3.3 Электронные вольтметры
3.3.1 Общие сведения об электронных вольтметрах
Электронным вольтметром называется прибор, показания которого вызываются током электронных элементов, входящих в его состав, пропорциональным измеряемому входному напряжению.
Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дискретные (цифровые). В аналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в пропорциональное изменение постоянного тока, которое измеряется магнитоэлектрическими микроамперметрами, шкалы которых проградуированы непосредственно в единицах напряжения. Поэтому такие вольтметры еще называют стрелочными. В цифровых вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду преобразований, в результате которых измеряемая величина преобразуется в дискретную, значение которой отражается на индикаторном табло в виде цифр.
По роду тока электронные вольтметры делятся на вольтметры постоянного тока, переменного тока, универсальные, импульсные и вольтметры с частотно-избирательными свойствами (селективные).
Основные достоинства электронных вольтметров:
высокая чувствительность;
широкие пределы измеряемого напряжения;
большое входное сопротивление и малая входная емкость;
малая погрешность измерений.
3.3.2 Аналоговые электронные вольтметры
Аналоговый электронный вольтметр – это измерительный прибор, который состоит из электронного преобразователя, выполненного на полупроводниковых элементах, интегральных микросхемах, и магнитоэлектрического измерителя.
Для измерения напряжения в радиоэлектронных цепях используют следующие типы электронных вольтметров: постоянного тока (В2), переменного тока (ВЗ), импульсные (В4), фазочувствительные (В5), селективные (В6), универсальные (В7).
Аналоговые электронные вольтметры постоянного тока по сравнению с магнитоэлектрическими вольтметрами имеют большое входное сопротивление (порядка 10—30 МОм) и высокую чувствительность. Значение входного сопротивления неизменно при переключении пределов измерения.
Схема аналогового электронного вольтметра постоянного тока представлена на рис. 3.11. Вольтметр состоит из входного устройства (ВУ) – входных зажимов и высокоомного резистивного делителя напряжения; электронного преобразователя – усилителя постоянного тока (УПТ); электромеханического преобразователя – обычно это магнитоэлектрический микроамперметр (мкА).
Рис. 3.11. Структурная схема аналогового вольтметра постоянного тока
УПТ предназначен для повышения чувствительности вольтметра, увеличивает мощность сигнала до уровня, необходимого для приведения в действие магнитоэлектрического измерителя. УПТ должен обладать высокой линейностью амплитудной характеристики, постоянством коэффициента усиления, малым дрейфом нулевого уровня.
Линейность амплитудной характеристики обеспечивается правильным выбором режимов работы транзисторов, микросхем усилителя. Отрицательная обратная связь в усилителе повышает стабильность коэффициента усиления и улучшает линейность амплитудной характеристики. Стабилизация питающих напряжений также способствует стабилизации коэффициента усиления.
Для уменьшения дрейфа нулевого уровня, кроме стабилизации питающих напряжений, усилитель выполняют по мостовой балансной схеме. Кроме того, в вольтметрах постоянного тока применяют метод усиления с модуляцией-демодуляцией. Суть метода состоит в том, что постоянное напряжение сначала преобразуют в переменное, которое усиливается усилителем переменного тока. А затем переменное напряжение снова преобразуют в постоянное. Применение такого метода позволяет также исключить ошибки, вызываемые дрейфом нуля.
Расширение пределов измерения осуществляется с помощью делителя и сопротивления обратной связи.
Аналоговые электронные вольтметры переменного тока выполняют по схемам, изображенным на рис. 3.12:
а) без преобразования;
б) с усилением переменного напряжения и дальнейшим его преобразованием в постоянное;
в) с преобразованием переменного напряжения в постоянное и дальнейшим его усилением.
Вольтметры, построенные по схеме б, характеризуются сравнительно узким частотным диапазоном 10 Гц – 20 МГц, определяемым полосой пропускания усилителя переменного тока, но более высокой чувствительностью. Вольтметры, построенные по схеме в), характеризуются широким частотным диапазоном 20 Гц – 1000 МГц, но недостаточно высокой чувствительностью. Характеристики аналоговых электронных вольтметров переменного тока и градуировка их шкал в основном определяются схемой электронного преобразователя (детектора).
Рис. 3.12. Структурные схемы вольтметров переменного тока
Различают преобразователи амплитудного, средневыпрямленного и среднеквадратического значений, преобразующие переменное напряжение в постоянное, пропорциональное по уровню соответственно амплитудному, средневыпрямленному и среднеквадратическому значениям измеряемого напряжения.
Вход преобразователей относительно постоянной составляющей измеряемого напряжения может быть открытым либо закрытым (с разделительным конденсатором на входе).
По частотному диапазону аналоговые электронные вольтметры переменного тока делятся на низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные.
Универсальные аналоговые электронные вольтметры состоят из двух схем (рис. 3.12, г) для измерения напряжения в цепях постоянного и переменного токов.
Рассмотрим принцип действия аналоговых электронных вольтметров.