Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока

ГЛАВА 6

АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Общие сведения

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

Различают аналоговые электронные вольтметры постоянного, переменного, импульсного токов, фазочувствительные, селективные, универсальные, которые используют для измерения напряжения в радиоэлектронных цепях.

Аналоговые электронные вольтметры постоянного тока по сравнению с магнитоэлектрическими вольтметрами имеют большое входное сопротивление (порядка 30 МОм) и высокую чувствительность. Значение входного сопротивления неизменно при переключении пределов измерения.

Схема аналогового электронного вольтметра постоянного тока представлена на рис. 6.1.

 

Рис. 6.1. Схема электронного вольтметра постоянного тока

 

Вольтметр состоит из входного устройства — высокоомного резистивного делителя напряжения; электронного преобразователя— усилителя постоянного тока; электромеханического преобразователя — магнитоэлектрического микроамперметра.

Усилитель постоянного тока (УПТ) предназначен для повышения чувствительности вольтметра, является усилителем мощности, увеличивающим мощность сигнала до уровня, необходимого для приведения в действие магнитоэлектрического измерителя. УПТ должен обладать высокой линейностью амплитудной характеристики, постоянством коэффициента ' усиления, малым дрейфом нулевого уровня.

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

Для уменьшения дрейфа нулевого уровня, кроме стабилизации питающих напряжений, усилитель выполняют по мостовой балансной схеме. Расширение пределов измерения осуществляется с помощью делителя и сопротивления обратной связи.

Аналоговые электронные вольтметры переменного тока строятся по схемам: 1) преобразования переменного напряжения в постоянное и дальнейшего усиления постоянного напряжения (рис. 6.2, а); 2) усиления переменного напряжения и дальнейшего преобразования переменного напряжения в постоянное (рис. 6.2,6).

Вольтметры, построенные по первой схеме, характеризуются широким частотным диапазоном 20 Гц — 1000 МГц, но недостаточно высокой чувствительностью. Вольтметры, построенные по второй схеме, характеризуются сравнительно узким частотным диапазоном 10 Гц — 20 МГц, определяемым полосой пропускания усилителя переменного тока, но более высокой чувствительностью.

 

Рис. 6.2. Схемы электронных вольтметров переменного тока

 

Универсальные аналоговые электронные вольтметры, предназначенные для измерений в цепях постоянного и переменного токов, реализуются по схеме, показанной на рис. 6.3.

Характеристики аналоговых электронных вольтметров переменного тока и характер их шкал в основном определяются схемой электронного преобразователя (детектора). Различают преобразователи амплитудного, средневыпрямленного, среднеквадратического значений, преобразующие переменное напряжение в постоянное, пропорциональное по уровню соответственно амплитудному, средневыпрямленному и среднеквадратическому значениям измеряемого напряжения.

 

Рис. 6.3. Схема универсального аналогового электронного вольтметра

 

 

 

Рис. 6.4. Схема аналогового электронного вольтметра В7-26

 

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

По частотному диапазону аналоговые электронные вольтметры переменного тока делятся на низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные. На рис. 6.4 показана схема универсального аналогового электронного вольтметра В7-26 для измерения напряжения в цепях постоянного тока U_, переменного тока низкой U_~н.ч и высокой U_~в.ч частот.

Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока

Входное устройство обеспечивает значения измеряемого напряжения, необходимые для дальнейшего преобразования. В зависимости от амплитудного и частотного диапазонов измеряемого напряжения входное устройство представляет собой либо высокоомный вход преобразователя, либо резистивный делитель, либо резистивно-конденсаторный делитель.

Преобразователи амплитудного значения. В таких преобразователях показания α микроамперметра пропорциональны амплитудному значению измеряемого напряжения u(t), т. е. α = kUmax. На рис. 6.5, а, б приводятся схемы преобразователей амплитудного значения соответственно с открытым и закрытым входами.

В преобразователе амплитудного значения с открытым входом диод VD включен последовательно с высокоомным резистором R и непосредственно связан с объектом измерения. Параметры преобразователя подобраны таким образом (R>>R_np, R = 50 - 100 МОм, С = 0,02 - 0,05 мкФ), чтобы при первой положительной полуволне измеряемого напряжения u(t) = U_max sin ωt большим импульсом тока i_д через открытый диод VD с сопротивлением R_np осуществлялся быстрый заряд конденсатора С до некоторого значения напряжения U_cl (рис. 6.6) и медленный разряд на резистор R+R_и с момента, когда u(t)< U_cl и при отрицательной полуволне напряжения u(t). Постоянные времени заряда R_пpC и разряда RC связаны условием RC>> R_пpC (сопротивление R_и микроамперметра не учитывается из-за малого значения).

