Учебное пособие: Вольтметри. Електроні вольтметри

Вольтметри. Електронні вольтметри

Електронні вольтметри складають найбільш численну групу серед радіовимірювальних приладів. Ці вольтметри мають великий опір як на низьких, так і на високих частотах, високу чутливість, споживають малу потужність від вимірювального кола, придатні для вимірювання середніх випрямних, середніх квадратичних і максимальних значень змінних напруг та імпульсних сигналів тривалістю, починаючи з наносекунд.

Електронні вольтметри за родом вимірюваної напруги поділяють на види: В2 - вольтметри постійної напруги; В3 - вольтметри змінної напруги; В4 - вольтметри імпульсної напруги; В6 - селективні вольтметри; В7 - універсальні вольтметри; В8 - вимірювачі відношення напруг та їх різниці.

6.10.1. Електронні вольтметри постійної напруги

Електронні вольтметри постійної напруги дозволяють вимірювати постійні напруги від мікровольт до 1 В, а з зовнішнім подільником напруги - до 300 В. Будова вольтметрів досить проста, вони містять подільник напруги (ПН), емітерний повторювач (ЕП), підсилювач постійного струму (ППС), магнітоелектричний мікроамперметр на 50...500 мкА та джерело живлення (ДЖ) (рис. 6.30). Часто на вході вольтметра вмикають фільтр нижніх частот (ФНЧ), який дозволяє ослаблювати змінну складову завади.

Рис. 6.30. Структурна схема електронного вольтметра постійного струму

Подільник напруги ПН, призначений для розширення межі вимірювань, повинен мати високий вхідний опір і стабільний коефіцієнт передачі. Підсилювач постійної напруги ППС є одним із найвідповідальніших елементів вольтметра. Від стабільності його коефіцієнта підсилення залежать метрологічні характеристики вольтметра. Крім того, на точність показів вольтметра істотно впливає дрейф нуля ППС, причинами якого є нестабільність напруги ДЖ, зміна параметрів транзисторів та інших елементів схеми. Тому в сучасних вольтметрах здебільшого використовують ППС, побудовані за схемою модулятор - підсилювач змінного струму П - демодулятор (рис. 6.30), дрейф нуля яких практично відсутній.

Відносна основна похибка вольтметрів залежно від рівня вимірюваної напруги знаходиться в границях ± 0,5...6 %. Складовою основної похибки є нестабільність коефіцієнтів передачі ПН і ФНЧ, коефіцієнта підсилення ППС, а також похибка магнітоелектричного мікроамперметра. Причинами додаткових похибок є зміна температури навколишнього середовища і коливання напруги живлення.

6.10.2. Електронні вольтметри змінної напруги

Структурно електронний вольтметр змінної напруги відрізняється від вольтметрів постійної напруги наявністю вимірювального перетворювача змінної напруги в пропорційну постійну напругу (або в пропорційний постійний струм). Залежно від місця вмикання перетворювача (до або після підсилювача) відрізняють вольтметри типу перетворювач-підсилювач і типу підсилювач-перетворювач. У першому випадку вимірювана напруга спочатку перетворюється в постійну, а потім підсилюється підсилювачем постійного струму й вимірюється магнітоелектричним приладом. У другому випадку змінна напруга підсилюється підсилювачем змінного струму, а після цього перетворюється в постійну напругу. Вольтметри типу перетворювач-підсилювач характеризуються широким частотним діапазоном – від 20 Гц до 1000 МГц, але обмеженою чутливістю; вольтметри типу підсилювач-перетворювач є більш чутливими і дозволяють вимірювати напругу від 3 мкВ до 300 В, проте в дещо обмеженій смузі частот.

Перетворювач є найважливішим елементом вольтметра, який в основному визначає його метрологічні характеристики. Вихідна напруга перетворювача може бути пропорційною максимальному, середньому випрямному або середньому квадратичному значенню вхідної напруги. Згідно з цим відрізняють вольтметри максимальних (амплітудних) значень, вольтметри середніх випрямних значень та вольтметри СКЗ.

Електронні вольтметри максимальних значень виконуються за схемою перетворювач-підсилювач (рис. 6.31,а). Функції перетворювача змінної напруги в постійну виконують амплітудні детектори з відкритим входом, закритим входом та їх комбінації.

