8.3 Аналогові електронні вольтметри

При вимірюванні напруги методом безпосередньої оцінки вольтметр підключається паралельно ділянці ланцюга, що досліджується. Для зменшення методичної похибки вимірювання власне споживання вольтметра має бути мало, яке вхідний опір велике. Тому останніми роками переважно використовуються електронні вольтметри. Електронні вольтметри є поєднанням електронного перетворювача і вимірювального приладу. На відміну від вольтметрів електромеханічної групи електронні вольтметри постійного та змінного струмів мають високі вхідний опір та чутливість, широкі межі вимірювання та частотний діапазон (від 20Гц до 1000 МГц), мале споживання струму з вимірювального ланцюга.

Класифікують електронні вольтметри за низкою ознак:

• за призначенням – вольтметри постійної, змінної та імпульсної напруги; універсальні, фазочутливі, селективні;

• за способом вимірювання – прилади безпосередньої оцінки та прилади порівняння;

• за характером вимірюваного значення напруги – амплітудні (пікові), середнього квадратичного значення середньовипрямленого значення;

• за частотним діапазоном – низькочастотні, високочастотні, надвисокочастотні.

Крім того, всі електронні прилади можна розділити на дві великі групи: аналогові електронні зі стрілочним відліком та прилади дискретного типу із цифровим відліком.

Відповідно до загальноприйнятих позначень вітчизняним електронним вольтметрам присвоюється індекс В.Наприклад ВК7-16А - вольтметр комбінований (К) - може вимірювати опір; 7 - універсальний на постійний та змінний струм; 16 - номер розробки; А – модифікація. Вольтметри постійного струму мають індексаціюВ2, а вольтметри змінного струму-ВЗ.

При вимірюваннях сили струму електронним вольтметром спочатку струм перетворюється на напругу, а потім визначається за формулою: Ix = Ux / R0.

Структурні схеми аналогових вольтметрів

Спрощені структурні схеми аналогових вольтметрів представлені на рис. 8.5. В даний час аналогові електронні вольтметри постійного струму (рис. 8.5 а) знаходять обмежене застосування, так як вони за своїми технічними властивостями сильно поступаються цифровим вольтметрам постійного струму. Тому далі розглядаються лише аналогові вольтметри змінного струму.

(УПТ – підсилювач постійного струму; > – підсилювач змінного струму; МЕС – магнітоелектрична система – стрілочний прилад)

Зображена на рис. 8.5 б структурна схема використовується в вольтметрах змінного струму для вимірювання напруг значного рівня. Частотний діапазон таких вольтметрів може становити сотні мегагерців.

Щоб забезпечити необхідну точність вольтметра до підсилювачів постійного струму, які застосовуються в електронних вольтметрах, пред'являються жорсткі вимоги щодо лінійності амплітудної характеристики, сталості коефіцієнта посилення, температурного та тимчасового дрейфу нуля. При побудові електронних вольтметрів для вимірювання малої напруги ці вимоги не завжди можуть бути задоволені. Тому електронні вольтметри змінного струму для вимірювання малої напруги виконуються за схемою рис.8.5, в. Ця схема застосовується в мілівольтметрах, оскільки має велику чутливість. Останнє пов'язане з наявністю додаткового підсилювача змінного струму, проте частотний діапазон схеми нижче (до сотень кілогерц), оскільки виникають труднощі при створенні підсилювача широкосмугового.

Елементна база,використовується при створенні вольтметрів змінного струму, визначається існуючим на момент їх створення рівнем техніки, проте функціональне призначення блоків ідентичне. При цьому особливо важливу функцію неcyт перетворювачі змінної напруги в постійне (детектори). Детектори можна класифікувати за функцією перетворення вхідної напруги у вихідне: амплітудні (пікові), середнього квадратичного та середньовипрямленого значення. Тип детектора багато в чому визначає властивості приладу: вольтметри з амплітудними детекторами є високочастотними; вольтметри з детекторами середнього квадратичного значення дозволяють вимірювати напругу будь-якої форми; вольтметри середньовипрямленого значення вимірюють лише гармонійні сигнали, але є найпростішими та надійнішими.

Нижче наводяться деякі найпростіші структурні схеми детекторів. Амплітудний детектор - пристрій, напруга виході якого, тобто. на навантаженні відповідає максимальному (амплітудному) значенню вимірюваної напруги. Щоб ланцюг навантаження детектора ефективно відфільтровував постійну складову та пригнічував паразитні високочастотні гармоніки, необхідне виконання нерівності:

Е1 відкривається діод D1 і паралельно резистори r0 підключається дільник напруги R1,R 1c. В результаті крутість вольт-амперної характеристики на ділянці від Е1 до Ег зростає; сумарний струм, що протікає через міліамперметр, стане I = i0 + i1. Коли виконається умова ux(t) > Е2 відкриється діод D2 і струм міліамперметра I = i0 + i1 + i2. У разі виконання умови ux(t) > Е3 відкриється діод D3 і сумарний струм, що протікає через міліамперметр, буде I = i0 + i1 + i2 = i3.

В результаті сумарна вольт-амперна характеристика наближається формою до квадратичної кривої.Показ приладу буде пропорційним середнього квадратичного значення вхідної напруги і воно не залежить від його форми. При конструюванні приладів діючого значення виникає низку труднощів, зокрема із забезпеченням широкого частотного діапазону. Проте ці прилади є затребуваними, оскільки вони дозволяють вимірювати напругу будь-якої складної форми.

Детектор середньовипрямленого значення - пристрій, що перетворює змінну напругу в постійний пропорційний струм середньому випрямленому значенню напруги. Структура вихідного струму вимірювального приладу з детектором середньовипрямленого значення аналогічна раніше розглянутому вузлу випрямляючої системи і тому їх властивості багато в чому ідентичні (залежність від сигналу, частотні характеристики, клас точності). Аналоговий електронний вольтметр середньовипрямленого значення має більшу чутливість і менше споживання потужності від вимірювального ланцюга (за рахунок додаткового посилення), ніж прилад зі схемою випрямлення.

Інтегральні амплітудні детектори. Діодні (як і транзисторні) амплітудні детектори при малих напругах вносять у вимірюваний сигнал значні нелінійні спотворення. Тому в останні роки у вимірювальних пристроях застосовують амплітудні детектори на інтегральних мікросхемах операційних підсилювачах ОУ (рис. 8.9).

Так як детектор виконаний на схемі, що інвентирує (можливо і неінвертуюче включення), то при подачі позитивних напівхвиль напруга U2 на виході ОУ буде негативним. У цьому діод VD1 відкритий, а діод VD2 закритий. Вихід ОУ через мале пряме опір діода VD1 підключений до входу, що створює глибокий негативний зворотний зв'язок. В результаті напруга на виході ОУ дорівнює напрузіна його вході та близько до нуля. Вихідна напруга детектора теж дорівнює нулю. При подачі негативної напівхвилі напруги U2 на виході ОУ буде позитивним, тому діод VD1 закритий a VD2 - відкритий. При цьому напруга на виходах ОУ та детектора Uвих = - Uвх R2/R1.

Вище були представлені різні види перетворювачів (детекторів), які застосовуються як в електронних аналогових, так і в цифрових приладах. При виборі перетворювача слід звернути увагу на можливу методичну похибку, що виникає при несинусоїдальній формі сигналу.