Вольтметр электронный – Электронные вольтметры

Электронные вольтметры

ЭЛЕКТРОННЫЕ ВО ЛЬТМЕТРЫ

Определение и классификация. Электронным вольтмет­ром называется прибор, показания которого вызываются током электронных приборов, т. е. энергией источника пи­тания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет то­ком электронных приборов, благодаря чему входное сопро­тивление электронных вольтметров достигает весьма боль­ших значений и они допускают значительные перегрузки.

Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дис­кретные. В аналоговых вольтметрах измеряемое напряже­ние преобразуется в пропорциональное значение постоян­ного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроампер­метром, шкала которого градуируется в единицах напряже­ния (вольты, милливольты, микровольты). В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду преобразований, в результате которых аналоговая измеряе­мая величина преобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается на индикаторном устройстве в виде светящихся цифр. Аналоговые и дискретные вольтметры ча­сто называют

стрелочными и цифровыми соответственно.

По роду тока электронные вольтметры делятся на вольт­метры постоянного напряжения, переменного напряжения, Универсальные и импульсные. Кроме того, имеются вольт­метры с частотно-избирательными свойствами — селектив­ные.

При разработке электронных вольтметров учитываются следующие основные технические требования: высокая чувствительность; широкие пределы измеряемого напряжения; широкий диапазон рабочих частот; большое входное сопро­тивление и малая входная емкость; малая погрешность; известная зависимость показаний от формы кривой измеря­емого напряжения. Перечисленные требования нельзя удов­летворить в одном приборе, поэтому выпускаются вольт­метры с разными структурными схемами.

Вольтметры переменного напряжения. Электронный вольтметр переменного напряжения состоит из преобразова­теля переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического индикатора. Часто на входе вольт­метра устанавливается калиброванный делитель напряже­ния. с помощью которого увеличивается верхний предел измеряемого напряжения. В зависимости от вида преобразования показание вольтметра может быть про­порционально амплитудно­му (пиковому), средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения.

Рис.1. Структурная схема ана­логового электронного вольтметра с амплитудным преобразователем

Однако следует иметь в виду, что шкалу любого электронного вольтметра градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряже­ния синусоидальной формы. Исключение составляют им­пульсные вольтметры, шкалу которых градуируют в ам­плитудных значениях.

Вольтметр амплитудного (пикового) значения (рис.1) состоит из амплитудного преобразователя АПр, усилителя постоянного тока УПТ и магнитоэлектрического индика­тора, градуированного в вольтах. На входе вольтметра иногда предусматривается делитель напряжения

ДН. Ам­плитудный преобразователь выполняют по схеме с откры­тым или закрытым входом.

Амплитудный преобразователь с открытым входом (рис.2, а) представляет собой последовательное соеди­нение вакуумного диода Д с параллельно соединенными ре­зистором Л? и конденсатором С. Если к зажимам 1—2 при­ложено напряжение u = U_m sinwt от источника с внутрен­ним сопротивлением r_i , то конденсатор через диод заря­жается до некоторого значения U_c , которое приложено к электродам диода так, что он большую часть периода закрыт, т. е. работает в режиме отсечки (рис. 2, б). В те­чение каждого периода диод открывается на некоторый промежуток времени ‘t₁ – ‘t₂ тогда и > U _c и конденсатор подзаряжается импульсом тока i_Д до напряжения Uc • постоянная времени заряда t_з = (R_i +R

Д ) С, где R _Д — сопротивление открытого диода. Затем диод закрывается и конденсатор разряжается через резистор R в течение ин­тервала t₂ – ‘t₁ постоянная времени разряда t_p = RC.

Постоянные времени должны отвечать следующим усло­виям: t_з < 1/f _в и t_p > I/f _н где f _в и f _н — границы частотного диапазона вольтметра. Очевидно, что t_з << t_p и R >> R_i +R_Д. В широкодиапазонных вольтметрах неравенство: t_з < 1/f _в выполнить не удается, и потому на высоких ча­стотах процесс установления длится в течение нескольких периодов измеряемого напряжения.

