6-2. ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

В электронных вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых электронных устройств в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический измерительный механизм со шкалой, градуированной в единицах напряжения. Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью и широким диапазоном измеряемых напряжений (от десятков нановольт на постоянном токе до десятков киловольт), большим входным сопротивлением (более 1 МОм), могут работать в широком частотном диапазоне (от постоянного тока до частот порядка сотен мегагерц). Эти достоинства обусловили широкое распространение электронных вольтметров.

Наиболее часто в электронных вольтметрах применяют схемы с прямым преобразованием сигналов (см. § 4-5). В этом случае аналоговые электронные узлы могут вносить значительные погрешности. Особенно это сказывается при измерении малых напряжений или напряжений высоких частот. Поэтому электронные вольтметры обычно имеют относительно невысокие классы точности (1—6). Вольтметры с уравновешивающим преобразованием, как правило, имеют более высокие классы точности но они более сложны и менее удобны в эксплуатации.

В настоящее время выпускается множество различных типов вольтметров. По своему назначению и принципу действия наиболее распространенные вольтметры могут быть подразделены на вольтметры постоянного тока, переменного тока, универсальные, импульсные и селективные.

Вольтметры постоянного тока. Упрощенная структурная схема таких вольтметров показана на рис. 6-1, где — входной

Рис. 6-1. Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока

делитель напряжения; УПТ — усилитель постоянного тока; ИМ — магнитоэлектрический измерительный механизм. Угол отклонения указателя измерительного механизма где — коэффициенты преобразования (усиления) соответственно ВД и УПТ, — чувствительность по напряжению измерительного механизма; — коэффициент преобразования электронного вольтметра; — измеряемое напряжение.

Последовательное соединение делителя напряжения и усилителя является характерной особенностью построения всех электронных вольтметров. Такая структура позволяет делать вольтметры высокочувствительными и многопредельными за счет изменения в широких пределах их общего коэффициента преобразования. Однако повышение чувствительности вольтметров постоянного тока путем увеличения коэффициента усиления УПТ наталкивается на технические трудности из-за нестабильности работы УПТ, характеризующейся изменением и дрейфом «нуля» (самопроизвольным изменением выходного сигнала) усилителя. Поэтому в таких вольтметрах, как правило, а основное назначение УПТ — обеспечить большое входное сопротивление вольтметра. В связи с этим верхний предел измерений таких вольтметров не бывает ниже десятков или единиц милливольт.

Для уменьшения влияния нестабильности УПТ в вольтметрах предусматривают возможность регулировки перед измерением «нуля» и коэффициента преобразования усилителя.

Рассмотренная структурная схема вольтметра постоянного тока используется в составе универсальных вольтметров (см. далее), поскольку при незначительном усложнении — добавлении преобразователя переменного напряжения в постоянное, появляется возможность измерения и переменного напряжения.

Для создания высокочувствительных вольтметров постоянного тока (микровольтметров) применяют усилители постоянного тока, построенные по схеме (модулятор — демодулятор), показанной на рис. 6-2, а, где М — модулятор; демодулятор; Г — генератор; — усилитель переменного тока. Усилители переменного тока не пропускают постоянную составляющую сигнала, и поэтому у них отсутствует дрейф «нуля», характерный для УПТ. На рис. 6-2, 6 показана упрощенная

временная диаграмма напряжений на выходе отдельных блоков. Генератор управляет работой модулятора и демодулятора, представляющих собой в простейшем случае аналоговые ключи (см. § 8-3), синхронно замыкая и размыкая их с некоторой частотой. На выходе модулятора возникает однополярный импульсный сигнал, амплитуда которого пропорциональна измеряемому напряжению. Переменная составляющая этого сигнала усиливается усилителем а затем выпрямляется демодулятором. Применение управляемого демодулятора делает вольтметр чувствительным к полярности входного сигнала.

Среднее значение напряжения выходного сигнала пропорционально входному напряжению Поскольку такая схема усилителя позволяет практически убрать дрейф «нуля» и имеет стабильный коэффициент усиления, коэффициент может достигать больших значений, например для микровольтметра Вследствие этого у микровольтметров верхний предел измерений при наивысшей чувствительности может составлять единицы микровольт. Так, микровольтметр постоянного тока имеет верхние пределы измерений при основной приведенной погрешности

Вольтметры переменного тока.

