Электронные аналоговые вольтметры

При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором измеряется напряжение. Для уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление велико. Поэтому в схемах электроники при измерении в маломощных цепях применение электромеханических приборов ограничено. Предпочтительнее является использование электронных вольтметров.

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и магнитоэлектрического или цифрового измерительного прибора.

В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного тока имеют высокие входное сопротивление, чувствительность и малое потребление тока от измерительной цепи. Электронные аналоговые и цифровые вольтметры позволяют производить измерения в широком диапазоне напряжений и частот.

По роду тока электронные вольтметры делятся на вольтметры постоянного напряжения, переменного напряжения, универсальные (постоянного и переменного напряжения в одном приборе) и импульсные. Кроме того, выпускаются вольтметры с частотно-избирательными свойствами – селективные.

Рис. 4.14. Электронные вольтметры

Электронные аналоговые вольтметры постоянного тока выполняются по схеме, представленной на рис. 4.14, а. Измеряемое напряжение U подается на входное устройство ВхУ, представляющее собой многопредельный высокоомный делитель напряжения на резисторах. С делителя напряжение поступает на усилитель постоянного тока УПТ и далее – на стрелочный прибор V. Делитель и усилитель постоянного тока ослабляют или усиливают напряжение до значений, необходимых для нормальной работы прибора. Одновременно усилитель обеспечивает согласование высокого сопротивления входной цепи вольтметра с низким сопротивлением рамки прибора магнитоэлектрической системы. Высокое входное сопротивление электронного вольтметра (несколько десятков мегом) позволяет производить измерение напряжения в высокоомных цепях без заметного потребления мощности от объекта измерения.

Чтобы обеспечить необходимую точность вольтметра к усилителям постоянного тока, применяемым в электронных вольтметрах, предъявляются жесткие требования в отношении линейности амплитудной характеристики, постоянства коэффициента усиления, температурного и временного дрейфа нуля. При построении электронных вольтметров для измерения малых напряжений эти требования не всегда могут быть удовлетворены. Поэтому электронные вольтметры постоянного тока для измерения малых напряжений выполняются по схеме (рис. 4.14, б).

В таких вольтметрах постоянное измеряемое напряжение вначале преобразуется модулятором М в переменное, а далее усиление измеряемого сигнала осуществляется усилителем переменного тока У, обладающим лучшими метрологическими характеристиками по сравнению с усилителями постоянного тока. Напряжение, выпрямленное выпрямителем (детектором В), подается на стрелочный прибор V. Это позволяет получить электронные микровольтметры с нижним пределом измерения порядка 10^-8 В.

Электронные вольтметры переменного тока выполняют по двум структурным схемам (рис. 4.14, в, г). В первой из этих схем измеряемое переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное детектором В, а затем усиливается усилителем постоянного тока. Во второй схеме усиление производится на переменном токе и лишь затем предварительно усиленный сигнал выпрямляется детектором. Эти схемы дополняют друг друга. Каждая из них обладает своими преимуществами и недостатками. Вольтметры, построенные по первой схеме, позволяют измерять напряжение переменного тока в широком частотном диапазоне (10 Гц…1000 МГц), но не дают возможности измерять напряжения меньше нескольких десятых долей вольта, так как детектор выпрямляет только достаточно большие напряжения. Вторая схема позволяет строить более чувствительные вольтметры, нижний предел измерения которых составляет всего лишь единицы микровольт. Однако такие приборы имеют меньший частотный диапазон, поскольку частотный диапазон усилителя переменного тока трудно сделать достаточно широким.

Важнейшим элементом электронного вольтметра, в значительной мере определяющим его метрологические характеристики, является детектор. Напряжение на выходе детектора может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения. Характер этой зависимости определяет, на какое из этих значений реагирует магнитоэлектрический стрелочный прибор. Соответственно, различают вольтметры средних, амплитудных и среднеквадратических значений. Необходимо, однако, помнить, что шкалу электронного вольтметра обычно градуируют в среднеквадратических значениях напряжения синусоидальной формы, и это следует учитывать при измерении и при анализе погрешностей, обусловленных отклонением формы реального измеряемого сигнала от синусоиды.

