Значения коэффициентов амплитуды и формы для ряда наиболее распространенных сигналов

2. Классификация приборов для измерения напряжения и тока

Измерение напряжения или силы тока может осуществляться приборами непосредственной оценки или приборами, использующими метод сравнения (компенсаторами). По структурным схемам все приборы, измеряющие напряжение и силу тока, могут быть разделены на:

электромеханические;

электронные (группа В) аналоговые;

электронные цифровые.

Электромеханические приборы. Электромеханические приборы непосредственной оценки измеряемой величины представляют широкий класс приборов аналогового типа, обладающих рядом положительных свойств: просты по устройству и в эксплуатации, обладают высокой надежностью и на переменном токе реагируют на действующее значение сигнала. Последнее обстоятельство позволяет производить измерение наиболее информативного параметра сигнала без методических ошибок. Электромеханические измерительные приборы строятся по обобщенной структурной схеме, представленной на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Структурная схема электромеханического прибора

Измерительная схема осуществляет количественное или качественное преобразование входной величины х в электрическую величину х', на которую реагирует измерительный механизм. Последний, в свою очередь, преобразует электрическую величину х' в механическое угловое или линейное перемещение α, значение которого отражается по шкале отсчетного устройства, проградуированной в единицах измеряемой величины N(x).

Классификация электромеханических приборов производится по типу измерительного механизма. Наиболее распространенными в практике радиотехнических измерений являются следующие системы: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, электростатическая.

Электронные вольтметры (группа В) классифицируются по назначению, частотному диапазону и схеме входа.

По назначению классифицируют в соответствии с данными представленными в таблице 2.3.

По частотному диапазону – низкочастотные и высокочастотные.

По схеме входа (относительно постоянной составляющей тока) − с открытым (рис. 2.3, б) и закрытым входом (рис. 2.3, а).

Рис.2.3. Аналоговые электронные вольтметры с различными типами входа

Вольтметр с открытым входом измеряет переменную и постоянную составляющую сигнала, вольтметр с закрытым входом измеряет только переменную составляющую сигнала.

Электронные аналоговые вольтметры, измеряющие напряжение постоянного тока, строятся по схеме, представленной на рис. 2.4, (а), а измеряющие напряжение переменного синусоидального тока, строятся по двум схемам:

усилитель – детектор (У – Д) (рис. 2.4, б);

детектор – усилитель (Д – У) (рис. 2.4, в).

Таблица 2.3

Обозначение измерительных приборов подгруппы «в»

Обозначение	Назначение
В1	Установки или приборы для поверки вольтметров
В2	Вольтметры постоянного тока
В3	Вольтметры переменного тока
В4	Вольтметры импульсного тока
В5	Вольтметры фазочувствительные
В6	Вольтметры селективные
В7	Вольтметры универсальные
В8	Измерители отношения напряжений и (или) разности напряжений
В9	Преобразователи напряжений

Вольтметры, построенные по схеме У – Д, обладают высокой чувствительностью, что определяется наличием в ней дополнительного усилителя переменного тока. Поэтому по этой схеме строятся все микро- и милливольтметры. Данные приборы не универсальны (измеряют только напряжение переменного тока) и за редким исключением имеют узкий частотный диапазон. По назначению они относятся к третьей подгруппе – В3.

Вольтметры типа Д – У имеют широкий частотный диапазон (до 1 ГГц), они универсальны (применяются в цепях постоянного и переменного тока), но имеют низкую чувствительность. По назначению их относят к седьмой подгруппе – В7.

Рис. 2.4. Структурные схемы аналоговых электронных вольтметров

Рассмотренные вольтметры содержат входное устройство, детектор (преобразователь переменного напряжения в постоянное), усилитель постоянного тока (УПТ) и индикатор магнитоэлектрической системы (МЭС). При этом особенно важную функцию несут детекторы, которые классифицируют по функции преобразования входного напряжения в выходное: амплитудные (пиковые), среднего квадратического и средневыпрямленного значения. Тип детектора во многом определяет свойства прибора: вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с детекторами среднего квадратического значения позволяют измерять напряжение любой формы; вольтметры средневыпрямленного значения измеряют только гармоничесие сигналы, но являются самыми простыми и надежными.

Рассмотрим работу вольтметров с данными преобразователями, с учетом того, что все они градуируются в среднеквадратических значениях напряжения синусоидальной формы.

Пиковый электронный вольтметр − измеряет пиковое отклонение вверх или вниз (при изменении полярности подключения).

Измеряет пиковое значение сигнала сложной формы

(2.9)

U_св, U − определить нельзя.

Вольтметр с пиковым преобразователем при измерении напряжения сигналов любой формы покажет

(2.10)

Вольтметр среднего квадратического значения – измеряет среднеквадратическое значении напряжения сигнала любой формы, и в этих же значениях градуируется сигнал:

U = U_пок (2.11)

U_св и U_m определить нельзя.

Вольтметр с средне квадратичным преобразователем при измерении напряжения сигналов любой формы покажет

(2.12)

Вольтметр с линейным преобразователем – измеряет средневыпрямленное значение сигнала любой формы

(2.13)

U и U_m определить нельзя.

Данный вольтметр при измерении напряжения сигнала любой формы покажет

(2.14)

Следовательно, при измерении напряжения сигнала сложной формы среднеквадратическое значение покажет лишь прибор с квадратичным преоб­разователем; прибор с линейным преобразователем покажет средневыпрямленное значение напряжения, увеличенное в 1,11 раза (коэффициент формы для синусоидального сигнала); прибор с пиковым преобразователем покажет пиковое значение, уменьшенное в 1,41 раза (коэффициент амплитуды для синусоидального сигнала).

