Частотный диапазон вольтметра. Электронные вольтметры

ЛЕКЦИЯ №5

ЭЛЕКТРОННЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Электронные аналоговые приборы и преобразователи представляют собой средства измерений, в которых преобразование сигналов измерительной информации осуществляется с помощью аналоговых электронных устройств. Выходной сигнал таких средств является непрерывной функцией измеряемой величины. Электронные приборы и преобразователи применяют при измерениях практически всех электрических величин: напряжения, тока, частоты, мощности, сопротивления и т.д.

Достоинства электронных измерительных приборов:

высокая чувствительность обусловлена применением усилителей;

малое потребление энергии из цепи, в которой производят измерение, что определяется высоким входным сопротивлением данных приборов;

широкий диапазон частот, в котором чувствительность неизменна.

Недостатки :

сложность, обусловленная большим числом деталей и элементов;

необходимость в источниках питания электронных устройств, входящих в прибор;

сравнительно невысокая надежность, обусловленная большим числом элементов.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

В электронных вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых электронных устройств в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический измерительный механизм со шкалой, градуированный в единицах напряжения. Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью и широким диапазоном измеряемых напряжений (от десятков нановольт на постоянном токе до десятков киловольт), большим входным сопротивлением (более 1 Мом), могут работать в широком частотном диапазоне (от постоянного тока до частот порядка сотен МГц).

Существуют множество различных типов вольтметров. По своему назначению и принципу действия наиболее распространенные вольтметры могут быть подразделены на вольтметры постоянного тока, переменного тока, универсальные, импульсные и селективные.

Вольтметры постоянного тока. Упрощенная структурная схема таких вольтметров показана на рис. 5.1, где ВД – входной делитель напряжения; УПТ – усилитель постоянного тока; ИМ – магнитоэлектрический измерительный механизм; U x – измеряемое напряжение.

Рис. 5.1. Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока

Последовательное соединение делителя напряжения и усилителя позволяет делать вольтметры высокочувствительными и многопредельными за счет изменения в широких пределах их общего коэффициента преобразования. Повышение чувствительности вольтметров постоянного тока путем увеличения коэффициента усиления УПТ k УПТ наталкивается на технические трудности из-за нестабильности работы УПТ , характеризующейся изменением k УПТ и самопроизвольным изменением выходного сигнала усилителя (дрейф "нуля"). Поэтому в таких вольтметрах k УПТ ≈1, а основное назначение УПТ – обеспечить большое входное сопротивление вольтметра.

Данная структурная схема вольтметра постоянного тока используется в составе универсальных вольтметров, поскольку при незначительном усложнении – добавлении преобразователя переменного напряжения в постоянное, появляется возможность измерения и переменного напряжения.

Вольтметры переменного тока. Такие вольтметры состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Возможны две обобщенные структурные схемы вольтметров переменного тока (рис. 5.2), различающиеся своими характеристиками. В вольтметрах по схеме рис. 5.2,а измеряемое напряжение u х , сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подается на УПТ и ИМ , являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. Преобразователь Пр представляет собой нелинейное звено, поэтому вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном диапазоне. В то же время указанные недостатки УПТ и особенности работы нелинейных элементов при малых напряжениях не позволяют делать такие вольтметры высокочувствительными.

Рис. 5.2. Структурные схемы вольтметров переменного тока

В вольтметрах, выполненных по схеме рис. 5.2,б , благодаря предварительному усилению удается повысить чувствительность. Однако создание усилителей переменного тока с большим коэффициентом усиления, работающих в широком диапазоне частот, – трудная техническая задача. Поэтому такие вольтметры имеют относительно низкий частотный диапазон (1 – 10 МГц).

Различают вольтметры амплитудного, среднего или действующего значения.

Рис. 5.3. Схема (а) и временная диаграмма сигналов преобразователя амплитудных значений (пикового детектора) с открытым входом

Вольтметры амплитудного значения имеют преобразователи амплитудных значений (пиковые детекторы) с открытым (рис. 5.3,а ) входом, где u вх и u вых – входное и выходное напряжение преобразователя. Если вольтметр имеет структуру рис. 5.3,а , то для преобразователя u вх =u х . В амплитудных преобразователях с открытым входом конденсатор заряжается практически до максимального u хmax положительного (при данном включении диода) значения входного напряжения (рис. 5.3,б). Пульсации напряжения u вых на конденсаторе объясняются его подзарядом при открытом диоде, когда u вх >u вых , и его разрядом через резистор R при закрытом диоде, когда u вх <u вых .

Универсальные вольтметры. Такие вольтметры предназначены для измерения напряжений постоянного и переменного токов. Обобщенная структурная схема показана на рис. 5.4, где В – переключатель. В зависимости от положения переключателя В вольтметр работает по схеме вольтметра переменного тока с преобразователем П (положение 1 ) или вольтметра постоянного тока (положение 2 ).

Рис. 5.4. Структурная схема универсального вольтметра

В универсальных вольтметрах, называемых также комбинированными, часто предусматривается возможность измерения сопротивлений R х . В таких вольтметрах имеется преобразователь П R , выходное напряжение которого зависит от неизвестного сопротивления: U вых =f(R x ). На основании этой зависимости шкала прибора градуируется в единицах сопротивления. При измерении резистор с неизвестным сопротивлением подключается к входным зажимам преобразователя, а переключатель ставится в положение 3 .

Импульсные вольтметры. Для измерения амплитуды импульсных сигналов различной формы применяют импульсные вольтметры. Особенности работы импульсных вольтметров определяются малой длительностью τ измеряемых импульсов (от 10-100 нс) и значительной скважностью

(до 10 9), где Т – период следования импульсов.

Импульсные вольтметры могут быть выполнены по структурной схеме рис. 5.2,а , при этом используют преобразователи амплитудных значений с открытым входом (рис. 5.3,а ). Большая скважность импульсов и малая их длительность предъявляют жесткие требования к преобразователям амплитудных значений. Поэтому в импульсных вольтметрах применяют компенсационные схемы амплитудных преобразователей (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Компенсационная схема амплитудного преобразователя

Входные импульсы u вх заряжают конденсатор С 1 . Переменная составляющая напряжения на этом конденсаторе, вызванная подзарядом его измеряемыми импульсами и разрядом между импульсами (аналогично рис. 5.3,б ), усиливается усилителем У переменного тока и выпрямляется с помощью диода D 2 . Постоянная времени цепи RC 2 выбирается достаточно большой, поэтому напряжение на конденсаторе С 2 в промежутке между импульсами изменяется незначительно. С выхода преобразователя при помощи резистора R о.с. обратной связи на конденсатор С 1 подается компенсирующее напряжение. При большом коэффициенте усиления усилителя это приводит к значительному уменьшению переменной составляющей напряжения на конденсаторе С 1 , вследствие чего в установившемся режиме напряжение на конденсаторе практически равно амплитуде измеряемых импульсов, а выходное напряжение пропорционально этой амплитуде:

.

Селективные вольтметры. Такие вольтметры предназначены для измерения действующего значения напряжения в некоторой полосе частот или действующего значения отдельных гармонических составляющих измеряемого сигнала.

Принцип действия селективного вольтметра заключается в выделении отдельных гармонических составляющих сигнала или сигнала узкой полосы частот с помощью перестраиваемого полосового фильтра и измерении действующего значения выделенных сигналов.

Физически реализуемый полосовой фильтр не обладает строго прямоугольной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Это может привести к тому, что через такой фильтр пройдут соседние гармонические составляющие с некоторым коэффициентом передачи. В этом случае селективный вольтметр измеряет действующее значение суммы гармонических составляющих, прошедших через фильтр, с учетом реальных коэффициентов передачи для каждой составляющей.

Рис. 5.6. Структурная схема селективного вольтметра

Измеряемый сигнал u х через избирательный входной усилитель ВУ подается на смеситель См, предназначенный для преобразования частотного спектра измеряемого сигнала. На выходе смесителя появляется сигнал, пропорциональный измеряемому сигналу, но с частотами спектра

, где - частота гармонических составляющих входного сигнала; - частота сигнала синусоидального генератораГ (гетеродина). Усилитель промежуточной частоты УПЧ настроен на некоторую фиксированную частоту

. Поэтому на выходУПЧ пройдет только та составляющая выходного сигнала смесителя, частота которой

. Этот сигнал соответствует гармонической составляющей измеряемого сигнала с частотой

. Действующее значение этой гармонической составляющей измеряется вольтметром действующего значенияВДЗ . Изменяя частоту генераторов , можно измерять действующее значение различных гармонических составляющих сигналаu х .

Функцию полосового фильтра в этой схеме выполняет УПЧ . Благодаря фиксированному (неперестраиваемому) значению частоты настройки УПЧ этот усилитель имеет большой коэффициент усиления и узкую полосу пропускания, что обеспечивает высокую чувствительность и избирательность селективного вольтметра.

Обобщенная структурная схема аналоговых электронных вольтметров (рис.7.9) содержит максимальное число блоков, некоторые из которых в зависимости от назначения вольтметра могут отсутствовать. В электронных вольтметрах, снабженных усилительными устройствами потребление мощности из измерительной цепи ничтожно мало. К достоинствам электронных вольтметров относятся: широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20 Гц до 1000 МГц), высокая чувствительность, хорошая перегрузочная способность.

Рисунок 7.9.

1. Входное устройство предназначено для:

а) ослабления сигнала в заданное число раз, позволяющего расширить диапазон в сторону больших измеряемых напряжений;

б) обеспечения входных параметров вольтметра: входного сопротивления в пределах 1 – 10 МОм, входной емкости 1 - 30 пФ.

Усилители переменного тока служат для:

а) повышения чувствительности;

б) расширения динамического диапазона в сторону меньших измеряемых напряжений.

Для выполнения указанных задач усилители переменного тока должны иметь заданный и высокостабильный коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот и температур, малые нелинейные искажения, малые собственные шумы и быть нечувствительными к колебаниям напряжения питания, что достигается использованием многокаскадных усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.

3. Усилители постоянного тока служат для обеспечения согласования небольшого внутреннего сопротивления магнитоэлектрического измерительного механизма с большим сопротивлением нагрузки преобразователя. К усилителям постоянного тока предъявляются жесткие требования в отношении постоянства коэффициента усиления и малого дрейфа нуля, т. е. медленного изменения выходного сигнала при отсутствии на входе информационного сигнала. Они выполняются в виде мостовых схем с отрицательной обратной связью.

