Метрологическое обеспечение и стандартизация измерений напряжения и тока (стр. 4 из 6)
Требуемый вид градуировочной характеристики прибора обычно достигается посредством логарифмического преобразования тока в цепи измерителя, например в результате шунтирования последнего специально подобранным полупроводниковым диодом, включенным в пропускном направлении.
Логарифмические вольтметры аналогично квадратичным вольтметрам часто выполняются на диодных цепочках. Исследуемый сигнал после его выпрямления подводится к измерительному блоку через делитель напряжения, одно из плеч которого является нелинейным. Это плечо обычно состоит из ряда параллельно включенных ветвей, содержащих по резистору и точечному диоду; к последнему подводится опорное напряжение определенного значения, которое изменяется с некоторым шагом от одной ветви к другой.
По мере роста измеряемого напряжения увеличивается число открытых диодов, что ведет к уменьшению коэффициента деления напряжения. Такие вольтметры имеют динамический диапазон измерений до 50 дБ и используются при снятии частотных и других характеристик радиоцепей.
2.1 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.
2.2 Аналоговые электронные вольтметры
Аналоговые электронные вольтметры применяют для измерения постоянных напряжений, переменных и импульсных напряжений. Электронные универсальные вольтметры могут измерять и постоянные, и переменные напряжения.
Электронные вольтметры постоянного тока имеют усилитель постоянного тока (УПТ), к выходу которого подключается стрелочный измеритель.
Вольтметры переменного напряжения.
Их основными особенностями являются: высокая чувствительность и широкие пределы измерений, которые при использовании усилителей и делителей напряжения охватывают область напряжений от единиц микровольт до тысяч вольт; малая входная емкость (единицы пикофарад) и высокое входное активное сопротивление (до десятков мегом); обширный диапазон рабочих частот (от десятков герц до сотен мегагерц); способность выдерживать большие перегрузки.
К недостаткам электронных вольтметров относятся: необходимость питания от стабильных источников постоянного или переменного напряжения; необходимость в электрической установке стрелки измерителя на нуль или калибровке вольтметра перед началом измерений; сравнительно большая погрешность измерений (до 3—5%).
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. 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. 2.1) 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.
Рис.2.1. Структурная схема аналогового электронного вольтметра с амплитудным преобразователем
Усилитель постоянного тока с магнитоэлектрическим индикатором является электронным вольтметром постоянного напряжения, поэтому амплитудные вольтметры часто делают универсальными (рис. 2.2). При положении «^» переключателя П измеряется переменное напряжение, при «—» —постоянное. Шкала для постоянного напряжения градуируется отдельно.
Рис.2.2. Структурная схема универсального вольтметра
Амплитудные (пиковые) вольтметры характеризуются невысокой чувствительностью (порог чувствительности «0,1 В) и широкой полосой частот (до 1 ГГц).
Вольтметр средневыпрямленного значения (рис. 2.3.) состоит из входного делителя напряжения ДН, широкополосного транзисторного усилителя ШУ, выпрямительного преобразователя Пр и магнитоэлектрического индикатора.
Рис 2.3. Структурная схема вольтметра высокой чувствительности
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, пропорциональная средневыпрямленному значению измеряемого напряжения.
Шкалу индикатора градуируют в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения.
Вольтметры, построенные по такой структурной схеме, характеризуются высокой чувствительностью (микро- и милливольты) и сравнительно узкой полосой частот измеряемых напряжений (1; 5; 10 МГц). Обе эти характеристики определяются усилителем переменного напряжения.
Вольтметр среднеквадратического (действующего) значения строится по структурной схеме рис. 2.3. Применяются преобразователи с квадратичной характеристикой, обеспечивающей измерение среднеквадратического значения напряжения любой формы. К таким преобразователям относятся, в первую очередь, термоэлектрические и оптронные.
Основная погрешность преобразования обусловлена неидентичностью параметров термопреобразователей, увеличивающейся с их старением, и составляет 2,5—6%.
Вольтметры постоянного напряжения.
Рассмотренный выше (рис. 2.2) 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.
Упрощенная структурная схема электронного микровольтметра приведена на рис. 2.4.
Рис.2.4. Упрощенная структурная схема микровольтметра постоянного тока
Измеряемое напряжение через фильтр Ф1 подавляющий помехи промышленной частоты, поступает на модулятор М, в котором постоянное напряжение преобразуется в переменное с частотой 42 Гц, задаваемой генератором ГНЧ. В качестве модулятора используют вибропреобразователь или схему на полевых транзисторах, обеспечивающую высокое входное сопротивление. Переменное напряжение усиливается усилителем У1, работающим на нувисторе, и У2 (на транзисторах).
Общее усиление достигает 333 333. Усиленное напряжение демодулируется синхронным детектором ДМ, управляемым тем же генератором ГНЧ. Демодулированное постоянное напряжение после интегрирования фильтром Ф2 и усиления усилителем постоянного тока У3 измеряется магнитоэлектрическим индикатором, градуированным в микро- или милливольтах.