мощность, достаточную для приведения в действие выходного магнитоэлектрического измерителя.

К недостаткам аналоговых электронных вольтметров относят их сравнительно большую основную погрешность (1-4%), обусловленную температурной зависимостью полупроводниковых элементов и интегральных микросхем и их влиянием на градуировку вольтметров, частотную погрешность и необходимость вспомогательных источников питания.

Влияние формы кривой измеряемого напряжения на показания аналоговых электронных вольтметров

Выбор электронного вольтметра определяется схемами входа и преобразователя, полным входным сопротивлением, градуировкой шкалы, пределом измерений, чувствительностью, погрешностью и зависимостью показаний вольтметра от формы кривой и частоты измеряемого напряжения. Градуировку большинства шкал электронных вольтметров, кроме импульсных, выполняют в действующих значениях синусоидального напряжения, поскольку основное назначение электронных вольтметров – измерять синусоидальные напряжения.

При измерении несинусоидального напряжения показания вольтметра зависят от схемы входа, преобразователя и градуировки шкалы. К показаниям электронного вольтметра можно внести поправку только при знании формы измеряемого напряжения и соответствующих им коэффициентов амплитуды К_а и формы К_ф.

Например, если на вход электронного вольтметра, шкала которого отградуирована в действующих значениях синусоидального сигнала, подана последовательность прямоугольных импульсов (рис.14.а), то в зависимости от типа преобразователя показания вольтметра будут различны:

а) с преобразователем амплитудного значения и закрытым входом вольтметр реагирует только на пиковое значение переменной составляющей импульсного сигнала, т.е. U_m=U_m-U₀ (рис.14.б), где ‑ постоянная составляющая.

Показания вольтметра (с учетом коэффициента амплитуды К = 2

синусоидального сигнала)

б) с преобразователем амплитудного значения и открытым входом вольтметр реагирует на пиковое значение импульсного сигнала, т.е. U_m. Показания вольтметра ;

в) с преобразователем среднего значения (схема выпрямления двухполупериодная) и открытым входом вольтметр реагирует на среднее значение ;

Показания вольтметра (с учетом коэффициента формы К = 1,11 синусоидального сигнала) =U₀K_ср;

г) с преобразователем среднеквадратичного значения и открытым входом вольтметр реагирует на среднеквадратичное значение последовательности прямоугольных импульсов .

Показания вольтметра =U.

Следовательно, к показаниям вольтметров для случая а), б), в) необходимо внести соответствующие поправки.