2.7. Электронные аналоговые вольтметры

В электронных вольтметрах конструктивно объединены электронный преобразователь и измерительный механизм. Электрон­ный преобразователь может быть ламповым или полупроводнико­вым. Измерительный механизм обычно магнитоэлектрический. Элект­ронные аналоговые вольтметры позволяют производить измерения в широком диапазоне напряжений и частот.

^и1,Щ

Рис. 2.27

Электронные вольтметры постоянного тока выполняются по схеме, представленной на рис. 2.28. Измеряемое напряжение С/, подается на входное устройство, представляющее собой многопредельный высоко- омный делитель на резисторах. С делителя напряжение поступает на уси­литель постоянного тока и далее — на измерительный механизм. Де­литель и усилитель постоянного тока ослабляют или усиливают напряже-

Рис. 2.28

Рис. 2.29

ние до значений, необходимых для нормальной работы измерительного механизма. Одновременно усилитель обеспечивает согласование высо­кого сопротивления входной цепи прибора с низким сопротивлением катушки измерительного механизма. Входное сопротивление электрон­ного вольтметра составляет обычно несколько десятков мегаом. Это позволяет производить измерения в высокоомных цепях без заметного потребления мощности от объекта измерения. Диапазон .измеряемых напряжений постоянного тока — от десятков милливольт до несколь­ких киловольт. Для измерения малых напряжений используют микро­вольтметры с преобразованием постоянного тока в переменный. В та­ких приборах усиление измеряемого сигнала производится на перемен­ном токе, что позволяет достичь больших значений коэффициента усиления и снизить порог чувствительности до нескольких микровольт. Рабочий диапазон электронных микровольтметров постоянного тока ле­жит в пределах Ю^-8 — 1 В.

Электронные вольтметры переменного тока выполняются по двум структурным схемам, представленным на рис. 2.29. В первой из этих схем измеряемое переменное напряжение сначала преобразуется в по­стоянное при помощи детектора, а затем усиливается усилителем по­стоянного тока и воздействует на измерительный механизм. Во второй схеме усиление производится на переменном токе (ддя этого служит усилитель переменного тока) и лишь затем предварительно усиленный сигнал выпрямляется детектором и отклоняет стрелку измерительного механизма. Эти схемы дополняют друг друга. Каждая из них обладает своими преимуществами и недостатками. По первой схеме могут строиться вольтметры, обладающие широким частотным диапазоном (10 Гц — 1000 МГц), но обычно не способные измерять напряжения меньше нескольких десятых долей вольта: детектор выпрямляет толь­ко достаточно большие напряжения.

Вторая схема позволяет строить чувствительные вольтметры, нижний предел измерения которых составляет всего лишь единицы микровольт. Однако эти приборы имеют меньший частотный диапазон, поскольку частотный диапазон усилителя переменного тока трудно сделать до­статочно большим.

Детекторы, применяемые в электронных вольтметрах, служат для выпрямления переменного тока. Они могут быть выполнены по раз­личным схемам и подразделяются на детекторы средневыпрямленного, амплитудного и среднеквадратического значений. Это деление пока­зывает, какому из значений (средневыпрямленному, амплитудному или среднеквадратическому) измеряемого напряжения соответствует напряжение на выходе детектора.

Детекторы средневыпрямленного значения представляют собой вы­прямители на полупроводниковых диодах — такие же, как в приборах выпрямительной системы.

Амплитудные детекторы обычно содержат диод и конденсатор, ко­торый заряжается до амплитудного значения измеряемого напряжения. Для нормальной работы амплитудного детектора необходимо, чтобы сопротивление его нагрузки было велико (50—100 МОм). Поэтому амплитудный детектор используют в первой из схем, представленных на рис. 2.29, где его нагрузкой является усилитель постоянного тока, обладающий высоким входным сопротивлением.

Детекторы среднеквадратического значения используют квадратич­ный участок вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода или диодной цепочки, в результате чего среднее значение напряжения на выходе де­тектора оказывается пропорциональным квадрату среднеквадратичес­кого значения измеряемого напряжения. В других схемах детекторов среднеквадратического значения напряжения применяются термо­преобразователи.