4. Преобразователи служат для преобразования переменного тока в постоянный, в качестве преобразователей служат детекторы. Детекторы можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное на следующие типы: квадратичные, линейные, амплитудные (пиковые). Тип детектора во многом определяет свойства прибора: так вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с квадратичными детекторами позволяют измерять напряжения любой формы; вольтметры с линейными детекторами пригодны только для измерения гармонического сигнала, но являются самыми простыми, надежными и дешевыми.

Аналоговые электронные вольтметры могут строиться по двум основным схемам: усилитель – преобразователь и преобразователь – усилитель. Первая из схем обладает большой чувствительностью, но частотный диапазон у таких вольтметров определяется полосой пропускания усилителя переменного тока и составляет сотни килогерц; вторая схема используется в вольтметрах для измерения напряжения значительного уровня, т.к. обеспечить большое усиление с помощью усилителя постоянного тока сложно, зато частотный диапазон таких усилителей и, соответственно вольтметров, может составлять сотни мегагерц.

Электронные вольтметры могут иметь открытый или закрытый вход по отношению к постоянной составляющей измеряемого напряжения. При закрытом входе схема вольтметра содержит разделительный конденсатор, не пропускающий постоянную составляющую сигнала, при открытом входе такого конденсатора нет и на блоки вольтметра поступает как переменная, так и постоянная составляющая сигнала.

Элементная база, используемая при создании вольтметров переменного напряжения, определяется существующим на момент создания вольтметров уровнем техники (от полупроводников образцов до микроинтегрального исполнения), однако функциональное назначение блоков остается неизменным.

Вольтметры переменного тока (типа В3)

Вольтметры переменного тока строятся по схеме усилитель-преобразователь. В качестве преобразователей могут использоваться квадратичные или линейные детекторы.

Если применяются квадратичные детекторы, то такие вольтметры называются вольтметрами среднеквадратических значений, их структурная схема приведена на рис. 7.10.

Рисунок. 7.10.

Квадратичный детектор преобразует переменное напряжение в постоянное, пропорциональное, согласно формуле (7.5), квадрату среднеквадратического значения измеряемого напряжения. Значит, измерение среднеквадратического напряжения связано с выполнением трех операций: возведение в квадрат мгновенного значения сигнала, усреднение и извлечение корня из результата усреднения (последняя операция обычно осуществляется при градуировки шкалы вольтметра). Возведение в квадрат мгновенного напряжения как правило производят с помощью полупроводникового диода, используя начальный участок вольт-амперной характеристики, описываемой квадратичной зависимостью. Однако протяженность квадратичного участка характеристики обычно невелика (не более 100 мВ), одним из методов для расширения этого участка является метод кусочно-линейной аппроксимации. Для этого в схему детектора включают несколько диодных ячеек и подбором напряжения смещения на диодах получают суммарную вольт-амперную характеристику, приближающуюся по форме к квадратичной кривой (рис. 7.11).

Рисунок 7.11.

Если в вольтметрах переменного тока применяются линейные детекторы, то такие вольтметры называются вольтметрами средневыпрямленных значений, структурная схема таких вольтметров приведена на рис. 7.12.

Рисунок 7.12

В таких вольтметрах в качестве преобразователя используется линейный детектор, преобразующий переменное напряжение в постоянный ток, пропорциональный средневыпрямленному значению измеряемого напряжения. Такие преобразователи выполняются по схемам двухполупериодного выпрямления и используют линейный участок вольт-амперной характеристики полупроводникового диода. Аналоговый вольтметр средневыпрямленных значений по сравнению с выпрямительным вольтметром имеет более высокую чувствительность и меньшее потребление мощности от измерительной цепи. Эти вольтметры откликаются на средневыпрямленное значение, градуируются в среднеквадратических значениях и имеют коэффициент градуировки С=1.

Импульсные вольтметры (типа В4)

Импульсные вольтметры строятся по схеме преобразователь - усилитель, в качестве преобразователя используется амплитудный детектор, напряжение на выходе которого соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого сигнала. Структурная схема импульсного вольтметра приведена на рис. 7.13.

Рисунок. 7.13

Отличительной особенностью амплитудного (пикового) детектора является наличие элемента памяти, которым служит конденсатор, «запоминающий» пиковое значение измеряемого напряжения.

Простейшие схемы амплитудных детекторов:

а) детектор с последовательным включением диода (детектор с открытым входом);

б) детектор с параллельным включением диода (детектор с закрытым входом).

Рисунок 7.14

Амплитудный детектор осуществляет преобразование переменного сигнала в постоянный, пропорционально значению входного сигнала, поэтому такие вольтметры откликаются на максимальные значения, градуируются в максимальных значениях и имеют С=1.

Универсальный вольтметр (типа В7)

Универсальный вольтметр позволяет измерять как постоянный, так и переменный ток. При измерении переменного напряжения вольтметр имеет схему преобразователь - усилитель. В качестве преобразователя используется амплитудный (пиковый) детектор, напряжение на выходе которого соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого сигнала. При измерении постоянного напряжения оно через входное устройство подается на усилитель постоянного тока и обеспечивает отклонение стрелки магнитоэлектрического измерительного механизма. Структурная схема универсального вольтметра приведена на рис. 7.15.

Рисунок 7.15 4.12

Амплитудный детектор осуществляет преобразование переменного сигнала в постоянный, пропорциональный максимальному значению входного сигнала, поэтому такие вольтметры откликаются на максимальное значение сигнала, градуируются в среднеквадратических значениях. Эти параметры переменного напряжения связаны между собой в соответствии с (7.7) коэффициентом амплитуды, поэтому коэффициент градуировки универсального вольтметра равен

Характеристики рассмотренных вольтметров приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1

Тип вольтметра	Тип преобразователя	Значение напряжения, на которое откликается вольтметр, Uотк	Значение напряжения, в котором отградуирован вольтметр, Uград	Значение коэффи-циента градуиров-ки, С
Универсальный	Макс. значение
Импульсный	Макс. значение
Средневыпрям. знач.	Средневыпям.
Среднеквадр. знач.	Среднеквадр. знач.
Выпрямит.	Средневыпям.
Теромоэлектр.	Среднеквадр. знач.
Электростат.
Электродин.
Электромагн.
Магнитоэлектр

В/1 – выпрямительный с однополупериодной схемой выпрямления

В/1 – выпрямительный с двухполупериодной схемой выпрямления

Для усвоения материала курса по разделу «Измерение тока и напряжения» предусматривается решение задач по определению показаний вольтметров при различных формах измеряемых напряжений.

Для определения показаний вольтметров необходимо выполнить следующие операции:

1) Записать математическую модель измеряемого напряжения;

2) Учесть тип входа; при закрытом входе вычислить постоянную слагаемую и убрать её из измеряемого напряжения;

3) Найти напряжение, на которое откликается вольтметр Uотк;

4) Найти показания вольтметра U=CUотк

Характеристики вольтметров различных систем, необходимых при решении таких задач, берутся из таблицы 7.1.

Следует отметить, что наиболее близкими измерительными приборами к вольтметрам являются псофометры и измерители уровня.

Псофометр – это электронный вольтметр среднеквадратических значений, амплитудно-частотная характеристика усилителя которого определяется характеристикой, входящего в него псофометрического фильтра. Псофометрический фильтр отражает частотную характеристику избирательности органов восприятия, и вид ее установлен на основе экспериментальных исследований и рекомендаций МККТТ. Обычно в состав прибора входят два псофометрических фильтра – с телефонной и вещательной псофометрическими характеристиками.

Измеритель уровня – это квадратичный вольтметр, шкала которого проградуирована в логарифмических единицах (децибелах). Специфическим для измерителя уровня является также возможность устанавливать определенные значения входного сопротивления: 600 Ом, что соответствует входному и выходному сопротивлениям канала тональной частоты, 150, 135 и 75 Ом для групповых трактов.

В электронных вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых электронных устройств в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический измерительный механизм со шкалой, градуированной в единицах напряжения. Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью и широким диапазоном измеряемых напряжений (от десятков нановольт на постоянном токе до десятков киловольт), большим входным сопротивлением (более 1 МОм), могут работать в широком частотном диапазоне (от постоянного тока до частот порядка сотен мегагерц). Эти достоинства обусловили широкое распространение электронных вольтметров.

Наиболее часто в электронных вольтметрах применяют схемы с прямым преобразованием сигналов (см. § 4-5). В этом случае аналоговые электронные узлы могут вносить значительные погрешности. Особенно это сказывается при измерении малых напряжений или напряжений высоких частот. Поэтому электронные вольтметры обычно имеют относительно невысокие классы точности (1-6). Вольтметры с уравновешивающим преобразованием, как правило, имеют более высокие классы точности но они более сложны и менее удобны в эксплуатации.

В настоящее время выпускается множество различных типов вольтметров. По своему назначению и принципу действия наиболее распространенные вольтметры могут быть подразделены на вольтметры постоянного тока, переменного тока, универсальные, импульсные и селективные.

Вольтметры постоянного тока. Упрощенная структурная схема таких вольтметров показана на рис. 6-1, где - входной

Рис. 6-1. Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока

делитель напряжения; УПТ - усилитель постоянного тока; ИМ - магнитоэлектрический измерительный механизм. Угол отклонения указателя измерительного механизма где - коэффициенты преобразования (усиления) соответственно ВД и УПТ, - чувствительность по напряжению измерительного механизма; - коэффициент преобразования электронного вольтметра; - измеряемое напряжение.

Последовательное соединение делителя напряжения и усилителя является характерной особенностью построения всех электронных вольтметров. Такая структура позволяет делать вольтметры высокочувствительными и многопредельными за счет изменения в широких пределах их общего коэффициента преобразования. Однако повышение чувствительности вольтметров постоянного тока путем увеличения коэффициента усиления УПТ наталкивается на технические трудности из-за нестабильности работы УПТ, характеризующейся изменением и дрейфом «нуля» (самопроизвольным изменением выходного сигнала) усилителя. Поэтому в таких вольтметрах, как правило, а основное назначение УПТ - обеспечить большое входное сопротивление вольтметра. В связи с этим верхний предел измерений таких вольтметров не бывает ниже десятков или единиц милливольт.

Для уменьшения влияния нестабильности УПТ в вольтметрах предусматривают возможность регулировки перед измерением «нуля» и коэффициента преобразования усилителя.