Рис. 6.31. Електронний вольтметр максимальних значень: а - структурна схема; б, в - принципові схеми і часові діаграми детекторів з відкритим і закритим входом відповідно

Детектор з відкритим входом (рис. 6.31,б) працює так. 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  конденсатор підзаряджується до напруги . Ємність С конденсатора і опір R резистора вибирають такими, щоб стала часу кола розряджання  була набагато більшою максимального періоду зміни вхідної напруги. При виконанні цієї умови за час закритого стану діода конденсатор не встигає помітно розрядитися і вихідна напруга детектора U_вих залишається практично постійною та рівною і приблизно дорівнює , тобто U_вих ».

У детектора з закритим входом (рис. 6.31,в) конденсатор С заряджається майже до максимального значення: .

Вихідна напруга детектора визначається як різниця напруги на конденсаторі С та вхідного синусоїдного сигналу :

.

Отже, напруга на виході детектора є пульсуючою, тому між детектором та підсилювачем постійного струму вмикається ФНЧ , який пропускає лише сталу складову .

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. Звичайно межі вимірювання вибирають кратними 3 та 10. Тому довжина робочої частини шкали межі, кратної 3, дещо менша, ніж на межах, кратних 10.

Підсилювачі постійного струму вольтметрів максимальних значень не відрізняються від таких самих підсилювачів вольтметрів постійної напруги і до них ставляться ті самі вимоги. Вони повинні мати стабільний коефіцієнт підсилення та малий дрейф нуля.

Основна похибка вольтметрів максимальних значень обумовлена неточністю коефіцієнтів передачі подільника напруги, детектора, неточністю і нестабільністю коефіцієнта підсилення ППС, похибкою вихідного магнітоелектричного приладу.

Додаткові похибки обумовлені, в основному, двома причинами: зміною температури навколишнього середовища та зміною частоти вимірюваної напруги. Зміна температури викликає зміну параметрів елементів схеми, що призводить до зміни режиму роботи приладу.

Частотна похибка вольтметрів максимальних значень в області низьких і високих частот визначається різними факторами. На низьких частотах похибка виникає за рахунок значного розрядження конденсатора С детектора у ті півперіоди вимірюваної напруги, коли діод закритий.

В області високих частот на результат вимірювання впливають індуктивність  і ємність  підвідного кабелю та вхідна ємність  вольтметра. Ці параметри утворюють коливальний контур, резонансна (власна) частота якого визначається формулою

.

При частотах вимірюваної напруги , близьких до резонансної частоти  контуру, напруга на вході приладу (в кінці підвідного кабелю) може істотно перевищувати вимірювану напругу. При цьому відносна похибка вимірювання складатиме

.

Звідси випливає, що при необхідності одержати d_вч  повинна виконуватися нерівність .

Для зменшення частотної похибки необхідно резонансну частоту вхідного кола вольтметра зсунути в область більш високих частот так, щоб вона в 10...12 разів перевищувала верхню межу його робочого частотного діапазону. Цього можна досягти зменшенням довжини з’єднувального кабелю, а отже, й зменшенням його індуктивності  та ємності . З цією метою детектор монтують у спеціальному виносному корпусі (пробнику). З останньою частиною вольтметра пробник з’єднується гнучким кабелем, в якому діє постійний струм.

При вимірюванні СКЗ змінної напруги, форма якої відрізняється від синусоїдної, треба враховувати, що результат вимірювання може бути викривленим. Це пояснюється тим, що вихідна напруга амплітудного детектора пропорційна максимальному значенню вимірюваної напруги, а шкала вихідного приладу проградуйована в СКЗ синусоїдної напруги, тобто позначки на циферблаті відповідають значенням U = , де  - коефіцієнт амплітуди синусоїди. Коефіцієнт амплітуди  несинусоїдних напруг відрізняється від  і відносна похибка визначення СКЗ напруги на шкалі приладу, що дорівнює

,

може стати значною. Так, наприклад, при вимірюванні напруги прямокутної форми, для якої , похибка складатиме мінус 29 %. Це треба мати на увазі при вимірюваннях універсальними вольтметрами виду В7, структурна схема яких наведена на рис. 6.32. Схема каналу вимірювання постійної напруги збігається зі схемою вольтметра постійної напруги, а схема каналу вимірювання змінної напруги - зі схемою вольтметра змінної напруги. Залежно від вхідної напруги (постійна чи змінна) перемикач S установлюється у відповідний стан.

Рис. 6.32. 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 постій-них напруг ±2,5...4 % і при вимірюванні СКЗ змінних напруг ±4...6 %.

