3-3. ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Определение и классификация. Электронным вольтметром называется прибор, показания которого вызываются током электронных приборов, т. е. энергией источника питания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет током электронных приборов, благодаря чему входное сопротивление электронных вольтметров достигает весьма больших значений и они допускают значительные перегрузки.

Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дискретные. В аналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в пропорциональное значение постоянного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроамперметром, шкала которого градуируется в единицах напряжения (вольты, милливольты, микровольты). В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду преобразований, в результате которых аналоговая измеряемая величина преобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается на индикаторном устройстве в виде светящихся цифр. Аналоговые и дискретные вольтметры часто называют стрелочными и цифровыми соответственно.

По роду тока электронные вольтметры делятся на вольтметры постоянного напряжения, переменного напряжения, универсальные и импульсные. Кроме того, имеются вольтметры с частотно-избирательными свойствами — селективные.

При разработке электронных вольтметров учитываются следующие основные технические требования: высокая

чувствнтельность; широкие пределы измеряемого напряжения; широкий диапазон рабочих частот; большое входное сопротивление и малая входная емкость; малая погрешность; известная зависимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения. Перечисленные требования нельзя удовлетворить в одном приборе, поэтому выпускаются вольтметры с разными структурными схемами.

Рассмотрим аналоговые электронные вольтметры.

Вольтметры переменного напряжения. Электронный вольтметр переменного напряжения состоит из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического индикатора. Часто на входе вольтметра устанавливается калиброванный делитель напряжения, с помощью которого увеличивается верхний предел измеряемого напряжения. В зависимости от вида преобразования показание вольтметра может быть пропорционально амплитудному (пиковому), средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения. Однако следует иметь в виду, что шкалу любого электронного вольтметра градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряжения синусоидальной формы. Исключение составляют импульсные вольтметры, шкалу которых градуируют в амплитудных значениях.

Рис. 3-18. Структурная схема аналогового электронного вольтметра с амплитудным преобразователем

Вольтметр амплитудного (пикового) значения (рис. 3-18) состоит из амплитудного преобразователя усилителя постоянного тока УПТ и магнитоэлектрического индикатора, градуированного в вольтах. На входе вольтметра иногда предусматривается делитель напряжения ДН. Амплитудный преобразователь выполняют по схеме с открытым или закрытым входом.

Амплитудный преобразователь с открытым входом (рис. 3-19, а) представляет собой последовательное соединение вакуумного диода с параллельно соединенными резистором и конденсатором С. Если к зажимам 1—2 приложено напряжение от источника с внутренним сопротивлением то конденсатор через диод заряжается до некоторого значения которое приложено к электродам диода так, что он большую часть периода закрыт, т. е. работает в режиме отсечки (рис. 3-19, б). В течение каждого периода диод открывается на некоторый

промежуток времени когда и и конденсатор подзаряжается импульсом тока до напряжения смакс; постоянная времени заряда , где — сопротивление открытого диода. Затем диод закрывается и конденсатор разряжается через резистор в течение интервала постоянная времени разряда

Постоянные времени должны отвечать следующим условиям: где и границы частотного диапазона вольтметра. Очевидно, что и В широкодиапазонных вольтметрах неравенство выполнить не удается, и потому на высоких частотах процесс установления длится в течение нескольких периодов измеряемого напряжения.

Рис. 3-19. Амплитудный преобразователь с открытым входом

Результатом амплитудного преобразования является среднее значение слабопульсирующего напряжения которое в отличие от называют пиковым значением

где — угол отсечки тока диода. Как известно из работы [4],

где

— сопротивление нагрузки преобразователя с учетом входного сопротивления усилителя постоянного тока

Для оценки по формуле (3-31) подставим в (3-32) и (3-33) практические значения сопротивлений: сопротивлением пренебрегаем; находим рад и Таким образом,

Напряжение поступает на вход усилителя постоянного тока, входное сопротивление которого большое, а

выходное — малое. служит для согласования выходного сопротивления преобразователя с сопротивлением индикатора и для повышения чувствительности вольтметра.

