Gama de frecvență a voltmetrului. Voltmetre electronice

PRELEZA Nr. 5

DISPOZITIVE ELECTRONICE ANALOGICE ȘI CONVERTOARE

Instrumentele și convertoarele electronice analogice sunt instrumente de măsură în care semnalele de informații de măsurare sunt convertite folosind dispozitive electronice analogice. Semnalul de ieșire al unor astfel de mijloace este o funcție continuă a mărimii măsurate. Dispozitivele și convertoarele electronice sunt folosite pentru a măsura aproape toate mărimile electrice: tensiune, curent, frecvență, putere, rezistență etc.

Avantaje instrumente electronice de masura:

sensibilitatea ridicată se datorează utilizării amplificatoarelor;

consum redus de energie din circuitul în care se face măsurarea, care este determinat de mare impedanta de intrare date instrumentului;

gamă largă de frecvențe în care sensibilitatea este neschimbată.

Defecte:

complexitate datorită unui număr mare de părți și elemente;

nevoia de surse de alimentare pentru dispozitivele electronice incluse în dispozitiv;

fiabilitate relativ scăzută datorită numărului mare de elemente.

VOLTMETRE ELECTRONICE

În voltmetrele electronice, tensiunea măsurată este convertită utilizând analog dispozitive electroniceîn curent continuu, care este alimentat unui mecanism de măsurare magnetoelectric cu o scară, gradată în unități de tensiune. Voltmetrele electronice au o sensibilitate mare și o gamă largă de tensiuni măsurate (de la zeci de nanovolți în curent continuu la zeci de kilovolți), rezistență mare de intrare (mai mult de 1 MΩ) și pot funcționa într-o gamă largă de frecvențe (de la curent continuu la frecvențe). de ordinul sutelor de MHz).

Există multe tipuri variate voltmetre. În funcție de scopul și principiul lor de funcționare, cele mai comune voltmetre pot fi împărțite în voltmetre curent continuu, curent alternativ, universal, puls și selectiv.

voltmetre DC. O diagramă bloc simplificată a unor astfel de voltmetre este prezentată în Fig. 5.1, unde VD– divizor tensiune de intrare; UPT– amplificator DC; LOR– mecanism de măsurare magnetoelectric; U X– tensiunea măsurată.

Orez. 5.1. Schema bloc a unui voltmetru electronic DC

O conexiune în serie a unui divizor de tensiune și a unui amplificator face posibilă realizarea voltmetrelor foarte sensibile și multi-gamă prin modificarea coeficientului lor de conversie global pe o gamă largă. Creșterea sensibilității voltmetrelor DC prin creșterea câștigului UPT k UPTîntâmpină dificultăți tehnice din cauza funcționării instabile UPT, caracterizat printr-o schimbare k UPTși modificări spontane ale semnalului de ieșire al amplificatorului (deriva zero). Prin urmare, în astfel de voltmetre k UPT≈1 și scopul principal UPT– asigurați o rezistență mare de intrare a voltmetrului.

Această diagramă bloc a unui voltmetru DC este utilizată ca parte a voltmetrelor universale, deoarece cu o ușoară complicație - adăugarea unui convertor de tensiune AC-DC, devine posibilă măsurarea tensiunii AC.

Voltmetre AC. Astfel de voltmetre constau dintr-un convertor de tensiune AC-DC, un amplificator și un mecanism de măsurare magnetoelectric. Există două scheme bloc generalizate posibile ale voltmetrelor de curent alternativ (Fig. 5.2), care diferă prin caracteristicile lor. În voltmetre conform diagramei din Fig. 5.2, A tensiunea măsurată u X, este mai întâi convertit în tensiune DC, care este apoi aplicat la UPTȘi LOR, care sunt în esență un voltmetru DC. Convertor etc este o legătură neliniară, astfel încât voltmetrele cu această structură pot funcționa într-o gamă largă de frecvențe. În același timp, aceste dezavantaje UPT iar particularitățile funcționării elementelor neliniare la tensiuni joase nu permit realizarea unor astfel de voltmetre foarte sensibile.

Orez. 5.2. Scheme bloc ale voltmetrelor de curent alternativ

În voltmetre realizate conform circuitului prezentat în Fig. 5.2, b, datorită pre-amplificarii, este posibilă creșterea sensibilității. Cu toate acestea, crearea de amplificatoare de curent alternativ cu câștig mare care funcționează pe o gamă largă gama de frecvente, este o sarcină tehnică dificilă. Prin urmare, astfel de voltmetre au un domeniu de frecvență relativ scăzut (1 - 10 MHz).

Există voltmetre de amplitudine, valoare medie sau efectivă.

Orez. 5.3. Circuitul (a) și diagrama de sincronizare a semnalelor de la un convertor de amplitudine (detector de vârf) cu o intrare deschisă

Voltmetre cu valoare de vârf au convertoare de valori de amplitudine (detectoare de vârf) cu deschis (Fig. 5.3, A) intrare, unde u intrareȘi u afară– tensiunea de intrare și de ieșire a convertorului. Dacă voltmetrul are structura din Fig. 5.3, A, apoi pentru convertor u intrare =u X. În convertoarele de amplitudine cu intrare deschisă, condensatorul este încărcat aproape la maximum u xmax valoare pozitivă (pentru pornirea unei diode date) a tensiunii de intrare (Fig. 5.3,b). Ondularea de tensiune u afară pe condensator se explică prin reîncărcarea acestuia când dioda este deschisă, când u intrare >u afară, iar descărcarea sa prin rezistorul R cu dioda închisă, când u intrare <u afară .

Voltmetre universale. Astfel de voltmetre sunt proiectate pentru a măsura tensiunile DC și AC. O diagramă bloc generalizată este prezentată în Fig. 5.4, ​​unde ÎN- intrerupator. În funcție de poziția comutatorului ÎN Voltmetrul funcționează conform circuitului unui voltmetru AC cu un convertor P(poziţie 1 ) sau voltmetru DC (poziție 2 ).

Orez. 5.4. Schema bloc a unui voltmetru universal

Voltmetrele universale, numite și combinate, oferă adesea capacitatea de a măsura rezistența R X. Aceste voltmetre au un convertor P R, a cărei tensiune de ieșire depinde de rezistența necunoscută: U afară =f(R X ). Pe baza acestei dependențe, scara dispozitivului este calibrată în unități de rezistență. La măsurare, un rezistor cu rezistență necunoscută este conectat la bornele de intrare ale convertorului, iar comutatorul este setat pe poziție 3 .

Voltmetre cu impulsuri. Voltmetrele cu impulsuri sunt folosite pentru a măsura amplitudinea semnalelor de puls de diferite forme. Caracteristicile de funcționare ale voltmetrelor cu impulsuri sunt determinate de durata scurtă τ a impulsurilor măsurate (de la 10-100 ns) și de ciclul de lucru semnificativ

(până la 10 9), unde T– perioada de repetare a pulsului.

Voltmetrele cu impulsuri pot fi realizate conform diagramei bloc din Fig. 5.2, A, în acest caz, se folosesc convertoare de valoare de amplitudine cu intrare deschisă (Fig. 5.3, A). Ciclul de lucru ridicat al impulsurilor și durata lor scurtă impun cerințe stringente asupra convertoarelor de valori de amplitudine. Prin urmare, la voltmetrele cu impulsuri se folosesc circuite de compensare ale convertoarelor de amplitudine (Fig. 5.5).

Orez. 5.5. Circuit de compensare a convertizorului de amplitudine

Impulsuri de intrare u intrareîncărcați condensatorul CU 1 . Componenta alternativă a tensiunii de pe acest condensator, cauzată de reîncărcarea lui cu impulsuri măsurate și descărcarea între impulsuri (similar cu Fig. 5.3, b), amplificat de un amplificator U curent alternativ și redresat folosind o diodă D 2 . Constanta de timp a circuitului R.C. 2 este ales suficient de mare pentru ca tensiunea pe condensator CU 2 în intervalul dintre impulsuri se modifică ușor. De la ieșirea convertorului folosind un rezistor R o.s. feedback la condensator CU 1 este furnizată tensiune de compensare. Cu un câștig mare al amplificatorului, aceasta duce la o scădere semnificativă a componentei alternative a tensiunii pe condensator. CU 1 , ca urmare a căreia, în stare de echilibru, tensiunea de pe condensator este aproape egală cu amplitudinea impulsurilor măsurate, iar tensiunea de ieșire este proporțională cu această amplitudine:

.

Voltmetre selective. Astfel de voltmetre sunt proiectate pentru a măsura valoarea tensiunii efective într-o anumită bandă de frecvență sau valoarea efectivă a componentelor armonice individuale ale semnalului măsurat.

Principiul de funcționare al unui voltmetru selectiv este izolarea componentelor armonice individuale ale unui semnal sau a unui semnal în bandă îngustă de frecvență folosind un filtru trece-bandă reglabil și măsurarea valorii efective a semnalelor izolate.

Un filtru trece-bandă implementat fizic nu are un răspuns amplitudine-frecvență (AFC) strict dreptunghiular. Acest lucru poate duce la faptul că componentele armonice învecinate cu un anumit coeficient de transmisie vor trece printr-un astfel de filtru. În acest caz, voltmetrul selectiv măsoară valoarea efectivă a sumei componentelor armonice care trec prin filtru, ținând cont de coeficienții efectivi de transmisie pentru fiecare componentă.

Orez. 5.6. Schema bloc a unui voltmetru selectiv

Semnal măsurat u X Printr-un amplificator de intrare selectivă, VU-ul este alimentat la mixerul Cm, care este proiectat să transforme spectrul de frecvență al semnalului măsurat. La ieșirea mixerului apare un semnal proporțional cu semnalul măsurat, dar cu frecvențele spectrului

, Unde - frecvența componentelor armonice ale semnalului de intrare; - frecventa semnalului generatorului sinusoidal G(heterodină). Amplificator de frecventa intermediara HRC reglat la o frecvență fixă

. Prin urmare, la ieșire HRC Doar acea componentă a semnalului de ieșire al mixerului a cărei frecvență va trece

. Acest semnal corespunde componentei armonice a semnalului măsurat cu frecvența

. Valoarea rms a acestei componente armonice este măsurată cu un voltmetru rms VDZ. Modificarea frecvenței generatoarelor , este posibil să se măsoare valoarea efectivă a diferitelor componente armonice ale semnalului u X .

Funcția filtrului trece-bandă în acest circuit este îndeplinită de HRC. Datorită unei frecvențe de acord fixe (nereglabile). HRC Acest amplificator are un câștig mare și o lățime de bandă îngustă, ceea ce asigură o sensibilitate și selectivitate ridicate a voltmetrului selectiv.

Schema bloc generalizată a voltmetrelor electronice analogice (Fig. 7.9) conține numărul maxim de blocuri, dintre care unele, în funcție de scopul voltmetrului, pot lipsi. La voltmetrele electronice echipate cu dispozitive de amplificare, consumul de energie din circuitul de măsurare este neglijabil. Avantajele voltmetrelor electronice includ: limite largi de măsurare și interval de frecvență (de la 20 Hz la 1000 MHz), sensibilitate ridicată, capacitate bună de suprasarcină.

Figura 7.9.

1. Dispozitivul de intrare este proiectat pentru:

a) slăbirea semnalului de un număr dat de ori, permițând extinderea domeniului către tensiuni măsurate mai mari;

b) asigurarea parametrilor de intrare ai voltmetrului: rezistenta de intrare in intervalul 1 - 10 MOhm, capacitate de intrare 1 - 30 pF.

Amplificatoarele AC sunt folosite pentru:

a) sensibilitate crescută;

b) extinderea intervalului dinamic spre tensiuni mai mici măsurate.

Pentru a îndeplini aceste sarcini, amplificatoarele de curent alternativ trebuie să aibă un câștig specificat și extrem de stabil în domeniul de operare al frecvențelor și temperaturilor, distorsiuni neliniare scăzute, zgomot intrinsec scăzut și să fie insensibile la fluctuațiile tensiunii de alimentare, ceea ce se realizează prin utilizarea amplificatoarelor cu mai multe trepte acoperite cu negativ părere.

