Аналоговые электронные вольтметры

Аналоговый электронный вольтметр — измерительный прибор, представляющий собой сочетание электронного преобразователя, выполненного на лампах, полупроводниковых элементах, интеграль­ных микросхемах, и магнитоэлектрического измерителя.

По назначению аналоговые электронные вольтметры различают: постоянного тока, переменного тока, импульсные тока, фазочувствительные, селективные, универсальные.

Основное назначение аналоговых вольтметров — измерение нап­ряжения в радиоэлектронных цепях.

Электронные вольтметры постоянного тока по сравнению с маг­нитоэлектрическими вольтметрами имеют очень большое входное сопротивление (порядка 5—10 МОм) и высокую чувствительность. Значение входного сопротивления неизменно при переключении пределов измерения.

Вольтметр состоит из входного устройства — высокоомного резистивного делителя напряжения; электронного преобразователя — усилителя постоянного тока; электромеханического преобразова­теля — магнитоэлектрического измерителя.

Усилитель постоянного тока служит для повышения чувствитель­ности вольтметра, является усилителем мощности, необходимым для приведения в действие магнитоэлектрического измерителя. Он должен обладать высокой линейностью амплитудной характери­стики, постоянством коэффициента усиления, малым дрейфом нуля.

Линейность амплитудной характеристики обеспечивается пра­вильным выбором режимов работы ламп, транзисторов, микросхем усилителя. Отрицательная обратная связь в усилителях повышает стабильность коэффициента усиления и улучшает линейность ампли­тудной характеристики. Стабилизация питающих напряжений также способствует стабилизации коэффициента усиления.

Для уменьшения дрейфа нуля, кроме стабилизации питающих напряжений, усилитель выполняется по мостовой балансной схеме.

Расширение пределов измерения осуществляется с помощью дели­теля и сопротивления обратной связи.

II АЭВ переменного тока строятся по 2м схемам:

Вольтметры, построенные по схеме а), характеризу­ются широким частотным диапазоном 20 Гц — 700 МГц, но недоста­точно высокой чувствительностью.

Вольтметры, построенные по схеме б), характеризу­ются сравнительно узким частотным диапазоном 10 Гц — 10 МГц, определяемым полосой пропускания усилителя переменного тока, но более высокой чувствительностью.

Универсальные аналоговые электронные вольтметры, предназна­ченные для измерений в цепях постоянного и переменного токов, реализуются так, как показано на рисунке:

Характеристики аналоговых электронных вольтметров перемен­ного тока и характер их шкал в основном определяются схемой электронного преобразователя (детектора). Различают преобразо­ватели пикового, средневыпрямленного, среднеквадратичного зна­чений, осуществляющие преобразование переменного напряжения в постоянное, пропорциональное соответственно пиковому (макси­мальному), средневыпрямленному и среднеквадратичному значе­ниям измеряемого напряжения.

Вход преобразователей относительно постоянной составляющей измеряемого напряжения может быть либо открытым, либо закрытым (с разделительным конденсатором).

По частотному диапазону аналоговые электронные вольтметры переменного тока делятся на низкочастотные, высокочастотные, сверхчастотные.

Основные узлы аналоговых электронных вольтметров

Входное устройство обеспечивает значения измеряемого напря­жения, необходимые для дальнейшего преобразования. В зависимо­сти от амплитудного и частотного диа­пазонов измеряемого напряжения вход­ное устройство представляет собой ли­бо высокоомный вход преобразователя, либо резистивный делитель, либо резистивно-конденсаторный делитель, либо конденсаторный делитель.

В преобразователях амплитудного(пикового) значе­ния показания микроамперметра про­порциональны пиковому значению изме­ряемого напряжения и (t),. На рисункеприводятся схемы пре­образователей амплитудного значения соот­ветственно с открытым и закрытым вхо­дами

В преобразователе амплитудного значения с открытым входом диод включен по­следовательно с высокоомным резисто­ром R и непосредственно связан с объ­ектом измерения. Параметры преобразователя подобраны таким образом

(R > Rпр, R = 50 - 100 МОм, С = 0,02 - 0,05 мкФ),

чтобы при первой положительной полуволне измеряемого напряже­ния и (t) = UM sin wt большим импульсом тока i через открытый диод Д с сопротивлением Rnp осуществлялся быстрый заряд конден­сатора С до некоторого значения напряжения UC1 (рис. 5.6) и мед­ленный разряд на резистор R + Rи с момента, когда и (t) < UC, и при отрицательной полуволне напряжения и (t). Постоянные

времени заряда RnpC и разряда RC связаны условием RC>> RnpC (сопротивление Rи микроамперметра не учиты­вается из-за малого значе­ния).

