>-

Входное

меритель магнитоэлектрической системы РА. Усилитель обеспечивает высокое входное сопротивление вольтметра до нескольких десятков мегаом и повышает его чувствительность.

Электронные вольтметры переменного тока и импульсные выполняют по одной их схем: усилитель переменного тока-выпрямитель (называемый детектором)-измеритель (рис. 10.5,а) или детектор-УПТ-измеритель (рис. 10.5,6). По схеме рис. 10.5,а изготавливают милливольтметры (микровольтметры). Однако у таких вольтметров верхняя граница области рабочих частот не превышает нескольких мегагерц. По схеме на рис. 10.5,6 вьтолняют вольтметры с верхней границей области рабочих частот в несколько сотен мегагерц. Однако такие вольтметры имеют низкую чувствительность (нижняя граница диапазона измерения-не ниже нескольких десятых вольта).

Универсальные вольтметры строятся по структурной схеме, изображенной на рис. 10.6.

Свойства электронных вольтметров в значительной мере определяются видом примененного детектора. В электронных вольтметрах применяют пиковые (амплитудные) детекторы с открытым входом (рис. 10.7), пиковые детекторы с закрытым входом (рис. 10.8), детекторы средне-квадратического значения (квадратичные детекторы) (рис. 10.9, 10.10) и детекторы средне-выпрямленного значения (рис. 10.11). Параметры конденсаторов и резисторов пиковых детекторов выбирают в зависимости от области рабочих частот вольтметра и амплитуды измеряемого напряжения. Обычно С = 100... 10000 пФ, R =40... 100 МОм.

Среднее значение (т. е. постоянная составляющая) напряжения на выходе детектора по схеме на рис. 10.7 практически (с погрешностью не более 1... 2%) равно максимальному значению измеряемого напряжения (с учетом и его постоянной составляющей). Среднее значение напряжения на выходе детектора по схеме на рис. 10.8 практически равно пиковому отклонению вверх измеряемого напряжения над его постоянной составляющей (постоянная состав ляющая не проходит на выход детектора-вход детектора закрыт для постоянной составляющей).

в квадратичных детекторах с открытым входом (рис. 10.9) квадратор должен иметь вольт-амперную характеристику вида i = bu(t). Постоянная составляющая напряжения на выходе ФНЧ такого детектора прямо пропорциональна среднеквадратическому значению измеряемого напряжения.

в квадратических детекторах с закрытым входом (рис. 10.10) квадратор должен иметь вольт-

Входное

г

Рис. 10.6

Рис. 10.7

>-

и it) с

Рис. 10.8

Рис. 10.9

Рис. 10.11

амперную характеристику вида i = bu(t) или i = au(t) + bu(t). Постоянная составляющая напряжения на выходе ФНЧ квадратичного детектора с закрытым входом прямо пропорциональна среднеквадратическому значению переменной составляющей измеряемого напряжения. Емкость разделительного конденсатора Ср выбирается в пределах 100... 10000 пФ; емкость блокировочных конденсаторов С^ может составлять несколько десятков микрофарад. Постоянная составляющая напряжения на выходе ФНЧ детектора средневыпрямленного значения с открытым входом (рис. 10.11) прямо пропорциональна средне-выпрямленному значению измеряемого напряжения, в качестве ФНЧ наиболее часто используют фильтр RC типа.

Таблица 10.9. Аналоговые электронные вольтметры

Тип

Конечные значения шкал Класс точности Рабочая область частот

Таблица 10.10. Аналоговые импульсные вольтметры

Тип Диапазон измерения Класс точности Длительность Частота повторения Скважность R С„

импульса импульса импульса

В4-12 1... ЮООмВ; 100В 4,0...10,0 0,1... 300мкс50Гц... ЮОкГц 2... 200000 1 МОм 10 пФ

В4-14 (с делителем) 4,0...10,0 Знс...100мкс25Гц...50МГц - 3 кОм 12 пФ 0,01 ... 100 В

Основные технические характеристики некоторых аналоговых электронных вольтметров, выпускаемых отечественной промышленностью, приведены в табл. 10.9, 10.10.

Цифровые вольтметры

в цифровых вольтметрах результат измерения представляется цифрами, что исключает ряд субъективных погрешностей. Сигналы, вырабатываемые цифровыми вольтметрами в процессе измерения напряжения, удобны для их использования в цифровых вычислительных и регистрируюших машинах, АСУ и т. д. Точность цифровых вольтметров обычно существенно выше точности аналоговых вольтметров.

Наибольшее распространение получили цифровые вольтметры постоянного тока. Для измерения переменных напряжений такие вольтметры комплектуются съемными детекторами. Разработаны также цифровые вольтметры прямого (без детекторов) измерения переменного напряжения.

В основу работы цифровых вольтметров положен принцип преобразования аналоговой (непрерывной) величины в дискретную. По способу такого преобразования различают цифровые вольтметры с времяимпульсным преобразованием, вольтметры с поразрядным уравновешиванием и др.

