Основные нормируемые характеристики

· Диапазон измерения напряжений

· Допустимая погрешность или класс точности

· Диапазон рабочих частот

Первым в мире вольтметром был «указатель электрической силы» русского физика Г. В. Рихмана (1745г).

Принцип действия «указателя» используется в современном электростатическом вольтметре.

Электронным вольтмет­ром называется прибор, показания которого вызываются током электронных приборов, т. е. энергией источника пи­тания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет то­ком электронных приборов, благодаря чему входное сопро­тивление электронных вольтметров достигает весьма боль­ших значений и они допускают значительные перегрузки.

Электронным вольтметром называется прибор, показания которого вызываются током электронных приборов, т. е. энергией источника питания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет током электронных приборов, благодаря чему входное сопротивление электронных вольтметров достигает весьма больших значений и они допускают значительные перегрузки.

В электронных вольтметрах конструктивно объединен в электронный преобразователь и измерительный механизм. Электронный преобразователь может быть ламповым или полупроводниковым. Измерительный механизм обычно магнитоэлектрический.

Рис.1.2 -Измерительный механизм вольтметра

Электронный вольтметр состоит из ИЦ, ИМ и ОУ. Конструктивно измерительный механизм может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной катушкой. На рис. 1.2 показана конструкция прибора с подвижной катушкой.

Постоянный магнит 1, магнитопровод с полюсными наконечниками 2 и неподвижный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма.

В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается сильное равномерное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная катушка 4, намотанная медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе (применяют и бескаркасные рамки). Катушка (рамка) может поворачиваться в зазоре на полуосях 5 и 6. Спиральные пружины 7 и 8 создают противодействующий момент и используются для подачи измеряемого тока от выходных зажимов прибора в рамку (механические и электрические соединения на рисунке не показаны). Рамка жестко соединена и со стрелкой 9. Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики 10. Проходя по проводникам обмотки рамки, ток взаимодействует с магнитным потоком постоянного магнита, что вызывает появление механических сил F, создающих вращающий момент, стремящийся повернуть рамку.

Электронные вольтметры делятся на: аналоговые и дис­кретные.

В аналоговых вольтметрах измеряемое напряже­ние преобразуется в пропорциональное значение постоян­ного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроампер­метром, шкала которого градуируется в единицах напряже­ния (вольты, милливольты, микровольты).

В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду преобразований, в результате которых аналоговая измеряе­мая величина преобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается на индикаторном устройстве в виде светящихся цифр. Аналоговые и дискретные вольтметры ча­сто называют стрелочными и цифровыми соответственно.

По роду тока электронные вольтметры делятся на вольт­метры постоянного напряжения, переменного напряжения, Универсальные и импульсные. Кроме того, имеются вольт­метры с частотно-избирательными свойствами — селектив­ные.

При разработке электронных вольтметров учитываются следующие основные технические требования: высокая чувствительность; широкие пределы измеряемого напряжения; широкий диапазон рабочих частот; большое входное сопро­тивление и малая входная емкость; малая погрешность; известная зависимость показаний от формы кривой измеря­емого напряжения. Перечисленные требования нельзя удов­летворить в одном приборе, поэтому выпускаются вольт­метры с разными структурными схемами.

Вольтметры переменного напряжения. Электронный вольтметр переменного напряжения состоит из преобразова­теля переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического индикатора. Часто на входе вольт­метра устанавливается калиброванный делитель напряже­ния. с помощью которого увеличивается верхний предел измеряемого напряжения. В зависимости от вида преобразования показание вольтметра может быть про­порционально амплитудно­му (пиковому), средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения.

Рис.1.3 Структурная схема ана­логового электронного вольтметра с амплитудным преобразователем

Однако следует иметь в виду, что шкалу любого электронного вольтметра градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряже­ния синусоидальной формы. Исключение составляют им­пульсные вольтметры, шкалу которых градуируют в ам­плитудных значениях.

Вольтметр амплитудного (пикового) значения (рис.1) состоит из амплитудного преобразователя АПр, усилителя постоянного тока УПТ и магнитоэлектрического индика­тора, градуированного в вольтах. На входе вольтметра иногда предусматривается делитель напряжения ДН. Ам­плитудный преобразователь выполняют по схеме с откры­тым или закрытым входом.

