5.1 Аналоговые вольтметры

5.1.1 Принцип построения схемы аналоговых вольтметров

О бобщенная схема измерительного прибора имеет следующий вид:

Рисунок 5.1.1 Обобщенная функциональная схема измерительного прибора

Входное устройство обеспечивает необходимые входные параметры измерительного прибора (входное сопротивление, входная емкость), рассчитывается на определенный диапазон частот и напряжения измеряемого сигнала.

Входные параметры прибора определяются исходя из требования к измерительным приборам: подключение прибора не должно изменять режим работы объекта измерения и значение измеряемого параметра.

В ольтметр подключается к объекту параллельно, без разрыва рабочей цепи, поэтому его сопротивление должно быть бесконечно большим, а входная емкость минимальной. В этом случае шунтирующее действие прибора на объект будет минимальным.

Рисунок 5.1.2 Эквивалентная схема входной цепи вольтметра

Измерительный преобразователь преобразует сигнал по форме и параметрам в соответствии с типом и свойствами индикатора.

Индикатор позволяет получить результат измерения в форме удобной для прочтения измеряющим. Результат может быть представлен в виде отклонения стрелки, показаний цифрового табло, изображений на экране ЭЛТ, текста на дисплее ПК, озвучен и.т.д.

Классификация вольтметров

Признак классификации	Типы вольтметров
по элементной базе	аналоговые (со стрелочным отсчетом) цифровые (с цифровой индикацией)
по характеру измеряемого напряжения	постоянного напряжения переменного напряжения импульсного напряжения универсальные (постоянного и переменного напряжения)
по измеряемому параметру переменного напряжения	пиковые (ПВ) линейные (ЛВ) квадратичные (КВ)
по диапазону частот	низкочастотные высокочастотные
по частотно-избирательным свойствам	широкополосные избирательные

Параметры переменного напряжения

Как известно, электрический сигнал может быть представлен в различной форме. На рисунке 5.1.3  предложено графическое изображение сигнала прямоугольной формы. На примере данного сигнала рассмотрим основные параметры, характеризующие переменное напряжение.

Рисунок 5.1.3 Графическое изображение электрического сигнала

Форма исследуемого сигнала – это зависимость напряжения от времени u(t).

u(t) – мгновенное значение напряжения;

Umax – максимальное напряжение;

Uo – постоянная составляющая или среднее значение напряжения за период, рассчитывается по формуле

 

 

Um – амплитуда колебаний - максимальное отклонение мгновенного значения напряжения от среднего значения;

Uср.в. – средневыпрямленное напряжение, т.е. среднее значение выпрямленного напряжения (при двухполупериодном выпрямлении), рассчитывается по формуле

 

 

U – действующее напряжение - среднеквадратичное напряжение за период, рассчитывается по формуле

 

 

Т – период сигнала;

τ – длительность импульса.

 

Форма исследуемого сигнала характеризуется коэффициентами:

 

 

 

 

 

 

 

Принцип построения функциональной схемы аналогового вольтметра

На рисунке 5.1.4 представлена обобщенная функциональная схема аналоговых вольтметров. используемых в технике связи.

Рисунок 5.1.4 Функциональная схема аналогового вольтметра

В качестве индикатора в вольтметрах, рассчитанных на диапазон напряжений мкВ÷дес.В, используется магнитоэлектрический прибор (МЭП).

Достоинства МЭП:

• диапазон измерения тока (напряжения) соответствует значениям параметров сигналов в цепях связи;

• позволяет изготовить прибор высокой чувствительности, высокого класса точности;

• используя математические зависимости параметров сигналов и электрических цепей, шкалу индикатора можно отградуировать в единицах измерения различных параметров (Вольты, Амперы, Фарады, Омы), т.е. можно изготовить универсальные приборы.

 

Недостатки МЭП:

• недопустима перегрузка по току, прибор рассчитан на токи не более 50 мА;

• позволяет измерять только постоянный ток.

 

Так как индикатор рассчитан на постоянный ток, для измерения напряжения переменных сигналов используется детектор (выпрямитель).

В зависимости от схемы детектора различают следующие типы вольтметров:

Тип детектора	Тип вольтметра	Назначение вольтметра
пиковый (амплитудный)	пиковый - ПВ	измерение максимального (пикового) напряжения
линейный	линейный - ЛВ	измерение средневыпрямленного напряжения
квадратичный	квадратичный - КВ	измерение среднеквадратичного напряжения

Д иапазон измерения детекторного вольтметра можно рассчитать по шкале индикатора (при пределе ´1).

Рисунок 5.1.5 Пример градуировки шкалы индикатора

Диапазон измерения напряжения детекторного вольтметра невелик и меньше диапазона изменения напряжений в системах связи.

Для расширения диапазона измерения в схему вольтметра вводят калиброванный делитель напряжения КДН и усилитель.

КДН уменьшает напряжение сигнала в определенное число раз, таким образом, позволяет измерять напряжения U > Uном и расширяет верхний предел измерения.

Усилитель увеличивает напряжение сигнала в определенное число раз, т.е. позволяет измерять напряжения U < Uмин и расширяет нижний предел измерения.

Коэффициент усиления усилителя и коэффициент деления КДН должны быть постоянными и не должны зависеть от формы исследуемого сигнала, его частоты и величины напряжения.

На лицевую панель прибора выводится переключатель КДН, который градуируется с учетом коэффициентов деления и усиления в виде пределов измерения.

Вольтметр подключается к объекту измерения параллельно, чтобы уменьшить шунтирующее действие прибора на объект, его сопротивление должно быть бесконечно большим.

Входное устройство обеспечивает высокоомный вход, не менее 10 кОм. Для вольтметров среднего и высокого класса точности Rвх≥1Мом.

В качестве входного устройства используется трансформатор, первичная обмотка которого имеет большое сопротивление.