Frekvencijski opseg voltmetra. Elektronski voltmetri

PREDAVANJE br. 5

ELEKTRONSKI ANALOGNI UREĐAJI I KONVERTERI

Elektronski analogni instrumenti i pretvarači su mjerni instrumenti u kojima se mjerni informacijski signali pretvaraju pomoću analognih elektronskih uređaja. Izlazni signal takvih sredstava je kontinuirana funkcija mjerene veličine. Elektronski instrumenti i pretvarači se koriste za mjerenje gotovo svih električnih veličina: napona, struje, frekvencije, snage, otpora itd.

Prednosti elektronski merni instrumenti:

visoka osjetljivost je zbog upotrebe pojačala;

niska potrošnja energije iz kola u kojem se vrši mjerenje, što je određeno visokim ulazna impedansa podaci o instrumentima;

širok raspon frekvencija u kojem je osjetljivost nepromijenjena.

Nedostaci:

složenost zbog velikog broja dijelova i elemenata;

potreba za napajanjem za elektronske uređaje uključene u uređaj;

relativno niska pouzdanost zbog velikog broja elemenata.

ELEKTRONSKI VOLTMETRI

U elektronskim voltmetrima, izmjereni napon se pretvara analogno elektronskih uređaja u jednosmjernoj struji, koja se dovodi do magnetoelektričnog mjernog mehanizma sa skalom, graduiranom u naponskim jedinicama. Elektronski voltmetri imaju visoku osjetljivost i širok raspon mjerenih napona (od desetina nanovolti pri istosmjernoj struji do desetina kilovolti), visok ulazni otpor (više od 1 MΩ) i mogu raditi u širokom rasponu frekvencija (od jednosmjerne struje do frekvencija). reda veličine stotina MHz).

Ima ih mnogo razne vrste voltmetri. Prema svojoj namjeni i principu rada, najčešći voltmetri se mogu podijeliti na voltmetre jednosmerna struja, naizmjenična struja, univerzalni, pulsni i selektivni.

DC voltmetri. Pojednostavljeni blok dijagram takvih voltmetara prikazan je na Sl. 5.1, gdje VD– razdjelnik ulaznog napona; UPT– DC pojačalo; NJIH– magnetoelektrični mjerni mehanizam; U x– izmjereni napon.

Rice. 5.1. Blok dijagram elektronskog DC voltmetra

Serijsko povezivanje djelitelja napona i pojačala omogućava da se voltmetri budu visoko osjetljivi i višesmjerni promjenom njihovog ukupnog koeficijenta konverzije u širokom rasponu. Povećanje osjetljivosti DC voltmetara povećanjem pojačanja UPT k UPT nailazi na tehničke poteškoće zbog nestabilnog rada UPT, koju karakteriše promjena k UPT i spontane promjene u izlaznom signalu pojačala (nulti drift). Dakle, u takvim voltmetrima k UPT≈1, i glavna namjena UPT– obezbedi visok ulazni otpor voltmetra.

Ovaj blok dijagram DC voltmetra koristi se kao dio univerzalnih voltmetara, jer uz malu komplikaciju - dodavanjem AC-to-DC pretvarača napona, postaje moguće mjeriti izmjenični napon.

AC voltmetri. Takvi voltmetri se sastoje od AC-to-DC naponskog pretvarača, pojačala i magnetoelektričnog mjernog mehanizma. Postoje dva moguća generalizovana blok dijagrama voltmetara naizmenične struje (slika 5.2), koji se razlikuju po svojim karakteristikama. U voltmetrima prema dijagramu na sl. 5.2, A izmjereni napon u X, prvo se pretvara u istosmjerni napon, koji se zatim primjenjuje na UPT I NJIH, koji su u suštini DC voltmetar. Converter itd je nelinearna veza, tako da voltmetri sa ovom strukturom mogu raditi u širokom frekventnom opsegu. U isto vrijeme, ovi nedostaci UPT a posebnosti rada nelinearnih elemenata na niskim naponima ne dozvoljavaju da se takvi voltmetri postanu visoko osjetljivi.

Rice. 5.2. Blok dijagrami AC voltmetara

U voltmetrima napravljenim prema krugu prikazanom na sl. 5.2, b, zahvaljujući prethodnom pojačanju, moguće je povećati osjetljivost. Međutim, stvaranje AC pojačala sa visokim dobitkom koji rade u širokom rasponu frekvencijski opseg, je težak tehnički zadatak. Stoga takvi voltmetri imaju relativno nizak frekvencijski raspon (1 - 10 MHz).

Postoje voltmetri amplitude, prosječne ili efektivne vrijednosti.

Rice. 5.3. Sklop (a) i vremenski dijagram signala iz amplitudnog pretvarača (peak detektor) s otvorenim ulazom

Voltmetri vršne vrijednosti imaju pretvarače amplitudnih vrijednosti (detektori vrhova) sa otvorenim (slika 5.3, A) ulaz, gdje u unos I u van– ulazni i izlazni napon pretvarača. Ako voltmetar ima strukturu Sl. 5.3, A, zatim za pretvarač u unos =u X. U amplitudnim pretvaračima s otvorenim ulazom, kondenzator je napunjen gotovo do maksimuma u xmax pozitivnu (za dato uključivanje diode) vrijednost ulaznog napona (slika 5.3,b). Voltage ripple u van na kondenzatoru se objašnjavaju njegovim punjenjem kada je dioda otvorena, kada u unos >u van, i njegovo pražnjenje kroz otpornik R sa zatvorenom diodom, kada u unos <u van .

Univerzalni voltmetri. Takvi voltmetri su dizajnirani za mjerenje DC i AC napona. Generalizovani blok dijagram prikazan je na Sl. 5.4, ​​gdje IN– prekidač. U zavisnosti od položaja prekidača IN Voltmetar radi prema krugu AC voltmetra sa pretvaračem P(pozicija 1 ) ili DC voltmetar (položaj 2 ).

Rice. 5.4. Blok dijagram univerzalnog voltmetra

Univerzalni voltmetri, koji se nazivaju i kombinovani, često pružaju mogućnost mjerenja otpora R X. Ovi voltmetri imaju pretvarač P R, čiji izlazni napon zavisi od nepoznatog otpora: U van =f(R x ). Na osnovu ove zavisnosti, skala uređaja se kalibrira u jedinicama otpora. Prilikom mjerenja, otpornik nepoznatog otpora spojen je na ulazne terminale pretvarača, a prekidač je postavljen u položaj 3 .

Pulsni voltmetri. Pulsni voltmetri se koriste za mjerenje amplitude impulsnih signala različitih oblika. Radne karakteristike pulsnih voltmetara određene su kratkim trajanjem τ mjerenih impulsa (od 10-100 ns) i značajnim radnim ciklusom

(do 10 9), gdje T– period ponavljanja pulsa.

Impulsni voltmetri se mogu napraviti prema blok dijagramu na sl. 5.2, A, u ovom slučaju se koriste pretvarači amplitudnih vrijednosti sa otvorenim ulazom (slika 5.3, A). Visok radni ciklus impulsa i njihovo kratko trajanje postavljaju stroge zahtjeve za pretvarače amplitudnih vrijednosti. Stoga se u impulsnim voltmetrima koriste kompenzacijski krugovi amplitudnih pretvarača (slika 5.5).

Rice. 5.5. Krug kompenzacije pretvarača amplitude

Ulazni impulsi u unos napuniti kondenzator WITH 1 . Izmjenična komponenta napona na ovom kondenzatoru, uzrokovana njegovim punjenjem mjerenim impulsima i pražnjenjem između impulsa (slično kao na slici 5.3, b), pojačano pojačalom U AC struja i ispravljena pomoću diode D 2 . Vremenska konstanta kruga R.C. 2 je odabran dovoljno velik tako da napon na kondenzatoru WITH 2 u intervalu između impulsa se neznatno mijenja. Iz izlaza pretvarača pomoću otpornika R o.s. povratne informacije kondenzatoru WITH 1 napaja se kompenzacioni napon. Uz veliko pojačanje pojačala, to dovodi do značajnog smanjenja naizmjenične komponente napona na kondenzatoru WITH 1 , zbog čega je u stacionarnom stanju napon na kondenzatoru gotovo jednak amplitudi izmjerenih impulsa, a izlazni napon je proporcionalan ovoj amplitudi:

.

Selektivni voltmetri. Takvi voltmetri su dizajnirani da mjere efektivnu vrijednost napona u određenom frekventnom opsegu ili efektivnu vrijednost pojedinih harmonijskih komponenti mjerenog signala.

Princip rada selektivnog voltmetra je da izoluje pojedinačne harmonijske komponente signala ili signala uskog frekventnog opsega pomoću podesivog propusnog filtera i meri efektivnu vrednost izolovanih signala.

Fizički implementirani propusni filtar nema striktno pravokutni amplitudno-frekventni odziv (AFC). To može dovesti do činjenice da će susjedne harmonijske komponente s određenim koeficijentom prijenosa proći kroz takav filter. U ovom slučaju, selektivni voltmetar mjeri efektivnu vrijednost zbira harmonijskih komponenti koje prolaze kroz filter, uzimajući u obzir stvarne koeficijente prijenosa za svaku komponentu.

Rice. 5.6. Blok dijagram selektivnog voltmetra

Izmjereni signal u X Preko selektivnog ulaznog pojačala, VU se dovodi u mikser Cm, koji je dizajniran da transformiše frekventni spektar mjerenog signala. Na izlazu miksera se pojavljuje signal, proporcionalan izmjerenom signalu, ali sa frekvencijama spektra

, Gdje - frekvencija harmonijskih komponenti ulaznog signala; - frekvencija signala sinusoidnog generatora G(heterodin). Pojačalo srednje frekvencije HRC podešen na neku fiksnu frekvenciju

. Stoga, na odlasku HRC Samo ona komponenta izlaznog signala miksera čija će frekvencija proći

. Ovaj signal odgovara harmonijskoj komponenti mjerenog signala sa frekvencijom

. Efektivna vrijednost ove harmonijske komponente mjeri se efektivnim voltmetrom VDZ. Promjena frekvencije generatora , moguće je izmjeriti efektivnu vrijednost različitih harmonijskih komponenti signala u X .

Funkciju propusnog filtera u ovom kolu obavlja HRC. Zahvaljujući fiksnoj (nepodesivoj) frekvenciji podešavanja HRC Ovo pojačalo ima veliko pojačanje i uski propusni opseg, što osigurava visoku osjetljivost i selektivnost selektivnog voltmetra.

Generalizovani blok dijagram analognih elektronskih voltmetara (slika 7.9) sadrži maksimalan broj blokova, od kojih neki, u zavisnosti od namene voltmetra, mogu da nedostaju. U elektronskim voltmetrima opremljenim uređajima za pojačanje, potrošnja energije iz mjernog kruga je zanemariva. Prednosti elektronskih voltmetara uključuju: široke granice mjerenja i frekventni opseg (od 20 Hz do 1000 MHz), visoku osjetljivost, dobar kapacitet preopterećenja.

Slika 7.9.

1. Ulazni uređaj je dizajniran za:

a) slabljenje signala za određeni broj puta, omogućavajući proširenje opsega prema višim izmjerenim naponima;

b) osiguranje ulaznih parametara voltmetra: ulazni otpor u rasponu od 1 - 10 MOhm, ulazni kapacitet 1 - 30 pF.

AC pojačala se koriste za:

a) povećana osjetljivost;

b) proširenje dinamičkog opsega prema nižim izmjerenim naponima.

Za obavljanje ovih zadataka, AC pojačala moraju imati određeno i visoko stabilno pojačanje u radnom rasponu frekvencija i temperatura, niska nelinearna izobličenja, nisku intrinzičnu buku i biti neosjetljiva na fluktuacije napona napajanja, što se postiže korištenjem višestepenih pojačala pokrivenih negativnim povratne informacije.

