Frekvenčný rozsah voltmetra. Elektronické voltmetre

PREDNÁŠKA č. 5

ELEKTRONICKÉ ANALÓGOVÉ ZARIADENIA A konvertory

Elektronické analógové zariadenia a prevodníky sú meracie prístroje, v ktorých sa prevod meraných informačných signálov vykonáva pomocou analógových elektronických zariadení. Výstupný signál takýchto prostriedkov je spojitou funkciou nameranej hodnoty. Elektronické prístroje a prevodníky slúžia na meranie takmer všetkých elektrických veličín: napätia, prúdu, frekvencie, výkonu, odporu atď.

Výhody elektronické meracie prístroje:

vysoká citlivosť vďaka použitiu zosilňovačov;

nízka spotreba energie z okruhu, v ktorom sa meranie vykonáva, ktorá je určená vysokým vstupná impedanciaúdaje o prístrojoch;

široký frekvenčný rozsah, v ktorom je citlivosť nezmenená.

Nedostatky:

zložitosť v dôsledku veľkého počtu častí a prvkov;

potreba napájacích zdrojov pre elektronické zariadenia zahrnuté v zariadení;

relatívne nízka spoľahlivosť v dôsledku veľkého počtu prvkov.

ELEKTRONICKÝ VOLTMETER

V elektronických voltmetroch sa namerané napätie prevádza analógovo elektronické zariadenia na jednosmerný prúd, ktorý sa privádza do magnetoelektrického meracieho mechanizmu so stupnicou odstupňovanou v jednotkách napätia. Elektronické voltmetre majú vysokú citlivosť a široký rozsah meraných napätí (od desiatok nanovoltov pri jednosmernom prúde až po desiatky kilovoltov), ​​vysoký vstupný odpor (viac ako 1 MΩ) a môžu pracovať v širokom frekvenčnom rozsahu (od jednosmerného prúdu po frekvencie rádovo stovky MHz).

Je ich veľa rôzne druhy voltmetre. Podľa účelu a princípu činnosti možno najbežnejšie voltmetre rozdeliť na voltmetre priamy prúd, striedavý prúd, univerzálny, impulzný a selektívny.

DC voltmetre. Zjednodušená bloková schéma takýchto voltmetrov je znázornená na obr. 5.1, kde VD– delič vstupného napätia; UPT- jednosmerný zosilňovač; ONI– magnetoelektrický merací mechanizmus; U X– merané napätie.

Ryža. 5.1. Štrukturálna schéma elektronického jednosmerného voltmetra

Sériové pripojenie deliča napätia a zosilňovača umožňuje urobiť voltmetre vysoko citlivé a multilimitné zmenou ich celkového prevodného koeficientu v širokom rozsahu. Zvýšenie citlivosti DC voltmetrov zvýšením zisku UPT k UPT naráža na technické ťažkosti v dôsledku nestability práce UPT, charakterizovaný zmenou k UPT a spontánna zmena výstupného signálu zosilňovača ("nulový" drift). Preto v takýchto voltmetroch k UPT≈1 a hlavný účel UPT- poskytujú veľký vstupný odpor voltmetra.

Táto bloková schéma jednosmerného voltmetra sa používa ako súčasť univerzálnych voltmetrov, pretože s miernou komplikáciou - pridaním konvertora AC na DC je možné merať striedavé napätie.

AC voltmetre. Takéto voltmetre pozostávajú z meniča striedavého prúdu na jednosmerný prúd, zosilňovača a magnetoelektrického meracieho mechanizmu. Existujú dve zovšeobecnené blokové schémy striedavých voltmetrov (obr. 5.2), ktoré sa líšia svojimi charakteristikami. Vo voltmetroch podľa schémy na obr. 5.2, a namerané napätie u X, sa najskôr premení na jednosmerné napätie, ktoré sa potom privedie na UPT a ONI, ktoré sú v podstate jednosmerným voltmetrom. Konvertor Atď je nelineárne prepojenie, takže voltmetre s touto štruktúrou môžu pracovať v širokom frekvenčnom rozsahu. Zároveň tieto nedostatky UPT a vlastnosti činnosti nelineárnych prvkov pri nízkych napätiach neumožňujú, aby boli takéto voltmetre vysoko citlivé.

Ryža. 5.2. Štrukturálne schémy AC voltmetrov

Vo voltmetroch vyrobených podľa schémy na obr. 5.2, b, vďaka predzosilňovaniu je možné zvýšiť citlivosť. Avšak vytvorenie vysoko ziskových AC zosilňovačov pracujúcich v širokom rozsahu rozsah frekvencie, je náročný technický problém. Preto majú takéto voltmetre relatívne nízky frekvenčný rozsah (1 - 10 MHz).

Existujú voltmetre amplitúdy, priemernej alebo efektívnej hodnoty.

Ryža. 5.3. Schéma (a) a časový diagram signálov prevodníka hodnôt amplitúdy (špičkový detektor) s otvoreným vstupom

Voltmetre so špičkovou hodnotou majú prevodníky amplitúdových hodnôt (špičkové detektory) s otvoreným (obr. 5.3, a) vstup, kde u v a u VÝCHOD– vstupné a výstupné napätie meniča. Ak má voltmeter štruktúru podľa obr. 5.3, a, potom pre prevodník u v =u X. V amplitúdových prevodníkoch s otvoreným vstupom je kondenzátor nabitý takmer na maximum u xmax kladná (s daným zahrnutím diódy) hodnota vstupného napätia (obr. 5.3, b). Zvlnenie napätia u VÝCHOD na kondenzátore sú vysvetlené jeho dobíjaním pri otvorenej dióde, kedy u v >u VÝCHOD, a jeho vybitie cez odpor R pri zatvorenej dióde, keď u v <u VÝCHOD .

Univerzálne voltmetre. Takéto voltmetre sú určené na meranie jednosmerného a striedavého napätia. Zovšeobecnená bloková schéma je znázornená na obr. 5.4, ​​kde AT- vypínač. V závislosti od polohy spínača AT voltmeter pracuje podľa schémy voltmetra striedavého prúdu s meničom P(pozícia 1 ) alebo jednosmerný voltmeter (poloha 2 ).

Ryža. 5.4. Štrukturálna schéma univerzálneho voltmetra

V univerzálnych voltmetroch, nazývaných aj kombinované, je často možné merať odpor R X. V takýchto voltmetroch je prevodník P R, ktorého výstupné napätie závisí od neznámeho odporu: U VÝCHOD =f(R X ). Na základe tejto závislosti sa stupnica prístroja kalibruje v jednotkách odporu. Pri meraní sa na vstupné svorky prevodníka pripojí odpor s neznámym odporom a prepínač je nastavený do polohy 3 .

Pulzné voltmetre. Na meranie amplitúdy impulzných signálov rôznych tvarov sa používajú impulzné voltmetre. Vlastnosti činnosti impulzných voltmetrov sú určené krátkym trvaním τ meraných impulzov (od 10 do 100 ns) a významným pracovným cyklom

(do 10 9), kde T je perióda opakovania pulzu.

Impulzné voltmetre je možné vyrobiť podľa blokovej schémy na obr. 5.2, a pri použití prevodníkov hodnôt amplitúdy s otvoreným vstupom (obr. 5.3, a). Veľký pracovný cyklus impulzov a ich krátke trvanie kladú prísne požiadavky na prevodníky hodnôt amplitúdy. Preto sa v impulzných voltmetroch používajú kompenzačné obvody amplitúdových meničov (obr. 5.5).

Ryža. 5.5. Kompenzačná schéma amplitúdového meniča

Vstupné impulzy u v nabite kondenzátor OD 1 . Premenlivá zložka napätia na tomto kondenzátore, spôsobená dobíjaním jeho nameraných impulzov a výbojom medzi impulzmi (podobne ako na obr. 5.3, b), zosilnený zosilňovačom O striedavý prúd a usmernený diódou D 2 . Časová konštanta okruhu RC 2 je zvolený dostatočne veľký, takže napätie cez kondenzátor OD 2 sa v intervale medzi impulzmi nevýznamne mení. Z výstupu meniča pomocou rezistora R o.s. spätná väzba na kondenzátore OD 1 je aplikované kompenzačné napätie. Pri veľkom zosilnení zosilňovača to vedie k výraznému poklesu variabilnej zložky napätia na kondenzátore OD 1 , v dôsledku čoho sa v ustálenom stave napätie na kondenzátore takmer rovná amplitúde nameraných impulzov a výstupné napätie je úmerné tejto amplitúde:

.

Selektívne voltmetre. Takéto voltmetre sú určené na meranie efektívnej hodnoty napätia v určitom frekvenčnom pásme alebo efektívnej hodnoty jednotlivých harmonických zložiek meraného signálu.

Princíp činnosti selektívneho voltmetra je izolovať jednotlivé harmonické zložky signálu alebo úzkopásmového signálu pomocou laditeľného pásmového filtra a merať efektívnu hodnotu zvolených signálov.

Fyzicky realizovaný pásmový filter nemá striktne pravouhlú frekvenčnú odozvu (AFC). To môže viesť k tomu, že susedné harmonické zložky s určitým ziskom prejdú takýmto filtrom. V tomto prípade selektívny voltmeter meria efektívnu hodnotu súčtu harmonických zložiek, ktoré prešli filtrom, pričom berie do úvahy skutočné koeficienty prenosu pre každú zložku.

Ryža. 5.6. Bloková schéma selektívneho voltmetra

Meraný signál u X cez selektívny vstupný zosilňovač VU sa privádza do zmiešavača Cm, určeného na prevod frekvenčného spektra meraného signálu. Na výstupe mixéra sa objaví signál, ktorý je úmerný meranému signálu, ale s frekvenciami spektra

, kde - frekvencia harmonických zložiek vstupného signálu; - frekvencia signálu sínusového generátora G(heterodyn). IF zosilňovač HRO naladený na nejakú pevnú frekvenciu

. Preto na ceste von HRO prejde len tá zložka výstupného signálu zmiešavača, ktorej frekvencia

. Tento signál zodpovedá harmonickej zložke meraného signálu s frekvenciou

. Efektívna hodnota tejto harmonickej zložky sa meria efektívnym voltmetrom VDZ. Zmenou frekvencie generátorov , môžete merať efektívnu hodnotu rôznych harmonických zložiek signálu u X .

Funkciu pásmového filtra v tomto obvode vykonáva HRO. Kvôli pevnej (neladiteľnej) hodnote ladiacej frekvencie HRO tento zosilňovač má vysoký zisk a úzku šírku pásma, čo zabezpečuje vysokú citlivosť a selektivitu selektívneho voltmetra.

Zovšeobecnená bloková schéma analógových elektronických voltmetrov (obr. 7.9) obsahuje maximálny počet blokov, z ktorých niektoré môžu v závislosti od účelu voltmetra chýbať. V elektronických voltmetroch vybavených zosilňovacími zariadeniami je spotreba energie z meracieho obvodu zanedbateľná. Medzi výhody elektronických voltmetrov patria: široké limity merania a frekvenčný rozsah (od 20 Hz do 1000 MHz), vysoká citlivosť, dobrá preťažiteľnosť.

Obrázok 7.9.

1. Vstupné zariadenie je určené pre:

a) zoslabenie signálu o daný počet krát, čo umožňuje rozšíriť rozsah smerom k veľkým meraným napätiam;

b) zabezpečenie vstupných parametrov voltmetra: vstupný odpor v rozsahu 1 - 10 MΩ, vstupná kapacita 1 - 30 pF.

AC zosilňovače sa používajú na:

a) zvýšiť citlivosť;

b) rozšírenie dynamického rozsahu smerom k nižším meraným napätiam.

Na vykonávanie týchto úloh musia mať AC zosilňovače dané a vysoko stabilné zosilnenie v rozsahu prevádzkovej frekvencie a teplôt, nízke nelineárne skreslenie, nízky vlastný šum a musia byť necitlivé na kolísanie napájacieho napätia, čo sa dosahuje použitím viacstupňových zosilňovačov. pokrytá negatívnou spätnou väzbou.

