Аналоговые электронные вольтметры

Обобщенная структурная схема аналоговых электронных вольтметров (рис.7.9) содержит максимальное число блоков, некоторые из которых в зависимости от назначения вольтметра могут отсутствовать.  В электронных вольтметрах, снабженных усилительными устройствами потребление мощности из измерительной цепи ничтожно мало. К достоинствам электронных вольтметров относятся: широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20 Гц до 1000 МГц), высокая чувствительность, хорошая перегрузочная способность.

Рисунок 7.9.  

1.    Входное устройство предназначено для:

        а) ослабления сигнала в заданное число раз,  позволяющего расширить диапазон в сторону больших измеряемых напряжений;

б) обеспечения входных параметров вольтметра: входного сопротивления в пределах 1 – 10 МОм, входной емкости 1 - 30 пФ.

Усилители переменного тока служат для:

а) повышения чувствительности;

б) расширения динамического диапазона в сторону меньших измеряемых напряжений.

Для выполнения указанных задач  усилители переменного тока должны иметь заданный и высокостабильный коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот и температур, малые нелинейные искажения, малые собственные шумы и быть нечувствительными к колебаниям напряжения питания, что достигается  использованием многокаскадных усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.

3.  Усилители постоянного тока  служат для обеспечения согласования небольшого внутреннего сопротивления магнитоэлектрического измерительного механизма с большим сопротивлением нагрузки преобразователя.  К усилителям постоянного тока предъявляются жесткие требования в отношении постоянства коэффициента усиления и малого дрейфа нуля, т. е. медленного изменения выходного сигнала при отсутствии на входе информационного сигнала. Они выполняются в виде мостовых схем с отрицательной обратной связью.

4. Преобразователи служат для преобразования переменного тока в постоянный,  в качестве преобразователей служат детекторы. Детекторы можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное на следующие типы: квадратичные, линейные, амплитудные (пиковые). Тип детектора во многом определяет свойства прибора: так вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с квадратичными детекторами позволяют измерять напряжения любой формы; вольтметры с линейными детекторами пригодны только для измерения гармонического сигнала, но являются самыми простыми, надежными и дешевыми.

Аналоговые электронные вольтметры могут строиться по двум основным схемам: усилитель – преобразователь и преобразователь – усилитель. Первая из схем обладает большой чувствительностью, но частотный диапазон у таких вольтметров определяется полосой пропускания усилителя переменного тока  и составляет сотни  килогерц; вторая схема  используется в вольтметрах для измерения напряжения значительного уровня, т.к. обеспечить большое усиление с помощью усилителя постоянного тока сложно, зато частотный диапазон таких усилителей и, соответственно вольтметров,  может составлять сотни мегагерц.

Электронные вольтметры могут иметь открытый или закрытый вход по отношению к постоянной составляющей измеряемого напряжения. При закрытом входе  схема вольтметра содержит разделительный конденсатор, не пропускающий постоянную составляющую сигнала, при открытом входе такого конденсатора нет и  на блоки вольтметра поступает как переменная, так и постоянная составляющая сигнала.

Элементная база, используемая при создании вольтметров переменного напряжения, определяется существующим на момент создания вольтметров уровнем техники (от полупроводников образцов до микроинтегрального исполнения), однако функциональное назначение блоков остается неизменным.

Вольтметры  переменного тока ( типа В3 )     

Вольтметры переменного тока строятся по схеме усилитель-преобразователь. В качестве преобразователей могут использоваться квадратичные или линейные детекторы.

Если применяются квадратичные детекторы, то такие вольтметры называются вольтметрами среднеквадратических значений, их структурная схема приведена на рис. 7.10.

 u



Рисунок. 7.10.  

Квадратичный детектор  преобразует переменное напряжение в постоянное, пропорциональное, согласно формуле (7.5), квадрату среднеквадратического значения измеряемого напряжения. Значит, измерение среднеквадратического напряжения связано с выполнением трех операций: возведение в квадрат мгновенного значения  сигнала, усреднение и извлечение корня из результата усреднения (последняя операция обычно осуществляется при градуировки шкалы вольтметра). Возведение в квадрат мгновенного напряжения как правило производят с помощью полупроводникового диода, используя начальный участок вольт-амперной характеристики, описываемой квадратичной зависимостью. Однако протяженность квадратичного участка характеристики обычно невелика (не более 100 мВ), одним из методов для расширения этого участка  является метод кусочно-линейной аппроксимации. Для этого  в схему детектора включают несколько диодных ячеек и подбором напряжения смещения на диодах получают суммарную вольт-амперную характеристику, приближающуюся по форме к квадратичной кривой (рис. 7.11).