Амплитудный преобразователь с открытым входом (рис.2, а) представляет собой последовательное соеди­нение вакуумного диода Д с параллельно соединенными ре­зистором Л и конденсатором С. Если к зажимам 1—2 при­ложено напряжение u = U_m sinwt от источника с внутрен­ним сопротивлением r_i, то конденсатор через диод заря­жается до некоторого значения U_c, которое приложено к электродам диода так, что он большую часть периода закрыт, т. е. работает в режиме отсечки (рис. 2, б). В те­чение каждого периода диод открывается на некоторый промежуток времени't₁ - 't₂ тогда и>U_c и конденсатор подзаряжается импульсом тока i_Д до напряжения Uc • постоянная времени заряда: t_з = (R_i +R_Д ) С,

где R_д- сопротивление открытого диода. Затем диод закрывается и конденсатор разряжается через резистор R в течение ин­тервала t₂ - 't₁ постоянная времени разряда t_p = RC.

Постоянные времени должны отвечать следующим усло­виям: t_з < 1/f_в и t_p > I/f_н где f_в и f_н — границы частотного диапазона вольтметра. Очевидно, что t_з << t_p и R >> R_i +R_Д. В широкодиапазонных вольтметрах неравенство: t_з < 1/f_в выполнить не удается, и потому на высоких ча­стотах процесс установления длится в течение нескольких периодов измеряемого напряжения.

а) б)

Рис.2. Амплитудный преобразователь с открытым входом

Результатом амплитудного преобразования является среднее значение слабопульсирующего напряжения Uc, которое в отличие от Um называют пиковым значением U_пик : U_пик = U_mcos q

где q - угол отсечки диода.

Напряжение U_пик поступает на вход усилителя постоян­ного тока, входное сопротивление которого большое, а выходное — малое. УПТ служит для согласования выходного сопротивления преобразователя с сопротивлением индика­тора и для повышения чувствительности вольтметра.

Амплитудный преобразователь с закрытым входов (рис. 3) представляет собой последовательное соединение конденсатора постоянной емкости Сс параллельно соеди­ненными диодом Д и резистором R.

Рис. 3. Принципиальная схема амплитудного преобра­зователя

с закрытым входом

Процесс преобразова­ния переменного напряжения в постоянное U_пик аналогичен рассмотренному выше, с тем отличием, что на зажимах 3—4 име­ются значительные пульсации напряжения, для сглаживания которых предусмотрен фильтр.

Процессы преобразования пульсирующего напряжения преобразователем с открытым и закрытым входом различны и зависят от полярности подключения к входным зажи­мам /—2 постоянной составляющей пульсирующего напря­жения. Если на вход амплитудного преобразователя с от­крытым входом включено пульсирующее напряжение так, что «+» постоянной составляющей приложен к аноду| диода, то выходное напряжение U_пик»U_max=U₀+U_m+, где Uo — постоянная составляющая, аU_m+ — амплитуда положительного полупериода переменной составляющей (рис.4, а).

Если к аноду диода приложен «—» постоянной составляющей, то диод закрыт все время и преобразования нет. Если к аноду амплитудного преобразователя с закры­тым входом приложено пульсирующее напряжение, то кон­денсатор С заряжен постоянной составляющей U₀ преобразователь реагирует только на переменную составляющую. если к аноду диода приложен «+», то выходное напряже­ние U_пик» U_m+, a если «—», то U_пик» U_m- (рис. 4, б). Это полезное свойство вольтметров с закрытым входом из­мерять отдельно значения напряжения положительного или отрицательного полупериодов широко используется для определения симметричности амплитудной модуляции, на­личия ограничения сигналов и т.д. Амплитудные (пиковые вольтметры характеризуются невысокой чувствительностью (порог чувствительности »0.1В) и широкой полосой частот (до 1 ГГц).

Рис. 4. Диаграммы напряжении в амплитудных преоб­разователях: а—с открытым входом; б — с закрытым входом

Вольтметр средневыпрямленного значения (рис.6) состоит из входного делителя напряжения ДЯ, широкопо­лосного транзисторного усилителяШУ, выпрямительного преобразователя Пр и магнитоэлектрического индикатора.

Рис.5. Структурная схема универсаль­ного вольтметра

Входное сопротивление делителя напряжения высокое, и если усилитель имеет низкое входное сопротивление, то между ними ставится узел согласования — преобразователь сопротивлений (с высоким входным и низким выходным сопротивлениями). Выходное напряжение усилителя посту­пает на выпрямительный преобразователь, и через микроамперметр протекает постоянная со­ставляющая выпрямленно­го тока, пропорциональная средневыпрямленному зна­чению измеряемого напряжения.

Рис.6. Структурная схема вольтметра высокой чувствительности

Шкалу индикатора градуируют в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения.

Вольтметры, построенные по такой структурной схеме, характеризуются высокой чувствительностью (микро- и милливольты) и сравнительно узкой полосой частот изме­ряемых напряжений (1; 5; 10МГц). Обе эти характеристики определяются усилителем переменного напряжения.