3. Na prispôsobenie malého vnútorného odporu magnetoelektrického meracieho mechanizmu s veľkým zaťažovacím odporom meniča sa používajú jednosmerné zosilňovače. Jednosmerné zosilňovače podliehajú prísnym požiadavkám na stálosť zosilnenia a nízky nulový drift, t.j. pomalú zmenu výstupného signálu pri absencii informačného signálu na vstupe. Sú realizované vo forme mostíkových obvodov s negatívnou spätnou väzbou.

4. Meniče slúžia na premenu AC na DC, detektory slúžia ako prevodníky. Detektory možno klasifikovať podľa funkcie premeny vstupného napätia na výstupné do nasledujúcich typov: kvadratické, lineárne, amplitúdové (špičkové). Typ detektora do značnej miery určuje vlastnosti zariadenia: napríklad voltmetre s amplitúdovými detektormi majú najvyššiu frekvenciu; voltmetre s kvadratickými detektormi umožňujú merať napätia akejkoľvek formy; voltmetre s lineárnymi detektormi sú vhodné len na meranie harmonického signálu, sú však najjednoduchšie, najspoľahlivejšie a najlacnejšie.

Analógové elektronické voltmetre môžu byť postavené podľa dvoch hlavných schém: zosilňovač - prevodník a prevodník - zosilňovač. Prvý z obvodov je vysoko citlivý, ale frekvenčný rozsah takýchto voltmetrov je určený šírkou pásma AC zosilňovača a je v stovkách kilohertzov; druhý obvod sa používa vo voltmetroch na meranie napätia na významnej úrovni, pretože. je ťažké poskytnúť veľký zisk pomocou jednosmerného zosilňovača, ale frekvenčný rozsah takýchto zosilňovačov a teda voltmetrov môže byť stovky megahertzov.

Elektronické voltmetre môžu mať otvorený alebo uzavretý vstup vzhľadom na jednosmernú zložku meraného napätia. Keď je vstup zatvorený, obvod voltmetra obsahuje oddeľovací kondenzátor, ktorý neprepúšťa konštantnú zložku signálu; keď je vstup otvorený, takýto kondenzátor neexistuje a premenná aj konštantná zložka signálu sa privádzajú do voltmeter blokuje.

Elementárna báza použitá pri tvorbe striedavých voltmetrov je daná stavom techniky v dobe vzniku voltmetrov (od vzorových polovodičov až po mikrointegrované prevedenie), funkčný účel blokov však zostáva nezmenený.

AC voltmetre (typ B3)

AC voltmetre sú postavené podľa schémy zosilňovač-konvertor. Ako prevodníky možno použiť kvadratické alebo lineárne detektory.

Ak sa použijú kvadratické detektory, potom sa takéto voltmetre nazývajú root-mean-square voltmetre, ich bloková schéma je znázornená na obr. 7.10.

Obrázok. 7.10.

Kvadratický detektor konvertuje striedavé napätie do konštanty úmernej podľa vzorca (7.5) druhej mocnine strednej kvadratickej hodnoty nameraného napätia. To znamená, že meranie odmocniny napätia je spojené s vykonaním troch operácií: kvadratúra okamžitej hodnoty signálu, spriemerovanie a extrakcia odmocniny z výsledku spriemerovania (posledná operácia sa zvyčajne vykonáva pri kalibrácii stupnica voltmetra). Kvadratúra okamžitého napätia sa zvyčajne vykonáva pomocou polovodičovej diódy s použitím počiatočnej časti charakteristiky prúdového napätia opísanej kvadratickou závislosťou. Dĺžka kvadratického rezu charakteristiky je však zvyčajne malá (nie viac ako 100 mV), jednou z metód rozšírenia tohto úseku je metóda po častiach lineárna aproximácia. Za týmto účelom je v obvode detektora zahrnutých niekoľko diódových článkov a výberom predpätia na diódach sa získa celková prúdovo-napäťová charakteristika, ktorá sa tvarom približuje kvadratickej krivke (obr. 7.11).

Obrázok 7.11.

Ak sa v striedavých voltmetroch používajú lineárne detektory, potom sa takéto voltmetre nazývajú stredne usmernené voltmetre, bloková schéma takýchto voltmetrov je znázornená na obr. 7.12.

Obrázok 7.12

V takýchto voltmetroch sa ako prevodník používa lineárny detektor, ktorý premieňa striedavé napätie na jednosmerný prúd, úmerný priemernej usmernenej hodnote meraného napätia. Takéto meniče sú vyrobené podľa celovlnných usmerňovacích obvodov a využívajú lineárny úsek prúdovo-napäťovej charakteristiky polovodičovej diódy. V porovnaní s usmerňovacím voltmetrom má analógový voltmeter priemerných usmernených hodnôt vyššiu citlivosť a nižšiu spotrebu meracieho obvodu. Tieto voltmetre reagujú na priemernú rektifikovanú hodnotu, sú kalibrované v efektívnych hodnotách a majú kalibračný faktor C=1.

Pulzné voltmetre (typ B4)

Pulzné voltmetre sú postavené podľa schémy prevodník-zosilňovač, ako prevodník sa používa amplitúdový detektor, ktorého výstupné napätie zodpovedá maximálnej (amplitúdovej) hodnote meraného signálu. Bloková schéma impulzného voltmetra je znázornená na obr. 7.13.

Obrázok. 7.13

Charakteristickým znakom amplitúdového (špičkového) detektora je prítomnosť pamäťového prvku, ktorým je kondenzátor, ktorý si „pamätá“ špičkovú hodnotu nameraného napätia.

Najjednoduchšie schémy amplitúdových detektorov:

a) detektor so sériovým zapojením diódy (detektor s otvoreným vstupom);

b) detektor s paralelným zapojením diódy (detektor s uzavretým vstupom).

Obrázok 7.14

Amplitúdový detektor konvertuje striedavý signál na jednosmerný, úmerný hodnote vstupného signálu, preto takéto voltmetre reagujú na maximálne hodnoty, sú kalibrované na maximálne hodnoty a majú C = 1.

Univerzálny voltmeter (typ B7)

Univerzálny voltmeter umožňuje merať jednosmerný aj striedavý prúd. Pri meraní striedavého napätia má voltmeter obvod prevodník-zosilňovač. Ako prevodník je použitý amplitúdový (špičkový) detektor, ktorého výstupné napätie zodpovedá maximálnej (amplitúdovej) hodnote meraného signálu. Pri meraní jednosmerného napätia sa privádza cez vstupné zariadenie do jednosmerného zosilňovača a zabezpečuje vychýlenie ukazovateľa magnetoelektrického meracieho mechanizmu. Bloková schéma univerzálneho voltmetra je znázornená na obr. 7.15.

Obrázok 7.15 4.12

Amplitúdový detektor konvertuje striedavý signál na jednosmerný signál úmerný maximálnej hodnote vstupného signálu, preto takéto voltmetre reagujú na maximálnu hodnotu signálu a sú kalibrované v efektívnych hodnotách. Tieto parametre striedavého napätia sú prepojené v súlade s (7.7) faktorom amplitúdy, takže kalibračný faktor univerzálneho voltmetra je

Charakteristiky uvažovaných voltmetrov sú uvedené v tabuľke 7.1.

Tabuľka 7.1

Typ voltmetra	Typ prevodníka	Hodnota napätia, na ktorú reaguje voltmeter, Uotk	Hodnota napätia, na ktorú je voltmeter kalibrovaný, Udeg	Hodnota kalibračného koeficientu C
Univerzálny	Max. význam
Pulz	Max. význam
Stredný usmerňovač hodnotu	Stred vypyam.
RMS hodnotu	RMS hodnotu
Narovnať.	Stred vypyam.
Termoelektrické	RMS hodnotu
Elektrostat.
Electrodyne.
Elektromag.
Magnetoelektrické

B / 1 - usmerňovač s polovlnným usmerňovacím obvodom

B / 1 - usmerňovač s celovlnným usmerňovacím obvodom

Na zvládnutie učebného materiálu v časti "Meranie prúdu a napätia" je poskytnuté riešenie problémov na určenie hodnôt voltmetrov pre rôzne formy meraných napätí.

Ak chcete určiť hodnoty voltmetrov, musíte vykonať nasledujúce operácie:

1) Zapíšte si matematický model nameraného napätia;

2) Zvážte typ vstupu; so zatvoreným vstupom vypočítajte konštantný člen a odstráňte ho z nameraného napätia;

3) Nájdite napätie, na ktoré reaguje voltmeter Uotk;

4) Nájdite hodnoty voltmetra U=CUotk

Charakteristiky voltmetrov rôznych systémov potrebných na riešenie takýchto problémov sú prevzaté z tabuľky 7.1.

Treba poznamenať, že najbližšie meracie prístroje k voltmetrom sú psofometre a hladinomery.

Psophometer- Jedná sa o elektronický voltmeter efektívnych hodnôt, ktorého amplitúdovo-frekvenčná charakteristika zosilňovača je určená charakteristikou psofometrického filtra, ktorý je v ňom zahrnutý. Psofometrický filter odráža frekvenčnú odozvu selektivity orgánov vnímania a jeho forma je stanovená na základe experimentálnych štúdií a odporúčaní CCITT. Zariadenie zvyčajne obsahuje dva psofometrické filtre - s telefónnymi a vysielacími psofometrickými charakteristikami.

Hladinomer- Toto je kvadratický voltmeter, ktorého stupnica je odstupňovaná v logaritmických jednotkách (decibeloch). Špecifikom pre merač úrovne je tiež možnosť nastavenia určitých hodnôt vstupnej impedancie: 600 ohmov, čo zodpovedá vstupným a výstupným impedanciám hlasového frekvenčného kanála, 150, 135 a 75 ohmov pre skupinové cesty.

V elektronických voltmetroch je namerané napätie prevádzané analógovými elektronickými zariadeniami na jednosmerný prúd, ktorý je privádzaný do magnetoelektrického meracieho mechanizmu so stupnicou odstupňovanou v jednotkách napätia. Elektronické voltmetre majú vysokú citlivosť a široký rozsah meraných napätí (od desiatok nanovoltov pri jednosmernom prúde až po desiatky kilovoltov), ​​vysoký vstupný odpor (viac ako 1 MΩ) a môžu pracovať v širokom frekvenčnom rozsahu (od jednosmerného prúdu po frekvencie rádovo stovky megahertzov). Tieto výhody viedli k širokému používaniu elektronických voltmetrov.

Najčastejšie sa v elektronických voltmetroch používajú obvody s priamou konverziou signálu (pozri § 4-5). V tomto prípade môžu analógové elektronické komponenty spôsobiť významné chyby. To platí najmä pri meraní nízkeho napätia alebo vysokofrekvenčného napätia. Preto majú elektronické voltmetre zvyčajne relatívne nízke triedy presnosti (1-6). Vyvažovacie konverzné voltmetre majú tendenciu mať vyššie triedy presnosti, sú však zložitejšie a menej užívateľsky prívetivé.

V súčasnosti existuje veľa rôznych typov voltmetrov. Podľa účelu a princípu činnosti možno najbežnejšie voltmetre rozdeliť na jednosmerné, striedavé, univerzálne, impulzné a selektívne voltmetre.

DC voltmetre. Zjednodušená bloková schéma takýchto voltmetrov je znázornená na obr. 6-1, kde je vstup

Ryža. 6-1. Štrukturálna schéma elektronického jednosmerného voltmetra

delič napätia; UPT - jednosmerný zosilňovač; IM - magnetoelektrický merací mechanizmus. Uhol odchýlky ukazovateľa meracieho mechanizmu, kde - koeficienty prevodu (zosilnenia), resp. VD a UPT, - napäťová citlivosť meracieho mechanizmu; - koeficient prepočtu elektronického voltmetra; - merané napätie.

