Электронные вольтметры

ЭЛЕКТРОННЫЕ ВО ЛЬТМЕТРЫ

Определение и классификация. Электронным вольтмет­ром называется прибор, показания которого вызываются током электронных приборов, т. е. энергией источника пи­тания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет то­ком электронных приборов, благодаря чему входное сопро­тивление электронных вольтметров достигает весьма боль­ших значений и они допускают значительные перегрузки.

Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дис­кретные. В аналоговых вольтметрах измеряемое напряже­ние преобразуется в пропорциональное значение постоян­ного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроампер­метром, шкала которого градуируется в единицах напряже­ния (вольты, милливольты, микровольты). В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду преобразований, в результате которых аналоговая измеряе­мая величина преобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается на индикаторном устройстве в виде светящихся цифр. Аналоговые и дискретные вольтметры ча­сто называют стрелочными и цифровыми соответственно.

По роду тока электронные вольтметры делятся на вольт­метры постоянного напряжения, переменного напряжения, Универсальные и импульсные. Кроме того, имеются вольт­метры с частотно-избирательными свойствами — селектив­ные.

При разработке электронных вольтметров учитываются следующие основные технические требования: высокая чувствительность; широкие пределы измеряемого напряжения; широкий диапазон рабочих частот; большое входное сопро­тивление и малая входная емкость; малая погрешность; известная зависимость показаний от формы кривой измеря­емого напряжения. Перечисленные требования нельзя удов­летворить в одном приборе, поэтому выпускаются вольт­метры с разными структурными схемами.

Вольтметры переменного напряжения. Электронный вольтметр переменного напряжения состоит из преобразова­теля переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического индикатора. Часто на входе вольт­метра устанавливается калиброванный делитель напряже­ния. с помощью которого увеличивается верхний предел измеряемого напряжения. В зависимости от вида преобразования показание вольтметра может быть про­порционально амплитудно­му (пиковому), средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения.

Рис.1. Структурная схема ана­логового электронного вольтметра с амплитудным преобразователем

Однако следует иметь в виду, что шкалу любого электронного вольтметра градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряже­ния синусоидальной формы. Исключение составляют им­пульсные вольтметры, шкалу которых градуируют в ам­плитудных значениях.

Вольтметр амплитудного (пикового) значения (рис.1) состоит из амплитудного преобразователя АПр, усилителя постоянного тока УПТ и магнитоэлектрического индика­тора, градуированного в вольтах. На входе вольтметра иногда предусматривается делитель напряжения ДН. Ам­плитудный преобразователь выполняют по схеме с откры­тым или закрытым входом.

Амплитудный преобразователь с открытым входом (рис.2, а) представляет собой последовательное соеди­нение вакуумного диода Д с параллельно соединенными ре­зистором Л? и конденсатором С. Если к зажимам 1—2 при­ложено напряжение u = U_m sinwt от источника с внутрен­ним сопротивлением r_i, то конденсатор через диод заря­жается до некоторого значения U_c, которое приложено к электродам диода так, что он большую часть периода закрыт, т. е. работает в режиме отсечки (рис. 2, б). В те­чение каждого периода диод открывается на некоторый промежуток времени 't₁ - 't₂ тогда и>U_c и конденсатор подзаряжается импульсом тока i_Д до напряжения Uc • постоянная времени заряда t_з = (R_i +R_Д ) С, где R_Д — сопротивление открытого диода. Затем диод закрывается и конденсатор разряжается через резистор R в течение ин­тервала t₂ - 't₁ постоянная времени разряда t_p = RC.

Постоянные времени должны отвечать следующим усло­виям: t_з < 1/f_в и t_p > I/f_н где f_в и f_н — границы частотного диапазона вольтметра. Очевидно, что t_з << t_p и R >> R_i +R_Д. В широкодиапазонных вольтметрах неравенство: t_з < 1/f_в выполнить не удается, и потому на высоких ча­стотах процесс установления длится в течение нескольких периодов измеряемого напряжения.