а) б)

Рис.2. Амплитудный преобразователь с открытым входом

Результатом амплитудного преобразования является среднее значение слабопульсирующего напряжения

Uc, которое в отличие от Um называют пиковым значением U_пик .

U_пик = U_m cos q

Где q – угол отсечки диода.

Напряжение U_пик поступает на вход усилителя постоян­ного тока, входное сопротивление которого большое, а выходное — малое. УПТ служит для согласования выходного сопротивления преобразователя с сопротивлением индика­тора и для повышения чувствительности вольтметра.

Амплитудный преобразователь с закрытым входов (рис. 3) представляет собой последовательное соединение конденсатора постоянной емкости С с параллельно соеди­ненными диодом Д и резистором R. Процесс преобразова­ния переменного напряжения в постоянное U_пик аналогичен рассмотренному выше, с тем отличием, что на зажимах 3—4 име­ются значительные пульсации напряжения, для сглаживания которых предусмотрен фильтр.

Рис. 3. Принципиальная схема амплитудного преобра­зователя с закрытым входом

Процессы преобразования пульсирующего напряжения преобразователем с открытым и закрытым входом различны и зависят от полярности подключения к входным зажи­мам /—2 постоянной составляющей пульсирующего напря­жения. Если на вход амплитудного преобразователя с от­крытым входом включено пульсирующее напряжение так,

Рис. 4. Диаграммы напряжении в амплитудных преоб­разователях: а—с открытым входом; б — с закрытым входом

что «+» постоянной составляющей приложен к аноду| диода, то выходное напряжение U_пик »U_max =U₀ +U_m+, где Uo — постоянная составляющая, а U_m+ — амплитуда положительного полупериода переменной составляющей (рис.4, а). Если к аноду диода приложен «—» постоянной составляющей, то диод закрыт все время и преобразования нет. Если к аноду амплитудного преобразователя с закры­тым входом приложено пульсирующее напряжение, то кон­денсатор

С заряжен постоянной составляющей U₀ преобразователь реагирует только на переменную составляющую. если к аноду диода приложен «+», то выходное напряже­ние U_пик » U_m+, a если «—», то U_пик » U_m- (рис. 4, б). Это полезное свойство вольтметров с закрытым входом из­мерять отдельно значения напряжения положительного или отрицательного полупериодов широко используется для определения симметричности амплитудной модуляции, на­личия ограничения сигналов и т.д. Амплитудные (пиковые вольтметры характеризуются невысокой чувствительностью (порог чувствительности »0.1В) и широкой полосой частот (до 1 ГГц).

Вольтметр средневыпрямленного значения (рис.6) состоит из входного делителя напряжения ДЯ, широкопо­лосного транзисторного усилителя ШУ, выпрямительного преобразователя Пр и магнитоэлектрического индикатора.

Рис.5. Структурная схема универсаль­ного вольтметра

Входное сопротивление делителя напряжения высокое, и если усилитель имеет низкое входное сопротивление, то между ними ставится узел согласования — преобразователь сопротивлений (с высоким входным и низким выходным сопротивлениями). Выходное напряжение усилителя посту­пает на выпрямительный преобразователь, и через микроамперметр протекает постоянная со­ставляющая выпрямленно­го тока, проп

mirznanii.com

Лекция №3 – Электронные вольтметры

ЛЕКЦИЯ №5

ЭЛЕКТРОННЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

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

Достоинства электронных измерительных приборов:

1. высокая чувствительность обусловлена применением усилителей;

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

3. широкий диапазон частот, в котором чувствительность неизменна.

Недостатки:

1. сложность, обусловленная большим числом деталей и элементов;

2. необходимость в источниках питания электронных устройств, входящих в прибор;

3. сравнительно невысокая надежность, обусловленная большим числом элементов.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

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

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

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

Рис. 5.1. Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока

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

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

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

Рис. 5.2. Структурные схемы вольтметров переменного тока

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

Различают вольтметры амплитудного, среднего или действующего значения.

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

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

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

Рис. 5.4. Структурная схема универсального вольтметра

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

Импульсные вольтметры. Для измерения амплитуды импульсных сигналов различной формы применяют импульсные вольтметры. Особенности работы импульсных вольтметров определяются малой длительностью τ измеряемых импульсов (от 10-100 нс) и значительной скважностью (до 10⁹), где Т – период следования импульсов.