Амплитудный преобразователь с закрытым входом (рис. 3-20) представляет собой последовательное соединение конденсатора постоянной емкости С с параллельно соединенными диодом и резистором Процесс преобразования переменного напряжения в постоянное аналогичен рассмотренному выше, с тем отличием, что на зажимах 3—4 имеются значительные пульсации напряжения, для сглаживания которых предусмотрен фильтр

Процессы преобразования пульсирующего напряжения преобразователем с открытым и закрытым входом различны и зависят от полярности подключения к входным зажимам постоянной составляющей пульсирующего напряжения.

Рис. 3-20. Принципиальная схема амплитудного преобразователя с закрытым входом

Рис. 3-21. Диаграммы напряжений в амплитудных преобразователях: а — с открытым входом; с закрытым входом

Если на вход амплитудного преобразователя с открытым входом включено пульсирующее напряжение так, что постоянной составляющей приложен к аноду диода, то выходное напряжение где постоянная составляющая, амплитуда положительного полупериода переменной составляющей (рис. 3-21, а). Если к аноду диода приложен постоянной составляющей, то диод закрыт все время и преобразования нет. Если к аноду амплитудного преобразователя с закрытым входом приложено пульсирующее напряжение, то конденсатор С заряжен постоянной составляющей и

преобразователь реагирует только на переменную составляющую: если к аноду диода приложен то выходное напряжение а если то Это полезное свойство вольтметров с закрытым входом измерять отдельно значения напряжения положительного или отрицательного полупериодов широко используется для определения симметричности амплитудной модуляции, наличия ограничения сигналов и т. д.

Частотные свойства амплитудного преобразователя определяются его эквивалентной схемой (рис. 3-22, а).

Рис. 3-22. Входная цепь амплитудного преобразователя

Здесь индуктивности и сопротивления проводов, соединяющих внешние зажимы 1—2 с внутренними точками схемы сумма всех паразитных емкостей, имеющихся на входе: между зажимами 1—2, 3—4, соединительными проводами 1—3, 2—4, а также междуэлектродная емкость диода активное входное сопротивление вольтметра, нагружающее источник измеряемого напряжения. Сопротивление определяется в основном двумя составляющими: тепловыми потерями в диоде и резисторе (см. рис. 3-19, а и 3-20), а также потерями в диэлектрике входной емкости Обе составляющие действуют параллельно, и потому В преобразователе с открытым входом с закрытым входом — Известно, что потери в диэлектрике возрастают с частотой, поэтому сопротивление, эквивалентное потерям, уменьшается: где 6 — угол потерь. Отсюда следует, что по мере возрастания частоты измеряемых напряжений входное сопротивление уменьшается (рис. 3-22, б). Практически на низких частотах составляет единицы мегаом, а на высоких — десятки и даже единицы килоом.

Эквивалентная схема (рис. 3-22, а) представляет собой последовательный колебательный контур, собственная

резонансная частота которого где При разработке амплитудных преобразователей стремятся к получению возможно меньших значений чтобы была возможно выше. Для этого амплитудный преобразователь выполняют в виде отдельной коаксиальной конструкции, называемой пробником (рис. 3-23). В нем смонтированы вакуумный диод типа нувистор и миниатюрные детали преобразователя. Пробник соединен с усилителем постоянного тока и источником накала диода экранированным четырехпроводным кабелем. Входная емкость пробника не превышает а собственная резонансная частота составляет

Рис. 3-23. Схема пробника пикового вольтметра

Относительная дополнительная частотная погрешность в процентах определяется следующей формулой:

Выходное напряжение преобразователя делится на с помощью резисторов в результате чего на вход УПТ поступает и магнитоэлектрический индика тор градуируется в действующих значениях измеряемого напряжения. Градуировка всегда производится при синусоидальной форме напряжения, поэтому при измерении напряжения другой формы необходимо показание вольт» метра а умножить на 1,41 (получится пиковое значение измеряемого напряжения) и разделить на коэффициент амплитуды измеряемого напряжения (получится действующее значение: Усилитель постоянного тока с магнитоэлектрическим индикатором является электронным вольтметром постоянного напряжения, поэтому амплитудные вольтметры часто делают универсальными (рис. 3-24). При положении переключателя измеряется переменное напряжение, при постоянное. Шкала для постоянного напряжения градуируется отдельно.

Амплитудные (пиковые) вольтметры характеризуются невысокой чувствительностью (порог чувствительности «0,1 В) и широкой полосой частот

Вольтметр средневыпрямленного значения (рис. 3-26) состоит из входного делителя напряжения широкополосного транзисторного усилителя выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического индикатооа.