Рисунок  7.11.  

Если в вольтметрах переменного тока применяются линейные детекторы, то такие вольтметры называются вольтметрами средневыпрямленных значений, структурная схема таких вольтметров приведена на рис. 7.12.

 u



Рисунок 7.12  

В таких вольтметрах  в качестве преобразователя используется  линейный детектор,  преобразующий переменное напряжение в постоянный ток, пропорциональный средневыпрямленному значению измеряемого напряжения. Такие преобразователи выполняются по схемам двухполупериодного выпрямления и  используют линейный участок вольт-амперной характеристики полупроводникового  диода. Аналоговый вольтметр средневыпрямленных значений по сравнению с выпрямительным вольтметром имеет более высокую чувствительность и меньшее потребление мощности от измерительной цепи. Эти вольтметры откликаются на средневыпрямленное значение, градуируются в среднеквадратических значениях и имеют коэффициент градуировки  С=1.

            Импульсные вольтметры (типа В4)

Импульсные вольтметры строятся по схеме преобразователь - усилитель, в качестве преобразователя используется амплитудный детектор, напряжение на выходе которого соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого сигнала. Структурная схема импульсного вольтметра приведена на рис. 7.13.



Рисунок. 7.13 

Отличительной особенностью амплитудного (пикового) детектора является наличие элемента памяти, которым служит конденсатор, «запоминающий» пиковое значение измеряемого напряжения.

Простейшие схемы амплитудных детекторов:

а)  детектор с последовательным включением диода (детектор с открытым входом);

б) детектор с параллельным включением диода (детектор с закрытым входом).

а)                                                                           б)

Рисунок 7.14  

Амплитудный детектор осуществляет преобразование переменного сигнала в постоянный, пропорционально значению входного сигнала, поэтому такие вольтметры откликаются на максимальные значения, градуируются в максимальных значениях и имеют С=1. 

Универсальный вольтметр (типа В7)

Универсальный вольтметр   позволяет измерять как постоянный, так и переменный ток. При измерении переменного напряжения вольтметр имеет схему преобразователь - усилитель. В качестве преобразователя используется амплитудный (пиковый) детектор, напряжение на выходе которого соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого сигнала. При измерении постоянного напряжения оно через входное устройство подается на усилитель постоянного тока и обеспечивает отклонение стрелки магнитоэлектрического измерительного механизма. Структурная схема универсального вольтметра приведена на рис. 7.15.

Рисунок 7.15   4.12

Амплитудный детектор осуществляет преобразование переменного сигнала в постоянный, пропорциональный максимальному значению входного сигнала, поэтому такие вольтметры откликаются на максимальное значение сигнала, градуируются в среднеквадратических значениях. Эти параметры переменного напряжения связаны между собой в соответствии с (7.7) коэффициентом амплитуды, поэтому коэффициент градуировки универсального вольтметра равен

С =

          Характеристики рассмотренных  вольтметров приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1

В/1 – выпрямительный с однополупериодной схемой выпрямления

В/1 – выпрямительный с двухполупериодной схемой выпрямления

Для усвоения  материала курса по  разделу «Измерение тока и напряжения»  предусматривается решение задач по определению показаний вольтметров при различных формах измеряемых напряжений.

 Для определения показаний вольтметров необходимо выполнить следующие операции:

1)      Записать математическую модель измеряемого напряжения;

2)      Учесть тип входа; при закрытом входе вычислить постоянную слагаемую и убрать её из измеряемого напряжения;

3)      Найти напряжение, на которое откликается вольтметр Uотк;

4)      Найти показания вольтметра U=CUотк

Характеристики вольтметров различных систем, необходимых при решении таких задач, берутся из таблицы 7.1.

Следует отметить, что наиболее близкими измерительными приборами к вольтметрам являются псофометры и измерители уровня.

Псофометр – это электронный вольтметр среднеквадратических значений, амплитудно-частотная характеристика усилителя которого определяется характеристикой, входящего в него псофометрического фильтра. Псофометрический фильтр отражает частотную характеристику избирательности органов восприятия, и вид ее установлен на основе экспериментальных исследований и рекомендаций МККТТ. Обычно в состав прибора  входят два псофометрических фильтра – с телефонной и вещательной псофометрическими характеристиками.

          Измеритель уровня – это квадратичный вольтметр, шкала которого проградуирована в логарифмических единицах (децибелах). Специфическим для измерителя уровня является также возможность устанавливать определенные значения входного сопротивления: 600 Ом, что соответствует входному и выходному сопротивлениям канала тональной частоты, 150, 135 и 75 Ом для групповых трактов.