3. Amplificatoarele DC servesc pentru a potrivi rezistența internă mică a mecanismului de măsurare magnetoelectric cu rezistența mare de sarcină a convertorului. Amplificatoarele de curent continuu sunt supuse unor cerințe stricte privind câștigul constant și deviația zero scăzută, adică o schimbare lentă a semnalului de ieșire în absența unui semnal de informare la intrare. Ele sunt implementate sub formă de circuite punte cu feedback negativ.

4. Convertizoarele sunt folosite pentru a converti curentul alternativ în curent continuu, detectoarele servesc drept convertoare. Detectoarele pot fi clasificate în funcție de funcția de conversie a tensiunii de intrare în tensiune de ieșire în următoarele tipuri: pătratice, liniare, de amplitudine (vârf). Tipul de detector determină în mare măsură proprietățile dispozitivului: de exemplu, voltmetrele cu detectoare de amplitudine sunt cele de cea mai mare frecvență; voltmetrele cu detectoare pătratice vă permit să măsurați tensiuni de orice formă; voltmetrele cu detectoare liniare sunt potrivite doar pentru măsurarea semnalelor armonice, dar sunt cele mai simple, mai fiabile și mai ieftine.

Voltmetrele electronice analogice pot fi construite după două scheme principale: amplificator - convertor și convertor - amplificator. Primul dintre circuite are o sensibilitate mare, dar gama de frecvență a unor astfel de voltmetre este determinată de lățimea de bandă a amplificatorului AC și se ridică la sute de kiloherți; al doilea circuit este folosit în voltmetre pentru a măsura tensiunea la un nivel semnificativ, deoarece Este dificil să se asigure un câștig mare utilizând un amplificator de curent continuu, dar gama de frecvență a unor astfel de amplificatoare și, în consecință, voltmetrele poate fi de sute de megaherți.

Voltmetre electronice poate avea o intrare deschisă sau închisă în raport cu componenta constantă a tensiunii măsurate. Când intrarea este închisă, circuitul voltmetrului conține un condensator de separare care nu permite trecerea componentei DC a semnalului; când intrarea este deschisă, nu există un astfel de condensator și sunt furnizate atât componentele AC, cât și DC ale semnalului. la blocurile voltmetre.

Baza elementului folosită pentru crearea voltmetrelor cu tensiune alternativă este determinată de nivelul de tehnologie existent la momentul creării voltmetrelor (de la eșantioane de semiconductori până la design microintegrat), cu toate acestea, scopul funcțional al blocurilor rămâne neschimbat.

Voltmetre AC (tip B3)

Voltmetrele AC sunt construite conform unui circuit amplificator-convertor. Detectoarele pătratice sau liniare pot fi utilizate ca convertoare.

Dacă se folosesc detectoare pătratice, atunci astfel de voltmetre se numesc voltmetre rms; diagrama lor bloc este prezentată în Fig. 7.10.

Desen. 7.10.

Detectorul pătratic convertește Tensiune AC la o constantă, proporțională, conform formulei (7.5), cu pătratul valorii pătrate medii a tensiunii măsurate. Aceasta înseamnă că măsurarea tensiunii pătrate medii implică efectuarea a trei operații: pătrarea valorii instantanee a semnalului, medierea și luarea rădăcinii rezultatului de mediere (ultima operație este de obicei efectuată la calibrarea scalei voltmetrului). Pătratarea tensiunii instantanee se realizează de obicei folosind o diodă semiconductoare, folosind secțiunea inițială a caracteristicii curent-tensiune descrisă de dependența pătratică. Cu toate acestea, lungimea secțiunii pătratice a caracteristicii este de obicei mică (nu mai mult de 100 mV); una dintre metodele de extindere a acestei secțiuni este metoda de aproximare liniară pe bucăți. Pentru a face acest lucru, în circuitul detector sunt incluse mai multe celule de diode și prin selectarea tensiunii de polarizare pe diode se obține o caracteristică totală curent-tensiune care este apropiată ca formă de o curbă pătratică (Fig. 7.11).

Figura 7.11.

Dacă în voltmetrele de curent alternativ se folosesc detectoare liniare, atunci astfel de voltmetre se numesc voltmetre cu redresare medie; schema bloc a unor astfel de voltmetre este prezentată în Fig. 7.12.

Figura 7.12

În astfel de voltmetre, un detector liniar este utilizat ca convertor, transformând tensiunea alternativă în curent continuu, proporțional cu valoarea medie redresată a tensiunii măsurate. Astfel de convertoare sunt realizate folosind circuite de redresare cu undă completă și folosesc porțiunea liniară a caracteristicii curent-tensiune a unei diode semiconductoare. În comparație cu un voltmetru redresor, un voltmetru analogic cu valori medii redresate are o sensibilitate mai mare și un consum mai mic de energie din circuitul de măsurare. Aceste voltmetre răspund la valoarea medie rectificată, sunt calibrate în valori eficace și au un factor de calibrare de C=1.

Voltmetre cu impulsuri (tip B4)

Voltmetrele cu impulsuri sunt construite în funcție de circuitul convertor-amplificator; ca convertor este utilizat un detector de amplitudine, a cărui tensiune de ieșire corespunde valorii maxime (amplitudinii) a semnalului măsurat. Schema bloc a unui voltmetru cu impuls este prezentată în Fig. 7.13.

Desen. 7.13

O caracteristică distinctivă a detectorului de amplitudine (vârf) este prezența unui element de memorie, care este un condensator care „amintește” valoarea de vârf a tensiunii măsurate.

Cele mai simple circuite de detectoare de amplitudine:

a) un detector cu o diodă conectată în serie (un detector cu o intrare deschisă);

b) un detector cu o diodă conectată în paralel (un detector cu intrare închisă).

Figura 7.14

Detectorul de amplitudine convertește un semnal alternativ într-unul constant, proporțional cu valoarea semnalului de intrare, prin urmare astfel de voltmetre răspund la valori maxime, sunt calibrate la valori maxime și au C = 1.

Voltmetru universal (tip B7)

Un voltmetru universal vă permite să măsurați atât curentul continuu, cât și curentul alternativ. La măsurarea tensiunii alternative, voltmetrul are un circuit convertizor-amplificator. Ca convertor este utilizat un detector de amplitudine (vârf), a cărui tensiune de ieșire corespunde valorii maxime (amplitudinii) a semnalului măsurat. La măsurarea tensiunii continue, aceasta este alimentată printr-un dispozitiv de intrare la un amplificator de curent continuu și asigură deviația acului mecanismului de măsurare magnetoelectric. Schema bloc a unui voltmetru universal este prezentată în Fig. 7.15.

Figura 7.15 4.12

Detectorul de amplitudine convertește un semnal alternativ într-unul constant, proporțional cu valoarea maximă a semnalului de intrare, prin urmare astfel de voltmetre răspund la valoarea maximă a semnalului și sunt calibrate în valori rădăcină pătratică medie. Acești parametri de tensiune alternativă sunt legați între ei în conformitate cu (7.7) prin coeficientul de amplitudine, prin urmare coeficientul de calibrare al voltmetrului universal este egal cu

Caracteristicile voltmetrelor considerate sunt date în Tabelul 7.1.

Tabelul 7.1

Tip voltmetru	Tip convertor	Valoarea tensiunii la care răspunde voltmetru, Uotk	Valoarea tensiunii la care este calibrat voltmetrul, Ugrad	Valoarea coeficientului de calibrare, C
universal	Max. sens
Puls	Max. sens
Drept mediu sens	Mijlocii.
RMS sens	RMS sens
Îl va îndrepta.	Mijlocii.
Teromoelectr.	RMS sens
Electrostat.
Electrodină.
Electromagnetic
Magnetoelectr

V/1 – redresor cu circuit de redresare semiundă

V/1 – redresor cu circuit de redresare cu undă întreagă

Pentru a stăpâni materialul de curs din secțiunea „Măsurarea curentului și a tensiunii”, se planifică rezolvarea problemelor de determinare a citirilor voltmetrelor pentru diferite forme de tensiuni măsurate.

Pentru a determina citirile voltmetrului, trebuie să efectuați următoarele operații:

1) Notează un model matematic al tensiunii măsurate;

2) Luați în considerare tipul de intrare; cu intrarea închisă, calculați termenul constant și scoateți-l din tensiunea măsurată;

3) Aflați tensiunea la care răspunde voltmetrul Uotk;

4) Găsiți citirile voltmetrului U=CUotk

Caracteristicile voltmetrelor diferitelor sisteme necesare pentru rezolvarea unor astfel de probleme sunt preluate din Tabelul 7.1.

Trebuie remarcat faptul că cele mai apropiate instrumente de măsurare de voltmetre sunt psofometrele și contoarele de nivel.

Psofometru este un voltmetru electronic de valori rădăcină-medie-pătratică, a cărui caracteristică amplitudine-frecvență a amplificatorului este determinată de caracteristica filtrului psozometric inclus în acesta. Filtrul psofometric reflectă răspunsul în frecvență al selectivității organelor de percepție, iar tipul acestuia este stabilit pe baza studiilor experimentale și a recomandărilor CCITT. De obicei, dispozitivul include două filtre psozometrice - cu caracteristici psozometrice de telefon și difuzare.

Contor de nivel este un voltmetru pătratic, a cărui scară este gradată în unități logaritmice (decibeli). Specific contorului de nivel este și capacitatea de a seta anumite valori de impedanță de intrare: 600 Ohmi, care corespund impedanțelor de intrare și de ieșire ale canalului de frecvență audio, 150, 135 și 75 Ohmi pentru căile de grup.

În voltmetrele electronice, tensiunea măsurată este convertită de dispozitive electronice analogice în curent continuu, care este furnizat unui mecanism de măsurare magnetoelectric cu o scară gradată în unități de tensiune. Voltmetrele electronice au o sensibilitate mare și o gamă largă de tensiuni măsurate (de la zeci de nanovolți în curent continuu la zeci de kilovolți), rezistență mare de intrare (mai mult de 1 MOhm) și pot funcționa într-o gamă largă de frecvențe (de la curent continuu la frecvențe). de ordinul sutelor de megahertzi). Aceste avantaje au condus la utilizarea pe scară largă a voltmetrelor electronice.

Cel mai adesea, voltmetrele electronice folosesc circuite cu conversie directă a semnalului (vezi § 4-5). În acest caz, componentele electronice analogice pot introduce erori semnificative. Acest lucru este valabil mai ales atunci când se măsoară tensiuni joase sau tensiuni de înaltă frecvență. Prin urmare, voltmetrele electronice au de obicei clase de precizie relativ scăzute (1-6). Voltmetrele cu conversie de echilibrare, de regulă, au clase de precizie mai mari, dar sunt mai complexe și mai puțin convenabile de utilizat.

Există multe tipuri diferite de voltmetre disponibile astăzi. În funcție de scopul și principiul lor de funcționare, cele mai comune voltmetre pot fi împărțite în voltmetre DC, AC, universale, impuls și selective.

voltmetre DC. O diagramă bloc simplificată a unor astfel de voltmetre este prezentată în Fig. 6-1, unde este intrarea

Orez. 6-1. Schema bloc a unui voltmetru electronic DC

divizor de tensiune; UPT - amplificator de curent continuu; MI - mecanism de măsurare magnetoelectric. Unghiul de deviere al indicatorului mecanismului de măsurare, unde sunt coeficienții de conversie (castig) ai VD și, respectiv, UPT, este sensibilitatea la tensiune a mecanismului de măsurare; - coeficientul de conversie al voltmetrului electronic; - tensiunea măsurată.

Conectarea în serie a unui divizor de tensiune și a unui amplificator este o trăsătură caracteristică a construcției tuturor voltmetrelor electronice. Această structură face posibilă realizarea voltmetrelor foarte sensibile și multi-gamă prin modificarea coeficientului lor de conversie global pe o gamă largă. Cu toate acestea, creșterea sensibilității voltmetrelor de curent continuu prin creșterea câștigului amplificatorului întâmpină dificultăți tehnice din cauza instabilității amplificatorului, caracterizată prin modificări și deriva „zero” (modificare spontană a semnalului de ieșire) a amplificatorului. Prin urmare, în astfel de voltmetre, de regulă, scopul principal al UPT este de a oferi o rezistență mare de intrare a voltmetrului. În acest sens, limita superioară de măsurare a unor astfel de voltmetre nu este niciodată mai mică de zeci sau unități de milivolți.

