6.2. Электронные вольтметры

В электронных вольтметрах напряжение преобразуется в постоянный ток, величина которого определяется магнитоэлектрическим измерителем. Шкалу измерителя градуируют в единицах напряжения. Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью, широким диапазоном измеряемых напряжений, высоким входным сопротивлением, могут работать в широком частотном диапазоне – от постоянного тока до сотен мегагерц. Эти качества обуславливают их применение для измерений в цепях радиоэлектронной аппаратуры. В то же время электронные преобразователи вносят заметную погрешность, в результате чего электронные вольтметры не отличаются высокой точностью (обычно класс точности 1.0–1.5). По роду измеряемого напряжения электронные вольтметры подразделяются на вольтметры постоянного напряжения, переменного напряжения, универсальные и импульсные. У большинства электронных вольтметров преобразование напряжения в ток реализуется с помощью операционных усилителей.

Вольтметры постоянного напряжения. На рис. 6.3 представлен один из вариантов схемной реализации вольтметра. Резисторы R1, R2, R3 с переключателем S образуют входной делитель, предназначенный для выбора предела измерения.

Напряжение, снимаемое с делителя, поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Оно связано с измеряемым напряжением соотношением где n – коэффициент расширения, равный 1 в положении «1» переключателя и соответственно в положении «2» и «3». К выходу усилителя через резистор R₄ подключен миллиамперметр РА. Падение напряжения на R₄, вызванное выходным током I_n, подается на инвертирующий вход усилителя и является сигналом отрицательной обратной связи .

Рис. 6.3. Электронный вольтметр постоянного напряжения

Вследствие очень большого коэффициента усиления операционного усилителя напряжения на его входах можно полагать равными, т.е. откуда

. (6.5)

Таким образом, шкалу измерителя можно равномерно отградуировать в единицах напряжения.

Входное сопротивление прибора равно сопротивлению делителя (R₁+R₂+R₃), шунтированному входным сопротивлением операционного усилителя. Если входной дифференциальный каскад последнего выполнен на полевых транзисторах, шунтирующим влиянием входного сопротивления усилителя можно пренебречь.

В приборах с пределом измерения до 10 В входной делитель может отсутствовать, переключение пределов измерения в этом случае в соответствии с выражением (6.5) возможно изменением сопротивления обратной связи (R4).

Вольтметры переменного напряжения. Электронная часть таких вольтметров, помимо усилителя У, содержит детектор Д, преобразующий переменный ток в постоянный (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Функциональная схема вольтметра переменного напряжения

Различают детекторы среднего, амплитудного и среднеквадратичного (действующего) значений. Однако независимо от типа детектора шкалу измерителя градуируют в действующих значениях синусоидального напряжения. Таким образом, показания вольтметров с детекторами среднего и амплитудного значений достоверны только при измерении напряжений синусоидальной формы. Если форма измеряемого переменного напряжения отличается от синусоидальной, измерительную информацию используют следующим образом:

а) показание вольтметра с детектором среднего значения следует разделить на 1.11 (коэффициент формы синусоиды), что даст достоверное среднее значение. Если известен коэффициент формы измеряемого напряжения, умножением на него находят действующее значение:

;

б) показание вольтметра с амплитудным детектором следует умножить на (коэффициент амплитуды синусоиды), что даст достоверное амплитудное значение.

Разделив его на коэффициент амплитуды измеряемого напряжения (если он также известен), находят действующее значение:

.

Показания вольтметров с детекторами среднеквадратического значения соответствуют действующим значениям при любой форме кривой напряжения. Однако такие детекторы отличаются большей сложностью и менее точны.

На рис. 6.5 представлена одна из возможных схем вольтметра с детектором среднего значения.

Рис. 6.5. Вольтметр переменного напряжения с детектором среднего значения

В отличие от рассмотренных ранее вольтметров постоянного напряжения схема содержит конденсаторы С1, С2 и детектор, выполненный на диодах VD1…VD4. Конденсаторы выполняют разделительную функцию: С1 пропускает на вход делителя лишь переменную составляющую измеряемого напряжения, задерживая постоянную, а С2 обеспечивает 100%-ю отрицательную обратную связь по постоянному току, что практически устраняет дрейф нуля и позволяет обойтись без балансировки операционного усилителя.

Детектор представляет собой обычный мостовой выпрямитель, в диагональ постоянного тока которого включен магнитоэлектрический миллиамперметр.

Среднее значение тока измерителя при синусоидальном напряжении пропорционально действующему значению измеряемого напряжения:

, (6.6)

где U_x – действующее значение измеряемого напряжения; п – коэффициент расширения входного делителя.

Максимальная частота измеряемого напряжения определяется динамическими свойствами операционного усилителя.

Вольтметры, предназначенные для измерения высокочастотных напряжений, имеют более сложную структуру.