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, шкалу импульсных вольтметров градуируют в амплитудных значениях, а шкалу любого другого электронного вольтметра градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряжения синусоидальной формы.
Импульсные вольтметры. При измерении напряжения импульсной формы требуется определить высоту импульсов, т. е. значение 
. Для этой цели применяют электронные вольтметры с амплитудным преобразователем с открытым входом (см. рис. 2).
Результат измерения содержит погрешность, возникающую в связи с неполным зарядом конденсатора в течение длительности импульса 
и значительным разрядом конденсатора в интервале между импульсами 
. Абсолютная погрешность 
, относительная — 
. Погрешность тем больше, чем больше скважность.
Вольтметр амплитудного (пикового) значения (рис. 1) состоит из амплитудного преобразователя ЛПр, 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 диода Д с параллельно соединенными резистором R и конденсатором С. Если к зажимам I — 2 приложено напряжение 
от источника с внутренним сопротивлением 
, то конденсатор через диод заряжается до некоторого значения 
, 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 
, когда 
, и конденсатор подзаряжается импульсом тока 
до напряжения 
; постоянная времени заряда 
, где 
— сопротивление открытого диода. Затем диод закрывается и конденсатор разряжается через резистор R в течение интервала 
; постоянная времени разряда 
.
Постоянные времени должны отвечать следующим условиям: 
и 
, где 
, и 
— границы частотного диапазона вольтметра. Очевидно, что 
и 
.
Результатом амплитудного преобразования является среднее значение слабопульсирующего напряжения , которое в отличие от Um называют пиковым значением 
:
, (1)
где 
— угол отсечки тока диода. Он равен:
(2)
где
(3)
— сопротивление нагрузки преобразователя с учетом входного сопротивления усилителя постоянного тока 
.
Для оценки Um и 
по формуле (1) подставим в (2) и (3) практические значения сопротивлений; R= 80 МОм, 
, 
; сопротивлением 
пренебрегаем; находим 
, и 
. Таким образом, 
.
Напряжение 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 входом (рис. 3) представляет собой последовательное соединение конденсатора постоянной емкости С с параллельно соединенными диодом Д и резистором R. Процесс преобразования переменного напряжения в постоянное аналогичен рассмотренному выше, с тем отличием, что на зажимах 3 — 4 имеются значительные пульсации напряжения, для сглаживания, которых предусмотрен фильтр 
.
Процессы преобразования пульсирующего напряжения преобразователем с открытым и закрытым входом различны и зависят от полярности подключения к входным зажимам 1 — 2 постоянной составляющей пульсирующего напряжения. Если на вход амплитудного преобразователя с открытым входом включено пульсирующее напряжение так, что «+» постоянной составляющей приложен к аноду диода, то выходное напряжение 
, где 
- постоянная составляющая, 
- амплитуда положительного полупериода переменного составляющей (рис. 4, а).
Если к аноду диоду приложен «-» постоянной составляющей, то диод закрыт все время и преобразования нет. Если к аноду амплитудного напряжения с закрытым входом приложено пульсирующее напряжение, то конденсатор С заряжен постоянной составляющей 
и преобразователь реагирует только на переменную составляющую: если к аноду диода приложен «+», то выходное напряжение 
, а если «—», то 
(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.
Частотные свойства амплитудного преобразователя определяются его эквивалентной схемой (рис. 5, а). Здесь 
, 
и 
, 
— индуктивности и сопротивления проводов, соединяющих внешние зажимы 1—2 с внутренними точками схемы 3—4; Свх — сумма всех паразитных емкостей, имеющихся на входе: между зажимами 1 — 2, 3—4, соединительными проводами 1 — 3, 2 — 4, а также междуэлектродная емкость диода 
; 
— активное входное сопротивление вольтметра, нагружающее источник измеряемого напряжения.
Сопротивление определяется в основном двумя составляющими; тепловыми (
) потерями в диоде Д и резисторе 
(см. рис. 2, а и 3), а также потерями в диэлектрике 
входной емкости 
. Обе составляющие действуют параллельно, и потому 
.
В преобразователе с открытым входом 
, с закрытым входом — 
. Известно, что потери в диэлектрике возрастают с частотой, поэтому сопротивление, эквивалентное потерям, уменьшается: 
, где 
— угол потерь. Отсюда следует, что по мере возрастания частоты измеряемых напряжений входное сопротивление уменьшается (рис. 5, б). Практически на низких частотах 
составляет единицы мегаом, а на высоких — десятки и даже единицы килоом.
