Структурные схемы таких вольтметров в значительной степени зависят от диапазона измеряемых величин и поэтому их условно делят на две группы.
1. Вольтметры для измерения больших напряжений
Такие вольтметры позволяют измерять минимальное напряжение 1 В и имеют схему:
 |
Основными элементами структурной схемы являются входное устройство ВУ, усилитель постоянного тока УПТ и индикаторное устройство ИУ магнитоэлектрической системы.
Входное устройство ВУ предназначено для расширения пределов измеряемых напряжений, фильтрации входного сигнала и обеспечения большого входного сопротивления. Обычно в его состав входят входные зажимы, делитель напряжения, предварительный усилитель и разнообразные фильтры.
К усилителям напряжения постоянного тока предъявляются такие требования, как высокая линейность амплитудной характеристики, постоянство коэффициента усиления, малый температурный и временной дрейфы нуля.
2. Вольтметры для измерения малых напряжений постоянного тока
При измерении весьма малых напряжений постоянного тока (менее 1-10мВ) возникает проблема усиления напряжения до необходимого уровня. Это связано с наличием у реальных усилителей так называемого напряжения смещения Есм и его дрейфом. Это напряжение постоянного тока (приведенное ко входу) составляет, например, для ОУ широкого применения ±(2-50)мВ.
 |
Рис.10.
Учитывая что входное измеряемое напряжение и Есм являются напряжениями постоянного тока, разделение их на выходе усилителя становится невозможным. Это приводит к недопустимому росту погрешности вольтметра или к потере работоспособности.
Для решения указанной проблемы микровольтметры строятся с преобразованием напряжения на основе усилителей с отрицательной ОС (рис.10).
Измеряемое напряжение через входное устройство поступает на вход модулятора М. Модулятор М может быть построен на вибропреобразователе или на бесконтактных ключевых элементах- МДП-транзисторах. Здесь измеряемое напряжение преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов частотой fпр внутреннего генератора.
Полученные импульсы поступают на усилитель переменного напряжения УН, состоящий из нескольких каскадов усиления с разделительными конденсаторами. В каждом каскаде происходит усиление измеряемого напряжения и собственного Есм каскада. Однако на вход следующего каскада поступает только усиленное переменное (измеряемое) напряжение, т.к. напряжение постоянного тока, обусловленное наличием Есм, будет отфильтровываться разделительным конденсатором. Таким образом осуществляется усиление измеряемого напряжения до требуемого уровня.
Усиленный сигнал поступает на синхронный демодулятор ДМ на МДП-транзисторах, так же управляемый внутренним генератором. Демодулятор осуществляет обратный перенос спектра входного сигнала (преобразует переменное напряжение в постоянное). При необходимости выходное напряжение демодулятора может подаваться на вход интегратора для сглаживания и дополнительного усиления.
Далее напряжение поступает на измерительное устройство ИУ и через отрицательную ОС на второй вход модулятора М, где происходит его взаимокомпенсация с Uх.
Основными достоинствами вольтметров постоянного тока с преобразованием являются их высокая чувствительность (до 10-9В), широкий динамический диапазон (от 1нВ до 1В) и достаточно высокая точность измерения (0,5-1%).
В заключение отметим, что указанный подход реализован в отечественной интегральной микросхеме К140УД13.