Pentru a reduce influența instabilității UPT în voltmetre, este posibil să reglați „zero” și coeficientul de conversie a amplificatorului înainte de măsurare.

Schema bloc considerată a unui voltmetru DC este utilizată ca parte a voltmetrelor universale (a se vedea mai jos), deoarece cu o ușoară complicație - adăugarea unui convertor de tensiune AC-DC, devine posibilă măsurarea tensiunii AC.

Pentru a crea voltmetre DC (microvoltmetre) foarte sensibile, se folosesc amplificatoare DC, construite conform circuitului (modulator - demodulator) prezentat în Fig. 6-2, a, unde M este un modulator; demodulator; G - generator; - amplificator AC. Amplificatoarele AC nu transmit componenta DC a semnalului și, prin urmare, nu au caracteristica de deriva „zero” a UPT-urilor. În fig. 6-2, 6 arată un simplificat

diagrama temporală a tensiunilor la ieșirea blocurilor individuale. Generatorul controlează funcționarea modulatorului și a demodulatorului, care în cel mai simplu caz sunt întrerupătoare analogice (vezi § 8-3), închizându-le și deschizându-le sincron cu o anumită frecvență. La ieșirea modulatorului apare un semnal de impuls unipolar, a cărui amplitudine este proporțională cu tensiunea măsurată. Componenta alternativă a acestui semnal este amplificată de un amplificator și apoi rectificată de un demodulator. Utilizarea unui demodulator controlat face ca voltmetrul să fie sensibil la polaritatea semnalului de intrare.

Valoarea medie a tensiunii semnalului de ieșire este proporțională cu tensiunea de intrare.Deoarece un astfel de circuit amplificator face posibilă eliminarea practic a derivei „zerului” și are un câștig stabil, coeficientul poate atinge valori mari, de exemplu, pentru un microvoltmetru. Ca urmare, pentru microvoltmetre limita superioară de măsurare la cea mai mare sensibilitate poate fi unități de microvolți. Astfel, un microvoltmetru de curent continuu are limite superioare de măsurare cu eroarea de bază redusă

Voltmetre AC.

Astfel de voltmetre constau dintr-un convertor de tensiune AC-DC, un amplificator și un mecanism de măsurare magnetoelectric. Există două scheme bloc generalizate posibile ale voltmetrelor de curent alternativ (Fig. 6-3), care diferă prin caracteristicile lor. În voltmetre conform diagramei din Fig. 6-3, iar tensiunea măsurată este mai întâi convertită într-o tensiune continuă, care este apoi furnizată la UPT, care este în esență un voltmetru de curent continuu. Convertorul Pr este o legătură neliniară cu inerție scăzută (vezi mai jos), prin urmare voltmetrele cu o astfel de structură pot funcționa într-o gamă largă de frecvențe

Orez. 6-2. Schema bloc (a) și diagrama de sincronizare a semnalelor (b) ale unui voltmetru electronic DC cu un amplificator

Orez. 6-3. Scheme bloc ale voltmetrelor de curent alternativ

interval (de la zeci de hertzi la MHz). Pentru a reduce influența capacităților și inductanțelor distribuite ale cablului de intrare și circuit de intrare Convertoarele dispozitivului sunt de obicei realizate sub formă de unități de sondă la distanță. În același timp, dezavantajele indicate ale UPT și particularitățile funcționării elementelor neliniare la tensiuni joase nu permit realizarea unor astfel de voltmetre extrem de sensibile. De obicei, limita lor superioară de măsurare la sensibilitatea maximă este de la câțiva milivolți.

În voltmetrele realizate conform schemei 6-3, b, datorită amplificării preliminare, este posibilă creșterea sensibilității. Cu toate acestea, crearea de amplificatoare de curent alternativ cu câștig mare care funcționează pe o gamă largă de frecvențe este o sarcină tehnică destul de dificilă. Prin urmare, astfel de voltmetre au un domeniu de frecvență relativ scăzut (1 - 10 MHz); limita superioară de măsurare la sensibilitatea maximă este de zeci sau sute de microvolți.

În funcție de tipul de convertor de tensiune AC-DC, abaterile indicatorului mecanismului de măsurare al voltmetrelor pot fi proporționale cu amplitudinea (vârf), valorile medii (media redresată) sau efective ale tensiunii măsurate. În acest sens, voltmetrele se numesc, respectiv, voltmetre de amplitudine, valoare medie sau efectivă. Cu toate acestea, indiferent de tipul de convertor, scara voltmetrelor de curent alternativ, de regulă, este calibrată în valori efective ale tensiunii de formă sinusoidală.

Voltmetrele cu valori de amplitudine au convertoare de amplitudine (detectoare de vârf) cu intrări deschise (Fig. 6-4, a) sau închise (Fig. 6-5, a), unde sunt tensiunile de intrare și de ieșire ale convertorului. Dacă

Orez. 6-4. Circuitul (a) și diagramele de timp ale semnalelor (b și c) ale unui convertor de valoare de amplitudine (detector de vârf) cu o intrare deschisă

Orez. 6-5. Circuitul (a) și diagramele de timp ale semnalelor (b) ale unui convertor de valori de amplitudine cu o intrare închisă

Voltmetrul are structura din Fig. 6-3, a, apoi pentru convertor În convertoarele de amplitudine cu intrare deschisă, condensatorul este încărcat aproape la valoarea maximă pozitivă (pentru pornirea unei diode date) de tensiune de intrare (vezi Fig. 6-4, b). Ondulările de tensiune de pe condensator se explică prin reîncărcarea acestuia când dioda este deschisă, când și prin descărcarea sa printr-un rezistor când dioda este închisă, când După cum se poate observa din figură, deblocarea diodei și reîncărcarea condensatorului are loc doar pe scurt perioade de timp 0, determinate de constantele de timp de încărcare și descărcare Pentru a Ondulările de tensiune la ieșirea convertizorului au fost nesemnificative, este necesar să se asigure unde se află limitele superioare și inferioare ale domeniului de frecvență ale voltmetrului. În acest caz, valoarea medie a tensiunii de ieșire, prin urmare, unghiul de abatere al indicatorului mecanismului de măsurare

unde este coeficientul de conversie al voltmetrului.

O caracteristică a convertoarelor de amplitudine cu intrare deschisă este că trec componenta constantă a semnalului de intrare (pozitiv pentru o anumită conexiune a diodei). Deci, la (vezi Fig. 6-4, c) valoarea medie a tensiunii de ieșire. Prin urmare, în mod evident, la partea în mișcare a IM nu se va abate, deoarece în acest caz dioda este închisă

La convertoarele cu intrare închisă (Fig. 6-5, a, b), în regim staționar există o tensiune pulsatorie pe rezistor, indiferent de prezența unei componente constante a semnalului de intrare, variind de la 0 la unde este amplitudinea componentei alternative a tensiunii de intrare. Valoarea medie a acestei tensiuni este aproape egală cu Pentru a reduce ondularea tensiunii de ieșire în astfel de convertoare

este instalat un filtru trece-jos.Astfel, citirile voltmetrului în acest caz sunt determinate numai de valoarea amplitudinii componentei alternative a tensiunii de intrare, adică.

Caracteristicile convertoarelor de amplitudine cu intrări deschise și închise trebuie luate în considerare atunci când se măsoară cu voltmetre electronice.

Deoarece scara voltmetrului este calibrată în valori efective ale tensiunii sinusoidale, atunci când se măsoară tensiuni de alte forme, este necesar să se facă o recalculare adecvată dacă este cunoscut coeficientul de amplitudine al tensiunii măsurate. Valoarea amplitudinii tensiunii măsurate a unei forme nesinusoidale unde este coeficientul de amplitudine al sinusoidei; valoarea tensiunii măsurată pe scara instrumentului. Valoarea efectivă a tensiunii măsurate unde este coeficientul de amplitudine al tensiunii măsurate.

Voltmetrele de valoare medie au convertoare de tensiune AC-DC similare cu convertoarele utilizate în dispozitivele redresoare (vezi § 5-4). Astfel de voltmetre au de obicei structura prezentată în Fig. 6-3, b. În acest caz, convertorului redresorului este furnizată o tensiune preamplificată, ceea ce crește sensibilitatea voltmetrelor și reduce influența neliniarității diodei. Unghiul de deviere al părții mobile a mecanismului de măsurare în astfel de voltmetre este proporțional cu valoarea medie redresată a tensiunii măsurate, adică.

Scara unor astfel de voltmetre este, de asemenea, calibrată în valori efective ale tensiunii sinusoidale. La măsurarea unei tensiuni nesinusoidale, valoarea medie a acestei tensiuni și a celei efective este unde este citirea voltmetrului; - factor de formă sinusoid; - factorul de formă al tensiunii măsurate.

Voltmetrele RMS au un convertor de tensiune AC cu o caracteristică de conversie statică pătratică. Convertizoarele termice, dispozitivele de pătrare cu aproximarea liniară pe bucăți a unei parabole, tuburile de vid și altele sunt utilizate ca astfel de convertoare. Mai mult, dacă voltmetrul valorii efective este realizat conform schemelor bloc prezentate în

Orez. 6-6. Schema de circuit a unui voltmetru electronic cu valoare eficientă (cu o scară uniformă)

orez. 6-3, atunci, indiferent de forma curbei tensiunii măsurate, abaterea indicatorului mecanismului de măsurare este proporțională cu pătratul valorii efective a tensiunii măsurate:

După cum puteți vedea, un astfel de voltmetru are o scară pătratică.

În domeniul de frecvență

5 Hz - 5 MHz.

În plus față de voltmetrele de curent alternativ considerate, sunt produse în prezent și voltmetre de compensare a diodelor.

Principiul de funcționare al unor astfel de voltmetre este ilustrat de diagrama din Fig. 6-7, a, ale căror elemente principale sunt: ​​dioda D; galvanometru magnetoelectric foarte sensibil - indicator nul, divizor de tensiune exemplar ODN. Pe baza reprezentării idealizate a caracteristicii curent-tensiune a diodei (Fig. 6-7, b) sub forma unei linii întrerupte, putem presupune că, în absența tensiunii aplicate la intrarea voltmetrului, curentul acestora nu trece prin diodă. Când tensiunea este conectată, o parte de curent începe să curgă prin diodă, determinând devierea indicatorului nul. Prin creșterea (modulo) tensiunii de compensare, obținem absența curentului prin NI. În momentul în care curentul din NI dispare, se face numărătoarea în funcție de poziția mânerului ONE. Sensibilitatea ridicată a NI-ului și precizia ridicată a instalației din Marea Britanie fac posibilă obținerea unor mici erori de măsurare (până la 0,2%).

Aceste voltmetre sunt cele mai precise dintre voltmetrele electronice existente; au o impedanță mare de intrare și o gamă largă de frecvență (până la MHz). Dezavantajul dispozitivului este dificultatea de funcționare.

Voltmetrele de compensare cu diode pot fi folosite pentru a măsura cu precizie tensiunea sinusoidală, precum și pentru verificarea și calibrarea voltmetrelor electronice. Printre diferitele tipuri există voltmetre concepute pentru a măsura atât periodice, cât și în impulsuri

stres. Un astfel de dispozitiv este un voltmetru de compensare având limite superioare de măsurare și o eroare de bază la curent continuu pe curent alternativ în domeniul de frecvență de 20 Hz

Alături de voltmetre, industria de instrumente produce convertoare de măsurare pentru tensiune (AC și DC) și curent (AC și DC) într-un semnal DC unificat. Principiile construcției unor astfel de convertoare sunt în multe privințe similare cu principiile considerate ale construcției voltmetrelor electronice. O caracteristică distinctivă a convertoarelor este absența unui mecanism de măsurare la ieșire.

Voltmetre universale.

