3.2. Аналоговые электронные вольтметры

Широко применяются в инженерной практике и представляют собой совокупность электронного ИПр, называемого детектором, и измерительного устройства в виде магнитоэлектрического ИП. Аналоговые электронные вольтметры (АЭВ) различаются по следующим признакам:

1. Назначение:

• В2 - вольтметры постоянного тока;

• ВЗ - вольтметры переменного тока;

• В4 - вольтметры импульсного тока;

• В6 - вольтметры селективные;

• В7 - вольтметры универсальные.

2. Значение измеряемого напряжения:

• амплитудных значений;

• средних значений: ;

• средневыпрямленных значений: ;

• среднеквадратических значений: .

3. Частотный диапазон:

• узкополосные;

• широкополосные;

• селективные.

К АЭВ предъявляются следующие требования:

1) высокая чувствительность;

2) высокое входное сопротивление;

3) малая входная ёмкость;

4) широкий частотный диапазон;

5) малая потребляемая от объекта измерений мощность;

6) линейность преобразований.

3.3. Принципы построения аналоговых электронных вольтметров

Аналоговые электронные вольтметры постоянного тока

АЭВ постоянного тока это, как правило, измерительные приборы прямого действия, которые строятся по разомкнутой структурной схеме.

Рис. 11: УПТ – усилитель постоянного тока, ИУ – измерительное устройство

Входное устройство обеспечивает многопредельность вольтметра, т.е. возможность измерять не одно значение, а ряд значений в заданном диапазоне (обеспечивается аттенюатором). Обычно входное устройство предназначено для обеспечения высокого входного сопротивления вольтметра (обеспечивается эммитерным повторителем, если реализуется на биполярных транзисторах и истоковым повторителем, если реализуется на полевых транзисторах). Усилитель постоянного тока (УПТ) относится к дифференциальным усилительным каскадам.

Рис. 12:

В УПТ большое и малое . Благодаря этому он облегчает согласование сопротивлений входного устройства и измерительного устройства.

К УПТ предъявляются следующие требования:

- стабильность усиления;

- малый уровень шумов;

- малый дрейф нуля.

Измерение малых уровней напряжений (микровольт) ограничивается дрейфом нуля УПТ, поэтому для повышения чувствительности в милли- и микровольтметрах напряжение постоянного тока вначале преобразуется в напряжение переменного тока, усиливается, снова преобразуется в постоянное и измеряется измерительным прибором.

Из всего выше сказанного следует, что такие приборы для измерения низких уровней напряжений имеют сложную схемотехнику.

Аналоговые электронные вольтметры переменного тока

Принцип действия таких вольтметров заключается в преобразовании напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока и последующим измерением его значения магнитоэлектрическим измерительным прибором.

В качестве измерительного преобразователя переменного напряжения в постоянное применяются детекторы.

Детекторы бывают амплитудных, средних, средневыпрямленных и среднеквадратических значений.

Тип детектора определяет тип вольтметра. Вольтметр точнее определяет то значение напряжения, которое определено детектором. Тип детектора определяет зависимость между постоянной составляющей напряжения на выходе детектора и входным измеряемым напряжением. Если значение постоянной составляющей на выходе детектора равно или пропорционально амплитудному значению измеряемого напряжения, то такой детектор называют детектором амплитудных значений и т.д.

Детектор пиковых значений – вольтметр, предназначенный для измерения напряжений сложной формы, – напряжений не синусоидальной формы. Шкалы вольтметров в большинстве случаев градуируются в среднеквадратических значениях напряжения.

Для повышения чувствительности в АЭВ используются усилители переменного или постоянного тока. Если усилитель напряжения стоит до детектора, то это усилитель напряжения переменного тока, после детектора – тогда усилитель представляет собой усилитель постоянного тока.

Схемы АЭВ имеют вид:

Рис. 13: УН – усилитель напряжения, Д – детектор, УПТ – усилитель постоянного тока, ИУ – измерительное устройство

Приведем сравнительную характеристику вольтметров, построенных по структурным схемам (а) и (б).

Рассмотрим структурную схему (а).

В таких АЭВ вследствие предварительного усиления сигнала повышается чувствительность (до сотен микровольт). Однако известно, что построение усилителя напряжения с большим коэффициентом усиления в широкой полосе частот представляет трудноразрешимую техническую задачу. Поэтому такие вольтметры характеризуются более узким частотным диапазоном (верхняя частота не превышает единиц мегагерц), чем вольтметры, построенные по структурной схеме (б).

Усилители напряжения переменного тока в структурной схеме (а) должны иметь значительный и не изменяющийся коэффициент усиления в широкой полосе частот, который должен быть независим от температуры. Другими словами, к ним предъявляются требования отсутствия нелинейных искажений, т.е. эти каскады должны быть нечувствительны к изменению напряжения питания. Для выполнения этих требований в усилителях применяются отрицательные обратные связи по напряжению, что приводит к снижению коэффициента усиления по напряжению, к увеличению входного сопротивления усилителя и уменьшению выходного сопротивления. Все это приводит к тому, усилители напряжения обычно многокаскадные. Количество каскадов определяется фазовыми соотношениями. Второе обстоятельство – увеличение входного сопротивления и уменьшение выходного сопротивления усилителя – облегчает согласование входного устройства с усилителем напряжения и с другой стороны усилителя напряжения с детектором.

Рассмотрим структурную схему (б).

Для таких вольтметров характерен широкий частотный диапазон, определяющийся только элементной базой детектора. Наличие УПТ определяет такие свойства этого вольтметра, как существенный дрейф нуля, ухудшение стабильности работы при измерении напряжений низких уровней, поэтому говорят, что такие вольтметры характеризуются низкой чувствительностью.

Высокое входное сопротивление и низкое выходное облегчает условие согласования между узлами. Вольтметры, построенные по структурной схеме (б) работают в частотном диапазоне до сотен мегагерц.