Вопрос 2. Аналоговые электронные вольтметры

При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключают параллельно участку исследуемой цепи. Для уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление — велико. Поэтому в последние годы в основном используют электронные вольтметры.

Электронные вольтметры представляют собой сочетание : электронного преобразователя и измерительного прибора. В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные 1 вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное сопротивление и чувствительность, широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20 Гц до 1000 МГц), малое потребление тока из измерительной цепи.

Классифицируют электронные вольтметры по ряду признаков:

• по назначению — вольтметры постоянного, переменного и импульсного напряжений; универсальные; фазочувствительные; селективные;

• по способу измерения — приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

• по характеру измеряемого значения напряжения — амплитудные (пиковые), среднего квадратического значения, средневыпрямленного значения;

• по частотному диапазону — низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные.

Кроме того, все электронные приборы можно разделить на две большие группы:

аналоговые электронные со стрелочным отсчетом и приборы дискретного типа с цифровым отсчетом. При измерениях силы тока электронным вольтметром, вначале ток преобразуется в напряжение, а затем определяют по формуле:

Ix= UXIRO,

где Ro — образцовое расчетное сопротивление.

Структурные схемы аналоговых вольтметров показаны на рис. 2. В настоящее время аналоговые электронные вольтметры постоянного тока (рис. 2, а) находят ограниченное применение, так как они по своим техническим свойствам сильно уступают цифровым вольтметрам. Поэтому дальше рассматриваются только аналоговые вольтметры переменного тока. Изображенная на рис. 2, б структурная схема используется в вольтметрах пере­менного тока для измерения напряжений значительного уровня.

Рис. 2 Структурные схемы аналоговых вольтметров

 

Чтобы обеспечить необходимую точность вольтметра к уси­лителям постоянного тока, применяемым в электронных вольт­метрах, предъявляют жесткие требования в отношении линейности амплитудной характеристики, постоянства коэффициента усиления, температурного и временного дрейфа нуля. При построении электронных вольтметров для измерения малых напряжений подобные требования не всегда могут быть удовлетворены. Поэтому электронные вольтметры переменного тока для измерения малых напряжений выполняют по схеме, показанной на рис. 2, в. Данная схема применяется в милливольтметрах, поскольку обладает большой чувствительностью. Последнее связано с наличием дополнительного усилителя переменного тока.

При создании аналоговых вольтметров важную функцию несут преобразователи переменного напряжения в постоянное (детекторы). Детекторы можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное: амплитудные (пиковые), среднего квадратического и средневыпрямленного значений. Тип детектора во многом определяет свойства прибора: вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с детекторами среднего квадратического значения измеряют напряжение любой формы; вольтметры средневыпрямленного значения измеряют только гармонические сигналы, но являются самыми простыми и надежными.

Амплитудный детектор — устройство, напряжение на выходе которого, соответствует максимальному (амплитудному) знчению измеряемого напряжения. Чтобы нагрузка детектора эффективно отфильтровывала постоянную составляющую и подавляла высокочастотные гармоники, необходимо выполнение неравенства 1/(ωСф) « RH, где Сф — емкость фильтра; RH — сопротивление нагрузки детектора. Еще одно условие хорошей работы детектора: сопротивление резистора нагрузки RH должно быть значительно больше сопротивления диода в его прямой проводимости. Эквивалентная схема амплитудного детектора и временные диаграммы, поясняющие его работу, представлены на рис. 3 б, в.

Рис.3 Амплитудный детектор вольтметра

 

Детектор среднего квадратического значения — преобразователь переменного напряжения в постоянное, пропорциональное корню квадратному из среднего квадрата мгновенного значения напряжения.

Значит, измерение действующего напряжения связано с выполнением трех последовательных операций:

возведение в квадрат мгновенного значения сигнала, усреднение и извлечение корня из результата усреднения (усреднение обычно I осуществляется при градуировке шкалы вольтметра). Возведение в г квадрат осуществляют полупроводниковой ячейкой, используя 5 параболический участок его характеристики, близкий по форме к квадратичной линии; иногда этот участок создают искусственно.