Вольтметры постоянного напряжения. Электронные вольтметры

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

чувствнтельность; 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.

Рассмотрим аналоговые электронные вольтметры.

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. 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.

Рис. 3-18. Структурная схема аналогового электронного вольтметра с амплитудным преобразователем

Вольтметр амплитудного (пикового) значения (рис. 3-18) состоит из амплитудного преобразователя 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. 3-19, а) представляет собой последовательное соединение вакуумного диода с параллельно соединенными резистором и конденсатором С. Если к зажимам 1-2 приложено напряжение от источника с внутренним сопротивлением то конденсатор через диод заряжается до некоторого значения которое приложено к электродам диода так, что он большую часть периода закрыт, т. е. работает в режиме отсечки (рис. 3-19, б). В течение каждого периода диод открывается на некоторый

промежуток времени когда и и конденсатор подзаряжается импульсом тока до напряжения смакс; постоянная времени заряда , где - сопротивление открытого диода. Затем диод закрывается и конденсатор разряжается через резистор в течение интервала постоянная времени разряда

Постоянные времени должны отвечать следующим условиям: где и границы частотного диапазона вольтметра. Очевидно, что и В широкодиапазонных вольтметрах неравенство выполнить не удается, и потому на высоких частотах процесс установления длится в течение нескольких периодов измеряемого напряжения.

Рис. 3-19. Амплитудный преобразователь с открытым входом

Результатом амплитудного преобразования является среднее значение слабопульсирующего напряжения которое в отличие от называют пиковым значением

где - угол отсечки тока диода. Как известно из работы ,

Сопротивление нагрузки преобразователя с учетом входного сопротивления усилителя постоянного тока

Для оценки по формуле (3-31) подставим в (3-32) и (3-33) практические значения сопротивлений: сопротивлением пренебрегаем; находим рад и Таким образом,

Напряжение поступает на вход усилителя постоянного тока, входное сопротивление которого большое, а

выходное - малое. служит для согласования выходного сопротивления преобразователя с сопротивлением индикатора и для повышения чувствительности вольтметра.

Амплитудный преобразователь с закрытым входом (рис. 3-20) представляет собой последовательное соединение конденсатора постоянной емкости С с параллельно соединенными диодом и резистором Процесс преобразования переменного напряжения в постоянное аналогичен рассмотренному выше, с тем отличием, что на зажимах 3-4 имеются значительные пульсации напряжения, для сглаживания которых предусмотрен фильтр

Процессы преобразования пульсирующего напряжения преобразователем с открытым и закрытым входом различны и зависят от полярности подключения к входным зажимам постоянной составляющей пульсирующего напряжения.

Рис. 3-20. Принципиальная схема амплитудного преобразователя с закрытым входом

Рис. 3-21. Диаграммы напряжений в амплитудных преобразователях: а - с открытым входом; с закрытым входом

Если на вход амплитудного преобразователя с открытым входом включено пульсирующее напряжение так, что постоянной составляющей приложен к аноду диода, то выходное напряжение где постоянная составляющая, амплитуда положительного полупериода переменной составляющей (рис. 3-21, 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 и

преобразователь реагирует только на переменную составляющую: если к аноду диода приложен то выходное напряжение а если то 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.

Частотные свойства амплитудного преобразователя определяются его эквивалентной схемой (рис. 3-22, а).

Рис. 3-22. Входная цепь амплитудного преобразователя

Эквивалентная схема (рис. 3-22, а) представляет собой последовательный колебательный контур, собственная

резонансная частота которого где При разработке амплитудных преобразователей стремятся к получению возможно меньших значений чтобы была возможно выше. Для этого амплитудный преобразователь выполняют в виде отдельной коаксиальной конструкции, называемой пробником (рис. 3-23). В нем смонтированы вакуумный диод типа нувистор и миниатюрные детали преобразователя. Пробник соединен с усилителем постоянного тока и источником накала диода экранированным четырехпроводным кабелем. Входная емкость пробника не превышает а собственная резонансная частота составляет

Рис. 3-23. Схема пробника пикового вольтметра

Относительная дополнительная частотная погрешность в процентах определяется следующей формулой:

Выходное напряжение преобразователя делится на с помощью резисторов в результате чего на вход УПТ поступает и магнитоэлектрический индика тор градуируется в действующих значениях измеряемого напряжения. Градуировка всегда производится при синусоидальной форме напряжения, поэтому при измерении напряжения другой формы необходимо показание вольт» метра а умножить на 1,41 (получится пиковое значение измеряемого напряжения) и разделить на коэффициент амплитуды измеряемого напряжения (получится действующее значение: Усилитель постоянного тока с магнитоэлектрическим индикатором является электронным вольтметром постоянного напряжения, поэтому амплитудные вольтметры часто делают универсальными (рис. 3-24). При положении переключателя измеряется переменное напряжение, при постоянное. Шкала для постоянного напряжения градуируется отдельно.

Амплитудные (пиковые) вольтметры характеризуются невысокой чувствительностью (порог чувствительности «0,1 В) и широкой полосой частот

Вольтметр средневыпрямленного значения (рис. 3-26) состоит из входного делителя напряжения широкополосного транзисторного усилителя выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического индикатооа.

Рис. 3-24. Структурная схема универсального вольтметра

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 (см, рис. 3-16, г), и через микроамперметр протекает постоянная составляющая выпрямленного тока, пропорциональная средневыпрямленному значению измеряемого напряжения [см. формулу (3-29)]. Шкалу индикатора градуируют в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения, и при измерении Напряжения несинусоидальной формы следует пользоваться формулой (3-30).

