Измерение напряжения электронными аналоговыми вольтметрами

  Рис. 3.18. Схемы  аттенюаторов вольтметров:

  а—на резисторах; б — на конденсаторах; в — комбинированная. 

  Рис. 3.19. Структурная  схема универсального входного устройства.

  входного делителя напряжения (ВДН) предусматривается дополнительная возможность расширения пределов измерения вольтметра. ВДН представляет собой фиксированный делитель резистивно-емкостного типа (см. рис. 3.18, в)

  На высоких  частотах входное сопротивление  вольтметра уменьшается, а входная  емкость и индуктивности проводников  образуют последовательный колебательный контур, который на резонансной частоте имеет практически нулевое сопротивление. Для нейтрализации этих эффектов ПИ конструктивно выполняется как выносной пробник с ВДН в виде насадки. 

Усилители

  Усилители постоянного тока, как видно из структурных схем (см. рис. 3.13 и 3.14, о), обеспечивают получение мощности, достаточной для приведения в действие ИМ магнитоэлектрического прибора, и согласование входного сопротивления ИУ с выходным сопротивлением ВУ или детектора. К УПТ предъявляются два основных требования: высокое постоянство коэффициента усиления и пренебрежимо малые флюктуации выходной величины при отсутствии Ux= (Дрейф нуля). Поэтому все практические схемы УПТ имеют глубокую отрицательную обратную связь (ООС), обеспечивающую стабильную работу их и нечувствительность к перегрузкам. Радикальными методами борьбы с дрейфом нуля являются его периодическая коррекция, а также преобразование Uх= в переменное напряжение с последующим усилением и выпрямлением этого напряжения.

  Усилители переменного тока в соответствии со своим функциональным назначением (см. рис. 3.14, б) должны иметь высокую чувствительность, большое значение и высокую стабильность коэффициента усиления, малые нелинейные искажения и широкую полосу пропускания (за исключением УПЧ селективного вольтметра). Удовлетворить этим противоречивым требованиям могут только многокаскадные усилители с ООС и звеньями для коррекции частотной характеристики. В некоторых случаях применяются логарифмические усилители для получения ^линейной шкалы в децибелах. Если ставится задача минимизации аддитивной погрешности вольтметра, усилители могут быть двухканальными с усилением основного сигнала и сигнала, корректирующего аддитивную погрешность. Для расширения функциональных возможностей многие вольтметры имеют специальный выход усилителя и могут использоваться как широкополосные усилители. Более того, усилители могут выпускаться как самостоятельные измерительные приборы, образуя подгруппу У.

  Детально  усилители постоянного и переменного  тока рассматриваются в курсе  «Усилительные устройства».

Детектор

  Тип детектора  определяет, как уже указывалось, принадлежность вольтметров переменного тока к вольтметрам амплитудного, среднеквадратического или средневыпрямленного напряжения. В соответствии с этим сами детекторы классифицируются следующим образом: по параметру Ux~^ которому соответствует ток или напряжение в выходной цепи детектора: пиковый детектор, детекторы среднеквадратического и средневыпрямленного значений напряжения; по схеме входа: детекторы с открытым и закрытым входом по постоянному напряжению;

  по характеристике детектирования: линейные и квадратичные детекторы.

  Рис. 3.20. Схемы  пикового детектора:

  А — с  открытым входом; Б — с закрытым входом.

  Пиковый детектор — это детектор, выходное напряжение которого непосредственно соответствует t/max или <7min (Ов или Us). Пиковый детектор относится к линейным и может иметь открытый (рис. 3.20, а) или закрытый (рис. 3.20, б) вход по постоянному напряжению.

  Принцип работы пиковых детекторов специфичен и  заключается в заряде конденсатора С через диод V до максимального (пикового) значения Ux~, которое затем запоминается, если постоянная времени разряда С (через R) значительно превышает постоянную времени заряда. Полярность включения V определяет соответствие Ux=, либо Umax(Uв), либо Umin(Uн), а возможные пульсации Uх= сглаживаются цепочкой Рф, Сф. Если детектор имеет открытый вход, Uх= определяется суммой U и Uв(Uн), т. е. соответствует Umax (Umin) При закрытом входе Uх= соответствует Uв(Uн). Если же Ux~ не содержит постоянной составляющей, то схемы, изображенные на рис. 3.20, а, б, идентичны, а Uх=соответствует Um. В некоторых случаях применяют двухполупериодные пиковые детекторы с удвоением напряжения, позволяющие прямо измерять значение размаха напряжения.

  Существенным  достоинством пиковых детекторов являются большое входное сопротивление (равное R/2 для схемы на рис. 3.20, а и R/3—для схемы на рис. 3.20, б) и наилучшие по сравнению с другими типами детекторов частотные свойства. Поэтому пиковые детекторы наиболее часто применяют в вольтметрах первой модификации (см. рис. 3.14, о), конструктивно оформляя совместно с ВУ в виде выносного пробника. В этом случае по кабелю, соединяющему пробник с прибором, передается Uх=.

  Детектор  среднеквадратического  значения—это преобразователь переменного напряжения в постоянный ток (напряжение), пропорциональный U²_ск . Характеристика детектирования в этом случае должна быть квадратичной, а при на. личии U- необходим детектор с открытым входом. В современных типах вольтметров применяются в основном квадратичные детекторы с термопреобразователями, аналогичными преобразователям термоэлектрических амперметров. Основным недостатком их, как отмечалось ранее, является квадратичный характер шкалы прибора. В вольтметрах этот недостаток устраняется применением дифференциальной схемы включения двух (или более) термопреобразователей, как показано на рис. 3.21. 

  Рис. 3.21. Структурная  схема детектора среднеквадратического значения напряжения. 

  При подаче на термопреобразователь ТП1 измеряемого напряжения Uх~ выходное напряжение ТП1 по аналогии с (3.26) U₁=k_tU²_ск .

  Кроме ТП1, в схеме имеется второй термопреобразователь ТП2, включенный встречно с ТП1. На ТП2 подается напряжение обратной связи, поэтому его

  выходное  напряжение U₂ == k_tBU²₃.

  Таким образом, на входе УПТ имеет место результирующее напряжение

  U_{1 -} U₂ = kt(U²_ск - BU²₃)

  чему соответствует

  U₃ = k_уптk_т(U²_ск - BU²₃).

  Если параметры  схемы выбрать так, чтобы

  k_уптk_т BU²₃>> U₃,

  то тогда  окончательно U₃ º U_ск, т. е. шкала ИУ будет равномерной.

  Детектор  средневыпрямленного  значения— это преобразователь переменного напряжения в постоянный ток, пропорциональный Uсв. Схемно он базируется на двухполупериодном полупроводниковом выпрямителе, рассмотренном при анализе выпрямительных амперметров (см. § 3.4.1). Необходимо, однако, добавить, что линейность характеристики таких детекторов будет тем лучше, чем больше Uх~ (при малых Ux~ детектор становится квадратичным). Поэтому детекторы средневыпрямленного значения, как правило, применяют в вольтметрах второй модификации (рис. 3.14, б).