При второй положитель­ной полуволне и

Временные диаграммы напряже­ния, поясняющие работу пикового преоб­разователя с открытым входом

U(t) = Um sin wt конденсатор С вновь подзаря­дится до напряжения UC2 > > Uc1- При значении постоян­ной разряда, много большем периода Т измеряемого напряжения, примерно через (3—4) Т конденсатор зарядится до амплитудного значения измеряемого напряжения Um, т. е. Uc~ Um. Показа­ния магнитоэлектрического микроамперметра определяются сред­ним разрядным током Iср = Iи = Uc/R = Um/R, пропорциональ­ным амплитудному значению изме­ряемого напряжения.

Временные диаграммы напряжений, поясняющие работу пикового преобразователя с закры­тым входом

Если измеряемое напряжение и (t), подаваемое на вход преоб­разователя пикового значения с открытым входом, содержит кроме переменной еще и постоянную со­ставляющую, т. е. и (t) = Uo + = Um sin at, то показания мик­роамперметра

будут пропорцио­нальны сумме Uo + Um.

Большое практическое приме­нение имеет преобразователь пико­вого значения с закрытым входом,в котором диод Д включен параллельно высокоомному резистору R (такая схема используется в универсальных аналоговых электронных вольтмет­рах). При положительной полуволне измеряемого напряжения и (t) = Uu sin wt конденсатор С заряжается через диод Д сопротив­лением Rnp приблизительно до амплитудного значения Um, а при отрицательной полуволне измеряемого напряжения диод Д будет заперт, поэтому заряженный конденсатор разряжается на резистор R, но так как постоянная времени разряда RC конденсатора велика по сравнению с периодом Т измеряемого напряжения, то конден­сатор С не успевает разрядиться за период и напряжение на нем остается примерно равным Um.

К резистору R приложено напряжение, равное разности измеряемого напряжения и (t) и напряжения на конденсаторе Uc = Um т. е. Ur (t) = U(t) — Uс= Um sin(wt) – Um Напряжение Ur(t) на резисторе R повторяет форму измеряе­мого напряжения U(t), но смещено на амплитудное значение,т. е. пульсирует от 0 до —2Uм. Микроамперметр, вклю­ченный в цепь R, реагирует на среднее значение тока в цепи Iср = Iи = Uм /R. Так как напряжение Ur(t) пульсирует от 0 до —2Uм, то, чтобы уменьшить пульсации тока через прибор, в реальных схе­мах аналоговых электронных вольтметров напряжение Ur(t) по­дается на вход усилителя постоянного тока через сглаживающий фильтр низ­кой частоты, а микроампер­метр уже включается на выходе УПТ.

Реальная схема пикового преобра­зователя с закрытым входом

Если измеряемое напря­жение U(t), поданное на преобразователь пикового значения с закрытым вхо­дом, содержит кроме пере­менной еще и постоянную составляющую, т. е. U(t) = Uo + Uм sin wt, то при действии напряжения U(t) конденсатор заря­дится до значения Uc = UM + Uo напряжение на резисторе R будет

Ur (t) = Uo + Uм sin wt — Uc = Uм sin wt — Uм.

Постоянные составляющие измеряемого напряжения и напря­жения на конденсаторе С друг друга взаимно компенсируют на ре­зисторе R. Таким образом, микроампер­метр в преобразователе пикового значения с закрытым входом реагирует только на пе­ременную составляющую напряжения U(t).

В преобразователях средневыпрямленного значения показания микроамперметра пропорциональны средневыпрямленному значению Uср.в измеряемого напряжения и (t), т. е. = kUсрв. Пре­образователи выполняются на полупровод­никовых диодах, работающих в цепях одно-

и двухполупериодного выпрямления. Работа диодов осуществляет­ся на линейном участке вольтамперной характеристики.

Наиболее распространенные схемы — мостовые. Они работают следующим образом. Ток через микроамперметр протекает в одном и том же направлении в течение обоих полупериодов переменного напряжения (в положительный полупериод по цепи Д2— R — Д3, а в отрицательный полупериод — по цепи Д4 — R — Д1). При использовании линейного участка характеристики диода и при от­крытом входе показания микроамперметра пропорциональны средневыпрямленному значению измеряемого напряжения. Если же вход преобразователя закрытый, то показания микроамперметра пропорциональны только средневыпрямленному значению перемен­ной составляющей измеряемого напряжения.

В преобразователях среднеквадратичного значения показания микроамперметра пропорциональны квадрату средне­квадратичного значения измеряемого напряжения U (t). т. е. . Преобразователи выполняются на элементах с квадратич­ной вольтамперной характеристикой, при этом ток через микроам­перметр пропорционален квадрату среднеквадратичного значения измеряемого напряжения, поданного на вход преобразователя.