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

Рис. 5.5. Компенсационная схема амплитудного преобразователя

Входные импульсы u_вх заряжают конденсатор С₁. Переменная составляющая напряжения на этом конденсаторе, вызванная подзарядом его измеряемыми импульсами и разрядом между импульсами (аналогично рис. 5.3,б), усиливается усилителем У переменного тока и выпрямляется с помощью диода D₂. Постоянная времени цепи RC₂ выбирается достаточно большой, поэтому напряжение на конденсаторе С₂ в промежутке между импульсами изменяется незначительно. С выхода преобразователя при помощи резистора R_о.с. обратной связи на конденсатор С₁ подается компенсирующее напряжение. При большом коэффициенте усиления усилителя это приводит к значительному уменьшению переменной составляющей напряжения на конденсаторе С₁, вследствие чего в установившемся режиме напряжение на конденсаторе практически равно амплитуде измеряемых импульсов, а выходное напряжение пропорционально этой амплитуде: .

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

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

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

Рис. 5.6. Структурная схема селективного вольтметра

Измеряемый сигнал u_х через избирательный входной усилитель ВУ подается на смеситель См, предназначенный для преобразования частотного спектра измеряемого сигнала. На выходе смесителя появляется сигнал, пропорциональный измеряемому сигналу, но с частотами спектра , где – частота гармонических составляющих входного сигнала; – частота сигнала синусоидального генератора Г (гетеродина). Усилитель промежуточной частоты УПЧ настроен на некоторую фиксированную частоту . Поэтому на выход УПЧ пройдет только та составляющая выходного сигнала смесителя, частота которой . Этот сигнал соответствует гармонической составляющей измеряемого сигнала с частотой . Действующее значение этой гармонической составляющей измеряется вольтметром действующего значения ВДЗ. Изменяя частоту генераторов , можно измерять действующее значение различных гармонических составляющих сигнала u_х.

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

studfiles.net

Аналоговые электронные вольтметры

Аналоговый электронный вольтметр ‑ измерительный прибор, представляющий собой сочетание электронного преобразователя, выполненного на лампах, полупроводниковых элементах, интегральных микросхемах, и магнитоэлектрического измерителя.

По назначению аналоговые электронные вольтметры различают: постоянного тока, переменного тока, импульсного тока, фазочувствительные, селективные, универсальные.

Основное назначение аналоговых вольтметров ‑ измерение напряжения в радиоэлектронных цепях.

Электронные вольтметры постоянного тока по сравнению с магнитоэлектрическими вольтметрами имеют очень большое входное сопротивление (порядка 5-10 МОм) и высокую чувствительность. Значение входного сопротивления неизменно при переключении пределов измерения. Схема электронного вольтметра постоянного тока представлена на рисунке 4.

Рис. 4 Схема вольтметра постоянного тока.

Вольтметр состоит из входного устройства (высокоомного резистивного делителя напряжения), электронного преобразователя (усилителя постоянного тока), электромеханического преобразователя (магнитоэлектрического измерителя).

Усилитель постоянного тока служит для повышения чувствительности вольтметра, является усилителем мощности, необходимым для приведения в действие магнитоэлектрического измерителя. Он должен обладать высокой линейностью амплитудной характеристики, постоянством коэффициента усиления, малым дрейфом нуля.

Линейность амплитудной характеристики обеспечивается правильным выбором режимов работы транзисторов и микросхем усилителя. Отрицательная обратная связь в усилителях повышает стабильность коэффициента и улучшает линейность амплитудной характеристики. Стабилизация питающих напряжений также способствует стабилизации коэффициента усиления.

Для уменьшения дрейфа нуля, кроме стабилизации питающих напряжений, усилитель выполняется по мостовой аналоговой схеме.

Расширение пределов измерения осуществляется с помощью делителя и сопротивления обратной связи.

Электронные вольтметры переменного тока строятся по двум схемам:

1) преобразование переменного напряжения в постоянное и дальнейшее усиление постоянного напряжения (рис.5,а) ,

2) усиление переменного напряжения и дальнейшее преобразование переменного напряжения в постоянное (рис.5,б).

