Лекция 15. Аналоговые электронные вольтметры

Напряжение в радиоэлектронной технике практически всегда измеряют электронными вольтметрами. В электронных вольтметрах, снабженных усилительными устройствами, потребление мощности из измерительной цепиничтожно мало. К достоинствам электронных вольтметров относятся: широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20 Гц до 1000 МГц), высокая чувствительность, хорошая перегрузочная способность, малое собственное потребление энергии.

Классифицировать электронные вольтметры можно по некоторым признакам:

Ø по назначению — вольтметры постоянного, переменного напряжений, синусоидального и импульсного напряжений; фазочуствительные, селективные, универсальные;

Ø способу измерения — приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

Ø характеру измеряемого значения напряжения — амплитудные (пиковые), среднеквадратичного значения, средневыпрямленного значения;

Ø частотному диапазону — низко-, высокочастотные, сверхвысокочастотные.

Кроме того, все электронные приборы можно разделить на две большие группы: аналоговые со стрелочным отсчетом и приборы дискретного типа с цифровым отсчетом (см. подраздел. 8.4).

При необходимости измерения силы тока электронным вольтметром ток преобразуется в напряжение по формуле

I_xR ₀ = U_x.

Аналоговые вольтметры со стрелочным отсчетом. Упрощенные структурные схемы аналоговых вольтметров представлены на (рис. 8.10). В настоящее время аналоговые электронные вольтметры постоянного тока (см. рис. 8.10 а) находят ограниченное применение, так как они по своим техническим свойствам заметно уступают цифровым вольтметрам постоянного тока и практически вытесняются последними.

Изображенная на (рис. 8.10 б) структурная схема используется в вольтметрах для измерения переменных напряжений значительного уровня, так как обеспечить большое усилие с помощью усилителя постоянного тока сложно. Зато частотный диапазон таких усилителей может составлять сотни мегагерц. Структурная схема, представленная на (рис. 8.10 в), применяется в милливольтметрах, поскольку обладает большей чувствительностью. Последнее связано с наличием дополнительного усилителя, однако частотный диапазон такой схемы ниже (до сотен килогерц), так как возникают трудности при создании широкополосного усилителя переменного тока.

Детекторы. Элементная база, используемая при создании вольтметров переменного тока, определяется существующим на момент создания вольтметра уровнем техники (от полупроводниковых образцов до микроинтегрального исполнения), однако функциональное назначение блоков идентично. При этом особенно важную функцию выполняют преобразователи переменного напряжения в постоянное (детекторы).

Детекторы можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное на следующие типы: амплитудные (пиковые), среднеквадратичного и средневыпрямленного значения. Тип детектора во многом определяет свойства прибора. Так, вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с детекторами среднеквадратичного значения позволяют измерять напряжение любой формы; вольтметры средневыпрямленного значения пригодны только для измерения гармонического сигнала, но являются самыми простыми, надежными и дешевыми.

Амплитудный (пиковый) детектор — это устройство, напряжение на выходе которого, т.е. на нагрузке, соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого сигнала. Это осуществляется за счет запоминания напряжения (накопления энергии при протекании тока через диод) на конденсаторе. Чтобы цепь реальной нагрузки любого детектора эффективно отфильтровывала полезный сигнал (постоянную составляющую) и подавляла паразитные высокочастотные гармоники, необходимо выполнение следующего неравенства:

1 /ω C _н << R _н,

где C _н — емкость выходного фильтра; R _н — сопротивление нагрузки детектора.

Еще одно условие работы детектора: сопротивление резистора нагрузки R _н должно быть значительно больше сопротивления диода в направлении его прямой проводимости.

Принципиальная и эквивалентная схемы, а также временные диаграммы амплитудного детектора с параллельным включением диода (детектор с закрытым входом) изображены на (рис. 8.11).

Рассмотрим работу детектора с закрытым входом (см. рис. 8.11 а) при подаче на него простейшего гармонического напряжения:

u_x = U_m sinω t.

В моменты времени, когда на вход поступает положительная полуволна, конденсатор Cзаряжаетсячерез диод, сопротивление которого в открытом состоянии R ₀ мало (R ₀ << R _н). Постоянная времени заряда τ_з = R ₀ C мала, и заряд конденсатора до максимального значения U_m происходит быстро. За время отрицательной полуволны конденсатор Cразряжается, так как сопротивление нагрузки выбирается достаточно большим (50...1000 МОм). Таким образом, постоянная разряда τ_p = RC оказывается значительно больше периодаT = 2 π/ω переменного напряжения. В результате конденсатор остается заряженным до напряжения, близкого к U_C = U_m = C _вых. Упрощенная эквивалентная схема амплитудного детектора и временные диаграммы, поясняющие его работу, представлены на (рис. 8.11 б, в).

Изменение напряжения на нагрузочном сопротивлении R _н определяется разностью амплитуды входного напряжения U_x на конденсаторе C: U_R = U_x ‒ U_C. Таким образом, выходное напряжение U_R будет пульсирующим с удвоенной амплитудой измеряемого напряжения, как это показано на (рис. 3.11 в). Это подтверждается и простыми математическими выкладками:

U = U_m sinω t ‒ U_C ≈ U_m sinω t ‒ U_m.