Несоответствие между градуировкой прибора и истинным измеряемым значением создаёт значительные трудности при сравнении результатов измерений, полученных различными приборами. Известно, что конечной целью измерения является получение численного значения искомой величины, а не отсчёт показаний прибора, поэтому последняя операция является необходимой, но вспомогательной.

Нахождение численных значений измеряемой величины и сравнение показаний различных вольтметров между собой осуществляется чаще всего расчётным путём. Для проведения расчётов для каждого прибора необходимо знать следующие характеристики:

вид входа (открытый, закрытый);

характеристику напряжения, на которую реагирует прибор (определяется видом преобразователя);

в каких значениях отградуирована шкала прибора;

форму измеряемого сигнала.

Пример. Имеются три вольтметра со среднеквадратическим, пиковым и средневыпрямленным преобразователями. Подадим на входы вольтметров напряжение сигнала синусоидальной формы с U_m = 10 В.

На выходе преобразователя 1-го вольтметра будет выделено среднеквадратическое значение синусоидального сигнала, величина которого может быть найдена из выражения

и которая без изменений (т.е. множитель равен 1) подается на отсчетное устройство и прибор покажет 7,09 В.

На выходе пикового преобразователя будет выделено

U_m = 10 В

т.к. прибор градуируется в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала, то это значение найдем из выражения

т. е. значение сигнала на выходе пикового преобразователя необходимо разделить на 1,41 или умножить на 0,709, полученное в результате этих действий значение подается на отсчетное устройство, которое покажет 7,09 В.

На выходе линейного преобразователя будем иметь средневыпрямленное значение напряжения, величина которого определяется из выражения

Для получения среднего квадратического значения эту величину необходимо умножить на =1,11 , и отсчетное устройство покажет 7,09 В.

Рассмотрим, что покажут эти вольтметры при измерении прямоугольного знакопеременного напряжения (меандр).

Подаем на входы вольтметров меандр с U_m = 10 В.

1-й вольтметр покажет

2-й вольтметр покажет

3-й вольтметр покажет

Таким образом, вольтметры с разными преобразователями при измерении напряжения сигнала синусоидальной формы покажут одинаковые значения, а при измерении напряжения сигналов других форм правильные значения покажет только прибор с среднеквадратичеким преобразователем, для приборов с другими преобразователями необходимо производить пересчет.

Шкала индикатора аналоговых вольтметров имеет градуировку на два значения напряжения: 10 и 30, и кратна пределам измерения прибора. Кроме того, такие вольтметры имеют дополнительную шкалу в децибелах.

При выполнении измерений в пределах 0,1; 1; 10; 100 мВ и 1; 10; 100 В отсчет результата производят по шкале с максимальным значением 10, учитывая при этом соответствующий коэффициент шкалы.

При использовании пределов 0,03; 0,3; 3; 30; 300 мВ и 3; 30; 300 В используют шкалу с максимальным значением 30, также учитывая коэффициент шкалы (K_ш).

Например, если вольтметром измеряют напряжение при установке переключателя пределов измерения в положение 300 мВ, то показания индикатора на шкале (рис. 2.5) с максимальным значением 30 следует умножить на коэффициент шкалы (K_ш).

Рис. 2.5. Изображение шкалы аналогового вольтметра

Помимо переключателя пределов на лицевую панель вольтметра для уменьшения погрешности измерения в зависимости от его типа и модели могут быть выведены следующие органы регулировки:

механический корректор (с регулировочным винтом под шлицевую отвертку), обеспечивающий установку стрелки индикатора на нуль (выполняется до включения тумблера «Сеть»);

электронная установка стрелки индикатора на нуль (выполняется при включенном приборе и закороченном входе). Обозначается на приборе ►0◄ (Уст. 0).

калибровка вольтметра (выполняется при включенном вольтметре в целях проверки его работоспособности). Обозначается на приборе ▼ (Калибр.).

В ряде случаев для количественной оценки передаваемых или принимаемых напряжений (токов, мощностей) используют не абсолютную единицу измерения (В, мВ), а относительную логарифмическую единицу − децибел. Поэтому большинство современных стрелочных вольтметров (как автономных, так и вмонтированных в другие приборы – генераторы сигналов, измерители нелинейных искажений и др.) помимо обычных шкал имеют и шкалу измерения в децибелах, которая отличается четко выраженной неравномерностью и по которой можно получать результат сразу, не прибегая к отсчетам в вольтах.

Чаще всего нуль шкалы в децибелах в этих приборах соответствует входному напряжению 0,775 В. При этом, если напряжение больше условного нулевого уровня, оно положительное, а если меньшее этого уровня, − отрицательное.

Шкала децибелов короче других шкал, и начинается она на некотором расстоянии от нулевой риски шкалы напряжений, так как нулю вольт соответствует ∞ дБ.

Каждый поддиапазон измерения, указанный на переключателе пределов, отличается от соседнего на 10 дБ, что соответствует изменению напряжения в 3,16 раз.

Для получения результата измерения показания, снятые со шкалы децибелов, алгебраически складываются со значением, установленным на переключателе пределов измерения (а не перемножаются, как в случае отсчета напряжений). Например, если ручка переключателя пределов установлена на значении −40 дБ, а стрелка прибора находится на отметке −2,0 дБ, результат измерения составит −40 + (−2,0) = −42,0 дБ.

Шкала децибелов в электронных вольтметрах предназначена. Для измерения отношения напряжений на входе и выходе фильтров, усилителей, аттенюаторов и определения ослабления

где U₀=0,775 В.

Бел – слишком крупная единица, поэтому на практике используют дольную (десятую) часть бела – децибел.