Astfel de voltmetre sunt proiectate pentru a măsura tensiunile DC și AC. O diagramă bloc generalizată este prezentată în Fig. 6-8, unde B este un comutator. În funcție de poziția comutatorului B, voltmetrul funcționează conform circuitului unui voltmetru AC cu convertor P (poziție sau voltmetru DC (poziția 2).

Voltmetrele universale, numite și combinate, oferă adesea capacitatea de a măsura rezistența. Astfel de voltmetre au un convertor a cărui tensiune de ieșire depinde de o rezistență necunoscută: (vezi § 6-5). Pe baza acestei dependențe, scara dispozitivului este calibrată în unități de rezistență. La măsurare, un rezistor cu rezistență necunoscută este conectat la bornele de intrare ale convertorului, iar comutatorul este setat în poziția 3.

Impulsuri măsurate (de la 10-100 ns) și un ciclu de lucru semnificativ (până la 109), unde T este perioada de repetare a impulsului.

Voltmetrele cu impulsuri sunt calibrate în valorile de amplitudine ale impulsurilor măsurate.

Voltmetrele cu impulsuri pot fi realizate conform diagramei bloc din Fig. 6-3, a, în acest caz, se folosesc convertoare de valoare de amplitudine cu intrare deschisă, a căror tensiune de ieșire trebuie să fie egală cu amplitudinea impulsurilor măsurate. Ciclul de lucru ridicat al impulsurilor și durata lor scurtă impun cerințe stringente asupra convertoarelor de valori de amplitudine. Prin urmare, voltmetrele moderne cu impulsuri utilizează circuite de compensare ale convertoarelor de amplitudine (Fig. 6-9). Impulsurile de intrare încarcă condensatorul.Componenta alternativă a tensiunii de pe acest condensator, cauzată de reîncărcarea impulsurilor sale măsurate și de descărcarea dintre impulsuri (similar cu Fig. 6-4, c), este amplificată de amplificatorul de curent alternativ și rectificată. folosind o diodă.Constanta de timp a circuitului este selectată suficient de mare, astfel încât tensiunea de pe condensator în intervalul dintre impulsuri se modifică ușor. De la ieșirea convertorului, o tensiune de compensare este aplicată condensatorului folosind un rezistor de feedback. Cu un câștig mare al amplificatorului, aceasta duce la o scădere semnificativă a componentei alternative a tensiunii de pe condensator, ca urmare a căreia, în stare staționară, tensiunea pe acest condensator este aproape egală cu amplitudinea impulsurilor măsurate. , iar tensiunea de ieșire este proporțională cu această amplitudine:

Documentația normativă și tehnică pentru voltmetrele cu impuls indică intervalul de valori admisibile ale duratei impulsului (sau frecvența acestora) și ciclul de funcționare, la care erorile voltmetrelor se încadrează în valorile normalizate. Astfel, un voltmetru cu impulsuri are limite superioare de măsurare de 2,5, 10, 20 V și o eroare de bază

Orez. 6-10. Spectrul unui anumit semnal și răspunsul amplitudine-frecvență al unui filtru trece-bandă ideal

Cu o rată de repetare a pulsului de 1 Hz - 300 MHz și un ciclu de lucru de la 2 la 3.108.

Voltmetre selective.

Astfel de voltmetre sunt proiectate pentru a măsura valoarea tensiunii efective într-o anumită bandă de frecvență sau valoarea efectivă a componentelor armonice individuale ale semnalului măsurat.

Principiul de funcționare al unui voltmetru selectiv este izolarea componentelor armonice individuale ale unui semnal sau a unui semnal în bandă îngustă de frecvență folosind un filtru trece-bandă reglabil și măsurarea valorii efective a semnalelor izolate. În fig. 6-10, liniile verticale solide arată spectrul unui anumit semnal măsurat, iar linia întreruptă arată răspunsul idealizat amplitudine-frecvență al unui filtru trece-bandă având un coeficient de transmisie - pentru În plus, spectrul semnalului măsurat poate fi astfel încât va trece prin filtrul trece-bandă din banda de trecere Leo imediat câteva componente armonice ale acestui semnal. În aceste cazuri, un voltmetru selectiv măsoară valoarea efectivă a sumei componentelor armonice care trec prin filtru, ținând cont de coeficienții efectivi de transmisie pentru fiecare componentă. Acest semnal corespunde componentei armonice a semnalului măsurat cu frecvența.Valoarea efectivă a acestei componente armonice este măsurată de un voltmetru cu valoare efectivă.Prin schimbarea frecvenței generatorului, valoarea efectivă a diferitelor componente armonice ale semnalului poate fi măsurat.

Funcția unui filtru trece-bandă în acest circuit este îndeplinită de amplificator. Datorită valorii fixe (nereglabile) a frecvenței de reglare a amplificatorului, acest amplificator are un câștig mare și o lățime de bandă îngustă, ceea ce asigură o sensibilitate și selectivitate ridicate a voltmetrului selectiv.

Industria produce un microvoltmetru selectiv cu limite superioare de măsurare, eroarea principală în domeniul de frecvență 20 Hz - 100 kHz.

În diferite condiții ale practicii ingineriei radio, unul dintre cele mai necesare dispozitive este un voltmetru AC multi-gamă, care menține o impedanță mare de intrare și o precizie de măsurare destul de ridicată într-o gamă largă de frecvențe joase și înalte.

Orez. 1. Circuit echivalent al intrării unui voltmetru de înaltă frecvență.

Impedanța de intrare a voltmetrelor AC este complexă. În unele cazuri, poate fi reprezentat sub forma unei conexiuni paralele a elementelor de rezistență activă de intrare Rв și capacității de intrare Cv (Fig. 1), dintre care este de dorit să fie prima cât mai mare posibil, iar a doua ca cât mai mic posibil. La frecvențe înalte

este necesar să se țină cont și de influența inductanței L a firelor care leagă intrarea voltmetrului la circuitul studiat. Cu o lungime mare de fire de conectare, căderea de tensiune pe inductanța L pr poate duce la o scădere vizibilă a tensiunii furnizate voltmetrului, iar câmpurile electrice și magnetice externe vor induce emisii semnificative în fire. d.s. În plus, inductanța L se formează cu capacitatea C într-un circuit oscilator în serie cu propria frecvență de rezonanță

f in = 1/(2π*(L pr *С in) 0,5). (1)

Când se măsoară tensiuni a căror frecvență este aproape de fv, voltmetrul va da citiri umflate în timp ce rezistența sa de intrare scade brusc. Prin urmare, frecvența maximă de funcționare a unui voltmetru de înaltă frecvență este de obicei limitată la valoare

f max = (0,1...0,2)f în, (2)

în care fenomenele de rezonanţă nu afectează încă semnificativ acurateţea măsurătorilor. Cu o lungime a firelor de conectare de aproximativ 20 cm și o capacitate de intrare cunoscută C (în picofarads), frecvența maximă de funcționare a voltmetrului (în megaherți) poate fi determinată aproximativ prin formula empirică

f max ≈ 200/C la 2.

De exemplu, cu o capacitate de mai multe unități de picofarads, frecvența fmax atinge zeci de megaherți, dar dacă Cv > 15 pF, atunci nu depășește 1 MHz.

Pentru măsurarea tensiunilor alternative într-o gamă largă de frecvențe se folosesc voltmetre electrostatice, termoelectrice și electronice.

Voltmetrele electrostatice se bazează pe principiul interacțiunii electrostatice a corpurilor metalice încărcate și sunt realizate în clasele de precizie 0,5; 1.0 și 1.5. Gama lor de frecvență variază de la câțiva herți până la 1-30 MHz. Pentru circuitul studiat, acestea reprezintă doar o sarcină capacitivă care nu depășește 10-30 pF. Dezavantajele voltmetrelor sunt dificultatea modificării limitei de măsurare, motiv pentru care dispozitivele sunt, de regulă, cu o singură limită și sensibilitate scăzută (limita superioară de măsurare este de cel puțin zeci de volți), ceea ce determină utilizarea lor primară pentru măsurarea tensiunilor înalte. Voltmetrele electrostatice sunt potrivite pentru măsurarea tensiunilor constante, în special a celor mari, de exemplu pe anozii tuburilor de imagine; Mai mult decât atât, rezistența lor de intrare poate fi practic considerată infinit de mare.

Voltmetrele termoelectrice au o utilizare limitată la frecvențe de la 20 Hz la 1-20 MHz. Principalele lor dezavantaje sunt rezistența scăzută de intrare, de obicei nu mai mult de 10 kOhm, și capacitatea scăzută de suprasarcină.

Cele mai comune și universale dispozitive sunt voltmetrele electronice de curent alternativ. Principalele lor caracteristici sunt: ​​sensibilitatea ridicată și limitele largi de măsurare, care, atunci când se folosesc amplificatoare și divizoare de tensiune, acoperă domeniul de tensiune de la unități de microvolți la mii de volți; capacitate de intrare scăzută (mai mulți picofarads) și rezistență activă de intrare ridicată (până la zeci de megaohmi); gamă largă de frecvențe de operare (de la zeci de herți la sute de megaherți); capacitatea de a rezista la suprasarcini grele. Dezavantajele voltmetrelor electronice includ: necesitatea de alimentare de la surse stabile de tensiune DC sau AC; necesitatea de a seta electric acul contorului la zero sau de a calibra voltmetrul înainte de a începe măsurătorile; eroare de măsurare relativ mare (până la 3-5%).

Conform principiului de funcționare, voltmetrele electronice sunt împărțite în două grupe principale: voltmetre amplificator-detector, în care tensiunea măsurată este mai întâi amplificată și apoi rectificată în scopuri de indicare cu un contor de curent continuu și voltmetre detector-amplificator, în care tensiunea măsurată este este redresat și apoi amplificat la curent continuu. În funcție de tipul de elemente active utilizate, se disting voltmetrele cu tranzistori și tuburi.

Voltmetrele de tip „detector-amplificator” sunt adesea proiectate ca voltmetre universale AC și DC sau ca instrumente combinate care permit măsurarea, pe lângă tensiunile AC și DC, a unor parametri ai elementelor circuitelor radio.

Voltmetrele electronice de utilizare largă, de regulă, au scale, a căror citire se efectuează în valorile pătratice medii ale tensiunii sinusoidale măsurate. Unele dispozitive sunt echipate cu o scară suplimentară cu o citire în valori relative ale nivelului de transmisie (în decibeli).

Tipurile speciale de voltmetre electronice includ voltmetre selective, cu impulsuri, logaritmice, sensibile la fază, de compensare și digitale.

Voltmetrele sensibile la fază sunt utilizate pentru a măsura caracteristicile amplitudine-frecvență și fază-frecvență ale diverșilor cvadrupoli de joasă frecvență - amplificatoare, filtre etc. Tensiunile de intrare Uin și de ieșire Uout de la dispozitivul studiat sunt furnizate simultan voltmetrului. Voltmetrul are doi metri. Una dintre ele arată componenta reală Ud a tensiunii măsurate Uout, care este în fază cu tensiunea Uin. Al doilea metru arată componenta imaginară Umn a tensiunii Uout, decalată în fază față de tensiunea Uin cu 90°. Pe baza citirilor ambelor contoare, puteți calcula valoarea (modulul) tensiunii de ieșire:

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

și schimbare de fază:

φ = arctg (U pl /U d).

Voltmetrele electronice de compensare bazate pe metoda de măsurare a compensației (vezi Metode diferențiale și de compensare pentru măsurarea tensiunilor continue) sunt utilizate ca voltmetre standard la verificarea caracteristicilor de calibrare a tensiunii ale voltmetrelor electronice de curent alternativ și ale generatoarelor de măsurare.

Divizoare de tensiune de intrare ale voltmetrelor electronice.

Voltmetrele electronice, fără a complica circuitele lor, pot măsura tensiuni alternative mari numai dacă la intrare este conectat un divizor de tensiune rezistiv sau capacitiv. Divizoarele de tensiune de intrare (VDN) sunt realizate ca atașament separat la voltmetru (Fig. 2) sau sunt combinate structural cu acesta (Fig. 4); în acest din urmă caz, voltmetrul este completat cu un comutator, oferind posibilitatea de a lucra cu sau fără VDN.

