4.4. Электронные аналоговые вольтметры.

Классификация вольтметров приведена в разделе 4.2. При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором измеряется напряжение. Для уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление энергии вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление велико. Поэтому в схемах электроники при измерении в маломощных цепях изменение электромеханических приборах ограничено ( относительно небольшое входное сопротивление).Предпочтительнее является использование электронных вольтметров.

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и магнитоэлектрического или цифрового измерительного прибора.

В отличии от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокое входное сопротивление и чувствительность и малое потребление тока от измерительной цепи. Электронные, аналоговые и цифровые вольтметры позволяют производить измерения в широком диапазоне напряжений и частот.

По роду тока электронные вольтметры делятся на вольтметры постоянного напряжения, переменного напряжения, универсальные и импульсные. Кроме того, выпускаются вольтметры с частотно-избирательными свойствами – селективные. Электронные вольтметры постоянного тока выполняются по схеме, представленной на рисунке 4.6,а.

Измеряемое напряжение Uподается на входное устройство ВУ, представляющее собой многопредельный высокоомный делитель напряжения на резисторах. С делителя напряжения поступает на усилитель постоянного тока УПТ и далее – на стрелочный приборV. Делитель и усилитель постоянного тока ослабляют и усиливают соответственно напряжение до значений, необходимых для нормальной работы прибора. Одновременно усилитель обеспечивает согласование высокого сопротивления входной цепи вольтметра с низким сопротивлением рамки прибора магнито-электрической системы. Высокое входное сопротивление электронного вольтметра (несколько десятков Мом) позволяет производить измерение напряжения в высокоомных цепях без заметного потребления мощности от объекта измерения. Чтобы обеспечить необходимую точность вольтметра и усилителя постоянного тока с изменяемым в электронных вольтметрах предъявляются жесткие требования в отношении линейности амплитудной характеристики, постоянство коэффициента усиления, температурного и временного дрейфа нуля. При построении электронных вольтметров для измерения малых напряжений эти требования не всегда могут быть удовлетворены. Поэтому вольтметры постоянного тока для измерения малых напряжений выполняются по схеме ( рисунке 4. 6).

Рисунок 4.6.Электронные вольтметры.

В таких вольтметрах постоянное измеряемое напряжение вначале преобразуется модулятором М в переменное, а далее усиление измеряемого сигнала осуществляется усилителем переменного тока У, обладающим лучшими метрологическими характеристиками по сравнению с УПТ. Выпрямленное выпрямителем( детектором) В, напряжение подается на стрелочный прибор V, это позволяет получить электронные микровольтметры с нижним пределом измерении порядка 10^-8В.

Электронные вольтметры переменного тока выполняют по двум структурным схемам ( рисунок 4.6 ,в, г ). В первой из этих схем измеряемое переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное детектором . а затем усиливается УПТ. Во второй схеме усиление производится на переменном токе и лишь затем, предварительно усиленный сигнал, выпрямляется детектором. Эти схемы дополняют друг друга. Каждая из них обладает своими преимуществами и недостатками. Вольтметры, построенные по первой схеме, позволяют измерять напряжение переменного тока в широком частотном диапазоне(10Гц..100МГц), но не дают возможности измерять напряжение меньше нескольких десятых долей вольта, т.к. детектор выпрямляет только достаточно большие напряжения. Вторая схема позволяет строить более чувствительные вольтметры, нижний предел измерения которых составляет всего лишь единицы микровольт. Однако такие вольтметры имеют меньший частотный диапазон, поскольку частотный диапазон УПТ трудно сделать достаточно широким.

Важнейшим элементом электронного вольтметра, в значительной мере определяющим его метрологические характеристики, является детектор. Напряжение на выходе детектора может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения. Характер этой зависимости определяет, на какое из этих значений реагирует магнитоэлектрический стрелочный прибор. Соответственно, различают вольтметры средневыпрямленных, амплитудных и среднеквадратических значений. Необходимо, однако, помнить, что шкалу электронного вольтметра обычно градуируют в средних квадратических значениях напряжения синусоидальной формы и это следует учитывать при измерении и при анализе погрешностей, обусловленных отклонением формы реального измеряемого сигнала от синусоиды.

Простейшими вольтметрами средних значений являются выпрямительные вольтметры, рассмотренные выше на основе пассивных преобразователей средневыпрямленных значений. Преобразователи выполняются на полупроводниковых диодах, работающих на линейном участке вольт-амперной характеристики(ВАХ).

Структурная схема электронного вольтметра средневыпрямленных значений приведена на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7.

Измеряемое напряжение Uх подается на вход эмиттерного повторителя У1, назначение которого – обеспечить высокое входное и низкое выходное сопротивление. Для изменения коэффициента передачи в схему включен аттенюаторRP1, напряжение с выхода которого подается на операционный усилитель У2 переменного напряжения. Двухполлупериодный диодный преобразователь средневыпрямленных значений (VD1,VD2) включен в цепь последовательной отрицательной обратной связи потоку, охватывающей усилитель У2. Введение ООС повышает стабильность и улучшает частотную характеристику усилителя, уменьшает нелинейность, обусловленную прямым сопротивлением диодов. В мостовой схеме два диода заменены на резисторыR2 иR1, что обеспечивает термостабилизацию диодовVD1,VD2.