а)

б)

Рис. 5 Схемы электронных вольтметров переменного тока

Вольтметры, построенные по схеме на рисунке 5.а, характеризуются частотным диапазоном 20 Гц – 700 МГц, но недостаточно высокой чувствительностью.

Вольтметры, построенные по схеме на рис. 5.б, характеризуются сравнительно узким частотным диапазоном 10Гц ‑ 10МГц, определяемым полосой пропускания усилителя переменного тока, но более высокой чувствительностью.

Характеристики аналоговых электронных вольтметров переменного тока и характер их шкал в основном определяются схемой электронного преобразователя (детектора). Различают преобразователи пикового, средневыпрямленного, среднеквадратичного значений, осуществляющих преобразование переменного напряжения в постоянное, пропорциональное соответственно пиковому (максимальному), средневыпрямленному и среднеквадратичному значениям напряжения.

Вход преобразователей относительно постоянной составляющей измеряемого напряжения может быть либо открытым, либо закрытым (с разделительным конденсатором).

По частотному диапазону аналоговые электронные вольтметры переменного тока делятся на низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные.

studfiles.net

95 фото разновидностей аналоговых и цифровых приборов

Цифровой вольтметр является незаменимым прибором для поддержания технического состояния электрических приборов. Он позволяет выявить любые скачки напряжения, тем самым предотвращая преждевременную поломку устройства.

Перед тем как провести исследование, необходимо соблюдать правильную схему подключения вольтметра. Для этого рекомендуется провести пробное тестирование данной установки на обычной щелочной батарее. Здесь отображается её техническое состояние и способность питания любого устройства.

При положительном значении происходит движение стрелки в одну из сторон полюса.

Краткое содержимое статьи:

Правильная настройка прибора

Перед тем как приступить к исследованию состояния электрического прибора, необходимо произвести правильную настройку оборудования. Многие приборы являются мультиметрами. Они показывают несколько параметров электрического и постоянного тока

Электронные вольтметры оснащены дисплеем и переключателем напряжения. Помимо этого на поверхности прибора имеется небольшой дисплей, который отображает точные измерения. Для исследования технического состояния, необходимо соблюдать следующую очередность действий:

Для измерения переменного тока на приборе устанавливают переключатель в положение V или AV. Все бытовые электросети обладают переменным током.

Чтобы проверить постоянное электрическое напряжение, необходимо переключить рукоятку на положение V, V-, DCV. Практически все батарейки оснащены постоянным током;

Далее выбирают необходимый диапазон измерения. Цифровые вольтметры, как правило, обладают высокой чувствительностью по отношению к скачкам напряжения. Это помогает своевременно выявить поломку электрического прибора.

В некоторых моделях, невозможно установить соответствующий диапазон. Это свидетельствует об автоматическом регулировании нужного уровня электроэнергии.

После чего специальные щупы устанавливают в соответствии с указанной полярностью.  Неправильная установка приводит к отсутствию движения стрелки или циферблата.

Процесс измерения электрического напряжения

При работе с электроприборами, необходимо соблюдать особую аккуратность. Любое резкое движение может привести к короткому замыканию. Что учитывать в ходе рабочего процесса? Техника безопасности включается в себя несколько простых правил:

Правильная фиксация щупов. В момент изучения напряжения, необходимо безопасно держать измерительные части. Не стоит соприкасать их между собой. Не рекомендуется прикасаться к щупам при подключении вольтметра к электронной схеме.Это может спровоцировать короткое замыкание.

Черный щуп устанавливают к одной из частей проводника постоянного тока. Правильно измерить перепады напряжения можно в параллельном положении измерителей.

Красным щупом производят касательное движение. Если в устройстве присутствует максимальное напряжение, то на приборе появятся его точные значения.

На приборе устанавливают максимальный измерительный диапазон. Если на электросхеме имеются какие-либо неполадки, то отмечают активное движение стрелки в сторону высокой отметки.

Когда исследование подошло к концу, переходят к его расшифровке.