Такие вольтметры состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Возможны две обобщенные структурные схемы вольтметров переменного тока (рис. 6-3), различающиеся своими характеристиками. В вольтметрах по схеме рис. 6-3, а измеряемое напряжение их сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подается на УПТ и являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. Преобразователь Пр представляет собой малоинерционное нелинейное звено (см. далее), поэтому вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном

Рис. 6-2. Структурная схема (а) и временная диаграмма сигналов (б) электронного вольтметра постоянного тока с усилителем

Рис. 6-3. Структурные схемы вольтметров переменного тока

диапазоне (от десятков герц до МГц). Для уменьшения влияния распределенных емкостей и индуктивностей входного кабеля и входной цепи прибора преобразователи обычно выполняют в виде выносных узлов-пробников. В то же время указанные недостатки УПТ и особенности работы нелинейных элементов при малых напряжениях не позволяют делать такие вольтметры высокочувствительными. Обычно их верхний предел измерений при максимальной чувствительности составляет десятки — единицы милливольт.

В вольтметрах, выполненных по схеме 6-3, б, благодаря предварительному усилению удается повысить чувствительность. Однако создание усилителей переменного тока с большим коэффициентом усиления, работающих в широком диапазоне частот, — достаточно трудная техническая задача. Поэтому такие вольтметры имеют относительно низкий частотный диапазон (1 — 10 МГц); верхний предел измерений при максимальной чувствительности составляет десятки или сотни микровольт.

В зависимости от вида преобразователя переменного напряжения в постоянное отклонения указателя измерительного механизма вольтметров могут быть пропорциональны амплитудному (пиковому), среднему (средневыпрямленному) или действующему значениям измеряемого напряжения. В связи с этим вольтметры называют соответственно вольтметрами амплитудного, среднего или действующего значения. Однако независимо от вида преобразователя шкалу вольтметров переменного тока, как правило, градуируют в действующих значениях напряжения синусоидальной формы.

Вольтметры амплитудного значения имеют преобразователи амплитудных значений (пиковые детекторы) с открытым (рис. 6-4, а) или закрытым (рис. 6-5, а) входами, где — входное и выходное напряжения преобразователя. Если

Рис. 6-4. Схема (а) и временные диаграммы сигналов (б и в) преобразователя амплитудных значений (пикового детектора) с открытым входом

Рис. 6-5. Схема (а) и временные диаграммы сигналов (б) преобразователя амплитудных значений с закрытым входом

вольтметр имеет структуру рис. 6-3, а, то для преобразователя В амплитудных преобразователях с открытым входом конденсатор заряжается практически до максимального их положительного (при данном включении диода) значения входного напряжения (см. рис. 6-4, б). Пульсации напряжения иъых на конденсаторе объясняются его подзарядом при открытом диоде, когда и его разрядом через резистор при закрытом диоде, когда Как видно из рисунка, отпирание диода и подзаряд конденсатора происходит лишь в короткие промежутки времени 0, определяемые постоянными времени заряда и разряда Для того чтобы пульсации напряжения на выходе преобразователя были незначительными, необходимо обеспечить где — верхняя и нижняя границы частотного диапазона вольтметра. При этом среднее значение выходного напряжения следовательно, угол отклонения указателя измерительного механизма

где — коэффициент преобразования вольтметра.

Особенностью амплитудных преобразователей с открытым входом является то, что они пропускают постоянную составляющую входного сигнала (положительную для данного включения диода). Так, при (см. рис. 6-4, в) среднее значение выходного напряжения Следовательно, Очевидно, при подвижная часть ИМ не будет отклоняться, поскольку в этом случае закрыт диод

В преобразователях с закрытым входом (рис. 6-5, а, б) в установившемся режиме на резисторе независимо от наличия постоянной составляющей входного сигнала имеется пульсирующее напряжение изменяющееся от 0 до где — амплитуда переменной составляющей входного напряжения. Среднее значение этого напряжения практически равно Для уменьшения пульсаций выходного напряжения в таких преобразователях

устанавливается фильтр нижних частот Таким образом, показания вольтметра в этом случае определяются только амплитудным значением переменной составляющей входного напряжения их, т. е.

