8.5 Техника измерения напряжения
Для измерения напряжения необходимо правильно выбрать прибор с учетом его диапазона измерения, частотного диапазона, класса точности, потребления мощности из измерительной цепи, влияния формы сигнала на ре- зультат измерения. Эти параметры указаны в технической документации на прибор. При этом следует обратить внимание на следующие важные обстоятельства. При измерении гармонических напряжений частота измеряемого сигнала должна находиться в пределах рабочего диапазона частот (желательно не у крайнего предела). Следует проверить по паспорту, не имеет ли место дополнительная частотная погрешность в измеряемой точке. При измерении сигналов сложной формы частотный диапазон должен выбираться с учетом частот высших гармоник. В этом случае правильную информацию о действующем значении сигнала отображают только электронные приборы, имеющие преобразователи среднего квадратического значения.
Если используется электронный прибор с амплитудным детектором, то по
его показаниям можно определить действующее значение только для случая, когда известен коэффициент амплитуды измеряемого сигнала.Аналогично,при измерении прибором с преобразователем средневыпрямленного значения для определения среднего квадратического значения сигнала нужно знать коэффициент его его формы К ф сигн . Тогда, с учетом формулы (5.7), получим:
U = Uпр К ф сигн / Kф ≈ Uпр К ф сигн / 1,11
Необходимо помнить, что приборы средневыпрямленного значения подчас вообще непригодны для измерения сигналов сложной формы,поскольку не обеспечивают необходимого частотного диапазона.
При измерениях на переменном токе с помощью электронных приборов необходимо иметь в виду, что основная их масса имеет «закрытый вход» для постоянной составляющей сигнала. Это обстоятельство позволяет производить измерения в электронных схемах, где уровень сигнала значительно меньше, чем постоянные напряжения режима покоя схемы. Однако при измерении импульсных сигналов приборами с амплитудными преобразователями на это следует обратить особое внимание.
С помощью временных диаграмм (рис8.17) показано, как можно оп-ределить параметры однополярных прямоугольных импульсов, амплитуда Uр , длительность 
и частота f = 1/T следования которых известны. Пусть шкала измерительного прибора отградуирована в действующих значениях синусоиды. Тогда показание прибора с амплитудным преобразователем измеряемого напряжения должно быть: Uпр = U m /1,41. Вследствие того, что прибор реагирует только на переменную составляющую сигнала, представленную на рис. 8.17 по отношению временнбй оси t ׳, показания прибора будут Uпр = U+m / 1,41 или Uпр = U-m / 1,41 в зависимости от полярности его подключения, где U+m =Uр (T – 
)/T – положительное амплитудное значение; U-m = Uр 
/T – отрицательное амплитудное значение импульса.
Формулы перевода напряжений получены из условия равенства нулю по-стоянной составляющей, т.е. площади S1 и S2 относительно временной оси t’ равны:
S1= U+m 
, S 2 = U-m (T – 
).
Для обеспечения высокой точности измерений их следует производить в точках шкалы, где измеряемая величина близка к номинальному значению, т.е. в конце шкалы. Кроме того, перед началом процесса измерений прибор следует вывести в номинальный режим, откалибровать и установить нулевое значение при закороченных входных зажимах.
Измерение шумового напряжения
Наиболее точно среднее квадратическое значение шумового напряжения можно измерить квадратичным вольтметром. Градуировка вольтметра с квадратичным детектором не зависит от формы напряжения, а следовательно, пригодна и в данном случае.
При измерении шумовых напряжений необходимо учитывать ряд специфических требований.
1. Шумовое напряжение может иметь большие выбросы, превышающие в 3…4 раза его среднее квадратическое значение. Поэтому протяженность квадратичного участка вольт-амперной характеристики детектора должна быть большой, при этом не должно быть ограничения шумового напряжения в усилителях, включенных до схемы детектора. Амплитудная характеристика входного усилителя должна быть линейной до уровня, вероятность превышения которого шумовым напряжением невелика. Обычно этот уровень выбирают равным утроенному среднему квадратическому значению напряжения.
2. Спектральная плотность шумового напряжения обычно занимает широкую полосу частот. Усилители, включенные до нелинейного устройства, не должны вносить линейных искажений.
3. При измерении показания вольтметра определяются реализацией исследуемого процесса за конечное время накопления, т.е. вольтметр измеряет среднее квадратическое значение отдельных реализаций шумового напряжения. Пусть исследуемый шум — стационарный эргодический случайный процесс и его математическое ожидание и дисперсия не зависят от времени. Показания вольтметра различны для разных реализации, т.е. имеет место ошибка измерений, обусловленная конечностью времени накопления. Разброс показаний вольтметра от одной реализации к другой тем меньше, чем больше время накопления. При этом ошибка измерений также уменьшается. Для обеспечения требуемого времени усреднения в схеме вольтметра необ-. ходимо иметь фильтр, включаемый после нелинейного элемента. Роль фильтра может выполнять подвижная часть электромеханического прибора; в электронных приборах — это ФНЧ.
Измерения импульсных и высокочастотных напряжений
Импульсные напряжения измеряют с помощью импульсных вольтметров, построенных по схеме ,представленной на Рис8.6,а.В этой схеме возможно измерение амплитуды только положительных ипульсов, для отрицательных необходимо обратное включение диода. Специальные импульсные вольтметры градуируются в амплитудных (пиковых) значениях.
При исследовании радиоимпульсов процессы в схеме вольтметра протекают так же, как и при измерении видеоимпульсов. Однако заряд конденсатора происходит только при положительных полупериодах несущей частоты, т.е. при положительной огибающей.Погрешность в этом случае может возрасти.
В случае измерения импульсных напряжений необходимо иметь в виду, что спектр частот, занимаемый импульсами, бывает широким, особенно спектр радиоимпульсов малой длительности. Составляющие спектра могут находиться в области высоких частот, на которых появляются дополнительные погрешности.
При измерении напряжений высокой частоты появляется погрешность, обусловленная влиянием следующих факторов:
• наличием входных емкостей детектора, емкостью и индуктивностью монтажа; наличие этих емкостей приводит к резонансным явлениям, при этом напряжение, приложенное к конденсатору и диоду, не равно измеряемому напряжению, как эти имеет место на низких частотах;
● инерционностью носителей заряда в активных элементах (например, транзисторах усилителей).
Для уменьшения погрешности первого вида необходимо частоту резонанса входной цепи расположить вне диапазона рабочих частот вольтметра и предельно уменьшить длину соединительных проводов. Для этого используемый в преобразователе детектор выполняют в виде отдельного выносного блока, который можно непосредственно подключать в точках, где измеряется напряжение. При этом максимально снижаются емкости и индуктивности соединительных проводников. Иногда измеряемое напряжение подается на вход вольтметра через отрезок длинной линии. Следует подчеркнуть, что резонансные, процессы во входной цепи приводят к завышению значения измеряемого напряжения.
Инерционность носителей заряда ведет к тому, что вольтметр показывает заниженное значение измеряемого напряжения, причем занижение тем больше, чем выше частота.
Погрешности за счет резонанса и инерционности носителей заряда имеют противоположные знаки, и поэтому происходит их частичная (или полная) компенсация.