Електронні вольтметри змінної напруги

1. Від вольтметрів постійної напруги вольтметр змінної напруги структурно відрізняється наявністю ВП змінної напруги в пропорційну постійну напругу (або струм). У вольтметру типу 1 вимірювана напруга спочатку перетворюється в постійну, а потім підсилюється ППС, у типу 2 – навпаки. Результати вимірюються магнітоелектричним приладом. Вольтметри типу 1 характеризуються широким частотним діапазоном (20 Гц… 1000 МГц), але обмеженою чутливістю; типу 2 є більш чутливими і дозволяють вимірювати напругу від 3 мкВ до 300 В, проте в дещо обмеженій смузі частот. Відрізняють вольтметри максимальних (амплітудних), середніх випрямних та СКЗ значень, в яких вихідна напруга перетворювача відповідно пропорційна максимальному, середньому випрямному або середньому квадратичному значенню вхідної напруги.

2. Перші виконуються за схемою перетворювач-підсилювач (рис. 6.48,а). Функції перетворювача змінної напруги в постійну виконують амплітудні детектори з відкритим входом, закритим входом та їх комбінації.

Рис. 6.48. Електронний вольтметр максимальних значень:
а - структурна схема; б, в - принципові схеми і часові діаграми
детекторів з відкритим і закритим входом відповідно

В детекторі з відкритим входом (рис. 6.48,б) конденсатор С через діод Д заряджається практично до максимального значення вхідної напруги u_вх.У моменти часу діод Д закривається і конденсатор С розряджається через резистор R. В інтервалах часу він підзаряджується до напруги . Стала часу кола розряджання набагато більша максимального періоду зміни вхідної напруги. Тому за час закритого стану діода конденсатор не встигає помітно розрядитися і вихідна напруга детектора U_вих залишається практично постійною і приблизно дорівнює .

Випадок детектору з закритим входом (рис. 6.48,в) розглядати самостійно.

Вхідним елементом електронного вольтметра є подільник напруги. Коефіцієнти передачі подільника вибирають такими, щоб відношення номінальних напруг двох суміжних меж вимірювання дорівнювало , що відповідає 10 дБ. Якщо взяти напругу на мінімальній межі вимірювання 100 мВ, то для наступних меж одержимо 316 мВ; 1,0; 3,16; 10; 31,6; 100; 316 В.

3. Структурна схема універсального вольтметру виду В7 наведена на рис. 6.49. Залежно від вхідної напруги (постійна чи змінна) перемикач S установлюється у відповідний стан.

Рис. 6.49. Структурна схема універсального електронного вольтметра

Вольтметри забезпечують вимірювання постійних напруг у межах 30 мВ...300 В та змінних напруг у межах СКЗ 200 мВ...300 В у діапазоні частот від 20 Гц до 800...1000 МГц. Основна відносна похибка при вимірюванні постійних напруг ±2,5...4 % і при вимірюванні СКЗ змінних напруг ±4...6 %.

4. Вольтметри середніх випрямних значень будуються за схемою підсилювач-перетворювач (рис. 6.50,а), яка містить вхідний пристрій (два подільники напруги і перетворювач імпедансу ПІ), підсилювач П і

детектор середньовипрямних значень.

Рис. 6.50. Вольтметр середньовипрямних значень:
а - структурна схема; б - принципова схема вхідного пристрою

Вхідний пристрій вольтметра складається з компенсованого подільника напруги , перетворювача імпедансу ПІ (підсилювача з безпосереднім зв‘язком) та атенюатора (рис. 6.50,б). Атенюатор разом з перемикачем S2 задає межі вимірювань 3, 10, 30, 100, 300, 1000 мВ. Компенсований подільник вмикається перемикачем S1 на межах вимірювання 3...300 В і здійснює ослаблення сигналу в 1000 разів.

Детектор (або перетворювач) - двопівперіодна схема випрямлення, яка охоплена негативним зворотним зв‘язком. Напруга зворотного зв‘язку знімається з резистора і подається на вхід підсилювача П, що виключає вплив діодів на коефіцієнт перетворення, покращує характеристики підсилювача, зменшує нестабільність і нелінійність його амплітудної характеристики. В діагональ діодного мосту вмикається магнітоелектричний механізм (мікроамперметр), який реагує на середнє випрямне значення напруги U_сер.в. Його шкалу градуюють в СКЗ напруги синусоїдної форми U, для якої коефіцієнт форми , тобто на шкалу наносять позначки, що відповідають U = k_фU_сер.в.

Вольтметри середніх випрямних значень, наприклад, типів В3-38, В3-39 забезпечують вимірювання СКЗ синусоїдних напруг у діапазоні частот від 20 Гц до 5...10 МГц, їх основна відносна похибка складає 2,5 % у межах вимірювання 3...1000 мВ і 4 % в інших межах вимірювання.

5. Вольтметри середніх квадратичних значеньбудуються за схемою підсилювач-перетворювач і призначаються для вимірювання СКЗ напруг довільної форми. У вольтметрах В3-40, В3-42, В3-48 і деяких інших застосовані компенсаційні схеми вмикання термоперетворювачів, які забезпечують лінійність функції перетворення і широкий частотний діапазон. Структурна схема такого вольтметра наведена на рис. 6.51, його перетворювач містить два термоперетворювачі Т1, Т2 та підсилювач постійного струму ППС за схемою модулятор-демодулятор (МДМ).

Рис. 6.51. Структурна схема термоелектричного вольтметра

Нагрівач термоперетворювача Т1 вмикається на вихід широкосмугового підсилювача ШП, а нагрівач термоперетворювача Т2 - на вихід ППС через подільник зворотного зв’язку. Термопари увімкнуті назустріч одна одній. Градуювальна характеристика (і шкала) такого вольтметра є лінійною. Наприклад, вольтметр В3-57 забезпечує вимірювання в діапазоні частот 5 Гц … 5 МГц, межі вимірювань СКЗ 30 мкВ… 300 В, основна відносна похибка ±1...6 %.

При вимірюванні СКЗ змінної напруги будь-якої форми результат вимірювання може бути викривленим, оскільки вихідна напруга амплітудного детектора пропорційна максимальному значенню вимірюваної напруги, а шкала вихідного приладу проградуйована в СКЗ синусоїдної напруги. Позначки на циферблаті відповідають значенням U = , де - коефіцієнт амплітуди синусоїди. Коефіцієнт амплітуди несинусоїдних напруг відрізняється від і відносна похибка визначення СКЗ несинусоїдної напруги на шкалі приладу дорівнює

,