Вольтметр среднеквадратического (действующего) зна­чения строится по структурной схеме рис.6.

Применя­ются преобразователи с квадратичной характеристикой, обеспечивающей измерение среднеквадратического значе­ния напряжения любой формы. К таким преобразователям относятся, в первую очередь, термоэлектрические и оптронные. На базе термоэлектрических преобразователей создан преобразователь среднеквадратического значения, работающий на двух идентичных элементах ТПр1 и ТПр2 (рис.7) и дифференциальном усилителе ДУ(микросхеме). Нагреватель первого термопреобразова­теля подключен к выходу широкополосного усилителя, т. е. в цепь измеряемого напряженияUx, а нагреватель вто­рого — к выходу дифференциального усилителя ДУ, т. е. в цепь отрицательной обратной связи. ТермоЭДС первого преобразователя Е_т1 =a_тU²_x второго — Е_т2 =a_тU²_вых, где Ux и (Uвых —среднеквадратические значения измеряе­мого и выходного напряжений соответственно.

Рис.7. Схема термоэлектрического пре­образователя среднеквадратического

зна­чения напряжения

Термопары включены встречно. Применяют диф­ференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления. Выходное напря­жение среднеквадратического преобразователя связано ли­нейной зависимостью со среднеквадратическим значением измеряемого напряжения.

Основная погрешность преобразования обусловлена не ­идентичностью параметров термопреобразователей, увели­чивающейся с их старением, и составляет 2,5—6 %.

Вольтметры постоянного напряжения. Рассмотренный выше (рис.5) универсальный вольтметр позволяет из­мерять постоянное напряжение от десятых долей вольта и выше. Для измерения меньших значений (от 0,5 мкВ) применяют высокочувствительные электронные вольтметры с преобразованием постоянного напряжения в переменное, которое после значительного усиления вновь преобразуется в постоянное и измеряется магнитоэлектрическим микро­амперметром.

Цифровые электронные вольтметры. Принцип работы вольтметров дискретного действия состоит в преобразова­нии измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код, который отображается на табло в цифровой форме. В соответствии с этим обобщен­ная структурная схема цифрового вольтметра состоит из входного устройства ВхУ, аналого-цифрового преобразователя АЦП и цифрового индикатора Ц И.

Рис.8 Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра

Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразова­нием. Принцип работы заключается в преобразовании из­меряемого напряжения Ux в пропорциональный интервал времени ДГ, измеряемый числом N заполняющих его им­пульсов со стабильной частотой следования.

Вольтметр (рис. 9) работает циклами, длительность которых Т устанавливается с помощью управляющего уст­ройства УУ и обычно равна или кратна периоду питающей сети. Для единичного измерения Ux предусмотрен ручной запуск.

Погрешность измерения возникает вследствие нелиней­ности изменения линейнопадающего напряжения, неста­бильности порога срабатывания сравнивающих устройств и возможности потери счетного импульса, т. е. погрешности дискретности. Основная погрешность составляет обычно 0,1 %. Помехоустойчивость вольтметров с время-импульс­ным преобразованием низкая, так как любая помеха вызы­вает изменение момента срабатывания сравнивающего уст­ройства. Главным достоинством этих вольтметров является их сравнительная простота.

Рис. 9. Цифровой вольтметр с время-импульс­ным преобразованием

Цифровой вольтметр с частотным преобразованием. Принцип действия заключается в преобразовании измеряе­мого напряжения в пропорциональную ему частоту следова­ния импульсов, измеряемую цифровым частотомером.

Цифровой вольтметр с двойным интегрированием. Прин­цип его работы подобен принципу времямпульсного пре­образования, с тем отличием, что здесь образуются два вре­менных интервала в течение цикла измерения, длительность которого устанавливается кратной периоду помехи. Таким образом определяется среднее значение измеряемого напря­жения, а помеха подавляется. Эти вольтметры являются более точными и помехоустойчивыми по сравнению с рас­смотренными выше, однако время измерения у них больше.

Вольтметр следящего уравновешивания работает не цик­лами, а непрерывно реагируя на изменение измеряемого напряжения: сумма образцовых напряжений принимает большее или меньшее значение в зависимости от значения измеряемого напряжения. Когда достигается равенство U_x=åU_обр. код преобразуется в показание, а состояние прибора остается неизменным до тех пор, пока не изменится значение U_x. Преимущество вольтмет­ров следящего уравновешивания заключается в уменьше­нии статической и динамической погрешности и в повыше­нии быстродействие.

В последнее время наиболее популярными считаются цифровые вольтметры и мультиметры (приборы, сочетающие в себе функции сразу нескольких устройств).