3. DC pojačala služe za usklađivanje malog unutrašnjeg otpora magnetoelektričnog mjernog mehanizma sa velikim otporom opterećenja pretvarača. DC pojačala su podložna strogim zahtjevima u pogledu konstantnog pojačanja i malog pomaka nule, tj. spore promjene izlaznog signala u odsustvu informacijskog signala na ulazu. Realizovani su u obliku mosnih kola sa negativnom povratnom spregom.

4. Pretvarači se koriste za pretvaranje naizmjenične struje u jednosmjernu, a detektori služe kao pretvarači. Detektori se prema funkciji pretvaranja ulaznog napona u izlazni mogu klasificirati u sljedeće tipove: kvadratni, linearni, amplitudski (vršni). Tip detektora u velikoj meri određuje svojstva uređaja: na primer, voltmetri sa detektorima amplitude su oni najviše frekvencije; voltmetri s kvadratnim detektorima omogućuju mjerenje napona bilo kojeg oblika; Voltmetri sa linearnim detektorima pogodni su samo za mjerenje harmonijskih signala, ali su najjednostavniji, najpouzdaniji i najjeftiniji.

Analogni elektronski voltmetri mogu se izraditi prema dvije glavne sheme: pojačalo - pretvarač i pretvarač - pojačalo. Prvi od kola ima veliku osjetljivost, ali frekvencijski raspon takvih voltmetara je određen širinom pojasa AC pojačala i iznosi stotine kiloherca; drugi krug se koristi u voltmetrima za mjerenje napona na značajnom nivou, jer Teško je osigurati visoko pojačanje pomoću DC pojačala, ali frekvencijski raspon takvih pojačala i, shodno tome, voltmetara može biti stotine megaherca.

Elektronski voltmetri može imati otvoren ili zatvoren ulaz u odnosu na konstantnu komponentu mjerenog napona. Kada je ulaz zatvoren, krug voltmetra sadrži kondenzator za razdvajanje koji ne dozvoljava DC komponenti signala da prođe; kada je ulaz otvoren, nema takvog kondenzatora i napajaju se i AC i DC komponente signala na blokove voltmetra.

Baza elemenata koja se koristi za stvaranje voltmetara naizmjeničnog napona određena je nivoom tehnologije koji postoji u vrijeme stvaranja voltmetara (od poluvodičkih uzoraka do mikrointegriranog dizajna), međutim, funkcionalna namjena blokova ostaje nepromijenjena.

AC voltmetri (tip B3)

AC voltmetri su napravljeni prema krugu pojačalo-konverter. Kao pretvarači mogu se koristiti kvadratni ili linearni detektori.

Ako se koriste kvadratni detektori, tada se takvi voltmetri nazivaju rms voltmetri; njihov blok dijagram je prikazan na Sl. 7.10.

Crtanje. 7.10.

Kvadratni detektor pretvara AC napon na konstantu, proporcionalnu, prema formuli (7.5), kvadratu srednje kvadratne vrijednosti izmjerenog napona. To znači da mjerenje srednjeg kvadrata napona uključuje izvođenje tri operacije: kvadriranje trenutne vrijednosti signala, usrednjavanje i uzimanje korijena rezultata usrednjavanja (posljednja operacija se obično izvodi prilikom kalibracije voltmetarske skale). Kvadratura trenutnog napona obično se vrši pomoću poluvodičke diode, koristeći početni dio strujno-naponske karakteristike opisane kvadratnom ovisnošću. Međutim, dužina kvadratnog dijela karakteristike je obično mala (ne više od 100 mV); jedna od metoda za proširenje ovog odjeljka je metoda linearne aproksimacije na komade. Da bi se to postiglo, nekoliko diodnih ćelija je uključeno u detektorsko kolo i odabirom prednapona na diodama dobija se ukupna strujno-naponska karakteristika koja je po obliku bliska kvadratnoj krivulji (slika 7.11).

Slika 7.11.

Ako se linearni detektori koriste u AC voltmetrima, tada se takvi voltmetri nazivaju srednje ispravljeni voltmetri; blok dijagram takvih voltmetara prikazan je na Sl. 7.12.

Slika 7.12

U takvim voltmetrima se kao pretvarač koristi linearni detektor koji pretvara naizmjenični napon u jednosmjernu struju, proporcionalnu prosječnoj ispravljenoj vrijednosti izmjerenog napona. Takvi pretvarači se izrađuju pomoću punovalnih ispravljačkih krugova i koriste linearni dio strujno-naponske karakteristike poluvodičke diode. U poređenju sa ispravljačkim voltmetrom, analogni voltmetar sa prosečnim ispravljenim vrednostima ima veću osetljivost i manju potrošnju energije iz mernog kola. Ovi voltmetri odgovaraju na prosječnu ispravljenu vrijednost, kalibrirani su u efektivnim vrijednostima i imaju faktor kalibracije C=1.

Impulsni voltmetri (tip B4)

Impulsni voltmetri su izgrađeni prema krugu pretvarač-pojačavač, a kao pretvarač se koristi detektor amplitude, čiji izlazni napon odgovara maksimalnoj (amplitudnoj) vrijednosti izmjerenog signala. Blok dijagram impulsnog voltmetra prikazan je na sl. 7.13.

Crtanje. 7.13

Posebnost amplitudnog (vršnog) detektora je prisustvo memorijskog elementa, koji je kondenzator koji "pamti" vršnu vrijednost izmjerenog napona.

Najjednostavniji krugovi detektora amplitude:

a) detektor sa diodom spojenom u seriju (detektor sa otvorenim ulazom);

b) detektor sa diodom spojenom paralelno (detektor sa zatvorenim ulazom).

Slika 7.14

Detektor amplitude pretvara naizmjenični signal u konstantan, proporcionalan vrijednosti ulaznog signala, stoga takvi voltmetri reagiraju na maksimalne vrijednosti, kalibrirani su na maksimalne vrijednosti i imaju C = 1.

Univerzalni voltmetar (tip B7)

Univerzalni voltmetar vam omogućava mjerenje istosmjerne i naizmjenične struje. Prilikom mjerenja naizmjeničnog napona voltmetar ima sklop pretvarač-pojačavač. Kao pretvarač koristi se detektor amplitude (peak) čiji izlazni napon odgovara maksimalnoj (amplitudnoj) vrijednosti mjerenog signala. Prilikom mjerenja istosmjernog napona, on se preko ulaznog uređaja dovodi do pojačivača jednosmjerne struje i osigurava otklon igle magnetoelektričnog mjernog mehanizma. Blok dijagram univerzalnog voltmetra prikazan je na sl. 7.15.

Slika 7.15 4.12

Detektor amplitude pretvara naizmjenični signal u konstantan, proporcionalan maksimalnoj vrijednosti ulaznog signala, stoga takvi voltmetri reagiraju na maksimalnu vrijednost signala i kalibriraju se u srednjim kvadratnim vrijednostima. Ovi parametri naizmeničnog napona su međusobno povezani u skladu sa (7.7) koeficijentom amplitude, pa je koeficijent kalibracije univerzalnog voltmetra jednak

Karakteristike razmatranih voltmetara date su u tabeli 7.1.

Tabela 7.1

Tip voltmetra	Tip pretvarača	Vrijednost napona na koju reagira voltmetar, Uotk	Vrijednost napona na kojoj je kalibriran voltmetar, Ugrad	Vrijednost koeficijenta kalibracije, C
Universal	Max. značenje
Puls	Max. značenje
Srednje ravno značenje	Srednje velicine.
RMS značenje	RMS značenje
Ispraviće to.	Srednje velicine.
Teromoelectr.	RMS značenje
Electrostat.
Electrodyne.
Elektromagnetski
Magnetoelectr

V/1 – ispravljač sa poluvalnim ispravljačkim krugom

V/1 – ispravljač sa punovalnim ispravljačkim krugom

Za savladavanje gradiva iz predmeta „Mjerenje struje i napona“ planirano je rješavanje zadataka za određivanje očitanja voltmetara za različite oblike mjerenih napona.

Da biste odredili očitanja voltmetra, morate izvršiti sljedeće radnje:

1) Zapišite matematički model izmjerenog napona;

2) Razmotrite vrstu inputa; sa zatvorenim ulazom izračunati konstantni član i ukloniti ga iz izmjerenog napona;

3) Pronađite napon na koji voltmetar Uotk reaguje;

4) Pronađite očitanja voltmetra U=CUotk

Karakteristike voltmetara različitih sistema neophodnih za rešavanje ovakvih problema preuzete su iz tabele 7.1.

Treba napomenuti da su voltmetrima najbliži mjerni instrumenti psofometri i mjerači nivoa.

Psifometar je elektronski voltmetar srednjih kvadratnih vrijednosti, čija je amplitudno-frekvencijska karakteristika pojačala određena karakteristikama psozometrijskog filtera uključenog u njega. Psofometrijski filter odražava frekvencijski odziv selektivnosti organa percepcije, a njegov tip se utvrđuje na osnovu eksperimentalnih studija i preporuka CCITT-a. Tipično, uređaj uključuje dva psozometrijska filtera - sa telefonskim i emitujućim psozometrijskim karakteristikama.

Merač nivoa je kvadratni voltmetar čija je skala graduirana u logaritamskim jedinicama (decibelima). Specifična za mjerač nivoa je i mogućnost postavljanja određenih vrijednosti ulazne impedanse: 600 Ohma, što odgovara ulaznoj i izlaznoj impedansi audio frekvencijskog kanala, 150, 135 i 75 Ohma za grupne staze.

U elektronskim voltmetrima, izmjereni napon se pretvara analognim elektronskim uređajima u jednosmjernu struju, koja se dovodi do magnetoelektričnog mjernog mehanizma sa skalom graduiranom u naponskim jedinicama. Elektronski voltmetri imaju visoku osjetljivost i širok raspon mjerenih napona (od desetina nanovolti pri istosmjernoj struji do desetina kilovolti), visok ulazni otpor (više od 1 MOhm) i mogu raditi u širokom rasponu frekvencija (od jednosmjerne struje do frekvencija). reda stotine megaherca). Ove prednosti su dovele do široke upotrebe elektronskih voltmetara.

Elektronski voltmetri najčešće koriste kola sa direktnom konverzijom signala (vidi § 4-5). U ovom slučaju, analogne elektronske komponente mogu dovesti do značajnih grešaka. Ovo se posebno odnosi na mjerenje niskih ili visokofrekventnih napona. Stoga elektronski voltmetri obično imaju relativno niske klase tačnosti (1-6). Voltmetri s balansnom konverzijom, u pravilu, imaju više klase tačnosti, ali su složeniji i manje prikladni za korištenje.

Danas postoji mnogo različitih tipova voltmetara. Prema svojoj namjeni i principu rada, najčešći voltmetri se mogu podijeliti na DC, AC, univerzalne, impulsne i selektivne voltmetre.

DC voltmetri. Pojednostavljeni blok dijagram takvih voltmetara prikazan je na Sl. 6-1, gdje je ulaz

Rice. 6-1. Blok dijagram elektronskog DC voltmetra

razdjelnik napona; UPT - jednosmjerno pojačalo; MI - magnetoelektrični mjerni mehanizam. Ugao otklona pokazivača mjernog mehanizma gdje su koeficijenti konverzije (pojačanja) VD i UPT, respektivno, naponska osjetljivost mjernog mehanizma; - koeficijent konverzije elektronskog voltmetra; - izmjereni napon.