Рассмотренная структурная схема вольтметра постоянного тока используется в составе универсальных вольтметров (см. далее), поскольку при незначительном усложнении - добавлении преобразователя переменного напряжения в постоянное, появляется возможность измерения и переменного напряжения.

Для создания высокочувствительных вольтметров постоянного тока (микровольтметров) применяют усилители постоянного тока, построенные по схеме (модулятор - демодулятор), показанной на рис. 6-2, а, где М - модулятор; демодулятор; Г - генератор; - усилитель переменного тока. Усилители переменного тока не пропускают постоянную составляющую сигнала, и поэтому у них отсутствует дрейф «нуля», характерный для УПТ. На рис. 6-2, 6 показана упрощенная

временная диаграмма напряжений на выходе отдельных блоков. Генератор управляет работой модулятора и демодулятора, представляющих собой в простейшем случае аналоговые ключи (см. § 8-3), синхронно замыкая и размыкая их с некоторой частотой. На выходе модулятора возникает однополярный импульсный сигнал, амплитуда которого пропорциональна измеряемому напряжению. Переменная составляющая этого сигнала усиливается усилителем а затем выпрямляется демодулятором. Применение управляемого демодулятора делает вольтметр чувствительным к полярности входного сигнала.

Среднее значение напряжения выходного сигнала пропорционально входному напряжению Поскольку такая схема усилителя позволяет практически убрать дрейф «нуля» и имеет стабильный коэффициент усиления, коэффициент может достигать больших значений, например для микровольтметра Вследствие этого у микровольтметров верхний предел измерений при наивысшей чувствительности может составлять единицы микровольт. Так, микровольтметр постоянного тока имеет верхние пределы измерений при основной приведенной погрешности

Вольтметры переменного тока.

Такие вольтметры состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Возможны две обобщенные структурные схемы вольтметров переменного тока (рис. 6-3), различающиеся своими характеристиками. В вольтметрах по схеме рис. 6-3, а измеряемое напряжение их сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подается на УПТ и являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. Преобразователь Пр представляет собой малоинерционное нелинейное звено (см. далее), поэтому вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном

Рис. 6-2. Структурная схема (а) и временная диаграмма сигналов (б) электронного вольтметра постоянного тока с усилителем

Рис. 6-3. Структурные схемы вольтметров переменного тока

диапазоне (от десятков герц до МГц). Для уменьшения влияния распределенных емкостей и индуктивностей входного кабеля и входной цепи прибора преобразователи обычно выполняют в виде выносных узлов-пробников. В то же время указанные недостатки УПТ и особенности работы нелинейных элементов при малых напряжениях не позволяют делать такие вольтметры высокочувствительными. Обычно их верхний предел измерений при максимальной чувствительности составляет десятки - единицы милливольт.

В вольтметрах, выполненных по схеме 6-3, б, благодаря предварительному усилению удается повысить чувствительность. Однако создание усилителей переменного тока с большим коэффициентом усиления, работающих в широком диапазоне частот, - достаточно трудная техническая задача. Поэтому такие вольтметры имеют относительно низкий частотный диапазон (1 - 10 МГц); верхний предел измерений при максимальной чувствительности составляет десятки или сотни микровольт.

В зависимости от вида преобразователя переменного напряжения в постоянное отклонения указателя измерительного механизма вольтметров могут быть пропорциональны амплитудному (пиковому), среднему (средневыпрямленному) или действующему значениям измеряемого напряжения. В связи с этим вольтметры называют соответственно вольтметрами амплитудного, среднего или действующего значения. Однако независимо от вида преобразователя шкалу вольтметров переменного тока, как правило, градуируют в действующих значениях напряжения синусоидальной формы.

Вольтметры амплитудного значения имеют преобразователи амплитудных значений (пиковые детекторы) с открытым (рис. 6-4, а) или закрытым (рис. 6-5, а) входами, где - входное и выходное напряжения преобразователя. Если

Рис. 6-4. Схема (а) и временные диаграммы сигналов (б и в) преобразователя амплитудных значений (пикового детектора) с открытым входом

Рис. 6-5. Схема (а) и временные диаграммы сигналов (б) преобразователя амплитудных значений с закрытым входом

вольтметр имеет структуру рис. 6-3, а, то для преобразователя В амплитудных преобразователях с открытым входом конденсатор заряжается практически до максимального их положительного (при данном включении диода) значения входного напряжения (см. рис. 6-4, б). Пульсации напряжения иъых на конденсаторе объясняются его подзарядом при открытом диоде, когда и его разрядом через резистор при закрытом диоде, когда Как видно из рисунка, отпирание диода и подзаряд конденсатора происходит лишь в короткие промежутки времени 0, определяемые постоянными времени заряда и разряда Для того чтобы пульсации напряжения на выходе преобразователя были незначительными, необходимо обеспечить где - верхняя и нижняя границы частотного диапазона вольтметра. При этом среднее значение выходного напряжения следовательно, угол отклонения указателя измерительного механизма

где - коэффициент преобразования вольтметра.

Особенностью амплитудных преобразователей с открытым входом является то, что они пропускают постоянную составляющую входного сигнала (положительную для данного включения диода). Так, при (см. рис. 6-4, в) среднее значение выходного напряжения Следовательно, Очевидно, при подвижная часть ИМ не будет отклоняться, поскольку в этом случае закрыт диод

В преобразователях с закрытым входом (рис. 6-5, а, б) в установившемся режиме на резисторе независимо от наличия постоянной составляющей входного сигнала имеется пульсирующее напряжение изменяющееся от 0 до где - амплитуда переменной составляющей входного напряжения. Среднее значение этого напряжения практически равно Для уменьшения пульсаций выходного напряжения в таких преобразователях

устанавливается фильтр нижних частот Таким образом, показания вольтметра в этом случае определяются только амплитудным значением переменной составляющей входного напряжения их, т. е.

Особенности амплитудных преобразователей с открытым и закрытым входами следует учитывать при измерении электронными вольтметрами.

Поскольку шкала вольтметров градуируется в действующих значениях синусоидального напряжения, то при измерении напряжений другой формы необходимо делать соответствующий пересчет, если известен коэффициент амплитуды измеряемого напряжения. Амплитудное значение измеряемого напряжения несинусоидальной формы где - коэффициент амплитуды синусоиды; значение напряжения, отсчитанное по шкале прибора. Действующее значение измеряемого напряжения где - коэффициент амплитуды измеряемого напряжения.

Вольтметры среднего значения имеют преобразователи переменного напряжения в постоянное, аналогичные преобразователям, используемым в выпрямительных приборах (см. § 5-4). Такие вольтметры обычно имеют структуру, показанную на рис. 6-3, б. В этом случае на выпрямительный преобразователь подается предварительно усиленное напряжение что повышает чувствительность вольтметров и уменьшает влияние нелинейности диодов. Угол отклонения подвижной части измерительного механизма у таких вольтметров пропорционален средневыпрямленному значению измеряемого напряжения, т. е.

Шкала таких вольтметров также градуируется в действующих значениях синусоидального напряжения. При измерении напряжения несинусоидальной формы среднее значение этого напряжения а действующее - где - показание вольтметра; - коэффициент формы синусоиды; - коэффициент формы измеряемого напряжения.

Вольтметры действующего значения имеют преобразователь переменного напряжения с квадратичной статической характеристикой преобразования . В качестве такого преобразователя используют термопреобразователи, квадратирующие устройства с кусочно-линейной аппроксимацией параболы, электронные лампы и другие. При этом если вольтметр действующего значения выполнен по структурным схемам, изображенным на

Рис. 6-6. Схема электронного вольтметра действующего значения (с равномерной шкалой)

рис. 6-3, то независимо от формы кривой измеряемого напряжения отклонение указателя измерительного механизма пропорционально квадрату действующего значения измеряемого напряжения:

Как видно, такой вольтметр имеет квадратичную шкалу.

В диапазоне частот

5 Гц - 5 МГц.

Кроме рассмотренных вольтметров переменного тока, в настоящее время выпускаются диодно-компенсационные вольтметры.

Принцип действия таких вольтметров поясняется схемой рис. 6-7, а, основными элементами которой являются: диод Д; высокочувствительный магнитоэлектрический гальванометр - нуль-индикатор образцовый делитель напряжения ОДН. Основываясь на идеализированном представлении вольт-амперной характеристики диода (рис. 6-7, б) в виде ломаной линии, можно считать, что в отсутствие подаваемого на вход вольтметра напряжения их ток через диод не протекает. При подключении напряжения при через диод начинает протекать некоторый ток, вызывая отклонение указателя нуль-индикатора. Увеличивая (по модулю) компенсационное напряжение добиваются отсутствия тока через НИ. В момент, когда ток в НИ исчезает, Отсчет снимают по положению рукоятки ОДН. Высокая чувствительность НИ и высокая точность установки UK позволяют получать малые погрешности измерений (до 0,2 %).

Эти вольтметры являются наиболее точными из существующих электронных вольтметров, обладают высоким входным сопротивлением, широким частотным диапазоном (до МГц). Недостаток прибора - сложность эксплуатации.

Диодно-компенсационные вольтметры могут использоваться для точного измерения напряжения синусоидальной формы, а также для поверки и градуировки электронных вольтметров. Среди различных типов имеются вольтметры, предназначенные для измерения как периодических, так и импульсных

напряжений. Таким прибором является компенсационный вольтметр имеющий верхние пределы измерений и основную погрешность на постоянном токе на переменном токе в диапазоне частот 20 Гц

Наряду с вольтметрами приборостроительная промышленность выпускает измерительные преобразователи напряжения (переменного и постоянного) и тока (переменного и постоянного) в унифицированный сигнал постоянного тока. Принципы построения таких преобразователей во многом схожи с рассмотренными принципами построения электронных вольтметров. Отличительной особенностью преобразователей является отсутствие на выходе измерительного механизма.

Универсальные вольтметры.

Такие вольтметры предназначены для измерения напряжений постоянного и переменного токов. Обобщенная структурная схема показана на рис. 6-8, где В - переключатель. В зависимости от положения переключателя В вольтметр работает по схеме вольтметра переменного тока с преобразователем П (положение или вольтметра постоянного тока (положение 2).

