Вольтметры средневыпрямленных значений

В качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное используются диоды, имеющие вольтамперную характеристику, изображенную на рис. 3.16

Рис. 3.16. Вольтамперная характеристика диода

Для упрошения расчетов характеристика аппроксимируется отрезками прямых. Схемы детекторов подразделяются на две группы: однополупериодные (рис. 3.17).и двухполупериодные (рис. 3.18).

Рис. 3.17. Схема однополупериодного выпрямителя

Рис. 3.18. Схемы двухополупериодных выпрямителей

Рассмотрим принцип действия однополупериодного выпрямителя. Как видно из рис. 3.17, ток через индикатор PA1, представляющий собой магнитоэлектрический механизм, проходит только в положительный полупериод измеряемого напряжения.

Его значение можно определить как

I = = Iср/2, (3.32)

где i(t) – мгновенное значение тока;

Iср – среднее за период значение тока, протекающего через диод VD1.

Следовательно, показания измерительного механизма пропорциональны среднему значению однополупериодного выпрямленного напряжения. Диод VD2 предназначен для защиты диода VD1 от пробоя обратным напряжением.

Двухполупериодные выпрямители строятся, обычно, по мостовым схемам, варианты которых указаны на рис. 3.18. Измерительный механизм включается в диагональ моста. Ток, проходящий через измерительный прибор, в этом случае вдвое больше и прибор имеет более высокую чувствительность.

Действительно, используя формулу 3.32 и рис. 3.18, д, можно показать, что для двухполупериодного выпрямительного прибора

I = = Iср, (3.33)

Для уменьшения температурной погрешности прибора два диода в плечах моста заменяют резисторами (рис. 3.18, в, г). Но это приводит к уменьшению чувствительности прибора и необходимости применения более чувствительных измерительных механизмов.

Вольтметры среднеквадратических значений

Чувствительным элементом таких вольтметров является детектор среднеквадратического значения. Т.к. по определению среднеквадратическим называется напряжение, которое определяется по формуле (3.3), то необходима такая схема детектора, которая возводила бы в квадрат мгновенное значение измеряемого напряжения, усредняла бы полученное значение за период и извлекала бы из всего квадратный корень.

Возведение в квадрат выполняется с помощью диодов, которые, имеют вольтамперную характеристику вида i = au + bu². Для возведения в квадрат необходимо из формулы исключить линейную составляющую au. Это можно осуществить, если работать на начальном участке вольтамперной характеристики (рис. 3.16, а). Но этот участок слишком короткий, поэтому квадратичные детекторы делают на диодных цепочках, которые позволяют формировать квадратичную зависимость (параболу) искусственно из отдельных линейных участков.

Схема, поясняющая процесс, изображена на рис. 3.19.

Рис. 3.19. Квадратичный детектор

3.3.3 Цифровые вольтметры

Цифровой вольтметр – это устройство, автоматически преобразующее аналоговое напряжение в дискретное, выполняющее его цифровое кодирование и выдающее результат измерения на цифровое табло прибора в десятичном коде.

Процесс преобразования аналогового сигнала в дискретный представляет собой операции его дискретизации по времени и квантование по уровню.

После этого выполняется процесс носящий название цифровое кодирование. Цифровое кодирование — это операция условного представления числового значения величины цифровым кодом, т. е. последовательностью цифр (сигналов), подчиненных определенному закону.

Таким образом, в процессе работы цифрового вольтметра осуществляется автоматическое преобразование значений непрерывного измеряемого напряжения в ограниченное количество его фиксированных дискретных значений. Фиксированным значениям напряжения соответствуют числа, выраженные тем или иным кодом Код можно представить в виде электрических сигналов, где носителем информации является не значение измеряемого напряжения, а временное или пространственное расположение этих сигналов.

По сравнению с аналоговыми вольтметрами, цифровые имеют ряд достоинств: объективность, удобство отсчета и регистрации результатов измерения; высокую точность измерения до 0,001% при широком диапазоне измеряемых величин (0,1мкВ—1000В); высокое быстродействие (до 10⁶ преобразований в секунду) из-за отсутствия электромеханических частей; полную автоматизацию процесса измерения (автоматический выбор предела и полярности измеряемых напряжений, коррекцию погрешностей); возможность непосредственного сочетания с ЭВМ, цифропечатающим устройством; возможность дистанционной передачи результатов измерений в виде кода без потери точности.

Недостатками их можно считать относительную сложность исполнения и высокую стоимость. Но с применением интегральных схем эти недостатки существенно уменьшились.

Цифровые вольтметры многопредельны, универсальны, предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, а также отношения напряжений.

По способу преобразования измеряемой величины в цифровой код существуют цифровые вольтметры с времяимпульсным кодированием, с поразрядным кодированием, с преобразованием напряжения в частоту.