4.3.2. Цифровые амперметры и омметры Цифровые амперметры

В настоящее время электронные амперметры постоянного и переменного токов преимущественно входят в состав комбинированных приборов (мультиметров).

При этом, как правило, цифровое измерение переменных токов достигается на основе использования измерительного преобразователя тока в напряжение постоянного тока. Это является наиболее целесообразным, так как методы измерения и схемотехника цифровых вольтметров постоянного тока достаточно хорошо разработаны. Упомянутые преобразователи обычно конструируются в виде сменных блоков-приставок, либо как встроенные функциональные узлы измерительного прибора. Обычно применяются преобразователи переменного напряжения двух видов: среднего и действующего значений. Первые выполняют на основе измерительных схем с одно- или двухполупериодным выпрямлением входного напряжения, вторые, более точные – на основе использования термоэлектрического преобразователя [30].

Для измерения величины постоянного и переменного токов используются преобразователи этих токов в напряжения, выполненные в виде высокоточных шунтов, падение напряжения на которых измеряется цифровым вольтметром непосредственно в случае постоянного тока, либо после преобразования переменного тока в постоянный в случае переменного тока.

Таким образом, цифровые амперметры любого типа построены на основе структурной схемы рис. 45, в которой выходное напряжение преобразователя «ток-напряжение» (ПТН) прямо пропорционально измеряемому входному току

Выходное напряжение преобразователя затем измеряется посредством цифрового вольтметра ЦВ. При этом в случае переменного тока ПТН дополнительно осуществляет функцию преобразования переменного тока в постоянный.

Рис. 45. Упрощённая схема цифрового амперметра

Современные преобразователи тока в напряжение, как и аналогичные типа «напряжение-ток» (ПНТ), «сопротивление-напряжение» (ПСН), «напряжение-частота» (ПНЧ), «напряжение-время» (ПНВ) и т. д. разработаны в интегральном исполнении [30] на основе операционных усилителей (ОУ), в которых сопротивление шунта в цепи обратной связи определяет требуемое выходное напряжение преобразователя, необходимое для нормальной работы ЦВ. Типовой схемой такого ПТН является «трансимпедансный усилитель» рис. 46 [30].

Рис. 46. Преобразователь «ток-напряжение» на ОУ

Данная схема вырабатывает выходное напряжение прямо пропорциональное входному току . Действительно, входное сопротивление преобразователя в таком включении ОУ определяется параллельным включением входного дифференциального сопротивления ОУ и сопротивления , уменьшенного цепью обратной связи в (1+К) раз [22], т. е.

, (12)

где – коэффициент усиления без обратной связи.

Так как Rвх ОУ очень велико (до 10 и более МОм), а К>>1, то реальное значение входного сопротивления оказывается очень малым из-за чрезмерно большого коэффициента усиления без обратной связи К [30].

. (13)

При этом входной ток полностью протекает через резистор , создавая на нём падение напряжения, которое и определяет инвертированное выходное напряжение ПТН:

. (14)

Таким образом, выходное напряжение пропорционально входному току, т. е. схема выполняет функцию преобразователя «ток-напряжение».

Следует отметить, что полученное в схеме незначительное входное сопротивление обладает существенно ценным свойством: оно практически не влияет на схему, в которой производится измерение тока, а выходное напряжение не зависит от нагрузки, на которую работает эта схема, т. е. такой ПТН очень хорошо согласуется со схемой ЦВ [30].

Выходное сопротивление ПТН определяется выходным дифференциальным сопротивлением ОУ и коэффициентом усиления цепи обратной связи :

; , (15)

где – внутреннее сопротивление источника входного сигнала;

k – коэффициент обратной связи.

Однако, рассмотренная схема ПТН пригодна для измерения тока неизолированного от земли (корпуса) источника, т. е. ток в этом случае течёт в общую точку (на корпус). Для получения изолированного от земли амперметра, позволяющего измерить ток любого незаземлённого источника, можно использовать схему на основе электрометрического вычитателя [30] с малым падением напряжения на входе амперметра (рис. 47).