Рис. 3-25. Структурная схема вольтметра высокой чувствительности

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

Вольтметр среднеквадратического (действующего) значения строится по структурной схеме рис. 3-25. 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 , работающий на двух идентичных элементах (рис. 3-26) и дифференциальном усилителе ДУ (микросхеме). Нагреватель первого термопреобразователя подключен к выходу широкополосного усилителя, т. е. в цепь измеряемого напряжения а нагреватель второго - к выходу дифференциального усилителя ДУ, т. е. в цепь отрицательной обратной связи. ТермоЭДС первого преобразователя а второго где среднеквадратические значения измеряемого и выходного напряжений соответственно.

Рис. 3-26. Схема термоэлектрического преобразователя среднеквадратического значения напряжения

Термопары включены встречно, поэтому выходное напряжение усилителя, коэффициент усиления которого равен К, можно записать так Подставляя выражения для получим или Применяют дифференциальный усилитель с большим К, поэтому последним слагаемым можно пренебречь и получить приближенное равенство Таким образом, выходное напряжение среднеквадратического преобразователя связано линейной зависимостью со среднеквадратическим значением измеряемого напряжения.

Основная погрешность преобразования обусловлена неидентичностью параметров термопреобразователей, увеличивающейся с их старением, и составляет

Оптронный преобразователь среднеквадратического значения напряжения в постоянный ток (рис. 3-27) состоит из эмиттерного повторителя, на вход которого поступает измеряемое переменное напряжение, преобразователя напряжения в сопротивление, работающего на лампочке

накаливания и фоторезисторе Последовательно с фоторезистором включен магнитоэлектрический микроамперметр, и эта цепь питается источником стабилизированного постоянного напряжения микроамперметр шунтирован резисторами

Принцип действия оптронного преобразователя следующий: при отсутствии напряжения на входе эмиттерного повторителя фоторезистор не освещен, его темновое сопротивление составляет более и ток через микроамперметр практически равен нулю.

Рис. 3-27. Упрощенная схема оптронного преобразователя среднеквадратического значения напряжения

С увеличением входного напряжения световой поток лампочки возрастает, а сопротивление фоторезистора уменьшается. Это вызывает увеличение постоянного тока через микроамперметр, пропорциональное среднеквадратическому значению входного напряжения. Частотный диапазон оптронного преобразователя - от 20 Гц до нескольких сотен килогерц. Применяя отрицательную обратную связь и коррекцию, диапазон можно расширить до Основная погрешность преобразования составляет

Вольтметры постоянного напряжения. Рассмотренный выше (рис. 3-24) универсальный вольтметр позволяет измерять постоянное напряжение от десятых долей вольта и выше. Для измерения меньших значений (от применяют высокочувствительные электронные вольтметры с преобразованием постоянного напряжения в переменное, которое после значительного усиления вновь преобразуется в постоянное и измеряется магнитоэлектрическим микроамперметром.

Упрощенная структурная схема электронного микровольтметра приведена на рис. 3-28. Измеряемое напряжение через фильтр подавляющий помехи промышленной

частоты, поступает на модулятор в котором постоянное напряжение преобразуется в переменное с частотой 42 Гц» задаваемой генератором ГНЧ. В качестве модулятора используют вибропреобразователь или схему на полевых транзисторах, обеспечивающую высокое входное сопротивление. Переменное напряжение усиливается усилителем работающим на нувисторе, и транзисторах).

Рис. 3-28. Упрощенная структурная схема микровольтметра постоянного тока

Общее усиление достигает 333 333. Усиленное напряжение демодулируется синхронным детектором ДМ, управляемым тем же генератором ГНЧ. Демодулированное постоянное напряжение после интегрирования фильтром и усиления усилителем постоянного тока измеряется магнитоэлектрическим индикатором, градуированным в микро- или милливольтах.

Рис. 3-29. Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра

Вольтметр охвачен глубокой отрицательной обратной связью, в цепи (ЦОС) которой предусмотрен переключатель пределов измерения от долей микровольта до 1 В. Входное сопротивление вольтметров с преобразованием достигает сотен мегаом; относительная погрешность измерения 1-6%.

Перейдем к рассмотрению дискретных электронных вольтметров.

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 (рис. 3-29) состоит из входного устройства аналого-цифрового преобразователя АЦП и цифрового индикатора ЦИ.

Входное устройство предназначено для изменения масштаба измеряемого напряжения, фильтрации помех и, при

измерении переменного напряжения, - для его преобразования в постоянное. В соответствии с назначением во входном устройстве имеется аттенюатор (делитель напряжения), усилитель, фильтр нижних частот и переключатель полярности. В вольтметрах переменного напряжения предусматривается преобразователь, обычно средневыпрямленного значения. В более совершенных моделях здесь же осуществляется автоматический выбор полярности и пределов измерений .

Схемные решения цифровых вольтметров определяются видом аналого-цифрового преобразователя. Получили распространение вольтметры с время-импульсным и частотным преобразованием, с двойным интегрированием, поразрядным уравновешиванием.