Serijski spoj djelitelja napona i pojačala je karakteristična karakteristika konstrukcije svih elektronskih voltmetara. Ova struktura omogućava da se voltmetri budu visoko osjetljivi i imaju više opsega mijenjajući njihov ukupni koeficijent konverzije u širokom rasponu. Međutim, povećanje osjetljivosti DC voltmetara povećanjem pojačanja pojačala nailazi na tehničke poteškoće zbog nestabilnosti pojačala, koju karakteriziraju promjene i drift “nule” (spontana promjena izlaznog signala) pojačala. Stoga je u takvim voltmetrima, u pravilu, glavna svrha UPT-a osigurati visok ulazni otpor voltmetra. U tom smislu, gornja granica mjerenja takvih voltmetara nikada nije niža od desetina ili jedinica milivolti.

Da bi se smanjio uticaj UPT nestabilnosti u voltmetrima, moguće je podesiti „nulu“ i koeficijent konverzije pojačala pre merenja.

Razmatrani blok dijagram DC voltmetra koristi se kao dio univerzalnih voltmetara (vidi dolje), jer uz malu komplikaciju - dodavanjem AC-to-DC pretvarača napona, postaje moguće mjeriti izmjenični napon.

Za stvaranje visoko osjetljivih DC voltmetara (mikrovoltmetara) koriste se DC pojačala, izgrađena prema kolu (modulator - demodulator) prikazanom na Sl. 6-2, a, gdje je M modulator; demodulator; G - generator; - AC pojačalo. Pojačala naizmenične struje ne prenose DC komponentu signala, pa stoga nemaju „nultu“ karakteristiku pomeranja UPT-a. Na sl. 6-2, 6 prikazuje pojednostavljeno

vremenski dijagram napona na izlazu pojedinih blokova. Generator kontroliše rad modulatora i demodulatora, koji su u najjednostavnijem slučaju analogni prekidači (vidi § 8-3), sinhrono ih zatvarajući i otvarajući sa određenom frekvencijom. Na izlazu modulatora pojavljuje se unipolarni impulsni signal čija je amplituda proporcionalna izmjerenom naponu. Naizmjenična komponenta ovog signala se pojačava pojačalom, a zatim ispravlja demodulatorom. Upotreba kontroliranog demodulatora čini voltmetar osjetljivim na polaritet ulaznog signala.

Prosječna vrijednost napona izlaznog signala proporcionalna je ulaznom naponu.Pošto ovakvo pojačalo omogućava praktično eliminisanje pomaka „nule“ i ima stabilno pojačanje, koeficijent može dostići velike vrijednosti, npr. Kao rezultat toga, za mikrovoltmetre gornja granica mjerenja na najvišoj osjetljivosti može biti jedinice mikrovolta. Dakle, mikrovoltmetar jednosmjerne struje ima gornje granice mjerenja sa osnovnom smanjenom greškom

AC voltmetri.

Takvi voltmetri se sastoje od AC-to-DC naponskog pretvarača, pojačala i magnetoelektričnog mjernog mehanizma. Postoje dva moguća generalizovana blok dijagrama voltmetara naizmenične struje (slika 6-3), koji se razlikuju po svojim karakteristikama. U voltmetrima prema dijagramu na sl. 6-3, a izmjereni napon se prvo pretvara u jednosmjerni napon, koji se zatim dovodi u UPT, koji je u suštini voltmetar jednosmjerne struje. Pr pretvarač je nelinearna veza niske inercije (vidi dolje), stoga voltmetri sa takvom strukturom mogu raditi u širokom frekventnom rasponu

Rice. 6-2. Blok dijagram (a) i vremenski dijagram signala (b) elektronskog DC voltmetra s pojačalom

Rice. 6-3. Blok dijagrami AC voltmetara

opseg (od desetina herca do MHz). Da bi se smanjio uticaj distribuiranih kapacitivnosti i induktiviteta ulaznog kabla i ulazno kolo Pretvarači uređaja se obično izrađuju u obliku daljinskih sondi. Istovremeno, navedeni nedostaci UPT-a i posebnosti rada nelinearnih elemenata na niskim naponima ne dopuštaju da se takvi voltmetri postanu visoko osjetljivi. Obično je njihova gornja granica mjerenja pri maksimalnoj osjetljivosti desetine do nekoliko milivolti.

U voltmetrima napravljenim prema shemi 6-3, b, zahvaljujući preliminarnom pojačanju, moguće je povećati osjetljivost. Međutim, stvaranje AC pojačala sa visokim pojačanjem koji rade u širokom frekventnom opsegu prilično je težak tehnički zadatak. Stoga takvi voltmetri imaju relativno nizak frekventni opseg (1 - 10 MHz); gornja granica mjerenja pri maksimalnoj osjetljivosti je desetine ili stotine mikrovolti.

U zavisnosti od tipa AC-DC pretvarača napona, odstupanja indikatora mjernog mehanizma voltmetara mogu biti proporcionalna amplitudi (vrh), prosjeku (prosječno ispravljenom) ili efektivnim vrijednostima izmjerenog napona. U tom smislu, voltmetri se nazivaju, respektivno, voltmetrima amplitude, srednje ili efektivne vrijednosti. Međutim, bez obzira na vrstu pretvarača, skala AC voltmetara se u pravilu kalibrira u efektivnim vrijednostima napona sinusoidnog oblika.

Voltmetri amplitudnih vrijednosti imaju pretvarače amplitudnih vrijednosti (peak detektore) sa otvorenim (sl. 6-4, a) ili zatvorenim (sl. 6-5, a) ulazima, gdje su ulazni i izlazni naponi pretvarača. Ako

Rice. 6-4. Sklop (a) i vremenski dijagrami signala (b i c) pretvarača amplitudnih vrijednosti (peak detektor) s otvorenim ulazom

Rice. 6-5. Sklop (a) i vremenski dijagrami signala (b) pretvarača amplitudnih vrijednosti sa zatvorenim ulazom

Voltmetar ima strukturu kao na sl. 6-3, a, zatim za pretvarač U amplitudnim pretvaračima sa otvorenim ulazom, kondenzator je napunjen skoro do njihove maksimalne pozitivne (za dato uključivanje diode) ulaznog napona (vidi sliku 6-4, b). Mreškanje napona na kondenzatoru se objašnjava njegovim punjenjem kada je dioda otvorena, kada i njegovim pražnjenjem kroz otpornik kada je dioda zatvorena, kada Kao što se može vidjeti sa slike, otključavanje diode i ponovno punjenje kondenzatora dolazi samo na kratko. periodi vremena 0, određeni vremenskim konstantama punjenja i pražnjenja Da bi talasi napona na izlazu pretvarača bili beznačajni, potrebno je osigurati gdje su gornja i donja granica frekvencijskog opsega voltmetra. U ovom slučaju, prosječna vrijednost izlaznog napona, dakle, ugao odstupanja kazaljke mjernog mehanizma

gdje je koeficijent konverzije voltmetra.

Karakteristika amplitudnih pretvarača sa otvorenim ulazom je da oni propuštaju konstantnu komponentu ulaznog signala (pozitivnu za datu vezu diode). Dakle, pri (vidi sliku 6-4, c) prosječna vrijednost izlaznog napona Dakle, Očigledno, na pokretnom dijelu IM neće odstupiti, jer je u ovom slučaju dioda zatvorena

U pretvaračima sa zatvorenim ulazom (sl. 6-5, a, b), u stacionarnom stanju postoji pulsirajući napon na otporniku, bez obzira na prisustvo konstantne komponente ulaznog signala, koji varira od 0 do amplituda naizmjenične komponente ulaznog napona. Prosječna vrijednost ovog napona je skoro jednaka Da bi se smanjilo talasanje izlaznog napona u takvim pretvaračima

ugrađen je niskopropusni filter.Tako se očitavanja voltmetra u ovom slučaju određuju samo amplitudnom vrijednošću naizmjenične komponente ulaznog napona, tj.

Pri mjerenju elektronskim voltmetrima treba uzeti u obzir karakteristike amplitudnih pretvarača s otvorenim i zatvorenim ulazima.

S obzirom da je voltmetarska skala baždarena u efektivnim vrijednostima sinusoidnog napona, pri mjerenju napona drugih oblika potrebno je izvršiti odgovarajući preračun ako je poznat amplitudski koeficijent mjerenog napona. Amplitudna vrijednost izmjerenog napona nesinusoidnog oblika gdje je koeficijent amplitude sinusoida; vrijednost napona izmjerena na skali instrumenta. Efektivna vrijednost izmjerenog napona gdje je koeficijent amplitude izmjerenog napona.

Voltmetri srednje vrijednosti imaju AC-DC pretvarače napona slične pretvaračima koji se koriste u ispravljačkim uređajima (vidi § 5-4). Takvi voltmetri obično imaju strukturu prikazanu na sl. 6-3, b. U tom slučaju se na ispravljački pretvarač dovodi predpojačani napon, koji povećava osjetljivost voltmetara i smanjuje utjecaj nelinearnosti diode. Ugao otklona pokretnog dijela mjernog mehanizma kod ovakvih voltmetara proporcionalan je prosječnoj ispravljenoj vrijednosti izmjerenog napona, tj.

Skala takvih voltmetara je također kalibrirana u efektivnim vrijednostima sinusoidnog napona. Prilikom mjerenja nesinusoidnog napona, prosječna vrijednost ovog napona i efektivna je gdje je očitavanje voltmetra; - faktor oblika sinusoida; - faktor oblika izmjerenog napona.

RMS voltmetri imaju pretvarač izmjeničnog napona s kvadratnom statičkom karakteristikom konverzije. Kao takvi pretvarači koriste se termički pretvarači, uređaji za kvadraturu sa djelično linearnom aproksimacijom parabole, vakuumske cijevi i drugi. Štaviše, ako je voltmetar efektivne vrijednosti napravljen prema blok dijagramima prikazanim u

Rice. 6-6. Šema električnog voltmetra efektivne vrijednosti (s ujednačenom skalom)

pirinač. 6-3, tada je, bez obzira na oblik krive izmjerenog napona, odstupanje pokazivača mjernog mehanizma proporcionalno kvadratu efektivne vrijednosti izmjerenog napona:

Kao što vidite, takav voltmetar ima kvadratnu skalu.

U frekvencijskom opsegu

5 Hz - 5 MHz.

Pored razmatranih AC voltmetara, trenutno se proizvode voltmetri za diodnu kompenzaciju.

Princip rada takvih voltmetara je ilustrovan dijagramom na Sl. 6-7, a, čiji su glavni elementi: dioda D; visoko osjetljivi magnetoelektrični galvanometar - nulti indikator, primjerni razdjelnik napona ODN. Na osnovu idealizovanog prikaza strujno-naponske karakteristike diode (sl. 6-7, b) u obliku isprekidane linije, možemo pretpostaviti da u odsustvu napona primenjenog na ulaz voltmetra njihova struja ne teče kroz diodu. Kada je napon povezan, neka struja počinje da teče kroz diodu, uzrokujući odstupanje indikatora nule. Povećanjem (modulo) kompenzacionog napona postižemo odsustvo struje kroz NI. U trenutku kada struja u NI nestane, računanje se uzima u skladu sa položajem JEDNOG ručke. Visoka osetljivost NI i visoka preciznost UK instalacije omogućavaju dobijanje malih grešaka merenja (do 0,2%).

Ovi voltmetri su najprecizniji od postojećih elektronskih voltmetara, imaju visoku ulaznu impedanciju i širok raspon frekvencija (do MHz). Nedostatak uređaja je poteškoća u radu.

Diodni kompenzacijski voltmetri mogu se koristiti za precizno mjerenje sinusoidnog napona, kao i za provjeru i kalibraciju elektronskih voltmetara. Među različitim tipovima postoje voltmetri dizajnirani za mjerenje i periodičnih i impulsnih

stres. Takav uređaj je kompenzacijski voltmetar koji ima gornje granice mjerenja i osnovnu grešku na jednosmjernu struju na naizmjeničnu struju u frekvencijskom području od 20 Hz

Uz voltmetre, industrija instrumentacije proizvodi mjerne pretvarače za napon (AC i DC) i struju (AC i DC) u objedinjeni DC signal. Principi konstruisanja ovakvih pretvarača u mnogome su slični razmatranim principima konstruisanja elektronskih voltmetara. Posebnost pretvarača je nepostojanje mjernog mehanizma na izlazu.