В универсальных вольтметрах, называемых также комбинированными, часто предусматривается возможность измерения сопротивлений . В таких вольтметрах имеется преобразователь выходное напряжение которого зависит от неизвестного сопротивления: (см. § 6-5). На основании этой зависимости шкала прибора градуируется в единицах сопротивления. При измерении резистор с неизвестным сопротивлением подключается к входным зажимам преобразователя, а переключатель ставится в положение 3.

Измеряемых импульсов (от 10-100 не) и значительной скважностью (до 109), где Т - период следования импульсов.

Импульсные вольтметры градуируют в амплитудных значениях измеряемых импульсов.

Импульсные вольтметры могут быть выполнены по структурной схеме рис. 6-3, а, при этом используют преобразователи амплитудных значений с открытым входом, выходное напряжение которых должно быть равно амплитуде измеряемых импульсов. Большая скважность импульсов и малая их длительность предъявляют жесткие требования к преобразователям амплитудных значений. Поэтому в современных импульсных вольтметрах применяют компенсационные схемы амплитудных преобразователей (рис. 6-9). Входные импульсы заряжают конденсатор Переменная составляющая напряжения на этом конденсаторе, вызванная подзарядом его измеряемыми импульсами и разрядом между импульсами (аналогично рис. 6-4, в), усиливается усилителем У переменного тока и выпрямляется с помощью диода Постоянная времени цепи выбирается достаточно большой, поэтому напряжение на конденсаторе в промежутке между импульсами изменяется незначительно. С выхода преобразователя при помощи резистора обратной связи на конденсатор подается компенсирующее напряжение. При большом коэффициенте усиления усилителя это приводит к значительному уменьшению переменной составляющей напряжения на конденсаторе вследствие чего в установившемся режиме напряжение на этом конденсаторе практически равно амплитуде измеряемых импульсов, а выходное напряжение пропорционально этой амплитуде:

В нормативно-технической документации для импульсных вольтметров указывается диапазон допустимых значений длительности импульсов (или их частота) и скважность, при которых погрешности вольтметров находятся в пределах нормированных значений. Так, импульсный вольтметр имеет верхние пределы измерений 2,5, 10, 20 В и основную погрешность

Рис. 6-10. Спектр некоторого сигнала и амплитудно-частотная характеристика идеального полосового фильтра

При частоте следования импульсов 1 Гц - 300 МГц и скважности от 2 до 3 108.

Селективные вольтметры.

Такие вольтметры предназначены для измерения действующего значения напряжения в некоторой полосе частот или действующего значения отдельных гармонических составляющих измеряемого сигнала.

Принцип действия селективного вольтметра заключается в выделении отдельных гармонических составляющих сигнала или сигнала узкой полосы частот с помощью перестраиваемого полосового фильтра и измерении действующего значения выделенных сигналов. На рис. 6-10 сплошными вертикальными линиями показан спектр некоторого измеряемого сигнала, а штриховой линией - идеализированная амплитудно-частотная характеристика полосового фильтра, имеющего коэффициент передачи - для Кроме того, спектр измеряемого сигнала может быть таким, что через полосовой фильтр в пределах полосы пропускания Лео пройдут сразу несколько гармонических составляющих этого сигнала. В этих случаях селективный вольтметр измеряет действующее значение суммы гармонических составляющих, прошедших через фильтр, с учетом реальных коэффициентов передачи для каждой составляющей. Этот сигнал соответствует гармонической составляющей измеряемого сигнала с частотой Действующее значение этой гармонической составляющей измеряется вольтметром действующего значения Изменяя частоту генератора можно измерять действующее значение различных гармонических составляющих сигнала их.

Функцию полосового фильтра в этой схеме выполняет УПЧ. Благодаря фиксированному (неперестраиваемому) значению частоты настройки УПЧ этот усилитель имеет большой коэффициент усиления и узкую полосу пропускания, что обеспечивает высокую чувствительность и избирательность селективного вольтметра.

Промышленностью выпускается селективный микровольтметр имеющий верхние пределы измерений , основную погрешность в диапазоне частот 20 Гц - 100 кГц.

В разнообразных условиях радиотехнической практики одним из самых необходимых приборов является многопредельный вольтметр переменного тока, сохраняющий в широком диапазоне низких и высоких частот большое входное сопротивление и достаточно высокую точность измерений.

Рис. 1. Эквивалентная схема входа высокочастотного вольтметра.

Входное сопротивление вольтметров переменного тока является комплексным. В ряде случаев его можно представить в виде параллельного соединения элементов входного активного сопротивления Rв и входной ёмкости Св (рис. 1), из которых первое желательно иметь возможно большим, а вторую - малой. На высоких частотах

приходится также учитывать влияние индуктивности L пр проводов, соединяющих вход вольтметра с исследуемой цепью. При большой длине соединительных проводов падение напряжения на индуктивности L пр может привести к заметному уменьшению напряжения, подводимого к вольтметру, а внешние электрические и магнитные поля будут наводить в проводах значительные э. д. с. Кроме того, индуктивность L пр образует с ёмкостью С в последовательный колебательный контур с собственной резонансной частотой

f в = 1/(2π*(L пр *С в) 0,5). (1)

При измерении напряжений, частота которых близка к fв, вольтметр будет давать завышенные показания при одновременном резком уменьшении его входного сопротивления. Поэтому предельную рабочую частоту высокочастотного вольтметра обычно ограничивают значением

f макс = (0,1...0,2)f в, (2)

при котором резонансные явления ещё не сказываются существенно на точности измерений. При длине соединительных проводов примерно 20 см и известной входной ёмкости Св (в пикофарадах) предельную рабочую частоту вольтметра (в мегагерцах) можно приближённо определить по эмпирической формуле

f макс ≈ 200/С в 2 .

Например, при ёмкости Св в несколько единиц пикофарад частота fмакс достигает десятков мегагерц, если же Св > 15 пФ, то она не превосходит 1 МГц.

Для измерения переменных напряжений в широком диапазоне частот применяют электростатические, термоэлектрические и электронные вольтметры.

Электростатические вольтметры основаны на принципе электростатического взаимодействия заряженных металлических тел и выполняются классов точности 0,5; 1,0 и 1,5. Их частотный диапазон лежит в пределах от единиц герц до 1-30 МГц. Для исследуемой цепи они представляют лишь ёмкостную нагрузку, не превосходящую 10-30 пФ. Недостатками вольтметров являются трудность изменения предела измерений, из-за чего приборы выполняются, как правило, однопредельными, и низкая чувствительность (верхний предел измерений не менее десятков вольт), что определяет преимущественное их использование для измерения высоких напряжений. Электростатические вольтметры пригодны для измерения и постоянных напряжений, особенно высоких, например на анодах кинескопов; при этом их входное сопротивление можно практически считать бесконечно большим.

Термоэлектрические вольтметры имеют ограниченное применение на частотах от 20 Гц до 1-20 МГц. Их основные недостатки - малое входное сопротивление, обычно не более 10 кОм, и низкая перегрузочная способность.

Наиболее распространёнными и универсальными приборами являются электронные вольтметры переменного тока. Их основными особенностями являются: высокая чувствительность и широкие пределы измерений, которые при использовании усилителей и делителей напряжения охватывают область напряжений от единиц микровольт до тысяч вольт; малая входная ёмкость (единицы пикофарад) и высокое входное активное сопротивление (до десятков мегом); обширный диапазон рабочих частот (от десятков герц до сотен мегагерц); способность выдерживать большие перегрузки. К недостаткам электронных вольтметров относятся: необходимость питания от стабильных источников постоянного или переменного напряжения; необходимость в электрической установке стрелки измерителя на нуль или калибровке вольтметра перед началом измерений; сравнительно большая погрешность измерений (до 3-5%).

По принципу действия электронные вольтметры разделяются на две основные группы: вольтметры типа «усилитель - детектор», в которых измеряемое напряжение вначале усиливается, а затем выпрямляется для целей индикации измерителем постоянного тока, и вольтметры типа «детектор - усилитель», в которых измеряемое напряжение выпрямляется, а затем усиливается на постоянном токе. В зависимости от используемого вида активных элементов различают вольтметры транзисторные и ламповые.

Вольтметры типа «детектор - усилитель» часто выполняются как универсальные вольтметры переменного и постоянного тока или как комбинированные приборы, позволяющие измерять помимо переменных и постоянных напряжений и некоторые параметры элементов радиоцепей.

Электронные вольтметры широкого применения имеют, как правило, шкалы, отсчёт по которым производится в среднеквадратических значениях измеряемого синусоидального напряжения. Некоторые приборы снабжаются дополнительной шкалой с отсчётом в значениях относительного уровня передачи (в децибелах).

К специальным типам электронных вольтметров относятся вольтметры селективные, импульсные, логарифмические, фазочувствительные, компенсационные, цифровые.

Фазочувствительные вольтметры применяются при снятии амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик различных низкочастотных четырёхполюсников- усилителей, фильтров и др. К вольтметру подводятся одновременно входное Uвх и выходное Uвых напряжения от исследуемого устройства. Вольтметр имеет два измерителя. Один из них показывает действительную составляющую Uд измеряемого напряжения Uвых совпадающую по фазе с напряжением Uвх. Второй измеритель показывает мнимую составляющую Uмн напряжения Uвых, сдвинутую по фазе относительно напряжения Uвх на 90°. На базе показаний обоих измерителей можно рассчитать значение (модуль) выходного напряжения:

Uвых = (U д 2 +U мн 2) 0,5

и фазовый сдвиг:

φ = arctg (U мн /U д).

Компенсационные электронные вольтметры, основанные на компенсационном методе измерений (см. Дифференциальный и компенсационный методы измерения постоянных напряжений), применяются в качестве образцовых вольтметров при проверке градуировочной характеристики по напряжению электронных вольтметров переменного тока и измерительных генераторов.

Входные делители напряжения электронных вольтметров.

Электронными вольтметрами без усложнения их схемы можно измерять большие переменные напряжения лишь при условии включения на входе делителя напряжения резистивного или ёмкостного типа. Входные делители напряжения (ВДН) выполняются в виде отдельной приставки к вольтметру (рис. 2) или конструктивно объединяются с ним (рис. 4); в последнем случае вольтметр дополняется переключателем, обеспечивающим возможность работы с ВДН или без него.