Sériové zapojenie deliča napätia a zosilňovača je charakteristickým znakom konštrukcie všetkých elektronických voltmetrov. Takáto štruktúra umožňuje urobiť voltmetre vysoko citlivé a multilimitujúce zmenou ich celkového prevodného koeficientu v širokom rozsahu. Zvyšovanie citlivosti jednosmerných voltmetrov zvýšením zosilnenia UPT však naráža na technické ťažkosti v dôsledku nestability UPT, charakterizovanej zmenou a driftom „nuly“ (spontánna zmena výstupného signálu) zosilňovača. Preto je v takýchto voltmetroch spravidla hlavným účelom UPT poskytnúť veľký vstupný odpor voltmetra. V tomto ohľade horná hranica meraní takýchto voltmetrov nie je nižšia ako desiatky alebo jednotky milivoltov.

Pre zníženie vplyvu nestability UPT vo voltmetroch je možné pred meraním upraviť "nulu" a konverzný faktor zosilňovača.

Uvažovaná bloková schéma jednosmerného voltmetra sa používa ako súčasť univerzálnych voltmetrov (pozri nižšie), pretože s miernou komplikáciou - pridaním konvertora AC na DC je možné merať striedavé napätie.

Na vytvorenie vysoko citlivých jednosmerných voltmetrov (mikrovoltmetrov) sa používajú jednosmerné zosilňovače zostavené podľa obvodu (modulátor - demodulátor) znázorneného na obr. 6-2, a, kde M je modulátor; demodulátor; G - generátor; - AC zosilňovač. AC zosilňovače neprepúšťajú jednosmernú zložku signálu, a preto nemajú "nulový" drift charakteristiku DCF. Na obr. 6-2, 6 znázorňuje zjednodušené

časový diagram napätí na výstupe jednotlivých blokov. Generátor riadi činnosť modulátora a demodulátora, čo sú v najjednoduchšom prípade analógové spínače (pozri § 8-3), pričom ich synchrónne zatvára a otvára s určitou frekvenciou. Na výstupe modulátora sa objaví unipolárny impulzný signál, ktorého amplitúda je úmerná nameranému napätiu. Variabilná zložka tohto signálu je zosilnená zosilňovačom a následne usmernená demodulátorom. Použitím riadeného demodulátora je voltmeter citlivý na polaritu vstupného signálu.

Priemerná hodnota napätia výstupného signálu je úmerná vstupnému napätiu. Keďže takýto zosilňovací obvod umožňuje prakticky odstrániť "nulový" drift a má stabilné zosilnenie, koeficient môže dosahovať veľké hodnoty napríklad pre mikrovoltmeter. Výsledkom je, že pre mikrovoltmetre môže byť horný limit merania pri najvyššej citlivosti jednotky mikrovoltov. Jednosmerný mikrovoltmeter má teda horné limity merania s hlavnou zníženou chybou

AC voltmetre.

Takéto voltmetre pozostávajú z meniča striedavého prúdu na jednosmerný prúd, zosilňovača a magnetoelektrického meracieho mechanizmu. Existujú dve zovšeobecnené blokové schémy striedavých voltmetrov (obr. 6-3), ktoré sa líšia svojimi charakteristikami. Vo voltmetroch podľa schémy na obr. 6-3 a namerané napätie sa najskôr prevedie na jednosmerné napätie, ktoré sa potom privedie do UPT a je to v podstate jednosmerný voltmeter. Prevodník Pr je nelineárne prepojenie s nízkou zotrvačnosťou (pozri nižšie), takže voltmetre s takouto štruktúrou môžu pracovať v širokom frekvenčnom rozsahu.

Ryža. 6-2. Štrukturálny diagram (a) a časový diagram signálov (b) elektronického jednosmerného voltmetra so zosilňovačom

Ryža. 6-3. Štrukturálne schémy AC voltmetrov

rozsah (od desiatok hertzov do MHz). Na zníženie vplyvu rozložených kapacít a indukčností vstupného kábla a vstupný obvod prístrojové prevodníky sa zvyčajne vyrábajú vo forme jednotiek vzdialených sond. Tieto nevýhody UPT a vlastnosti činnosti nelineárnych prvkov pri nízkych napätiach zároveň neumožňujú, aby boli takéto voltmetre vysoko citlivé. Typicky je ich horná hranica merania pri maximálnej citlivosti desiatky - jednotky milivoltov.

Vo voltmetroch vyrobených podľa schémy 6-3, b, vďaka predbežnému zosilneniu je možné zvýšiť citlivosť. Vytvorenie vysokoziskových AC zosilňovačov pracujúcich v širokom frekvenčnom rozsahu je však dosť náročným technickým problémom. Preto majú takéto voltmetre relatívne nízky frekvenčný rozsah (1 - 10 MHz); horná hranica merania pri maximálnej citlivosti sú desiatky alebo stovky mikrovoltov.

V závislosti od typu AC/DC meniča môžu byť odchýlky ukazovateľa meracieho mechanizmu voltmetrov úmerné amplitúde (špičkovej), priemernej (priemerne usmernenej) alebo efektívnej hodnote meraného napätia. V tomto ohľade sa voltmetre nazývajú voltmetre s amplitúdou, priemernou alebo efektívnou hodnotou. Bez ohľadu na typ prevodníka je však stupnica striedavých voltmetrov spravidla kalibrovaná v efektívnych hodnotách sínusového napätia.

Voltmetre amplitúdových hodnôt majú prevodníky amplitúdových hodnôt (špičkové detektory) s otvorenými (obr. 6-4, a) alebo uzavretými (obr. 6-5, a) vstupmi, kde sú vstupné a výstupné napätia prevodníka. Ak

Ryža. 6-4. Schéma (a) a časové diagramy signálov (b a c) prevodníka amplitúdových hodnôt (špičkový detektor) s otvoreným vstupom

Ryža. 6-5. Schéma (a) a časové diagramy signálov (b) prevodníka hodnôt amplitúdy s uzavretým vstupom

voltmeter má štruktúru z obr. 6-3, a, potom pre menič V amplitúdových meničoch s otvoreným vstupom je kondenzátor nabitý takmer na svoju maximálnu kladnú (pri zapnutej dióde) hodnotu vstupného napätia (pozri obr. 6-4, b). Zvlnenie napätia na kondenzátore sa vysvetľuje jeho dobíjaním pri otvorenej dióde, pri a jeho vybíjaním cez rezistor pri zatvorenej dióde, keď bolo zvlnenie napätia na výstupe meniča nevýznamné, je potrebné zabezpečiť, kde - horná a dolná hranica frekvenčného rozsahu voltmetra. V tomto prípade je priemerná hodnota výstupného napätia, teda uhol odchýlky ukazovateľa meracieho mechanizmu

kde je prevodný faktor voltmetra.

Vlastnosťou amplitúdových meničov s otvoreným vstupom je, že prechádzajú konštantnou zložkou vstupného signálu (kladná pre dané pripojenie diódy). Takže pri (pozri obr. 6-4, c) priemerná hodnota výstupného napätia Preto je zrejmé, že na pohyblivej časti IM sa nebude odchyľovať, pretože v tomto prípade je dióda zatvorená

V meničoch s uzavretým vstupom (obr. 6-5, a, b) je v ustálenom stave na rezistore pulzujúce napätie, bez ohľadu na prítomnosť konštantnej zložky vstupného signálu, meniace sa od 0 do kde je amplitúda premennej zložky vstupného napätia. Priemerná hodnota tohto napätia je takmer rovnaká, aby sa znížilo zvlnenie výstupného napätia v takýchto meničoch

je nastavený dolnopriepustný filter.Údaje voltmetra sú teda v tomto prípade určené iba hodnotou amplitúdy premennej zložky ich vstupného napätia, t.j.

Pri meraní elektronickými voltmetrami by sa mali brať do úvahy vlastnosti amplitúdových meničov s otvorenými a uzavretými vstupmi.

Keďže stupnica voltmetrov je kalibrovaná v efektívnych hodnotách sínusového napätia, potom pri meraní napätí iného tvaru je potrebné vykonať príslušný prepočet, ak je známy faktor amplitúdy meraného napätia. Hodnota amplitúdy nameraného napätia nesínusového tvaru kde je faktor amplitúdy sínusoidy; hodnota napätia odčítaná na stupnici prístroja. Efektívna hodnota meraného napätia kde je faktor amplitúdy meraného napätia.

Voltmetre so strednou hodnotou majú meniče striedavého prúdu na jednosmerný prúd podobné tým, ktoré sa používajú v usmerňovačoch (pozri § 5-4). Takéto voltmetre majú zvyčajne štruktúru znázornenú na obr. 6-3, b. V tomto prípade sa na menič usmerňovača privádza predzosilnené napätie, ktoré zvyšuje citlivosť voltmetrov a znižuje vplyv nelinearity diódy. Uhol odchýlky pohyblivej časti meracieho mechanizmu u takýchto voltmetrov je úmerný priemernej usmernenej hodnote meraného napätia, t.j.

Stupnica takýchto voltmetrov je tiež kalibrovaná v efektívnych hodnotách sínusového napätia. Pri meraní napätia nesínusového tvaru je priemerná hodnota tohto napätia a prúdu - kde - údaj voltmetra; - faktor tvaru sínusoidy; je tvarový faktor meraného napätia.

RMS voltmetre majú menič striedavého napätia s kvadratickou statickou konverznou charakteristikou. Ako taký prevodník sa používajú tepelné prevodníky, kvadratické zariadenia s po častiach lineárnou aproximáciou paraboly, vákuové trubice a iné. Okrem toho, ak je efektívna hodnota voltmetra vyrobená podľa blokových schém zobrazených v

Ryža. 6-6. Schéma efektívnej hodnoty elektronického voltmetra (s jednotnou stupnicou)

ryža. 6-3, potom bez ohľadu na tvar krivky meraného napätia je odchýlka ukazovateľa meracieho mechanizmu úmerná druhej mocnine efektívnej hodnoty meraného napätia:

Ako vidíte, takýto voltmeter má kvadratickú stupnicu.

Vo frekvenčnom rozsahu

5 Hz - 5 MHz.

Okrem uvažovaných striedavých voltmetrov sa v súčasnosti vyrábajú voltmetre kompenzované diódami.

Princíp činnosti takýchto voltmetrov ilustruje schéma na obr. 6-7, a, ktorých hlavnými prvkami sú: dióda D; vysoko citlivý magnetoelektrický galvanometer - nulový indikátor vzorový delič napätia ODN. Na základe idealizovaného znázornenia prúdovo-napäťovej charakteristiky diódy (obr. 6-7, b) vo forme prerušovanej čiary môžeme predpokladať, že pri absencii napätia privedeného na vstup voltmetra ich prúd nie je nepretekajú cez diódu. Keď je napätie pripojené na , začne cez diódu pretekať určitý prúd, čo spôsobí odchýlku nulového indikátora. Zvýšením (modulo) kompenzačného napätia sa dosiahne absencia prúdu cez NI. V momente, keď prúd v NI zmizne, prebehne odpočet podľa polohy rukoväte ODN. Vysoká citlivosť NI a vysoká presnosť nastavenia UK umožňujú získať malé chyby merania (do 0,2 %).

Tieto voltmetre sú najpresnejšie z existujúcich elektronických voltmetrov, majú vysokú vstupnú impedanciu, široký frekvenčný rozsah (až MHz). Nevýhodou zariadenia je zložitosť obsluhy.

Diódové kompenzačné voltmetre možno použiť na presné meranie sínusového napätia, ako aj na overovanie a kalibráciu elektronických voltmetrov. Medzi rôznymi typmi sú voltmetre určené na meranie periodických aj impulzných

zdôrazňuje. Takýmto zariadením je kompenzačný voltmeter s hornými hranicami merania a základnou chybou jednosmerného prúdu na striedavý prúd vo frekvenčnom rozsahu 20 Hz.

Prístrojový priemysel vyrába popri voltmetroch meracie prevodníky napätia (AC a DC) a prúdu (AC a DC) na jednotný jednosmerný signál. Princípy konštrukcie takýchto meničov sú v mnohých ohľadoch podobné uvažovaným princípom konštrukcie elektronických voltmetrov. Charakteristickým znakom meničov je absencia meracieho mechanizmu na výstupe.