Разновидности цифрового вольтметра

Все модели делятся на несколько разновидностей, которые отличаются между собой по их функциональному использованию.  По измерению напряжения эти приборы различаются на:

• цифровой вольтметр для измерения постоянного тока;
• цифровой вольтметр для изучения переменного электрического тока.

Для самостоятельного использования оптимальным выбором будут универсальные модели. Технические характеристики вольтметра предназначены для измерения напряжения в электронных схемах различного рода устройств.

По количеству фазовых измерения они подразделяются:

• трехфазный;
• однофазный.

Первая разновидность подходит для правильного подключения частного дома к трехфазному кабелю. Здесь важно учитывать полярность трёхжильного провода.

Как выбрать вольтметр

Перед тем как осуществить покупку данного устройства, необходимо определиться с областью его применения.

Если прибор будет предназначен для домашнего использования, то оптимальным вариантом будет цифровой вольтметр, который устанавливают в электрический щиток. Это устройство помогает регулировать скачки электрического тока, тем самым предотвращая короткое замыкание.

Для контроля автомобильного напряжения постоянного тока, подойдут специальные приборы, которые можно подсоединить к прикуривателю. Здесь можно регулировать постоянный и переменный ток в зависимости от технического состояния автомобиля. На фото вольтметра изображена модель с цифровым механизмом.

Фото вольтметра

Также рекомендуем посетить:

zdesinstrument.ru

ПринципЫ работы Электронных вольтметров

Электронные вольтметры (В2 — постоянного тока, В3 — переменного, В4 — импульсного, В5 — фазочувствительные, В6 — селективные, В7 — универсальные).

С целью повышения чувствительности и расширения диапазона измеряемых значений напряжений разработаны специальные приборы — электронные вольтметры. В соответствии с измеряемым параметром различаются вольтметры амплитудного значения (пиковые), среднего (постоянного напряжения), средневыпрямленного и действующего значений. Электронные вольтметры обладают большим входным сопротивлением, достигающим 10 МОм, имеют широкий частотный диапазон до 1—3 ГГц, способны выдерживать большие нагрузки. Типичные структурные схемы электронных вольтметров приведены на рис. 2. Входное устройство электронных вольтметров состоит из эмиттерного повторителя, чаще всего смонтированного в выносном пробнике для уменьшения влияния проводов на высоких частотах, и аттенюатора, представляющего собой резистивный делитель напряжения.

Рисунок 2 – Структурные схемы электронных вольтметров:

а) переменного напряжения; б) постоянного напряжения;

в) переменного и постоянного напряжения

Усилители в электронных вольтметрах предназначены для повышения чувствительности при измерении малых напряжений. Для повышения стабильности коэффициента усиления усилителя и уменьшения нелинейных искажений обычно используется многокаскадный усилитель, охваченный отрицательной обратной связью.

Детектор вольтметра предназначен для преобразования измеряемого напряжения в постоянную или пульсирующую форму, измеряемую магнитоэлектрическим прибором. В зависимости от закона преобразования детекторы подразделяются на пиковые (амплитудные), детекторы действующего значения и детекторы средневыпрямленного значения.

Рисунок 3- Схема пикового детектора и график напряжений

В пиковом детекторе параметры схемы (рис. 3) подобраны так, что постоянная времени заряда конденсатора τ₃ = R_i.С (R_i — внутреннее сопротивление диода) намного меньше постоянной цепи разряда τ_р= R^.С, которая много больше периода колебаний входного напряжения: τ_р>>Т. Вследствие этого через несколько периодов колебаний конденсатор зарядится до напряжения U_с со средним значением U_ср, близким к амплитудному значению U_m.

Детектор действующего значения должен иметь квадратичную вольт-амперную характеристику.

Рисунок  4 – Схема квадратичного детектора с кусочно-гладкой аппроксимацией ВАХ

Квадратичным участком вольтамперной характеристики обладают почти все активные элементы: лампы, транзисторы, диоды; однако протяженность этого участка небольшая. Для ее увеличения применяют кусочно-гладкую аппроксимацию параболической кривой на К-участках, каждый из которых обеспечивается начальным квадратичным участком данного активного элемента. На рис. 4 показана схема такого детектора. Количество участков аппроксимации соответствует количеству диодных цепочек, в которых на каждый последующий диод подается ступенчато увеличивающееся напряжение обратного смещения (Е_см), что вызывает открытие каждого из них при входном U_вх>Е_см.

