Электронные вольтметры переменного тока.

Такие вольтметры состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Возможны две обобщенные структурные схемы вольтметров переменного тока (рис. 4.17), различающиеся своими характеристиками. В вольтметрах по схеме рис.4.17,а измеряемое напряжение и_х сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подается на УПТ и ИМ, являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. Преобразователь Пр представляет собой мало­инерционное нелинейное звено, поэтому вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном диапазоне (от десятков герц до 10³ МГц).

Рис.4.17. Структурные схемы вольтметров переменного тока

 

В вольтметрах, выполненных по схеме рис.4.17, б, благодаря пред­варительному усилению удается повысить чувствительность. Однако создание усилителей переменного тока с большим коэффициентом усиления, работающих в широком диапазоне частот,— достаточно трудная техническая задача. Поэтому такие вольтметры имеют относительно низкий частотный диапазон (1 — 10 МГц); верхний предел измерений при максимальной чувствительности составляет десятки или сотни микровольт.

В зависимости от вида преобразователя переменного напряжения в постоянное отклонения указателя измерительного механизма вольтметров могут быть пропорциональны амплитудному (пиковому), среднему (средневыпрямленному) или действующему значениям измеряемого напряжения.

Вольтметры амплитудного значения имеют преобразователи амплитудных значений (пиковые детекторы) с открытым (рис. 4.18, а) или закрытым (рис. 4.19, а) входами, где и_вх и и_вых — входное и выходное напряжения преобразователя.

Рис. 4.18. Схема (а) и временные диаграммы сигналов (б и в) преобразователя амплитудных значений (пикового детектора)

с открытым входом

 

В амплитудных преобразователях с открытым входом конденсатор заряжается практически до максимального и_хmах положительного (при данном включении диода) значения входного напряжения (см. рис. 4.18, б). Пульсации напряжения u_вых на конденсаторе объясняются его подзарядом при открытом диоде и разрядом через резистор R при закрытом диоде.

Среднее значение выходного напряжения и_ср » и_хтах и, следовательно, угол отклонения указателя измерительного механизма

(4.29)

где k_y — коэффициент преобразования вольтметра.

Особенностью амплитудных преобразователей с открытым входом является то, что они пропускают постоянную составляющую входного сигнала (положительную для показанного включения диода)

При и_вх= U_o + U_m sin ωt среднее значение выходного напряжения и_{СР ≈} Uо + Um. Следовательно,

(4.30)

Очевидно, при U_BX<0 подвижная часть ИМ не будет отклоняться, поскольку в этом случае закрыт диод Д.

 

Рис. 4.19. Схема (а) и временные диаграммы сигналов (б)

преобразователя амплитудных значений с закрытым входом

 

В преобразователях с закрытым входом (рис.4.19, а, б) в установившемся режиме на резисторе R независимо от наличия постоянной составляющей входного сигнала имеется пульсирующее напряжение u_R изменяющееся от 0 до -2U_m где U_m — амплитуда переменной составляющей входного напряжения. Среднее значение этого напряжения практически равно U_m. Для уменьшения пульсаций выходного напряжения в таких преобразователях устанавливается фильтр нижних частот R_фС_ф. Таким образом, показания вольтметра в этом случае определяются только амплитудным значением переменной составляющей входного напряжения и_х, т. е. a = k_vU_m.

Поскольку шкала вольтметров градуируется в действующих значениях синусоидального напряжения, то при измерении напряжений другой формы необходимо делать соответствующий пересчет, если известен коэффициент амплитуды измеряемого напряжения. Амплитудное значение измеряемого напряжения несинусоидальной формы

(4.31)

где k_ac = = 1,41 —коэффициент амплитуды синусоиды; U_np — значение напряжения, отсчитанное по шкале прибора.

Действующее значение измеряемого напряжения

(4.32)

где k_a — коэффициент амплитуды измеряемого напряжения.

 

Вольтметры среднего значения имеют преобразователи пе­ременного напряжения в постоянное, аналогичные преобразователям, используемым в выпрямительных приборах. Такие вольтметры обычно имеют структуру, показанную на рис.4.17,б. В этом случае на выпрямительный преобразователь подается предварительно усиленное напряжение и_х, что повышает чувствительность вольтметров и уменьшает влияние нелинейности диодов. Угол отклонения подвижной части измерительного механизма у таких вольтметров пропорционален средневыпрямленному значению измеряемого напряжения, т. е.

(4.33)

Шкала таких вольтметров также градуируется в действу­ющих значениях синусоидального напряжения. При измерении напряжения несинусоидальной формы среднее значение этого напряжения

(4.34)

а действующее:

(4.35)

где U_ПР — показание вольтметра; k_фс = 1,11 — коэффициент формы синусоиды; k_Ф — коэффициент формы измеряемого напряжения.

Вольтметры действующего значения имеют преобразователь переменного напряжения с квадратичной статической характеристикой преобразования и_ВЫХ= k u_ВХ². В качестве такого преобразователя используют термопреобразователи, квадратирующие устройства с кусочно-линейной аппроксимацией параболы, электронные лампы и другие. При этом если вольтметр действующего значения выполнен по структурным схемам, изображенным на рис.4.17, то независимо от формы кривой измеряемого напряжения отклонение указателя измерительного механизма пропорционально квадрату действующего значения измеряемого напряжения:

(4.36)