Univerzálne voltmetre.

Takéto voltmetre sú určené na meranie jednosmerného a striedavého napätia. Zovšeobecnená bloková schéma je znázornená na obr. 6-8, kde B je spínač. V závislosti od polohy prepínača B pracuje voltmeter podľa schémy striedavého voltmetra s prevodníkom P (polohový alebo jednosmerný voltmeter (pozícia 2).

V univerzálnych voltmetroch, nazývaných aj kombinované, je často možné merať odpor. V takýchto voltmetroch je konvertor, ktorého výstupné napätie závisí od neznámeho odporu: (pozri § 6-5). Na základe tejto závislosti sa stupnica prístroja kalibruje v jednotkách odporu. Pri meraní sa na vstupné svorky prevodníka pripojí odpor s neznámym odporom a prepínač je nastavený do polohy 3.

Namerané impulzy (od 10 do 100 nie) a významný pracovný cyklus (do 109), kde T je perióda opakovania impulzu.

Pulzné voltmetre sú kalibrované v hodnotách amplitúdy meraných impulzov.

Impulzné voltmetre je možné vyrobiť podľa blokovej schémy na obr. 6-3, a, súčasne sa používajú prevodníky hodnôt amplitúdy s otvoreným vstupom, ktorých výstupné napätie sa musí rovnať amplitúde meraných impulzov. Veľký pracovný cyklus impulzov a ich krátke trvanie kladú prísne požiadavky na prevodníky hodnôt amplitúdy. Preto sa v moderných impulzných voltmetroch používajú kompenzačné obvody amplitúdových meničov (obr. 6-9). Vstupné impulzy nabíjajú kondenzátor Premenlivá zložka napätia na tomto kondenzátore, spôsobená dobíjaním jeho nameraných impulzov a výbojom medzi impulzmi (podobne ako na obr. 6-4, c), je zosilnená AC zosilňovačom U a usmernená. pomocou diódy Časová konštanta obvodu je zvolená dostatočne veľká, preto sa napätie na kondenzátore v intervale medzi impulzmi mierne mení. Z výstupu meniča sa pomocou spätnoväzbového odporu privádza na kondenzátor kompenzačné napätie. Pri veľkom zosilnení zosilňovača to vedie k výraznému zníženiu variabilnej zložky napätia na kondenzátore, v dôsledku čoho sa v ustálenom stave napätie na tomto kondenzátore takmer rovná amplitúde nameranej hodnoty. impulzy a výstupné napätie je úmerné tejto amplitúde:

Normatívna a technická dokumentácia pre impulzné voltmetre uvádza rozsah prípustných hodnôt pre trvanie impulzov (alebo ich frekvenciu) a pracovný cyklus, pri ktorom sú chyby voltmetrov v rámci normalizovaných hodnôt. Takže pulzný voltmeter má horné limity merania 2,5, 10, 20 V a základnú chybu

Ryža. 6-10. Spektrum nejakého signálu a frekvenčná odozva ideálneho pásmového filtra

S frekvenciou opakovania impulzov 1 Hz - 300 MHz a pracovným cyklom od 2 do 3 108.

Selektívne voltmetre.

Takéto voltmetre sú určené na meranie efektívnej hodnoty napätia v určitom frekvenčnom pásme alebo efektívnej hodnoty jednotlivých harmonických zložiek meraného signálu.

Princíp činnosti selektívneho voltmetra je izolovať jednotlivé harmonické zložky signálu alebo úzkopásmového signálu pomocou laditeľného pásmového filtra a merať efektívnu hodnotu zvolených signálov. Na obr. 6-10 plných zvislých čiar znázorňuje spektrum nejakého meraného signálu a prerušovaná čiara je idealizovaná frekvenčná odozva pásmového filtra so ziskom - pre Okrem toho spektrum meraného signálu môže byť také, že pásmový filter v rámci Leo passband prejde okamžite niekoľkými harmonickými zložkami tohto signálu. V týchto prípadoch selektívny voltmeter meria efektívnu hodnotu súčtu harmonických zložiek, ktoré prešli cez filter, pričom berie do úvahy skutočné zisky pre každú zložku. Tento signál zodpovedá harmonickej zložke meraného signálu s frekvenciou. Efektívna hodnota tejto harmonickej zložky je meraná voltmetrom efektívnej hodnoty. Zmenou frekvencie generátora je možné merať efektívnu hodnotu rôznych harmonických zložky signálu.

Funkciu pásmového filtra v tomto obvode plní IF. Vzhľadom na pevnú (neladiteľnú) hodnotu IF ladiacej frekvencie má tento zosilňovač vysoký zisk a úzku šírku pásma, čo zabezpečuje vysokú citlivosť a selektivitu selektívneho voltmetra.

Priemysel vyrába selektívny mikrovoltmeter s hornými hranicami merania, hlavná chyba vo frekvenčnom rozsahu 20 Hz - 100 kHz.

V rôznych podmienkach rádiotechnickej praxe je jedným z najpotrebnejších zariadení viacrozsahový striedavý voltmeter, ktorý si zachováva veľký vstupný odpor a pomerne vysokú presnosť merania v širokom rozsahu nízkych a vysokých frekvencií.

Ryža. 1. Ekvivalentný obvod vstupu vysokofrekvenčného voltmetra.

Vstupný odpor AC voltmetrov je zložitý. V niektorých prípadoch ho možno znázorniť ako paralelné zapojenie prvkov vstupného aktívneho odporu Rv a vstupnej kapacity Cv (obr. 1), z ktorých je žiaduce mať prvý čo najväčší a druhý ako malý. Pri vysokých frekvenciách

je tiež potrebné vziať do úvahy vplyv indukčnosti L pr vodičov spájajúcich vstup voltmetra so skúmaným obvodom. Pri veľkej dĺžke spojovacích vodičov môže úbytok napätia na indukčnosti L pr viesť k citeľnému zníženiu napätia dodávaného do voltmetra a vonkajšie elektrické a magnetické polia budú indukovať významné e vo vodičoch. d.s. Okrem toho sa indukčnosť L CR s kapacitou C formuje do sériového oscilačného obvodu s vlastnou rezonančnou frekvenciou

f v \u003d 1 / (2π * (L pr * C in) 0,5). (jeden)

Pri meraní napätí, ktorých frekvencia je blízka fv, voltmeter poskytne nadhodnotené hodnoty, zatiaľ čo jeho vstupný odpor prudko klesne. Preto je limitná pracovná frekvencia vysokofrekvenčného voltmetra zvyčajne obmedzená hodnotou

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

pri ktorých rezonančné javy ešte výrazne neovplyvňujú presnosť merania. Pri dĺžke pripojovacích vodičov asi 20 cm a známej vstupnej kapacite Sv (v pikofaradoch) možno maximálnu pracovnú frekvenciu voltmetra (v megahertzoch) približne určiť podľa empirického vzorca

f max ≈ 200/С v 2 .

Napríklad pri kapacite Sv niekoľkých jednotiek pikofaradov dosahuje frekvencia fmax desiatky megahertzov, ale ak Sv > 15 pF, potom nepresiahne 1 MHz.

Elektrostatické, termoelektrické a elektronické voltmetre sa používajú na meranie striedavého napätia v širokom frekvenčnom rozsahu.

Elektrostatické voltmetre sú založené na princípe elektrostatickej interakcie nabitých kovových telies a sú vykonávané s triedami presnosti 0,5; 1,0 a 1,5. Ich frekvenčný rozsah sa pohybuje od jednotiek hertzov po 1-30 MHz. Pre skúmaný obvod predstavujú iba kapacitnú záťaž, ktorá nepresahuje 10-30 pF. Nevýhodou voltmetrov je obtiažnosť zmeny limitu merania, preto sú prístroje väčšinou jednolimitné a nízka citlivosť (horná hranica merania nie je menšia ako desiatky voltov), ​​čo predurčuje ich prevládajúce použitie na meranie vysokých napätí. . Elektrostatické voltmetre sú vhodné aj na meranie konštantných napätí, najmä vysokých, napríklad na anódach kineskopov; zároveň ich vstupnú impedanciu možno prakticky považovať za nekonečne veľkú.

Termoelektrické voltmetre majú obmedzené použitie pri frekvenciách od 20 Hz do 1-20 MHz. Ich hlavnou nevýhodou je nízky vstupný odpor, zvyčajne nie viac ako 10 kOhm, a nízka kapacita preťaženia.

Najbežnejšími a najuniverzálnejšími zariadeniami sú elektronické AC voltmetre. Ich hlavnými znakmi sú: vysoká citlivosť a široké limity merania, ktoré pri použití zosilňovačov a napäťových deličov pokrývajú rozsah napätia od jednotiek mikrovoltov až po tisíce voltov; nízka vstupná kapacita (niekoľko pikofaradov) a vysoký vstupný aktívny odpor (až desiatky megaohmov); široký prevádzkový frekvenčný rozsah (od desiatok hertzov po stovky megahertzov); schopnosť vydržať veľké zaťaženie. Nevýhody elektronických voltmetrov zahŕňajú: potrebu napájania zo stabilných zdrojov jednosmerného alebo striedavého napätia; potreba elektricky nastaviť ručičku merača na nulu alebo kalibrovať voltmeter pred začatím meraní; pomerne veľká chyba merania (až 3-5%).

Podľa princípu činnosti sú elektronické voltmetre rozdelené do dvoch hlavných skupín: voltmetre typu „zosilňovač-detektor“, v ktorých sa namerané napätie najskôr zosilní a potom usmerní na účely indikácie jednosmerného merača, a detektor-zosilňovač. typu voltmetre, v ktorých sa namerané napätie usmerní a následne zosilní jednosmerným prúdom. V závislosti od typu použitých aktívnych prvkov sa rozlišujú tranzistorové a trubicové voltmetre.

Voltmetre typu „detektor-zosilňovač“ sa často vykonávajú ako univerzálne striedavé a jednosmerné voltmetre alebo ako kombinované prístroje, ktoré umožňujú merať okrem striedavého a jednosmerného napätia aj niektoré parametre prvkov rádiových obvodov.

Elektronické voltmetre širokého použitia majú spravidla stupnice, ktoré sa odčítajú v efektívnych hodnotách nameraného sínusového napätia. Niektoré zariadenia sú dodávané s prídavnou stupnicou s odčítaním relatívnej úrovne prenosu (v decibeloch).

Medzi špeciálne typy elektronických voltmetrov patria selektívne, pulzné, logaritmické, fázovo citlivé, kompenzačné, digitálne voltmetre.

Fázovo citlivé voltmetre sa používajú na meranie amplitúdovo-frekvenčných a fázovo-frekvenčných charakteristík rôznych nízkofrekvenčných štvorsvorkových zosilňovačov, filtrov atď. Vstupné Uin a výstupné Uout napätia zo skúmaného zariadenia sú privádzané do voltmetra súčasne. Voltmeter má dva metre. Jeden z nich zobrazuje skutočnú zložku Ud meraného napätia Uout, ktoré je vo fáze s napätím Uin. Druhý meter ukazuje imaginárnu zložku Umn napätia Uout, fázovo posunutú voči napätiu Uin o 90°. Na základe údajov oboch meračov môžete vypočítať hodnotu (modul) výstupného napätia:

Uout \u003d (U d 2 + U mn 2) 0,5

a fázový posun:

φ \u003d arctg (U mn / U d).

Kompenzačné elektronické voltmetre založené na metóde kompenzačného merania (pozri Diferenciálne a kompenzačné metódy na meranie jednosmerných napätí) sa používajú ako vzorové voltmetre pri kontrole napäťovej kalibračnej charakteristiky elektronických striedavých voltmetrov a meracích generátorov.

Rozdeľovače vstupného napätia elektronických voltmetrov.