Рис. 6.5. Схемы преобразователей амплитудного значения с открытым (а) и закрытым (б) входами

 

Рис. 6.6. Временные диаграммы напряжения, поясняющие работу амплитудного преобразователя с открытым входом

 

При второй положительной полуволне u(t) = U_max sin ωt конденсатор С вновь подзарядится до напряжения U_c2>U_c1. При значении постоянной разряда, много большем периода Т измеряемого напряжения, примерно через (3—4) Т конденсатор зарядится до амплитудного значения измеряемого напряжения Umax, т.е. U_c≈U_max, Показания магнитоэлектрического микроамперметра определяются средним разрядным током I_ср = I_и=U_c/R = U_max/R, пропорциональным амплитудному значению измеряемого напряжения.

Если измеряемое напряжение u(t), подаваемое на вход преобразователя амплитудного значения с открытым входом, содержит кроме переменной еще и постоянную составляющую, т.е. u(t) = U₀+U_max sin ωt, то показания микроамперметра будут пропорциональны сумме U₀+U_max.

 

Рис. 6.7. Временные диаграммы, поясняющие работу амплитудного преобразователя с закрытым входом

 

Большое практическое применение имеет преобразователь амплитудного значения с закрытым входом (см. рис. 6.5, б),-в котором диод VD включен параллельно высокоомному резистору R (такая схема используется в универсальных аналоговых электронных вольтметрах). При положительной полуволне измеряемого напряжения и (t) = U_max sin ωt конденсатор С заряжается через диод VD сопротивлением Rnp приблизительно до амплитудного значения U_max, а при отрицательной полуволне измеряемого напряжения диод VD будет заперт, поэтому заряженный конденсатор разряжается на резистор R, но так как постоянная времени разряда RC конденсатора велика по сравнению с периодом Т измеряемого напряжения, то конденсатор С не успевает разрядиться за период и напряжение на нем остается примерно равным U_max

К резистору R приложено напряжение, равное разности измеряемого напряжения u(t) и напряжения на конденсаторе Uc=U_max, т.е. u_R(t)=u(t)—Uc = U_max sin ωt —U_max.

Напряжение uR(t) на резисторе R повторяет форму измеряемого напряжения u(t), но смещено на амплитудное значение (рис. 6.7), т.е. пульсирует от 0 до —2U_max. Микроамперметр, включенный в цепь резистора R, реагирует на среднее значение тока в цепи I_ср = I_и = U_max/R. Так как напряжение uR(t) пульсирует от 0 до —2 U_max, то, чтобы уменьшить пульсации тока через прибор, в реальных схемах аналоговых электронных вольтметров напряжение u_R(t) подается на вход усилителя постоянного тока через сглаживающий фильтр низкой частоты, а микроамперметр включается на выходе УПТ (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Реальная схема амплитудного преобразователя с закрытым входом

Рис. 6.9. Схема преобразователя средневыпрямленного значения

 

Если измеряемое напряжение u(t), поданное на преобразователь амплитудного значения с закрытым входом, содержит кроме переменной еще и постоянную составляющую, т.е. u(t) = U₀+U_max sin ωt, то при действии напряжения u(t) конденсатор зарядится до значения Uc = U_max+U_o и напряжение на резисторе R будет

Постоянные составляющие измеряемого напряжения и напряжения на конденсаторе С друг друга взаимно компенсируют на резисторе R. Таким образом, микроамперметр в преобразователе амплитудного значения с закрытым входом реагирует только на переменную составляющую напряжения u(t).

Преобразователи средневыпрямленного значения. В преобразователях средневыпрямленного значения (рис. 6.9) показания а микроамперметра пропорциональны средневыпрямленному значению U_ср.в измеряемого напряжения u(t), т.е. α=kU_ср.в. Преобразователи выполняют на полупроводниковых диодах, работающих в цепях одно- и двухполупериодного выпрямления. Работа диодов осуществляется на линейном участке вольт-амперной характеристики.