Вольтметри середніх випрямних значень будуються за схемою підсилювач-перетворювач (рис. 6.33,а), яка містить вхідний пристрій (два подільники напруги і перетворювач імпедансу ПІ), підсилювач П і детектор середньовипрямних значень.

Детектор (або перетворювач) являє собою двопівперіодну схему випрямлення, охоплену глибоким негативним зворотним зв‘язком. Напруга зворотного зв‘язку знімається з резистора  і подається на вхід підсилювача П. Завдяки зворотному зв‘язку виключається вплив діодів на коефіцієнт перетворення, покращуються характеристики підсилювача, зменшується нестабільність і нелінійність його амплітудної характеристики. В діагональ діодного мосту вмикається магнітоелектричний механізм (мікроамперметр), який реагує на середнє випрямне значення напруги U_сер.в, проте його шкалу градуюють не в середніх випрямних значеннях напруги, а в СКЗ напруги синусоїдної форми U, тобто на шкалу наносять позначки, що відповідають середнім випрямним значенням напруги, помноженим на коефіцієнт форми синусоїди : U = k_фU_сер.в. Тому при вимірюванні несинусоїдної напруги покази вольтметра не відповідають її дійсному СКЗ. Наприклад, при вимірюванні СКЗ напруги прямокутної форми, середнє квадратичне і середнє випрямне значення якої , вольтметр середніх випрямних значень покаже , тобто відносна похибка вимірювання +11 %.

Вхідний пристрій вольтметра складається з компенсованого подільника напруги , перетворювача імпедансу ПІ (підсилювача з безпосереднім зв‘язком) та атенюатора (рис. 6.33,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.

Рис. 6.33. Вольтметр середньовипрямних значень:

а - структурна схема;  б - принципова схема вхідного пристрою

Розглянута структура вольтметра забезпечує вимірювання синусоїдних напруг, починаючи з одиниць мілівольт, дозволяє досить просто підвищити вхідний опір і зменшити вхідну ємність за рахунок введення схем глибокого місцевого негативного зворотного зв‘язку.

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, вхідний опір не менше 4...5 МОм.

Вольтметри середніх квадратичних значень будуються за схемою підсилювач-перетворювач і призначаються для вимірювання СКЗ напруг довільної форми. Перетворювачі змінної напруги в постійну (або в постійний струм) цих вольтметрів мають квадратичну характеристику. У вимірювальній техніці здебільшого використовують термоелектричні перетворювачі.

ретворювачаТ1 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, тобто його покази пропорційні CКЗ вхідної напруги U_x.

Для прикладу наведемо технічні характеристики вольтметра В3-57: він забезпечує вимірювання в діапазоні частот від 5 Гц до 5 МГц, його найменша і найбільша межі вимірювань СКЗ 30 мкВ і 300 В, основна відносна похибка ±1...6 %.

6.10.3. Селективні вольтметри

Селективні вольтметри призначаються для вимірювання дуже малих значень синусоїдних напруг і гармонічних складових несинусоїдних сигналів у присутності завад в електричних колах для дослідження спектральної щільності потужності шумових сигналів тощо. Селективні мікровольтметри виконуються за схемою прямого перетворення, їх поділяють на низькочастотні та високочастотні.

Низькочастотний селективний мікровольтметр являє собою калібрований приймач прямого підсилення з двома широкосмуговими підсилювачами ШП1, ШП2, селективним підсилювачем СП і підсилювачем змінного струму П (рис. 6.35,а). Настроювання в межах кожного піддіапазона на частоту вимірюваної гармоніки виконується вручну здвоєним потенціометром R₁ (грубо) і потенціометром R₂ (точно). Про настроювання на потрібну частоту судять за максимальним показом вихідного магнітоелектричного вольтметра V. Вибір піддіапазону здійснюють перемиканням здвоєних регульованих конденсаторів C. Основна відносна похибка низькочастотних селективних мікровольтметрів складає від  % до ±10...15 %.

Високочастотний селективний мікровольтметр (рис. 6.35,б) являє собою супергетеродинний приймач з подвійним (інколи і потрійним) перетворенням частоти. Наприклад, в одному з селективних мікровольтметрів перша проміжна частота, одержана за допомогою змішувача Зм.1, гетеродина Г1 з плавним перестроюванням частоти від 41 до 70 МГц та підсилювача проміжної частоти ППЧ 1, складає 40 МГц, а друга проміжна частота, одержана за допомогою змішувача Зм.2, гетеродина Г2 з фіксованою частотою 38,4 МГц та підсилювача проміжної частоти ППЧ 2, дорівнює 1,6 МГц. Такий мікровольтметр забезпечує вимірювання гармонік вхідної напруги в межах частот від 1 до 30 МГц.