По отношению к постоянной составляющей напряжения различают детекторы с открытым и закрытым входом. В первом случае постоян­ная составляющая наряду с переменной вносит свой вклад в результат измерения, во втором — постоянная составляющая исключается из-за наличия разделительного конденсатора на входе детектора.

В зависимости от применяемой схемы выпрямления вольтметры под­разделяются на вольтметры средневыпрямленного, амплитудного и среднеквадратического значений.

Как видно из структурных схем, приведенных на рис. 2.29, в состав каждого электронного вольтметра входит усилитель постоянного или переменного тока. Одна из возможных схем усилителя постоянного тока (в упрощенном виде) представлена на рис. 2.30. Измеряемое на­пряжение U_x подается на сетку триода VL1 через резистор Лф, который вместе с конденсатором Сф образует фильтр, уменьшающий пульса­ции на сетке лампы. При короткозамкнутом входе, т.е. в отсутствие напряжения U_x, потенциалы сеток обеих ламп VL1 и VL2 равны и уста-

новка на нуль измерительного механизма вольтметра PV может быть выполнена при помощи переменного резистора R4. Появление напря­жения U_x приведет к изменению внутреннего ' сопротивления лам­пы VL1, вследствие чего нарушится баланс схемы, потенциалы анодов не будут равны и через цепь измерительного механизма потечет ток. Направление и значение этого тока зависят от знака и значения измеряе­мого напряжения U_x. Таким образом, шкала измерительного механиз­ма может быть проградуирована в вольтах постоянного тока.

Усилители переменного напряжения, которые используются в элект­ронных вольтметрах, должны иметь высокий и стабильный коэффи­циент усиления в рабочем диапазоне частот, малые нелинейные иска­жения, быть нечувствительными к изменениям температуры и на­пряжения питания. Таким требованиям отвечают широкополосные многокаскадные усилители, стабилизированные обратной связью.

Электронные вольтметры обладают рядом ценных качеств. Они имеют большое входное сопротивление, поэтому потребляют малую мощность от цепи, в которой производятся измерения. Диапазон их рабочих частот может простираться от нуля до сотен мегагерц. Значе­ния измеряемых напряжений лежат в области от нескольких микро­вольт до киловольт.

К недостаткам электронных вольтметров относятся необходимость источника питания, невысокая точность, обусловленная недостаточ­ной стабильностью электронных элементов (резисторов, ламп, полу­проводниковых диодов и триодов и т.д.). На электронные вольтметры установлены классы точности от 0,1 до 25. Обычные классы 2,5; 4,0, а на повышенных частотах 6,10, 15.

Вольтметры средневыпрямленного значения и амплитудные вольтмет­ры имеют также погрешности, зависящие от формы кривой тока. По принципу действия они реагируют на средневыпрямленное и амплитуд­ное значения, но для удобства работы обычно градуируются в сред- неквадратических (действующих) значениях напряжения. Такая грацуи- ровка может быть произведена только для определенной формы кривой тока. Обычно эта форма предполагается синусоидальной. Поэтому вольтметры средневыпрямленного и амплитудного значений дают пра­вильные показания только при синусоидальной кривой измеряемого напряжения. Если кривая отличается от синусоиды, погрешности могут возрастать до десятков процентов.

Электронные вольтметры часто входят в состав и являются основой многопредельных комбинированных приборов, позволяющих наряду с напряжением измерять другие электрические величины, например со­противление. Такие приборы широко используются в лабораторной практике, особенно для радиотехнических измерений.

Описанные выше электромеханические и электронные приборы яв­ляются показывающими, выполняемыми по схеме прямого действия и использующими "метод непосредственной оценки (см. § 1.2 и 1.4). Они удобны в работе и имеют малое время измерения, однако обладают сравнительно большими погрешностями.

Для выполнения измерений повышенной точности применяют более сложные приборы. Они выполняются по схемам уравновешивания и используют метод сравнения. К таким приборам относятся компенсато­ры (потенциометры) и измерительные мосты.