8.3 Аналоговые электронные вольтметры

При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно участку исследуемой цепи. Для уменьшения ме-тодической погрешности измерения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление велико. Поэтому в послед-ние годы в основном используются электронные вольтметры. Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерительного прибора. В отличие от вольтметров элек-тромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное сопротивление и чувствительность, широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20Гц 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 (пико-вые), среднего квадратического значения средневыпрямленного значения;

По частотному диапазону — низкочастотные, высокочастотные, сверх-высокочастотные.

Кроме того, все электронные приборы можно разделить на две большие группы: аналоговые электронные со стрелочным отсчетом и приборы дис-кретного типа с цифровым отсчетом.

В соответствии с общепринятыми обозначениями отечественным электронным вольтметрам присваивается индекс В.Например ВК7-16А — вольтметр комбинированный (К) —может измерять сопротивление; 7 — универсальный на постоянный и переменный ток; 16 — номер разработки; А — модификация. Вольтметры постоянного тока имеют индексацию В2, а вольтметры переменного тока-—ВЗ.

При измерениях силы тока электронным вольтметром, вначале ток преоб-разуется в напряжение, а затем определяется по формуле: Ix = Ux /R0.

Структурные схемы аналоговых вольтметров

Упрощенные структурные схемы аналоговых вольтметров представлены на рис. 8.5. В настоящее время аналоговые электронные вольтметры посто-янного тока (рис. 8.5, а) находят ограниченное применение, так как они по своим техническим свойствам сильно уступают цифровым вольтметрам по-стоянного тока. Поэтому дальше рассматриваются только аналоговые вольтметры переменного тока.

(УПТ - усилитель постоянного тока; > - усилитель переменного тока;МЭС - магнитоэлектрическая система - стрелочный прибор)

Изображенная на рис. 8.5, б структурная схема используется в вольтмет-рах переменного тока для измерения напряжений значительного уровня. Час-тотный диапазон таких вольтметров может составлять сотни мегагерц.

Чтобы обеспечить необходимую точность вольтметра к усилителям по-стоянного 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 на-пряжений эти требования не всегда могут быть удовлетворены. Поэтому электронные вольтметры переменного тока для измерения малых напряже-ний выполняются по схеме рис.8.5, в. Эта схема применяется в милливольт-метрах, поскольку обладает большой чувствительностью. Последнее связано с наличием дополнительного усилителя переменного тока, однако частотный диапазон схемы ниже (до сотен килогерц), так как возникают трудности при создании широкополосного усилителя.

Элементная база, используемая при создании вольтметров переменного то-ка, определяется существующим на момент их создания уровнем техники, од-нако функциональное назначение блоков идентично. При этом особенно важ-ную функцию неcyт преобразователи переменного напряжения в постоянное (детекторы). Детекторы можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное: амплитудные (пиковые), среднего квадратического и средневыпрямленного значения. Тип детектора во многом определяет свойства прибора: вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с детекторами среднего квадратического зна-чения позволяют измерять, напряжение любой формы; вольтметры средневыпрямленного значения измеряют только гармонические сигналы, но являются самыми простыми и надежными.

где Сн — емкость фильтра; Rн — сопротивление нагрузки детектора.

Еще одно условие эффективной работы детектора - сопротивление резистора Rндолжно быть значительно больше сопротивления диода в его прямой проводимости, что практически всегда выполняется.

На рис.8.6 изображены принципиальная и эквивалентная схемы и временные диаграммы амплитудного детектора с параллельным включением диода (детектор с закрытым входом).

Рассмотрим работу детектора (рис. 8.6, а) при подаче на его вход гармонического напряжения Ux{t) = UmSinωt.

На интервалах времени, когда на вход детектора поступает положительная по-луволна, конденсатор С заряжается через диод, сопротивление R0 которого в от-крытом состоянии мало. Постоянная времени заряда R0C невелика и заряд конденсатора до максимального значения Um происходит быстро. На интервале действия отрицательной полуволны диод закрыт и конденсатор С медленно раз-ряжается на сопротивлении нагрузки Rн, так как оно выбирается достаточно большим (50... 100 МОм). Итак, постоянная разряда R0C оказывается значи-тельно больше периода Т= 2 входного переменного напряжения. В результате конденсатор останется заряженным до напряжения, близкого к Uc= Um= Uвых. Упрощенная эквивалентная схема амплитудного детектора и временные диа-граммы, поясняющие его работу, представлены на рис.8.6, б, в.

Рис. 8.6 Детектор среднего квадратического значения: а - диодная ячейка,б - идеализированная характеристика,в - схема квадратичного детектора.

Изменение напряжения на сопротивлении нагрузки Rн определяется раз-ностью амплитуды входного напряжения Ux и напряжения на конденсаторе Uc т.е. ur = Ux - Uc . Таким образом, выходное напряжение ur будет пульси-рующим с удвоенной амплитудой измеряемого напряжения, как это показано на рис. 8.6, в. Это подтверждают простые математические выкладки:

U= UM sin ωt - Uc Um sin ωt - Um,

при sin ωt = 1 ur = 0; при sin ωt = 0 ur = -Um, при sin ωt = - 1 ur=- 2Um.

Для выделения постоянной составляющей сигнала U= = - Uc на выходе детектора ставится емкостной фильтр, подавляющий остальные гармоники.

Нетрудно заметить, что чем меньше период исследуемого сигнала (чем выше частота), тем точнее выполняется равенство Uc = Um. Этим объясняют-ся высокочастотные свойства детектора.

