Группа В2- вольтметры для измерения постоянных напряжений

Структурные схемы таких вольтметров в значительной степени зависят от диапазона измеряемых величин и поэтому их условно делят на две группы.

1. Вольтметры для измерения больших напряжений

Такие вольтметры позволяют измерять минимальное напряжение 1 В и имеют схему:

Основными элементами структурной схемы являются входное устройство ВУ, усилитель постоянного тока УПТ и индикаторное устройство ИУ магнитоэлектрической системы.

Входное устройство ВУ предназначено для расширения пределов измеряемых напряжений, фильтрации входного сигнала и обеспечения большого входного сопротивления. Обычно в его состав входят входные зажимы, делитель напряжения, предварительный усилитель и разнообразные фильтры.

К усилителям напряжения постоянного тока предъявляются такие требования, как высокая линейность амплитудной характеристики, постоянство коэффициента усиления, малый температурный и временной дрейфы нуля.

2. Вольтметры для измерения малых напряжений постоянного тока

При измерении весьма малых напряжений постоянного тока (менее 1-10мВ) возникает проблема усиления напряжения до необходимого уровня. Это связано с наличием у реальных усилителей так называемого напряжения смещения Е_см и его дрейфом. Это напряжение постоянного тока (приведенное ко входу) составляет, например, для ОУ широкого применения ±(2-50)мВ.

Рис.10.

Учитывая что входное измеряемое напряжение и Е_см являются напряжениями постоянного тока, разделение их на выходе усилителя становится невозможным. Это приводит к недопустимому росту погрешности вольтметра или к потере работоспособности.

Для решения указанной проблемы микровольтметры строятся с преобразованием напряжения на основе усилителей с отрицательной ОС (рис.10).

Измеряемое напряжение через входное устройство поступает на вход модулятора М. Модулятор М может быть построен на вибропреобразователе или на бесконтактных ключевых элементах- МДП-транзисторах. Здесь измеряемое напряжение преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов частотой f_пр внутреннего генератора.

Полученные импульсы поступают на усилитель переменного напряжения УН, состоящий из нескольких каскадов усиления с разделительными конденсаторами. В каждом каскаде происходит усиление измеряемого напряжения и собственного Е_см каскада. Однако на вход следующего каскада поступает только усиленное переменное (измеряемое) напряжение, т.к. напряжение постоянного тока, обусловленное наличием Е_см, будет отфильтровываться разделительным конденсатором. Таким образом осуществляется усиление измеряемого напряжения до требуемого уровня.

Усиленный сигнал поступает на синхронный демодулятор ДМ на МДП-транзисторах, так же управляемый внутренним генератором. Демодулятор осуществляет обратный перенос спектра входного сигнала (преобразует переменное напряжение в постоянное). При необходимости выходное напряжение демодулятора может подаваться на вход интегратора для сглаживания и дополнительного усиления.

Далее напряжение поступает на измерительное устройство ИУ и через отрицательную ОС на второй вход модулятора М, где происходит его взаимокомпенсация с U_х.

Основными достоинствами вольтметров постоянного тока с преобразованием являются их высокая чувствительность (до 10^-9В), широкий динамический диапазон (от 1нВ до 1В) и достаточно высокая точность измерения (0,5-1%).

В заключение отметим, что указанный подход реализован в отечественной интегральной микросхеме К140УД13.