8.3 Аналоговые электронные вольтметры
При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно участку исследуемой цепи. Для уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление велико. Поэтому в последние годы в основном используются электронные вольтметры. Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерительного прибора. В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное сопротивление и чувствительность, широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20Гц до 1000 МГц),малое потребление тока из измерительной цепи.
Классифицируют электронные вольтметры по ряду признаков:
• по назначению – вольтметры постоянного, переменного и импульсного напряжений; универсальные, фазочувствительные, селективные;
• по способу измерения — приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;
• по характеру измеряемого значения напряжения — амплитудные (пиковые), среднего квадратического значения средневыпрямленного значения;
• по частотному диапазону — низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные.
Кроме того, все электронные приборы можно разделить на две большие группы: аналоговые электронные со стрелочным отсчетом и приборы дискретного типа с цифровым отсчетом.
В соответствии с общепринятыми обозначениями отечественным электронным вольтметрам присваивается индекс В.Например ВК7-16А — вольтметр комбинированный (К) —может измерять сопротивление; 7 — универсальный на постоянный и переменный ток; 16 — номер разработки; А — модификация. Вольтметры постоянного тока имеют индексацию В2, а вольтметры переменного тока-—ВЗ.
При измерениях силы тока электронным вольтметром, вначале ток преобразуется в напряжение, а затем определяется по формуле: Ix = Ux /R0.
Структурные схемы аналоговых вольтметров
Упрощенные структурные схемы аналоговых вольтметров представлены на рис. 8.5. В настоящее время аналоговые электронные вольтметры постоянного тока (рис. 8.5, а) находят ограниченное применение, так как они по своим техническим свойствам сильно уступают цифровым вольтметрам постоянного тока. Поэтому дальше рассматриваются только аналоговые вольтметры переменного тока.
(УПТ – усилитель постоянного тока; > – усилитель переменного тока;МЭС – магнитоэлектрическая система – стрелочный прибор)
Изображенная на рис. 8.5, б структурная схема используется в вольтметрах переменного тока для измерения напряжений значительного уровня. Частотный диапазон таких вольтметров может составлять сотни мегагерц.
Чтобы обеспечить необходимую точность вольтметра к усилителям постоянного тока, применяемым в электронных вольтметрах, предъявляются жесткие требования в отношении линейности амплитудной характеристики, постоянства коэффициента усиления, температурного и временного дрейфа нуля. При построении электронных вольтметров для измерения малых напряжений эти требования не всегда могут быть удовлетворены. Поэтому электронные вольтметры переменного тока для измерения малых напряжений выполняются по схеме рис.8.5, в. Эта схема применяется в милливольтметрах, поскольку обладает большой чувствительностью. Последнее связано с наличием дополнительного усилителя переменного тока, однако частотный диапазон схемы ниже (до сотен килогерц), так как возникают трудности при создании широкополосного усилителя.
Элементная база, используемая при создании вольтметров переменного тока, определяется существующим на момент их создания уровнем техники, однако функциональное назначение блоков идентично. При этом особенно важную функцию неcyт преобразователи переменного напряжения в постоянное (детекторы). Детекторы можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное: амплитудные (пиковые), среднего квадратического и средневыпрямленного значения. Тип детектора во многом определяет свойства прибора: вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с детекторами среднего квадратического значения позволяют измерять, напряжение любой формы; вольтметры средневыпрямленного значения измеряют только гармонические сигналы, но являются самыми простыми и надежными.
Ниже приводятся некоторые простейшие структурные схемы детекторов. Амплитудный детектор — устройство, напряжение на выходе которого, т.е. на нагрузке, соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого напряжения. Чтобы цепь нагрузки детектора эффективно отфильтровывала постоянную составляющую и подавляла паразитные высокочастотные гармоники, необходимо выполнение неравенства:
<<Rн
где Сн — емкость фильтра; Rн — сопротивление нагрузки детектора.
Еще одно условие эффективной работы детектора – сопротивление резистора Rндолжно быть значительно больше сопротивления диода в его прямой проводимости, что практически всегда выполняется.
На рис.8.6 изображены принципиальная и эквивалентная схемы и временные диаграммы амплитудного детектора с параллельным включением диода (детектор с закрытым входом).
Рассмотрим работу детектора (рис. 8.6, а) при подаче на его вход гармонического напряжения Ux{t) = UmSinωt.
На интервалах времени, когда на вход детектора поступает положительная полуволна, конденсатор С заряжается через диод, сопротивление R0 которого в открытом состоянии мало. Постоянная времени заряда R0C невелика и заряд конденсатора до максимального значения Um происходит быстро. На интервале действия отрицательной полуволны диод закрыт и конденсатор С медленно разряжается на сопротивлении нагрузки Rн, так как оно выбирается достаточно большим (50… 100 МОм). Итак, постоянная разряда
R0C оказывается значительно больше периода Т= 2
входного переменного напряжения. В результате конденсатор останется заряженным до напряжения, близкого к Uc= Um= Uвых. Упрощенная эквивалентная схема амплитудного детектора и временные диаграммы, поясняющие его работу, представлены на рис.8.6, б, в.
в)
Рис. 8.6 Детектор среднего квадратического значения: а – диодная ячейка,б – идеализированная характеристика,в – схема квадратичного детектора.
Изменение напряжения на сопротивлении нагрузки Rн определяется разностью амплитуды входного напряжения Ux и напряжения на конденсаторе Uc т.е. ur = Ux – Uc . Таким образом, выходное напряжение ur будет пульсирующим с удвоенной амплитудой измеряемого напряжения, как это показано на рис. 8.6, в. Это подтверждают простые математические выкладки:
U= UM sin ωt – Uc Um sin ωt – Um,
при sin ωt = 1 ur = 0; при sin ωt = 0 ur = -Um, при sin ωt = – 1 ur=- 2Um.