Применение ВДН ведёт к возрастанию погрешности измерений, особенно заметному при большом числе ступеней деления. Поэтому ВДН обычно выполняются одноступенчатыми, но при правильном выборе коэффициента деления N оказывается возможным удвоить число пределов измерений собственно вольтметра. Предположим, что вольтметр имеет верхние пределы измерений 1,3, 10 и 30 В, определяемые установкой некоторого переключателя в его схеме; тогда при подключений ВДН с N = 100 можно получить дополнительные пределы измерений 100, 300, 1000 и 3000 В. В случае конструктивного объединения ВДН с вольтметром для получения восьми указанных пределов, измерений могут быть использованы два отдельных переключателя соответственно на два положения (x1 и х100) и на четыре положения (1-3-10-30 В) или один общий переключатель с увеличенным числом секций на восемь положений (1-3-10-30-100-300-1000-3000 В).

Резистивный делитель напряжения составляется из двух последовательно соединённых безындукционных и безъёмкостных резисторов (рис. 2, а). С резистора R2 на вход вольтметра подаётся строго определённая доля измеряемого напряжения, равная Ux/N и задаваемая коэффициентом деления

N = (R1 + R2в)/R2в,

который является множителем к показаниям вольтметра и обычно берётся в пределах 10-100. Здесь

R2в = R2Rв/(R2+Rв)

представляет собой полное сопротивление второго плеча ВДН с учётом шунтирующего влияния входного активного сопротивления

вольтметра Rв. Если Rв >> R2, то можно считать R2в ≈ R2. Но при малом коэффициенте деления N сопротивления Rв и R2 иногда оказываются соизмеримыми, поскольку полное сопротивление ВДН, по существу определяющее входное активное сопротивление измерительной схемы, приходится выбирать порядка мегом. Тогда сопротивление Rв будет существенно влиять на требуемое значение сопротивления R2, определяемое формулой

R2 = RвR1/((N-1)Rв - R1) = RвR2в/(Rв-R2в)

Поэтому каждый ВДН обычно рассчитывают для работы лишь с конкретным типом вольтметра.

Рис. 2. Схемы входных делителей напряжения резистивного (а) и ёмкостного (б) типа.

Недостатком резистивного ВДН является зависимость коэффициента деления от частоты f измеряемого напряжения вследствие влияния входной ёмкости Св вольтметра, сопротивление которой на высоких частотах может оказаться соизмеримым с сопротивлениями R2 и Rв. С учётом ёмкости Св фактический коэффициент деления

N" ≈ (N 2 + (2π*f*Cв*R1) 2) 0,5 .

Например, при N = 10, R1 = 9мОм, R2в = 1мОм и Св = 10 пФ при частоте f = 1 кГц получаем N" ≈ 10, при f = 10 кГц имеем N" ≈ 11,5, а при f = 100 кГц N" ≈ 57,5. Следует также учитывать, что с повышением частоты входное сопротивление вольтметров Rв по ряду причин уменьшается, что увеличивает погрешность измерений. Поэтому применение резистивных ВДН ограничивается диапазоном низких частот, а также традиционной для них областью постоянных напряжений.

Заметного повышения верхней граничной частоты резистивных ВДН можно достигнуть двумя способами. Во-первых, уменьшением полного сопротивления ВДН (что, однако, не всегда допустимо). Если, например, взять Rx = 0,9 мОМ и R2в = 0,1 мОМ, то при Св = 10 пФ и частотах измеряемого напряжения 1 и 10 кГц получим N" ≈ 10, при f = 100 кГц имеем N" ≈ 11,5 и лишь при f = 1 МГц N" ≈ 57,5. Другой способ заключается в применении частотной коррекции. Она достигается посредством шунтирования резисторов делителя R1 и R2 соответственно конденсаторами С1 и С2, как это показано штриховой линией на схеме рис. 2, а. Ёмкость конденсаторов (с учётом входных данных вольтметра) выбирается такой, чтобы оба звена ВДН имели одинаковые постоянные времени, т. е.

R1C1 = R2в (С2 + Св).

При этом ёмкость конденсатора С1 будет практически определять входную ёмкость измерительной схемы; второй конденсатор должен иметь ёмкость

C2 = C1(N-1)-Cв.

Один из этих конденсаторов (обычно С1) берётся подстроечного типа, что облегчает отладку ВДН. Применяя в комплексе оба рассмотренных способа удаётся расширить верхнюю границу частотной применимости резистивных ВДН до 1-10 МГц.

При измерении напряжений высоких частот хорошие результаты дают ёмкостные делители напряжения (рис. 2, б). Один из конденсаторов делителя обычно допускает регулировку ёмкости, что позволяет компенсировать влияние входной ёмкости Св; при этом коэффициент деления

N = (C1 + C2 + Cв)/С1

Для уменьшения входной ёмкости измерительной схемы ёмкости конденсаторов С1 и С2 желательно иметь малыми. Но такой ВДН будет пригоден для измерений лишь в области высоких частот, поскольку с понижением частоты сопротивление конденсатора С2 может оказаться соизмеримым с сопротивлением R3 вольтметра. Поэтому для измерения напряжений более низких частот иногда применяют отдельные ВДН с повышенными значениями ёмкостей.

При конструктивном выполнении ВДН, подключаемых к высоковольтным цепям, необходимо обеспечивать хорошую изоляцию между входными зажимами во избежание пробоя между ними и возрастания диэлектрических потерь, а также предусматривать меры, повышающие безопасность эксплуатации.

Задача 1. Электронный вольтметр имеет верхние пределы измерений 3, 6, 15 и 30 В при Rв = 5 МОм и С3 - 15 пФ. Рассчитать резистивный делитель напряжения к вольтметру, расширяющий пределы измерений до 600 В при входном активном сопротивлении = 10 МОм. Определить предельную частоту fмакс, при которой дополнительная погрешность, вызываемая изменением коэффициента деления, не превышает 5%.

Ответ: N = 20; при этом будут получены дополнительные пределы измерений с верхними значениями 60, 120, 300 и 600 В. R2в = 500 кОм; R1 = 9,5 МОм; R2 = 556 кОм.

Предельно допустимое значение N макс = 1,05N = 21 имеет место при частоте

fмакс = (N макс 2 -N 2) 0,5 /(2πCвR1) = 7,15 кГц.

Ответ: C1 ≈ С"в = 5 пФ; С2 = 80 пФ.

Электронные вольтметры типа «усилитель - детектор»

Выпрямительные вольтметры пригодны для измерения лишь сравнительно больших переменных напряжений - не менее десятых долей вольта. Если же подводимое к ним напряжение подвергать предварительному усилению, то создаётся возможность измерения малых переменных напряжений. Образуемый при этом прибор представляет собой электронный милливольтметр типа «усилитель - детектор».

Рис. 3. Функциональная схема многопредельного электронного вольтметра типа «усилитель-детектор».

При необходимости измерения малых и больших напряжений прибор выполняется многопредельным; при этом на всех пределах измерений входные напряжения приводятся к исходному (наинизшему) пределу с помощью калиброванных делителей напряжения, коэффициенты деления которых определяют множители к отсчётной шкале магнитоэлектрического измерителя, включённого на выходе выпрямительной схемы. В общем случае функциональная схема многопредельного вольтметра соответствует приведённой на рис. 3.

Усилитель вольтметра стремятся выполнить широкополосным, т. е. предпринимают специальные меры для обеспечения постоянства коэффициента усиления в пределах обширной полосы частот, а также при колебаниях в определённых границах напряжений питания, температуры и параметров элементов схемы. В этих целях уменьшают сопротивления нагрузок усилительных каскадов, применяют схемы частотной и температурной компенсации, стабилизируют режим работы; последнее достигается использованием глубокой отрицательной обратной связи (о. о. с.) по постоянному и переменному напряжениям. Поскольку с возрастанием полосы пропускания усилительного каскада его коэффициент усиления падает, широкополосный усилитель приходится выполнять многокаскадным, причём необходимое число каскадов оказывается тем большим, чем шире частотный диапазон и чем ниже исходный предел измерений, определяющий требуемое усиление. Практически вольтметр содержит 3-5 каскадов усиления, а верхний предел его рабочих частот не превосходит 1 МГц. При ограничении рабочего диапазона вольтметра областью низких частот уменьшается потребное число каскадов усиления, отпадает надобность в сложных схемах частотной коррекции, повышается общая устойчивость работы.

Минимально возможное значение измеряемых вольтметром напряжений ограничивается уровнем собственных шумов усилителя, который зависит от шумовых свойств транзистора или лампы входного каскада. Для уменьшения влияния различных наводок и фона переменного тока осуществляют тщательную экранировку вольтметра и хорошую фильтрацию напряжений питания.

Измерительные блоки вольтметров типа «усилитель - детектор» обычно представляют собой нагруженные на магнитоэлектрические измерители выпрямительные схемы, аналогичные рассмотренным в разделах Измерительные блоки выпрямительных приборов и Выпрямительные вольтметры . Поскольку выпрямитель соединяется с выходом усилителя через разделительный конденсатор, то при отсутствии на входе измеряемого напряжения тока в цепи измерителя нет; поэтому отпадает надобность в установке «нуля» измерителя.

Для ослабления влияния на исследуемые цепи и обеспечения сравнимости показаний при измерении малых и больших напряжений вольтметр должен иметь входное сопротивление, сохраняющее высокое и по возможности стабильное значение на всех пределах измерений. Входное (активное) сопротивление может достигать нескольких мегом при установке на входе вольтметра катодного повторителя г. "Однако в современных измерительных приборах избегают использовать электронные лампы, если аналогичных или близких результатов можно достичь с помощью полупроводниковых элементов.

Вольтметр переменного тока на транзисторах можно выполнить подобно транзисторному вольтметру постоянного тока (см. Транзисторные вольтметры постоянного тока), а именно на основе чувствительного транзисторного микроамперметра переменного тока, включаемого последовательно с добавочными резисторами. Однако входное сопротивление такого вольтметра зависит от предела измерения и при малых измеряемых напряжениях может оказаться недостаточно большим; кроме того, реактивные параметры добавочных резисторов ограничивают возможности применения вольтметра на высоких частотах.

При использовании биполярных транзисторов наибольшее стабильное входное сопротивление (сотни килоом) обеспечивается при включении на входе вольтметра согласующего каскада по схеме эмиттерного повторителя. Если же входным каскадом является истоковый повторитель (на полевых транзисторах), то входное сопротивление достигает нескольких мегом. Истоковые повторители (так же как катодные и эмиттерные) обладают, как известно, малой входной ёмкостью (единицы пикофарад) и низким выходным сопротивлением, поэтому они оказываются широкополосными. Малое выходное сопротивление повторителя облегчает его согласование с низкоомным входом последующих усилительных каскадов, которые могут работать на биполярных транзисторах по схемам, обеспечивающим стабильное усиление напряжения в требуемом частотном диапазоне.

