1.2.2. Обзор методов измерений

Существуют следующие методы измерения действующего значения напряжения. Один из них основан на промежуточном преобразовании энергии измеряемого сигнала в тепловую. Наиболее употребляемый из тепловых методов – термоэлектрический с использованием специальных термопар. Существуют преобразователи, основанные на измерении тока транзистора или терморезистора, подогреваемых расположенными возле них нагревательными элементами. Возможно использование термоэмиссионных преобразователей, в которых исследуемый сигнал подогревает катод вакуумного диода, а о среднеквадратичном значении судят по току диода. Тепловые термопреобразователи имеют значительную тепловую инерционность и совмещают операции возведения в квадрат и усреднения.

Другая группа методов основана на использовании малоинерционных нелинейных элементов, с помощью которых определяют квадрат напряжения. В простейшем случае таким элементом может быть диодный детектор в режиме квадратного детектирования. Такой метод применяется при измерении мощности на сверхвысоких частотах.

Наконец, действующее значение сигнала можно измерять цифровыми методами. Для этого сигнал дискретизируют, измеряют его период, а затем в цифровой форме проводят необходимые вычисления. Для получения высокой точности преобразования интервала число дискретных отсчетов на периоде измеряемого напряжения должно составлять порядка 1000, поэтому при ограниченном быстродействии АЦП частота сигнала составляет до одного килогерца. Цифровой метод реализуют в универсальных измерителях параметров сигналов, построенных на основе ЭВМ.

Иногда цифровые методы сочетают с аналоговыми, например, возведение в квадрат и усреднение производят аналоговыми методами, а извлечение корня – цифровыми с помощью встроенной микропроцессорной системы. В таких приборах широкая полоса пропускания сочетается с высокой точностью преобразований.

Электронные вольтметры переменного тока выполняются по двум структурным схемам (рис. 6).

Рис. 6. Структурные схемы электронного вольтметра переменного тока

В первой из этих схем измеряемое переменное напряжение сигнала преобразуется в постоянное при помощи детектора, а затем усиливается и воздействует на измерительный механизм.

Во второй схеме усиление производится на переменном токе (для этого служит усилитель переменного тока) и лишь затем предварительно усиленный сигнал выпрямляется детектором и отклоняет стрелку измерительного механизма. Эти схемы дополняют друг друга, и каждая из них обладает своими преимуществами и недостатками. По первой схеме могут строиться вольтметры, обладающие широким частотным диапазоном (20 Гц – 1000 МГц), но они не способны измерять напряжение меньше нескольких десятых долей вольта, т.к. детектор выпрямляет только достаточно большие напряжения. Вторая схема позволяет строить чувствительные вольтметры, нижний предел измерения которых составляет лишь единицы микровольт. Однако эти приборы имеют меньший частотный диапазон, т. к. частотный диапазон усилителя переменного тока трудно сделать большим.

Детекторы, применяемые в электронных вольтметрах, служат для выпрямления переменного тока и подразделяются на детекторы средневыпрямленного, амплитудного и среднеквадратичного (действующего) значений. Первые представляют собой выпрямители на полупроводниковых диодах – такие же, как в приборах выпрямительной системы. Вторые обычно содержат диод и конденсатор, который заряжается до амплитудного значения измеряемого напряжения.

А детекторы среднеквадратичного значения используют квадратичный участок вольтамперной характеристики диода или диодной цепочки, и в итоге среднее значение напряжения на входе детектора является пропорциональным квадрату среднеквадратичного значения измеряемого напряжения.