Резистор R3 предназначен для выравнивания токов в плечах мостовой схемы преобразователя (детектора). При достаточно большом коэффициенте передачи усилителя У2 и при условииR1=R2=Rпостоянное выходное напряжение

Uвых=Uх*R/ Кф*R3, (4.11)

Где Uвых.- постоянное напряжение на индикаторном приборе;

Uх – действующее значение переменного напряжения на входе усилителя;

Кф – коэффициент формы, равный 1,11.

Вольтметры средних квадратических значений строятся по структурной схеме, приведенной на рисунке 4.8

Рисунок 4.8.

Детекторы среднеквадратического значения используют квадратический участок ВАХ диода или диодной цепочки, в результате чего постоянная составляющая напряжения на выходе детектора оказывается пропорциональной квадрату среднего квадратического значения измеряемого напряжения, независимо от формы этого напряжения. Пример квадратического детектора типа «диодная цепочка» приведен на рисунке 4.8, а. На вход такого детектора подается измеряемое переменное напряжение U(t).К делителюR6…R9 приложено напряжение, которое создаёт на резисторахR6…R9 падения напряженияE1…E4, запирающие диодыVD2…VD5.В положительный полупериод, если входное напряжение не превышает напряженияe1, ток протекает через диодVD1 и на резистореRн возникает падение напряженияU₀, являющееся выходным напряжением схемы. Ток диодаVD1, определяемый резисторамиR1 иRн. Линейно зависит от входного напряжения. По мере роста тока диодаVD1 увеличивается и падение напряжения на резистореR1.

При входном напряжении равном E1 напряжения на резисторахR1 иR9 компенсируются,VD2 открывается, ток входного напряжения начинает протекать и через К2, крутизна зависимости тока от входного напряжения увеличивается. Аналогичное явление происходит, когдаU(t)=E2 и т.д.

Подбирая параметры схемы, можно получить ломаную линию, отражающую зависимость суммарного тока I, протекающего черезRн(а, следовательно, и выходного напряженияU₀=i*Rн), близкую к ветви квадратичной параболы (рисунок 4.8).Это приближение тем лучше, чем больше отрезков содержит ломаная линия, т.е. чем больше диодов включено в схему.

К недостаткам данной схемы следует отнести сложность подбора элементов схемы, наличие дополнительного источника питания E.

В некоторых вольтметрах в качестве детектора среднеквадратических значений применяются термоэлектрические преобразователи.

Принцип действия АД основан(рисунок 4.9,а) на заряде конденсатора С

Рисунок 4.9.Аамплитудный детектор с открытым входом.

Через диод Д до амплитудного значения измеряемого напряжения и медленном его разряде через нагрузочный резистор Р.Из-за различия времени заряда и разряда на конденсаторе появляется постоянная составляющая напряжения. Тем больше отношение времени постоянной времени разряда конденсатора к постоянной времени его заряда, тем больше напряжение на конденсаторе приближается к амплитудному значению. При синусоидальной форме сигнала U(t) среднее значение напряжения на диоде равно среднему значению напряжения на конденсаторе, но с противоположенным знаком. Постоянная составляющая напряжения на конденсаторе и напряжение на диоде несёт информацию об амплитудном значении преобразуемого напряжения. В зависимости от того, какое из этих напряжений принимается за выходное, различают две разновидности АД. Если выходным служит напряжение на конденсаторе, то получаем АД с открытым входом (рисунок 4.9) , который пропускает постоянную составляющую измеряемого напряжения. Если выходное напряжение снимается с диода, то имеем АД с закрытым входом ( рисунок 4.10). При измерении пульсирующего напряжения конденсатор С будет заряжаться до пикового напряженияUmax.

Рисунок 4.10.Аамплитудный детектор с закрытым входом.

АД с закрытым и открытым входами применяются в универсальных ВЧ вольтметрах при измерении в широком диапазоне частот. Погрешность измерения вольтметра с АД зависит от частоты. Эта погрешность тем больше, чем меньше частота измеряемого напряжения.

Одним из существенных недостатков вольтметров с АД является зависимость показания прибороа от формы сигнала. Обычно шкала амплитудных вольтметров градуируется в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения, тогда как отклонение стрелки прибора пропорционально амплитуде напряжения. Поэтому показания, отсчитанные по шкале стрелочного прибора, справедливы толькопри измерении синусоидальных напряжений. При произвольной форме сигнала, если значения Кф для этого сигнала неизвестно, измерение среднеквадратического значения напряжения оказывается невозможным.

На электронные вольтметры установлены классы точности от 0,1 до 25.Обычныеклассы точности 2,5; 4.

Избирательные вольтметры применяются для измерения отдельных составляющих многочастотного сигнала, определения коэффициента гармоник. Приборы избирательного действия могут быть изготовлены на различных принципах. Чаще всего применяются приборы гетеродинного типа, близкие по своему устройству к радиоприемникам, обладающие большой чувствительностью и широким диапазоном измерений. Структурная схема такого вольтметра приведена на рисунке 4.11.

Рисунок 4.11.Схема селективного вольтметра гетеродинного типа.

Входной сигнал частоты fxпреобразуется преобразователем частоты Пр в разностную ( промежуточную) частоту. При плавном изменении частоты гетеродина Г можно подобрать частотуfг –fx= fпч ( на которую настроен полосовой фильтр Ф) м определить значение этого сигнала вольтметром. При постоянстве коэффициента преобразования показания вольтметра пропорциональны сигнала данной гармонической составляющей на входе. Для перестройки в широком диапазоне частот и повышения избирательности применяют двух и более кратное преобразование частоты.