Рисунок 5 – Схема детектора средневыпрямленного значения

Детектор средневыпрямленного значения представляет собой двухполупериодный выпрямитель, собранный обычно по мостовой схеме (рис. 5). Чтобы ток в этом детекторе был пропорционален средневыпрямленному значению измеряемого напряжения, необходимо, чтобы амплитуда входного напряжения, подаваемая на диоды, значительно превышала квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода, т. е. чтобы детектирование было линейным, а не квадратичным. Рассмотрим некоторые специальные типы вольтметров.

Избирательный (селективный) электронный вольтметр предназначен для измерения синусоидального напряжения определенной (избранной) частоты в спектре других частот. Принцип действия такого вольтметра основан на выделении напряжения нужной частоты из спектра других частот, усилении и дальнейшем измерении напряжения выделенной частоты.

Милливольтметр В3-38Б состоит из входного делителя (ДН), преобразователя импеданса (ПИ), аттенюатора (А), широкополосного усилителя (ШУ) с детектором (Д), эммитерного повторителя (ЭП), отсчётного прибора (ИП), блока питания (БП), показанных на структурной схеме прибора (рисунок 6).

Рисунок 6 – Структурная схема В3-38Б

Входной делитель расположен между входом прибора и преобразователем импеданса. Коэффициент деления 1: 316. Переключение плеч делителя происходит при переходе с поддиапазона измерения 1 В на поддиапазон 3 В. Для точной установки коэффициента деления в его нижнее плечо включен потенциометр R73.

Преобразователь импеданса (ПИ) служит для получения требуемого входного импеданса милливольтметра и согласования высокого входного сопротивления прибора с низким сопротивлением аттенюатора.

Линейность передаточной характеристики детектора зависит от глубины обратной связи ШУ. На частотах до 1 МГц характеристики практически линейна по всей шкале отсчётного прибора. На частоте 10 МГц из-за меньшей глубины обратной связи нелинейность шкалы в точке 1/10 составляет около 3%, а в точке 1/3 -около 2% от установленного поддиапазона измерения.

studfiles.net

Электронные вольтметры постоянного тока

Эти приборы используются главным образом для измерения малых напряжений. Их наибольший предел измерения 1÷10 мВ, внутреннее сопротивление порядка 1÷10 мОм.

Входное напряжение поступает на трехзвенный Г-образный ЧС-фильтр, назначение которого уменьшить наводки промышленной частоты – 50 Гц во входном сигнале.

Затем напряжение модулируется, усиливается усилителем Y₁, состоящим из Y’ (1 и 2-ой каскада) и Y” (3 – 5-ой каскады), затем демодулируется, подается на согласующий усилитель Y₂, который выполнен по схеме катодного повторителя и служит для согласования сопротивления μА с сопротивлением Y₂. Напряжение измеряется μА (100 μА), шкала которого градируется в единицах напряжения.

В качестве модулятора использован вибропреобразователь. ДМ – диодный кольцевой демодулятор.

Цепь обратной связи служит для стабилизации коэффициента усиления и его изменения при переключении пределов измерения.

В переключатель пределов измерения, кроме звена ОС входит делитель напряжения ДН, расположенный между вторым и третьим каскадом Y₁.

ГНЧ – генератор несущей частоты обеспечивает подачу напряжения на М и ДМ.

По такой схеме построен вольтметр постоянного тока типа В2-11 с пределами измерения В, внутреннее сопротивление 10÷300 мОм и погрешность 6÷1 %.

Универсальные вольтметры

Универсальные вольтметры строятся по схеме, которая называется схемой “выпрямитель-усилитель”. Важной частью схемы яв-ляется выпрямитель “В”. Как правило, в универсальных вольтметрах используются В амплитудного значения, построенные по схеме однополупериодного выпрямления (так как в случае двухполупериодного выпрямления невозможно создать заземленную шину) с открытым или закрытым входом, но, как правило, используется схема с закрытым входом, что объясняется независимостью напряжения на ее выходе от постоянной составляющей на входе.