Рис. 3-24. Структурная схема универсального вольтметра

Входное сопротивление делителя напряжения высокое, и если усилитель имеет низкое входное сопротивление, то между ними ставится узел согласования — преобразователь сопротивлений (с высоким входным и низким выходным сопротивлениями). Выходное напряжение усилителя поступает на выпрямительный преобразователь (см, рис. 3-16, г), и через микроамперметр протекает постоянная составляющая выпрямленного тока, пропорциональная средневыпрямленному значению измеряемого напряжения [см. формулу (3-29)]. Шкалу индикатора градуируют в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения, и при измерении Напряжения несинусоидальной формы следует пользоваться формулой (3-30).

Рис. 3-25. Структурная схема вольтметра высокой чувствительности

Вольтметры, построенные по такой структурной схеме, характеризуются высокой чувствительностью (микро- и милливольты) и сравнительно узкой полосой частот измеряемых напряжений (1; 5; 10 МГц). Обе эти характеристики определяются усилителем переменного напряжения.

Вольтметр среднеквадратического (действующего) значения строится по структурной схеме рис. 3-25. Применяются преобразователи с квадратичной характеристикой, обеспечивающей измерение среднеквадратического значения напряжения любой формы. К таким преобразователям относятся, в первую очередь, термоэлектрические и оптронные.

На базе термоэлектрических преобразователей (см. рис. 3-15, г) создан преобразователь среднеквадратического значения [6], работающий на двух идентичных элементах (рис. 3-26) и дифференциальном усилителе ДУ (микросхеме). Нагреватель первого термопреобразователя подключен к выходу широкополосного усилителя, т. е. в цепь измеряемого напряжения а нагреватель второго — к выходу дифференциального усилителя ДУ, т. е. в цепь отрицательной обратной связи. ТермоЭДС первого преобразователя а второго где среднеквадратические значения измеряемого и выходного напряжений соответственно.

Рис. 3-26. Схема термоэлектрического преобразователя среднеквадратического значения напряжения

Термопары включены встречно, поэтому выходное напряжение усилителя, коэффициент усиления которого равен К, можно записать так Подставляя выражения для получим или Применяют дифференциальный усилитель с большим К, поэтому последним слагаемым можно пренебречь и получить приближенное равенство Таким образом, выходное напряжение среднеквадратического преобразователя связано линейной зависимостью со среднеквадратическим значением измеряемого напряжения.

Основная погрешность преобразования обусловлена неидентичностью параметров термопреобразователей, увеличивающейся с их старением, и составляет

Оптронный преобразователь среднеквадратического значения напряжения в постоянный ток (рис. 3-27) состоит из эмиттерного повторителя, на вход которого поступает измеряемое переменное напряжение, преобразователя напряжения в сопротивление, работающего на лампочке

накаливания и фоторезисторе Последовательно с фоторезистором включен магнитоэлектрический микроамперметр, и эта цепь питается источником стабилизированного постоянного напряжения микроамперметр шунтирован резисторами

Принцип действия оптронного преобразователя следующий: при отсутствии напряжения на входе эмиттерного повторителя фоторезистор не освещен, его темновое сопротивление составляет более и ток через микроамперметр практически равен нулю.

Рис. 3-27. Упрощенная схема оптронного преобразователя среднеквадратического значения напряжения

С увеличением входного напряжения световой поток лампочки возрастает, а сопротивление фоторезистора уменьшается. Это вызывает увеличение постоянного тока через микроамперметр, пропорциональное среднеквадратическому значению входного напряжения. Частотный диапазон оптронного преобразователя — от 20 Гц до нескольких сотен килогерц. Применяя отрицательную обратную связь и коррекцию, диапазон можно расширить до Основная погрешность преобразования составляет

Вольтметры постоянного напряжения. Рассмотренный выше (рис. 3-24) универсальный вольтметр позволяет измерять постоянное напряжение от десятых долей вольта и выше. Для измерения меньших значений (от применяют высокочувствительные электронные вольтметры с преобразованием постоянного напряжения в переменное, которое после значительного усиления вновь преобразуется в постоянное и измеряется магнитоэлектрическим микроамперметром.