Особенности амплитудных преобразователей с открытым и закрытым входами следует учитывать при измерении электронными вольтметрами.

Поскольку шкала вольтметров градуируется в действующих значениях синусоидального напряжения, то при измерении напряжений другой формы необходимо делать соответствующий пересчет, если известен коэффициент амплитуды измеряемого напряжения. Амплитудное значение измеряемого напряжения несинусоидальной формы где — коэффициент амплитуды синусоиды; значение напряжения, отсчитанное по шкале прибора. Действующее значение измеряемого напряжения где — коэффициент амплитуды измеряемого напряжения.

Вольтметры среднего значения имеют преобразователи переменного напряжения в постоянное, аналогичные преобразователям, используемым в выпрямительных приборах (см. § 5-4). Такие вольтметры обычно имеют структуру, показанную на рис. 6-3, б. В этом случае на выпрямительный преобразователь подается предварительно усиленное напряжение что повышает чувствительность вольтметров и уменьшает влияние нелинейности диодов. Угол отклонения подвижной части измерительного механизма у таких вольтметров пропорционален средневыпрямленному значению измеряемого напряжения, т. е.

Шкала таких вольтметров также градуируется в действующих значениях синусоидального напряжения. При измерении напряжения несинусоидальной формы среднее значение этого напряжения а действующее — где — показание вольтметра; — коэффициент формы синусоиды; — коэффициент формы измеряемого напряжения.

Вольтметры действующего значения имеют преобразователь переменного напряжения с квадратичной статической характеристикой преобразования . В качестве такого преобразователя используют термопреобразователи, квадратирующие устройства с кусочно-линейной аппроксимацией параболы, электронные лампы и другие. При этом если вольтметр действующего значения выполнен по структурным схемам, изображенным на

Рис. 6-6. Схема электронного вольтметра действующего значения (с равномерной шкалой)

рис. 6-3, то независимо от формы кривой измеряемого напряжения отклонение указателя измерительного механизма пропорционально квадрату действующего значения измеряемого напряжения:

Как видно, такой вольтметр имеет квадратичную шкалу.

Вольтметр действующего значения с равномерной шкалой показан на рис. 6-6, где используются два квадратических преобразователя, один из которых включен в цепь отрицательной обратной связи. В качестве таких преобразователей используют термопреобразователи, для которых термо-ЭДС равны соответственно: где — токи, протекающие через нагреватели термопар; — коэффициенты, зависящие от свойств термопреобразователей. Выходной ток широкополосного усилителя переменного тока У пропорционален измеряемому напряжению: поэтому При большом коэффициенте усиления УПТ его входной сигнал -Следовательно, и отклонение указателя измерительного механизма

Таким образом, отклонение указателя измерительного механизма пропорционально действующему значению измеряемого напряжения.

В качестве примера можно привести выпускаемые промышленностью милливольтметр переменного тока с амплитудным преобразователем, имеющий верхние пределы измерений и основную погрешность в диапазоне частот милливольтметр переменного тока с выпрямительным преобразователем, имеющий верхние

Рис. 6-7. Схема (а) и временная диаграмма сигналов (б) диодно-компенсационного вольтметра

пределы и основную погрешность в диапазоне частот 20 Гц — 10 МГц; микровольтметр переменного тока с термопреобразователями в цепях прямого и обратного преобразования, имеющий верхние пределы и основную погрешность в диапазоне частот

5 Гц — 5 МГц.

Кроме рассмотренных вольтметров переменного тока, в настоящее время выпускаются диодно-компенсационные вольтметры.