Одним из достоинств аналоговых вольтметров с амплитудным детектором является независимость показаний прибора от формы сигнала. Обычно шка-ла амплитудных вольтметров градуируется в средних квадратических значе-ниях синусоидального напряжения, т.е. показания прибора: Uпр =- Um/Kа

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 сиг-нала, усреднение и извлечение корня из результата усреднения (последняя опе-рация обычно осуществляется при градуировке шкалы вольтметра). Возведение в квадрат мгновенного значения, как правило, производят ячейкой с полу-проводниковым элементом путем использования квадратичного участка его характеристики; иногда этот участок создается искусственно.

На рис. 8.7, а представлена диодная ячейка D1R1c, в которой постоянное напряжение Е1 приложено к диоду D1, таким образом, что он оказывается за-крытым до тех пор, пока измеряемое напряжение u(t) на резисторе R1 не превысит величины Е1.

Рис. 8.7. Детектор среднего квадратического значения:

а — диодная ячейка; б — идеализированная характеристика;

в — схема квадратичного детектора

Следует иметь в виду, что начальный квадратичный участок вольт-амперной характеристики полупроводникового диода имеет, как правило, малую про-тяженность (рис. 8.7, б), поэтому эту часть удлиняют искусственно, по мето-ду кусочно-линейной аппроксимации, для этого в схеме детектора используют несколько идентичных диодных ячеек (рис. 8.7, в), аналогичных показанной на рис. 8.7,а. Линейный участок обобщенной вольт-амперной характе-ристики при этом увеличивается.

На рис. 8.8 показано, как получается в этом случае квадратичная характе-ристика при последовательном включении цепочек резисторов R1c, R2c,R3c с диодами D1,D2,D3. Диод D1 первоначально закрыт напряжением E1, затем, по мере роста напряжения Ux(t), он открывается и начальный линейный уча-сток его идеализированной характеристики увеличивается.

Рис.8.8.Аппроксимация квадратичной вольт-амперной характеристики.

В схеме, представленной на рис. 8.7, в, первоначально диоды D1,D2,D3, закрыты соответствующими напряжениями смещения Е1 Е2, E3,и при малом входном напряжении Ux(t) ток через миллиамперметр равен i0. Когда входное напряжение ux(t) > Е1 открывается диод D1 и параллельно резистору r0 под-ключается делитель напряжения R1,R 1c. В результате крутизна вольт-амперной характеристики на участке от Е1 до Ег возрастает; суммарный ток, проте-кающий через миллиамперметр, станет I=i0 + i1 . Когда выполнится условие ux(t) > Е2, откроется диод D2 и ток миллиамперметра I=i0 + i1 + i2. При вы-полнении условия ux(t) > Е3 , откроется диод D3 и суммарный ток, протекаю-щий через миллиамперметр, будет I=i0 + i1 + i2 = i3 .

В результате суммарная вольт-амперная характери-стика приближается по форме к квадратичной кривой. Показание прибора бу-дет пропорциональным среднему квадратическому значению входного напря-жения и оно не зависит от его формы. При конструировании приборов действующего значения возникает целый ряд трудностей, в том чис-ле и с обеспечением ши-рокого частотного диапа-зона. Тем не менее эти приборы являются самыми востребованными, так как они позволяют измерять напряжение любой слож-ной формы.

Детектор средневыпрямленного значения - устрой-ство, преобразующее переменное напряжение в постоянный ток пропорциональный средневыпрямленному значению напряжения. Структура выходного тока измерительного прибора с детектором средневыпрямленного значения аналогична ранее рассмотрен-ному узлу выпрямительной системы и поэтому их свойства во многом идентичны (зависимость от формы сигнала, частотные характеристики, класс точности). Аналоговый электронный вольтметр средневыпрямленного значения имеет более высокую чувствительность и меньшее потребление мощности от измерительной цепи (за счёт дополнительного усиления),чем прибор со схемой выпрямления.

Интегральные амплитудные детекторы. Диодные (как и транзис- торные) амплитудные детекторы при малых напряжениях вносят в изме-ряемый сигнал значительные нелинейные искажения. Поэтому в последние годы в измерительных устройствах применяют амплитудные детекторы на интеграль-ных микросхемах — операционных усилителях — ОУ (рис. 8.9).

Так как детектор выполнен на инвентирующей схеме (возможно и неинвертирующее включение),то при подаче положительных полуволн напряжение U2 на выходе ОУ будет отрицательным. При этом диод VD1 открыт, а диод VD2 закрыт. Выход ОУ через малое прямое сопротивление диода VD1 подключен ко входу, что создает глубокую отрицательную обратную связь. В результате напряжение на выходе ОУ равно напряжению на его входе и близко к нулю. Выходное напряжение детектора тоже равно нулю. При подаче отрицательной полуволны напряжения U2 на выходе ОУ будет положительным, поэтому диод VD1 закрыт, a VD2 — открыт. При этом напряжение на выходах ОУ и детектора Uвых = - Uвх R2/R1.

Выше были представлены различные виды преобразователей (детекто-ров), применяемых как в электронных аналоговых, так и в цифровых прибо-рах. При выборе преобразователя следует обратить внимание на возможную методическую погрешность, возникающую при несинусоидальной форме сигнала.

На рис. 86 приведена принципиальная схема простого транзисторного вольтметра постоянного тока с входным сопротивлением около 100 кОмВ и диапазоном измерений от 0 до 1000 В в семи поддиапазонах: 0—1; 0—5, 0—10; 0—50; 0—100; 0—500 и 0— 1000 В. Такой прибор может оказаться полезным при измерении режимов работы транзисторных и ламповых усилительных каскадов.