В большинстве вольтметров основной многоступенчатый делитель напряжения является непосредственной нагрузкой входного согласующего каскада (повторителя) и поэтому он может иметь малое полное сопротивление (тысячи или сотни ом); это облегчает точный подбор резисторов и позволяет до частот в единицы мегагерц обходиться без частотной коррекции. Входной делитель напряжения либо отсутствует, либо выполняется одноступенчатым с большим коэффициентом деления и элементами частотной коррекции (см. раздел ).

На рис. 4 приведена схема многопредельного транзисторного вольтметра, работающего в диапазоне частот 20 Гц-200 кГц и имеющего верхние пределы измерения переменных напряжений (в среднеквадратических значениях) 10-30-100-300-1000 В. Входной каскад - истоковый повторитель на транзисторе Т1, нагрузкой которого является низкоомный делитель напряжения R4-R8. На входе прибора включён второй частотно-компенсированный делитель напряжения R1, С1, R2, С2 с коэффициентом деления N = 1000. В зависимости от установки переключателя В1 отсчёт верхних пределов измерений по шкале переключателя В2 производится в милливольтах или вольтах. При измерении малых напряжений входной делитель напряжения не используется и, для того чтобы он не уменьшал входного сопротивления вольтметра, его отключают от схемы прибора.

Основное усиление измеряемого напряжения осуществляется усилительными каскадами на биполярных транзисторах Т2 и Т3, включённых по схеме с общим эмиттером. Для обеспечения значительного усиления должны выбираться транзисторы с коэффициентом Вст, равным примерно 100. Расширению частотной характеристики вольтметра способствует непосредственная (гальваническая) связь между усилительными каскадами, а также наличие на входе транзистора Т2 Двух параллельно включённых разделительных конденсаторов С5 и С6, имеющих малое сопротивление соответственно на низких и повышенных частотах. С целью согласования относительно высокого выходного сопротивления усилителя с малым сопротивлением измерительного блока на выходе установлен эмиттерный повторитель на транзисторе Т4.

Стабилизация режима работы усилителя достигается применением о. о. с. по постоянному напряжению от эмиттера транзистора Т3 на базу транзистора Т2 через подстроенный резистор R11. Последний позволяет регулировать глубину обратной связи, а следовательно, и коэффициент усиления, что используется при калибровке вольтметра.

Для обеспечения требуемой полосы пропускания частот и повышения линейности шкалы в вольтметре действует сильная о. о. с. по переменному напряжению от эмиттера транзистора Т4 к эмиттеру транзистора Т2 через электролитический конденсатор С9, выпрямитель измерительного блока и резистор R19; степень обратной связи регулируется при наладке прибора подстроечным резистором R12. Некоторого улучшения линейности шкалы удаётся достичь заменой двух диодов выпрямителя (Д3 и Д4) электролитическими конденсаторами большой ёмкости, а также применением однополупериодной схемы выпрямления.

Рис. 4. Схема транзисторного вольтметра типа «усилитель - детектор».

В состав некоторых электронных вольтметров включают калибратор, который выдаёт опорное переменное напряжение, используемое для проверки и коррекции чувствительности прибора. Для работы калибратора требуется источник синусоидального напряжения, поэтому он легко совмещается с ламповыми вольтметрами, питаемыми от сети переменного тока. В транзисторных вольтметрах иногда предусматривают возможность подключения входа калибратора к внешнему источнику переменного тока либо включают в конструкцию вольтметра маломощный преобразователь постоянного напряжения в переменное.

Наиболее простым, но достаточно надёжным является калибратор на кремниевых стабилитронах (рис. 5). Два одинаковых стабилитрона Д1 и Д2, включённых встречно-параллельно, обеспечивают стабилизацию обеих полуволн переменного напряжения U на уровне характеризующего их напряжения стабилизации Uст при условии, что U > Uст. Если стабилизация осуществляется при изменении тока через стабилитроны в пределах Iмин - Iмакс, то ограничительный резистор R1 должен иметь сопротивление

R1 = (U-Uст)/((Iмакс-Iмин)/2 + Uст/(R2 + R3)).

Полное сопротивление делителя напряжения R2, R3 должно быть в десятки раз меньшим входного сопротивления вольтметра и в то же время достаточно большим, чтобы не нагружать заметно источник питания. Его коэффициент деления выбирается таким, чтобы получить на выходе стабилизированное напряжение, равное одному из низковольтных пределов измерений Uп. При наладке калибратора требуемое напряжение точно устанавливается подстроечным потенциометром R3 (по показаниям образцового вольтметра). Перед началом измерений это напряжение подводится к входу калибруемого вольтметра, включённого на соответствующий предел измерений, и предусмотренной в схеме вольтметра регулировкой добиваются отклонения стрелки его измерителя до конца шкалы.

Рис. 5. Схема калибратора переменного напряжения на полупроводниковых стабилитронах.

Для измерения очень малых напряжений радиочастотного диапазона применяются селективные микровольтметры. Они обычно выполняются по схеме супергетеродинного приёмника с одинарным или двойным преобразованием частоты. Высокочастотную часть прибора настраивают на частоту измеряемого напряжения, которое получает большое калиброванное усиление по высокой и промежуточным частотам. Нагрузкой детектора является магнитоэлектрический измеритель, градуируемый в значениях измеряемого напряжения. Перед началом измерений проводятся контроль и регулировка усиления, для чего используется внутренний калибровочный генератор, подающий опорное напряжение требуемой частоты на вход прибора. Благодаря избирательным свойствам селективный микровольтметр может применяться для исследования спектров периодических и шумовых сигналов (посредством последовательной настройки на частоты отдельных составляющих этих спектров), а также для измерения напряжённости электромагнитного поля (при включении на его входе антенны) и других высокочастотных измерений.

Электронные вольтметры типа «детектор - усилитель»

Электронные вольтметры, предназначенные для измерения не слишком малых напряжений (от десятых долей вольта и выше) в широком диапазоне частот (вплоть до сверхвысоких), а также для использования в универсальных и комбинированных измерительных приборах, обычно выполняются по схеме типа «детектор - усилитель» (рис. 6). Измеряемое напряжение выпрямляется полупроводниковым или ламповым детектором, а затем постоянная составляющая выпрямленного напряжения через резистивный делитель напряжения и RC-фильтр, устраняющий переменные составляющие, подводится к усилителю постоянного тока. На выходе усилителя включён магнитоэлектрический измеритель И, шкала которого градуируется в среднеквадратических или амплитудных значениях измеряемого напряжения. Делитель напряжения, фильтр и усилитель с измерителем по существу представляют собой многопредельный вольтметр постоянного тока с высокоомным, как правило, входом. При этом вольтметр переменного тока также оказывается многопредельным при сохранении на всех пределах примерно одинакового и высокого входного сопротивления. Если изменение пределов измерений предусмотрено в схеме усилителя, то делитель напряжения может отсутствовать. Недостатком вольтметра является необходимость в предварительной установке «пуля» измерителя.

Рис. 6. Функциональная схема многопредельного электронного вольтметра типа «детектор - усилитель».

Специфичными для вольтметров типа «детектор - усилитель» являются лишь их детекторные компоненты, которые чаще всего аналогичны выпрямительным узлам амплитудных вольтметров; в некоторых приборах детектор формируется на основе двухполупериодной схемы, выделяющей средневыпрямленное значение измеряемого напряжения.

Электронный вольтметр типа «детектор - усилитель» можно представить как выпрямительный вольтметр, индикатором которого является электронный вольтметр постоянного тока. Очевидно, что такой вольтметр рационально использовать как универсальный для измерения переменных и постоянных напряжений в широком диапазоне значений и частот Схема компоновки такого вольтметра представлена в двух вариантах на рис. 7. Основой первого варианта (рис. 7, а) является типовой электронный вольтметр постоянного тока, который может использоваться непосредственно по своему прямому назначению. При необходимости получения добавочного высоковольтного предела измерения постоянных напряжений применяется выносной хорошо изолированный щуп с замонтированной в нем группой последовательно соединённых высокоомных резисторов Rс, подключаемый к входу вольтметра постоянного тока при установке последнего на определённый предел измерений. Детекторный компонент оформляется в виде приставка, выполняемой чаще всего по схеме амплитудного детектора с закрытым входом (рис. 8, б), и присоединяется к вольтметру при необходимости измерения переменных напряжений. Полярность включения диода Д должна быть согласована с полярностью напряжений, измеряемых вольтметром постоянного тока; от схемы последнего зависит также возможность соединения одного из входных соединительных проводов с экраном и корпусом прибора.

Рис. 7. Схемы компоновки универсальных электронных вольтметров типа «детектор - усилитель».

Входной конденсатор С должен быть рассчитан (так же как и диод Д по обратному напряжению) на предельную амплитуду измеряемого напряжения. Его ёмкость должна удовлетворять двум противоречивым требованиям. С одной стороны, для обеспечения достаточно высокой верхней границы рабочих частот ёмкость С желательно иметь малой, чтобы уменьшить индуктивное сопротивление конденсатора и активные потери в нем на высоких частотах. С другой стороны, для обеспечения нижней границы рабочих частот эту ёмкость желательно иметь большой, чтобы ёмкостное сопротивление конденсатора С было много меньше обратного сопротивления диода Д. Практически берут ёмкость С = 0,001...0,1 мкФ, исходя из компромиссных соображений и конкретных границ частотного диапазона.

Сопротивление резистора R выбирается из условия совпадения (при одинаковых пределах измерений) отсчётных шкал переменного и постоянного напряжений, что вполне достижимо, поскольку выбранная схема детекторного компонента обеспечивает практически линейную зависимость между выпрямленным и входным напряжениями. Если обратное сопротивление диода Д и входное сопротивление Rин индикатора (вольтметра постоянного тока) достаточно велики, то постоянное напряжение на диоде окажется близким к амплитуде Rм измеряемого напряжения и тогда отсчёт амплитуд можно производить по соответствующим шкалам постоянного напряжения при R = 0. Если же требуется получать показания в среднеквадратических значениях U = 0,707*Uм (при синусоидальной форме напряжения), то следует соответственно уменьшить подводимое к вольтметру постоянного тока выпрямленное напряжение; это достигается при сопротивлении R ≈ 0,415*Rин. Точная подгонка сопротивления резистора R производится при наладке прибора.