Принцип действия таких вольтметров поясняется схемой рис. 6-7, а, основными элементами которой являются: диод Д; высокочувствительный магнитоэлектрический гальванометр — нуль-индикатор образцовый делитель напряжения ОДН. Основываясь на идеализированном представлении вольт-амперной характеристики диода (рис. 6-7, б) в виде ломаной линии, можно считать, что в отсутствие подаваемого на вход вольтметра напряжения их ток через диод не протекает. При подключении напряжения при через диод начинает протекать некоторый ток, вызывая отклонение указателя нуль-индикатора. Увеличивая (по модулю) компенсационное напряжение добиваются отсутствия тока через НИ. В момент, когда ток в НИ исчезает, Отсчет снимают по положению рукоятки ОДН. Высокая чувствительность НИ и высокая точность установки UK позволяют получать малые погрешности измерений (до 0,2 %).

Эти вольтметры являются наиболее точными из существующих электронных вольтметров, обладают высоким входным сопротивлением, широким частотным диапазоном (до МГц). Недостаток прибора — сложность эксплуатации.

Диодно-компенсационные вольтметры могут использоваться для точного измерения напряжения синусоидальной формы, а также для поверки и градуировки электронных вольтметров. Среди различных типов имеются вольтметры, предназначенные для измерения как периодических, так и импульсных

напряжений. Таким прибором является компенсационный вольтметр имеющий верхние пределы измерений и основную погрешность на постоянном токе на переменном токе в диапазоне частот 20 Гц

Наряду с вольтметрами приборостроительная промышленность выпускает измерительные преобразователи напряжения (переменного и постоянного) и тока (переменного и постоянного) в унифицированный сигнал постоянного тока. Принципы построения таких преобразователей во многом схожи с рассмотренными принципами построения электронных вольтметров. Отличительной особенностью преобразователей является отсутствие на выходе измерительного механизма.

Универсальные вольтметры.

Такие вольтметры предназначены для измерения напряжений постоянного и переменного токов. Обобщенная структурная схема показана на рис. 6-8, где В — переключатель. В зависимости от положения переключателя В вольтметр работает по схеме вольтметра переменного тока с преобразователем П (положение или вольтметра постоянного тока (положение 2).

В универсальных вольтметрах, называемых также комбинированными, часто предусматривается возможность измерения сопротивлений . В таких вольтметрах имеется преобразователь выходное напряжение которого зависит от неизвестного сопротивления: (см. § 6-5). На основании этой зависимости шкала прибора градуируется в единицах сопротивления. При измерении резистор с неизвестным сопротивлением подключается к входным зажимам преобразователя, а переключатель ставится в положение 3.

В качестве примера укажем универсальный вольтметр имеющий верхние пределы измерений на постоянном токе 0,3, 1—300 В, на переменном токе 1, 3—300 В, основную погрешность ±2,5 % на постоянном токе на переменном токе в диапазоне частот МГц. Кроме того, этот прибор предназначен для измерения сопротивления постоянному току в диапазоне 10 Ом — 1000 МОм с основной погрешностью, не превышающей 5 %.

Импульсные вольтметры.

Для измерения амплитуды импульсных сигналов различной формы применяют импульсные вольтметры. Особенности работы

Рис. 6-8. Структурная схема универсального вольтметра

Рис. 6-9. Компенсационная схема амплитудного преобразователя

импульсных вольтметров определяются малой длительностью измеряемых импульсов (от 10—100 не) и значительной скважностью (до 109), где Т — период следования импульсов.

Импульсные вольтметры градуируют в амплитудных значениях измеряемых импульсов.

Импульсные вольтметры могут быть выполнены по структурной схеме рис. 6-3, а, при этом используют преобразователи амплитудных значений с открытым входом, выходное напряжение которых должно быть равно амплитуде измеряемых импульсов. Большая скважность импульсов и малая их длительность предъявляют жесткие требования к преобразователям амплитудных значений. Поэтому в современных импульсных вольтметрах применяют компенсационные схемы амплитудных преобразователей (рис. 6-9). Входные импульсы заряжают конденсатор Переменная составляющая напряжения на этом конденсаторе, вызванная подзарядом его измеряемыми импульсами и разрядом между импульсами (аналогично рис. 6-4, в), усиливается усилителем У переменного тока и выпрямляется с помощью диода Постоянная времени цепи выбирается достаточно большой, поэтому напряжение на конденсаторе в промежутке между импульсами изменяется незначительно. С выхода преобразователя при помощи резистора обратной связи на конденсатор подается компенсирующее напряжение. При большом коэффициенте усиления усилителя это приводит к значительному уменьшению переменной составляющей напряжения на конденсаторе вследствие чего в установившемся режиме напряжение на этом конденсаторе практически равно амплитуде измеряемых импульсов, а выходное напряжение пропорционально этой амплитуде:

В нормативно-технической документации для импульсных вольтметров указывается диапазон допустимых значений длительности импульсов (или их частота) и скважность, при которых погрешности вольтметров находятся в пределах нормированных значений. Так, импульсный вольтметр имеет верхние пределы измерений 2,5, 10, 20 В и основную погрешность

Рис. 6-10. Спектр некоторого сигнала и амплитудно-частотная характеристика идеального полосового фильтра

при частоте следования импульсов 1 Гц — 300 МГц и скважности от 2 до 3 108.

Селективные вольтметры.

Такие вольтметры предназначены для измерения действующего значения напряжения в некоторой полосе частот или действующего значения отдельных гармонических составляющих измеряемого сигнала.

Принцип действия селективного вольтметра заключается в выделении отдельных гармонических составляющих сигнала или сигнала узкой полосы частот с помощью перестраиваемого полосового фильтра и измерении действующего значения выделенных сигналов. На рис. 6-10 сплошными вертикальными линиями показан спектр некоторого измеряемого сигнала, а штриховой линией — идеализированная амплитудно-частотная характеристика полосового фильтра, имеющего коэффициент передачи — для — для остальных частот, где — средняя частота настройки полосового фильтра, а — полоса пропускания фильтра. Частоту можно изменять в пределах, определяемых устройством селективного вольтметра. Для измеряемого сигнала со спектром, изображенным на рис. 6-10, на выходе полосового фильтра появится синусоидальный сигнал с частотой и амплитудой Следовательно, измеряя действующее значение выходного сигнала полосового фильтра, можно определить действующее значение гармонической составляющей измеряемого сигнала на частоте Изменяя частоту можно измерять действующие значения различных гармонических составляющих.

Физически реализуемый полосовой фильтр не обладает строго прямоугольной амплитудно-частотной характеристикой. Это может привести к тому, что через такой фильтр пройдут соседние гармонические составляющие с некоторым коэффициентом Кроме того, спектр измеряемого сигнала может быть таким, что через полосовой фильтр в пределах полосы пропускания Лео пройдут сразу несколько гармонических составляющих этого сигнала. В этих случаях селективный вольтметр измеряет действующее значение суммы гармонических составляющих, прошедших через фильтр, с учетом реальных коэффициентов передачи для каждой составляющей.

Упрощенная структурная схема селективного вольтметра показана на рис. 6-11. Измеряемый сигнал их через избирательный

Рис. 6-11. Структурная схема селективного вольтметра

входной усилитель ВУ подается на смеситель См, предназначенный для преобразования частотного спектра измеряемого сигнала. На выходе смесителя появляется сигнал, пропорциональный измеряемому сигналу, но с частотами спектра где — частота гармонических составляющих входного сигнала; — частота сигнала синусоидального генератора Г, называемого также гетеродином. Усилитель промежуточной частоты УПЧ настроен на некоторую фиксированную среднюю частоту Поэтому на выход УПЧ пройдет только та составляющая выходного сигнала смесителя, частота которой Этот сигнал соответствует гармонической составляющей измеряемого сигнала с частотой Действующее значение этой гармонической составляющей измеряется вольтметром действующего значения Изменяя частоту генератора можно измерять действующее значение различных гармонических составляющих сигнала их.

Функцию полосового фильтра в этой схеме выполняет УПЧ. Благодаря фиксированному (неперестраиваемому) значению частоты настройки УПЧ этот усилитель имеет большой коэффициент усиления и узкую полосу пропускания, что обеспечивает высокую чувствительность и избирательность селективного вольтметра.

Промышленностью выпускается селективный микровольтметр имеющий верхние пределы измерений , основную погрешность в диапазоне частот 20 Гц — 100 кГц.