Т. е.

При U(t) = Ua sin(wt) ток

Поскольку выходной прибор — магнитоэлектрический микроам­перметр, он будет реагировать на среднее значение тока

Аналогичное доказательство можно выполнить для измеряемого напряжения U(t) любой формы:

где k — номер гармоники; Uмк, Uк — соответственно максимальное и среднеквадратичное значения измеряемого напряжения.

Для увеличения протяженности квадратичного участка вольт-амперной характеристики используются преобразователи на диод­ных цепочках. Напряжение U создает на резисторах R4 и R5 соот­ветственно напряжения смещения U1 и U2. Если входное напряже­ние U(t) не превышает значения U1 то ток i = i1 протекает через диод Д1. Если U1<.U(t) < U2(t) то ток протекает через диоды Д1 и Д2, в результате чего крутизна зависимости тока от напряжения увеличивается. Ток iи через прибор равен i1 + i2. Если U(t) > Uг, то ток протекает через диоды Д1 Д2, Д3 и ток через прибор равен крутизна зависимости уве­личивается еще больше. Подбирая параметры цепи, можно осущест­вить кусочно-линейную аппроксимацию вольтамперной характери­стики отдельных диодов и увеличить протяженность квадратичного участка преобразователя.

Свойства аналоговых электронных вольтметров

Свойства электронных вольтметров определяются схемой входа, полным входным сопротивлением, схемой преобразователя, характе­ром шкалы, чувствительностью, зависимостью показаний прибора от формы и частоты измеряемого на­пряжения, пределом измерений, по­грешностью. Входное сопротивление вольтметpa состоит из активной и реактивной составляющих. Активная составляю­щая входного сопротивления за­висит от схемы входа, преобразовате­ля, типа применяемого нелинейного элемента, используемого во входном конденсаторе диэлектрика, и может изменяться в широких пределах.

Входная емкость электронного вольтметра образована емкостью входных элементов, токоподводящих проводников, межэлектрод­ной емкостью входных нелинейных элементов. На высоких частотах учитывается также индуктивность токоподводящих проводни­ков. С увеличением частоты входное сопротивление уменьшается, поскольку уменьшается сопротивление электрических потерь во входной емкости.

Эквивалентная схема входной цепи вольтметра на высоких час­тотах, несимметричная относительно земли, представлена на рис. Для уменьшения частотной погрешности измерения собственная частота входной цепи вольтметра должна быть в 5—10 раз выше частоты измеряемого вольтметром напряже­ния. Поскольку входное сопротивление определяет мощность потребления вольтметра от объекта измерения, оно должно быть в 50—100 раз больше сопротивления участка цепи, к которому вольтметр подключается параллельно.

Схема входной цепи вольтметра может быть упрощена, если диа­пазон частот измеряемого напряжения порядка 10—30 МГц и индук­тивность не учитываются и входное сопротивление носит активно-емкостный характер; в диапазоне частот 1—10 МГц входное сопротивление определяется преимущественно емкостным сопротивлением = 1/(jw),поскольку но много меньше активного сопротивления; в диапазоне частот ниже 1 МГц — активным сопротивлением

так как

Для исключения погрешностей, вызванных влиянием паразит­ных емкостей, клеммы электронного вольтметра и объекта измере­ния, соединенные с корпусом, должны быть соединены вместе и заземлены. При измерениях напряжения на частотах выше 1 МГц необходимо пользоваться пробником, снижающим ча­стотную погрешность, вызванную и при высоких частотах, а также позволяющим осуществлять измерение непосредственно объекта измерения.

По пределам измерения напряжений вольтметр выбирают так, чтобы нижний предел обеспечивал достаточно высокую чувстви­тельность, а верхний — позво­лял по возможности обходиться без применения внешних делителей напряжения.

Шкалы большинства вольт­метров независимо от типа преобразования градуируют в действующих значениях синусоидального сигнала, поэтому градуи­ровка справедлива только при измерении сигналов синусоидальной формы, за исключением вольтметра со среднеквадратичным преоб­разователем.

Электронные вольтметры часто градуируют и в относительных значениях (неперах и децибелах) с использованием соотношения 20 lg (U/Uo), где Uо — нулевой уровень по напряжению, равный 0,775 В на градуировочном сопротивлении в 600 Ом; U — значение измеряемого напряжения.

