Аналоговые электронные вольтметры

При измерениинапряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключается параллельнотому участку цепи, на котором измеряется напряжение. Для уменьшенияметодической погрешности измерения собственное потребление вольтметра должнобыть мало, а его входное сопротивление велико. Поэтому в схемах электроники приизмерении в маломощных цепях применение электромеханических приборовограничено. Предпочтительнее является использование электронных вольтметров,которые представляют собой сочетание электронного преобразователя и магнитоэлектрическогоили цифрового измерительного прибора.

Аналоговые электронные вольтметромназывается прибор, показания которого вызываются энергией внешнего источникапитания. Измеряемое напряжение управляет током электронных устройств типаусилителей, благодаря чему входное сопротивление вольтметра достигает большихзначений. Кроме того, аналоговые электронные вольтметры допускают значительныеперегрузки.

Различают аналоговые электронные вольтметры: постоянного(В2-), переменного (В3-), импульсного (В4-) токов; селективные (В6-), универсальные(В7-).

 Электронные аналоговые вольтметры постоянноготока выполняются по схеме, представленной на рис.76, а.

   Измеряемое напряжение подается на входное устройство ВхУ, представляющеесобой многопредельный высокоомный делитель напряжения на резисторах. Сделителя напряжение поступает на усилитель постоянного тока УПТ и далее- на стрелочный миллиамперметр магнитоэлектрической системы mA. Делитель и усилитель постоянного тока ослабляют или усиливаютнапряжение до значений, необходимых для нормальной работы прибора. Одновременноусилитель обеспечивает согласование высокого сопротивления входной цепи вольтметрас низким сопротивлением рамки прибора магнитоэлектри-ческой системы. Высокоевходное сопротивление электронного вольтметра (несколько десятков мегаом)позволяет производить измерение напряжения в высокоомных цепях без заметногопотребления мощности от объекта измерения.

 Чтобы обеспечитьнеобходимую точность вольтметра, к усилителям постоянного тока, применяемым вэлектронных вольтметрах, предъявляются жесткие требования в отношениилинейности амплитудной характеристики, постоянства коэффициента усиления,температурного и временного дрейфа нуля. При построении электронных вольтметровдля измерения малых напряжений эти требования не всегда могут бытьудовлетворены. Поэтому электронные вольтметры постоянного тока для измерениямалых напряжений выполняются по схеме рис. 6.8, б.

 В таких вольтметрахпостоянное измеряемое напряжение вначале преобразуется модулятором М впеременное, а далее усиление измеряемого сигнала осуществляется усилителемпеременного тока У, обладающим лучшими метрологическимихарактеристиками по сравнению с усилителями постоянного тока. Затем впреобразователе Прпеременное напряжение преобразуется в постоянное,подаваемое на стрелочный прибор mA.Это позволяет получить электронные микровольтметры с нижним пределомизмерения порядка 10^–8 В.

Рис 76. Структурные схемы электронных вольтметров

Электронные вольтметры переменного тока выполняют по двум структурнымсхемам (рис.76, в, г). В первой из этих схем измеряемое переменноенапряжение сначала преобразуется в постоянное преобразователем Пр, азатем усиливается усилителем постоянного тока. Во второй схеме усиление производитсяна переменном токе и лишь затем предварительно усиленный сигнал преобразуетсяпреобразователем Пр в постоянной ток. Эти схемы дополняют друг друга. Каждаяиз них обладает своими преимуществами и недостатками. Вольтметры, построенныепо первой схеме, позволяют измерять напряжение переменного тока в широкомчастотном диапазоне (10 Гц - 1 000 МГц), но не дают возможности измерятьнапряжения меньше нескольких десятых долей вольта, так как детектор выпрямляеттолько достаточно большие напряжения. Вторая схема позволяет строить болеечувствительные вольтметры, нижний предел измерения которых составляет всеголишь единицы микровольт. Однако такие приборы имеют меньший частотный диапазон,поскольку частотный диапазон усилителя переменного тока трудно сделать достаточношироким.