Univerzalni voltmetri.

Takvi voltmetri su dizajnirani za mjerenje DC i AC napona. Generalizovani blok dijagram prikazan je na Sl. 6-8, gdje je B prekidač. U zavisnosti od položaja prekidača B, voltmetar radi prema krugu AC voltmetra sa pretvaračem P (položaj ili DC voltmetar (položaj 2).

Univerzalni voltmetri, koji se nazivaju i kombinovani, često pružaju mogućnost mjerenja otpora. Takvi voltmetri imaju pretvarač čiji izlazni napon zavisi od nepoznatog otpora: (vidi § 6-5). Na osnovu ove zavisnosti, skala uređaja se kalibrira u jedinicama otpora. Prilikom mjerenja na ulazne stezaljke pretvarača spojen je otpornik nepoznatog otpora, a prekidač je postavljen u položaj 3.

Mjereni impulsi (od 10-100 ns) i značajan radni ciklus (do 109), gdje je T period ponavljanja impulsa.

Impulsni voltmetri su kalibrirani u vrijednostima amplitude izmjerenih impulsa.

Impulsni voltmetri se mogu napraviti prema blok dijagramu na sl. 6-3, a, u ovom slučaju se koriste pretvarači vrijednosti amplitude s otvorenim ulazom, čiji izlazni napon mora biti jednak amplitudi mjerenih impulsa. Visok radni ciklus impulsa i njihovo kratko trajanje postavljaju stroge zahtjeve za pretvarače amplitudnih vrijednosti. Stoga moderni impulsni voltmetri koriste kompenzacijske krugove amplitudnih pretvarača (sl. 6-9). Ulazni impulsi pune kondenzator.Izmjeničnu komponentu napona na ovom kondenzatoru, uzrokovanu punjenjem njegovih mjerenih impulsa i pražnjenjem između impulsa (slično kao na slici 6-4, c), pojačava AC pojačalo i ispravlja pomoću Vremenska konstanta kola je odabrana dovoljno velika, tako da se napon na kondenzatoru u intervalu između impulsa neznatno mijenja. Iz izlaza pretvarača, kompenzacijski napon se primjenjuje na kondenzator pomoću povratnog otpornika. Uz veliko pojačanje pojačala, to dovodi do značajnog smanjenja naizmjenične komponente napona na kondenzatoru, uslijed čega je, u stacionarnom stanju, napon na ovom kondenzatoru gotovo jednak amplitudi izmjerenih impulsa. , a izlazni napon je proporcionalan ovoj amplitudi:

Normativno-tehnička dokumentacija za impulsne voltmetre ukazuje na raspon dopuštenih vrijednosti trajanja impulsa (ili njihove frekvencije) i radnog ciklusa, pri kojem su greške voltmetara unutar normaliziranih vrijednosti. Dakle, impulsni voltmetar ima gornje granice mjerenja od 2,5, 10, 20 V i osnovnu grešku

Rice. 6-10. Spektar određenog signala i amplitudno-frekvencijski odziv idealnog propusnog filtera

Sa brzinom ponavljanja impulsa od 1 Hz - 300 MHz i radnim ciklusom od 2 do 3,108.

Selektivni voltmetri.

Takvi voltmetri su dizajnirani da mjere efektivnu vrijednost napona u određenom frekventnom opsegu ili efektivnu vrijednost pojedinih harmonijskih komponenti mjerenog signala.

Princip rada selektivnog voltmetra je da izoluje pojedinačne harmonijske komponente signala ili signala uskog frekventnog opsega pomoću podesivog propusnog filtera i meri efektivnu vrednost izolovanih signala. Na sl. 6-10, pune okomite linije prikazuju spektar određenog izmjerenog signala, a isprekidana linija prikazuje idealizirani amplitudno-frekvencijski odziv propusnog filtera koji ima koeficijent prijenosa - za Osim toga, spektar mjerenog signala može biti tako da će proći kroz propusni filter unutar Leo propusnog pojasa odmah nekoliko harmonijskih komponenti ovog signala. U tim slučajevima, selektivni voltmetar mjeri efektivnu vrijednost zbira harmonijskih komponenti koje prolaze kroz filter, uzimajući u obzir stvarne koeficijente prijenosa za svaku komponentu. Ovaj signal odgovara harmonijskoj komponenti mjerenog signala sa frekvencijom. Efektivna vrijednost ove harmonijske komponente se mjeri voltmetrom efektivne vrijednosti. Promjenom frekvencije generatora, efektivna vrijednost različitih harmonijskih komponenti signala može se izmjereno.

Funkciju propusnog filtera u ovom kolu obavlja pojačalo. Zahvaljujući fiksnoj (nepodesivoj) vrijednosti frekvencije podešavanja pojačala, ovo pojačalo ima visoko pojačanje i uski propusni opseg, što osigurava visoku osjetljivost i selektivnost selektivnog voltmetra.

Industrija proizvodi selektivni mikrovoltmetar sa gornjim granicama mjerenja, glavna greška u frekvencijskom opsegu 20 Hz - 100 kHz.

U različitim uvjetima radiotehničke prakse, jedan od najpotrebnijih uređaja je multi-opsežni AC voltmetar, koji održava visoku ulaznu impedanciju i prilično visoku točnost mjerenja u širokom rasponu niskih i visokih frekvencija.

Rice. 1. Ekvivalentno kolo ulaza visokofrekventnog voltmetra.

Ulazna impedansa AC voltmetara je složena. U nekim slučajevima se može predstaviti u vidu paralelnog povezivanja elemenata ulaznog aktivnog otpora Rv i ulaznog kapaciteta Cv (slika 1), od kojih je poželjno da prvi bude što veći, a drugi kao što je moguće manji. Na visokim frekvencijama

također je potrebno uzeti u obzir utjecaj induktivnosti L žica koje povezuju ulaz voltmetra sa strujnim krugom koji se proučava. Uz veliku dužinu spojnih žica, pad napona na induktivitetu L pr može dovesti do primjetnog smanjenja napona koji se dovodi do voltmetra, a vanjska električna i magnetska polja će izazvati značajnu emisiju u žicama. d.s. Pored toga, induktivnost L se formira sa kapacitivnošću C u serijski oscilatorni krug sa sopstvenom rezonantnom frekvencijom

f in = 1/(2π*(L pr *S in) 0,5). (1)

Prilikom mjerenja napona čija je frekvencija blizu fv, voltmetar će dati napuhana očitanja dok mu se ulazni otpor naglo smanjuje. Stoga je maksimalna radna frekvencija visokofrekventnog voltmetra obično ograničena na vrijednost

f max = (0,1...0,2)f in, (2)

u kojoj rezonantne pojave još ne utiču značajno na tačnost merenja. Uz dužinu spojnih žica od približno 20 cm i poznatu ulaznu kapacitivnost C (u pikofaradima), maksimalna radna frekvencija voltmetra (u megahercima) može se približno odrediti empirijskom formulom

f max ≈ 200/C na 2.

Na primjer, s kapacitetom od nekoliko jedinica pikofarada, frekvencija fmax doseže desetine megaherca, ali ako je Cv > 15 pF, onda ne prelazi 1 MHz.

Za mjerenje naizmjeničnih napona u širokom rasponu frekvencija koriste se elektrostatički, termoelektrični i elektronski voltmetri.

Elektrostatički voltmetri su zasnovani na principu elektrostatičke interakcije naelektrisanih metalnih tela i izrađuju se u klasama tačnosti 0,5; 1.0 i 1.5. Njihov frekvencijski opseg se kreće od nekoliko herca do 1-30 MHz. Za krug koji se proučava, oni predstavljaju samo kapacitivno opterećenje koje ne prelazi 10-30 pF. Nedostaci voltmetara su teškoća promjene granice mjerenja, zbog čega su uređaji najčešće jednogranični, te niska osjetljivost (gornja granica mjerenja je najmanje desetine volti), što određuje njihovu primarnu upotrebu za mjerenje visokih napona. Elektrostatički voltmetri su pogodni za mjerenje konstantnih napona, posebno visokih, na primjer na anodama slikovnih cijevi; Štaviše, njihov ulazni otpor se praktično može smatrati beskonačno velikim.

Termoelektrični voltmetri imaju ograničenu upotrebu na frekvencijama od 20 Hz do 1-20 MHz. Njihovi glavni nedostaci su mali ulazni otpor, obično ne veći od 10 kOhm, i nizak kapacitet preopterećenja.

Najčešći i univerzalni uređaji su elektronski voltmetri naizmjenične struje. Njihove glavne karakteristike su: visoka osjetljivost i široke granice mjerenja, koje, kada se koriste pojačala i razdjelnici napona, pokrivaju raspon napona od jedinica mikrovolta do hiljada volti; nizak ulazni kapacitet (nekoliko pikofarada) i visok ulazni aktivni otpor (do desetina megoma); širok raspon radnih frekvencija (od desetina herca do stotina megaherca); sposobnost da izdrži teška preopterećenja. Nedostaci elektronskih voltmetara uključuju: potrebu za napajanjem iz stabilnih izvora istosmjernog ili izmjeničnog napona; potreba za električnim podešavanjem igle mjerača na nulu ili kalibriranjem voltmetra prije početka mjerenja; relativno velika greška merenja (do 3-5%).

Prema principu rada, elektronski voltmetri se dijele u dvije glavne grupe: pojačalo-detektorski voltmetri, kod kojih se izmjereni napon prvo pojačava, a zatim ispravlja za potrebe indikacije pomoću DC mjerača, i detektorsko-pojačivački voltmetri, u kojima se izmjereni napon se ispravlja, a zatim pojačava jednosmernom strujom. Ovisno o vrsti aktivnih elemenata koji se koriste, razlikuju se tranzistorski i cijevni voltmetri.

Voltmetri tipa “detektor-pojačavač” često su dizajnirani kao univerzalni AC i DC voltmetri ili kao kombinovani instrumenti koji omogućavaju mjerenje, pored AC i DC napona, nekih parametara elemenata radio kola.

Elektronski voltmetri široke upotrebe, u pravilu, imaju skale čije se očitavanje vrši u srednjim kvadratnim vrijednostima izmjerenog sinusoidnog napona. Neki uređaji su opremljeni dodatnom skalom s očitavanjem relativnih vrijednosti prijenosnog nivoa (u decibelima).

Posebni tipovi elektronskih voltmetara uključuju selektivne, pulsne, logaritamske, fazno osjetljive, kompenzacijske i digitalne voltmetre.

Voltmetri osjetljivi na fazu se koriste za mjerenje amplitudno-frekventnih i fazno-frekventnih karakteristika različitih niskofrekventnih četveropola - pojačala, filtera itd. Ulazni Uin i izlazni Uout naponi iz uređaja koji se proučava se istovremeno napajaju voltmetru. Voltmetar ima dva metra. Jedan od njih prikazuje stvarnu komponentu Ud izmjerenog napona Uout, koja je u fazi sa naponom Uin. Drugi mjerač pokazuje imaginarnu komponentu Umn napona Uout, pomjerenu u fazi u odnosu na napon Uin za 90°. Na osnovu očitavanja oba brojila, možete izračunati vrijednost (modul) izlaznog napona:

Uout = (U d 2 + U mn 2) 0,5

i fazni pomak:

φ = arctg (U pl /U d).

Kompenzacijski elektronski voltmetri zasnovani na kompenzacijskoj metodi mjerenja (pogledajte Diferencijalne i kompenzacijske metode za mjerenje jednosmjernih napona) koriste se kao standardni voltmetri prilikom provjere karakteristika kalibracije napona elektronskih AC voltmetara i mjernih generatora.

Razdjelnici ulaznog napona elektronskih voltmetara.