Наиболее распространенные схемы — мостовые (см. § 5.3). Они работают следующим образом. Ток через микроамперметр протекает в одном и том же направлении в течение обоих полупериодов переменного напряжения (в положительный полупериод по цепи VD2—R—VD3, а в отрицательный полупериод — по цепи VD4—R—VD1). При использовании линейного участка характеристики диода и при открытом входе показания микроамперметра пропорциональны средневыпрямленному значению измеряемого напряжения

 

U_{ср в} = (1/Т) ׀u(t)׀ dt.

 

Если же вход преобразователя закрытый, то показания микроамперметра пропорциональны только средневыпрямленному значению переменной составляющей измеряемого напряжения.

Рис. 6.10. Схема квадратического преобразователя (а) и диаграмма напряжения (б)

Преобразователи среднеквадратического значения. В преобразователях среднеквадратического значения, (рис. 6.10, а) показания а микроамперметра пропорциональны квадрату среднеквадратического значения измеряемого напряжения u(t), т.е. α = kU². Преобразователи выполняются на элементах с квадратичной вольт-амперной характеристикой, при этом ток через микроамперметр пропорционален квадрату среднеквадратического значения измеряемого напряжения, поданного на вход преобразователя, т.е. i_и=βu²(t). При

u(t) = U_max sin ωt ток

i_и(t) = βU²_max sin² ωt = βU²_max [(1 - cos 2ωt)/2].

Так как выходной прибор представляет собой магнитоэлектрический микроамперметр, он будет реагировать на среднее значение тока I_и= βU²_max/2 = βU².

Аналогичное доказательство можно выполнить для измеряемого напряжения u(t) любой формы:

где k — номер гармоники; U_{max k}, U_k — соответственно максимальное и среднеквадратическое значения измеряемого напряжения k-й гармоники.

Для увеличения протяженности квадратичного участка вольт-амперной характеристики используются преобразователи на диодных цепочках. Напряжение U создает на резисторах R4 и R5 соответственно напряжения смещения U₁ и U₂. Если входное напряжение u(t) не превышает значения U₁, то ток i=i₁ протекает через диод VD1, если U_l<u(t)<U₂, то — через диоды VD1 и VD2, в результате чего крутизна зависимости тока от напряжения увеличивается (рис. 6.10,6). Ток, протекающий через прибор, i_и=i₁+i₂; если u(t)>U₂, то ток протекает через диоды VD1 — VD3 и тогда i_и=i₁+i₂+i₃ крутизна зависимости увеличивается еще больше. Подбирая параметры цепи, можно осуществить кусочно-линейную аппроксимацию вольт-амперной характеристики отдельных диодов и увеличить протяженность квадратичного участка преобразователя.

Преобразователи среднеквадратического значения, преимущественно применяемые в электронных вольтметрах, строятся на термоэлектрических элементах (рис. 6.11), в которых электрическая энергия преобразуется в тепловую и используется квадратичная зависимость термо-ЭДС от тока нагревателя, или, что то же, — от входного напряжения.

 

 

Рис. 6.11. Преобразователь среднеквадратического значения с термопреобразователями

 

 

Термопреобразователь состоит из нагреватели Н и термопары Т. В схеме используются два бесконтактных термопреобразователя ТП₁ и ТП₂, включенных встречно. Термопреобразователь ТП₁ включен между выходом усилителя напряжения переменного тока и входом УПТ. Мощность, подводимая к нагревателю ТП₁, равна P₁ = K₁U²_BX. ЭДС, развиваемая термопарой ТП₁, пропорциональна Р₁,т. е.

E_T1 = K₂P₁ = K₃U²_вx

После подачи измеряемого напряжения U_BX ЭДС Е_Т1 начинает нарастать и на выходе УПТ появляется напряжение, создающее ток в нагревателе ТП₂. ЭДС, развиваемая термопарой,

E_Т2 = K₄P₂ = К₀I²_вых,

где I_вых — выходной ток УПТ, протекающий по нагревателю ТП₂.

Нарастание I_вых продолжается до некоторого установившегося значения, соответствующего значению U_BX. Параметры схемы выбирают такими, что напряжение на входе УПТ определяем из E_T1-E_T2 = 0. Подставив в данное уравнение значения Е_Т1 и Е_T2, получим линейную зависимость постоянного тока I_вых, пропорционального входному напряжению I_вых=KU_вх. Шкала выходного микроамперметра будет равномерной. Частотный диапазон вольтметров от 20 Гц до 10 МГц.

Преобразователи среднеквадратического значения строятся также на полевых транзисторах.