Амплитудные (пиковые) вольтметры характеризуются невысокой чувствительностью (порог чувствительности 
) и широкой полосой частот (до 1 ГГц). Если применить пиковый вольтметр с закрытым входом, то потеря постоянной составляющей импульсного напряжения вызывает погрешность и при малой скважности. Поэтому в технических характеристиках импульсных вольтметров, выполненных с амплитудным преобразованием, указаны предельные значения длительностей импульсов и их скважностей, при которых показания вольтметра содержат нормированные погрешности.
Для точных измерений импульсных напряжений преимущественно применяются вольтметры компенсационные (рис. 6, б). Здесь амплитудное значение измеряемого напряжения, заряжающее конденсатор С через диод Д, компенсируется (уравновешивается) постоянным образцовым напряжением 
(рис. 6, в). В момент компенсации ток гальванометра равен нулю и образцовое напряжение равно 
. Значение UK образцового напряжения измеряется точным вольтметром постоянного тока.
С помощью вольтметров компенсационного типа можно также измерять амплитудное значение синусоидального напряжения и напряжение постоянного тока. Погрешность определяется чувствительностью указателя компенсации — гальванометра и точностью установки и измерения образцового напряжения. Для этой цели часто применяют цифровые вольтметры. Для измерения очень коротких импульсов разработаны более совершенные вольтметры с автокомпенсацией (рис, 7). Принцип автокомпенсации заключается в преобразовании измеряемого напряжения в компенсирующее с последующим точным измерением его значения.
Входной импульс через диод Д заряжает конденсатор 
до значения 
, что обеспечивается малой постоянной времени цепи заряда 
соизмеримой с длительностью импульса 
(емкость конденсатора 
— единицы пикофарад). На конденсаторе С2 образуется напряжение UC2, которое через резистор 
поступает на конденсатор в качестве компенсирующего. Элементы нагрузки второго детектора 
и 
выбираются так, чтобы их постоянная времени была много большей длительности периода следования измеряемых импульсов: 
. Конденсатор С2 в интервалах между импульсами разряжается незначительно. На вход усилителя У поступает разность напряжений 
; выходное напряжение усилителя детектируется и подзаряжает конденсатор С2. Чем больше коэффициент усиления усилителя, тем ближе значение 
к . Напряжение измеряется цифровым вольтметром постоянного тока ЦВ.
Преимущества автокомпенсационных вольтметров заключаются в отсутствии индикатора момента компенсации — гальванометра и источника образцового напряжения, а также в уменьшении погрешности измерения.
Расчет делителя
Пределы измерения выбираются кнопочным переключателем путем включения соответствующего резистора R8 (рис.8) в цепь питания стрелочного прибора (микроамперметра).
Рис.8. Схема выбора пределов измерения.
Делитель 1:10 напряжения смешанного типа представлен на рис. 9:
Рис.9. Делитель напряжения.
Для расчета делителя напряжения 1:10 запишем соотношение для коэффициента преобразования:
, 
- комплексные сопротивления ветвей с параллельными , и , 
. Для того чтобы 
был частотно-независимым, надо чтобы выполнялось условие:
, если это выполнено, то получим:
.
Тогда для делителя 1:10 получим:
.
Примем 
, 
. А для емкостей получим:
. Примем 
, тогда 
Пределы измерений
Прибор имеет четыре предела измерения амплитуды импульсов: 2, 5, 10 и 20 В.
Погрешности
Погрешность измерения амплитуды исследуемого напряжения определяется разрядом конденсатора за период измеряемого напряжения:
,
где Т — период измеряемого сигнала; 
— постоянная времени цепи разряда.
Относительная погрешность измерения 
считая, что 
получаем: 
или с учетом разложения в ряд функции:
,
ограничиваясь первыми двумя членами ряда, имеем:
,
Где 
- частота
Из выражения следует, что погрешность тем больше, чем ниже частота измеряемого напряжения. Основная погрешность связана с частотой следования импульсов. Дополнительная связана со скважностью импульсов и их длительностью.
Выводы
Используя электронную схему регистрации напряжения при помощи амплитудного преобразователя с открытым или с закрытым входом можно измерить пиковое напряжение, что позволяет измерять импульсные напряжения.
Измерение импульсных напряжений при помощи компенсационных и автокомпенсационных вольтметров позволяет достичь большей точности.