Для выделения постоянной составляющей сигнала U= = – Uc на выходе детектора ставится емкостной фильтр, подавляющий остальные гармоники.
Нетрудно заметить, что чем меньше период исследуемого сигнала (чем выше частота), тем точнее выполняется равенство Uc = Um. Этим объясняются высокочастотные свойства детектора.
Одним из достоинств аналоговых вольтметров с амплитудным детектором является независимость показаний прибора от формы сигнала. Обычно шкала амплитудных вольтметров градуируется в средних квадратических значениях синусоидального напряжения, т.е. показания прибора: Uпр =- Um/Kа
Детектор среднего квадратического значения — преобразователь переменного напряжения в постоянное, пропорциональное корню квадратному из среднего квадрата мгновенного значения напряжения. Значит, измерение действующего напряжения связано с выполнением трех последовательных операций: возведение в квадрат мгновенного значения сигнала, усреднение и извлечение корня из результата усреднения (последняя операция обычно осуществляется при градуировке шкалы вольтметра). Возведение в квадрат мгновенного значения, как правило, производят ячейкой с полупроводниковым элементом путем использования квадратичного участка его характеристики; иногда этот участок создается искусственно.
На рис. 8.7, а представлена диодная ячейка D1R1c, в которой постоянное напряжение Е1 приложено к диоду D1, таким образом, что он оказывается закрытым до тех пор, пока измеряемое напряжение u(t) на резисторе R1 не превысит величины Е1.
Рис. 8.7. Детектор среднего квадратического значения:
а — диодная ячейка; б — идеализированная характеристика;
в — схема квадратичного детектора
Следует иметь в виду, что начальный квадратичный участок вольт-амперной характеристики полупроводникового диода имеет, как правило, малую протяженность (рис. 8.7, б), поэтому эту часть удлиняют искусственно, по методу кусочно-линейной аппроксимации, для этого в схеме детектора используют несколько идентичных диодных ячеек (рис. 8.7, в), аналогичных показанной на рис. 8.7,а. Линейный участок обобщенной вольт-амперной характеристики при этом увеличивается.
На рис. 8.8 показано, как получается в этом случае квадратичная характеристика при последовательном включении цепочек резисторов R1c, R2c,R3c с диодами D1,D2,D3. Диод D1 первоначально закрыт напряжением E1, затем, по мере роста напряжения Ux(t), он открывается и начальный линейный участок его идеализированной характеристики увеличивается.
Рис.8.8.Аппроксимация квадратичной вольт-амперной характеристики.
В схеме, представленной на рис. 8.7, в, первоначально диоды D1,D2,D3, закрыты соответствующими напряжениями смещения Е1 Е2, E3,и при малом входном напряжении Ux(t) ток через миллиамперметр равен i0. Когда входное напряжение ux(t) > Е1 открывается диод D1 и параллельно резистору r0 подключается делитель напряжения R1,R 1c. В результате крутизна вольт-амперной характеристики на участке от Е1 до Ег возрастает; суммарный ток, протекающий через миллиамперметр, станет I=i0 + i1 . Когда выполнится условие ux(t) > Е2, откроется диод D2 и ток миллиамперметра I
=i0 + i1 + i2. При выполнении условия ux(t) > Е3 , откроется диод D3 и суммарный ток, протекающий через миллиамперметр, будет I
=i0 + i1 + i2 = i3 .
В результате суммарная вольт-амперная характеристика приближается по форме к квадратичной кривой. Показание прибора будет пропорциональным среднему квадратическому значению входного напряжения и оно не зависит от его формы. При конструировании приборов действующего значения возникает целый ряд трудностей, в том числе и с обеспечением широкого частотного диапазона. Тем не менее эти приборы являются самыми востребованными, так как они позволяют измерять напряжение любой сложной формы.
Детектор средневыпрямленного значения – устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянный ток пропорциональный средневыпрямленному значению напряжения. Структура выходного тока измерительного прибора с детектором средневыпрямленного значения аналогична ранее рассмотренному узлу выпрямительной системы и поэтому их свойства во многом идентичны (зависимость от формы сигнала, частотные характеристики, класс точности). Аналоговый электронный вольтметр средневыпрямленного значения имеет более высокую чувствительность и меньшее потребление мощности от измерительной цепи (за счёт дополнительного усиления),чем прибор со схемой выпрямления.
Интегральные амплитудные детекторы. Диодные (как и транзис- торные) амплитудные детекторы при малых напряжениях вносят в измеряемый сигнал значительные нелинейные искажения. Поэтому в последние годы в измерительных устройствах применяют амплитудные детекторы на интегральных микросхемах — операционных усилителях — ОУ (рис. 8.9).
Так как детектор выполнен на инвентирующей схеме (возможно и неинвертирующее включение),то при подаче положительных полуволн напряжение U2 на выходе ОУ будет отрицательным. При этом диод VD1 открыт, а диод VD2 закрыт. Выход ОУ через малое прямое сопротивление диода VD1 подключен ко входу, что создает глубокую отрицательную обратную связь. В результате напряжение на выходе ОУ равно напряжению на его входе и близко к нулю. Выходное напряжение детектора тоже равно нулю. При подаче отрицательной полуволны напряжения U2 на выходе ОУ будет положительным, поэтому диод VD1 закрыт, a VD2 — открыт. При этом напряжение на выходах ОУ и детектора Uвых = – Uвх R2/R1.
Выше были представлены различные виды преобразователей (детекторов), применяемых как в электронных аналоговых, так и в цифровых приборах. При выборе преобразователя следует обратить внимание на возможную методическую погрешность, возникающую при несинусоидальной форме сигнала.