Универсальные вольтметры имеют широкий частотный диапазон, но сравнительно низкую чувствительность и точность.

Получили распространение универсальные вольтметры В7-17, В7-26, ВК7-9 и другие. Их основная погрешность достигает ±4%. Частотный диапазон до 10³ мГц. Пределы измерения от 100÷300 мВ до 10³ В.

Вольтметры переменного тока

ППИ – переключатель пределов измерения.

Электронные вольтметры переменного тока предназначаются в основном для измерения малых напряжений. Это объясняется их структурой “усилитель-выпрямитель”, то есть предварительным усилением напряжения. Эти приборы обладают высоким входным сопротивлением за счет введения схем с глубокими местными обратными связями, в том числе катодных и эмиттерных повторителей: в качестве ВП используются выпрямители среднего, амплитудного и действующего значения. Шкала, как правило, градуируется в единицах действующего значения с учетом соотношений идля синусоидальных напряжений. Если шкала градуируется вU_ср или U_т , то на ней имеются соответствующие обозначения .

В общем приборы по схеме “усилитель-выпрямитель” имеют большую чувствительность и точность, но частотный диапазон их сужен, он ограничивается усилителем У.

Если используется В среднего или амплитудного значения, то приборы критичны к форме кривой входного напряжения при градуировке шкалы в ед. U_д.

При использовании В среднего значения, он, как правило, выполняется по двухполупериодной схеме выпрямления. При использовании амплитудного детектора – по схеме с открытым или закрытым входами.

Особенностью электронных вольтметров действующего значения является квадратичность шкалы за счет наличия квадратирующего устройства в В. Существуют специальные методы устранения этого недостатка.

Получили распространение милливольтметры переменного тока типа В3-14, В3-88, В3-2 и т.п.

Среди электронных вольтметров наибольшую точность имеет диодный компенсационный вольтметр (ДКВ). Его погрешность не превышает сотых долей процента. Принцип действия поясняет следующей схемой.

Д – диод

НИ – нуль-индикатор

При подаче и компенсационного напряжения смещенияпоследнее можно отрегулировать так, что НИ покажет 0. Тогда можно считать, что.

Импульсные вольтметры

Импульсные V предназначены для измерения амплитуд периодических импульсов сигналов с большой скважностью и амплитуд одиночных импульсов.

Трудность измерения состоит в многообразии форм импульсов и широком диапазоне изменения временных характеристик.

Все это не всегда известно оператору.

Измерение одиноч-ных импульсов создает дополнительные трудности, так как не удается накопить информацию об измеряемой величине многократным воздействием сигнала.

Импульсные V строятся по приведенной схеме. Здесь ПАИ – преобразователь амплитуды и импульса в напряжение. Это самый важный блок. Он в ряде случаев обеспечивает не только указанное преобразование и запоминание преобразованного значения в течение времени отсчета.

Наиболее часто в ПАИ используются диодно-конденсаторные пиковые детекторы. Особенность этих детекторов в том, что длительность импульсов τ_U может быть мала, а скважность – велика. В результате за τ_U “С” полностью не зарядится, а за “Т” – значительно разрядится.

Чтобы

должно быть очень мало, следовательно емкость – должна быть мала.

; т.е. и емкость должна быть велика. То есть возникают противоречивые требования к емкости.должно быть велико, а– мало, нозависит от внутреннего сопротивления источникаU_вх(t). Для решения подобных противоречий используются специальные схемы:

1. При преобразовании амплитуды импульсов с большой скважностью или одиночных импульсов используются многоступенчатые преобразователи, состоящие из нескольких последовательно включенных преобразователей диодно-конденсаторного типа. Время запоминания многоступенчатого преобразователя определяется конденсатора последнего преобразователя, а минимальная длительность измеряемого импульса –первого преобразователя.

2. Пользуются двухканальным методом преобразования. Здесь на дифференциальный УПТ подаются напряжения с выхода двух пиковых детекторов, из которых один преобразует амплитуду измеряемого импульса, а второй n-ю часть амплитуды.

