Группа В4- импульсные вольтметры

 

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=U_m/Q).

При малой скважности, когда постоянная составляющая U₀ существенна, погрешность измерения становится весьма большой. Отсчет по прибору меньше истинной амплитуды импульса U_m на значение постоянной составляющей. В этом случае относительная погрешность d_Um= -1\Q. Например, если Q=5, то d_Um= -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 U_ск. Показания первого прибора пропорциональны проекции вектора измеряемого напряжения на направление вектора эталонного напряжения, второго - на ось мнимых величин.

U_xsinj

 

 

j U_эт

U_xcos 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, 4^х 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 U_к. 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 U_х=1,1В составит ±0,07%, вместо ±0,23% при 4^х 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 N_х 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 N_х. 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.