Elektronické voltmetre bez toho, aby skomplikovali ich obvod, dokážu merať veľké striedavé napätia len vtedy, ak je na vstupe zapnutý odporový alebo kapacitný delič napätia. Rozdeľovače vstupného napätia (VDN) sa vyrábajú ako samostatný nástavec k voltmetru (obr. 2) alebo sú s ním konštrukčne kombinované (obr. 4); v druhom prípade je voltmeter doplnený prepínačom, ktorý poskytuje možnosť pracovať s alebo bez VDN.

Použitie VDN vedie k zvýšeniu chyby merania, čo je badateľné najmä pri veľkom počte krokov delenia. Preto sa VDN zvyčajne vykonávajú ako jednostupňové, ale s správna voľba deliaci faktor N, ukazuje sa, že je možné zdvojnásobiť počet limitov merania samotného voltmetra. Predpokladajme, že voltmeter má horné limity merania 1,3, 10 a 30 V, určené nastavením nejakého spínača v jeho obvode; potom pri pripojení VDN s N = 100 možno získať ďalšie limity merania 100, 300, 1000 a 3000 V. ) a štyri polohy (1-3-10-30 V) alebo jeden spoločný spínač so zvýšeným počtom sekcií pre osem pozícií (1-3-10-30-100-300-1000-3000 V).

Odporový delič napätia tvoria dva sériovo zapojené neindukčné a nekapacitné odpory (obr. 2, a). Z odporu R2 sa na vstup voltmetra privádza presne definovaná časť nameraného napätia, ktorá sa rovná Ux / N a je nastavená deliacim faktorom

N \u003d (R1 + R2v) / R2v,

čo je multiplikátor k údajom voltmetra a zvyčajne sa berie v rozsahu 10-100. Tu

R2v \u003d R2Rv / (R2 + Rv)

je impedancia druhého ramena VDN, berúc do úvahy posunovací efekt vstupného aktívneho odporu

voltmeter Rv. Ak Rv >> R2, potom môžeme zvážiť R2v ≈ R2. Ale s malým deliacim faktorom N sa odpory Rv a R2 niekedy ukážu ako porovnateľné, pretože celkový odpor VDN, ktorý v podstate určuje vstupný aktívny odpor meracieho obvodu, musí byť zvolený rádovo v megaohmoch. Potom odpor Rv výrazne ovplyvní požadovanú hodnotu odporu R2, určenú vzorcom

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

Preto je každý VDN zvyčajne vypočítaný tak, aby fungoval iba s konkrétnym typom voltmetra.

Ryža. 2. Schémy deličov vstupného napätia odporového (a) a kapacitného (b) typu.

Nevýhodou odporovej VDN je závislosť deliaceho činiteľa od frekvencie f meraného napätia vplyvom vstupnej kapacity Cv voltmetra, ktorého odpor pri vysokých frekvenciách môže byť porovnateľný s odpormi R2 a Rv. . Ak vezmeme do úvahy kapacitu Sv, skutočný deliaci faktor

N"≈ (N2 + (2π * f * Cv * R1) 2) 0,5.

Napríklad pri N = 10, R1 = 9 mOhm, R2v = 1 mOhm a Sv = 10 pF pri frekvencii f = 1 kHz dostaneme N "≈ 10, pri f = 10 kHz máme N" ≈ 11,5 a pri f = 100 kHz N" ≈ 57,5. Treba tiež vziať do úvahy, že so zvyšujúcou sa frekvenciou vstupný odpor voltmetrov Rv z viacerých dôvodov klesá, čím sa zvyšuje chyba merania. Preto sa použitie odporových VDN obmedzuje na nízkofrekvenčný rozsah, ako aj oblasť konštantných napätí, ktoré sú pre ne tradičné.

Znateľné zvýšenie hornej medznej frekvencie odporových VDN je možné dosiahnuť dvoma spôsobmi. Jednak znížením impedancie VDN (čo však nie je vždy prijateľné). Ak napríklad vezmeme Rx = 0,9 mΩ a R2v = 0,1 mΩ, potom pri Sv = 10 pF a nameraných frekvenciách napätia 1 a 10 kHz dostaneme N "≈ 10, pri f = 100 kHz máme N" ≈ 11 , 5 a len pri f \u003d 1 MHz N "≈ 57,5. Ďalším spôsobom je použiť korekciu frekvencie. Dosiahne sa posunutím deliča rezistorov R1 a R2 s kondenzátormi C1 a C2, ako je znázornené prerušovanou čiarou na diagram na obr. 2, a Kapacita kondenzátorov (berúc do úvahy vstupné údaje voltmetra) je zvolená tak, aby obe VDN linky mali rovnaké časové konštanty, t.j.

R1C1 \u003d R2v (C2 + St).

V tomto prípade bude kapacita kondenzátora C1 prakticky určovať vstupnú kapacitu meracieho obvodu; druhý kondenzátor musí mať kapacitu

C2 = C1(N-1)-Cv.

Jeden z týchto kondenzátorov (zvyčajne C1) sa používa ako trimer, ktorý uľahčuje ladenie VDN. Kombináciou oboch uvažovaných metód je možné rozšíriť hornú hranicu frekvenčnej použiteľnosti odporových VDN na 1-10 MHz.

Pri meraní vysokofrekvenčných napätí poskytujú kapacitné deličy napätia dobré výsledky (obr. 2, b). Jeden z deliacich kondenzátorov zvyčajne umožňuje úpravu kapacity, čo umožňuje kompenzovať vplyv vstupnej kapacity Sv; kým deliaci faktor

N = (C1 + C2 + Cv)/Cl

Na zníženie vstupnej kapacity meracieho obvodu je žiaduce mať malé kapacity kondenzátorov C1 a C2. Takáto VDN však bude vhodná na merania iba vo vysokofrekvenčnej oblasti, pretože s klesajúcou frekvenciou sa odpor kondenzátora C2 môže ukázať ako úmerný odporu R3 voltmetra. Preto sa na meranie napätí nižších frekvencií niekedy používajú samostatné VDN so zvýšenými hodnotami kapacity.

Pri navrhovaní VDN pripojených k vysokonapäťovým obvodom je potrebné zabezpečiť dobrú izoláciu medzi vstupnými svorkami, aby sa predišlo poruchám medzi nimi a zvýšeniu dielektrických strát, a tiež zabezpečiť opatrenia, ktoré zvyšujú bezpečnosť prevádzky.

Úloha 1. Elektronický voltmeter má horné limity merania 3, 6, 15 a 30 V pri Rv \u003d 5 MΩ a C3 - 15 pF. Vypočítajte odporový delič napätia k voltmetru, ktorý rozširuje rozsah merania na 600 V so vstupným aktívnym odporom = 10 MΩ. Určte hraničnú frekvenciu fmax, pri ktorej dodatočná chyba spôsobená zmenou deliaceho faktora nepresiahne 5 %.

Odpoveď: N = 20; v tomto prípade sa získajú ďalšie limity merania s hornými hodnotami 60, 120, 300 a 600 V. R2v \u003d 500 kOhm; R1 = 9,5 MQ; R2 = 556 kOhm.

Maximálna prípustná hodnota N max \u003d 1,05N \u003d 21 sa uskutočňuje s frekvenciou

fmax = (Nmax2-N2) 0,5 / (2πCvR1) = 7,15 kHz.

Odpoveď: C1 ≈ C "v \u003d 5 pF; C2 \u003d 80 pF.

Elektronické voltmetre typu "zosilňovač-detektor".

Usmerňovacie voltmetre sú vhodné na meranie len pomerne veľkých striedavých napätí – minimálne desatiny voltu. Ak sa im dodávané napätie podrobí predbežnému zosilneniu, potom je možné merať malé striedavé napätia. Zariadenie vytvorené v tomto prípade je elektronický milivoltmeter typu „zosilňovač-detektor“.

Ryža. 3. Funkčná schéma viacrozsahového elektronického voltmetra typu "zosilňovač-detektor".

Ak je potrebné merať malé a veľké napätie, prístroj je viaclimitný; súčasne sa pri všetkých meracích hraniciach vstupné napätia znižujú na počiatočnú (najnižšiu) medzu pomocou kalibrovaných napäťových deličov, ktorých deliace koeficienty určujú násobiče k referenčnej stupnici magnetoelektrika pripojeného na výstup usmerňovača. obvod. AT všeobecný prípad funkčná schéma viaclimitného voltmetra zodpovedá schéme na obr. 3.

Usilujú sa o to, aby bol zosilňovač voltmetra širokopásmový, to znamená, že prijímajú špeciálne opatrenia na zabezpečenie stálosti zosilnenia v širokom frekvenčnom pásme, ako aj kolísania v určitých medziach napájacieho napätia, teploty a parametrov prvkov obvodu. Na tento účel sa znižujú záťažové odpory zosilňovacích stupňov, používajú sa schémy kompenzácie frekvencie a teploty a stabilizuje sa prevádzkový režim; to druhé sa dosiahne použitím hlbokej negatívnej spätnej väzby (o.o.s.) pre jednosmerné a striedavé napätie. Keďže so zväčšujúcou sa šírkou pásma zosilňovacieho stupňa jeho zosilnenie klesá, širokopásmový zosilňovač musí byť viacstupňový a požadovaný počet stupňov je tým väčší, čím širší je frekvenčný rozsah a čím nižší je limit počiatočného merania, ktorý určuje požadovaný zisk. V praxi voltmeter obsahuje 3-5 stupňov zosilnenia a horná hranica jeho pracovných frekvencií nepresahuje 1 MHz. Keď je pracovný rozsah voltmetra obmedzený na nízkofrekvenčnú oblasť, požadovaný počet stupňov zosilnenia klesá a nie je potrebné komplexné schémy frekvenčná korekcia, zvyšuje celkovú stabilitu diela.

Minimálna možná hodnota napätí nameraných voltmetrom je obmedzená úrovňou vlastného šumu zosilňovača, ktorý závisí od šumových vlastností tranzistora alebo lampy vstupného stupňa. Na zníženie vplyvu rôznych snímačov a AC pozadia je voltmeter starostlivo tienený a napájacie napätia sú dobre filtrované.

Meracie bloky voltmetrov typu "zosilňovač-detektor" sú zvyčajne usmerňovacie obvody naložené na magnetoelektrických meračoch, podobné tým, ktoré sú diskutované v častiach Meracie bloky usmerňovacích zariadení a Usmerňovacie voltmetre. Pretože je usmerňovač pripojený k výstupu zosilňovača cez izolačný kondenzátor, potom pri absencii meraného napätia na vstupe nie je v obvode merača žiadny prúd; preto nie je potrebné nastavovať „nulu“ meracieho prístroja.

Aby sa znížil vplyv na skúmané obvody a zabezpečila sa porovnateľnosť údajov pri meraní malých a veľkých napätí, voltmeter musí mať vstupný odpor, ktorý udržiava vysokú a podľa možnosti stabilnú hodnotu nad všetkými meracími limitmi. Vstupný (aktívny) odpor môže dosiahnuť niekoľko megaohmov, keď je na vstupe voltmetra nainštalovaný sledovač katódy.

Striedavý voltmeter na tranzistoroch môže byť vyrobený podobne ako tranzistorový jednosmerný voltmeter (pozri Tranzistorové jednosmerné voltmetre), konkrétne na základe citlivého tranzistorového AC mikroampérmetra zapojeného do série s prídavnými odpormi. Vstupný odpor takéhoto voltmetra však závisí od limitu merania a pri nízkych nameraných napätiach nemusí byť dostatočne veľký; okrem toho reaktívne parametre prídavných rezistorov obmedzujú možnosť použitia voltmetra pri vysokých frekvenciách.

Pri použití bipolárnych tranzistorov je najvyšší stabilný vstupný odpor (stovky kiloohmov) zabezpečený pri zapnutí prispôsobovacieho stupňa na vstupe voltmetra podľa obvodu sledovača emitora. Ak je vstupným stupňom sledovač zdroja (na tranzistoroch s efektom poľa), potom vstupný odpor dosahuje niekoľko megaohmov. Zdrojové sledovače (rovnako ako katódové a emitorové) majú, ako viete, malú vstupnú kapacitu (niekoľko pikofaradov) a nízku výstupnú impedanciu, takže sú širokopásmové. Nízka výstupná impedancia sledovača uľahčuje zosúladenie s nízkoimpedančným vstupom nasledujúcich stupňov zosilňovača, ktoré môžu pracovať na bipolárne tranzistory podľa schém, ktoré poskytujú stabilné zosilnenie napätia v požadovanom frekvenčnom rozsahu.