Utilizarea VDN duce la o creștere a erorii de măsurare, care este vizibilă în special cu un număr mare de etape de divizare. Prin urmare, VDN-urile sunt de obicei efectuate într-o singură etapă, dar când făcând alegerea corectă factor de diviziune N, devine posibilă dublarea numărului de limite de măsurare ale voltmetrului însuși. Să presupunem că un voltmetru are limite superioare de măsurare de 1,3, 10 și 30 V, determinate de setarea unui comutator în circuitul său; apoi, la conectarea VDN cu N = 100, se pot obtine limite de masurare suplimentare de 100, 300, 1000 si 3000 V. In cazul combinarii constructive a VDN-ului cu un voltmetru, pentru a obtine cele opt limite de masura specificate se pot obtine doua comutatoare separate. poate fi utilizat, respectiv, pentru două poziții (x1 și x100 ) și patru poziții (1-3-10-30 V) sau un comutator comun cu un număr crescut de secțiuni pentru opt poziții (1-3-10-30-100-). 300-1000-3000 V).

Un divizor de tensiune rezistiv este format din două rezistențe neinductive și capacitive conectate în serie (Fig. 2, a). Din rezistorul R2, la intrarea voltmetrului este furnizată o fracțiune strict definită a tensiunii măsurate, egală cu Ux/N și specificată de coeficientul de divizare

N = (R1 + R2в)/R2в,

care este un multiplicator pentru citirile voltmetrului și este de obicei luat în intervalul 10-100. Aici

R2в = R2Rв/(R2+Rв)

reprezintă rezistența totală a celui de-al doilea braț al VDN-ului ținând cont de efectul de manevră al rezistenței active de intrare

voltmetru Rv. Dacă Rв >> R2, atunci putem considera R2в ≈ R2. Dar la un mic factor de diviziune N, rezistențele Rv și R2 se dovedesc uneori a fi comparabile, deoarece rezistența totală a VDN-ului, care determină în esență rezistența activă de intrare a circuitului de măsurare, trebuie aleasă de ordinul megaohmilor. Apoi rezistența Rв va influența semnificativ valoarea necesară a rezistenței R2, determinată de formulă

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

Prin urmare, fiecare VDN este de obicei proiectat să funcționeze numai cu un anumit tip de voltmetru.

Orez. 2. Circuite ale divizoarelor de tensiune de intrare de tip rezistiv (a) și capacitiv (b).

Dezavantajul unui VDN rezistiv este dependența coeficientului de divizare de frecvența f a tensiunii măsurate datorită influenței capacității de intrare C a voltmetrului, a cărei rezistență la frecvențe înalte poate fi comparabilă cu rezistențele R2 și Rv. . Ținând cont de capacitatea St, coeficientul de împărțire real este

N" ≈ (N2 + (2π*f*C*R1) 2) 0,5.

De exemplu, cu N = 10, R1 = 9 mOhm, R2в = 1 mOhm și Sv = 10 pF la o frecvență f = 1 kHz obținem N" ≈ 10, cu f = 10 kHz avem N" ≈ 11,5 și cu f = 100 kHz N" ≈ 57,5. De asemenea, trebuie luat în considerare faptul că, odată cu creșterea frecvenței, rezistența de intrare a voltmetrelor Rv scade din mai multe motive, ceea ce crește eroarea de măsurare. Prin urmare, utilizarea VDN-urilor rezistive este limitată la domeniul de frecvență joasă, precum și regiunea tradițională a tensiunilor constante.

O creștere vizibilă a frecvenței limită superioară a VDN-urilor rezistive poate fi realizată în două moduri. În primul rând, prin reducerea rezistenței totale a pompei de înaltă presiune (care, însă, nu este întotdeauna acceptabilă). Dacă, de exemplu, luăm Rx = 0,9 mOhm și R2v = 0,1 mOhm, atunci la Sv = 10 pF și frecvențele de tensiune măsurate de 1 și 10 kHz obținem N" ≈ 10, la f = 100 kHz avem N" ≈ 11 , 5 și numai la f = 1 MHz N" ≈ 57,5. O altă metodă este utilizarea corecției de frecvență. Aceasta se realizează prin derivarea rezistențelor divizor R1 și R2 cu condensatoarele C1 și, respectiv, C2, așa cum se arată prin linia întreruptă din diagramă. în Fig. 2, a Capacitatea condensatoarelor (ținând cont de datele de intrare ale voltmetrului) este selectată astfel încât ambele părți ale VDN-ului să aibă aceleași constante de timp, i.e.

R1C1 = R2в (С2 + Св).

În acest caz, capacitatea condensatorului C1 va determina practic capacitatea de intrare a circuitului de măsurare; al doilea condensator trebuie să aibă o capacitate

C2 = C1(N-1)-Cb.

Unul dintre acești condensatori (de obicei C1) este considerat un tip de reglare, ceea ce facilitează depanarea VDN-ului. Folosind ambele metode luate în considerare în combinație, este posibil să se extindă limita superioară a aplicabilității frecvenței VDN-urilor rezistive la 1-10 MHz.

La măsurarea tensiunilor de înaltă frecvență, divizoarele capacitive de tensiune dau rezultate bune (Fig. 2, b). Unul dintre condensatorii divizor permite de obicei ajustarea capacității, ceea ce vă permite să compensați influența capacității de intrare Sv; în acest caz coeficientul de diviziune

N = (C1 + C2 + Cв)/С1

Pentru a reduce capacitatea de intrare a circuitului de măsurare, este de dorit să se mențină capacitățile condensatoarelor C1 și C2 mici. Dar un astfel de VDN va fi potrivit pentru măsurători numai în regiunea de înaltă frecvență, deoarece pe măsură ce frecvența scade, rezistența condensatorului C2 se poate dovedi a fi comparabilă cu rezistența R3 a voltmetrului. Prin urmare, pentru a măsura tensiunile la frecvențe mai mici, uneori sunt utilizate VDN-uri separate cu valori de capacitate crescute.

La construirea VDN-urilor conectate la circuite de înaltă tensiune, este necesar să se asigure o bună izolație între bornele de intrare pentru a evita defecțiunile între acestea și o creștere a pierderilor dielectrice, precum și pentru a se asigura măsuri care să sporească siguranța în exploatare.

Sarcina 1. Un voltmetru electronic are limite superioare de măsurare de 3, 6, 15 și 30 V la Rv = 5 MOhm și C3 - 15 pF. Calculați un divizor de tensiune rezistiv pentru un voltmetru care extinde limitele de măsurare la 600 V cu o rezistență activă de intrare = 10 MOhm. Determinați frecvența limită fmax la care eroarea suplimentară cauzată de modificarea coeficientului de împărțire nu depășește 5%.

Răspuns: N = 20; în acest caz, se vor obține limite suplimentare de măsurare cu valori superioare de 60, 120, 300 și 600 V. R2в = 500 kOhm; R1 = 9,5 MOhm; R2 = 556 kOhm.

Valoarea maximă admisă Nmax = 1,05N = 21 apare la frecvență

fmax = (N max 2 -N 2) 0,5 / (2πCвR1) = 7,15 kHz.

Răspuns: C1 ≈ C"v = 5 pF; C2 = 80 pF.

Voltmetre electronice de tip „amplificator - detector”.

Voltmetrele redresoare sunt potrivite pentru măsurarea tensiunilor alternative relativ mari - cel puțin zecimi de volt. Dacă tensiunea furnizată acestora este supusă unei amplificări preliminare, atunci devine posibilă măsurarea tensiunilor alternative mici. Dispozitivul rezultat este un milivoltmetru electronic de tip „amplificator-detector”.

Orez. 3. Schema funcțională a unui voltmetru electronic multilimită de tip „amplificator-detector”.

Dacă este necesar să se măsoare tensiuni mici și mari, dispozitivul este multi-gamă; în acest caz, la toate limitele de măsurare, tensiunile de intrare sunt aduse la limita inițială (cea mai joasă) folosind divizoare de tensiune calibrate, ai căror coeficienți de divizare determină multiplicatorii la scara de citire a contorului magnetoelectric conectat la ieșirea circuitului redresor. . ÎN caz general Schema funcțională a unui voltmetru cu limite multiple corespunde celei prezentate în Fig. 3.

Ei se străduiesc să facă amplificatorul voltmetrului în bandă largă, adică iau măsuri speciale pentru a asigura un câștig constant într-o bandă largă de frecvență, precum și atunci când tensiunea de alimentare, temperatura și parametrii elementelor circuitului fluctuează în anumite limite. În aceste scopuri, rezistența de sarcină a treptelor amplificatorului este redusă, se folosesc circuite de compensare a frecvenței și temperaturii, iar modul de funcționare este stabilizat; acesta din urmă se realizează folosind un feedback negativ profund (o.f.s.) pentru tensiuni directe și alternative. Deoarece câștigul etajului amplificatorului scade pe măsură ce lățimea de bandă a treptei amplificatorului crește, amplificatorul de bandă largă trebuie să fie realizat în mai multe trepte, iar numărul necesar de trepte este mai mare, cu cât intervalul de frecvență este mai larg și cu atât limita inițială de măsurare este mai mică, care determină valoarea necesară. câştig. În practică, un voltmetru conține 3-5 trepte de amplificare, iar limita superioară a frecvențelor sale de funcționare nu depășește 1 MHz. Când domeniul de funcționare al voltmetrului este limitat la regiunea de frecvență joasă, numărul necesar de etape de amplificare este redus și nu este nevoie de scheme complexe corecția frecvenței, stabilitatea generală a funcționării crește.

Valoarea minimă posibilă a tensiunii măsurată de un voltmetru este limitată de nivelul de zgomot intrinsec al amplificatorului, care depinde de proprietățile de zgomot ale tranzistorului sau lămpii de intrare. Pentru a reduce influența diferitelor interferențe și a fundalului AC, voltmetrul este ecranat cu atenție și tensiunile de alimentare sunt bine filtrate.

Unitățile de măsură ale voltmetrelor de tip „amplificator-detector” sunt de obicei circuite redresoare încărcate pe contoare magnetoelectrice, similare cu cele discutate în secțiunile Unități de măsură ale dispozitivelor redresoare și Voltmetre redresoare. Deoarece redresorul este conectat la ieșirea amplificatorului printr-un condensator de separare, dacă nu există o tensiune măsurată la intrare, nu există curent în circuitul contorului; prin urmare, nu este nevoie să setați „zero” contorului.

Pentru a reduce influența asupra circuitelor studiate și a asigura comparabilitatea citirilor la măsurarea tensiunilor mici și mari, voltmetrul trebuie să aibă o rezistență de intrare care să mențină o valoare ridicată și, dacă este posibil, stabilă la toate limitele de măsurare. Rezistența de intrare (activă) poate ajunge la câțiva megaohmi atunci când la intrarea voltmetrului este instalat un adept de catod „Cu toate acestea, în instrumentele de măsură moderne se evită utilizarea tuburilor vidate dacă se pot obține rezultate similare sau similare folosind elemente semiconductoare.

Un voltmetru AC pe tranzistori poate fi realizat în mod similar cu un voltmetru DC tranzistor (vezi Voltmetre DC Tranzistor), și anume pe baza unui microampermetru AC cu tranzistor sensibil conectat în serie cu rezistențe suplimentare. Cu toate acestea, rezistența de intrare a unui astfel de voltmetru depinde de limita de măsurare și la tensiuni măsurate scăzute este posibil să nu fie suficient de mare; În plus, parametrii reactivi ai rezistențelor suplimentare limitează posibilitățile de utilizare a unui voltmetru la frecvențe înalte.