Elektronski voltmetri, bez kompliciranja njihovih kola, mogu mjeriti velike naizmjenične napone samo ako je na ulaz priključen otpornički ili kapacitivni djelitelj napona. Razdjelnici ulaznog napona (VDN) izrađuju se kao poseban priključak na voltmetar (slika 2) ili su strukturno kombinovani s njim (slika 4); u potonjem slučaju, voltmetar je dopunjen prekidačem, pružajući mogućnost rada sa ili bez VDN-a.

Upotreba VDN-a dovodi do povećanja greške mjerenja, što je posebno uočljivo kod velikog broja stupnjeva podjele. Stoga se VDN obično izvode u jednoj fazi, ali kada praveći pravi izbor faktor podjele N, postaje moguće udvostručiti broj granica mjerenja samog voltmetra. Pretpostavimo da voltmetar ima gornje granice mjerenja od 1,3, 10 i 30 V, koje su određene podešavanjem nekog prekidača u njegovom kolu; tada, pri povezivanju VDN sa N = 100, možete dobiti dodatne granice merenja od 100, 300, 1000 i 3000 V. U slučaju konstruktivne kombinacije VDN sa voltmetrom, za dobijanje osam specificiranih granica merenja, mogu se koristiti dva odvojena prekidača. koristi se za dva položaja (x1 i x100 ) i četiri položaja (1-3-10-30 V) ili jedan zajednički prekidač sa povećanim brojem sekcija za osam položaja (1-3-10-30-100-300 -1000-3000 V).

Otporni djelitelj napona se sastoji od dva serijski spojena neinduktivna i kapacitivna otpornika (slika 2, a). Iz otpornika R2, na ulaz voltmetra se dovodi strogo definirani dio izmjerenog napona, jednak Ux/N i specificiran koeficijentom podjele

N = (R1 + R2v)/R2v,

koji je množitelj očitavanja voltmetra i obično se uzima u rasponu od 10-100. Evo

R2v = R2Rv/(R2+Rv)

predstavlja ukupni otpor drugog kraka VDN-a uzimajući u obzir ranžirni efekat ulaznog aktivnog otpora

voltmetar Rv. Ako je Rv >> R2, onda možemo smatrati R2v ≈ R2. Ali pri malom faktoru podjele N, otpori Rv i R2 ponekad se ispostavi da su uporedivi, budući da se ukupni otpor VDN-a, koji u suštini određuje ulazni aktivni otpor mjernog kruga, mora odabrati reda veličine megoma. Tada će otpor Rv značajno utjecati na potrebnu vrijednost otpora R2, utvrđenu formulom

R2 = RvR1/((N-1)Rv - R1) = RvR2v/(Rv-R2v)

Stoga je svaki VDN obično dizajniran da radi samo s određenim tipom voltmetra.

Rice. 2. Kola djelitelja ulaznog napona otpornog (a) i kapacitivnog (b) tipa.

Nedostatak otpornog VDN-a je ovisnost koeficijenta podjele o frekvenciji f izmjerenog napona zbog utjecaja ulaznog kapaciteta C voltmetra, čiji otpor na visokim frekvencijama može biti uporediv sa otporima R2 i Rv . Uzimajući u obzir kapacitet St, stvarni koeficijent podjele je

N" ≈ (N 2 + (2π*f*Cv*R1) 2) 0,5.

Na primjer, sa N = 10, R1 = 9 mOhm, R2v = 1 mOhm i Sv = 10 pF na frekvenciji f = 1 kHz dobijamo N" ≈ 10, sa f = 10 kHz imamo N" ≈ 11,5, a sa f = 100 kHz N" ≈ 57,5. Takođe treba uzeti u obzir da sa povećanjem frekvencije ulazni otpor voltmetara Rv opada iz više razloga, što povećava grešku merenja. Stoga je upotreba otpornih VDN ograničena na niskofrekventni opseg, kao i tradicionalno područje konstantnih napona.

Primetno povećanje gornje granične frekvencije otpornih VDN može se postići na dva načina. Prvo, smanjenjem ukupnog otpora pumpe visokog pritiska (što, međutim, nije uvek prihvatljivo). Ako, na primjer, uzmemo Rx = 0,9 mOhm i R2v = 0,1 mOhm, tada pri Sv = 10 pF i izmjerenim frekvencijama napona od 1 i 10 kHz dobijamo N" ≈ 10, pri f = 100 kHz imamo N" ≈ 11 , 5 i samo pri f = 1 MHz N" ≈ 57.5. Druga metoda je korištenje frekvencijske korekcije. Ovo se postiže ranžiranjem razdjelnih otpornika R1 i R2 sa kondenzatorima C1 i C2, respektivno, kao što je prikazano isprekidanom linijom na dijagramu na slici 2, a Kapacitet kondenzatora (uzimajući u obzir ulazne podatke voltmetra) je odabran tako da oba dijela VDN-a imaju iste vremenske konstante, tj.

R1C1 = R2v (S2 + Sv).

U ovom slučaju, kapacitivnost kondenzatora C1 će praktično odrediti ulazni kapacitet mjernog kruga; drugi kondenzator mora imati kapacitet

C2 = C1(N-1)-Cb.

Jedan od ovih kondenzatora (obično C1) uzima se kao tip podešavanja, što olakšava otklanjanje grešaka VDN-a. Koristeći obje razmatrane metode u kombinaciji, moguće je proširiti gornju granicu primjenjivosti frekvencije otpornih VDN-a na 1-10 MHz.

Prilikom mjerenja visokofrekventnih napona, kapacitivni djelitelji napona daju dobre rezultate (slika 2, b). Jedan od razdjelnih kondenzatora obično omogućava podešavanje kapacitivnosti, što vam omogućava da kompenzirate utjecaj ulaznog kapaciteta Sv; u ovom slučaju koeficijent podjele

N = (C1 + C2 + Cv)/S1

Da bi se smanjio ulazni kapacitet mjernog kruga, poželjno je da kapaciteti kondenzatora C1 i C2 budu mali. Ali takav VDN će biti prikladan za mjerenja samo u visokofrekventnom području, jer kako se frekvencija smanjuje, otpor kondenzatora C2 može se pokazati usporedivim s otporom R3 voltmetra. Stoga se za mjerenje napona na nižim frekvencijama ponekad koriste odvojeni VDN-ovi s povećanim vrijednostima kapacitivnosti.

Prilikom konstruiranja VDN-a povezanih na visokonaponska kola, potrebno je osigurati dobru izolaciju između ulaznih stezaljki kako bi se izbjegao kvar između njih i povećanje dielektričnih gubitaka, kao i predvidjeti mjere koje povećavaju sigurnost rada.

Zadatak 1. Elektronski voltmetar ima gornje granice mjerenja od 3, 6, 15 i 30 V pri Rv = 5 MOhm i C3 - 15 pF. Izračunajte otporni djelitelj napona za voltmetar koji proširuje granice mjerenja na 600 V sa ulaznim aktivnim otporom = 10 MOhm. Odrediti graničnu frekvenciju fmax na kojoj dodatna greška uzrokovana promjenom koeficijenta podjele ne prelazi 5%.

Odgovor: N = 20; u ovom slučaju će se dobiti dodatne granice mjerenja sa gornjim vrijednostima od 60, 120, 300 i 600 V. R2v = 500 kOhm; R1 = 9,5 MOhm; R2 = 556 kOhm.

Maksimalna dozvoljena vrijednost Nmax = 1,05N = 21 javlja se na frekvenciji

fmax = (N max 2 -N 2) 0,5 / (2πCvR1) = 7,15 kHz.

Odgovor: C1 ≈ C"v = 5 pF; C2 = 80 pF.

Elektronski voltmetri tipa "pojačalo - detektor".

Voltmetri ispravljača su prikladni za mjerenje samo relativno velikih naizmjeničnih napona - najmanje desetina volta. Ako se napon koji im se dovodi podvrgne preliminarnom pojačanju, tada postaje moguće mjeriti male naizmjenične napone. Rezultirajući uređaj je elektronski milivoltmetar tipa "pojačalo-detektor".

Rice. 3. Funkcionalni dijagram višegraničnog elektronskog voltmetra tipa “pojačalo-detektor”.

Ako je potrebno mjeriti male i velike napone, uređaj je višeopseg; u ovom slučaju, na svim granicama mjerenja, ulazni naponi se dovode do početne (najniže) granice pomoću kalibriranih djelitelja napona, čiji koeficijenti podjele određuju množitelje na skali očitavanja magnetoelektričnog brojila priključenog na izlaz ispravljačkog kola . IN opšti slučaj Funkcionalni dijagram višegraničnog voltmetra odgovara onom prikazanom na sl. 3.

Nastoje da voltmetarski pojačavač učine širokopojasnim, odnosno poduzimaju posebne mjere kako bi osigurali konstantno pojačanje unutar širokog frekvencijskog pojasa, kao i kada napon napajanja, temperatura i parametri elemenata kola variraju u određenim granicama. U ove svrhe smanjuje se otpor opterećenja stepena pojačala, koriste se krugovi kompenzacije frekvencije i temperature, a način rada se stabilizuje; potonje se postiže korištenjem duboke negativne povratne sprege (o.f.s.) za direktne i naizmjenične napone. Budući da se pojačanje stepena pojačala smanjuje kako širina pojasa pojačavačkog stepena raste, širokopojasno pojačalo mora biti napravljeno višestepeno, a potreban broj stupnjeva je veći što je raspon frekvencija širi i što je početna granica mjerenja niža koja određuje traženu dobitak. U praksi, voltmetar sadrži 3-5 stupnjeva pojačanja, a gornja granica njegovih radnih frekvencija ne prelazi 1 MHz. Kada je radni opseg voltmetra ograničen na područje niske frekvencije, potreban broj stupnjeva pojačanja se smanjuje i nema potrebe za složene šeme korekcija frekvencije, povećava se ukupna stabilnost rada.

Minimalna moguća vrijednost napona mjerena voltmetrom ograničena je unutarnjim nivoom buke pojačala, koji ovisi o svojstvima buke tranzistora ili lampe ulaznog stupnja. Kako bi se smanjio utjecaj raznih smetnji i AC pozadine, voltmetar se pažljivo provjerava i naponi napajanja su dobro filtrirani.

Mjerne jedinice voltmetara tipa “pojačalo-detektor” obično su ispravljačka kola napunjena na magnetoelektrična brojila, slično onima o kojima se govori u odjeljcima Mjerne jedinice ispravljačkih uređaja i Ispravljački voltmetri. Budući da je ispravljač preko razdjelnog kondenzatora spojen na izlaz pojačala, ako na ulazu nema mjerenog napona, nema struje u krugu brojila; stoga, nema potrebe za postavljanjem “nule” brojila.

Da bi se smanjio utjecaj na strujna kola koja se proučavaju i osigurala uporedivost očitavanja pri mjerenju malih i velikih napona, voltmetar mora imati ulazni otpor koji održava visoku i, ako je moguće, stabilnu vrijednost na svim granicama mjerenja. Ulazni (aktivni) otpor može doseći nekoliko megoma kada se na ulaz voltmetra ugradi katodni sljedbenik.“Međutim, u modernim mjernim instrumentima izbjegavaju korištenje vakuumskih cijevi ako se slični ili slični rezultati mogu postići korištenjem poluvodičkih elemenata.

AC voltmetar na tranzistorima može se napraviti slično tranzistorskom DC voltmetru (vidi Tranzistor DC voltmetri), odnosno na bazi osjetljivog tranzistorskog AC mikroampermetra spojenog u seriju sa dodatnim otpornicima. Međutim, ulazni otpor takvog voltmetra ovisi o granici mjerenja i pri niskim izmjerenim naponima možda neće biti dovoljno velik; Osim toga, reaktivni parametri dodatnih otpornika ograničavaju mogućnosti korištenja voltmetra na visokim frekvencijama.

