Электронные аналоговые вольтметры
В электронных вольтметрах конструктивно объединены электронный преобразователь и измерительный механизм. Электронный преобразователь может быть ламповым или полупроводниковым. Измерительный механизм обычно магнитоэлектрический. Электронные аналоговые вольтметры позволяют производить измерения в широком диапазоне напряжений и частот.
Электронные вольтметры постоянного тока выполняются по схеме, представленной на рис. 2.28. Измеряемое напряжение Uxподается на входное устройство, представляющее собой многопредельный высокоомный делитель на резисторах. С делителя напряжение поступает на усилитель постоянного тока и далее—на измерительный механизм. Делитель и усилитель постоянного тока ослабляют или усиливают напряжение до значений, необходимых для нормальной работы измерительного механизма. Одновременно усилитель обеспечивает согласование высокого сопротивления входной цепи прибора с низким сопротивлением катушки измерительного механизма. Входное сопротивление электронного вольтметра составляет обычно несколько десятков мегаом. Это позволяет производить измерения в высокоомных цепях без заметного потребления мощности от объекта измерения. Диапазон измеряемых напряжений постоянного тока—от десятков милливольт до нескольких киловольт. Для измерения малых напряжений используют микровольтметры с преобразованием постоянного тока в переменный. В таких приборах усиление измеряемого сигнала производится на переменном токе, что позволяет достичь больших значений коэффициента усиления и снизить порог чувствительности до нескольких микровольт. Рабочий диапазон электронных микровольтметров постоянного тока лежит в пределах 10 -8 —1В.
Электронные вольтметры переменного тока выполняются по двум структурным схемам, представленным на рис. 2.29. В первой из этих схем измеряемое переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное при помощи детектора, а затем усиливается усилителем постоянного тока и воздействует на измерительный механизм. Во второй схеме усиление производится на переменном токе (для этого служит усилитель переменного тока) и лишь затем предварительно усиленный сигнал выпрямляется детектором и отклоняет стрелку измерительного механизма. Эти схемы дополняют друг друга. Каждая из них обладает своими преимуществами и недостатками. По первой схеме могут строиться вольтметры, обладающие широким частотным диапазоном (10Гц—1000МГц), но обычно не способные измерять напряжения меньше нескольких десятых долей вольта: детектор выпрямляет только достаточно большие напряжения.
Вторая схема позволяет строить чувствительные вольтметры, нижний предел измерения которых составляет всего лишь единицы микровольт. Однако эти приборы имеют меньший частотный диапазон, поскольку частотный диапазон усилителя переменного тока трудно сделать достаточно большим.
Детекторы, применяемые в электронных вольтметрах, служат для выпрямления переменного тока. Они могут быть выполнены по различным схемам и подразделяются на детекторы средневыпрямленного, амплитудного и среднеквадратического значений. Это деление показывает, какому из значений (средневыпрямленному, амплитудному или среднеквадратическому) измеряемого напряжения соответствует напряжение на выходе детектора.
Детекторы средневыпрямленного значения представляют собой выпрямители на полупроводниковых диодах—такие же, как в приборах выпрямительной системы.
Амплитудные детекторы обычно содержат диод и конденсатор, который заряжается до амплитудного значения измеряемого напряжения. Для нормальной работы амплитудного детектора необходимо, чтобы сопротивление его нагрузки было велико (50—100МОм). Поэтому амплитудный детектор используют в первой из схем, представленных на рис. 2.29, где его нагрузкой является усилитель постоянного тока, обладающий высоким входным сопротивлением.
Детекторы среднеквадратического значения используют квадратичный участок вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода или диодной цепочки, в результате чего среднее значение напряжения на выходе детектора оказывается пропорциональным квадрату среднеквадратического значения измеряемого напряжения. В других схемах детекторов среднеквадратического значения напряжения применяются термопреобразователи.
По отношению к постоянной составляющей напряжения различают детекторы с открытым и закрытым входом. В первом случае постоянная составляющая наряду с переменной вносит свой вклад в результат измерения, во втором—постоянная составляющая исключается из-за наличия разделительного конденсатора на входе детектора.
В зависимости от применяемой схемы выпрямления вольтметры подразделяются на вольтметры средневыпрямленного, амплитудного и среднеквадратического значений.
Как видно из структурных схем, приведенных на рис. 2.29, в состав каждого электронного вольтметра входит усилитель постоянного или переменного тока. Одна из возможных схем усилителя постоянного тока (в упрощенном виде) представлена на рис. 2.30. Измеряемое напряжение Uxподается на сетку триода VL1 через резистор R ф , который вместе с конденсатором C ф образует фильтр, уменьшающий пульсации на сетке лампы. При короткозамкнутом входе, т.е. в отсутствие напряжения Uxпотенциалы сеток обеих ламп VL1 и VL2 равны и установка на нуль измерительного механизма вольтметра РV может быть выполнена при помощи переменного резистора R 4. Появление напряжения Uxприведет к изменению внутреннего сопротивления лампы VL1, вследствие чего нарушится баланс схемы, потенциалы анодов не будут равны и через цепь измерительного механизма потечет ток. Направление и значение этого тока зависят от знака и значения измеряемого напряжения Ux.Таким образом, шкала измерительного механизма может быть проградуирована в вольтах постоянного тока.
Усилители переменного напряжения, которые используются в электронных вольтметрах, должны иметь высокий и стабильный коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот, малые нелинейные искажения, быть нечувствительными к изменениям температуры и напряжения питания. Таким требованиям отвечают широкополосные многокаскадные усилители, стабилизированные обратной связью.
Электронные вольтметры обладают рядом ценных качеств. Они имеют большое входное сопротивление, поэтому потребляют малую мощность от цепи, в которой производятся измерения. Диапазон их рабочих частот может простираться от нуля до сотен мегагерц. Значения измеряемых напряжений лежат в области от нескольких микровольт до киловольт.
К недостаткам электронных вольтметров относятся необходимость источника питания, невысокая точность, обусловленная недостаточной стабильностью электронных элементов (резисторов, ламп, полупроводниковых диодов и триодов и т.д.). На электронные вольтметры установлены классы точности от 0,1 до 25. Обычные классы 2,5; 4,0, а на повышенных частотах 6, 10, 15.
Вольтметры средневыпрямленного значения и амплитудные вольтметры имеют также погрешности, зависящие от формы кривой тока. 11о принципу действия они реагируют на средневыпрямленное и амплитудное значения, но для удобства работы обычно градуируются в среднеквадратических (действующих) значениях напряжения. Такая градуировка может быть произведена только для определенной формы кривой тока. Обычно эта форма предполагается синусоидальной. Поэтому вольтметры средневыпрямленного и амплитудного значений дают правильные показания только при синусоидальной кривой измеряемого напряжения. Если кривая отличается от синусоиды, погрешности могут возрастать до десятков процентов.
Электронные вольтметры часто входят в состав и являются основой многопредельных комбинированных приборов, позволяющих наряду с напряжением измерять другие электрические величины, например сопротивление. Такие приборы широко используются в лабораторной практике, особенно для радиотехнических измерений.
Описанные выше электромеханические и электронные приборы являются показывающими, выполняемыми по схеме прямого действия и использующими метод непосредственной оценки (см. §1.2 и §1.4) . Они удобны в работе и имеют малое время измерения, однако обладают сравнительно большими погрешностями.
Для выполнения измерений повышенной точности применяют более сложные приборы. Они выполняются по схемам уравновешивания и используют метод сравнения. К таким приборам относятся компенсаторы (потенциометры) и измерительные мосты.