3. Структурные схемы аналоговых вольтметров

Аналоговый электронный вольтметр посто­янного тока состоит из входного устройства, усилителя постоянного тока (УПТ) и магнитоэлектрической системы (МЭС) – стрелочного прибора (рис.А.5).

В настоящее время аналоговые электронные вольтметры посто­янного находят ограниченное применение, так как они по своим техническим свойствам сильно уступают цифровым вольтметрам по­стоянного тока .

В отличие от вольтметров постоянного тока входные устройства вольтметров переменного тока рассчитаны на переменный сигнал, а их нагрузкой является детектор (Д). Уровень входных напряжений для таких вольтметров может достигать сотен вольт, а частотный диапазон – сотен мегагерц.

Чтобы обеспечить необходимую точность вольтметра, к УПТ, применяемым в электронных вольтметрах, предъявляются жесткие требования в отношении линейности амплитудной характеристики, постоянства коэффициента усиления, температурного и временного дрейфа нуля. При построении электронных вольтметров для измерения малых на­пряжений эти требования не всегда могут быть удовлетворены. Поэтому электронные вольтметры переменного тока для измерения малых напряже­ний имеют в своем составе усилитель переменного тока. Из – за трудностей создания широкополосных усилителей частотный диапазон милливольтметров не превышает сотен килогерц.

Основное различие схем вольтметров определяется детектором - преобразователем переменного входного сигнала в постоянный сигнал.

Тип детектора во многом определяет свойства прибора: вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с детекторами среднего квадратического зна­чения позволяют измерять напряжение любой формы; вольтметры средневы­прямленного значения измеряют только гармонические сигналы, но являются самыми простыми и надежными.

Одним из достоинств аналоговых вольтметров с амплитудным детектором является независимость показаний прибора от формы сигнала. Обычно шка­ла амплитудных вольтметров градуируется в средних квадратических значе­ниях синусоидального напряжения, т.е. показания прибора: .

Детектор среднего квадратического значения преобразует переменное входное напряжение в постоянное, пропорциональное корню квадратному из среднего квадрата мгновенного значения напряжения. Значит, измерение действующего напряжения связано с выполнением трех последовательных операций: возведение в квадрат мгновенного значения сиг­нала, усреднение и извлечение корня из результата усреднения (последняя опе­рация обычно осуществляется при градуировке шкалы вольтметра). Возведе­ние в квадрат мгновенного значения, как правило, производят ячейкой с полу­проводниковым элементом путем использования квадратичного участка его характеристики, как правило, этот участок создается искусственно.

На рис. А.6, а представлена схема детектора среднеквадратического значения, где выделена одна диодная ячейка, с помощью набора которых выполняется кусочно-линейная аппроксимация вольт – амперной характеристики детектора (рис.10.2, б). В частности, постоянное напряжение с делителя приложено к диоду таким образом, что он оказывается за­крытым до тех пор, пока измеряемое напряжение на резисторе не превысит величины . Аналогично работают и последующие ячейки, для диодов которых запирающими являются напряжения Е₂ и Е₃.

При малом входном напряжении ток через миллиамперметр равен Когда входное напряжение открывается диод и параллельно резистору подключается делитель напряжения В результате крутизна вольтамперной характеристики на участке от до возрастает (см. рис. 10.2, б); суммарный ток, проте­кающий через миллиамперметр, станет Когда выполнится условие откроется диод и ток миллиамперметра При вы­полнении условия откроется диод и суммарный ток, протекаю­щий через миллиамперметр, будет

В результате суммарная вольтамперная характери­стика приближается по форме к квадратичной кривой.

Показание прибора бу­дет пропорциональным среднему квадратическому значению входного напряжения и оно не зависит от его формы.

Вольтметры среднеквадратического значения в настоящее время являются самыми востребованными, так как они позволяют измерять напряжение любой слож­ной формы.

Детектор средневыпрямленного значения - устрой­ство, преобразующее пере­менное напряжение в по­стоянный ток, пропорцио­нальный средневыпрямленному значению напряжения. Структура выходного тока измерительного при­бора с детектором средневыпрямленного значения аналогична ранее рассмотрен­ному узлу выпрямительной системы и поэтому их свойства во многом идентичны (зависимость от формы сигнала, частотные характеристики, класс точности). Аналоговый электронный вольтметр средневыпрямленного значения имеет более высокую чувствительность и меньшее потребление мощности от измерительной цепи (за счет дополнительного усиления), чем прибор со схемой выпрямления.

Диодные (как и транзисторные) амплитудные детекторы при малых напряжениях вносят в изме­ряемый сигнал значительные нелинейные искажения. Поэтому в последние годы в измерительных устройствах применяют амплитудные детекторы на интеграль­ных микросхемах—операционных усилителях — ОУ.

При выборе вольтметра для проведения измерений следует обратить внимание на вид преобразователя прибора и возможную методическую погрешность, возникающую при несинусоидальной форме сигнала.