Рис. 47. Незаземлённый амперметр с малым падением напряжения на его входе

Благодаря отрицательной обратной связи (ООС), осуществляемой посредством резисторов и , потенциал на инвертирующих зажимах ОУ V_N устанавливается равным потенциалу V_вх на входных зажимах амперметра, т. е. V_N=V_вх. Разность потенциалов между входами 1 и 2 амперметра также равна нулю, т. е. U_вх=0.

Предположим теперь, что в зажим 1 втекает ток I, тогда выходной потенциал ОУ2 благодаря ООС будет равен

V₂=V_вх-IR₁ (16)

Поскольку V_N=V_вх, то выходной потенциал ОУ1 будет равен

(17)

так как схема по обоим входам изолирована от земли, то должно выполняться условие , в противном случае разностный ток стечет с выходов ОУ на корпус. Из этого следует важное условие выравнивания

или . (18)

На вычитающий усилитель ОУ3 поступает разность V₁-V₂. В соответствии с формулами (17) и (18) его выходное напряжение составляет

. (19)

Если , то выходное напряжение амперметра

U_вых=2IR₁ (20)

т. е. выходное напряжение такого ПТН прямо пропорционально входному току I.

Однако, рассмотренные схемы ПТН пригодны для измерения относительно малых токов, соответствующих напряжению, не превышающему напряжения питания ОУ, которое для большинства ОУ составляет не более ±18 В [30]. Для измерения, больших токов наиболее пригодна схема ПТН на основе использования ОУ в неинвертирующим включении, в которой измеряемый ток I подаётся на неинвертирующий зажим ОУ с помощью измерительного шунта (рис. 48).

Рис. 48. ПТН для измерения больших токов

Как видно на рис. 48 в этом ПТН используется известная схема расширения пределов измерения тока с помощью шунта.

Выходное напряжение U_вых, необходимое для нормальной работы подключаемого к выходу ПТН цифрового вольтметра, определяется выражением

. (21)

Так как входное дифференциальное сопротивление ОУ очень велико, то входное сопротивление такого ПТН определяется полностью шунтом R_ш. Выходное сопротивление данного ПТН такое же, как и в схеме рис. 46. рассмотренного выше ПТН.

Для измерения тока при высоких потенциалах входного источника в [30] рекомендуется относительно простая схема амперметра с оптронами (рис. 49) с использованием изолированного усилителя.

Измери-тельный

оптрон

Опорный

оптрон

Рис. 49. Простой амперметр на основе изолированного усилителя на ОУ

В такой схеме измеряемый ток I протекает через светодиод оптической пары. При этом отпадает необходимость в изоляции от земли источника измеряемого тока. Для минимизации передаточной характеристики на выходе целесообразно включать опорный оптрон, выходной ток I₂ которого с помощью ОУ устанавливается таким, чтобы фототоки опорной и измерительной пар взаимно уничтожались. Если обе связи хорошо согласованы, то I₂=I.

Этот ток измеряется по создаваемому на заземлённом резисторе R падению напряжения, т. е. выходное напряжение преобразователя равно

. (22)

Недостатком такого ПТН является относительно большое для амперметров падение напряжения на входе цепи (от 1 до 2 В), обусловленное протеканием измеряемого тока через диод измерительного оптрона. Однако такое падение напряжения не столь существенно при высоких потенциалах входного источника [30].

В [30] приведена практическая схема преобразователя ток-напряжение (рис. 50) с диапазоном измерения тока от 200 нА до 2 А, выполненная на ОУ типа LF356 и предназначенная для подключения к цифровому вольтметру с пределом выходного напряжения = 200 мВ. Для выбора необходимого диапазона измерения тока при проектировании амперметра могут быть использованы соответствующие переключатели диапазона.

Рис. 50. Преобразователь ток-напряжение

Входной диапазон преобразователя по току составляет восемь декад, выбираемых в соответствии с таблицей.

Таблица

Диапазон тока	R1, кОм	R2, кОм	R3, кОм	R4, Ом
200 нА	500	500	0	∞
2 мкА	50	50	0	∞
20 мкА	5	5	0	∞
200 мкА	1	0	0	∞
2 мА	50	0	5	10
20 мА	50	0	5	1
200 мА	50	0	5	0,1
2 А	50	0	5	0,01