Аналоговые электронные приборы

Электронным вольтметром называется измерительный прибор, по­казания которого вызываются током от источника питания, а измеряе­мое напряжение управляет величиной этого тока. Электронные вольт­метры имеют в своем составе усилители.

В зависимости от конструкции электронные вольтметры делятся на: универсальные, постоянного и переменного тока, и импульсные. Вольтметры переменного тока обычно строятся по двум структурным схемам (рис.5.11).

Вольтметр, схема которого приведена на (рис.5.11,.а), включает делитель напряжения ДН, преобразователь пере­менного напряжения в постоянное ПН, усилитель постоянного тока УПТ и магнитоэлектрический измерительный механизм ИМ (микроамперметр на ток полного отклонения 50-500мкА).

Рисунок 5.11 – Структурные схемы электронных вольтметров

Вольтметры данной схе­мы имеют широкий частотный диапазон (до 700-1000 МГц), но срав­нительно низкую чувствительность (наименьшее значение верхнего предела измерения 1В), что обусловлено нелинейностью вольт-амперных ха­рактеристик выпрямительных элементов.

Вольтметры с предварительным усилением входного переменного напряжения (рис.5.11,б) имеют более узкий частотный диапазон (око­ло 500 кГц), но благодаря предварительному усилению их чувствительность значительно выше – наименьший верхний предел равен 1мВ.

Электронные вольтметры в отличие от электромеханических имеют
большое входное сопротивление. Они обеспечивают измерение напряжений в высокоомных цепях без нарушения их электрических режимов.
Измерения могут проводиться в широком диапазоне частот от постоянного тока до единиц гигагерц.

Обязательным элементом измерительной цепи является преобразователь переменного напряжения в постоянное. Постоянное напряжение на выходе этих преобразователей пропорционально одному из значений измеряемого переменного напряжения: амплитудному, средневыпрямленному, среднеквадратическому. Однако независимо от вида преобразователя шкалу вольтметров переменного тока градуируют в среднеквадратических значениях напряжения синусоидальной формы, что следует учитывать при определении значения измеряемой величины.

Преобразователи напряжения ПН делятся на преобразователи амплитудного, средневыпрямленного (среднего по модулю) и действующего значения. В вольтметрах с предварительным выпрямлением (рис.5.11,а) применяются преобразователи амплитуд­ного значения (ПАЗ), а в вольтметрах по схеме (рис.5.11,б) - преобразователи среднего (ПСЗ) или действующего значения (ПДЗ).

Рассмотрим ПАЗ с открытым входом, которые обычно состоит из диода, конденсатора и сопротивления нагрузки (рис.5.12.а).

Рисунок 5.12 – Схема ПАЗ переменного напряжения

При положительной полуволне входного напряжения (диод открыт) конденсатор заряжается до напряжения, близкого к амплитудному. В отрицательный полупе­риод (диод закрыт) конденсатор разряжается через сопротив­ление нагрузки. Учитывая, что постоянная разряда значительно больше постоянной заряда τ_р > τ₃, то напряжение при его разряде будет уменьшаться незначительно, как показано на (рис.5.12,б). В результате на конденсаторе установится постоянное на­пряжение U_c = U_в, почти равное амплитуде входного напряже­ния

Шкалу вольтметра с ПАЗ градуируют в действующих значениях синусоидального напряжения с учётом коэффициента амплитуды K_а =1,41. При измерении несинусоидальных напряжений возникает погрешность, обусловленная отличием коэффициента амплитуды исследуемого напряжения от заданного.

ПСЗ широко применяются в схемах электронных вольтметров вследствие метрологических характеристик и высокой чувствительности. На (рис.5.13) приведена схема ПСЗ с мостовым выпрямителем в цепи ООС. За счёт высокого коэффициента усиления К_у операционного усилителя, ток в диагонали с ИМ поддерживается пропорционально входному переменному напряжению. Влияние нелинейности вольтамперной характеристики диодов мостовой цепи уменьшается пропорционально коэффициенту усиления усилителя.

Рисунок 5.13 – Схема ПСЗ переменного напряжения

Шкалы вольтметров с ПСЗ также градуируются в действующих значениях синусоидального напряжения, но с учётом коэффициента формы (для синусоидального напряжения K_ф = 1,11).

Одним из основных недостатков ПАЗ и ПСЗ является зависимость показаний от формы кривой входного сигнала. Этого недостатка лишены преобразователи действующего значения ПДЗ переменного напряжения.

В электротепловых ПДЗ применяют термопреобразователи, представляющие собой сочетание нагревательного элемента с термопарой. Выходная величина ПДЗ нелинейно связана с действующим значением подаваемого на них напряжения. ПДЗ включает входной усилитель А₁, два термопреобразователя ТП₁ и ТП₂ и выходной усилитель А₂ (рис.5.14).

Рисунок 5.14 – Схема ПДЗ переменного напряжения

На вход усилителя А₂ поступает разность выходных ЭДС обоих преобразователей ТП₁ и ТП₂. При этом осуществляется сравнение по действующему значению преобразуемого переменного и выходного постоянного напряжений. В установившемся режиме входное u(t) и выходное постоянное U_вых напряжения равны с высокой точностью.

Электронные вольтметры с ПДЗ имеют основную погрешность 0,5-2,5%, широкий частотный диапазон (200кГц-10МГц) и высокую чувствительность (наименьший верхний предел измере­ния - 1 мВ).

Рассматриваемые вольтметры имеют обычно широкий частотный диапазон измерений (10 Гц...1000 МГц), но не обладают высокой чув­ствительностью, т.е. с их помощью нельзя измерять малые напряжения (меньше нескольких долей вольта), так как преобразователь не обеспе­чивает выпрямление малых сигналов.

Более чувствительными являются вольтметры, выполненные по схеме, представленной на (рис.5.7).

Рисунок 5.7 - Схема аналогового электронного вольтметра переменного тока

Вольтметры этого типа использу­ют для измерения малых напряжений переменного тока от единиц ми­кровольт до единиц вольт. Это возможно благодаря предварительному усилению переменного тока. Однако создание усилителей, работающих в широком диапазоне частот и имеющих большой коэффициент усиле­ния, - трудная техническая задача, поэтому такие вольтметры имеют относительно низкий частотный диапазон (1...10 МГц).