La utilizarea tranzistoarelor bipolare, cea mai mare rezistență stabilă de intrare (sute de kilo-ohmi) este asigurată atunci când o etapă de potrivire este conectată la intrarea voltmetrului conform circuitului urmăritor al emițătorului. Dacă treapta de intrare este o sursă de urmărire (folosind tranzistoare cu efect de câmp), atunci rezistența de intrare atinge câțiva megaohmi. Adepții de sursă (precum și adepții de catod și emițător) au, după cum se știe, o capacitate de intrare mică (mai mulți picofarad) și rezistență scăzută la ieșire, așa că se dovedesc a fi în bandă largă. Impedanța scăzută de ieșire a repetorului facilitează potrivirea acestuia cu intrarea cu impedanță scăzută a treptelor ulterioare ale amplificatorului, care pot funcționa pe tranzistoare bipolare conform circuitelor care asigură o amplificare stabilă a tensiunii în domeniul de frecvență necesar.

La majoritatea voltmetrelor, divizorul principal de tensiune cu mai multe trepte este sarcina directă a etapei de potrivire de intrare (follower) și, prin urmare, poate avea o impedanță scăzută (mii sau sute de ohmi); aceasta facilitează selecția precisă a rezistențelor și permite până la frecvențe de câțiva megaherți să fie făcute fără corecție de frecvență. Divizorul de tensiune de intrare este fie absent, fie cu o singură treaptă, cu un coeficient de divizare mare și elemente de corecție a frecvenței (vezi secțiunea).

În fig. Figura 4 prezintă o diagramă a unui voltmetru cu tranzistor multi-gamă care funcționează în domeniul de frecvență 20 Hz-200 kHz și având limite superioare pentru măsurarea tensiunilor alternative (în valori efective) de 10-30-100-300-1000 V. Etapa de intrare este un adept de sursă pe tranzistorul T1, a cărui sarcină este un divizor de tensiune cu rezistență scăzută R4-R8. La intrarea dispozitivului există un al doilea divizor de tensiune compensat cu frecvența R1, C1, R2, C2 cu un coeficient de divizare N = 1000. În funcție de setarea comutatorului B1, se măsoară limitele superioare de măsurare pe scara comutatorului B2. în milivolti sau volți. La măsurarea tensiunilor joase, divizorul de tensiune de intrare nu este utilizat și, pentru a nu reduce rezistența de intrare a voltmetrului, acesta este deconectat de la circuitul dispozitivului.

Amplificarea principală a tensiunii măsurate se realizează prin etape de amplificare pe tranzistoarele bipolare T2 și T3, conectate conform unui circuit cu un emițător comun. Pentru a asigura o amplificare semnificativă, trebuie selectați tranzistori cu un coeficient Vst de aproximativ 100. Extinderea răspunsului în frecvență al voltmetrului este facilitată de cuplarea directă (galvanică) între treptele amplificatorului, precum și prezența la intrarea tranzistorului T2. a două condensatoare separatoare conectate în paralel C5 și C6, care au rezistență scăzută, respectiv frecvențe joase și înalte. Pentru a potrivi rezistența de ieșire relativ mare a amplificatorului cu rezistența scăzută a unității de măsurare, la ieșire este instalat un emițător urmăritor pe tranzistorul T4.

Stabilizarea modului de funcționare a amplificatorului se realizează prin utilizarea o. O. Cu. prin tensiune constantă de la emițătorul tranzistorului T3 la baza tranzistorului T2 prin rezistorul reglat R11. Acesta din urmă vă permite să reglați adâncimea feedback-ului și, prin urmare, câștigul, care este utilizat la calibrarea voltmetrului.

Pentru a asigura lățimea de bandă de frecvență necesară și pentru a crește liniaritatea scalei, în voltmetru funcționează un o puternic. O. Cu. prin tensiune alternativă de la emițătorul tranzistorului T4 la emițătorul tranzistorului T2 prin condensatorul electrolitic C9, redresorul unității de măsură și rezistența R19; Gradul de feedback este ajustat la configurarea dispozitivului folosind rezistența de tăiere R12. O oarecare îmbunătățire a liniarității scalei poate fi obținută prin înlocuirea a două diode redresoare (D3 și D4) condensatoare electrolitice capacitate mare, precum și utilizarea unui circuit de redresare cu jumătate de undă.

Orez. 4. Diagrama unui voltmetru cu tranzistor de tip „amplificator - detector”.

Unele voltmetre electronice includ un calibrator, care produce o tensiune alternativă de referință utilizată pentru a verifica și corecta sensibilitatea dispozitivului. Calibratorul necesită o sursă de tensiune sinusoidală pentru a funcționa, deci este ușor compatibil cu voltmetrele lămpii alimentate cu curent alternativ. Voltmetrele cu tranzistori oferă uneori capacitatea de a conecta intrarea calibratorului la o sursă externă de curent alternativ sau de a include un convertor de tensiune DC-AC de mică putere în proiectarea voltmetrului.

Cel mai simplu, dar mai fiabil calibrator este un calibrator cu diodă zener din silicon (Fig. 5). Două diode zener identice D1 și D2, conectate spate la spate, asigură stabilizarea ambelor semi-unde ale tensiunii alternative U la nivelul tensiunii de stabilizare Ust care le caracterizează, cu condiția ca U > Ust. Dacă stabilizarea se realizează atunci când curentul prin diodele zener se modifică în limitele Imin - Imax, atunci rezistența de limitare R1 trebuie să aibă o rezistență.

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

Rezistența totală a divizorului de tensiune R2, R3 ar trebui să fie de zeci de ori mai mică decât rezistența de intrare a voltmetrului și, în același timp, suficient de mare pentru a nu încărca în mod vizibil sursa de alimentare. Coeficientul său de diviziune este ales astfel încât să se obțină o tensiune stabilizată la ieșire egală cu una dintre limitele de măsurare a joasă tensiune Up. La configurarea calibratorului, tensiunea necesară este setată cu precizie prin reglarea potențiometrului R3 (în funcție de citirile unui voltmetru de referință). Înainte de începerea măsurătorilor, această tensiune este aplicată la intrarea unui voltmetru calibrat, pornit la limita de măsurare corespunzătoare, iar reglarea prevăzută în circuitul voltmetrului este utilizată pentru a devia acul contorului său până la capătul scalei.

Orez. 5. Schema unui calibrator de tensiune alternativă folosind diode zener semiconductoare.

Microvoltmetrele selective sunt folosite pentru a măsura tensiuni foarte scăzute în domeniul de frecvență radio. Ele sunt de obicei implementate folosind un circuit receptor superheterodin cu conversie de frecvență simplă sau dublă. Partea de înaltă frecvență a dispozitivului este reglată la frecvența tensiunii măsurate, care primește un câștig mare calibrat la frecvențe înalte și intermediare. Sarcina detectorului este un contor magnetoelectric, calibrat în valorile tensiunii măsurate. Înainte de începerea măsurătorilor, câștigul este monitorizat și ajustat folosind un generator intern de calibrare care furnizează tensiune de referință frecvența necesară la intrarea dispozitivului. Datorită proprietăților sale selective, un microvoltmetru selectiv poate fi utilizat pentru a studia spectrele semnalelor periodice și de zgomot (prin reglarea secvențială a componentelor individuale ale acestor spectre la frecvențe), precum și pentru a măsura intensitatea câmpului electromagnetic (când un antena este pornită la intrare) și alte măsurători de înaltă frecvență.

Voltmetre electronice de tip „detector-amplificator”.

Voltmetrele electronice concepute pentru a măsura tensiuni nu prea mici (de la zecimi de volt și mai sus) într-o gamă largă de frecvențe (până la ultra-înalte), precum și pentru utilizarea în instrumente de măsurare universale și combinate, sunt de obicei realizate în conformitate cu Circuit de tip „detector-amplificator” ( Fig. 6). Tensiunea măsurată este redresată de un detector cu semiconductor sau tub, iar apoi componenta DC a tensiunii redresate este furnizată unui amplificator DC printr-un divizor de tensiune rezistiv și un filtru RC care elimină componentele AC. La ieșirea amplificatorului, este pornit un contor magnetoelectric I, a cărui scară este calibrată în valori efective sau de amplitudine ale tensiunii măsurate. Divizorul de tensiune, filtrul și amplificatorul cu contor sunt, în esență, un voltmetru DC multi-gamă, cu o intrare de obicei de înaltă impedanță. În acest caz, voltmetrul AC se dovedește a fi, de asemenea, multi-limită, menținând aproximativ aceeași rezistență de intrare și mare la toate limitele. Dacă în circuitul amplificatorului este prevăzută modificarea limitelor de măsurare, atunci divizorul de tensiune poate lipsi. Dezavantajul unui voltmetru este necesitatea de a preinstala contorul „glonț”.

Orez. 6. Schema funcțională a unui voltmetru electronic cu limite multiple de tip „detector-amplificator”.

Specific voltmetrelor de tip „detector-amplificator” sunt doar componentele detectoarelor, care sunt cel mai adesea similare cu unitățile redresoare ale voltmetrelor de amplitudine; la unele dispozitive, detectorul este format pe baza unui circuit cu undă completă care izolează valoarea medie redresată a tensiunii măsurate.

Un voltmetru electronic de tip „detector-amplificator” poate fi considerat un voltmetru redresor, al cărui indicator este un voltmetru electronic DC. Este evident că este rațional să folosiți un astfel de voltmetru ca unul universal pentru măsurarea tensiunilor alternative și continue într-o gamă largă de valori și frecvențe.Dispunerea unui astfel de voltmetru este prezentată în două versiuni în Fig. 7. Baza primei opțiuni (Fig. 7, a) este un voltmetru DC electronic standard, care poate fi utilizat direct în scopul propus. Dacă este necesar să se obțină o limită suplimentară de înaltă tensiune pentru măsurarea tensiunilor continue, se folosește o sondă la distanță bine izolată cu un grup de rezistențe de înaltă rezistență Rс conectate în serie montate în ea, conectată la intrarea unui voltmetru de curent continuu atunci când acesta din urmă este setat la o anumită limită de măsurare. Componenta detectorului este proiectată sub forma unui atașament, cel mai adesea realizată conform circuitului unui detector de amplitudine cu intrare închisă (Fig. 8, b) și este conectată la un voltmetru atunci când este necesar să se măsoare tensiunile alternative. Polaritatea de comutare a diodei D trebuie să fie în concordanță cu polaritatea tensiunilor măsurate de un voltmetru de curent continuu; posibilitatea de a conecta unul dintre firele de conectare de intrare la ecranul și corpul dispozitivului depinde și de circuitul acestuia din urmă.

Orez. 7. Diagrame de aranjare ale voltmetrelor electronice universale de tip „detector - amplificator”.

Condensatorul de intrare C trebuie proiectat (precum și dioda de tensiune inversă D) pentru amplitudinea maximă a tensiunii măsurate. Capacitatea sa trebuie să satisfacă două cerințe contradictorii. Pe de o parte, pentru a asigura o limită superioară suficient de mare a frecvențelor de operare, este de dorit să existe o capacitate C mică pentru a reduce reactanța inductivă a condensatorului și pierderile active din acesta la frecvențe înalte. Pe de altă parte, pentru a asigura limita inferioară a frecvențelor de funcționare, este de dorit să existe o capacitate mare, astfel încât rezistența de capacitate a condensatorului C să fie mult mai mică decât rezistența inversă a diodei D. În practică, capacitatea C = 0,001 ...0,1 μF este luat, pe baza considerațiilor de compromis și a limitelor specifice domeniului de frecvență.

Rezistența rezistorului R este selectată din condiția coincidenței (cu aceleași limite de măsurare) a scărilor de referință ale tensiunilor alternative și continue, ceea ce este destul de realizabil, deoarece circuitul selectat al componentei detectorului oferă o relație aproape liniară între tensiuni redresate și de intrare. Dacă rezistența inversă a diodei D și rezistența de intrare Rin a indicatorului (voltmetrul DC) sunt suficient de mari, atunci tensiunea constantă pe diodă va fi apropiată de amplitudinea Rm a tensiunii măsurate și atunci amplitudinile pot fi citite folosind scalele corespunzătoare de tensiune constantă la R = 0. Dacă trebuie să primiți citiri în valori eficace U = 0,707*Um (cu o formă de undă de tensiune sinusoidală), atunci tensiunea redresată furnizată voltmetrului DC ar trebui redusă în consecință; aceasta se realizează cu o rezistență de R ≈ 0,415*Rin. Reglarea precisă a rezistenței rezistorului R se face la instalarea dispozitivului.