Kada se koriste bipolarni tranzistori, najveći stabilni ulazni otpor (stotine kilo-oma) je osiguran kada se na ulaz voltmetra spoji odgovarajući stepen prema krugu emitera. Ako je ulazni stupanj sljedbenik izvora (koristeći tranzistore s efektom polja), tada ulazni otpor doseže nekoliko megoma. Izvorni sljedbenici (kao i katodni i emiterski sljedbenici) imaju, kao što je poznato, mali ulazni kapacitet (nekoliko pikofarada) i mali izlazni otpor, pa se ispostavlja da su širokopojasni. Niska izlazna impedansa repetitora olakšava njegovo usklađivanje sa ulazom niske impedancije narednih stepena pojačala, koji može raditi na bipolarni tranzistori prema krugovima koji obezbjeđuju stabilno pojačanje napona u potrebnom frekvencijskom opsegu.

U većini voltmetara, glavni višestepeni djelitelj napona je direktno opterećenje ulaznog stepena usklađivanja (sljedbenika) i stoga može imati nisku impedanciju (hiljade ili stotine oma); ovo olakšava precizan odabir otpornika i omogućava da se do frekvencija od nekoliko megaherca radi bez korekcije frekvencije. Razdjelnik ulaznog napona ili je odsutan ili je jednostepeni sa velikim koeficijentom podjele i elementima za korekciju frekvencije (vidi odjeljak).

Na sl. Slika 4 prikazuje dijagram tranzistorskog voltmetra sa više opsega koji radi u frekvencijskom opsegu 20 Hz-200 kHz i ima gornje granice za mjerenje naizmjeničnih napona (u rms vrijednostima) od 10-30-100-300-1000 V. Ulazni stupanj je sljedbenik izvora na tranzistoru T1, čije je opterećenje niskootporni djelitelj napona R4-R8. Na ulazu uređaja nalazi se drugi frekventno kompenzovani djelitelj napona R1, C1, R2, C2 sa koeficijentom podjele N = 1000. U zavisnosti od postavke prekidača B1, mjere se gornje granice mjerenja na skali prekidača B2. u milivoltima ili voltima. Prilikom mjerenja niskih napona, razdjelnik ulaznog napona se ne koristi i, kako ne bi smanjio ulazni otpor voltmetra, isključuje se iz kola uređaja.

Glavno pojačanje izmjerenog napona vrši se stepenicama pojačanja na bipolarnim tranzistorima T2 i T3, povezanim u kolo sa zajedničkim emiterom. Da bi se osiguralo značajno pojačanje, potrebno je odabrati tranzistori sa Vst koeficijentom od približno 100. Proširenje frekvencijskog odziva voltmetra je olakšano direktnim (galvanskim) spregom između stupnjeva pojačala, kao i prisustvom na ulazu tranzistora T2 dva paralelno spojena razdjelna kondenzatora C5 i C6, koji imaju nizak otpor, odnosno niske i visoke frekvencije. Kako bi se relativno visok izlazni otpor pojačala uskladio sa niskim otporom mjerne jedinice, na izlazu je ugrađen emiterski sljedbenik na tranzistoru T4.

Stabilizacija režima rada pojačala se postiže upotrebom o. O. With. konstantnim naponom od emitera tranzistora T3 do baze tranzistora T2 preko podešenog otpornika R11. Potonji vam omogućava da prilagodite dubinu povratne informacije, a time i pojačanje, koje se koristi pri kalibraciji voltmetra.

Da bi se osigurala potrebna širina frekvencijskog pojasa i povećala linearnost skale, u voltmetru djeluje jako o. O. With. naizmeničnim naponom od emitera tranzistora T4 do emitera tranzistora T2 preko elektrolitičkog kondenzatora C9, ispravljača merne jedinice i otpornika R19; Stupanj povratne sprege se podešava prilikom postavljanja uređaja pomoću trim otpornika R12. Određeno poboljšanje u linearnosti skale može se postići zamjenom dvije ispravljačke diode (D3 i D4) elektrolitički kondenzatori veliki kapacitet, kao i korištenje poluvalnog ispravljačkog kruga.

Rice. 4. Dijagram tranzistorskog voltmetra tipa "pojačalo - detektor".

Neki elektronski voltmetri uključuju kalibrator, koji proizvodi referentni naizmjenični napon koji se koristi za provjeru i ispravljanje osjetljivosti uređaja. Za rad kalibratoru je potreban sinusoidalni izvor napona, tako da je lako kompatibilan sa voltmetrima lampe koji se napajaju izmjeničnom strujom. Tranzistorski voltmetri ponekad pružaju mogućnost povezivanja ulaza kalibratora na vanjski izvor naizmjenične struje ili uključuju DC-na-AC naponski pretvarač male snage u dizajn voltmetra.

Najjednostavniji, ali najpouzdaniji kalibrator je kalibrator silikonske zener diode (slika 5). Dve identične zener diode D1 i D2, međusobno povezane, obezbeđuju stabilizaciju oba polutalasa naizmeničnog napona U na nivou stabilizacijskog napona Ust koji ih karakteriše, pod uslovom da je U > Ust. Ako se stabilizacija provodi kada se struja kroz zener diode mijenja unutar granica Imin - Imax, tada ograničavajući otpornik R1 mora imati otpor

R1 = (U-Ust)/((Imax-Imin)/2 + Ust/(R2 + R3)).

Ukupni otpor djelitelja napona R2, R3 trebao bi biti desetine puta manji od ulaznog otpora voltmetra i istovremeno dovoljno velik da ne bi zamjetno opteretio izvor napajanja. Njegov koeficijent podjele je odabran tako da se dobije stabilizirani napon na izlazu jednak jednoj od niskonaponskih mjernih granica Up. Prilikom podešavanja kalibratora, željeni napon se precizno podešava podešavanjem potenciometra R3 (prema očitanjima referentnog voltmetra). Prije početka mjerenja, ovaj napon se primjenjuje na ulaz kalibriranog voltmetra, uključuje se na odgovarajuću granicu mjerenja, a podešavanje predviđeno u krugu voltmetra koristi se za skretanje igle mjerača do kraja skale.

Rice. 5. Šema kalibratora naizmjeničnog napona pomoću poluvodičkih zener dioda.

Selektivni mikrovoltmetri se koriste za mjerenje vrlo niskih napona u opsegu radio frekvencija. Obično se implementiraju korištenjem superheterodinskog prijemnog kruga s jednostrukom ili dvostrukom konverzijom frekvencije. Visokofrekventni dio uređaja je podešen na frekvenciju mjerenog napona, koji prima veliko kalibrirano pojačanje na visokim i srednjim frekvencijama. Opterećenje detektora je magnetoelektrični mjerač, kalibriran u vrijednostima izmjerenog napona. Prije početka mjerenja, pojačanje se prati i podešava pomoću internog kalibracionog generatora koji napaja referentni napon potrebnu frekvenciju na ulazu uređaja. Zahvaljujući svojim selektivnim svojstvima, selektivni mikrovoltmetar se može koristiti za proučavanje spektra periodičnih i šumnih signala (uzastopnim podešavanjem pojedinih komponenti ovih spektra na frekvencije), kao i za mjerenje jačine elektromagnetnog polja (kada je antena je uključena na svom ulazu) i druga visokofrekventna mjerenja.

Elektronski voltmetri tipa "detektor-pojačalo".

Elektronski voltmetri dizajnirani za mjerenje ne premalih napona (od desetinki volta i više) u širokom rasponu frekvencija (do ultravisokih), kao i za upotrebu u univerzalnim i kombiniranim mjernim instrumentima, obično se izrađuju prema kolo tipa “detektor-pojačavač” (slika 6). Izmjereni napon se ispravlja pomoću poluvodičkog ili cijevnog detektora, a zatim se istosmjerna komponenta ispravljenog napona dovodi do DC pojačala kroz otporni djelitelj napona i RC filter koji eliminira komponente naizmjenične struje. Na izlazu pojačala uključuje se magnetoelektrični mjerač I, čija je skala kalibrirana u rms ili amplitudskim vrijednostima izmjerenog napona. Razdjelnik napona, filter i pojačalo s mjeračem su u suštini multi-opsežni DC voltmetar sa tipično visokoimpedansnim ulazom. U ovom slučaju, AC voltmetar se također ispostavlja da je višegranični, zadržavajući približno isti i visok ulazni otpor na svim granicama. Ako je promjena granica mjerenja predviđena u krugu pojačala, tada možda nedostaje djelitelj napona. Nedostatak voltmetra je potreba da se prethodno instalira mjerač metaka.

Rice. 6. Funkcionalni dijagram višegraničnog elektronskog voltmetra tipa “detektor-pojačavač”.

Specifične za voltmetre tipa “detektor-pojačavač” su samo njihove komponente detektora, koje su najčešće slične ispravljačkim jedinicama amplitudnih voltmetara; kod nekih uređaja detektor je formiran na osnovu punotalasnog kola koje izoluje prosečnu ispravljenu vrednost izmerenog napona.

Elektronski voltmetar tipa "detektor-pojačalo" može se smatrati voltmetrom ispravljača, čiji je indikator elektronski DC voltmetar. Očigledno je da je racionalno koristiti takav voltmetar kao univerzalni za mjerenje naizmjeničnih i jednosmjernih napona u širokom rasponu vrijednosti i frekvencija. Izgled takvog voltmetra prikazan je u dvije verzije na Sl. 7. Osnova prve opcije (slika 7, a) je standardni elektronski DC voltmetar, koji se može koristiti direktno za svoju namjenu. Ako je potrebno dobiti dodatnu granicu visokog napona za mjerenje istosmjernih napona, koristi se udaljena dobro izolirana sonda sa grupom serijski spojenih otpornika visokog otpora Rs koja je u njoj montirana, priključena na ulaz DC voltmetra kada potonji je postavljen na određenu granicu mjerenja. Detektorska komponenta je projektovana u obliku nastavka, najčešće izrađenog prema kolu amplitudnog detektora sa zatvorenim ulazom (sl. 8, b), a spaja se na voltmetar kada je potrebno meriti naizmenične napone. Preklopni polaritet diode D mora biti u skladu s polaritetom napona mjerenih DC voltmetrom; mogućnost povezivanja jedne od ulaznih spojnih žica na ekran i tijelo uređaja također ovisi o krugu potonjeg.

Rice. 7. Sheme rasporeda univerzalnih elektronskih voltmetara tipa “detektor – pojačalo”.

Ulazni kondenzator C mora biti projektovan (kao i dioda za obrnuti napon D) za maksimalnu amplitudu izmjerenog napona. Njegov kapacitet mora zadovoljiti dva kontradiktorna zahtjeva. S jedne strane, da bi se osigurala dovoljno visoka gornja granica radnih frekvencija, poželjno je da kapacitet C bude mali kako bi se smanjila induktivna reaktancija kondenzatora i aktivni gubici u njemu na visokim frekvencijama. S druge strane, da bi se osigurala donja granica radnih frekvencija, poželjno je imati veliki kapacitet kako bi otpor kapacitivnosti kondenzatora C bio mnogo manji od reverznog otpora diode D. U praksi je kapacitivnost C = 0,001 ...0,1 μF se uzima na osnovu kompromisnih razmatranja i specifičnih granica frekvencijskog opsega.

Otpor otpornika R se bira iz uslova koincidencije (sa istim granicama mjerenja) referentnih skala naizmjeničnog i jednosmjernog napona, što je sasvim ostvarivo, budući da odabrano kolo detektorske komponente obezbjeđuje gotovo linearan odnos između ispravljeni i ulazni naponi. Ako su obrnuti otpor diode D i ulazni otpor Rin indikatora (DC voltmetar) dovoljno veliki, tada će konstantni napon na diodi biti blizu amplitude Rm izmjerenog napona i tada se amplitude mogu očitati pomoću odgovarajuće skale konstantnog napona na R = 0. Ako trebate primiti očitanja u efektivnim vrijednostima U = 0,707*Um (sa sinusoidnim valnim oblikom napona), tada ispravljeni napon koji se dovodi do DC voltmetra treba u skladu s tim smanjiti; ovo se postiže otporom R ≈ 0,415*Rin. Precizno podešavanje otpora otpornika R vrši se prilikom postavljanja uređaja.

