2.1.3. Микровольтметры постоянного тока. Милливольтметры переменного тока
Наиболее чувствительные вольтметры постоянного тока с использованием УНС, выпускаемые промышленностью, имеют наименьший предел измерения 1–10 мВ и входное сопротивление порядка 1–10 МОм. При необходимости получить большую чувствительность или большее входное сопротивление применяют усилители с преобразованием спектра. Рассмотрим примеры реализации микровольтметров на основе таких усилителей.
На рис. 2.3 дана структурная схема микровольтметра такого типа. Измеряемое напряжение через трехзвенный Г-образный RC-фильтр Ф подается на вход модулятора М. Назначение фильтра –уменьшение составляющей промышленной частоты во входном сигнале. Наличие фильтра позволяет сохранять работоспособность прибора при напряжении наводки частоты 50Гц, в десятки раз превышающей измеряемое постоянное напряжение, В качестве модулятора использован вибропреобразователь. Фильтр и модулятор собраны в общем экране.
Рис. 2.3. Структурная схема микровольтметра с преобразованием спектра
Модулированный сигнал усиливается транзисторным усилителем с RC-связью, первый каскад которого построен на малошумящем вакуумном триоде-нувисторе. Усиленное напряжение преобразуется в постоянное транзисторным демодулятором. Усилитель УЗ выполняет роль активного фильтра для сглаживания пульсаций немодулированного напряжения.
Цепь общей отрицательной обратной связи ОС1 обеспечивает стабилизацию коэффициента усиления усилителя и его изменение при переключении пределов измерения вольтметра. Кроме звена ОС1 в переключатель пределов измерения ППИ входит делитель напряжения ДН, размещенный между вторым и третьим каскадом усилителя. Коэффициент усиления схемы с обратной связью составляет 106/UПР, где Uпр – конечное значение шкалы на выбранном пределе, мкВ. Цепь гибкой обратной связи ОС2, работающая только в момент изменения сигнала, предназначена для улучшения динамических характеристик схемы. Переключатель пределов измерения помещен в экран.
Генератор несущей частоты ГНЧ обеспечивает подачу напряжений на модулятор и демодулятор, частота генератора 82 Гц. Источники питания вольтметра стабилизированы. Коррекция дрейфа нуля осуществляется подачей на вход вольтметра постоянного напряжения с резистора Уст. 0.
Милливольтметры переменного тока
Милливольтметр переменного тока в зависимости от устройств измеряют амплитудное, среднее и действующее значения переменного напряжения. Шкала милливольтметра градуируется, как правело, в действующих значениях для синусоидального напряжения, или, что тоже самое, в 1,11Uср – для приборов, показания которых пропорциональны среднему значению напряжения, и в 0,7Um – для приборов, показания которых пропорциональных амплитудному значению. Если шкала прибора градуируется в амплитудных или средних значениях, то на ней имеется соответствующее обозначение. Милливольтметры переменного тока строятся по схеме усилитель–выпрямитель. Структурная типовая схема такого прибора показана на рисунке.
При разработке этого класса приборов основное внимание уделяется обеспечению высокого входного импеданса в широком диапазоне частот. Структура прибора, в которой усиления предшествует выпрямлению, позволяет, сравнительно просто повысит входное сопротивление и уменьшить входную емкость за счет введения схем с глубокими местными обратными связями.
Рис. 2.4 Функциональная схема милливольтметра переменного тока:
ПИ – преобразователь импеданса, ППИ – переключатель приделов измерения,
У – широкополосный усилитель, ВУ – выпрямительное устройство (ПАЗ, ПСЗ, ПДЗ): ИП – источник питания в этом числе катодных и эмиттерных повторителей.
Применяются также и другие методы повышения импеданса и выравнивания частотных характеристик, такие, как размещение входного устройства в пробнике. Применения элементов с малой собственной емкостью, коррекции усилителей с помощью частотно-зависимых цепей.
В приведенных примерах реализации схема милливольтметров переменного тока приемы и методы улучшения метрологических характеристик рассматриваются более конкретно.
На рис. 2.5 приведена схема милливольтметра переменного тока.
Рис. 2.5. Схема милливольтметра переменного тока.
Диапазон измеряемых напряжений прибора от 100 мкВ до 300 В перекрывается приделами 1, 3, 10, 30, 100, 300 мВ; 1, 3, 10, 30, 100, 300 В. Рабочий диапазон частот 20Гц – 5МГц. Основная погрешность 2,5% на пределах 1 – 300 мВ и 4% на пределах 1 – 300В в диапазоне частот 45 Гц – 1 МГц; в остальной части рабочего диапазона частот погрешность 4 –6%. Входное сопротивление на частоте 55 Гц не менее 5 МОм на пределах до 300 мВ и не менее 4 МОм на остальных пределах, входная емкость 30 и 15 пФ. Прибор подключается к объекту измерения придаваемыми к нему кабелями, емкость которых не более 80 пФ. Отсутствие пробника существенно ухудшает входной импеданс его в области ВЧ.