Прибор питается от одного гальванического элемента напряжением 1,5 В. Он описан в журнале бразильских радиолюбителей.

Налаживание прибора несложно. Сначала при разомкнутом входе при помощи переменного резистора R8 устанавливают стрелку миллиамперметра прибора на нуль. Затем калибруют шкалы. Для этого вход вольтметра подключают к источнику эталонного напряжения, например к полюсам внешней гальванической батареи, вставляют щупы прибора во входные гнезда «О» и соответствующего предела измерения и, подстраивая переменный резистор R9, добиваются показания вольтметра, соответствующего напряжению эталонной батареи.

Для того чтобы можно было калибровать прибор только лишь на одной шкале, сопротивления резисторов R1—R7 должны быть подобраны очень точно (с допуском не выше 1-2%).

Для изготовления вольтметра можно использовать транзисторы типа ГТ108 или МП41, МП42 с любыми буквенными индексами, но обязательно с одинаковыми значениями Вст = 50-80, миллиамперметр на ток 0—1 мА. Источником питания может быть один элемент 316 или 343, 373.

В процессе эксплуатации следует помнить, что большое входное сопротивление данного вольтметра достигнуто ввиду применения усилителя постоянного тока на транзисторах, параметры которых сильно зависят от окружающей температуры. Поэтому перед проведением измерений необходимо тщательно устанавливать стрелку прибора на нуль, а при повышенной окружающей температуре дополнительно калибровать его шкалы. Это является недостатком описанного вольтметра по сравнению с обычными авометрами.

Значительно большей стабильностью обладают вольтметры, в которых усилитель постоянного тока выполнен на полевых транзисторах. На рис. 87 приведена принципиальная схема вольтметра постоянного тока для измерения напряжений от 0 до 1 В, собранного на двух полевых транзисторах. Входное сопротивление прибора около 4 МОм. Такой прибор может оказаться очень полезным при измерении постоянного напряжения в базовых цепях транзисторных каскадов приемников и усилителей, как это рекомендовано в его описании.

В этом вольтметре могут быть применены полевые транзисторы типа КП102Е и КП103К. В качестве источника питания можно использовать три последовательно соединенные батареи 3336 Л. В случае необходимости напряжение питания можно понизить до 9 В. Для измерения больших напряжений, например, в пределах 0— 10 В или 0—100 В следует устанавливать внешние высокоомные делители напряжения с коэффициентом деления 10:1 или 100:1. Милливольтметр с высокоомным входом. Обычно радиолюбители измеряют напряжение переменного тока авометром, входное сопротивление которого невысоко. Лучшие результаты можно получить с помощью стандартных милливольтметров, позволяющих измерять очень малые напряжения НЧ, исчисляемые милливольтами. Авометр в лучшем случае может измерить 0,1 В.

На рис. 88 представлена принципиальная схема простого низкочастотного милливольтметра с входным сопротивлением около 2 МОм. Полное отклонение стрелки измерительного прибора соответствует входному напряжению от 15 до 100 мВ. Питание вольтметра осуществляется от батареи напряжением 4,5 В. Такие хорошие результаты могли быть получены лишь только потому, что на входе усилителя НЧ этого прибора включен полевой транзистор.

Согласно схеме (рис. 88), опубликованной в одном из американских радиожурналов, милливольтметр содержит истоковый повторитель на полевом транзисторе Т1, усилитель напряжения на транзисторе Т2, включенном по схеме с общим эмиттером, и двух-полупериодный выпрямитель напряжения сигнала, нагруженный измерителем тока — микроамперметром. Усиление сигнала до выпрямителя, а следовательно, чувствительность прибора регулируется переменным резистором R5. При этом если движок переменного резистора находится в нижнем по схеме положении, то чувствительность милливольтметра составляет 100 мВ. Диапазон измерений этого прибора может быть значительно расширен при включении на его входе дополнительного делителя напряжения измеряемого сигнала. В этом случае можно получить многопредельный измерительный прибор с входным сопротивлением более 10 МОм.

Милливольтметр можно изготовить, применяя транзисторы КП103Ж или КП103Л (Т1,) и МП41А (Т2), а также диоды Д9В-Д9Е (Д1, Д2). Источником питания может служить батарея 3336Л. Во избежание внешних наводок желательно разместить детали милливольтметра в металлическом корпусе.

Милливольтметр с линейной шкалой. Недостатком большинства авометров и милливольтметров переменного тока (в том числе и описанного выше) является неравномерность шкалы вблизи нуля, что обусловлено нелинейностью коэффициента передачи диодного выпрямителя при малом сигнале. Известны различные способы линеаризации шкалы таких приборов, но они в большинстве своем сложны для радиолюбительских конструкций. В этом отношении отличается простотой и надежностью работы вольтметр переменного тока, описанный на страницах английского радиолюбительского журнала, принципиальная схема которого приведена на рис. 89. Этот вольтметр состоит из мостового выпрямителя на диодах Д1—Д4 одна диагональ которого нагружена миллиамперметром со шкалой 0—500 мкА и внутренним сопротивлением 500 Ом, а другая включена между коллектором и базой усилительного каскада, собранного на транзисторе Т1, включенном по схеме с общим эмиттером. В других аналогичных вольтметрах вторая диагональ включается между коллектором и эмиттером. Не допущена ли здесь ошибка? Нет. В этом приборе через последовательно соединенные мостовой выпрямитель и конденсатор C2 возникает нелинейная отрицательная обратная связь по току с коллектора на базу транзистора Т1.

