8.3 Аналогови електронни волтметри

При измерване на напрежението чрез метода на пряка оценка волтметърът се свързва паралелно с участъка от изследваната верига. За да се намали методологичната грешка на измерване, собствената консумация на волтметъра трябва да бъде малка, а входното му съпротивление - голямо. Затова през последните години се използват предимно електронни волтметри. Електронните волтметри са комбинация от електронен преобразувател и измервателен уред. За разлика от волтметрите от електромеханичната група, електронните волтметри за постоянен и променлив ток имат високо входно съпротивление и чувствителност, широки граници на измерване и честотен диапазон (от 20 Hz до 1000 MHz), ниска консумация на ток от измервателната верига.

Електронните волтметри се класифицират според редица характеристики:

• по предварителна уговорка - волтметри на постоянно, променливо и импулсно напрежение; универсален, фазово-чувствителен, селективен;

• според начина на измерване - уреди за пряка оценка и уреди за сравнение;

• по характера на измерената стойност на напрежението - амплитуда (пикова), средноквадратична стойност на средната изправена стойност;

• по честотен диапазон — нискочестотни, високочестотни, свръхвисокочестотни.

В допълнение, всички електронни устройства могат да бъдат разделени на две големи групи: аналогови електронни устройства с показания на показалеца и дискретни устройства с цифрови показания.

В съответствие с общоприетите обозначения, домашните електронни волтметри получават индекс B. Например VK7-16A - комбиниран волтметър (K) - може да измерва съпротивлението; 7 - универсален за постоянен и променлив ток; 16 - номер на развитие; А е модификация. DC волтметрите имат индексиранеB2, и AC волтметри - VZ.

При измерване на силата на тока с електронен волтметър токът първо се преобразува в напрежение и след това се определя по формулата: Ix = Ux / R0.

Структурни схеми на аналогови волтметри

Опростени блокови схеми на аналогови волтметри са показани на фиг. 8.5. Понастоящем аналоговите електронни DC волтметри (фиг. 8.5, а) са с ограничена употреба, тъй като те са много по-ниски от цифровите DC волтметри в техните технически свойства. Следователно, само аналогови AC волтметри се разглеждат допълнително.

(UPT - DC усилвател; > - AC усилвател; MES - магнитоелектрическа система - указателно устройство)

Показано на фиг. 8.5, b блокова схема се използва в AC волтметри за измерване на напрежения на значително ниво. Честотният диапазон на такива волтметри може да бъде стотици мегахерци.

За да се осигури необходимата точност на волтметъра, усилвателите на постоянен ток, използвани в електронните волтметри, са обект на строги изисквания по отношение на линейността на амплитудната характеристика, постоянството на усилването, температурата и времевия дрейф на нулата. При изграждането на електронни волтметри за измерване на ниски напрежения тези изисквания не винаги могат да бъдат изпълнени. Следователно електронните AC волтметри за измерване на ниски напрежения се изпълняват съгласно схемата на фиг. 8.5, c. Тази схема се използва в миливолтметри, тъй като има висока чувствителност. Последното се дължи на наличието на допълнителен AC усилвател, но честотният диапазон на веригата е по-нисък (до стотици килохерца), тъй като е трудно да се създаде широколентов усилвател.

елементна база,използван при създаването на AC волтметри се определя от нивото на технологията, съществуваща към момента на тяхното създаване, но функционалната цел на блоковете е идентична. В този случай преобразувателите AC-to-DC (детектори) имат особено важна функция. Детекторите могат да бъдат класифицирани според функцията за преобразуване на входното напрежение в изходното: амплитуда (пикова), средна квадратична стойност и средна коригирана стойност. Типът на детектора до голяма степен определя свойствата на устройството: волтметри с амплитудни детектори са най-високата честота; волтметри с RMS детектори ви позволяват да измервате напрежение от всякаква форма; Средните ректифицирани волтметри измерват само хармонични сигнали, но са най-простите и най-надеждни.

По-долу са някои от най-простите блокови схеми на детектори. Амплитуден детектор е устройство, чието изходно напрежение, т.е. върху товара, съответства на максималната (амплитудна) стойност на измереното напрежение. За да може веригата за натоварване на детектора да филтрира ефективно DC компонента и да потиска паразитните високочестотни хармоници, трябва да бъде изпълнено следното неравенство:

E1 отваря диода D1 и делител на напрежението R1, R 1c е свързан паралелно с резистора r0. В резултат на това наклонът на характеристиката ток-напрежение в участъка от E1 до Eg се увеличава; общият ток, протичащ през милиамперметъра, ще стане I=i0 + i1. Когато условието ux(t) > E2, диод D2 се отваря и ток на милиамперметър I=i0 + i1 + i2. Когато условието ux(t) > E3, диодът D3 ще се отвори и общият ток, протичащ през милиамперметъра, ще бъде I \u003d i0 + i1 + i2 \u003d i3.

В резултат на това общата характеристика ток-напрежение се доближава до квадратна крива по форма.Отчитането на устройството ще бъде пропорционално на средната квадратична стойност на входното напрежение и не зависи от неговата форма. При проектирането на устройства с ефективна стойност възникват редица трудности, включително осигуряването на широк честотен диапазон. Независимо от това, тези устройства са най-популярни, тъй като ви позволяват да измервате напрежението на всяка сложна форма.

Детекторът за средна изправена стойност е устройство, което преобразува променливото напрежение в постоянен ток, пропорционално на средната стойност на изправеното напрежение. Структурата на изходния ток на измервателното устройство с ректифициран детектор на средна стойност е подобна на разгледания по-рано възел на токоизправителната система и следователно техните свойства са до голяма степен идентични (зависимост от формата на вълната, честотни характеристики, клас на точност). Аналогов електронен волтметър със средна коригирана стойност има по-висока чувствителност и по-малка консумация на енергия от измервателната верига (поради допълнително усилване), отколкото устройство с коригираща верига.

Интегрални амплитудни детектори. Диодните (както и транзисторните) амплитудни детектори при ниски напрежения въвеждат значителни нелинейни изкривявания в измерения сигнал. Ето защо през последните години в измервателните устройства се използват амплитудни детектори на интегрални схеми - операционни усилватели - оп-усилватели (фиг. 8.9).

Тъй като детекторът е направен на изобретателна схема (възможно е и неинвертиращо превключване), тогава, когато се прилагат положителни полувълни, напрежението U2 на изхода на операционния усилвател ще бъде отрицателно. В този случай диодът VD1 е отворен, а диодът VD2 е затворен. Изходът на оп-усилвателя е свързан към входа чрез малко предно съпротивление на диода VD1, което създава дълбока отрицателна обратна връзка. В резултат на това напрежението на изхода на оп-усилвателя е равно на напрежениетона входа му и близо до нулата. Изходното напрежение на детектора също е нула. Когато се приложи отрицателна полувълна на напрежение U2, изходът на операционния усилвател ще бъде положителен, така че диодът VD1 е затворен, а VD2 е отворен. В този случай напрежението на изходите на ОС и детектора е Uout = – Uin R2/R1.

По-горе бяха представени различни видове преобразуватели (детектори), използвани както в електронни аналогови, така и в цифрови устройства. Когато избирате преобразувател, трябва да обърнете внимание на възможната методологична грешка, която възниква при несинусоидален сигнал.