Принципи роботи Електронних вольтметрів
Електронні вольтметри(В2 - постійного струму, В3 - змінного, В4 - імпульсного, В5 - фазочутливі, В6 - селективні, В7 - універсальні).
З метою підвищення чутливості та розширення діапазону вимірюваних значень напруги розроблені спеціальні прилади - електронні вольтметри. Відповідно до параметра, що вимірюється, розрізняються вольтметри амплітудного значення (пікові), середньої (постійної напруги), середньовипрямленого і діючого значень. Електронні вольтметри мають великий вхідний опір, що досягає 10 МОм, мають широкий частотний діапазон до 1-3 ГГц, здатні витримувати великі навантаження. Типові структурні схеми електронних вольтметрів наведено на рис. 2. Вхідний пристрій електронних вольтметрів складається з емітерного повторювача, найчастіше змонтованого у виносному пробнику для зменшення впливу проводів на високих частотах, і атенюатора, що є резистивним дільником напруги.
Малюнок 2 – Структурні схеми електронних вольтметрів:
а) змінної напруги; б) постійної напруги;
в) змінної та постійної напруги
Підсилювачі в електронних вольтметрах призначені для підвищення чутливості при вимірюванні малої напруги. Для підвищення стабільності коефіцієнта посилення підсилювача та зменшення нелінійних спотворень зазвичай використовується багатокаскадний підсилювач, охоплений негативним зворотним зв'язком.
Детектор вольтметра призначений для перетворення вимірюваної напруги на постійну або пульсуючу форму, що вимірюється магнітоелектричним приладом. Залежно від закону перетворення детектори поділяються на пікові (амплітудні), детектори чинного значення та детектори середньовипрямленого значення.
Малюнок 3- Схема пікового детектора та графік напруг
У піковому детекторі параметри схеми (рис. 3) підібрані так, що постійна часу заряду конденсатора τ3 = Ri.С (Ri — внутрішній опір діода) набагато менша за постійний ланцюг розряду τр= R.С, який набагато більше періоду коливань вхідної напруги: τр>Т. Внаслідок цього через кілька періодів коливань конденсатор зарядиться до напруги Uс із середнім значенням Uср, близьким до амплітудного значення Um.
Детектор чинного значення повинен мати квадратичну вольт-амперну характеристику.
Малюнок 4 - Схема квадратичного детектора зі шматково-гладкою апроксимацією ВАХ
Квадратичною ділянкою вольтамперної властивості мають багато активних елементів: лампи, транзистори, діоди; проте довжина цієї ділянки невелика. Для її збільшення застосовують шматково-гладку апроксимацію параболічної кривої на К-дільницях, кожен з яких забезпечується початковою квадратичною ділянкою даного активного елемента. На рис. 4 показано схему такого детектора. Кількість ділянок апроксимації відповідає кількості діодних ланцюжків, в яких на кожен наступний діод подається напруга зворотного зсуву (Есм), що ступінчасто збільшується, що викликає відкриття кожного з них при вхідному Uвх>Есм.
Рисунок 5 – Схема детектора середньовипрямленого значення
Детектор середньовипрямленого значення є двонапівперіодним випрямлячем, зібраним зазвичай за мостовою схемою (рис. 5). Щоб струм у цьому детекторі був пропорційний середньовипрямленого значення вимірюваної напруги, необхідно, щоб амплітуда вхідної напруги, що подається на діоди, значно перевищувала квадратичний ділянку вольт-амперноїхарактеристики діода, т. е. щоб детектування було лінійним, а чи не квадратичним. Розглянемо деякі спеціальні типи вольтметрів.
Виборчий (селективний) електронний вольтметрпризначений для вимірювання синусоїдальної напруги певної (обраної) частоти в спектрі інших частот. Принцип дії такого вольтметра заснований на виділенні напруги потрібної частоти із спектру інших частот, посиленні та подальшому вимірі напруги виділеної частоти.
Мілівольтметр В3-38Бскладається з вхідного дільника (ДН), перетворювача імпедансу (ПІ), атенюатора (А), широкосмугового підсилювача (ШУ) з детектором (Д), еммітерного повторювача (ЕП), відлікового приладу (ІП) ), блоку живлення (ШП), показаних на структурній схемі приладу (рисунок 6).
Малюнок 6 - Структурна схема В3-38Б
Вхідний дільник розташований між входом приладу та перетворювачем імпедансу. Коефіцієнт поділу 1: 316. Перемикання плечей дільника відбувається при переході з піддіапазону вимірювання 1 на піддіапазон 3 В. Для точної установки коефіцієнта поділу в його нижнє плече включений потенціометр R73.
Перетворювач імпедансу (ПІ) служить для отримання необхідного вхідного імпедансу мілівольтметра і узгодження високого опору вхідного приладу з низьким опором атенюатора.
Лінійність передавальної характеристики детектора залежить від глибини зворотний зв'язок ШУ. На частотах до 1 МГц показники фактично лінійна по всій шкалі відлікового приладу. На частоті 10 МГц через меншу глибину зворотного зв'язку нелінійність шкали в точці 1/10 становить близько 3%, а в точці 1/3 -близько 2% від встановленого піддіапазону вимірювання.