Так как при малом напряжении сигнала ток через диоды также мал, то действие отрицательной обратной связи будет незначительным, а усиление, даваемое каскадом, велико (60—100). По мере увеличения напряжения сигнала проводимость диодов возрастает, и вместе с ней возрастает ток отрицательной обратной связи, а это уменьшает усиление каскада. И чем больше сигнал на входе, тем меньше усиливается сигнал до выпрямителя. В результате начальный участок шкалы вольтметра выравнивается (линеаризуется), и показания вольтметра могут полностью совпадать с делениями шкалы микроамперметра. Максимальное значение измеряемого этим прибором переменного напряжения численно равно отношению максимального показания микроамперметра, деленному на сопротивление резистора R3 в килоомах. Например, при указанном на схеме рис. 89 сопротивлении резистора R3 вольтметр может измерять переменное напряжение в пределах 0—5 В.

При изготовлении данного вольтметра рекомендуется применять транзистор типа КТ315Г с Вст = 80-120. Величину постоянного тока, протекающего в коллекторной цепи транзистора, регулируют, подбирая сопротивление резистора R1. Диоды могут быть типа Д18 или Д20, Д9Д, Д9И. При указанных на рис. 89 емкостях конденсаторов вольтметр может измерять напряжение в полосе частот от 20 Гц до 600 кГц. Для питания прибора используют батарею «Крона-ВЦ» или две последовательно соединенные батареи 3336Л.

Васильев В. А. Зарубежные радиолюбительские конструкции. М., «энергия», 1977.

Обобщенная структурная схема аналоговых электронных вольтметров (рис.7.9) содержит максимальное число блоков, некоторые из которых в зависимости от назначения вольтметра могут отсутствовать. В электронных вольтметрах, снабженных усилительными устройствами потребление мощности из измерительной цепи ничтожно мало. К достоинствам электронных вольтметров относятся: широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20 Гц до 1000 МГц), высокая чувствительность, хорошая перегрузочная способность.

Рисунок 7.9.

1. Входное устройство предназначено для:

а) ослабления сигнала в заданное число раз, позволяющего расширить диапазон в сторону больших измеряемых напряжений;

б) обеспечения входных параметров вольтметра: входного сопротивления в пределах 1 – 10 МОм, входной емкости 1 - 30 пФ.

Усилители переменного тока служат для:

а) повышения чувствительности;

б) расширения динамического диапазона в сторону меньших измеряемых напряжений.

Для выполнения указанных задач усилители переменного тока должны иметь заданный и высокостабильный коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот и температур, малые нелинейные искажения, малые собственные шумы и быть нечувствительными к колебаниям напряжения питания, что достигается использованием многокаскадных усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.

3. Усилители постоянного тока служат для обеспечения согласования небольшого внутреннего сопротивления магнитоэлектрического измерительного механизма с большим сопротивлением нагрузки преобразователя. К усилителям постоянного тока предъявляются жесткие требования в отношении постоянства коэффициента усиления и малого дрейфа нуля, т. е. медленного изменения выходного сигнала при отсутствии на входе информационного сигнала. Они выполняются в виде мостовых схем с отрицательной обратной связью.

4. Преобразователи служат для преобразования переменного тока в постоянный, в качестве преобразователей служат детекторы. Детекторы можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное на следующие типы: квадратичные, линейные, амплитудные (пиковые). Тип детектора во многом определяет свойства прибора: так вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с квадратичными детекторами позволяют измерять напряжения любой формы; вольтметры с линейными детекторами пригодны только для измерения гармонического сигнала, но являются самыми простыми, надежными и дешевыми.

Аналоговые электронные вольтметры могут строиться по двум основным схемам: усилитель – преобразователь и преобразователь – усилитель. Первая из схем обладает большой чувствительностью, но частотный диапазон у таких вольтметров определяется полосой пропускания усилителя переменного тока и составляет сотни килогерц; вторая схема используется в вольтметрах для измерения напряжения значительного уровня, т.к. обеспечить большое усиление с помощью усилителя постоянного тока сложно, зато частотный диапазон таких усилителей и, соответственно вольтметров, может составлять сотни мегагерц.

Электронные вольтметры могут иметь открытый или закрытый вход по отношению к постоянной составляющей измеряемого напряжения. При закрытом входе схема вольтметра содержит разделительный конденсатор, не пропускающий постоянную составляющую сигнала, при открытом входе такого конденсатора нет и на блоки вольтметра поступает как переменная, так и постоянная составляющая сигнала.

Элементная база, используемая при создании вольтметров переменного напряжения, определяется существующим на момент создания вольтметров уровнем техники (от полупроводников образцов до микроинтегрального исполнения), однако функциональное назначение блоков остается неизменным.

Вольтметры переменного тока (типа В3)

Вольтметры переменного тока строятся по схеме усилитель-преобразователь. В качестве преобразователей могут использоваться квадратичные или линейные детекторы.

Если применяются квадратичные детекторы, то такие вольтметры называются вольтметрами среднеквадратических значений, их структурная схема приведена на рис. 7.10.

Рисунок. 7.10.

