63656 (Вольтметри. Електроні вольтметри)

Вольтметри. Електронні вольтметри

Електронні вольтметри складають найбільш численну групу серед радіовимірювальних приладів. Ці вольтметри мають великий опір як на низьких, так і на високих частотах, високу чутливість, споживають малу потужність від вимірювального кола, придатні для вимірювання середніх випрямних, середніх квадратичних і максимальних значень змінних напруг та імпульсних сигналів тривалістю, починаючи з наносекунд.

Електронні вольтметри за родом вимірюваної напруги поділяють на види: В2 вольтметри постійної напруги; В3 вольтметри змінної напруги; В4 вольтметри імпульсної напруги; В6 селективні вольтметри; В7 універсальні вольтметри; В8 вимірювачі відношення напруг та їх різниці.

6.10.1. Електронні вольтметри постійної напруги

Електронні вольтметри постійної напруги дозволяють вимірювати постійні напруги від мікровольт до 1 В, а з зовнішнім подільником напруги до 300 В. Будова вольтметрів досить проста, вони містять подільник напруги (ПН), емітерний повторювач (ЕП), підсилювач постійного струму (ППС), магнітоелектричний мікроамперметр на 50...500 мкА та джерело живлення (ДЖ) (рис. 6.30). Часто на вході вольтметра вмикають фільтр нижніх частот (ФНЧ), який дозволяє ослаблювати змінну складову завади.

Рис. 6.30. Структурна схема електронного вольтметра постійного струму

Подільник напруги ПН, призначений для розширення межі вимірювань, повинен мати високий вхідний опір і стабільний коефіцієнт передачі. Підсилювач постійної напруги ППС є одним із найвідповідальніших елементів вольтметра. Від стабільності його коефіцієнта підсилення залежать метрологічні характеристики вольтметра. Крім того, на точність показів вольтметра істотно впливає дрейф нуля ППС, причинами якого є нестабільність напруги ДЖ, зміна параметрів транзисторів та інших елементів схеми. Тому в сучасних вольтметрах здебільшого використовують ППС, побудовані за схемою модулятор підсилювач змінного струму П демодулятор (рис. 6.30), дрейф нуля яких практично відсутній.

Відносна основна похибка вольтметрів залежно від рівня вимірюваної напруги знаходиться в границях 0,5...6 %. Складовою основної похибки є нестабільність коефіцієнтів передачі ПН і ФНЧ, коефіцієнта підсилення ППС, а також похибка магнітоелектричного мікроамперметра. Причинами додаткових похибок є зміна температури навколишнього середовища і коливання напруги живлення.

6.10.2. Електронні вольтметри змінної напруги

Структурно електронний вольтметр змінної напруги відрізняється від вольтметрів постійної напруги наявністю вимірювального перетворювача змінної напруги в пропорційну постійну напругу (або в пропорційний постійний струм). Залежно від місця вмикання перетворювача (до або після підсилювача) відрізняють вольтметри типу перетворювач-підсилювач і типу підсилювач-перетворювач. У першому випадку вимірювана напруга спочатку перетворюється в постійну, а потім підсилюється підсилювачем постійного струму й вимірюється магнітоелектричним приладом. У другому випадку змінна напруга підсилюється підсилювачем змінного струму, а після цього перетворюється в постійну напругу. Вольтметри типу перетворювач-підсилювач характеризуються широким частотним діапазоном від 20 Гц до 1000 МГц, але обмеженою чутливістю; вольтметри типу підсилювач-перетворювач є більш чутливими і дозволяють вимірювати напругу від 3 мкВ до 300 В, проте в дещо обмеженій смузі частот.

Перетворювач є найважливішим елементом вольтметра, який в основному визначає його метрологічні характеристики. Вихідна напруга перетворювача може бути пропорційною максимальному, середньому випрямному або середньому квадратичному значенню вхідної напруги. Згідно з цим відрізняють вольтметри максимальних (амплітудних) значень, вольтметри середніх випрямних значень та вольтметри СКЗ.

Електронні вольтметри максимальних значень виконуються за схемою перетворювач-підсилювач (рис. 6.31,а). Функції перетворювача змінної напруги в постійну виконують амплітудні детектори з відкритим входом, закритим входом та їх комбінації.

Рис. 6.31. Електронний вольтметр максимальних значень: а структурна схема; б, в принципові схеми і часові діаграми детекторів з відкритим і закритим входом відповідно

Детектор з відкритим входом (рис. 6.31,б) працює так. Конденсатор С через діод Д заряджається практично до максимального значення вхідної напруги u_вх. У моменти часу діод Д закривається і конденсатор С розряджається через резистор R. В інтервалах часу конденсатор підзаряджується до напруги . Ємність С конденсатора і опір R резистора вибирають такими, щоб стала часу кола розряджання була набагато більшою максимального періоду зміни вхідної напруги. При виконанні цієї умови за час закритого стану діода конденсатор не встигає помітно розрядитися і вихідна напруга детектора U_вих залишається практично постійною та рівною і приблизно дорівнює , тобто U_вих .

У детектора з закритим входом (рис. 6.31,в) конденсатор С заряджається майже до максимального значення: .

Вихідна напруга детектора визначається як різниця напруги на конденсаторі С та вхідного синусоїдного сигналу :

.

Отже, напруга на виході детектора є пульсуючою, тому між детектором та підсилювачем постійного струму вмикається ФНЧ , який пропускає лише сталу складову .