На самых низковольтных пределах (примерно до 3 В) возможно нарушение линейности шкал переменного напряжения и неполное совпадение их с соответствующими шкалами постоянного напряжения вследствие слабой эффективности детектирования диодом малых напряжений, а также из-за изменения сопротивления Rин, поскольку на этих пределах входной делитель напряжения вольтметра постоянного тока может оказаться отключённым или действовать как шунт. С целью уменьшения погрешности в некоторых вольтметрах на низковольтных пределах применяют особый детекторный компонент со специально подобранными диодом Д и резистором R либо используют поправочные графики или таблицы.

Второй вариант универсального вольтметра (рис. 7, б) характеризуется отсутствием на входе переключателей и сменных компонентов. Схема рассчитывается как единое целое для измерения прежде всего переменных напряжений на требуемых пределах измерений. В частности, резистор R берётся обычно весьма большого сопротивления (примерно 10 МОм), что улучшает фильтрацию выпрямленного напряжения и ограничивает воздействие на прибор случайных перегрузок. Резистор Rc должен обеспечивать совпадение шкал постоянного напряжения с имеющимися шкалами переменного напряжения. Если отсчёт по шкалам переменного напряжения производится в амплитудных значениях Uм, то берут Rc ≈ R 2 /(R + Rин), а при отсчёте в среднеквадратических значениях напряжения

Rc ≈ (0,7*R 2 - 0,3*R*Rин)/(R + R).

Недостатком данного варианта является возможность нарушения достигнутого совпадения шкал переменного и постоянного напряжений при изменении обратного сопротивления диода Д. Этого можно избежать, если при измерении постоянных напряжений отключать цепь детектора.

Если на входе вольтметра постоянного тока делитель напряжения отсутствует (как, например, в схемах на рис. 5, а и 6), то резистор R может служить элементом (Rф) входного фильтра Rф, Сф. Ёмкость фильтра должна быть сравнительно большой (сотые доли микрофарады), чтобы сопротивление её на самой низкой рабочей частоте было значительно меньше сопротивления Rф.

Диод, включаемый в схему детекторного компонента, должен удовлетворять двум главным требованиям: достаточно высокое значение максимально допустимого обратного напряжения Uобр.макс, поскольку оно определяет верхнюю границу измеряемых переменных напряжений, которая не должна превосходить по амплитуде или среднеквадратическому значению соответственно 0,5*Uобр.макс и 0,35*Uобр.макс; малый обратный ток или, что эквивалентно, возможно большее обратное сопротивление Rобр, ибо от него существенно зависит входное активное сопротивление Rв вольтметра переменного напряжения. Последнее обычно составляет от 1/4 до 1/3 сопротивления постоянному току параллельной цепи, образованной обратным сопротивлением диода Д и сопротивлением его нагрузки Rн = R + Rин, т. е.

Rв ≈ 0,3*Rобр*Rн/(Rобр + Rи).

Если Rобр << Rн, то Rв ≈ 0,3*Rобр. И наоборот, при Rобр >> Rн получаем Rн ≈ 0,3*Rн. Если же Rобр ≈ Rн, то Rв ≈ 0,15*Rн.

При использовании в детекторах ламповых диодов, которые выдерживают большие обратные напряжения и обладают практически безграничным обратным сопротивлением и устойчивыми параметрами, вольтметр может иметь очень высокое входное сопротивление (десятки и сотни мегом на низких частотах) и обеспечивать (без входного делителя напряжения) измерение значительных переменных напряжений (до 100-150 В). Однако их применение ограничивается из-за необходимости питания нити накала диода и компенсации его начального тока (рис. 8, а).

Полупроводниковые диоды не требуют специального питания и не имеют начального тока, габариты их малы, однако по сравнению с ламповыми диодами они выдерживают значительно меньшие обратные напряжения и обладают конечным обратным сопротивлением; кроме того, их параметры заметно зависят от температуры и приложенного к диоду напряжения, а с течением времени они несколько меняются. Поэтому у вольтметров с полупроводниковыми детекторами входное сопротивление и предельное значение измеряемых напряжений оказываются в несколько раз ниже, а погрешность измерений выше, чем в вольтметрах с ламповыми детекторами. При использовании в детекторе высокочастотных (точечных) диодов с малым обратным током входное сопротивление вольтметра может достигать нескольких мегом, а верхний предел измерений - десятков вольт. Ёмкость между электродами высокочастотных диодов, как полупроводниковых, так и ламповых, обычно составляет несколько единиц или десятых долей пикофарады, поэтому вольтметры типа «детектор - усилитель» при рациональном монтаже входной цепи могут иметь верхнюю границу рабочих частот, равную десяткам или даже нескольким сотням мегагерц.

Иногда вольтметры снабжаются двумя сменными или переключаемыми детекторными компонентами. Один из них на плоскостном диоде с высоким допустимым обратным напряжением, но значительной входной ёмкостью, и с разделительным конденсатором С ёмкостью примерно 0,1 мкФ включается при измерении напряжений сравнительно низких частот в широком интервале значений (до сотен вольт). Второй детектор на точечном диоде и с конденсатором С ёмкостью в несколько тысяч пикофарад используется при измерении относительно малых напряжений (до десятков вольт) высоких и сверхвысоких частот.

По схеме типа «детектор - усилитель» выполняются также импульсные вольтметры, предназначенные для измерения амплитуд импульсов различной длительности и скважности. В них обычно используются два детектора на точечных диодах, применяемые для детектирования импульсов соответственно положительной и отрицательной полярности.

Особенности конструктивного исполнения и градуировки электронных вольтметров переменного тока

Степень влияния широкополосного вольтметра на исследуемые цепи при измерении напряжений различных частот определяется значениями его входных параметров Rв, Св и Lпр (рис. 1).

Входная ёмкость Св складывается из ёмкости между входными электродами лампового или полупроводникового прибора, включённого во входной цепи, ёмкости между соответствующими гнёздами панельки, служащей для подключения этого прибора, и ёмкости монтажа. При использовании на входе малогабаритных деталей и зажимов, их рациональном размещении и выполнении соединений короткими проводниками ёмкость монтажа составляет 3-6 пФ. В этом случае правильный подбор входного электронного прибора и подпайка элементов схемы непосредственно к его выводным штырькам позволяют ограничить входную ёмкость вольтметра значениями 6-10 пФ.

Входное активное сопротивление вольтметра Rв определяется конкретной схемой входной цепи и входным активным сопротивлением включённого на входе электронного прибора. На низких частотах оно оказывается равным единицам, реже десяткам, мегом. При работе на высоких частотах сопротивление Rв несколько уменьшается из за возрастания диэлектрических потерь в баллоне, корпусе или цоколе электронного прибора и монтажных платах. Снижение этих потерь достигается применением на входе бесцокольных радиоламп, монтажом входных зажимов и других элементов входной цепи на панелях из высокочастотного диэлектрика - полистирола, радиофарфора и т. п.

В диапазоне метровых и дециметровых волн время пробега электронов между электродами лампы становится соизмеримым с периодом измеряемого напряжения, вследствие чего резко возрастают потери во входных цепях радиоламп. С увеличением частоты растут потери и в массах полупроводников, которые у диодов проявляются в уменьшении коэффициента выпрямления и обратного сопротивления, а у транзисторов - в уменьшении входного сопротивления и коэффициента передачи тока Вст. Эти потери снижаются при использовании миниатюрных радиоламп и полупроводниковых приборов. Практически удаётся получить при частоте измеряемого напряжения 100 МГц входное активное сопротивление вольтметра порядка десятков, реже сотен, килоом.

При выполнении монтажа короткими проводниками и применении малогабаритного и безындукционного разделительного конденсатора индуктивность входной цепи составляет сотые доли микрогенри, а её собственная резонансная частота достигает сотен мегагерц. Входные соединительные провода, обладая распределёнными по длине индуктивностью и ёмкостью, уменьшают предельную рабочую частоту fмакс, соответствующую допустимой погрешности измерений. Влиянием этих проводов можно практически пренебречь, если их длина не превышает 1% длины волны λ измеряемого напряжения.

Если входные зажимы или гнезда смонтированы на корпусе прибора, то при измерении высокочастотных напряжений не всегда удаётся приблизить вольтметр к исследуемой цепи настолько, чтобы обойтись соединительными проводами допустимой длины. Поэтому во многих электронных вольтметрах входная высокочастотная часть (детекторный компонент в вольтметрах типа «детектор - усилитель», истоковый, эмиттерный или катодный повторитель в вольтметрах типа «усилитель - детектор») выполняется в виде отдельного малогабаритного экранированного выносного узла, называемого пробником (см. рис. 7, а). Пробник соединяется с остальной схемой вольтметра гибким экранированным кабелем. Во время измерений пробник подносится к исследуемой цепи и размещённым в его головке потенциальным штырем непосредственно или коротким проводником присоединяется к требуемой потенциальной точке цепи; второй зажим (обычно типа «крокодил»), соединённый в большинстве приборов с корпусом и общим минусом вольтметра (при несимметричной схеме его входа), предварительно подключают к точке наименьшею потенциала цепи.

Для исключения влияния внешних электрических и магнитных полей вольтметр помещают в металлический кожух, который при работе рекомендуется заземлять. С этим кожухом надёжно соединяют корпус или экран исследуемого устройства.

Рис. 8. Схема градуировки вольтметров переменного тока.

Регулировка и градуировка электронных (и иных) вольтметров переменного тока может выполняться при помощи схемы, приведённой на рис. 8. Здесь в качестве опорного используется вольтметр V, который должен иметь предел измерений, равный или несколько больший предельного значения напряжения, измеряемого градуируемым вольтметром. Посредством автотрансформатора Тр с плавной регулировкой на резистивный делитель R1-R3 подают напряжение, равное предельному измеряемому, и при установке переключателя В в положение «x1» регулировкой элементов электронного вольтметра добиваются отклонения стрелки его измерителя до конца шкалы. Затем перемещением движка автотрансформатора плавно уменьшают напряжение и проверяют градуировочную характеристику в ряде промежуточных точек шкалы. Делитель напряжения позволяет использовать один и тот же однопредельный опорный вольтметр V для градуировки электронного вольтметра на нескольких пределах измерений. Если опорный вольтметр является многопредельным, схема градуировки соответственно упрощается исключением из неё делителя напряжения.