По сравнению с электромеханическими вольтметрами аналого­вые электронные вольтметры имеют следующие достоинства: широ­кий частотный диапазон измеряемого напряжения от единиц герц до сотен мегагерц; слабую зависимость показаний от частоты изме­ряемого напряжения в рабочем диапазоне частот; высокую чувстви­тельность, практически постоянную в рабочем диапазоне частот, широкий динамический диапазон от десятых долей до сотен вольт (благодаря применению усилителей и делителей напряжений); ничтожно малую мощность потребления, так как имеют большое входное сопротивление (10—106 МОм), малую входную емкость (1—4 пФ)»но в то же время развивают мощность, достаточную для приведения в действие выходного магнитоэлектрического изме­рителя.

К недостаткам аналоговых электронных вольтметров относят их сравнительно большую основную погрешность (1—4 %), обуслов­ленную влиянием смены ламп, полупроводников элементов, инте­гральных микросхем на градуировку вольтметров, частотную по­грешность и необходимость вспомогательных источников питания.

ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Общие сведения

Непрерывная величина х(t) — величина, которая может иметь в заданном интервале времени при бесконечно большом числе мо­ментов времени бесконечно большое число значений.

Любая непрерывная величина, ограниченная некоторыми пре­дельными значениями, может быть дискретизирована во времени и квантована по уровню.

Дискретизация — физическая операция преобразования непре­рывной во времени величины в дискретную, при которой сохраня­ются ее мгновенные значения только в определенные моменты вре­мени (моменты дискретизации).

Шаг дискретизации — промежуток времени между двумя ближайшими моментами дискретизации. Шаг дискретизации может

быть постоянным или переменным. При дискретизации теряется часть информации, однако каждое значение дискретной величины строго связано с определенным моментом времени. Дис­кретный сигнал в отличие от непрерывного может иметь только ко­нечное число значений.

Квантование — физическая операция преобразования непрерыв­ной величины в квантованную, заменой ее мгновенных значений ближайшими фиксированными значениями, совокупность которых образована по определенному закону. Квант (ступень квантова­ния) — разность х между двумя соседними значениями. При квантовании теряется часть информации, но получаемое в ре­зультате квантования значение величины известно с точностью, определяемой ступенью квантования. В результате равномерного квантования мгновенные значения непрерывной величины представ­ляются конечным числом ступеней квантования.

Цифровое кодирование — операция условного представления чис­лового значения величины последовательностью цифр (сигналов), подчиняющихся определенному закону.

Цифровые измерительные приборы автоматически преобразуют непрерывную измеряемую величину или ее аналог (физическую ве­личину, пропорциональную измеряемой) в дискретную форму, под­вергают цифровому кодированию и выдают результат измерения в виде чисел, появляющихся на отсчетном устройстве или фиксиру­емых цифропечатающим устройством.

Цифровые измерительные приборы многопредельны, универ­сальны, предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, частоты, фазы, сопротивления, отношения на­пряжений и других электрических, а также неэлектрических вели­чин. Среди измерительных приборов особое место занимают цифро­вые вольтметры, позволяющие обеспечить автоматический выбор предела и полярности измеряемых напряжений; автоматическую коррекцию погрешностей; малые погрешности измерения (0,01— 0,001 %) при широком диапазоне измеряемых напряжений (от 0,1 мкВ до 1000 В), выдачу результатов измерения в цифровом виде, документальную регистрацию с помощью цифропечатающего устройства, ввод измерительной информации в ЭВМ и сложные информационно-измерительные системы. Основные недостатки циф­ровых вольтметров — сложность схем, высокая стоимость, мень­шая надежность.

Цифровой вольтметр в отличие от аналогового содержит анало­го-цифровой преобразователь (кодирующее устройство) (АЦП), устройство цифрового отсчета.

Цифровые вольтметры классифицируют по способу преобразова­ния непрерывной величины в дискретную; структурной схеме АЦП; применяемым техническим средствам; способу компенсации.

По способу преобразования различают цифро­вые вольтметры с поразрядным кодированием (взвешиванием), с время- и частотно-импульсными преобразованиями.

В цифровых вольтметрах с поразрядным кодированием происхо­дит последовательное сравнение значений измеряемой величины с рядом дискретных значений образцовой величины; в цифровых вольтметрах с время-импульсным преобразованием значения изме­ряемой величины Ux преобразуется во временной интервал t с последующим заполнением этого интервала импульсами N образ­цовой частоты (счетными импульсами); в цифровых вольтметрах с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующих) происхо­дит преобразование значения измеряемого напряжения. Ux в ча­стоту f следования импульсов.