Вхідним елементом електронного вольтметра є подільник напруги. Коефіцієнти передачі подільника вибирають такими, щоб відношення номінальних напруг двох суміжних меж вимірювання дорівнювало , що відповідає 10 дБ. Якщо взяти напругу на мінімальній межі вимірювання 100 мВ, то для наступних меж одержимо 316 мВ; 1,0; 3,16; 10; 31,6; 100; 316 В. Звичайно межі вимірювання вибирають кратними 3 та 10. Тому довжина робочої частини шкали межі, кратної 3, дещо менша, ніж на межах, кратних 10.

Підсилювачі постійного струму вольтметрів максимальних значень не відрізняються від таких самих підсилювачів вольтметрів постійної напруги і до них ставляться ті самі вимоги. Вони повинні мати стабільний коефіцієнт підсилення та малий дрейф нуля.

Основна похибка вольтметрів максимальних значень обумовлена неточністю коефіцієнтів передачі подільника напруги, детектора, неточністю і нестабільністю коефіцієнта підсилення ППС, похибкою вихідного магнітоелектричного приладу.

Додаткові похибки обумовлені, в основному, двома причинами: зміною температури навколишнього середовища та зміною частоти вимірюваної напруги. Зміна температури викликає зміну параметрів елементів схеми, що призводить до зміни режиму роботи приладу.

Частотна похибка вольтметрів максимальних значень в області низьких і високих частот визначається різними факторами. На низьких частотах похибка виникає за рахунок значного розрядження конденсатора С детектора у ті півперіоди вимірюваної напруги, коли діод закритий.

В області високих частот на результат вимірювання впливають індуктивність і ємність підвідного кабелю та вхідна ємність вольтметра. Ці параметри утворюють коливальний контур, резонансна (власна) частота якого визначається формулою

.

При частотах вимірюваної напруги , близьких до резонансної частоти контуру, напруга на вході приладу (в кінці підвідного кабелю) може істотно перевищувати вимірювану напругу. При цьому відносна похибка вимірювання складатиме

.

Звідси випливає, що при необхідності одержати _вч повинна виконуватися нерівність .

Для зменшення частотної похибки необхідно резонансну частоту вхідного кола вольтметра зсунути в область більш високих частот так, щоб вона в 10...12 разів перевищувала верхню межу його робочого частотного діапазону. Цього можна досягти зменшенням довжини з’єднувального кабелю, а отже, й зменшенням його індуктивності та ємності . З цією метою детектор монтують у спеціальному виносному корпусі (пробнику). З останньою частиною вольтметра пробник з’єднується гнучким кабелем, в якому діє постійний струм.

При вимірюванні СКЗ змінної напруги, форма якої відрізняється від синусоїдної, треба враховувати, що результат вимірювання може бути викривленим. Це пояснюється тим, що вихідна напруга амплітудного детектора пропорційна максимальному значенню вимірюваної напруги, а шкала вихідного приладу проградуйована в СКЗ синусоїдної напруги, тобто позначки на циферблаті відповідають значенням U = , де коефіцієнт амплітуди синусоїди. Коефіцієнт амплітуди несинусоїдних напруг відрізняється від і відносна похибка визначення СКЗ напруги на шкалі приладу, що дорівнює

,

може стати значною. Так, наприклад, при вимірюванні напруги прямокутної форми, для якої , похибка складатиме мінус 29 %. Це треба мати на увазі при вимірюваннях універсальними вольтметрами виду В7, структурна схема яких наведена на рис. 6.32. Схема каналу вимірювання постійної напруги збігається зі схемою вольтметра постійної напруги, а схема каналу вимірювання змінної напруги зі схемою вольтметра змінної напруги. Залежно від вхідної напруги (постійна чи змінна) перемикач S установлюється у відповідний стан.

Рис. 6.32. Структурна схема універсального електронного вольтметра

Вольтметри забезпечують вимірювання постійних напруг у межах 30 мВ...300 В та змінних напруг у межах СКЗ 200 мВ...300 В у діапазоні частот від 20 Гц до 800...1000 МГц. Основна відносна похибка при вимірюванні постій-них напруг 2,5...4 % і при вимірюванні СКЗ змінних напруг 4...6 %.

Вольтметри середніх випрямних значень будуються за схемою підсилювач-перетворювач (рис. 6.33,а), яка містить вхідний пристрій (два подільники напруги і перетворювач імпедансу ПІ), підсилювач П і детектор середньовипрямних значень.

Детектор (або перетворювач) являє собою двопівперіодну схему випрямлення, охоплену глибоким негативним зворотним зв‘язком. Напруга зворотного зв‘язку знімається з резистора і подається на вхід підсилювача П. Завдяки зворотному зв‘язку виключається вплив діодів на коефіцієнт перетворення, покращуються характеристики підсилювача, зменшується нестабільність і нелінійність його амплітудної характеристики. В діагональ діодного мосту вмикається магнітоелектричний механізм (мікроамперметр), який реагує на середнє випрямне значення напруги U_сер.в, проте його шкалу градуюють не в середніх випрямних значеннях напруги, а в СКЗ напруги синусоїдної форми U, тобто на шкалу наносять позначки, що відповідають середнім випрямним значенням напруги, помноженим на коефіцієнт форми синусоїди : U = k_фU_сер.в. Тому при вимірюванні несинусоїдної напруги покази вольтметра не відповідають її дійсному СКЗ. Наприклад, при вимірюванні СКЗ напруги прямокутної форми, середнє квадратичне і середнє випрямне значення якої , вольтметр середніх випрямних значень покаже , тобто відносна похибка вимірювання +11 %.