Питание электронных вольтметров

В зависимости от схемы и условий применения питание электронных вольтметров производят от источников постоянного или переменного тока.

Транзисторные вольтметры, как правило, питают от малогабаритных сухих или аккумуляторных батарей с э. д. с. 4,5...9 В, которые помещают внутри кожуха прибора в специальном изолированном от остальной схемы отсеке. Один из возможных вариантов схемы питания приведён на рис. 9. Плоскостной диод Д2 защищает прибор при неправильной полярности подключения батареи питания Б. Параметрическая стабилизация напряжения питания осуществляется стабилитроном Д1, который присоединяется к источнику через резистор R1. Требуемый режим стабилизации обеспечивается при сопротивлении

R1 = (U-Uст)/ ((Iмакс - Iмин)/2 + Iн),

где Iмин и Iмакс - предельно допустимые значения тока через стабилитрон, а Iн - номинальное (среднее) значение тока нагрузки на источник питания. Если желательна исключительно высокая стабильность напряжения питания, то включают аналогичным образом второе звено из стабилитрона и резистора, рассчитанное на получение стабилизированного напряжения, несколько меньшего, чем на выходе первого звена. При отказе от стабилизирующих элементов источник питания шунтируют конденсатором ёмкостью примерно 100 мкФ.

Рис. 9. Схема параметрической стабилизации напряжения питания транзисторного вольтметра.

В некоторых приборах предусматривают контроль напряжения питания с помощью измерителя вольтметра, при необходимости подключаемого к источнику питания через добавочный резистор.

Переносные ламповые вольтметры имеют в большинстве случаев внутреннее батарейное питание. В них стремятся обойтись одной низковольтной батареей посредством применения в вольтметре экономичных радиоламп с малым током накала, работающих при низком анодном напряжении (5-10 В). В некоторых случаях для питания анодных цепей используют маломощный транзисторный преобразователь напряжения, питаемый от батареи накала.

При питании лампового вольтметра от сети переменного тока расширяются возможности выбора схемы, ламп, режима работы. Это позволяет использовать в приборе менее чувствительный измеритель при одновременном повышении входного сопротивления и расширения пределов измерений и диапазона рабочих частот. Поскольку постоянный ток в цепях питания не превышает 10-20 мА, а пульсации высокого напряжения мало влияют на работу вольтметра, то выпрямитель питания обычно выполняется по однополупериодной схеме, в которой фильтром служит конденсатор ёмкостью в несколько микрофарад, включённый параллельно нагрузке. Для повышения устойчивости работы вольтметра при возможных колебаниях питающего напряжения применяют различные методы стабилизации режима питания ламп. Хорошие результаты даёт применение феррорезонансных стабилизаторов, обеспечивающих одновременную стабилизацию переменных напряжений на всех вторичных обмотках силового трансформатора. Для устранения воздействия на вольтметр высокочастотных помех, распространяющихся по проводам питающей сети, провода питания у самого выхода их из кожуха вольтметра соединяют с корпусом конденсаторами ёмкостью в несколько тысяч пикофарад.

На рис. 86 приведена принципиальная схема простого транзисторного вольтметра постоянного тока с входным сопротивлением около 100 кОмВ и диапазоном измерений от 0 до 1000 В в семи поддиапазонах: 0—1; 0—5, 0—10; 0—50; 0—100; 0—500 и 0— 1000 В. Такой прибор может оказаться полезным при измерении режимов работы транзисторных и ламповых усилительных каскадов.

Прибор питается от одного гальванического элемента напряжением 1,5 В. Он описан в журнале бразильских радиолюбителей.

Налаживание прибора несложно. Сначала при разомкнутом входе при помощи переменного резистора R8 устанавливают стрелку миллиамперметра прибора на нуль. Затем калибруют шкалы. Для этого вход вольтметра подключают к источнику эталонного напряжения, например к полюсам внешней гальванической батареи, вставляют щупы прибора во входные гнезда «О» и соответствующего предела измерения и, подстраивая переменный резистор R9, добиваются показания вольтметра, соответствующего напряжению эталонной батареи.

Для того чтобы можно было калибровать прибор только лишь на одной шкале, сопротивления резисторов R1—R7 должны быть подобраны очень точно (с допуском не выше 1-2%).

Для изготовления вольтметра можно использовать транзисторы типа ГТ108 или МП41, МП42 с любыми буквенными индексами, но обязательно с одинаковыми значениями Вст = 50-80, миллиамперметр на ток 0—1 мА. Источником питания может быть один элемент 316 или 343, 373.

В процессе эксплуатации следует помнить, что большое входное сопротивление данного вольтметра достигнуто ввиду применения усилителя постоянного тока на транзисторах, параметры которых сильно зависят от окружающей температуры. Поэтому перед проведением измерений необходимо тщательно устанавливать стрелку прибора на нуль, а при повышенной окружающей температуре дополнительно калибровать его шкалы. Это является недостатком описанного вольтметра по сравнению с обычными авометрами.

Значительно большей стабильностью обладают вольтметры, в которых усилитель постоянного тока выполнен на полевых транзисторах. На рис. 87 приведена принципиальная схема вольтметра постоянного тока для измерения напряжений от 0 до 1 В, собранного на двух полевых транзисторах. Входное сопротивление прибора около 4 МОм. Такой прибор может оказаться очень полезным при измерении постоянного напряжения в базовых цепях транзисторных каскадов приемников и усилителей, как это рекомендовано в его описании.

В этом вольтметре могут быть применены полевые транзисторы типа КП102Е и КП103К. В качестве источника питания можно использовать три последовательно соединенные батареи 3336 Л. В случае необходимости напряжение питания можно понизить до 9 В. Для измерения больших напряжений, например, в пределах 0— 10 В или 0—100 В следует устанавливать внешние высокоомные делители напряжения с коэффициентом деления 10:1 или 100:1. Милливольтметр с высокоомным входом. Обычно радиолюбители измеряют напряжение переменного тока авометром, входное сопротивление которого невысоко. Лучшие результаты можно получить с помощью стандартных милливольтметров, позволяющих измерять очень малые напряжения НЧ, исчисляемые милливольтами. Авометр в лучшем случае может измерить 0,1 В.

На рис. 88 представлена принципиальная схема простого низкочастотного милливольтметра с входным сопротивлением около 2 МОм. Полное отклонение стрелки измерительного прибора соответствует входному напряжению от 15 до 100 мВ. Питание вольтметра осуществляется от батареи напряжением 4,5 В. Такие хорошие результаты могли быть получены лишь только потому, что на входе усилителя НЧ этого прибора включен полевой транзистор.

Согласно схеме (рис. 88), опубликованной в одном из американских радиожурналов, милливольтметр содержит истоковый повторитель на полевом транзисторе Т1, усилитель напряжения на транзисторе Т2, включенном по схеме с общим эмиттером, и двух-полупериодный выпрямитель напряжения сигнала, нагруженный измерителем тока — микроамперметром. Усиление сигнала до выпрямителя, а следовательно, чувствительность прибора регулируется переменным резистором R5. При этом если движок переменного резистора находится в нижнем по схеме положении, то чувствительность милливольтметра составляет 100 мВ. Диапазон измерений этого прибора может быть значительно расширен при включении на его входе дополнительного делителя напряжения измеряемого сигнала. В этом случае можно получить многопредельный измерительный прибор с входным сопротивлением более 10 МОм.

Милливольтметр можно изготовить, применяя транзисторы КП103Ж или КП103Л (Т1,) и МП41А (Т2), а также диоды Д9В-Д9Е (Д1, Д2). Источником питания может служить батарея 3336Л. Во избежание внешних наводок желательно разместить детали милливольтметра в металлическом корпусе.

Милливольтметр с линейной шкалой. Недостатком большинства авометров и милливольтметров переменного тока (в том числе и описанного выше) является неравномерность шкалы вблизи нуля, что обусловлено нелинейностью коэффициента передачи диодного выпрямителя при малом сигнале. Известны различные способы линеаризации шкалы таких приборов, но они в большинстве своем сложны для радиолюбительских конструкций. В этом отношении отличается простотой и надежностью работы вольтметр переменного тока, описанный на страницах английского радиолюбительского журнала, принципиальная схема которого приведена на рис. 89. Этот вольтметр состоит из мостового выпрямителя на диодах Д1—Д4 одна диагональ которого нагружена миллиамперметром со шкалой 0—500 мкА и внутренним сопротивлением 500 Ом, а другая включена между коллектором и базой усилительного каскада, собранного на транзисторе Т1, включенном по схеме с общим эмиттером. В других аналогичных вольтметрах вторая диагональ включается между коллектором и эмиттером. Не допущена ли здесь ошибка? Нет. В этом приборе через последовательно соединенные мостовой выпрямитель и конденсатор C2 возникает нелинейная отрицательная обратная связь по току с коллектора на базу транзистора Т1.

Так как при малом напряжении сигнала ток через диоды также мал, то действие отрицательной обратной связи будет незначительным, а усиление, даваемое каскадом, велико (60—100). По мере увеличения напряжения сигнала проводимость диодов возрастает, и вместе с ней возрастает ток отрицательной обратной связи, а это уменьшает усиление каскада. И чем больше сигнал на входе, тем меньше усиливается сигнал до выпрямителя. В результате начальный участок шкалы вольтметра выравнивается (линеаризуется), и показания вольтметра могут полностью совпадать с делениями шкалы микроамперметра. Максимальное значение измеряемого этим прибором переменного напряжения численно равно отношению максимального показания микроамперметра, деленному на сопротивление резистора R3 в килоомах. Например, при указанном на схеме рис. 89 сопротивлении резистора R3 вольтметр может измерять переменное напряжение в пределах 0—5 В.

При изготовлении данного вольтметра рекомендуется применять транзистор типа КТ315Г с Вст = 80-120. Величину постоянного тока, протекающего в коллекторной цепи транзистора, регулируют, подбирая сопротивление резистора R1. Диоды могут быть типа Д18 или Д20, Д9Д, Д9И. При указанных на рис. 89 емкостях конденсаторов вольтметр может измерять напряжение в полосе частот от 20 Гц до 600 кГц. Для питания прибора используют батарею «Крона-ВЦ» или две последовательно соединенные батареи 3336Л.

Васильев В. А. Зарубежные радиолюбительские конструкции. М., «энергия», 1977.