Vo väčšine voltmetrov je hlavný viacstupňový delič napätia priamym zaťažením vstupného prispôsobovacieho stupňa (nasledovača), a preto môže mať nízku impedanciu (tisíce alebo stovky ohmov); to uľahčuje presný výber rezistorov a umožňuje vám to bez frekvenčnej korekcie až do frekvencií niekoľkých megahertzov. Delič vstupného napätia buď chýba, alebo je prevedený ako jednostupňový s veľkým deliacim faktorom a frekvenčnými korekčnými prvkami (pozri časť).

Na obr. 4 je znázornená schéma viaclimitného tranzistorového voltmetra pracujúceho vo frekvenčnom rozsahu 20 Hz-200 kHz s hornými limitmi na meranie striedavých napätí (v efektívnych hodnotách) 10-30-100-300-1000 V. Vstupný stupeň je sledovač zdroja na tranzistore T1, ktorého záťažou je nízkoodporový delič napätia R4-R8. Na vstupe prístroja je zapnutý druhý frekvenčne kompenzovaný delič napätia R1, C1, R2, C2 s deliacim faktorom N = 1000. V závislosti od nastavenia prepínača B1 sa na stupnici odčítavajú horné hranice merania. spínač B2 v milivoltoch alebo voltoch. Pri meraní nízkych napätí sa delič vstupného napätia nepoužíva a aby neznižoval vstupný odpor voltmetra, je odpojený od obvodu prístroja.

Hlavné zosilnenie meraného napätia sa uskutočňuje zosilňovacími stupňami na bipolárnych tranzistoroch T2 a T3, zapojených podľa obvodu so spoločným emitorom. Na zabezpečenie výrazného zosilnenia by sa mali zvoliť tranzistory s koeficientom Vst približne 100. Rozšírenie frekvenčnej odozvy voltmetra je uľahčené priamym (galvanickým) spojením medzi zosilňovacími stupňami, ako aj prítomnosťou na vstupe tranzistor T2.nízke a vysoké frekvencie. Aby sa zosúladila relatívne vysoká výstupná impedancia zosilňovača s nízkym odporom meracej jednotky, je na výstupe inštalovaný emitorový sledovač na tranzistore T4.

Stabilizácia pracovného režimu zosilňovača sa dosiahne použitím o. o. s. konštantným napätím z emitora tranzistora T3 do bázy tranzistora T2 cez ladený odpor R11. Ten vám umožňuje nastaviť hĺbku spätnej väzby, a teda aj zisk, ktorý sa používa pri kalibrácii voltmetra.

Aby sa zabezpečila požadovaná šírka pásma frekvencií a zvýšila sa linearita stupnice vo voltmetri, silné o. o. s. striedaním napätia z emitora tranzistora T4 na emitor tranzistora T2 cez elektrolytický kondenzátor C9, usmerňovač meracej jednotky a rezistor R19; stupeň spätnej väzby sa nastavuje pri nastavovaní zariadenia ladiacim odporom R12. Určité zlepšenie v linearite stupnice je možné dosiahnuť nahradením dvoch usmerňovacích diód (D3 a D4) vysokokapacitnými elektrolytickými kondenzátormi, ako aj použitím polvlnového usmerňovacieho obvodu.

Ryža. 4. Schéma tranzistorového voltmetra typu "zosilňovač-detektor".

Niektoré elektronické voltmetre obsahujú kalibrátor, ktorý vytvára referenčné striedavé napätie používané na testovanie a korekciu citlivosti zariadenia. Kalibrátor na svoju činnosť vyžaduje sínusový zdroj napätia, takže je ľahko kompatibilný s elektrónkovými voltmetrami napájanými striedavým prúdom. V tranzistorových voltmetroch je niekedy možné pripojiť vstup kalibrátora k externému zdroju striedavého prúdu, prípadne je v konštrukcii voltmetra zahrnutý nízkopríkonový DC-AC-AC prevodník.

Najjednoduchší, ale celkom spoľahlivý je kremíkový kalibrátor zenerovej diódy (obr. 5). Dve identické zenerove diódy D1 a D2, zapojené antiparalelne, zabezpečujú stabilizáciu oboch polvĺn striedavého napätia U na úrovni stabilizačného napätia Ust, ktoré ich charakterizuje, za predpokladu, že U > Ust. Ak sa stabilizácia vykonáva, keď sa prúd cez zenerové diódy mení v rámci Imin - Imax, potom obmedzovací odpor R1 musí mať odpor

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

Impedancia napäťového deliča R2, R3 musí byť desaťkrát menšia ako vstupný odpor voltmetra a zároveň dostatočne veľká, aby citeľne nezaťažovala zdroj. Jeho deliaci faktor je zvolený tak, aby sa na výstupe získalo stabilizované napätie, ktoré sa rovná jednej z limitov merania nízkeho napätia Up. Pri nastavovaní kalibrátora sa požadované napätie presne nastavuje ladiacim potenciometrom R3 (podľa údajov bežného voltmetra). Pred začatím meraní sa toto napätie privedie na vstup kalibrovaného voltmetra, pripojeného k zodpovedajúcemu limitu merania, a nastavenie poskytnuté v obvode voltmetra sa použije na dosiahnutie odchýlky šípky jeho merača ku koncu stupnice.

Ryža. 5. Schéma kalibrátora striedavého napätia na polovodičových zenerových diódach.

Selektívne mikrovoltmetre sa používajú na meranie veľmi nízkych napätí v rádiofrekvenčnom rozsahu. Zvyčajne sa vykonávajú podľa schémy superheterodynného prijímača s jedno- alebo dvojitou frekvenčnou konverziou. Vysokofrekvenčná časť prístroja je naladená na frekvenciu meraného napätia, ktorá dostáva veľký kalibrovaný zisk na vysokých a stredných frekvenciách. Záťaž detektora je magnetoelektrický merač kalibrovaný na hodnoty meraného napätia. Pred začatím meraní sa vykonáva kontrola a nastavenie zosilnenia, na čo slúži interný kalibračný generátor, ktorý dodáva na vstup prístroja referenčné napätie požadovanej frekvencie. Selektívny mikrovoltmeter možno vďaka svojim selektívnym vlastnostiam použiť na štúdium spektier periodických a šumových signálov (postupným ladením na frekvencie jednotlivých zložiek týchto spektier), ako aj na meranie sily elektromagnetického poľa (pri anténa je zapnutá na svojom vstupe) a iné vysokofrekvenčné merania.

Elektronické voltmetre typu "detektor-zosilňovač".

Elektronické voltmetre určené na meranie nie príliš malých napätí (od desatín voltu alebo viac) v širokom frekvenčnom rozsahu (až po ultravysoké), ako aj na použitie v univerzálnych a kombinovaných meracích prístrojoch, sa zvyčajne vykonávajú podľa „ obvod typu detektor-zosilňovač“ ( Obr. 6). Namerané napätie je usmernené polovodičovým alebo lampovým detektorom a následne je jednosmerná zložka usmerneného napätia privádzaná do jednosmerného zosilňovača cez odporový delič napätia a RC filter, ktorý eliminuje striedavé zložky. Na výstupe zosilňovača je zapnutý magnetoelektrický merač AND, ktorého stupnica je kalibrovaná v rms alebo amplitúdových hodnotách meraného napätia. Delič napätia, filter a meraný zosilňovač sú v podstate viacrozsahový jednosmerný voltmeter s typicky vysokoodporovým vstupom. V tomto prípade sa striedavý voltmeter tiež ukazuje ako multiobmedzujúci pri zachovaní približne rovnakého a vysokého vstupného odporu na všetkých hraniciach. Ak je zmena meracích limitov zabezpečená v obvode zosilňovača, potom môže chýbať delič napätia. Nevýhodou voltmetra je nutnosť predinštalovania "guľky" merača.

Ryža. 6. Funkčná schéma viacrozsahového elektronického voltmetra typu "detektor-zosilňovač".

Špecifické pre voltmetre typu "detektor-zosilňovač" sú len ich komponenty detektora, ktoré sú najčastejšie podobné usmerňovacím jednotkám amplitúdových voltmetrov; v niektorých zariadeniach je detektor vytvorený na báze celovlnného obvodu, ktorý extrahuje priemernú rektifikovanú hodnotu nameraného napätia.

Elektronický voltmeter typu „detektor-zosilňovač“ môže byť reprezentovaný ako voltmeter usmerňovača, ktorého indikátorom je elektronický jednosmerný voltmeter. Je zrejmé, že je racionálne použiť takýto voltmeter ako univerzálny na meranie striedavého a konštantného napätia v širokom rozsahu hodnôt a frekvencií. Usporiadanie takéhoto voltmetra je znázornené v dvoch verziách na obr. 7. Základom prvej možnosti (obr. 7, a) je typický elektronický jednosmerný voltmeter, ktorý možno použiť priamo na určený účel. Ak je potrebné získať dodatočnú hranicu vysokého napätia na meranie jednosmerných napätí, použije sa externá dobre izolovaná sonda so skupinou sériovo zapojených vysokoodporových rezistorov Rc v nej namontovaných, pripojených na vstup jednosmerného voltmetra, keď druhý je nastavený na určitý limit merania. Komponent detektora je vyrobený vo forme predpony, najčastejšie sa vykonáva podľa schémy amplitúdového detektora s uzavretým vstupom (obr. 8, b) a je pripojený k voltmetru, ak je potrebné merať striedavé napätia. Polarita zapínania diódy D musí byť v súlade s polaritou napätí nameraných jednosmerným voltmetrom; možnosť pripojenia jedného zo vstupných spojovacích vodičov k obrazovke a telu zariadenia závisí aj od schémy druhého.

Ryža. 7. Schémy rozmiestnenia univerzálnych elektronických voltmetrov typu "detektor-zosilňovač".

Vstupný kondenzátor C je potrebné vypočítať (rovnako ako dióda spätného napätia D) pre maximálnu amplitúdu meraného napätia. Jeho kapacita musí spĺňať dve protichodné požiadavky. Na jednej strane, aby sa zabezpečila dostatočne vysoká horná hranica pracovných frekvencií, je žiaduce mať malú kapacitu C, aby sa znížila indukčná reaktancia kondenzátora a aktívne straty v ňom pri vysokých frekvenciách. Na druhej strane, aby sa zabezpečila spodná hranica pracovných frekvencií, je žiaduce mať veľkú kapacitu, aby kapacita kondenzátora C bola oveľa menšia ako spätný odpor diódy D. V praxi berú kapacitu C \u003d 0,001 ... 0,1 μF, na základe kompromisných úvah a špecifických hraníc frekvenčného rozsahu.

Odpor rezistora R je vybraný z podmienky zhody (s rovnakými meracími limitmi) čítacej stupnice striedavého a jednosmerného napätia, čo je celkom dosiahnuteľné, pretože zvolený obvod komponentu detektora poskytuje takmer lineárny vzťah medzi usmernené a vstupné napätia. Ak sú spätný odpor diódy D a vstupný odpor Rin indikátora (DC voltmeter) dostatočne veľké, potom bude konštantné napätie na dióde blízke amplitúde Rm meraného napätia a potom je možné čítať amplitúdy pomocou zodpovedajúcich mierok jednosmerného napätia pri R = 0. Ak je však potrebné získať údaje v efektívnych hodnotách U = 0,707 * Um (pri sínusovom napätí), potom by sa malo usmernené napätie privádzané do jednosmerného voltmetra znížiť podľa toho; toto sa dosiahne odporom R ≈ 0,415*Rin. Presné nastavenie odporu rezistora R sa vykonáva pri nastavovaní zariadenia.

