Свойства аналоговых электронных вольтметров и особенности их включения

Свойства электронных вольтметров определяются схемой входа, полным входным сопротивлением, схемой и характеристикой преобразователя, зависимостью показаний прибора от формы и частоты измеряемого напряжения, диапазоном измерений, погрешностью.

Измерительные преобразователи напряжения характеризуются: полным диапазоном измерений преобразуемой величины; частотным диапазоном; основной и дополнительными погрешностями.

Погрешность обусловлена изменением неинформативных параметров, наличием методических погрешностей, нелинейностью функции преобразования, ограниченной точностью образцовых средств градуировки, воздействием дестабилизирующих факторов (температуры, неидеальности схемных элементов и др.).

Входное сопротивление вольтметра состоит из активной и реактивной составляющих. Активная составляющая входного сопротивления R_BX зависит от схемы входа, преобразователя, типа применяемого нелинейного элемента, используемого диэлектрика во входном конденсаторе, и может изменяться в широких пределах. Входная емкость электронного вольтметра С_вх образована емкостью входных элементов, токоподводящих проводников, межэлектродной емкостью входных нелинейных элементов. На высоких частотах учитывается также индуктивность L_BX токопроводящих проводников. С увеличением частоты входное сопротивление уменьшается, поскольку уменьшается сопротивление электрических потерь во входной емкости.

Эквивалентная схема входной цепи вольтметра на высоких частотах, несимметричная относительно земли, представлена на рис. 2.3. Для уменьшения частотной погрешности измерения собственная частота входной цепи вольтметра
f₀ = 1/(2π V LвхCвх) должна быть в 5—10 раз выше частоты измеряемого вольтметром напряжения. Поскольку входное сопротивление R_BX определяет мощность потребления вольтметра от объекта измерения, оно должно быть в 50—100 раз больше сопротивления участка цепи, к которому вольтметр подключается параллельно.

Рис. 6.12. Эквивалентные схемы входной цепи

Схему входной цепи вольтметра можно упростить, если диапазон частот измеряемого напряжения порядка 10—30 МГц и индуктивность L_BX не учитывается, то входное сопротивление Z_BX носит активно-емкостный характер (рис. 6.12, а); в диапазоне частот 1 —10 МГц входное сопротивление определяется преимущественно емкостным сопротивлением Z_BX=l/(jωC_вx) (рис. 6.12,6), так как оно много меньше активного сопротивления; в диапазоне частот ниже 1 МГц — активным сопротивлением Z_BX≈R_BX (рис. 6.12, е), так как R_вх<<[1/(jωС_вх)].

Для исключения погрешностей, вызванных влиянием паразитных емкостей, клеммы электронного вольтметра и объекта измерения, соединенные c корпусом, должны быть соединены вместе и заземлены.

При измерениях напряжения на частотах выше 1 МГц необходимо пользоваться пробником, снижающим частотную погрешность, вызванную L_BX и С_вх при высоких частотах, а также позволяющим осуществлять измерение непосредственно у объекта измерения.

По пределам измерения напряжений вольтметр выбирают так, чтобы нижний предел обеспечивал достаточно высокую чувствительность, а верхний — позволял по возможности обходиться без применения внешних делителей напряжения.

Шкалы большинства вольтметров независимо от типа преобразователя градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях синусоидального сигнала на частоте 50 Гц, поэтому градуировка справедлива только при измерении сигналов синусоидальной формы, за исключением вольтметра со среднеквадратическим преобразователем. Показания квадратичного вольтметра при измерении напряжения сложной формы соответствуют среднеквадратическому значению этого напряжения.

Электронные вольтметры градуируют и в относительных значениях (дБ) с использованием соотношения 20lg(U/U_o), где U — измеряемое напряжение; U_o — нулевой уровень по напряжению, равный 0,775 В на градуировочном сопротивлении 600 Ом.

По сравнению с электромеханическими вольтметрами аналоговые электронные вольтметры имеют следующие достоинства: широкий частотный диапазон измеряемого напряжения от единиц герц до тысячи мегагерц; слабую зависимость показаний от частоты измеряемого напряжения в рабочем диапазоне частот; высокую чувствительность, практически постоянную в рабочем диапазоне частот; широкий динамический диапазон от десятых долей до сотен вольт (благодаря применению усилителей и делителей напряжений); ничтожно малую мощность потребления, так как имеют большое входное сопротивление R_вх== 10-10⁵ МОм, малую входную емкость С_вх= 1-4 пФ, но в то же время развивают мощность, достаточную для приведения в действие выходного магнитоэлектрического измерителя.

К недостаткам аналоговых электронных вольтметров относят их сравнительно большую основную погрешность (2,5—4%), обусловленную влиянием смены отдельных элементов схемы на градуировку вольтметров; частотную погрешность и необходимость вспомогательных источников питания. При увеличении частоты измеряемого напряжения до единиц гигагерц основная погрешность может возрасти до 25 %.