8.3 Аналоговые электронные вольтметры

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.