Pri najnižších napäťových hraniciach (do cca 3 V) môže byť porušená linearita stupnice striedavého napätia a nemusia sa úplne zhodovať s príslušnými stupnicami jednosmerného napätia z dôvodu nízkej účinnosti detekcie nízkych napätí diódou a tiež v dôsledku zmien odporu Rin, keďže vstupný delič napätia voltmetra je na týchto hraniciach, DC môže byť vypnutý alebo pôsobiť ako skrat. Aby sa znížila chyba niektorých voltmetrov pri nízkych napäťových hraniciach, používa sa špeciálna súčiastka detektora so špeciálne zvolenou diódou D a rezistorom R, prípadne sa používajú korekčné grafy či tabuľky.

Druhá verzia univerzálneho voltmetra (obr. 7, b) sa vyznačuje absenciou spínačov a vymeniteľných komponentov na vstupe. Obvod je vypočítaný ako celok na meranie predovšetkým striedavých napätí pri požadovaných meracích hraniciach. Najmä rezistor R sa zvyčajne odoberá s veľmi vysokým odporom (asi 10 MΩ), čo zlepšuje filtráciu usmerneného napätia a obmedzuje vplyv náhodného preťaženia na zariadenie. Rezistor Rc musí zabezpečiť, aby sa stupnice jednosmerného napätia zhodovali s dostupnými stupnicami striedavého napätia. Ak sa na stupnici odčítava striedavé napätie v hodnotách amplitúdy Um, potom sa berú Rc ≈ R 2 / (R + Rin) a pri odčítaní efektívnych hodnôt napätia

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

Nevýhodou tejto možnosti je možnosť narušenia dosiahnutej koincidencie stupnice striedavého a jednosmerného napätia pri zmene spätného odporu diódy D. Tomu sa dá vyhnúť, ak je obvod detektora pri meraní jednosmerných napätí vypnutý.

Ak na vstupe jednosmerného voltmetra nie je delič napätia (ako napr. v obvodoch na obr. 5, a a 6), potom rezistor R môže slúžiť ako prvok (Rf) vstupného filtra Rf, Porov. Kapacita filtra musí byť relatívne veľká (stotiny mikrofaradu), aby jeho odpor pri najnižšej prevádzkovej frekvencii bol podstatne menší ako odpor Rf.

Dióda zaradená do obvodu súčiastky detektora musí spĺňať dve hlavné požiadavky: dostatočne vysokú hodnotu maximálneho povoleného spätného napätia Uobr.max, keďže určuje hornú hranicu meraných striedavých napätí, ktorá by nemala presiahnuť 0,5 * Uoar v amplitúda alebo efektívna hodnota, v tomto poradí, max a 0,35*Urev.max; malý spätný prúd alebo ekvivalentne prípadne väčší spätný odpor Rrev, pretože od neho závisí vstupný aktívny odpor Rv striedavého voltmetra. Ten sa zvyčajne pohybuje od 1/4 do 1/3 odporu jednosmerného prúdu paralelného obvodu tvoreného spätným odporom diódy D a jej zaťažovacím odporom Rn \u003d R + Rin, t.j.

Rin ≈ 0,3*Rrev*Rn/(Rrev + Rand).

Ak Rbr<< Rн, то Rв ≈ 0,3*Rобр. И наоборот, при Rобр >> Rn dostaneme Rn ≈ 0,3*Rn. Ak Rrev ≈ Rn, potom Rv ≈ 0,15 * Rn.

Pri použití v detektoroch s trubicovými diódami, ktoré odolávajú vysokým spätným napätiam a majú takmer neobmedzený spätný odpor a stabilné parametre, môže mať voltmeter veľmi vysoký vstupný odpor (desiatky a stovky megaohmov pri nízkych frekvenciách) a poskytovať (bez deliča vstupného napätia) meranie významných striedavých napätí (do 100-150 V). Ich použitie je však obmedzené kvôli potrebe napájať vlákno diódy a kompenzovať jeho počiatočný prúd (obr. 8, a).

Polovodičové diódy nevyžadujú špeciálne napájanie a nemajú počiatočný prúd, ich rozmery sú malé, avšak v porovnaní s lampovými diódami znesú oveľa nižšie spätné napätie a majú konečný spätný odpor; okrem toho ich parametre výrazne závisia od teploty a napätia aplikovaného na diódu a časom sa trochu menia. Preto je u voltmetrov s polovodičovými detektormi vstupný odpor a hraničná hodnota nameraných napätí niekoľkonásobne nižšia a chyba merania je vyššia ako u voltmetrov s lampovými detektormi. Pri použití vysokofrekvenčných (bodových) diód s malým spätným prúdom v detektore môže vstupný odpor voltmetra dosiahnuť niekoľko megaohmov a horná hranica merania môže dosiahnuť desiatky voltov. Kapacita medzi elektródami vysokofrekvenčných diód, polovodičových aj lampových, je zvyčajne niekoľko jednotiek alebo desatín pikofaradu, preto môžu mať voltmetre typu „detektor-zosilňovač“ s racionálnou inštaláciou vstupného obvodu. horná hranica prevádzkových frekvencií rovnajúca sa desiatkam alebo dokonca niekoľkým stovkám megahertzov.

Niekedy sa voltmetre dodávajú s dvoma vymeniteľnými alebo prepínateľnými komponentmi detektora. Jeden z nich na planárnej dióde s vysokým dovoleným spätným napätím, ale značnou vstupnou kapacitou a s oddeľovacím kondenzátorom C s kapacitou približne 0,1 μF sa zapína pri meraní napätí relatívne nízkych frekvencií v širokom rozsahu hodnôt. (až stovky voltov). Druhý detektor na bodovej dióde a s kondenzátorom C s kapacitou niekoľko tisíc pikofaradov slúži na meranie relatívne nízkych napätí (do desiatok voltov) vysokých a mikrovlnných frekvencií.

Podľa schémy typu „detektor-zosilňovač“ sú impulzné voltmetre navrhnuté aj na meranie amplitúd impulzov rôzneho trvania a pracovných cyklov. Zvyčajne používajú dvojbodové diódové detektory na detekciu impulzov s kladnou a zápornou polaritou.

Konštrukčné vlastnosti a odstupňovanie elektronických AC voltmetrov

Miera vplyvu širokopásmového voltmetra na skúmané obvody pri meraní napätí rôznych frekvencií je určená hodnotami jeho vstupných parametrov Rv, Sv a Lpr (obr. 1).

Vstupná kapacita Sv pozostáva z kapacity medzi vstupnými elektródami svietidla alebo polovodičového zariadenia zahrnutého vo vstupnom obvode, z kapacity medzi príslušnými zásuvkami panelu použitého na pripojenie tohto zariadenia a z montážnej kapacity. Pri použití malých dielov a svoriek na vstupe, ich racionálnom umiestnení a vytvorení spojení s krátkymi vodičmi je kapacita inštalácie 3-6 pF. V tomto prípade správny výber vstupu elektronické zariadenie a prvky spájkovacieho obvodu priamo na jeho výstupné kolíky umožňujú obmedziť vstupnú kapacitu voltmetra na 6-10 pF.

Vstupný aktívny odpor voltmetra Rv je určený špecifickým obvodom vstupného obvodu a vstupným aktívnym odporom elektronického zariadenia pripojeného na vstup. Pri nízkych frekvenciách sa ukazuje, že sa rovná jednotkám, menej často desiatkam, megaohmom. Pri prevádzke pri vysokých frekvenciách odpor Rv trochu klesá v dôsledku zvýšenia dielektrických strát vo valci, kryte alebo základni elektronického zariadenia a obvodových dosiek. Zníženie týchto strát je dosiahnuté použitím bezpäticových rádiových trubíc na vstupe, montážou vstupných svoriek a ďalších prvkov vstupného obvodu na panely z vysokofrekvenčného dielektrika - polystyrén, rádioporcelán a pod.

V rozsahu metrových a decimetrových vĺn sa čas prechodu elektrónov medzi elektródami lampy stáva úmerným perióde meraného napätia, v dôsledku čoho sa prudko zvyšujú straty vo vstupných obvodoch rádiových elektrónok. So zvyšujúcou sa frekvenciou rastú straty aj v hmotnostiach polovodičov, ktoré sa u diód prejavujú poklesom usmerňovacieho koeficientu a spätného odporu a u tranzistorov poklesom vstupného odporu a koeficientu prechodu prúdu Vst. Tieto straty sú znížené použitím miniatúrnych trubíc a polovodičových zariadení. V praxi je možné získať pri meranej frekvencii napätia 100 MHz vstupný aktívny odpor voltmetra rádovo v desiatkach, menej často stovkách kiloohmov.

Pri montáži s krátkymi vodičmi a použitím malého a neindukčného väzobného kondenzátora je indukčnosť vstupného obvodu stotiny mikrohenry a jeho vlastná rezonančná frekvencia dosahuje stovky megahertzov. Vstupné spojovacie vodiče, ktoré majú indukčnosť a kapacitu rozloženú po dĺžke, znižujú medznú prevádzkovú frekvenciu fmax, zodpovedajúcu dovolenej chybe merania. Vplyv týchto vodičov je možné prakticky zanedbať, ak ich dĺžka nepresahuje 1 % vlnovej dĺžky λ meraného napätia.

Ak sú vstupné svorky alebo zásuvky namontované na tele prístroja, potom pri meraní vysokofrekvenčných napätí nie je vždy možné priblížiť voltmeter bližšie k skúmanému obvodu, aby bolo možné upustiť od spojovacích vodičov prijateľnej dĺžky. . Preto je v mnohých elektronických voltmetroch vysokofrekvenčná vstupná časť (komponent detektora vo voltmetroch detektor-zosilňovač, zdroj, emitor alebo sledovač katódy vo voltmetroch zosilňovač-detektor) vyrobená vo forme samostatnej malej tienenej vzdialenej jednotky. nazývaná sonda (pozri obr. 7a). Sonda je pripojená k zvyšku obvodu voltmetra flexibilným tieneným káblom. Pri meraniach sa sonda privedie k skúmanému obvodu a potenciálny kolík umiestnený v jej hlave sa priamo pripojí alebo sa na požadovaný potenciálny bod obvodu pripojí krátky vodič; druhá svorka (zvyčajne typu "krokodíl"), pripojená vo väčšine zariadení k puzdru a spoločné mínus voltmetra (s asymetrickým vstupným obvodom), je predbežne pripojená k bodu najnižšieho potenciálu obvodu.

Na vylúčenie vplyvu vonkajších elektrických a magnetických polí je voltmeter umiestnený v kovovom obale, ktorý sa odporúča počas prevádzky uzemniť. Telo alebo obrazovka testovaného zariadenia sú bezpečne pripojené k tomuto krytu.

Ryža. 8. Schéma kalibrácie AC voltmetrov.

Nastavenie a kalibráciu elektronických (a iných) AC voltmetrov je možné vykonať pomocou obvodu znázorneného na obr. 8. Tu sa ako referenčný používa voltmeter V, ktorý musí mať hranicu merania rovnakú alebo o niečo väčšiu ako je limitná hodnota napätia nameraná kalibrovaným voltmetrom. Pomocou plynule nastaviteľného Tr autotransformátora sa na odporový delič R1-R3 privedie napätie rovnajúce sa nameranej hranici a keď je prepínač B nastavený do polohy „x1“, nastavením prvkov elektronického voltmetra sa strelka jeho merača sa vychýli na koniec stupnice. Potom sa posúvaním posúvača autotransformátora postupne znižuje napätie a na niekoľkých medziľahlých bodoch stupnice sa kontroluje kalibračná charakteristika. Delič napätia vám umožňuje použiť rovnaký jednolimitný referenčný voltmeter V na kalibráciu elektronického voltmetra pri viacerých limitoch merania. Ak je referenčný voltmeter viacrozsahový, kalibračný obvod sa zodpovedajúcim spôsobom zjednoduší tým, že sa z neho vylúči delič napätia.

Napájací zdroj pre elektronické voltmetre

V závislosti od schémy a podmienok použitia sú elektronické voltmetre napájané zo zdrojov jednosmerného alebo striedavého prúdu.