Простейшими вольтметрами средних значений являются выпрямительные вольтметры, рассмотренные выше на основе пассивных (без применения усилительных схемных элементов) преобразователей средневыпрямленных значений. Преобразователи выполняются на полупроводниковых диодах, работающих на линейном участке вольтамперной характеристики.

Повышение чувствительности, расширение пределов измерения и улучшение линейности функции преобразования в электронных вольтметрах достигается применением активных преобразователей средневыпрямленных значений.

Вольтметры среднеквадратических значений строятся по структурной схеме, приведенной на рис. 4.14, в, г. Детекторы среднеквадратического значения используют квадратичный участок вольтамперной характеристики диода или диодной цепочки, в результате чего постоянная составляющая напряжения на выходе детектора оказывается пропорциональной квадрату среднеквадратического значения измеряемого напряжения, независимо от формы этого напряжения. В некоторых вольтметрах в качестве детектора среднеквадратического значения применяются термоэлектрические преобразователи.

Принцип действия амплитудного детектора (рис. 4.15, а) основан на заряде конденсатора С через диод Д до амплитудного значения измеряемого напряжения и медленном его разряде через нагрузочный резистор R. Из-за различия времени заряда и разряда на конденсаторе появляется постоянная составляющая напряжения. Чем больше отношение постоянной времени разряда конденсатора к постоянной времени его заряда, тем больше напряжение на конденсаторе приближается к амплитудному значению. При синусоидальной форме сигнала u(t) среднее значение напряжения на диоде равно среднему значению напряжения на конденсаторе, но с противоположным знаком. Постоянная составляющая напряжения на конденсаторе С и напряжения на диоде несет информацию об амплитудном значении преобразуемого напряжения. В зависимости от того, какое из этих напряжений принимается за выходное, различают две разновидности амплитудных детекторов. Если выходным служит напряжение на конденсаторе, то получаем амплитудный детектор с открытым входом (см. рис. 4.15), который пропускает постоянную составляющую измеряемого напряжения.

Рис. 4.15. Амплитудный детектор с открытым входом

Если выходное напряжение снимается с диода, то имеем амплитудный детектор с закрытым входом (рис. 4.16). При измерении пульсирующего напряжения конденсатор С будет заряжаться до пикового напряжения U_max.

Рис. 4.16. Схема амплитудного детектора с закрытым входом

Амплитудные детекторы с закрытым и открытым входами применяются в универсальных и высокочастотных вольтметрах при измерении в широком диапазоне частот.

Погрешность измерения вольтметра с амплитудным детектором зависит от частоты. Эта погрешность тем больше, чем меньше частота измеряемого напряжения. В промежутках между входными импульсами конденсатор разряжается, поэтому среднее значение напряжения U_C меньше амплитуды U_m. При повышении частоты интервалы между импульсами меньше и конденсатор разряжается незначительно, поэтому U_C выше, чем при низкой частоте. При достаточно низких частотах U_C может значительно отличаться от амплитуды U_m. Относительная погрешность преобразования при этом оценивается по формуле

,

где Т – период измеряемого напряжения.

Одним из существенных недостатков вольтметров с амплитудным детектором является зависимость показаний прибора от формы сигнала. Обычно шкала амплитудных вольтметров градуируется в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения, тогда как отклонение стрелки прибора пропорционально амплитуде напряжения. Поэтому показания, отсчитанные по шкале стрелочного прибора, справедливы только при измерении синусоидальных напряжений.

При произвольной форме сигнала, если значение k_ф для этого сигнала неизвестно, измерение среднеквадратического значения напряжения оказывается невозможным.

На аналоговые электронные вольтметры установлены классы точности от 0,1 до 25. Обычные классы точности 2,5; 4,0.