Упрощенная структурная схема электронного микровольтметра приведена на рис. 3-28. Измеряемое напряжение через фильтр подавляющий помехи промышленной

частоты, поступает на модулятор в котором постоянное напряжение преобразуется в переменное с частотой 42 Гц» задаваемой генератором ГНЧ. В качестве модулятора используют вибропреобразователь или схему на полевых транзисторах, обеспечивающую высокое входное сопротивление. Переменное напряжение усиливается усилителем работающим на нувисторе, и транзисторах).

Рис. 3-28. Упрощенная структурная схема микровольтметра постоянного тока

Общее усиление достигает 333 333. Усиленное напряжение демодулируется синхронным детектором ДМ, управляемым тем же генератором ГНЧ. Демодулированное постоянное напряжение после интегрирования фильтром и усиления усилителем постоянного тока измеряется магнитоэлектрическим индикатором, градуированным в микро- или милливольтах.

Рис. 3-29. Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра

Вольтметр охвачен глубокой отрицательной обратной связью, в цепи (ЦОС) которой предусмотрен переключатель пределов измерения от долей микровольта до 1 В. Входное сопротивление вольтметров с преобразованием достигает сотен мегаом; относительная погрешность измерения 1—6%.

Перейдем к рассмотрению дискретных электронных вольтметров.

Цифровые электронные вольтметры. Принцип работы вольтметров дискретного действия состоит в преобразовании измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код, который отображается на табло в цифровой форме. В соответствии с этим обобщенная структурная схема цифрового вольтметра (рис. 3-29) состоит из входного устройства аналого-цифрового преобразователя АЦП и цифрового индикатора ЦИ.

Входное устройство предназначено для изменения масштаба измеряемого напряжения, фильтрации помех и, при

измерении переменного напряжения, — для его преобразования в постоянное. В соответствии с назначением во входном устройстве имеется аттенюатор (делитель напряжения), усилитель, фильтр нижних частот и переключатель полярности. В вольтметрах переменного напряжения предусматривается преобразователь, обычно средневыпрямленного значения. В более совершенных моделях здесь же осуществляется автоматический выбор полярности и пределов измерений [13].

Схемные решения цифровых вольтметров определяются видом аналого-цифрового преобразователя. Получили распространение вольтметры с время-импульсным и частотным преобразованием, с двойным интегрированием, поразрядным уравновешиванием.

Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованием. Принцип работы заключается в преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени измеряемый числом заполняющих его импульсов со стабильной частотой следования.

Вольтметр (рис. 3-30, а) работает циклами, длительность которых устанавливается с помощью управляющего устройства и обычно равна или кратна периоду питающей сети. Для единичного измерения предусмотрен ручной запуск. В начале цикла импульс управляющего устройства (рис. 3-30, б) запускает генератор линейно-падающего образцового напряжения и сбрасывает показания предыдущего цикла, заполнявшие электронный счетчик Входное напряжение и образцовое напряжение поступают на входы сравнивающего устройства и в момент их равенства на выходе последнего возникает импульс, открывающий временной селектор через него на электронный счетчик начинают проходить импульсы от генератора счетных импульсов с частотой или периодом

В момент времени когда образцовое напряжение достигнет нуля, второе сравнивающее устройство вырабатывает импульс, закрывающий временной селектор; прохождение счетных импульсов прекращается, и на табло цифрового индикатора ЦИ появляются показания, пропорциональные числу счетных импульсов, прошедших через за интервал времени

Из диаграммы напряжений (рис. 3-30, б) следует, что Множитель численно равен скорости изменения образцового напряжения, Подставляя и получаем

где Коэффициент устанавливается равным где Показатель степени изменяется при переключении пределов измерения, что отражается в положении запятой в цифровом отсчете.

Погрешность измерения возникает вследствие нелинейности изменения линейно-падающего напряжения, нестабильности порога срабатывания сравнивающих устройств и возможности потери счетного импульса, т. е. погрешности дискретности.

Рис. 3-30. Цифровой вольтметр с время-импульсным преобразованием

Основная погрешность составляет, обычно Помехоустойчивость вольтметров с время-импульсным преобразованием низкая, так как любая помеха вызывает изменение момента срабатывания сравнивающего устройства. Главным достоинством этих вольтметров является их сравнительная простота.