Квадратичный детектор преобразует переменное напряжение в постоянное, пропорциональное, согласно формуле (7.5), квадрату среднеквадратического значения измеряемого напряжения. Значит, измерение среднеквадратического напряжения связано с выполнением трех операций: возведение в квадрат мгновенного значения сигнала, усреднение и извлечение корня из результата усреднения (последняя операция обычно осуществляется при градуировки шкалы вольтметра). Возведение в квадрат мгновенного напряжения как правило производят с помощью полупроводникового диода, используя начальный участок вольт-амперной характеристики, описываемой квадратичной зависимостью. Однако протяженность квадратичного участка характеристики обычно невелика (не более 100 мВ), одним из методов для расширения этого участка является метод кусочно-линейной аппроксимации. Для этого в схему детектора включают несколько диодных ячеек и подбором напряжения смещения на диодах получают суммарную вольт-амперную характеристику, приближающуюся по форме к квадратичной кривой (рис. 7.11).

Рисунок 7.11.

Если в вольтметрах переменного тока применяются линейные детекторы, то такие вольтметры называются вольтметрами средневыпрямленных значений, структурная схема таких вольтметров приведена на рис. 7.12.

Рисунок 7.12

В таких вольтметрах в качестве преобразователя используется линейный детектор, преобразующий переменное напряжение в постоянный ток, пропорциональный средневыпрямленному значению измеряемого напряжения. Такие преобразователи выполняются по схемам двухполупериодного выпрямления и используют линейный участок вольт-амперной характеристики полупроводникового диода. Аналоговый вольтметр средневыпрямленных значений по сравнению с выпрямительным вольтметром имеет более высокую чувствительность и меньшее потребление мощности от измерительной цепи. Эти вольтметры откликаются на средневыпрямленное значение, градуируются в среднеквадратических значениях и имеют коэффициент градуировки С=1.

Импульсные вольтметры (типа В4)

Импульсные вольтметры строятся по схеме преобразователь - усилитель, в качестве преобразователя используется амплитудный детектор, напряжение на выходе которого соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого сигнала. Структурная схема импульсного вольтметра приведена на рис. 7.13.

Рисунок. 7.13

Отличительной особенностью амплитудного (пикового) детектора является наличие элемента памяти, которым служит конденсатор, «запоминающий» пиковое значение измеряемого напряжения.

Простейшие схемы амплитудных детекторов:

а) детектор с последовательным включением диода (детектор с открытым входом);

б) детектор с параллельным включением диода (детектор с закрытым входом).

Рисунок 7.14

Амплитудный детектор осуществляет преобразование переменного сигнала в постоянный, пропорционально значению входного сигнала, поэтому такие вольтметры откликаются на максимальные значения, градуируются в максимальных значениях и имеют С=1.

Универсальный вольтметр (типа В7)

Универсальный вольтметр позволяет измерять как постоянный, так и переменный ток. При измерении переменного напряжения вольтметр имеет схему преобразователь - усилитель. В качестве преобразователя используется амплитудный (пиковый) детектор, напряжение на выходе которого соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого сигнала. При измерении постоянного напряжения оно через входное устройство подается на усилитель постоянного тока и обеспечивает отклонение стрелки магнитоэлектрического измерительного механизма. Структурная схема универсального вольтметра приведена на рис. 7.15.

Рисунок 7.15 4.12

Амплитудный детектор осуществляет преобразование переменного сигнала в постоянный, пропорциональный максимальному значению входного сигнала, поэтому такие вольтметры откликаются на максимальное значение сигнала, градуируются в среднеквадратических значениях. Эти параметры переменного напряжения связаны между собой в соответствии с (7.7) коэффициентом амплитуды, поэтому коэффициент градуировки универсального вольтметра равен

Характеристики рассмотренных вольтметров приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1

Тип вольтметра	Тип преобразователя	Значение напряжения, на которое откликается вольтметр, Uотк	Значение напряжения, в котором отградуирован вольтметр, Uград	Значение коэффи-циента градуиров-ки, С
Универсальный	Макс. значение
Импульсный	Макс. значение
Средневыпрям. знач.	Средневыпям.
Среднеквадр. знач.	Среднеквадр. знач.
Выпрямит.	Средневыпям.
Теромоэлектр.	Среднеквадр. знач.
Электростат.
Электродин.
Электромагн.
Магнитоэлектр

В/1 – выпрямительный с однополупериодной схемой выпрямления

В/1 – выпрямительный с двухполупериодной схемой выпрямления

Для усвоения материала курса по разделу «Измерение тока и напряжения» предусматривается решение задач по определению показаний вольтметров при различных формах измеряемых напряжений.

Для определения показаний вольтметров необходимо выполнить следующие операции:

1) Записать математическую модель измеряемого напряжения;

2) Учесть тип входа; при закрытом входе вычислить постоянную слагаемую и убрать её из измеряемого напряжения;

3) Найти напряжение, на которое откликается вольтметр Uотк;

4) Найти показания вольтметра U=CUотк

Характеристики вольтметров различных систем, необходимых при решении таких задач, берутся из таблицы 7.1.

Следует отметить, что наиболее близкими измерительными приборами к вольтметрам являются псофометры и измерители уровня.

Псофометр – это электронный вольтметр среднеквадратических значений, амплитудно-частотная характеристика усилителя которого определяется характеристикой, входящего в него псофометрического фильтра. Псофометрический фильтр отражает частотную характеристику избирательности органов восприятия, и вид ее установлен на основе экспериментальных исследований и рекомендаций МККТТ. Обычно в состав прибора входят два псофометрических фильтра – с телефонной и вещательной псофометрическими характеристиками.