Na najnižim granicama napona (do približno 3 V), moguće je da linearnost skala naizmjeničnog napona može biti poremećena i da se one možda neće u potpunosti poklapati s odgovarajućim skalama istosmjernog napona zbog niske efikasnosti diode koja detektuje nizak nivo. napona, kao i zbog promjene otpora Rin, jer na ovim granicama djelitelj ulaznog napona voltmetra jednosmjernog napajanja može biti isključen ili djelovati kao šant. Kako bi se smanjila greška u nekim voltmetrima na niskim naponskim granicama, koristi se posebna detektorska komponenta sa posebno odabranom diodom D i otpornikom R, ili se koriste korekcijski grafikoni ili tablice.

Druga verzija univerzalnog voltmetra (slika 7, b) karakterizira odsustvo prekidača i zamjenjivih komponenti na ulazu. Kolo je dizajnirano kao cjelina za mjerenje prvenstveno naizmjeničnih napona na potrebnim granicama mjerenja. Konkretno, otpornik R se obično uzima sa vrlo visokim otporom (oko 10 MOhm), što poboljšava filtriranje ispravljenog napona i ograničava uticaj slučajnih preopterećenja na uređaj. Otpornik Rc mora osigurati da skale DC napona odgovaraju postojećim skalama AC napona. Ako se očitavanje na skalama naizmjeničnog napona vrši u vrijednostima amplitude Um, onda uzmite Rc ≈ R 2 /(R + Rin), a kada se očitava u efektivnim vrijednostima napona

Rc ≈ (0,7*R 2 - 0,3*R*Rin)/(R + R).

Nedostatak ove opcije je mogućnost narušavanja postignute koincidencije skale AC i DC napona pri promjeni reverznog otpora diode D. To se može izbjeći ako se detektorsko kolo isključi prilikom mjerenja jednosmjernih napona.

Ako na ulazu DC voltmetra nema djelitelja napona (kao, na primjer, u krugovima na sl. 5, a i 6), onda otpornik R može poslužiti kao element (Rph) ulaznog filtera Rph, Sph . Kapacitivnost filtera mora biti relativno velika (stotine mikrofarada) tako da njegov otpor na najnižoj radnoj frekvenciji bude znatno manji od otpora Rf.

Dioda uključena u kolo detektorske komponente mora zadovoljiti dva glavna zahtjeva: dovoljno visoku vrijednost maksimalnog dozvoljenog obrnutog napona Urev.max, jer određuje gornju granicu izmjerenih naizmjeničnih napona, koja ne smije prelaziti amplitudu ili korijen -srednja kvadratna vrijednost, respektivno, 0,5 * Urev.max i 0,35*Urev.max; mala reverzna struja ili, ekvivalentno, eventualno veći reverzni otpor Rrev, budući da ulazni aktivni otpor Rv voltmetra naizmjeničnog napona značajno ovisi o tome. Potonji se obično kreće od 1/4 do 1/3 otpora istosmjerne struje paralelnog kola formiranog obrnutim otporom diode D i otporom njenog opterećenja Rn = R + Rn, tj.

Rv ≈ 0,3*Robr*Rn/(Robr + Ri).

Ako je Rev<< Rн, то Rв ≈ 0,3*Rобр. И наоборот, при Rобр >> Rn dobijamo Rn ≈ 0.3*Rn. Ako je Robr ≈ Rn, onda je Rv ≈ 0,15*Rn.

Kada se koriste cijevne diode u detektorima, koji mogu izdržati visoke reverzne napone i imaju gotovo neograničen povratni otpor i stabilne parametre, voltmetar može imati vrlo visok ulazni otpor (desetine i stotine megoma po niske frekvencije) i obezbjeđuju (bez djelitelja ulaznog napona) mjerenje značajnih naizmjeničnih napona (do 100-150 V). Međutim, njihova upotreba je ograničena zbog potrebe za napajanjem diodne niti i kompenzacijom njene početne struje (slika 8, a).

Poluvodičke diode ne zahtijevaju posebnu snagu i nemaju početnu struju, njihove dimenzije su male, međutim, u usporedbi s diodama lampe, izdržavaju znatno niže obrnute napone i imaju konačan povratni otpor; osim toga, njihovi parametri primjetno zavise od temperature i napona primijenjenog na diodu, a vremenom se donekle mijenjaju. Stoga su kod voltmetara sa poluvodičkim detektorima ulazni otpor i granična vrijednost izmjerenih napona nekoliko puta niži, a greška mjerenja veća nego kod voltmetara sa lampinskim detektorima. Kada se u detektoru koriste visokofrekventne (point-point) diode s malom reverznom strujom, ulazni otpor voltmetra može doseći nekoliko megoma, a gornja granica mjerenja može doseći desetine volti. Kapacitet između elektroda visokofrekventnih dioda, poluvodičkih i cijevnih, obično je nekoliko jedinica ili desetina pikofarada, stoga voltmetri tipa "detektor-pojačalo", s racionalnom instalacijom ulaznog kola, mogu imati gornja granica radnih frekvencija jednaka desetinama ili čak nekoliko stotina megaherca.

Voltmetri su ponekad opremljeni sa dvije zamjenjive ili zamjenjive komponente detektora. Jedan od njih na planarnoj diodi sa visokim dozvoljenim reverznim naponom, ali značajnim ulaznim kapacitetom, i sa kondenzatorom za razdvajanje C kapaciteta približno 0,1 μF se uključuje pri mjerenju napona relativno niskih frekvencija u širokom rasponu vrijednosti ​(do stotine volti). Drugi detektor, baziran na tačkastoj diodi i sa kondenzatorom kapaciteta nekoliko hiljada pikofarada, koristi se za merenje relativno niskih napona (do desetina volti) na visokim i ultravisokim frekvencijama.

Impulsni voltmetri se također izrađuju prema krugu tipa "detektor - pojačalo", dizajniranom za mjerenje amplituda impulsa različitog trajanja i radnog ciklusa. Obično koriste dvotočkaste diodne detektore koji se koriste za detekciju impulsa pozitivnog i negativnog polariteta, respektivno.

Karakteristike dizajna i kalibracije elektronskih AC voltmetara

Stupanj utjecaja širokopojasnog voltmetra na proučavana kola pri mjerenju napona različitih frekvencija određen je vrijednostima njegovih ulaznih parametara Rv, Sv i Lpr (slika 1).

Ulazni kapacitet C sastoji se od kapacitivnosti između ulaznih elektroda lampe ili poluvodičkog uređaja spojenog u ulazni krug, kapacitivnosti između odgovarajućih utičnica utičnice koja se koristi za povezivanje ovog uređaja i montažnog kapaciteta. Pri korištenju malih dijelova i stezaljki na ulazu, njihovom racionalnom postavljanju i povezivanju kratkim provodnicima, instalacijski kapacitet je 3-6 pF. U ovom slučaju, ispravan odabir ulaza elektronski uređaj i lemljenje elemenata kola direktno na njegove izlazne pinove omogućavaju ograničavanje ulaznog kapaciteta voltmetra na vrijednosti od 6-10 pF.

Ulazni aktivni otpor voltmetra Rv određen je specifičnim krugom ulaznog kola i ulaznim aktivnim otporom elektronskog uređaja priključenog na ulaz. Na niskim frekvencijama ispada da je jednaka jedinicama, rjeđe deseticama, megohima. Prilikom rada na visokim frekvencijama, otpor Rv blago se smanjuje zbog povećanja dielektričnih gubitaka u cilindru, kućištu ili bazi elektroničkog uređaja i ploča. Smanjenje ovih gubitaka postiže se upotrebom radio cijevi bez baze na ulazu, ugradnjom ulaznih stezaljki i drugih elemenata ulaznog kola na panele od visokofrekventnog dielektrika - polistirena, radio porculana itd.

U rasponu metarskih i decimetarskih valova, vrijeme putovanja elektrona između elektroda lampe postaje srazmjerno periodu izmjerenog napona, zbog čega se gubici u ulaznim krugovima radio lampi naglo povećavaju. Povećanjem frekvencije povećavaju se i gubici u masama poluvodiča, što se kod dioda očituje smanjenjem koeficijenta ispravljanja i reverznog otpora, a kod tranzistora smanjenjem ulaznog otpora i koeficijenta prijenosa struje Vst. Ovi gubici se smanjuju kada se koriste minijaturne radio cijevi i poluvodički uređaji. U praksi je moguće dobiti, na frekvenciji izmjerenog napona od 100 MHz, ulazni aktivni otpor voltmetra reda veličine desetina, rjeđe stotina kilo-oma.

Prilikom ugradnje s kratkim vodičima i korištenjem malog i neinduktivnog kondenzatora za spajanje, induktivnost ulaznog kruga je stoti dio mikrohenrija, a njegova prirodna rezonantna frekvencija doseže stotine megaherca. Ulazne spojne žice, koje imaju induktivnost i kapacitivnost raspoređene po dužini, smanjuju maksimalnu radnu frekvenciju fmax, koja odgovara dozvoljenoj grešci mjerenja. Uticaj ovih žica se može praktično zanemariti ako njihova dužina ne prelazi 1% talasne dužine λ izmerenog napona.

Ako su ulazne stezaljke ili utičnice postavljene na tijelo uređaja, tada pri mjerenju visokofrekventnih napona nije uvijek moguće približiti voltmetar krugu koji se ispituje kako bi se zadovoljili spojnim žicama prihvatljive dužine. Stoga je u mnogim elektronskim voltmetrima visokofrekventni ulazni dio (detektorska komponenta u voltmetrima tipa "detektor-pojačalo", izvor, emiter ili katodni sljedbenik u voltmetrima tipa "pojačalo-detektor") napravljen u obliku zasebnog mala oklopljena daljinska jedinica koja se zove sonda (vidi sliku 7, a). Sonda je povezana sa ostatkom kruga voltmetra pomoću fleksibilnog oklopljenog kabla. Tokom merenja, sonda se dovodi u kolo koje se ispituje i sa potencijalnim iglom postavljenim u njenu glavu, direktno ili kratkim provodnikom, povezuje se na traženu potencijalnu tačku kola; druga stezaljka (obično aligatorska kopča), povezana u većini uređaja na tijelo i zajednički minus voltmetra (ako je njegov ulaz asimetričan), prethodno je spojena na tačku najnižeg potencijala u kolu.

Kako bi se isključio utjecaj vanjskih električnih i magnetskih polja, voltmetar je smješten u metalno kućište, koje se preporučuje uzemljenje tokom rada. Tijelo ili ekran uređaja koji se proučava sigurno je povezan s ovim kućištem.

Rice. 8. Kalibracijski dijagram za voltmetre naizmjenične struje.

Podešavanje i kalibracija elektronskih (i drugih) voltmetara naizmjenične struje može se izvesti pomoću kola prikazanog na sl. 8. Ovdje se kao referenca koristi voltmetar V, koji mora imati granicu mjerenja jednaku ili malo veću od granične vrijednosti napona mjerene kalibriranim voltmetrom. Pomoću autotransformatora Tr s glatko podešavanje na otporni razdjelnik R1-R3 primjenjuje se napon jednak izmjerenoj granici, a kada je prekidač B postavljen u položaj “x1”, podešavanjem elemenata elektronskog voltmetra, igla njegovog mjerača se skreće do kraja skala. Zatim, pomjeranjem motora autotransformatora, napon se glatko smanjuje i kalibracijska karakteristika se provjerava na više međutočaka na skali. Razdjelnik napona vam omogućava da koristite isti jednogranični referentni voltmetar V za kalibraciju elektronskog voltmetra na nekoliko granica mjerenja. Ako je referentni voltmetar višesmjerni, kalibracijski krug se shodno tome pojednostavljuje eliminacijom djelitelja napona iz njega.