32

Структурные схемы цифровых вольтметров переменного тока отличаются наличием преобразователя переменного напряжения в постоянное, включаемого после входного устройства. Кроме выпрямителя с фильтром преобразователь может содержать операционный усилитель, охваченный отрицательной обратной связью вместе с выпрямителем в целях повышения линейности и стабильности. 

Вольтметры состоят из двух блоков: измерительного и преобразователя переменного напряжения в постоянное. 

К первой группе относятся приборы, основанные на использовании преобразователя переменного напряжения в постоянное или в частоту с последующим измерением соответствующим цифровым устройством. 

В приборах используются сменные блоки: делитель, предуси-литель, преобразователь переменного напряжения, преобразователь частоты с разверткой, что придает ДЭСП большую универсальность и гибкость в процессе эксплуатации. Регистрация ведется на листе диаграммной бумаги, хотя в будущем предполагается разработка устройства регистрации на диаграммной ленте. 

Цифровые вольтметры переменного тока, как правило, представляют сочетание преобразователя переменного напряжения в постоянное с ЦВ постоянного тока. В зависимости от вида преобразователя переменного напряжения в постоянное такие ЦВ реагируют либо на действующее значение измеряемого напряжения, либо на его средневыпрямленное значение. В последнем случае по аналогии с выпрямительными приборами они градуируются в действующих значениях синусоидального напряжения. 

Для измерений переменных напряжений на входе цифрового вольтметра постоянного тока устанавливаетсяпреобразователь переменного напряжения в постоянное - обычно выпрямительный, что приводит к дополнительному увеличению погрешности измерения и резкому увеличению времени измерения. Последнее объясняется необходимостью сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения с помощью фильтров. Показание таких вольтметров пропорционально среднему значению переменного напряжения, а в большинстве случаев необходимо измерять действующее значение. 

В настоящее время в ИТПС стали внедряться измерители уровней напряжений, содержащие преобразователи переменного напряжения в постоянное по максимальному или среднему значению. Подобные преобразователи предназначаются для измерения чисто синусоидальных напряжений с частотами до 100 кгц. Кроме того, для измерений при более высоких частотах необходимо применять преобразователи частоты.

Вольтметры средних значении строятся по структурной схеме первого типа - с преобразователем переменного напряжения в постоянное по среднему значению. Вольтметры предназначены для измерения среднего ( средневыпрямленного) или среднеквадра-тического значения синусоидального напряжения. 

Вольтметры среднеквадратических и средневыпрямленных значений требуют применения усилителя переменного напряжения, поскольку преобразователи переменного напряжения в постоянное обладают малой чувствительностью. Этой мерой решается вопрос о необходимой чувствительности, однако возникают трудности обеспечения широкого диапазона частот. Амплитудные вольтметры, чтобы выполнить требования в отношении диапазона частот, чувствительности и точности, строятся, как правило, по схеме уравновешивающего ( компенсационного) преобразования как со статической характеристикой ( автокомпенсационные вольтметры), так и с астатической ( компенсационные вольтметры. 

Если же измеряется напряжение переменного тока, то оно после коммутатора подается на преобразователь переменного напряжения в постоянное, а после этого подается на вход усилителя постоянного тока. 

Помимо термоэлектрических и электростатистических приборов способностью реагировать на действующие значения токов и напряжений обладают все приборы, содержащие преобразователи переменного напряжения ( тока) в постоянное напряжение ( ток) и характеризующиеся выделением тепловой энергии в промежуточном звене, находящемся под воздействием преобразуемого тока. Однако эти компоненты могут быть использованы только при их включении в ветвь мостовых схем, уравновешиваемых при поочередном воздействии переменного и постоянного токов. Осуществление подобных мостовых схем связано с введением цепей развязок, существенно ограничивающих нижний предел измерений по частоте. Наоборот, при частотах выше 20 Мгц наибольшие точности обеспечиваются в настоящее время приборами с болометрами. 

Если цифровым вольтметром необходимо измерить переменное напряжение, например его действующее значение, то на входе вольтметра следует установить преобразователь переменного напряжения в постоянное. Полупроводниковые кремниевые диоды включаются в цепь обратной связи операционного усилителя, что приводит к улучшению линейности и стабильности выпрямителя. Выпрямленное одно-полупериодное напряжение затем фильтруется.

33