3. Для преобразования амплитуды периодически повторяющихся импульсов в наносекундном диапазоне пользуются компенсационным методом.

4. При измерении малых амплитуд импульсов применяется дифференциально-интегральный метод преобразования амплитуды импульсов.

U_вх(t) – дифференцируется, ДЦ подается на генератор тока, ГТ затем интегрируется. Интегратор разряжается через разрядное устройство.

В результате .

Все эти методы решают две задачи: ускорение заряда накопительного конденсатора и замедление его разряда.

studfiles.net

Электронные вольтметры – часть 2

Рис.7. Схема термоэлектрического пре­образователя среднеквадратического зна­чения напряжения

Термопары включены встречно. Применяют диф­ференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления. Выходное напря­жение среднеквадратического преобразователя связано ли­нейной зависимостью со среднеквадратическим значением измеряемого напряжения.

Основная погрешность преобразования обусловлена не ­идентичностью параметров термопреобразователей, увели­чивающейся с их старением, и составляет 2,5—6 %.

Вольтметры постоянного напряжения. Рассмотренный выше (рис.5) универсальный вольтметр позволяет из­мерять постоянное напряжение от десятых долей вольта и выше. Для измерения меньших значений (от 0,5 мкВ) применяют высокочувствительные электронные вольтметры с преобразованием постоянного напряжения в переменное, которое после значительного усиления вновь преобразуется в постоянное и измеряется магнитоэлектрическим микро­амперметром.

Цифровые электронные вольтметры. Принцип работы вольтметров дискретного действия состоит в преобразова­нии измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код, который отображается на табло в цифровой форме. В соответствии с этим обобщен­ная структурная схема цифрового вольтметра состоит из входного устройства ВхУ, аналого-цифрового преобразователя АЦП и цифрового индикатора Ц И.

Рис.8 Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра.

Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразова­нием. Принцип работы заключается в преобразовании из­меряемого напряжения Ux в пропорциональный интервал времени ДГ, измеряемый числом N заполняющих его им­пульсов со стабильной частотой следования.

Вольтметр (рис. 3-30, а) работает циклами, длительность которых Т устанавливается с помощью управляющего уст­ройства УУ и обычно равна или кратна периоду питающей сети. Для единичного измерения Ux предусмотрен ручной запуск.

Погрешность измерения возникает вследствие нелиней­ности изменения линейнопадающего напряжения, неста­бильности порога срабатывания сравнивающих устройств.

Рис. 3-30. Цифровой вольтметр с время-импульс­ным преобразованием

и возможности потери счетного импульса, т. е. погрешности дискретности. Основная погрешность составляет обычно 0,1 %. Помехоустойчивость вольтметров с время-импульс­ным преобразованием низкая, так как любая помеха вызы­вает изменение момента срабатывания сравнивающего уст­ройства. Главным достоинством этих вольтметров является их сравнительная простота.

Цифровой вольтметр с частотным преобразованием. Принцип действия заключается в преобразовании измеряе­мого напряжения в пропорциональную ему частоту следова­ния импульсов, измеряемую цифровым частотомером.

Цифровой вольтметр с двойным интегрированием. Прин­цип его работы подобен принципу времямпульсного пре­образования, с тем отличием, что здесь образуются два вре­менных интервала в течение цикла измерения, длительность которого устанавливается кратной периоду помехи. Таким образом определяется среднее значение измеряемого напря­жения, а помеха подавляется. Эти вольтметры являются более точными и помехоустойчивыми по сравнению с рас­смотренными выше, однако время измерения у них больше.

Вольтметр следящего уравновешивания работает не цик­лами, а непрерывно реагируя на изменение измеряемого напряжения: сумма образцовых напряжений принимает большее или меньшее значение в зависимости от значения измеряемого напряжения. Когда достигается равенство U_x =åU_обр. код преобразуется в показание, а состояние прибора остается неизменным до тех пор, пока не изменится значение U_x .Преимущество вольтмет­ров следящего уравновешивания заключается в уменьше­нии статической и динамической погрешности и в повыше­нии быстродействие.

mirznanii.com