Рис. 6.35. Структурні схеми селективних вольтметрів:

 а - низькочастотного;  б - високочастотного

За наявності двох і більше проміжних частот вдається створити вузькосмугові підсилювачі проміжної частоти з великим і досить стабільним коефіцієнтом підсилення, значною мірою зменшити частотну похибку селективного вольтметра в робочому діапазоні його частот. Основна відносна похибка високочастотних мікровольтметрів досягає 10...15 %.

Головними причинами основної похибки селективних мікровольтметрів є неточність настроювання підсилювачів проміжної частоти, нелінійність перетворення вимірюваної напруги в напругу проміжної частоти, нестабільність коефіцієнта підсилення вузькосмугових підсилювачів, нестабільність рівня напруги гетеродинів і електричних шумів, джерелом яких є сам мікровольтметр, а також досліджуваний об‘єкт. Причини додаткових похибок селективних мікровольтметрів аналогічні причинам їх виникнення у широкосмугових мілівольтметрах В3.

6.10.4. Імпульсні вольтметри

Імпульсні вольтметри призначаються для вимірювання максимальних значень періодичних відео- і радіоімпульсів. Широко використовуються діодно-конденсаторні та автокомпенсаційні вольтметри імпульсної напруги.

Діодно-конденсаторні вольтметри виконуються за схемою перетворювач-підсилювач і відрізняються від вольтметрів змінної напруги тим, що їх шкали градуюються не в СКЗ, а в максимальних значеннях вимірюваної напруги. Точність показів вольтметрів цього типу значною мірою залежить від шпаруватості імпульсної напруги , де  - період імпульсів;  - тривалість імпульсів. Це пояснюється тим, що вихідна напруга амплітудного детектора з закритим входом, який використовується як перетворювач імпульсної напруги в постійну, пропорційна не амплітуді , а величині , де  - постійна складова (середнє значення) імпульсної напруги. Чим більша шпаруватість, тим менша постійна складова , тим ближче значення  до амплітуди  і тим точніше результат вимірювання. Відносна методична похибка вимірювання може бути оцінена за формулою

.

Наприклад, якщо , то , а якщо , то . Ця похибка систематична для відомого значення Q і може бути скорегована введенням відповідної поправки.

Імпульсні вольтметри за схемою перетворювач-підсилювач у теперішній час не випускаються, проте сам спосіб перетворення імпульсної напруги в постійну використовується в різних вимірювальних пристроях.

На рис. 6.36 наведена схема автокомпенсаційного імпульсного вольтметра зі статичним перетворювачем. Вольтметр містить у собі емітерний повторювач ЕП, змонтований у виносному пробнику, подільник напруги, відеопідсилювач П1, статичний автокомпенсаційний перетворювач, вихідний диференціальний автокомпенсаційний підсилювач ДП та магнітоелектричний вольтметр V. Вимірюваний сигнал  через емітерний повторювач ЕП, призначений для узгодження високого вхідного опору з низькоомним опором подільника напруги, та відеопідсилювач П1 подається на вхід статичного автокомпенсаційного перетворювача.

У процесі надходження вимірюваних імпульсів конденсатор C₁ заряджається, а в інтервалі між двома сусідніми імпульсами повільно розряджається через резистор R₁, створюючи на вході підсилювача П2 розширені імпульси. Ці імпульси підсилюються, детектуються, згладжуються фільтром  і через резистор зворотного зв‘язку  надходять на катод діода Д1 як компенсуюча напруга. В усталеному режимі, як тільки компенсуюча постійна напруга, сформована на конденсаторі , досягне рівня амплітуди імпульсної напруги, діод Д1 закривається і надходження імпульсів на автокомпенсаційний перетворювач припиняється. Крім того, компенсаційна напруга підсилюється диференціальним підсилювачем ДП і вимірюється магнітоелектричним вольтметром.

Рис. 6.36. Структурна схема імпульсного вольтметра з статичним автокомпенсаційним перетворювачем

Сучасні автокомпенсаційні імпульсні вольтметри дозволяють вимірювати відео- та радіоімпульсні сигнали від 3 мВ до 1000 мВ, а вольтметри з зовнішнім подільником - до 100 В тривалістю від 3 нс до 100 мкс. Основна відносна похибка вимірювання максимальних значень імпульсних напруг складає ±4...5 %.