Tranzistorové voltmetre sú spravidla napájané malými suchými alebo nabíjateľnými batériami napr. d.s. 4,5 ... 9 V, ktoré sú umiestnené vo vnútri krytu zariadenia v špeciálnom oddelení izolovanom od zvyšku obvodu. Jeden z možnosti obvod napájania je znázornený na obr. 9. Planárna dióda D2 chráni zariadenie pri nesprávnej polarite pripojenej batérie B. Parametrickú stabilizáciu napájacieho napätia zabezpečuje zenerova dióda D1, ktorá je pripojená k zdroju cez rezistor R1. Požadovaný režim stabilizácie je vybavený odporom

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

kde Imin a Imax sú maximálne prípustné hodnoty prúdu cez zenerovu diódu a Iн je nominálna (priemerná) hodnota záťažového prúdu na napájacom zdroji. Ak je požadovaná výnimočne vysoká stabilita napájacieho napätia, potom sa podobným spôsobom zapne druhý článok zenerovej diódy a rezistora, navrhnutý tak, aby sa získalo stabilizované napätie o niečo nižšie ako na výstupe prvého článku. Ak sa upustí od stabilizačných prvkov, napájací zdroj sa posunie kondenzátorom s kapacitou približne 100 mikrofaradov.

Ryža. 9. Schéma parametrickej stabilizácie napájacieho napätia tranzistorového voltmetra.

V niektorých zariadeniach umožňujú monitorovanie napájacieho napätia pomocou voltmetra, ktorý je v prípade potreby pripojený k zdroju energie cez prídavný odpor.

Prenosné trubicové voltmetre sú vo väčšine prípadov napájané z internej batérie. Majú tendenciu vystačiť si s jednou nízkonapäťovou batériou pomocou ekonomických rádiových elektrónok s nízkym prúdom vlákna vo voltmetri, pracujúcich pri nízkom anódovom napätí (5-10 V). V niektorých prípadoch sa na napájanie anódových obvodov používa nízkoenergetický tranzistorový menič napätia napájaný vláknovou batériou.

Keď je trubicový voltmeter napájaný zo siete striedavého prúdu, rozšíria sa možnosti výberu obvodu, svietidiel a prevádzkového režimu. To umožňuje použitie menej citlivého meracieho prístroja v zariadení pri zvýšení vstupného odporu a rozšírení meracích limitov a prevádzkového frekvenčného rozsahu. Pretože jednosmerný prúd v napájacích obvodoch nepresahuje 10-20 mA a zvlnenie vysoké napätie majú malý vplyv na činnosť voltmetra, potom sa usmerňovač napájania zvyčajne vykonáva podľa jednovlnového obvodu, v ktorom kondenzátor s kapacitou niekoľkých mikrofarád, zapojený paralelne so záťažou, slúži ako filter. Na zvýšenie stability voltmetra s možným kolísaním napájacieho napätia sa používajú rôzne metódy na stabilizáciu režimu napájania svietidiel. Dobré výsledky sa dosahujú použitím ferorezonančných stabilizátorov, ktoré zabezpečujú súčasnú stabilizáciu striedavých napätí na všetkých sekundárnych vinutiach výkonového transformátora. Aby sa eliminoval vplyv vysokofrekvenčného rušenia šíriaceho sa vodičmi napájacej siete na voltmeter, sú silové vodiče na samom výstupe z puzdra voltmetra spojené s puzdrom kondenzátormi s kapacitou niekoľko tisíc pikofaradov.

Na obr. 86 ukazuje základ jednoduchý tranzistorový obvod jednosmerného voltmetra so vstupným odporom asi 100 kΩ a rozsahom merania od 0 do 1000 V v siedmich podrozsahoch: 0—1; 0-5, 0-10; 0-50; 0-100; 0-500 a 0-1000 V. Takéto zariadenie môže byť užitočné pri meraní prevádzkových režimov stupňov zosilňovača tranzistora a lampy.

Prístroj je napájaný jediným galvanickým článkom s napätím 1,5 V. Je popísaný v časopise brazílskych rádioamatérov.

Nastavenie zariadenia je jednoduché. Najprv s otvoreným vstupom pomocou premenlivého odporu R8 nastavte miliampérmetrovú ihlu zariadenia na nulu. Potom sa váhy kalibrujú. Za týmto účelom je vstup voltmetra pripojený k zdroju referenčného napätia, napríklad k pólom externej galvanickej batérie, sondy zariadenia sú zasunuté do vstupných zásuviek "O" a zodpovedajúci limit merania, a nastavením premenlivého odporu R9 sa získa údaj voltmetra zodpovedajúci napätiu referenčnej batérie.

Aby bolo možné prístroj kalibrovať len na jednej stupnici, musia byť odpory rezistorov R1-R7 zvolené veľmi presne (s toleranciou nie vyššou ako 1-2%).

Na výrobu voltmetra môžete použiť tranzistory ako GT108 alebo MP41, MP42 s ľubovoľnými písmenovými indexmi, ale vždy s rovnakými hodnotami Vst \u003d 50-80, miliampérmeter pre prúd 0- 1 mA. Zdrojom energie môže byť jeden prvok 316 alebo 343, 373.

Pri prevádzke treba pamätať na to, že vysoký vstupný odpor tohto voltmetra sa dosahuje vďaka použitiu jednosmerného zosilňovača na tranzistoroch, ktorých parametre sú značne závislé od teploty okolia. Preto je pred meraním potrebné opatrne nastaviť ihlu prístroja na nulu a so zvýšenou teplota okoliaďalej kalibrovať jeho váhy. To je nevýhoda popisovaného voltmetra oproti bežným avometrom.

Oveľa väčšiu stabilitu majú voltmetre, v ktorých je jednosmerný zosilňovač vyrobený na tranzistoroch s efektom poľa. Na obr. 87 ukazuje schematický diagram jednosmerného voltmetra na meranie napätí od 0 do 1 V, zhromaždených na dvoch tranzistoroch s efektom poľa. Vstupná impedancia zariadenia je asi 4 MΩ. Takéto zariadenie môže byť veľmi užitočné pri meraní jednosmerného napätia v základných obvodoch tranzistorových stupňov prijímačov a zosilňovačov, ako sa odporúča v jeho popise.

V tomto voltmetri je možné použiť tranzistory s efektom poľa typu KP102E a KP103K. Ako zdroj energie možno použiť tri sériovo zapojené batérie 3336 L. V prípade potreby je možné napájacie napätie znížiť na 9 V. Na meranie vysokých napätí, napríklad v rozsahu 0–10 V alebo 0–100 V, je možné použiť externé vysoko- odporové deliče napätia s koeficientom delenia 10:1 alebo 100:1. Milivoltmeter s vysokoodporovým vstupom. Zvyčajne rádioamatéri merajú striedavé napätie pomocou avometra, ktorého vstupná impedancia je nízka. Najlepšie výsledky možno dosiahnuť pomocou štandardných milivoltmetrov, ktoré umožňujú merať veľmi nízke nízkofrekvenčné napätia, počítané v milivoltoch. Autometer dokáže merať prinajlepšom 0,1 V.

Na obr. 88 je schematický diagram jednoduchého nízkofrekvenčného milivoltmetra so vstupným odporom asi 2 MΩ. Úplná odchýlka ukazovateľa meracieho prístroja zodpovedá vstupnému napätiu 15 až 100 mV. Voltmeter je napájaný batériou 4,5 V. Takéto dobré výsledky bolo možné dosiahnuť len vďaka tomu, že na vstupe nízkofrekvenčného zosilňovača tohto zariadenia je zapnutý tranzistor s efektom poľa.

Podľa schémy (obr. 88), uverejnenej v jednom z amerických rozhlasových časopisov, milivoltmeter obsahuje sledovač zdroja na tranzistore T1 s efektom poľa, zosilňovač napätia na tranzistore T2 zapojený podľa obvodu so spoločným emitorom a dvojpolvlnový usmerňovač napätia signálu zaťažený prúdomerom - mikroampérmetrom . Zosilnenie signálu do usmerňovača, a teda aj citlivosť zariadenia je regulovaná premenlivým odporom R5. Okrem toho, ak je posúvač variabilného odporu v spodnej polohe podľa schémy, potom je citlivosť milivoltmetra 100 mV. Rozsah merania tohto zariadenia je možné výrazne rozšíriť zaradením prídavného deliča napätia meraného signálu na jeho vstup. V tomto prípade môžete získať viacrozsahové meracie zariadenie so vstupným odporom viac ako 10 MΩ.

Milivoltmeter je možné vyrobiť pomocou tranzistorov KP103Zh alebo KP103L (T1,) a MP41A (T2), ako aj diód D9V-D9E (D1, D2). Ako zdroj energie môže slúžiť 3336L batéria. Aby sa zabránilo vonkajšiemu rušeniu, je žiaduce umiestniť časti milivoltmetra do kovového puzdra.

Milivoltmeter s lineárnou stupnicou. Nevýhodou väčšiny avometrov a milivoltmetrov striedavého prúdu (vrátane vyššie popísaných) je nerovnomernosť stupnice v blízkosti nuly, čo je spôsobené nelinearitou zosilnenia diódového usmerňovača s malým signálom. Existujú rôzne spôsoby, ako linearizovať rozsah takýchto zariadení, ale väčšinou sú ťažké pre amatérske rádiové návrhy. V tomto ohľade sa striedavý voltmeter, opísaný na stránkach anglického amatérskeho rádiového časopisu, vyznačuje jednoduchosťou a spoľahlivosťou prevádzky, ktorej schematický diagram je znázornený na obr. 89. Tento voltmeter pozostáva z mostíkového usmerňovača na diódach D1-D4, ktorého jedna uhlopriečka je zaťažená miliampérmetrom so stupnicou 0-500 μA a vnútorným odporom 500 ohmov a druhá je zapojená medzi kolektor a základňa zosilňovacieho stupňa, zostavená na tranzistore T1, zapojenom podľa obvodu so spoločným emitorom. V iných podobných voltmetroch je druhá uhlopriečka pripojená medzi kolektor a emitor. Je tu chyba? Nie V tomto zariadení cez sériovo zapojený mostíkový usmerňovač a kondenzátor C2 dochádza k nelineárnej negatívnej prúdovej spätnej väzbe z kolektora na bázu tranzistora T1.

Pretože prúd cez diódy je tiež malý pri nízkom napätí signálu, vplyv negatívnej spätnej väzby bude nevýznamný a zosilnenie dané kaskádou je veľké (60-100). So zvyšujúcim sa napätím signálu sa zvyšuje vodivosť diód a tým sa zvyšuje aj záporná spätná väzba, čo znižuje zosilnenie stupňa. A čím väčší je signál na vstupe, tým menej je signál zosilnený do usmerňovača. Výsledkom je, že počiatočná časť stupnice voltmetra je zarovnaná (linearizovaná) a hodnoty voltmetra sa môžu úplne zhodovať s dielikmi stupnice mikroampérmetra. Maximálna hodnota striedavého napätia nameraná týmto zariadením sa číselne rovná pomeru maximálnej hodnoty mikroampérmetra delenej odporom odporu R3 v kiloohmoch. Napríklad, keď je to znázornené v diagrame na obr. 89 odporový voltmeter R3 dokáže merať striedavé napätie v rozsahu 0-5V.

Pri výrobe tohto voltmetra sa odporúča použiť tranzistor typu KT315G s Vst \u003d 80-120. Množstvo jednosmerného prúdu pretekajúceho v kolektorovom obvode tranzistora sa reguluje voľbou odporu odporu R1. Diódy môžu byť typu D18 alebo D20, D9D, D9I. Keď je uvedené na obr. S 89 kondenzátormi dokáže voltmeter merať napätie vo frekvenčnom pásme od 20 Hz do 600 kHz. Na napájanie zariadenia sa používa batéria Krona-VTs alebo dve sériovo zapojené batérie 3336L.

Vasiliev V.A. Návrhy zahraničných amatérskych rádií. M., "energia", 1977.