Цифровой вольтметр с частотным преобразованием. Принцип действия заключается в преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, измеряемую цифровым частотомером. Одна из простейших схем такого вольтметра (рис. 3-31, а) работает следующим образом.

Рис. 3-31. Цифровой вольтметр с частотным преобразованием

Измеряемое напряжение поступает на вход интегратора, и конденсатор С заряжается по закону

Через интервал времени (рис. 3-31, б) напряжение на конденсаторе достигнет значения образцового напряжения, получаемого от источника

В этот момент сравнивающее устройство СУ включает формирующее устройство вырабатывающее отрицательный импульс обратной связи с постоянной площадью, равной произведению Этот импульс поступает через резистор на вход интегратора и разряжает конденсатор С до нуля. Время разряда равно Далее процесс повторяется с периодом или частотой Процесс разряда конденсатора можно записать так:

Приравняв результат интегрирования (3-36) напряжению из формулы (3-35), получаем

измеряемое напряжение

где коэффициент постоянная величина для данного вольтметра; частота измеряется электронным счетчиком

Погрешность преобразования напряжения в частоту определяется точностью номиналов и стабильностью сопротивлений резисторов нестабильностью образцового напряжения и порога срабатывания сравнивающего устройства, а также возможным дрейфом нуля интегратора и нестабильностью площади импульсов обратной связи. Общая погрешность составляет в современных вольтметрах

Для увеличения помехоустойчивости импульсы частоты пропускаются через электронный ключ в течение известного интервала времени , задаваемого генератором образцового интервала времени С помощью второго электронного счетчика число прошедших импульсов фиксируется и отображается на цифровом индикаторе в единицах напряжения Интервал выбирается равным периоду помехи которая, усредняясь, ослабляется. Главным источником помехи является питающая сеть, поэтому

Цифровой вольтметр с двойным интегрированием. Принцип его работы подобен принципу время-импульсного преобразования, с тем отличием, что здесь образуются два временных интервала в течение цикла измерения, длительность которого устанавливается кратной периоду помехи. Таким образом определяется среднее значение измеряемого напряжения, а помеха подавляется. Эти вольтметры являются более точными и помехоустойчивыми по сравнению с рассмотренными выше, однако время измерения у них больше.

Вольтметр с двойным интегрированием (рис. 3-32, а) работает так. Управляющее устройство задает цикл измерений Гц и вырабатывает импульс первого такта длительностью (рис. 3-32, б). В течение интервала ключ находится в положении 1 и измеряемое напряжение сообщает конденсатору интегратора С количество

электричества В момент окончания импульса его срез дифференцируется цепочкой и короткий отрицательный импульс переводит триггер в состояние открывающее временной селектор Одновременно ключ перебрасывается в положение 2 и к интегратору поступает образцовое напряжение обратной полярности.

Рис. 3-32. (см. скан) Цифровой вольтметр с двойным интегрированием

Конденсатор разряжается до исходного состояния в течение интервала времени

В момент окончания разряда конденсатора сравнивающее устройство СУ переводит триггер в состояние и временной селектор закрывается. Следовательно, счетные импульсы, вырабатываемые генератором проходят через на электронный счетчик и цифровой

индикатор ЦИ в течение интервала времени второго такта Количество электричества при заряде и разряде одинаково; из равенства выражений для получаем

где

Погрешность вольтметров с двойным интегрированием составляет и меньше. Помехозащищенность при равенстве достигает и более

Цифровой вольтметр с поразрядным уравновешиванием. Эти вольтметры являются наиболее быстродействующими и достаточно точными. Принцип их работы заключается в сравнении измеряемого напряжения с суммой дискретных значений образцовых напряжений, вырабатываемых цифроаналоговым преобразователем, с определенными весами, например 1-2-4-8 или 1-2-4-4.

В цифровом вольтметре с развертывающим уравновешиванием (рис. 3-33, а) значения образцовых напряжений изменяются в течение цикла измерения по жесткой программе и текущая их сумма сравнивается с измеряемым напряжением до получения равенства или достижения максимального значения. Затем прибор возвращается в начальное состояние и начинается следующий цикл.