При sinω t = 1 U_R = 0; при sinω t = 0 U_R = ‒ U_m; при sinω t = ‒1 U_R = ‒2 U_m.

Для выделения постоянной составляющей сигнала U ₌ = ‒ U_C на выходе детектора ставится емкостной фильтр, подавляющий все остальные гармоники тока.

Из изложенного следует, что чем меньше период исследуемого сигнала (чем выше частота), тем точнее выполняется равенствоU_C = U_m. Этим объясняются высокочастотные свойства детектора. Эти приборы чаще всего градуируются в среднеквадратичных значениях синусоидального сигнала, т.е. показания прибора U _пр равны амплитудному значению, деленному на коэффициент амплитуды синусоиды:

U _пр = U_m / K ₀.

Детектор среднеквадратичного значения — это преобразователь переменного напряжения в постоянное, пропорциональное квадрату действующего значения измеряемого напряжения. Значит, измерение действующего напряжения связано с выполнением трех операций: возведение в квадрат мгновенного значения сигнала, усреднение и извлечение корня из результата усреднения. Возведение в квадрат мгновенного значения, как правило, производится ячейкой с полупроводниковым элементом путем использования квадратичного участка его характеристики; иногда этот участок создается искусственно. Диодная ячейка VD 1— R _{1 C}, в которой постоянное напряжение E ₁ приложено к диоду VD 1 таким образом, что он оказывается запертым до тех пор, пока измеряемое напряжение u_x (t) на резисторе R 1 не превысит величины E ₁, представлена на (рис. 8.12 а).

Следует иметь в виду, что начальный участок вольт-амперной характеристики полупроводникового диода имеет, как правило, малую протяженность (рис. 8.12 б), поэтому квадратичную часть удлиняют искусственно, методом кусочно - линейной аппроксимации. Для этого в схеме детектора используют несколько диодных ячеек (рис. 8.12 в).

На (рис. 8.13) показано, как получается в этом случае квадратичная характеристика при последовательном включении цепочек резисторов R _{1 C}, R _{2 C}, R _{3 C} с диодами VD 1, VD 2, VD 3. Диод VD 1 первоначально закрыт напряжением E ₁, затем, по мере роста напряжения u_x (t), он отпирается, и начальный участок его идеализированной характеристики увеличивается.

В схеме, представленной на (рис. 8.12 в), первоначально диоды VD 1, VD 2, VD 3 закрыты напряжениями смещения E ₁, E ₂, E ₃, и при малых сигналах u_x (t) ток через миллиамперметр равен i ₀. Затем последовательно все эти диоды открываются, суммарный ток через миллиамперметр возрастает. В результате суммарная вольт-амперная характеристика приближается по форме к квадратичной кривой.

Эти приборы являются самыми востребованными, так как они позволяют измерять напряжение любой сложной формы.

Преобразователь средневыпрямленного значения — это устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянный ток, пропорциональный средневыпрямленному значению напряжения. Структура выходного тока измерительного прибора с детектором средневыпрямленного значения аналогична ранее рассмотренному узлу выпрямительной системы, и поэтому их свойства во многом идентичны (зависимость от формы сигнала, частотные характеристики, класс точности). Аналоговый электронный вольтметр средневыпрямленного значения имеет более высокую чувствительность и меньшее потребление мощности от измерительной цепи (за счет дополнительного усиления), чем прибор со схемой выпрямления.

Диодные (как и транзисторные) амплитудные детекторы при малых напряжениях вносят в измеряемый сигнал значительные нелинейные искажения, поэтому в последние годы в измерительных устройствах стали применять амплитудные детекторы на интегральных микросхемах — операционных усилителях (рис. 8.14).

Так как детектор выполнен по инвертирующей схеме (возможно и неинвертирующее включение), то при подаче положительных полуволн напряжение u ₂ на выходе ОУ будет отрицательным. При этом диод VD 1 открыт, а диод VD 2 закрыт. Выход ОУ через малое прямое сопротивление диода VD 1 подключен к входу, что создает глубокую отрицательную обратную связь. В результате напряжение на выходе ОУ равно напряжению на его входе и близко к нулю. Выходное напряжение детектора тоже равно нулю. При подаче отрицательной полуволны напряжение u ₂ на выходе ОУ будет положительным, поэтому диод VD 1 закрыт, a VD 2 — открыт. При этом напряжение на выходах ОУ и детектора u _вых = u ₂ = ‒ u _вх R 1 / R 2.

 

Контрольные вопросы

1 По каким признакам классифицируются электронные вольтметры?

2 Как выглядят структурные схемы аналоговых электронных вольтметров?

3 Каково назначение и преимущества этих приборов?

4 Каково назначение амплитудных детекторов?

5 Какие имеются схемы детекторов и их характеристики?

6 Как производится аппроксимация квадратичной вольт-амперной характеристики детектора?

7 Как реализуется схема амплитудного детектора на ОУ?