Измеритель уровня – это квадратичный вольтметр, шкала которого проградуирована в логарифмических единицах (децибелах). Специфическим для измерителя уровня является также возможность устанавливать определенные значения входного сопротивления: 600 Ом, что соответствует входному и выходному сопротивлениям канала тональной частоты, 150, 135 и 75 Ом для групповых трактов.

Электронные вольтметры (ЭВ) бывают постоянного и переменного тока, универсальные.

Вольтметры подразделяются на группы:

· В1 – калибратор;

· В2 – постоянная тока;

· В3 – переменная;

· В4 – импульсный;

· В5 – фазочувствительный;

· В6 – селективный;

· В7 – универсальный;

· В8 – измеритель отношения и разности;

· В9 – преобразователи напряжения;

По принципу работы и устройства бывают: прямого преобразования и уравновешенного. Первые простые, но менее точные, вторые сложнее, но значительно точнее.

Электронные вольтметры классифицируют по следующим признакам:

· по способу измерения - приборы непосредственной оценки и сравнения;

· по назначению – приборы постоянного, переменного, импульсного напряжений, универсальные и селективные;

· по характеру измеряемого напряжения – амплитудные (пиковые), действующего и среднего напряжений;

· по частотному диапазону – низкочастотные и высокочастотные.

Электронные вольтметр постоянного тока состоят из входного устройства (ВУ), усилителя постоянного тока (УПТ), измерительного механизма (ИМ).

Рис. 4.1 Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока.

Измеряемое напряжение постоянного тока поступает на входное устройство, представляющее собой многопредельный высокоомный резисторный делитель напряжения. Сигнал с ВУ поступает на вход УПТ, который помимо функции усиления сигнала согласует высокое выходное сопротивление ВУ с малым сопротивлением рамки - делителя входного напряжения ИМ магнитоэлектрической системы. Входное сопротивление ЭВ составляет десятки мегаом, что снижает его влияние на объект измерения.

При измерении слабых сигналов начинается сказываться дрейф УПТ, поэтому в электронных микровольтметрах исключают УПТ, постоянный ток преобразуют с помощью модулятора в переменный и используют усилитель переменного напряжения.

Рис. 4.2 Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока с модуляцией сигнала.

ВУ – входной делитель, предназначен для согласования с нагрузкой (с источником сигнала);

~У – усилитель переменного тока для измерения слабых сигналов;

УПТ – усилитель постоянного тока, характеризуется дрейфом нуля, что ограничивает измерение сверхмалых сигналов;

ИМ – устройство отображения;

М - ДМ – модулятор – демодулятор сигнала;

Г – генератор;

Недостатком усилителей переменного тока является зависимость показаний от частоты сигнала.

Диапазон измеряемых напряжений составляет от микровольт до тысячи вольт; классы точности – 1,5; 2,5, шкала линейная.

Электронные вольтметры переменного тока используются для измерения переменного напряжения, изменяющегося в широком диапазоне по амплитуде и частоте (до гигагерц).

Структурная схема ЭВ может содержать выпрямитель (В), что позволяет существенно расширить частотный диапазон измеряемого сигнала.

Рис. 4.3 Структурные схемы электронных вольтметров переменного тока.

Элементная база современных ЭВ основана на использовании полупроводниковых устройств микроинтегрального исполнения.

Широко используются универсальные электронные вольтметры, предназначенные для измерения различных параметров электрической цепи постоянного (переменного) тока: и др. Такие устройства содержат в себе ряд дополнительных блоков, преобразующих измеряемый параметр в напряжение, которое затем измеряется.

Рис. 4.4 Структурная схема универсального электронного вольтметра.

Импульсные вольтметры используются для измерения импульсных сигналов (амплитуды максимального значения) различной формы с высокой скважностью (= 2500, где - период, - длительность сигнала).

Принцип их работы основан на заряде конденсатора от стабилизированного источника и поддержание измеряемого сигнала неизменным во времени на уровне, соответствующем максимальному его значению. Для этого используют усилители с ООС.

Рис. 4.5 Структурная схема импульсного электронного вольтметра и его временные диаграммы.

Диапазон измерений по частоте у приборов данного типа составляет 20 Гц…1 ГГц, по напряжению 100 мВ…1000 В, класс точности 4,0…10,0. Недостатком прибора является зависимость показаний от формы сигнала.

Селективные электронные вольтметры предназначены для измерения действующих значений напряжений отдельной гармонической составляющих сигналов (периодических сигналов).

Принцип работы таких устройств основан на выделении отдельных гармоник из сигнала, например, с помощью перестраиваемого полосового фильтра или использования принципа гетеродина. Используются также безфильтровые методы спектрального анализа сигнала, в том числе, с использованием цифровой обработки сигналов.

Нужно учитывать, что идеальных фильтров и усилителей не существует, что приводит к искажению передаваемого сигнала, к погрешности его измерений.

Технологически удобно использовать не отдельные фильтры на каждую гармонику, а устройство, состоящее из смесителя сигналов (СМ), получаемых от фильтра полосовой частоты (УПЧ) и перестраиваемого генератора (Г). Перемножая эти сигналы, можно выделить (для гармонических сигналов) сигналы с разностной и суммарной частотами.