Работа вольтметра протекает следующим образом. Управляющее устройство У У вырабатывает импульсы, устанавливающие длительность цикла в течение которого тактовые импульсы воздействуют на цифроаналотовый преобразователь ЦАП. Последний представляет собой прецизионный делитель напряжения с быстродействующими электронными переключателями. При поступлении очередного тактового импульса ЦАП последовательно выдает образцовые напряжения в коде 8-4-2-1 (например, 8, 4, 2, 1 В), проходящие на один из входов сравнивающего устройства на второй вход подается измеряемое напряжение состоит из нескольких декад (рис. 3-33, б), в каждой из которых содержится четыре резистора с «весами» 8-4-2-1. Значение сопротивления каждого резистора декады отличается от значений сопротивлений соответствующих резисторов соседних декад в 10 раз.

Перед началом измерения все электронные ключи находятся в положении «0», т. е. все резисторы заземлены и образцовое напряжение на сравнивающее устройство не поступает. Под воздействием первого импульса управляющего устройства электронный ключ присоединяет

резистор к источнику образцового напряжения и на сравнивающее устройство поступает первое значение где сопротивление группы параллельных резисторов

Если сравнивающее устройство вырабатывает сигнал «много», который поступает на управляющее устройство, и в дешифраторе ДШ записывается «0» первого разряда (рис. 3-33, в), а напряжение снимается.

Рис. 3-33. (см. скан) Цифровой вольтметр с развертывающим уравновешиванием

Под воздействием второго тактового импульса включается резистор с «весом» 2 и на СУ поступает напряжение где общее сопротивление параллельно соединенных резисторов с сопротивлениями

Если то сравнивающее устройство вырабатывает сигнал «мало» и в ДШ записывается «1» второго разряда. Аналогичное сравнение дискретных значений образцовых

напряжений и сумм напряжений тех разрядов, которые оказались записанными в ДШ, происходит до конца цикла или до получения равенства где сумма дискретных значений образцовых напряжений, записанная в виде кода в ДШ, имеет вид

где коэффициент, равный 1 или в зависимости от того, записан или нет 1-й разряд в дешифратор. На рис. 3-33, в приведен пример измерения этому значению соответствует кодовая запись которая преобразуется в цифровом индикаторе ЦИ в показание (вольт).

Погрешность цифровых вольтметров с поразрядным уравновешиванием в основном зависит от погрешности сравнивающего устройства, т. е. от его чувствительности и стабильности порога срабатывания, а также от нестабильности источника образцового напряжения

Вольтметр следящего уравновешивания работает не циклами, а непрерывно реагируя на изменение измеряемого напряжения: сумма образцовых напряжений принимает большее или меньшее значение в зависимости от значения измеряемого напряжения. Когда достигается равенство (рис. 3-33, г), код преобразуется в показание, а состояние прибора остается неизменным до тех пор, пока не изменится значение Преимущество вольтметров следящего уравновешивания заключается в уменьшении статической и динамической погрешности и в повышении быстродействия.

Импульсные вольтметры. При измерении напряжения импульсной формы требуется определить высоту импульсов, т. е. значение (рис. 3-34, а). Для этой цели применяют электронные вольтметры с амплитудным преобразователем с открытым входом (см. рис. 3-19). Результат измерения содержит погрешность, возникающую в связи с неполным зарядом конденсатора в течение длительности импульса и значительным разрядом конденсатора в интервале между импульсами Абсолютная погрешность относительная — Погрешность тем больше, чем больше скважность.

Если применить пиковый вольтметр с закрытым входом, то потеря постоянной составляющей импульсного напряжения вызывает погрешность и при малой скважности. Поэтому в технических характеристиках импульсных

вольтметров, выполненных с амплитудным преобразованием, указаны предельные значения длительностей импульсов и их скважностей, при которых показания вольтметра содержат нормированные погрешности.

Для точных измерений импульсных напряжений преимущественно применяются вольтметры компенсационные (рис. 3-34, б). Здесь амплитудное значение измеряемого напряжения, заряжающее конденсатор С через диод компенсируется (уравновешивается) постоянным образцовым напряжением (рис. 3-34, в). В момент компенсации ток гальванометра равен нулю и образцовое напряжение равно Значение образцового напряжения измеряется точным вольтметром постоянного тока.