1 Д

U~ R_i + C R U_пик

2

а) б)

Рис.2. Амплитудный преобразователь с открытым входом

Результатом амплитудного преобразования является среднее значение слабопульсирующего напряжения Uc, которое в отличие от Um называют пиковым значением U_пик.

U_пик = U_mcos q

Где q - угол отсечки диода.

Напряжение U_пик поступает на вход усилителя постоян­ного тока, входное сопротивление которого большое, а выходное — малое. УПТ служит для согласования выходного сопротивления преобразователя с сопротивлением индика­тора и для повышения чувствительности вольтметра.

Амплитудный преобразователь с закрытым входов (рис. 3) представляет собой последовательное соединение конденсатора постоянной емкости С с параллельно соеди­ненными диодом Д и резистором R. Процесс преобразова­ния переменного напряжения в постоянное U_пик аналогичен рассмотренному выше, с тем отличием, что на зажимах 3—4 име­ются значительные пульсации напряжения, для сглаживания которых предусмотрен фильтр.

1 С 3 R_ф

R_д

U~ Д R С_Ф U_пик

2 4

Рис. 3. Принципиальная схема амплитудного преобра­зователя с закрытым входом

Процессы преобразования пульсирующего напряжения преобразователем с открытым и закрытым входом различны и зависят от полярности подключения к входным зажи­мам /—2 постоянной составляющей пульсирующего напря­жения. Если на вход амплитудного преобразователя с от­крытым входом включено пульсирующее напряжение так,

Рис. 4. Диаграммы напряжении в амплитудных преоб­разователях: а—с открытым входом; б — с закрытым входом

что «+» постоянной составляющей приложен к аноду| диода, то выходное напряжение U_пик»U_max=U₀+U_m+, где Uo — постоянная составляющая, а U_m+ — амплитуда положительного полупериода переменной составляющей (рис.4, а). Если к аноду диода приложен «—» постоянной составляющей, то диод закрыт все время и преобразования нет. Если к аноду амплитудного преобразователя с закры­тым входом приложено пульсирующее напряжение, то кон­денсатор С заряжен постоянной составляющей U₀ преобразователь реагирует только на переменную составляющую. если к аноду диода приложен «+», то выходное напряже­ние U_пик» U_m+, a если «—», то U_пик» U_m- (рис. 4, б). Это полезное свойство вольтметров с закрытым входом из­мерять отдельно значения напряжения положительного или отрицательного полупериодов широко используется для определения симметричности амплитудной модуляции, на­личия ограничения сигналов и т.д. Амплитудные (пиковые вольтметры характеризуются невысокой чувствительностью (порог чувствительности »0.1В) и широкой полосой частот (до 1 ГГц).

Вольтметр средневыпрямленного значения (рис.6) состоит из входного делителя напряжения ДЯ, широкопо­лосного транзисторного усилителя ШУ, выпрямительного преобразователя Пр и магнитоэлектрического индикатора.

Входное сопротивление делителя напряжения высокое, и если усилитель имеет низкое входное сопротивление, то между ними ставится узел согласования — преобразователь сопротивлений (с высоким входным и низким выходным сопротивлениями). Выходное напряжение усилителя посту­пает на выпрямительный преобразователь, и через микроамперметр протекает постоянная со­ставляющая выпрямленно­го тока, пропорциональная средневыпрямленному зна­чению измеряемого напряжения.

Рис.6. Структурная схема вольтметра высокой чувствительности

Шкалу индикатора градуируют в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения.

Вольтметры, построенные по такой структурной схеме, характеризуются высокой чувствительностью (микро- и милливольты) и сравнительно узкой полосой частот изме­ряемых напряжений (1; 5; 10МГц). Обе эти характеристики определяются усилителем переменного напряжения.