La limitele cele mai joase de tensiune (până la aproximativ 3 V), este posibil ca liniaritatea scalelor de tensiune alternativă să fie întreruptă și să nu coincidă complet cu scalele de tensiune DC corespunzătoare din cauza eficienței scăzute a diodei care detectează un nivel scăzut. tensiuni, precum și din cauza modificărilor rezistenței Rin, deoarece la aceste limite divizorul de tensiune de intrare al sursei de alimentare CC a voltmetrului poate fi deconectat sau poate acționa ca un șunt. Pentru a reduce eroarea la unele voltmetre la limite de tensiune joasă, se utilizează o componentă de detector specială cu o diodă D special selectată și un rezistor R sau se folosesc grafice sau tabele de corecție.

A doua versiune a voltmetrului universal (Fig. 7, b) se caracterizează prin absența întrerupătoarelor și a componentelor înlocuibile la intrare. Circuitul este proiectat ca un întreg pentru a măsura în principal tensiuni alternative la limitele de măsurare necesare. În special, rezistența R este luată de obicei cu o rezistență foarte mare (aproximativ 10 MOhm), ceea ce îmbunătățește filtrarea tensiunii redresate și limitează impactul supraîncărcărilor aleatorii asupra dispozitivului. Rezistorul Rc trebuie să se asigure că scalele de tensiune DC se potrivesc cu scalele de tensiune AC existente. Dacă citirea pe scalele de tensiune alternativă se face în valori de amplitudine ale lui Um, atunci se ia Rc ≈ R 2 /(R + Rin), iar atunci când se citesc valori eficace ale tensiunii

Rc = (0,7*R2 - 0,3*R*Rin)/(R + R).

Dezavantajul acestei opțiuni este posibilitatea de a încălca coincidența realizată a scalelor de tensiune AC și DC atunci când se schimbă rezistența inversă a diodei D. Acest lucru poate fi evitat dacă circuitul detectorului este deconectat la măsurarea tensiunilor DC.

Dacă nu există un divizor de tensiune la intrarea voltmetrului de curent continuu (ca, de exemplu, în circuitele din Fig. 5, a și 6), atunci rezistența R poate servi ca element (Rph) al filtrului de intrare Rph, Sph . Capacitatea filtrului trebuie să fie relativ mare (sutimi de microfarad), astfel încât rezistența sa la cea mai joasă frecvență de operare să fie semnificativ mai mică decât rezistența Rf.

Dioda inclusă în circuitul componentei detectorului trebuie să îndeplinească două cerințe principale: o valoare suficient de mare a tensiunii inverse maxime admisibile Urev.max, deoarece determină limita superioară a tensiunilor alternative măsurate, care nu trebuie să depășească în amplitudine sau rădăcină. -valoare pătratică medie, respectiv, 0,5 * Urev.max și 0,35*Urev.max; un curent invers mic sau, echivalent, o rezistență inversă posibil mai mare Rrev, deoarece rezistența activă de intrare Rv a unui voltmetru cu tensiune alternativă depinde în mod semnificativ de aceasta. Acesta din urmă variază de obicei de la 1/4 la 1/3 din rezistența de curent continuu a circuitului paralel format din rezistența inversă a diodei D și rezistența sarcinii acesteia Rн = R + Rн, adică.

Rв ≈ 0,3*Robr*Rн/(Robr + Ri).

Dacă Rrev<< Rн, то Rв ≈ 0,3*Rобр. И наоборот, при Rобр >> Rн obținem Rн ≈ 0,3*Rн. Dacă Robr ≈ Rн, atunci Rв ≈ 0,15*Rн.

Când se utilizează diode cu tub în detectoare, care pot rezista la tensiuni inverse mari și au rezistență inversă practic nelimitată și parametri stabili, voltmetrul poate avea o rezistență de intrare foarte mare (zeci și sute de megaohmi pe frecvente joase) și asigură (fără divizor de tensiune de intrare) măsurarea tensiunilor alternative semnificative (până la 100-150 V). Cu toate acestea, utilizarea lor este limitată din cauza necesității de a alimenta filamentul diodei și de a compensa curentul său inițial (Fig. 8, a).

Diodele semiconductoare nu necesită o putere specială și nu au un curent inițial, dimensiunile lor sunt mici, totuși, în comparație cu diodele lampă, rezistă la tensiuni inverse semnificativ mai mici și au o rezistență inversă finită; în plus, parametrii lor depind în mod semnificativ de temperatură și de tensiunea aplicată diodei, iar în timp se modifică oarecum. Prin urmare, la voltmetrele cu detectoare cu semiconductor, rezistența de intrare și valoarea limită a tensiunilor măsurate sunt de câteva ori mai mici, iar eroarea de măsurare este mai mare decât la voltmetrele cu detectoare cu lampă. Când utilizați diode de înaltă frecvență (punct-punct) cu curent invers scăzut în detector, rezistența de intrare a voltmetrului poate atinge câțiva megaohmi, iar limita superioară de măsurare poate ajunge la zeci de volți. Capacitatea dintre electrozii diodelor de înaltă frecvență, atât semiconductoare cât și tubulare, este de obicei de câteva unități sau zecimi de picofarad, prin urmare, voltmetrele de tip „detector-amplificator”, cu o instalare rațională a circuitului de intrare, pot avea o limita superioară a frecvenţelor de operare egală cu zeci sau chiar câteva sute de megaherţi.

Voltmetrele sunt uneori echipate cu două componente ale detectoarelor înlocuibile sau comutabile. Una dintre ele pe o diodă plană cu o tensiune inversă admisibilă ridicată, dar o capacitate de intrare semnificativă și cu un condensator de decuplare C cu o capacitate de aproximativ 0,1 μF este pornită atunci când se măsoară tensiuni de frecvențe relativ joase într-o gamă largă de valori. (până la sute de volți). Al doilea detector, bazat pe o diodă punctiformă și cu un condensator cu o capacitate de câteva mii de picofaradi, este utilizat la măsurarea tensiunilor relativ scăzute (până la zeci de volți) la frecvențe înalte și ultraînalte.

Voltmetrele cu impulsuri sunt realizate și după circuitul de tip „detector - amplificator”, conceput pentru a măsura amplitudinile impulsurilor de diferite durate și cicluri de lucru. De obicei, folosesc detectoare cu diode în două puncte utilizate pentru a detecta impulsuri de polaritate pozitivă și respectiv negativă.

Caracteristici ale proiectării și calibrării voltmetrelor electronice de curent alternativ

Gradul de influență a unui voltmetru de bandă largă asupra circuitelor studiate atunci când se măsoară tensiuni de diferite frecvențe este determinat de valorile parametrilor săi de intrare Rv, Sv și Lpr (Fig. 1).

Capacitatea de intrare C constă din capacitatea dintre electrozii de intrare ai unei lămpi sau dispozitiv semiconductor conectat în circuitul de intrare, capacitatea dintre prizele corespunzătoare ale prizei utilizate pentru conectarea acestui dispozitiv și capacitatea de montare. Când se utilizează piese și cleme de dimensiuni mici la intrare, amplasarea lor rațională și realizarea conexiunilor cu conductori scurti, capacitatea de instalare este de 3-6 pF. În acest caz, selectarea corectă a intrării dispozitiv electronicși lipirea elementelor circuitului direct la pinii săi de ieșire face posibilă limitarea capacității de intrare a voltmetrului la valori de 6-10 pF.

Rezistența activă de intrare a voltmetrului Rв este determinată de circuitul specific al circuitului de intrare și de rezistența activă de intrare a dispozitivului electronic conectat la intrare. La frecvențe joase se dovedește a fi egal cu unități, mai rar zeci, megaoh. Când funcționează la frecvențe înalte, rezistența Rв scade ușor datorită creșterii pierderilor dielectrice în cilindru, carcasă sau baza dispozitivului electronic și plăcilor de circuite. Reducerea acestor pierderi se realizează prin utilizarea tuburilor radio fără bază la intrare, instalarea clemelor de intrare și a altor elemente ale circuitului de intrare pe panouri din dielectric de înaltă frecvență - polistiren, porțelan radio etc.

În intervalul undelor de metri și decimetru, timpul de călătorie a electronilor între electrozii lămpii devine proporțional cu perioada tensiunii măsurate, drept urmare pierderile în circuitele de intrare ale lămpilor radio cresc brusc. Pe măsură ce frecvența crește, cresc și pierderile în masele semiconductoarelor, care în diode se manifestă prin scăderea coeficientului de redresare și a rezistenței inverse, iar la tranzistori printr-o scădere a rezistenței de intrare și a coeficientului de transfer de curent Vst. Aceste pierderi sunt reduse atunci când se utilizează tuburi radio miniaturale și dispozitive semiconductoare. În practică, se poate obține, la o frecvență a tensiunii măsurate de 100 MHz, o rezistență activă de intrare a voltmetrului de ordinul zecilor, mai rar sute, de kilo-ohmi.

Când se instalează cu conductori scurti și se utilizează un condensator de cuplare de dimensiuni mici și neinductiv, inductanța circuitului de intrare este de sutimi de microhenry, iar frecvența sa de rezonanță naturală atinge sute de megaherți. Firele de conectare la intrare, având inductanța și capacitatea distribuite pe lungime, reduc frecvența maximă de funcționare fmax, corespunzătoare erorii de măsurare admise. Influența acestor fire poate fi practic neglijată dacă lungimea lor nu depășește 1% din lungimea de undă λ a tensiunii măsurate.

Dacă bornele sau prizele de intrare sunt montate pe corpul dispozitivului, atunci când se măsoară tensiuni de înaltă frecvență, nu este întotdeauna posibil să se apropie voltmetrul de circuitul testat, astfel încât să se descurce cu fire de conectare de o lungime acceptabilă. Prin urmare, în multe voltmetre electronice, partea de intrare de înaltă frecvență (componenta detector în voltmetrele de tip „detector-amplificator”, sursa, emițătorul sau adeptul catodului în voltmetrele de tip „amplificator-detector”) este realizată sub forma unui separat unitate la distanță ecranată de dimensiuni mici numită sondă (vezi Fig. 7, a). Sonda este conectată la restul circuitului voltmetrului folosind un cablu ecranat flexibil. În timpul măsurătorilor, sonda este adusă la circuitul testat și, cu un pin de potențial plasat în cap, direct sau cu un scurt conductor, este conectată la punctul de potențial necesar al circuitului; a doua clemă (de obicei clema crocodișcă), conectată în majoritatea dispozitivelor la corp și negativul comun al voltmetrului (dacă intrarea sa este asimetrică), este preconectată la punctul cu cel mai mic potențial din circuit.

Pentru a exclude influența câmpurilor electrice și magnetice externe, voltmetrul este plasat într-o carcasă metalică, care se recomandă împământare în timpul funcționării. Corpul sau ecranul dispozitivului aflat în studiu este conectat ferm la această carcasă.

Orez. 8. Diagrama de calibrare pentru voltmetre de curent alternativ.

Reglarea și calibrarea voltmetrelor electronice (și a altor) de curent alternativ pot fi efectuate utilizând circuitul prezentat în Fig. 8. Aici se folosește ca referință un voltmetru V, care trebuie să aibă o limită de măsurare egală sau puțin mai mare decât valoarea tensiunii limită măsurată de un voltmetru calibrat. Prin intermediul unui autotransformator Tr s reglare lină la divizorul rezistiv R1-R3 se aplică o tensiune egală cu limita măsurată, iar când comutatorul B este setat în poziția „x1”, prin reglarea elementelor voltmetrului electronic, acul contorului său este deviat până la capătul scară. Apoi, prin deplasarea motorului autotransformatorului, tensiunea este redusă ușor și caracteristica de calibrare este verificată la un număr de puncte intermediare de pe scară. Divizorul de tensiune vă permite să utilizați același voltmetru de referință cu o singură limită V pentru a calibra un voltmetru electronic la mai multe limite de măsurare. Dacă voltmetrul de referință este multi-gamă, circuitul de calibrare este simplificat în consecință prin eliminarea divizorului de tensiune din acesta.