Структурная схема цифрового вольтметра постоянного тока с времяимпульсным преобразованием дана на рис. 10.12. На рис. 10.13 приведены временные диаграммы напряжения в характерных точках схемы (эти точки обозначены цифрами в кружках), поясняющие работу вольтметра. Суть времяимпульсного преобразования состоит в том, что измеряемое напряжение преобразуется в интервал времени, прямо пропорциональный этому напряжению, а затем

© -Г*

Входное устройство

1 ,

Ux I \KamSpa- тор , >П--fTT

Рис. 10.12

®

®

®

®

и. ®

су-г

®

геи

1 Г

т

УЦО

Таблица 10.11. Цифровые вольтметры

Тип

Диапазон измерения

Погрешность измерения Рабочая область частот

ВК2-20

В4-13

B2-29**

2мВ...200В + (0,3 + 0,1)и„ /и„% Постоянный ток 1... 100МОм 0,2 мкА... 2А

и„ :0,1...150В + (0,005и, + 0,02), В 10Гц...1МГц 50; 75; 150; 100 Ом

и :0,1...130В + (0,005 и, + 0,02), В ЮГц... ЮОкГц 1 МОм 35пФ

и=:0,1...150В + (0,005U, + 0,02),В Постоянный ток 1 МОм

и, = + 1В +[0,1 +0,03 (U pJU.-- 1)],%

100 МОм

* и,-значение измеряемой величины; U p,. -конечное значение диапазона показаний. ** Встраиваемый вольтметр.

интервал времени измеряется с помощью счетных импульсов, следующих через известный малый интервал времени Т, и подсчитываемых электронным счетчиком импульсов.

Напряжение измеряется циклами, которые задаются управляющим устройством УУ. Управление циклами может быть ручным или автоматическим (с помощью реле времени). В начале цикла УУ запускает генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН и сбрасывает на нуль счетчик импульсов СИ. В момент t, (рис. 10.13, 1,2) срабатывает сравнивающее устройство СУ-1 и выдает импульс (рис. 10.13, 3). Триггер Т этим импульсом перебрасывается в состояние 1 (рис. 10.13, 5) и открывает временной селектор ВС, на вход 6 которого подано напряжение кварцевого генератора счетных импульсов ГСИ (рис. 10.13, 6). Счетные импульсы через открытый ВС поступают на СИ (рис. 10.13,7). В момент tj напряжение ГЛИН сравняется с измеряемым ис. 10.13, 1, 2) и СУ-2 выдаст импульс (рис. 10.13,4), которым триггер Т возвратится в состояние О (рис. 10.13,5). Временной селектор закрывается, счет импульсов прекращается.

За время действия стробирующего импульса At на счетчик СИ пропшо ш импульсов. Их количество определяет измеряемое напряжение и.:

At = mT.,U, = AttgP; и, = шТ, tgP = mK.

На выбранном пределе измерения К постоянно, так как зависит лишь от скорости изменения напряжения ГЛИН и периода следования счетных импульсов Т,. Обычно параметры выбирают так, что К = 10°, где п = О, ± 1, + 2,... При этом и, = 10 т и переключение пределов измерения равноценно переносу запятой на табло устройства цифрового отсчета УЦО.

Погрешность измерения напряжения вольтметром слагается из погрешности образцового (линейно изменяющегося) напряжения ГЛИН, погрешности, сравнивающих устройств СУ-1 и СУ-2, погрешности дискретности,связанной с возможностью счета лишнего импульса или недосчета нужного импульса, соответствующих интервалам действия фронта и среза стробирующего импульса (рис. 10.13,5), а также погрешности интервала Т,.

Характеристики некоторых цифровых вольтметров промышленного изготовления даны в табл. 10.11.

Зависимость показаний вольтметров и амперметров от формы измеряемого сигнала

Вольтметры разных систем или с разными типами детекторов при измерении одного и того же напряжения могут давать разные показания. Например, при измерении постоянного напряжения вольтметры магнитоэлектрической системы дадут показания, равные постоянной составляющей этого напряжения, а показания вольтметров, имеющих детекторы с закры-тым входом, покажут 0. При измерении же напряжения синусоидальной формы вольтметры магнитоэлектрической системы покажут О, а электронные вольтметры в зависимости от типа детектора дадут показания, прямо пропорциональные амплитуде, среднеквадратическому или средневыпрямленному значению измеряемого напряжения. Таким образом, для правильной оценки результатов измерений и нахождения интересующего значения измеряемого напряжения нужно знать систему примененного в приборе измерителя, тип детектора, схему входа (открыта или закрыта) и характер градуировки шкалы (шкала прибора переменного тока может градуироваться в пиковых или среднеквадратических значениях синусоидального напряжения).

Следует помнить, что оцифровка шкалы вольтметра с пиковым детектором при его градуировке на синусоидальном напряжении в среднеквадратических значениях уменьшается в y/l да 1,41 раза по сравнению с пиковым (амплитудным) значением, имеющимся на входе вольтметра. Оцифровка шкалы вольтметра с детектором средневыпрямленного значения при его градуировке в среднеквадратических значениях на синусоидальном напряжении увеличивается в 1,11 раза.

Пример. Требуется измерить напряжение, имеющее форму периодической последовательности однополярных прямоугольных импульсов (рис. 10.14), и определить ожидаемые показания