2.4. Параметры переменного напряжения

Переменное напряжение можно выразить через следующие параметры:

– – мгновенное значение напряжение. Его измерение осуществляется осциллографами в момент времени;

– – пиковое (амплитудное) значение напряжения – максимальное значение напряжения за время измерения или период колебания. Если сигнал имеет разные пиковые значения напряжения положительной и отрицательной полярности, то они указываются отдельно соответственно как , ;

– – среднее значение напряжения (постоянная составляющая). Для напряжения синусоидальной формы симметричного относительно оси времени среднее значение равно нулю;

– – среднее выпрямленное значение напряжения;

– – действующее значение напряжения.

Для сигналов одной полярности среднее значение и среднее выпрямленное значение напряжения равны.

Параметры напряжения синусоидальной формы показаны на рис. 2.1.

Связь между величинами , , определяется коэффициентами: амплитуды ; формы ; усреднения . Как видно и . Значения коэффициентов для сигналов синусоидальной формы и последовательности импульсов положительной полярности приведены в таблице 1.

Рис. 2.1. Параметры напряжения синусоидальной формы

Прямое измерение интересующего параметра переменного напряжения возможно только при наличии в приборе преобразователя соответствующего типа (детектора).

2.5. Основные принципы построения схем аналоговых электронных вольтметров

Аналоговые электронные вольтметры выполняются в основном по двум схе­мам: детектор - усилитель постоянного напряжения (рис. 2.2) и усилитель пере­менного напряжения - детектор (рис. 2.3).

Рис. 2.2. Вольтметр «детектор-усилитель постоянного напряжения»

Рис. 2.3. Вольтметр «усилитель переменного напряжения – детектор»

Вольтметры первого типа предназначаются для измерения пе­ременного и постоянного напряжений от десятых долей вольта до нескольких сотен вольт в широ­ком диапазоне частот - от десятков герц до 1000 МГц.

Вольтметры второго типа ис­пользуются для измерения малых напряжений переменного тока - от единиц микровольт до единиц вольт. Их частотный диапазон обычно не превышает десятков мега­герц.

Входное устройство (ВУ) обеспечивает расширение пределов измеряемых напряжений в сторону больших значений. Пределы измерения расширяются с помощью резисторных делителей напряжения. При напряжениях, достигающих нескольких киловольт, применяются внешние емкостные делители. Простейшие делители приведены на рис. 2.4. Там же показаны формулы для вычисления коэффициентов деления напряжения.

Рис. 2.4. Делители напряжения

Кроме того, входное устройство обеспечивает требуемое входное сопротивление и малое значение входной емкости. Вход­ное сопротивление электронного вольтметра велико. Активная составляющая лежит в пределах от 0,1 до 100 Мом, входная емкость 1-30 пФ.

Усилители переменного напряжения, используемые в электронных вольтметрах, должны иметь заданный и высокостабильный коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот и температур, малые нелинейные искажения и быть не­чувствительными к колебаниям напряжения питания.

Усилители постоянного напряжение работают обычно в режиме усилителя мощности и по существу являются усилителями постоянного тока.

Детекторы служат для преобразования измеряемого переменного напря­жения в постоянное или пульсирующее, которое измеряется магнитоэлектрическим прибором МЭ, реагирующий на постоянную составляющую (среднее значение) этого напряжения.

В зависимости от закона преобразования, среднее значение напряжения на выходе детектора может быть пропорционально амплитудному (пиковому) , среднему выпрямленному или действующему значению входного напряже­ния. В соответствии с этим электронные вольтметры классифицируются на амплитудные (пиковые), средневыпрямленных значений (линейные) и действующих значений.

Шкала вольтметра с детектором действующих значений проградуирована в действующих значениях напряжения и справедлива при любой форме измеряемого напряжения, что яв­ляется основным преимуществом данного вольтметра перед другими.

Градуировка большинства вольтмет­ров (за исключением импульсных и в некоторых случаях амплитудных) производит­ся в действующих значениях синусоидального напряжения, поэтому все эти приборы дают одинаковые показания, соответствующие действующему значению только при измерениях синусоидального напряжения.

Для того чтобы правильно оценивать показания приборов при измерениях не­синусоидальных периодических напряжений, необходимо знать тип детекторов и градуировку шкал.

Различают детекторы (вольтметры) с "открытым" и "закрытым" для постоянной состав­ляющей напряжения входами. В последнем случае после входной потенциальной клеммы включается разделительный конденсатор (рис. 2.5), который не пропускает постоянную составляющую сигнала.

Рис. 2.5. Организация закрытого входа

Графики напряжений до и после конденсатора на примере периодической последовательности импульсов положительной полярности приведены на рис. 2.6. Значение постоянной составляющей данного сигнала:

.

Рис. 2.6. Сигнал с постоянной (а) и без постоянной (б) составляющей напряжения

В вольтметрах переменного напряжения применяют преимущественно детекторы с закрытым входом, реагирующие только на переменную составляющую напряжения.

Таблица 2.2

Измеряемый параметр	Расчетные показания вольтметров
	Вольтметры, со шкалами, проградуированными в значениях, соответствующих детекторам			Вольтметр с закрытым входом, детектором средневыпрямленных значений, шкалой, проградуированной в действующих значениях синусоидального напряжения	Вольтметр с закрытым входом, детектором действующих значений, шкалой, проградуированной в действующих значениях синусоидального напряжения
	Детектор	Вход открытый	Вход закрытый
	амплитудный		,
	средних значений			-	-
	линейный			– показания вольтметра
	действующих значений				– показания вольтметра

В таблице 2.2 приведены формулы, позволяющие вычислить или пересчитать показания вольтметров, имеющих различные детекторы, открытый или закрытый входы, различную градуировку шкал. Формулы справедливы только для сигнала в виде последовательности однополярных импульсов. Также приведены результаты расчетов для сигнала, показанного на рис. 2.6, а и имеющего амплитудное значение 1В и скважность 4.