Alimentare pentru voltmetre electronice

În funcție de circuit și de condițiile de utilizare, voltmetrele electronice sunt alimentate din surse de curent continuu sau alternativ.

Voltmetrele cu tranzistori, de regulă, sunt alimentate de baterii uscate de dimensiuni mici sau baterii reîncărcabile cu e. d.s. 4,5...9 V, care sunt plasate în interiorul carcasei dispozitivului într-un compartiment special izolat de restul circuitului. Unul dintre opțiuni posibile Schema de alimentare este prezentată în Fig. 9. Dioda plană D2 protejează dispozitivul în cazul polarității incorecte a bateriei de conectare B. Stabilizarea parametrică a tensiunii de alimentare este realizată de dioda zener D1, care este conectată la sursă prin rezistența R1. Modul de stabilizare necesar este prevăzut cu rezistență

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

unde Imin și Imax sunt valorile maxime admise ale curentului prin dioda Zener, iar Iн este valoarea nominală (medie) a curentului de sarcină la sursa de alimentare. Dacă se dorește o stabilitate excepțional de mare a tensiunii de alimentare, atunci o a doua legătură a unei diode zener și un rezistor sunt conectate într-un mod similar, concepute pentru a obține o tensiune stabilizată puțin mai mică decât la ieșirea primei legături. Dacă elementele de stabilizare sunt abandonate, sursa de alimentare este ocolită cu un condensator cu o capacitate de aproximativ 100 μF.

Orez. 9. Schema stabilizării parametrice a tensiunii de alimentare a unui voltmetru tranzistor.

Unele dispozitive asigură monitorizarea tensiunii de alimentare cu ajutorul unui voltmetru, care, dacă este necesar, este conectat la sursa de alimentare printr-un rezistor suplimentar.

Voltmetrele portabile ale lămpii sunt în majoritatea cazurilor alimentate de baterii interne. Ei încearcă să se descurce cu o baterie de joasă tensiune utilizând tuburi radio economice cu curent de filament scăzut în voltmetru, care funcționează la o tensiune anodică scăzută (5-10 V). În unele cazuri, un convertor de tensiune tranzistor de mică putere alimentat de la o baterie incandescentă este utilizat pentru a alimenta circuitele anodice.

Când un voltmetru de lampă este alimentat de la o rețea de curent alternativ, posibilitățile de alegere a unui circuit, a lămpilor și a modului de funcționare se extind. Acest lucru permite dispozitivului să utilizeze un contor mai puțin sensibil în timp ce crește simultan rezistența de intrare și extinde limitele de măsurare și intervalul de frecvență de operare. Deoarece curentul continuu în circuitele de putere nu depășește 10-20 mA și se ondula tensiune înaltă au un efect redus asupra funcționării voltmetrului, redresorul de putere este de obicei realizat folosind un circuit cu jumătate de undă, în care filtrul este un condensator cu o capacitate de mai multe microfarade conectat în paralel cu sarcina. Pentru a crește stabilitatea voltmetrului în cazul unor posibile fluctuații ale tensiunii de alimentare, sunt utilizate diferite metode pentru a stabiliza sursa de alimentare a lămpii. Rezultate bune se obtin prin folosirea stabilizatorilor ferorezonanti, care asigura stabilizarea simultana a tensiunilor alternative pe toate infasurarile secundare ale transformatorului de putere. Pentru a elimina impactul asupra voltmetrului al interferențelor de înaltă frecvență care se propagă prin firele de alimentare, firele de alimentare chiar la ieșirea din carcasa voltmetrului sunt conectate la carcasă cu condensatoare cu o capacitate de câteva mii de picofaradi.

În fig. 86 arată fundamentalul schema de circuit a unui voltmetru DC cu tranzistor simplu cu o rezistență de intrare de aproximativ 100 kOhm și un domeniu de măsurare de la 0 la 1000 V în șapte subdomenii: 0—1; 0—5, 0—10; 0—50; 0—100; 0-500 și 0-1000 V. Un astfel de dispozitiv poate fi util în măsurarea modurilor de funcționare a treptelor de tranzistor și amplificator cu tub.

Aparatul este alimentat de o singură celulă galvanică cu o tensiune de 1,5 V. Este descris în revista radioamatorilor brazilieni.

Configurarea dispozitivului este ușoară. Mai întâi, cu intrarea deschisă, utilizați rezistența variabilă R8 pentru a seta acul miliampermetrului dispozitivului la zero. Apoi cântarul este calibrat. Pentru a face acest lucru, intrarea voltmetrului este conectată la o sursă de tensiune de referință, de exemplu, la polii unei baterii galvanice externe, sondele dispozitivului sunt introduse în prizele de intrare „O” și limita de măsurare corespunzătoare și prin ajustând rezistența variabilă R9 se obține o citire a voltmetrului care corespunde tensiunii bateriei de referință.

Pentru a putea calibra dispozitivul pe o singură scară, rezistențele rezistențelor R1-R7 trebuie selectate foarte precis (cu o toleranță de cel mult 1-2%).

Pentru a face un voltmetru, puteți utiliza tranzistori precum GT108 sau MP41, MP42 cu orice indici de litere, dar întotdeauna cu aceleași valori Vst = 50-80, un miliampermetru pentru un curent de 0-1 mA. Sursa de alimentare poate fi un element 316 sau 343, 373.

În timpul funcționării, trebuie amintit că rezistența mare de intrare a acestui voltmetru este obținută datorită utilizării unui amplificator de curent continuu pe tranzistoare, ai cărui parametri depind puternic de temperatura ambiantă. Prin urmare, înainte de a efectua măsurători, este necesar să setați cu atenție acul instrumentului la zero și cu creștere temperatura ambientala calibrați-i suplimentar cântarile. Acesta este un dezavantaj al voltmetrului descris în comparație cu avometrele convenționale.

Voltmetrele în care amplificatorul de curent continuu este realizat folosind tranzistori cu efect de câmp au o stabilitate semnificativ mai mare. În fig. 87 dat schema circuitului Voltmetru DC pentru măsurarea tensiunilor de la 0 la 1 V, colectate pe două tranzistoare cu efect de câmp. Impedanța de intrare a dispozitivului este de aproximativ 4 MOhm. Un astfel de dispozitiv poate fi foarte util în măsurarea tensiunii continue în circuitele de bază ale treptelor tranzistoare ale receptoarelor și amplificatoarelor, așa cum se recomandă în descrierea sa.

Acest voltmetru poate folosi tranzistori cu efect de câmp precum KP102E și KP103K. Ca sursă de alimentare pot fi utilizate trei baterii de 3336 L conectate în serie. Dacă este necesar, tensiunea de alimentare poate fi redusă la 9 V. Pentru a măsura tensiuni mai mari, de exemplu, în intervalul 0-10 V sau 0-100 V, extern divizoare de tensiune de înaltă rezistență cu un coeficient de diviziune 10:1 sau 100:1. Milivoltmetru cu intrare de înaltă impedanță. De obicei, radioamatorii măsoară tensiunea AC cu un avometru, a cărui impedanță de intrare este scăzută. Cele mai bune rezultate pot fi obținute folosind milivoltmetre standard, care permit măsurarea tensiunilor LF foarte scăzute, măsurate în milivolți. Avometrul poate măsura 0,1 V în cel mai bun caz.

În fig. Figura 88 prezintă o diagramă schematică a unui milivoltmetru simplu de joasă frecvență cu o rezistență de intrare de aproximativ 2 MΩ. Deviația completă a acului contorului corespunde unei tensiuni de intrare de 15 până la 100 mV. Voltmetrul este alimentat de o baterie de 4,5 V. Astfel de rezultate bune au putut fi obținute doar pentru că la intrarea amplificatorului de joasă frecvență al acestui dispozitiv este pornit un tranzistor cu efect de câmp.

Conform diagramei (Fig. 88), publicată într-una dintre revistele radio americane, milivoltmetrul conține un adept de sursă pe tranzistorul cu efect de câmp T1, un amplificator de tensiune pe tranzistorul T2 conectat conform unui circuit emițător comun și un redresor de tensiune de semnal de undă încărcat cu un contor de curent - un microampermetru . Amplificarea semnalului către redresor și, prin urmare, sensibilitatea dispozitivului, este reglată de rezistența variabilă R5. Mai mult, dacă glisorul cu rezistență variabilă este în poziția inferioară conform circuitului, atunci sensibilitatea milivoltmetrului este de 100 mV. Domeniul de măsurare al acestui dispozitiv poate fi extins semnificativ prin conectarea unui divizor de tensiune suplimentar al semnalului măsurat la intrarea sa. În acest caz, puteți obține un dispozitiv de măsurare multi-gamă cu o rezistență de intrare mai mare de 10 MOhm.

Un milivoltmetru poate fi realizat folosind tranzistoarele KP103ZH sau KP103L (T1,) și MP41A (T2), precum și diodele D9V-D9E (D1, D2). Sursa de alimentare poate fi o baterie 3336L. Pentru a evita interferențele externe, este recomandabil să plasați piesele milivoltmetrului într-o carcasă metalică.

Milivoltmetru cu scară liniară. Dezavantajul majorității avometrelor și milivoltmetrelor de curent alternativ (inclusiv cel descris mai sus) este denivelarea scării aproape de zero, care se datorează neliniarității coeficientului de transmisie al redresorului cu diodă la un semnal mic. Sunt cunoscute diferite metode de liniarizare a dimensiunii unor astfel de dispozitive, dar cele mai multe dintre ele sunt complexe pentru proiecte de radio amatori. În acest sens, voltmetrul AC, descris pe paginile unei reviste engleze de radio amatori, se distinge prin simplitatea și fiabilitatea sa de funcționare, a cărei diagramă de circuit este prezentată în Fig. 89. Acest voltmetru este format dintr-un redresor în punte pe diode D1-D4, dintre care o diagonală este încărcată cu un miliampermetru cu o scară de 0-500 μA și o rezistență internă de 500 Ohmi, iar cealaltă este conectată între colector și baza etajului amplificatorului, asamblat pe tranzistorul T1, conectat conform unui circuit cu un emițător comun. La alte voltmetre similare, a doua diagonală este conectată între colector și emițător. Este vreo greșeală făcută aici? Nu. În acest dispozitiv, printr-un redresor în punte conectat în serie și un condensator C2, are loc un feedback de curent negativ neliniar de la colector la baza tranzistorului T1.

Deoarece la tensiunea de semnal scăzută și curentul prin diode este mic, efectul feedback-ului negativ va fi nesemnificativ, iar câștigul oferit de cascadă este mare (60-100). Pe măsură ce tensiunea semnalului crește, conductivitatea diodelor crește și, odată cu aceasta, crește curentul de feedback negativ, iar acest lucru reduce câștigul etapei. Și cu cât semnalul la intrare este mai mare, cu atât semnalul către redresor este mai puțin amplificat. Ca urmare, secțiunea inițială a scării voltmetrului este nivelată (liniarizată), iar citirile voltmetrului pot coincide complet cu diviziunile scării microampermetrului. Valoarea maximă a tensiunii alternative măsurată de acest dispozitiv este numeric egală cu raportul dintre citirea maximă a microampermetrului împărțit la rezistența rezistenței R3 în kilo-ohmi. De exemplu, cu diagrama prezentată în fig. 89 a rezistenței R3, voltmetrul poate măsura tensiunea alternativă în intervalul 0-5 V.

La fabricarea acestui voltmetru, se recomandă utilizarea unui tranzistor de tip KT315G cu Vst = 80-120. Cantitatea de curent continuu care curge în circuitul colector al tranzistorului este ajustată prin selectarea rezistenței rezistorului R1. Diodele pot fi de tip D18 sau D20, D9D, D9I. Cu cele prezentate în fig. Cu 89 de condensatoare, voltmetrul poate măsura tensiunea în intervalul de frecvență de la 20 Hz la 600 kHz. Pentru a alimenta dispozitivul, utilizați o baterie Krona-VTs sau două baterii 3336L conectate în serie.

Vasiliev V. A. Proiecte de radio amatori străine. M., „energie”, 1977.