Эти вольтметры предназначены для измерения амплитуды напряжения импульсов, образующих периодическую последовательность. Основным элементом таких вольтметров является пиковый детектор и принцип их действия не отличается от принципа действия рассмотренных выше амплитудных вольтметров синусоидального напряжения.
Конструктивно импульсный вольтметр состоит из выносного пробника и УПТ со стрелочным измерительным прибором. В пробнике имеется переключатель, позволяющий изменять схему включения диода для измерения импульсов разной полярности.
Как правило, такие вольтметры выполняются с закрытым входом. При измерении импульсов с большой скважностью Q закрытый вход практически не влияет на показания вольтметра., т.к. постоянная составляющая мала (U0=Um/Q).
При малой скважности, когда постоянная составляющая U0 существенна, погрешность измерения становится весьма большой. Отсчет по прибору меньше истинной амплитуды импульса Um на значение постоянной составляющей. В этом случае относительная погрешность dUm= -1\Q. Например, если Q=5, то dUm= -20%. Однако эта погрешность является систематической и ее можно учесть, внеся поправку.
Импульсные вольтметры градуируются в амплитудных значениях. Их основная погрешность- единицы процентов.
Для более точных измерений и для измерений амплитуд длительностью порядка 0,01мкс применяют компенсационные вольтметры. В них амплитудное значение измеряемого напряжения, заряжающее конденсатор С через диод VD, компенсируется (уравновешивается) постоянным образцовым напряжением U0. В момент компенсации ток встроенного гальванометра равен нулю, а значение компенсирующего напряжения (равного Um) измеряется вольтметром постоянного тока.
Фазочувствительные вольтметры (группа В5-) имеют два входа - для эталонного и измеряемого напряжений и два измерительных прибора, измеряющих Uск. Показания первого прибора пропорциональны проекции вектора измеряемого напряжения на направление вектора эталонного напряжения, второго - на ось мнимых величин.
Uxsinj
j Uэт
Uxcos j
Селективные вольтметры (группа В6-) используются для исследования спектра периодических сигналов, определения спектральной плотности шумов, измерения больших затуханий и малых коэффициентов нелинейных искажений. Чаще всего используются приборы, близкие по устройству к высокочувствительным приемникам гетеродинного типа, настроенные на определенную частоту или узкий интервал частот. Характеризуются диапазоном перестройки и полосой измеряемого сигнала.
Цифровые вольтметры
В настоящее время цифровые вольтметры - приборы, у которых результат измерения представляется в цифровой форме (в виде числа)- широко используются при измерениях напряжения постоянного и переменного тока. Это объясняется многими их достоинствами:
- высокой точностью (на несколько порядков выше, чем у аналоговых),
- широким диапазоном измеряемых величин,
- высокой чувствительностью,
- цифровой формой представления информации (снижаются ошибки оператора при считывании показаний и возможность наблюдения результатов на расстоянии),
- простотой регистрации показаний на различных носителях,
- возможностью использования средств вычислительной техники для улучшения характеристик прибора и работы в составе различных информационно-измерительных систем.
Основные недостатки цифровых вольтметров - более сложная схема и, как результат, более высокая стоимость и меньшая надежность - в настоящее время существенно уменьшаются благодаря стремительному развитию микроэлектроники.
Дальнейшее развитие цифровых приборов (расширение возможностей и улучшение характеристик) напрямую связано с достижениями в области микропроцессоров, встраиваемых в них.
В цифровых вольтметрах показания снимаются с устройств отображения информации (УОИ) различного вида: светодиодных, жидкокристаллических, газоразрядных индикаторов, цифровых дисплеев и пр.
Как правило, это многоразрядные индикаторы, отображающие информацию в десятичной системе. Разрядность ЦВ- это число полных десятичных разрядов. Например, 4х разрядный вольтметр может иметь 5 пределов измерения: 9999В, 999.9В, 99.99В, 9.999В, 0.9999В.
Вольтметр, позволяющий индицировать дополнительный (неполный) разряд называется прибором с расширенным диапазоном. Например, 41/2 разрядный вольтметр будет давать максимальные показания не 99.99В, а 199.99В.
Введение дополнительного неполного разряда расширяет предел измерения таким образом, что становится возможным измерять без потери точности напряжения немного выше конечного значения Uк. Как было показано ранее, погрешности точных приборов представляются в виде (1):
.
Нетрудно показать, что выигрыш в точности будет существенным. Например, для 41/2 разрядного универсального вольтметра В7-40 (a=0.05, а b=0.02) погрешность при измерении напряжения постоянного тока Uх=1,1В составит ±0,07%, вместо ±0,23% при 4х разрядном варианте. Выигрыш в точности в данном случае составляет более чем 3,3 раза.
Обобщённая структурная схема цифрового вольтметра приведена на рис.16. Здесь ВУ - входное устройство, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, УОИ- устройство отображения информации. Из рисунка видно, что аналого-цифровое преобразование является непременной процедурой цифрового измерения напряжения.
Рис.16.
Одним из основных параметров АЦП, определяющих точность преобразования, является его разрядность. Следует отметить, что в отличие от ЦВ разрядность АЦП- это количество двоичных разрядов числового кода Nх на выходе устройства. Эта характеристика определяет предельно достижимую точность АЦП (когда все остальные элементы являются идеальными и не имеют погрешностей), обусловленную погрешностью дискретности.
Погрешность дискретности (дискретизации) - это погрешность представления аналоговой (непрерывной) величины в цифровом виде (в виде цифрового кода). Ее значение является величиной обратной числу Nх. Так для 8-разрядного АЦП погрешность дискретности (предельная точность) составит d=100/28 % = 0,39%, а для 16-разрядного АЦП d»0,002%.
Классифицировать ЦВ можно по различным признакам:
- по назначению (вольтметры постоянного тока, универсальные, импульсные)
- по схемному решению (с жесткой логикой и микропроцессорные с программным управлением)
- по принципу работы (по методу аналого-цифрового преобразования)
С точки зрения изучения принципов работы наиболее подходящим является третий вариант классификации. Следует отметить, что эта классификация подходит и к АЦП, которые согласно определению (и рис.16) отличаются от ЦВ отсутствием ВУ и УОИ.
По принципу работы цифровые вольтметры (АЦП) можно разделить:
1. ЦВ время- импульсного преобразования. Преобразование осуществляется путем сравнения измеряемого напряжения с линейно - изменяющимся напряжением. Отличаются высоким быстродействием при невысокой точности.
2. ЦВ двухтактного интегрирования. Принцип его работы подобен принципу время – импульсного преобразования, с тем отличием, что здесь образуются два временных интервала в течение цикла измерения. Эти вольтметры являются более точными (до 0,05%) и помехоустойчивыми.
3. ЦВ с частотным преобразованием. Принцип действия заключается в преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, измеряемую цифровым частотомером. Погрешность 0,1%.
4. ЦВ уравновешивающего преобразования. Эти вольтметры являются наиболее быстродействующими и достаточно точными. Принцип их работы заключается в сравнении измеряемого напряжения с суммой дискретных значений образцовых напряжений.
5. ЦВ параллельного типа. Имеют наибольшее быстродействие.