Вольтметр среднеквадратического (действующего) зна­чения строится по структурной схеме рис.6. Применя­ются преобразователи с квадратичной характеристикой, обеспечивающей измерение среднеквадратического значе­ния напряжения любой формы. К таким преобразователям относятся, в первую очередь, термоэлектрические и оптронные. На базе термоэлектрических преобразователей (см. рис-. 3-15, г) создан преобразователь среднеквадратического значения [б], работающий на двух идентичных элементах ТПр1 и ТПр2 (рис. 7) и дифференциальном усилителе ДУ (микросхеме). Нагреватель первого термопреобразова­теля подключен к выходу широкополосного усилителя, т. е. в цепь измеряемого напряжения Ux, а нагреватель вто­рого — к выходу дифференциального усилителя ДУ, т. е. в цепь отрицательной обратной связи. ТермоЭДС первого преобразователя Е_т1 =a_тU²_x второго — Е_т2 =a_тU²_вых, где Ux и (Uвых —среднеквадратические значения измеряе­мого и выходного напряжений соответственно.

Рис.7. Схема термоэлектрического пре­образователя среднеквадратического зна­чения напряжения

Термопары включены встречно. Применяют диф­ференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления. Выходное напря­жение среднеквадратического преобразователя связано ли­нейной зависимостью со среднеквадратическим значением измеряемого напряжения.

Основная погрешность преобразования обусловлена не ­идентичностью параметров термопреобразователей, увели­чивающейся с их старением, и составляет 2,5—6 %.

Вольтметры постоянного напряжения. Рассмотренный выше (рис.5) универсальный вольтметр позволяет из­мерять постоянное напряжение от десятых долей вольта и выше. Для измерения меньших значений (от 0,5 мкВ) применяют высокочувствительные электронные вольтметры с преобразованием постоянного напряжения в переменное, которое после значительного усиления вновь преобразуется в постоянное и измеряется магнитоэлектрическим микро­амперметром.

Цифровые электронные вольтметры. Принцип работы вольтметров дискретного действия состоит в преобразова­нии измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код, который отображается на табло в цифровой форме. В соответствии с этим обобщен­ная структурная схема цифрового вольтметра состоит из входного устройства ВхУ, аналого-цифрового преобразователя АЦП и цифрового индикатора Ц И.

ЦИ

АЦП

Рис.8 Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра.

Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразова­нием. Принцип работы заключается в преобразовании из­меряемого напряжения Ux в пропорциональный интервал времени ДГ, измеряемый числом N заполняющих его им­пульсов со стабильной частотой следования.

Вольтметр (рис. 3-30, а) работает циклами, длительность которых Т устанавливается с помощью управляющего уст­ройства УУ и обычно равна или кратна периоду питающей сети. Для единичного измерения Ux предусмотрен ручной запуск.

Погрешность измерения возникает вследствие нелиней­ности изменения линейнопадающего напряжения, неста­бильности порога срабатывания сравнивающих устройств.

Рис. 3-30. Цифровой вольтметр с время-импульс­ным преобразованием

и возможности потери счетного импульса, т. е. погрешности дискретности. Основная погрешность составляет обычно 0,1 %. Помехоустойчивость вольтметров с время-импульс­ным преобразованием низкая, так как любая помеха вызы­вает изменение момента срабатывания сравнивающего уст­ройства. Главным достоинством этих вольтметров является их сравнительная простота.

Цифровой вольтметр с частотным преобразованием. Принцип действия заключается в преобразовании измеряе­мого напряжения в пропорциональную ему частоту следова­ния импульсов, измеряемую цифровым частотомером.

Цифровой вольтметр с двойным интегрированием. Прин­цип его работы подобен принципу времямпульсного пре­образования, с тем отличием, что здесь образуются два вре­менных интервала в течение цикла измерения, длительность которого устанавливается кратной периоду помехи. Таким образом определяется среднее значение измеряемого напря­жения, а помеха подавляется. Эти вольтметры являются более точными и помехоустойчивыми по сравнению с рас­смотренными выше, однако время измерения у них больше.

Вольтметр следящего уравновешивания работает не цик­лами, а непрерывно реагируя на изменение измеряемого напряжения: сумма образцовых напряжений принимает большее или меньшее значение в зависимости от значения измеряемого напряжения. Когда достигается равенство U_x=?U_обр. код преобразуется в показание, а состояние прибора остается неизменным до тех пор, пока не изменится значение U_x.Преимущество вольтмет­ров следящего уравновешивания заключается в уменьше­нии статической и динамической погрешности и в повыше­нии быстродействие.