По структурной схеме АЦП цифровые вольтметры делятся на вольтметры прямого преобразования и уравновешиваю­щего преобразования. В вольтметрах прямого преобразования от­сутствует обратная связь с выхода на вход и непрерывная измеряе­мая величина непосредственно преобразуется в дискретную. В вольт­метрах уравновешивающего преобразования обязательно имеется обратная связь, т. е. входная величина в процессе преобразования уравновешивается выходной.

По применяемым техническим средствам цифровые вольтметры делятся на электромеханические вольтметры (переключающие устройства измерительной цепи строятся на кон­тактных элементах — электромагнитные реле, шаговые искатели, реверсивные электродвигатели) и электронные вольтметры (пере­ключающие устройства измерительной цепи построены на бескон­тактных электронных элементах — электронные ключи, триггеры и др.). Электромеханические цифровые вольтметры обладают боль­шой точностью и малым быстродействием (1—2 измерения/с), а элек­тронные цифровые вольтметры — меньшей точностью, но большим быстродействием (десятки тысяч измерений в секунду).

По способу уравновешивания цифровые вольт­метры делятся на вольтметры со следящим и развертывающим урав­новешиванием. В вольтметрах со следящим уравновешиванием из­меряемая величина Ux непрерывно сравнивается с компенсирующей величиной UK. В вольтметрах с развертывающим уравновешива­нием операция сравнения величин измеряемой Ux и компенсирую­щей Uк происходит по определенной наперед заданной программе. Компенсирующее напряжение принудительно изменяется от нуля до максимального значения и прекращает это изменение в момент равенства напряжений, т. е. при Ux = Uк.

Измерительная информация в цифровых вольтметрах может быть представлена в десятичном коде для визуального отсчета и выведена в двоичном коде на цифропечатающее устройство для регистрации. Каждый цифровой вольтметр имеет устройство циф­рового отсчета, состоящее из дешифраторов и знаковых (цифровых) индикаторов.

Дешифраторы являются преобразователями дискретных сигна­лов, т. е. позволяют получать на выходе нужную комбинацию сиг­налов при подаче определенной комбинации сигналов на входе. В цифровых вольтметрах дешифраторы преобразуют двоично-деся­тичный код в соответствующие напряжения, управляющие цифро­выми индикаторами, обеспечивающими визуальную индикацию в десятичном коде (например, код 2—4—2—1, 8—4—2—1 в деся­тичный код от 0 до 9). Для выполнения этой задачи обычно исполь­зуют диодные схемы И, как наиболее простые и достаточно быстро­действующие.

Знаковые индикаторы используют для представления результа­тов измерения в цифровой форме. Конструкция знаковых индикато­ров может быть различна, например: индикаторы с лампами накали­вания, выполненные в виде прозрачных пластин (светопровода) из оргстекла или люцита, на которых нанесены цифры и имеется боковая подсветка в торец лампочкой (число пластин соответствует числу индуцируемых знаков); индикаторы из газоразрядных счет­ных ламп (декатронов) и ламп типа ИН с анодами в виде сеток и катодами, выполненными в форме арабских цифр от 0 до 9 (число ламп должно соответствовать числу десятичных разрядов отсчетного устройства); люминесцентные мозаичные индикаторы, (обеспечивающие яркое и четкое изображение цифр, состоящие из отдельных элементов мозаики, светящихся при под­ключении напряжения к соответствующим элементам); мозаичные индикаторы со светоизлучающими диодами (обеспечивают высо­кую надежность и хорошую совместимость с транзисторными схе­мами); электронные индикаторы, выполненные на специальных электроннолучевых трубках; устройство в виде светового табло, содержащее набор либо из 10 ламп накаливания, либо из 10 неоно­вых ламп (в зависимости от значения измеряемой величины зажига­ется та или иная лампа и освещает соответствующую цифру).

Для улучшения параметров цифровых измерительных приборов создаются комбинированные структуры с одновременным использо­ванием различных методов преобразования, адаптивные (приспо­сабливающиеся к параметрам измеряемого сигнала) структуры с ав­томатической коррекцией, автоматической калибровкой, структуры с устранением избыточной информации, со статической обработкой информации, с термостатирующими устройствами и т. п.; использу­ются элементы, узлы, обладающие улучшенными характеристиками.

Основные параметры цифровых вольтметров.

Точность преобра­зования определяется погрешностью квантования по уровню, ха­рактеризуемой числом разрядов в выходном коде.

Погрешность цифровых вольтметров имеет две составляющие, из которых одна зависит от измеряемой величины (мультипликатив­ная), а другая не зависит (аддитивная). Такое представление свя­зано с дискретным принципом измерения непрерывной величины, так как в процессе квантования возникает абсолютная погреш­ность, обусловленная конечным числом уровней квантования.