Napajanje za elektronske voltmetre

U zavisnosti od strujnog kola i uslova upotrebe, elektronski voltmetri se napajaju iz izvora jednosmerne ili naizmenične struje.

Tranzistorski voltmetri se u pravilu napajaju malim suhim baterijama ili punjivim baterijama s e. d.s. 4,5...9 V, koji se nalaze unutar kućišta uređaja u posebnom pretincu izolovanom od ostatka kola. Jedan od moguće opcije Dijagram napajanja je prikazan na sl. 9. Planarna dioda D2 štiti uređaj u slučaju nepravilnog polariteta priključka baterije B. Parametarsku stabilizaciju napona napajanja vrši zener dioda D1, koja je preko otpornika R1 povezana na izvor. Potreban način stabilizacije je osiguran otporom

R1 = (U-Ust)/ ((Imax - Imin)/2 + In),

gdje su Imin i Imax maksimalno dopuštene vrijednosti struje kroz zener diodu, a In je nazivna (prosječna) vrijednost struje opterećenja do izvora napajanja. Ako se želi izuzetno visoka stabilnost napona napajanja, onda se na sličan način spaja druga karika zener diode i otpornik, dizajniran da dobije stabilizirani napon nešto niži nego na izlazu prve veze. Ako se odustanu od stabilizirajućih elemenata, izvor napajanja se zaobilazi kondenzatorom kapaciteta približno 100 μF.

Rice. 9. Šema parametarske stabilizacije napona napajanja tranzistorskog voltmetra.

Neki uređaji omogućavaju praćenje napona napajanja pomoću voltmetra, koji se, ako je potrebno, spaja na izvor napajanja preko dodatnog otpornika.

Voltmetri prijenosnih lampi u većini slučajeva se napajaju iz baterije. Pokušavaju se zadovoljiti jednom niskonaponskom baterijom koristeći ekonomične radio cijevi sa niskom strujom niti u voltmetru, radeći na niskom anodnom naponu (5-10 V). U nekim slučajevima, za napajanje anodnih kola koristi se tranzistorski pretvarač napona male snage koji se napaja iz baterije sa žarnom niti.

Kada se voltmetar lampe napaja iz mreže naizmjenične struje, proširuju se mogućnosti za izbor strujnog kruga, lampi i načina rada. Ovo omogućava uređaju da koristi manje osjetljivo mjerač dok istovremeno povećava ulazni otpor i proširuje granice mjerenja i opseg radne frekvencije. Budući da istosmjerna struja u strujnim krugovima ne prelazi 10-20 mA, i valovitost visokog napona imaju mali utjecaj na rad voltmetra, ispravljač snage se obično izrađuje pomoću poluvalnog kruga, u kojem je filtar kondenzator kapaciteta nekoliko mikrofarada spojen paralelno s opterećenjem. Da bi se povećala stabilnost voltmetra u slučaju mogućih fluktuacija napona napajanja, koriste se različite metode za stabilizaciju napajanja lampe. Dobri rezultati se postižu upotrebom ferorezonantnih stabilizatora koji obezbeđuju istovremenu stabilizaciju naizmeničnih napona na svim sekundarnim namotajima energetskog transformatora. Kako bi se eliminirao utjecaj na voltmetar visokofrekventnih smetnji koje se šire kroz žice za napajanje, žice za napajanje na samom izlazu iz kućišta voltmetra su spojene na kućište s kondenzatorima kapaciteta nekoliko hiljada pikofarada.

Na sl. 86 pokazuje osnove dijagram jednostavnog tranzistorskog DC voltmetra sa ulaznim otporom od oko 100 kOhm i opsegom merenja od 0 do 1000 V u sedam podopsegva: 0—1; 0—5, 0—10; 0—50; 0—100; 0-500 i 0-1000 V. Takav uređaj može biti koristan u mjerenju režima rada tranzistorskih i cijevnih pojačavača.

Uređaj napaja jedna galvanska ćelija napona od 1,5 V. Opisana je u časopisu brazilskih radio-amatera.

Postavljanje uređaja je jednostavno. Prvo, s otvorenim ulazom, koristite varijabilni otpornik R8 da postavite iglu miliampermetra uređaja na nulu. Zatim se vage kalibriraju. Da bi se to postiglo, ulaz voltmetra je spojen na izvor referentnog napona, na primjer, na polove eksterne galvanske baterije, sonde uređaja se ubacuju u ulazne utičnice “O” i odgovarajuću granicu mjerenja, a pomoću podešavanjem varijabilnog otpornika R9, dobije se očitavanje voltmetra koje odgovara naponu referentne baterije.

Da bi se uređaj mogao kalibrirati samo na jednoj skali, otpori otpornika R1-R7 moraju biti odabrani vrlo precizno (sa tolerancijom ne većom od 1-2%).

Da biste napravili voltmetar, možete koristiti tranzistore poput GT108 ili MP41, MP42 s bilo kojim slovnim indeksima, ali uvijek sa istim vrijednostima Vst = 50-80, miliampermetar za struju od 0-1 mA. Izvor napajanja može biti jedan element 316 ili 343, 373.

Tokom rada, treba imati na umu da se visoki ulazni otpor ovog voltmetra postiže korištenjem jednosmjernog pojačala na tranzistorima, čiji parametri jako ovise o temperaturi okoline. Stoga, prije mjerenja, potrebno je pažljivo postaviti iglu instrumenta na nulu, i to sa povećanim temperatura okoline dodatno kalibrirati njegove vage. To je nedostatak opisanog voltmetra u odnosu na konvencionalne avometre.

Voltmetri kod kojih je jednosmerno pojačalo napravljeno pomoću tranzistora sa efektom polja imaju značajno veću stabilnost. Na sl. 87 dato dijagram strujnog kola DC voltmetar za mjerenje napona od 0 do 1 V, prikupljenih na dva tranzistora sa efektom polja. Ulazna impedansa uređaja je oko 4 MOhm. Takav uređaj može biti vrlo koristan u mjerenju istosmjernog napona u baznim kolima tranzistorskih stupnjeva prijemnika i pojačala, kako se preporučuje u njegovom opisu.

Ovaj voltmetar može koristiti tranzistore sa efektom polja kao što su KP102E i KP103K. Kao izvor napajanja mogu se koristiti tri serijski spojene baterije od 3336 L. Ako je potrebno, napon napajanja se može smanjiti na 9 V. Za mjerenje viših napona, na primjer, u opsegu 0-10 V ili 0-100 V, eksterni visokootporni razdjelnici napona sa koeficijentom podjela 10:1 ili 100:1. Milivoltmetar sa visokoimpedansnim ulazom. Obično radio-amateri mjere izmjenični napon avometrom čija je ulazna impedancija niska. Najbolji rezultati se mogu postići upotrebom standardnih milivoltmetara, koji omogućavaju mjerenje vrlo niskih LF napona, mjerenih u milivoltima. Avometar u najboljem slučaju može mjeriti 0,1V.

Na sl. Slika 88 prikazuje shematski dijagram jednostavnog niskofrekventnog milivoltmetra sa ulaznim otporom od oko 2 MΩ. Puni otklon igle merača odgovara ulaznom naponu od 15 do 100 mV. Voltmetar se napaja baterijom od 4,5 V. Ovako dobri rezultati mogli su se dobiti samo zato što je na ulazu niskofrekventnog pojačivača ovog uređaja uključen tranzistor sa efektom polja.

Prema dijagramu (Sl. 88), objavljenom u jednom od američkih radio časopisa, milivoltmetar sadrži sljedbenik izvora na tranzistoru s efektom polja T1, pojačivač napona na tranzistoru T2 povezan u kolo sa zajedničkim emiterom i punu ispravljač napona talasnog signala opterećen strujomjerom - mikroampermetrom. Pojačanje signala do ispravljača, a samim tim i osjetljivost uređaja, regulira se promjenjivim otpornikom R5. Štoviše, ako je klizač varijabilnog otpornika u donjem položaju prema krugu, tada je osjetljivost milivoltmetra 100 mV. Opseg mjerenja ovog uređaja može se značajno proširiti povezivanjem dodatnog djelitelja napona mjerenog signala na njegovom ulazu. U ovom slučaju možete dobiti mjerni uređaj s više opsega s ulaznim otporom većim od 10 MOhm.

Millivoltmetar se može napraviti pomoću tranzistora KP103ZH ili KP103L (T1,) i MP41A (T2), kao i dioda D9V-D9E (D1, D2). Izvor napajanja može biti baterija od 3336L. Da biste izbjegli vanjske smetnje, preporučljivo je staviti dijelove milivoltmetra u metalno kućište.

Milivoltmetar sa linearnom skalom. Nedostatak većine AC avometara i milivoltmetara (uključujući gore opisani) je neujednačenost skale blizu nule, što je posljedica nelinearnosti koeficijenta prijenosa diodnog ispravljača pri malom signalu. Poznate su različite metode za linearizaciju skale takvih uređaja, ali većina njih je složena za radioamaterske dizajne. S tim u vezi, AC voltmetar, opisan na stranicama engleskog radio-amaterskog časopisa, odlikuje se jednostavnošću i pouzdanošću rada, čiji je dijagram kola prikazan na sl. 89. Ovaj voltmetar se sastoji od mosnog ispravljača na diodama D1-D4, čija je jedna dijagonala opterećena miliampermetrom skale 0-500 μA i unutrašnjeg otpora 500 Ohma, a druga je povezana između kolektora i kolektora. baza stepena pojačala, sastavljena na tranzistoru T1, spojena u kolo sa zajedničkim emiterom. U drugim sličnim voltmetrima, druga dijagonala je povezana između kolektora i emitera. Da li je ovde napravljena greška? br. U ovom uređaju, preko serijski povezanog mostnog ispravljača i kondenzatora C2, dolazi do nelinearne negativne strujne povratne sprege od kolektora do baze tranzistora T1.

Budući da je pri niskom naponu signala struja kroz diode također mala, efekat negativne povratne sprege će biti beznačajan, a pojačanje koje daje kaskada je veliko (60-100). Kako napon signala raste, provodljivost dioda se povećava, a time i struja negativne povratne sprege, a to smanjuje pojačanje stupnja. I što je veći signal na ulazu, to se manje pojačava signal do ispravljača. Kao rezultat toga, početni dio skale voltmetra se izravnava (linearizira), a očitanja voltmetra mogu se u potpunosti podudarati s podjelama skale mikroampermetra. Maksimalna vrijednost naizmjeničnog napona mjerena ovim uređajem numerički je jednaka omjeru maksimalnog očitavanja mikroampermetra podijeljenog otporom otpornika R3 u kilo-omima. Na primjer, sa dijagramom prikazanim na sl. 89 otpora otpornika R3, voltmetar može mjeriti naizmjenični napon u rasponu od 0-5 V.

Prilikom proizvodnje ovog voltmetra preporučuje se korištenje tranzistora tipa KT315G sa Vst = 80-120. Količina jednosmjerne struje koja teče u kolektorskom krugu tranzistora podešava se odabirom otpora otpornika R1. Diode mogu biti tipa D18 ili D20, D9D, D9I. Sa onima prikazanim na sl. Sa 89 kondenzatora, voltmetar može mjeriti napon u opsegu frekvencija od 20 Hz do 600 kHz. Za napajanje uređaja koristite Krona-VTs bateriju ili dvije 3336L baterije povezane u seriju.

Vasiljev V. A. Strani radioamaterski dizajn. M., "Energija", 1977.