Рис. 3-34. К измерению импульсных напряжений: а — графики напряжений при амплитудном преобразовании; б - простейшая схема компенсационного вольтметра; в — графики тока и напряжений при компенсации

С помощью вольтметров компенсационного типа можно также измерять амплитудное значение синусоидального напряжения и напряжение постоянного тока. Погрешность определяется чувствительностью указателя компенсации — гальванометра и точностью установки и измерения образцового напряжения. Для этой цели часто применяют цифровые вольтметры.

Для измерения очень коротких импульсов разработаны более совершенные вольтметры с автокомпенсацией (рис. 3-35). Принцип автокомпенсации заключается в преобразовании измеряемого напряжения в компенсирующее с последующим точным измерением его значения.

Входной импульс через диод заряжает конденсатор до значения II а что обеспечивается малой постоянной времени цепи заряда соизмеримой с длительностью импульса (емкость конденсатора С - единицы

пикофарад). На конденсаторе образуется напряжение которое через резистор поступает на конденсатор в качестве компенсирующего. Элементы нагрузки второго детектора выбираются так, чтобы их постоянная времени была много большей длительности периода следования измеряемых импульсов: . Конденсатор в интервалах между импульсами разряжается незначительно. На вход усилителя поступает разность напряжений выходное напряжение усилителя детектируется и подзаряжает конденсатор Чем больше коэффициент усиления усилителя, тем ближе значение Напряжение измеряется цифровым вольтметром постоянного тока

Рис. 3-35. Упрощенная схема автокомпенсационного импульсного вольтметра

Преимущества автокомпенсационных вольтметров заключаются в отсутствии индикатора момента компенсации — гальванометра и источника образцового напряжения, а также в уменьшении погрешности измерения.

Селективные вольтметры. Эти вольтметры предназначаются для измерения напряжения отдельных составляющих спектра сложного сигнала, значения сигнала в присутствии помех, наводки в электрических цепях, для определения ослабления электромагнитных полей соответствующими экранами, для исследования спектральной плотности шумовых сигналов. В качестве селективных цепей используются встроенные узкополосные фильтры.

Низкочастотный селективный микровольтметр (рис. 3-36, а) представляет собой калиброванный приемник прямого усиления с тремя широкополосными усилителями и одним селективным — В последнем сигналы, отстоящие на октаву от его центральной частоты настройки, ослабляются на В широкополосном режиме переключатель замкнут. Выходное напряжение измеряется вольтметром среднеквадратического значения. Широкополосные усилители пропускают полосу частот а селективный настраивается в полосе 20 Гц — Пределы измерения и

в селективном и широкополосном режимах соответственно. Входной аттенюатор обеспечивает

Погрешность измерения на пределе до на остальных . С помощью переключателя и генератора предусмотрена калибровка прибора. Через эмиттерный повторитель Ом можно получить на нагрузке напряжение измеряемого сигнала 1 В.

Рис. 3-36. Селективные микровольтметры

Высокочастотный селективный микровольтметр (рис. 3-36, б) представляет собой супергетеродинный приемник с двойным преобразованием частоты измеряемого сигнала. Пройдя входной каскад (пробник) первый аттенюатор и эмиттерный повторитель сигнал разветвляется на два канала: первый с полосой пропускания и второй — В обоих каналах, после усиления в и и ослабления напряжений с частотами выше в фильтре и выше в фильтре происходит преобразование частоты сигнала. В первом канале — с помощью гетеродина с плавной настройкой , гетеродина с одной частотой и смесителей сначала в первую промежуточную частоту

а затем во вторую Во втором канале — с помощью Гетх и происходит одно преобразование сигнала в промежуточную частоту

Для осуществления таких преобразований гетеродин обеспечивает для первого канала настройку в диапазоне частот а для второго — в диапазоне Второй гетеродин вырабатывает напряжение с частотой Для работы в селективном режиме напряжение со смесителей поступает на кварцевый фильтр, полоса пропускания которого меньше В широкополосном режиме переключателем кварцевый фильтр исключается из тракта и ширина полосы определяется усилителями УПЧ и УПЧ. С выхода УПЧ сигнал поступает на преобразователь вольтметра среднеквадратического значения и одновременно с индикацией его значения с выхода низкой частоты можно получить сигнал для прослушивания демодулированного сигнала. С оконечного усилителя О У снимается напряжение для автоматической подстройки частоты гетеродина Гетх. Погрешность установки частоты Погрешность измерения Предусмотрена калибровка микровольтметра с помощью генератора