Аналоговые электронные вольтметры

1. Лекция № 5 Тема 1. Аналоговые электронные вольтметры 1.5.1. Аналоговые электронные вольтметры постоянного и переменного тока.

Структурные
схемы
1.5.2. Универсальный аналоговый электронный
вольтметр
1.5.3. Преобразователи амплитудного,
средневыпрямленного и
среднеквадратического значений
измеряемого напряжения в аналоговых
электронных вольтметрах

2. 1.5.1. Аналоговые электронные вольтметры постоянного и переменного тока. Структурные схемы

19
Аналоговый электронный вольтметр — измерительный прибор,
который состоит из электронного преобразователя, выполненного
на полупроводниковых элементах, интегральных микросхемах, и
магнитоэлектрического измерителя
Для измерения напряжения в радиоэлектронных цепях
используют следующие типы электронных вольтметров:
постоянного тока (В2), переменного тока (ВЗ), импульсные (В4),
фазочувствительные (В5), селективные (В6), универсальные (В7).
Аналоговые электронные вольтметры постоянного тока
По сравнению с магнитоэлектрическими вольтметрами имеют большое
входное сопротивление (порядка 10 - 30 МОм) и высокую
чувствительность. Значение входного сопротивления неизменно при
переключении пределов измерения

3. 1.5.1. Аналоговые электронные вольтметры постоянного и переменного тока. Структурные схемы

Аналоговый электронный вольтметр — измерительный прибор,
который состоит из электронного преобразователя, выполненного
на полупроводниковых элементах, интегральных микросхемах, и
магнитоэлектрического измерителя
Для измерения напряжения в радиоэлектронных цепях
используют следующие типы электронных вольтметров:
постоянного тока (В2), переменного тока (ВЗ), импульсные (В4),
фазочувствительные (В5), селективные (В6), универсальные (В7).
В практике лабораторных измерений распространены
электронные вольтметры постоянного тока В2-15, В2-25,
переменного тока B3-38, B3-39, ВЗ-41, импульсные В4-12, В4-14,
универсальные В7-15, В7-17.
19

4. 1.5.1. Аналоговые электронные вольтметры постоянного и переменного тока. Структурные схемы

Аналоговые электронные вольтметры постоянного тока
По сравнению с магнитоэлектрическими вольтметрами имеют
большое входное сопротивление (порядка 10 - 30 МОм) и высокую
чувствительность. Значение входного сопротивления неизменно при
переключении пределов измерения
Назначение усилителя постоянного тока (УПТ)
УПТ предназначен для повышения чувствительности вольтметра,
увеличивает мощность сигнала до уровня, необходимого для приведения
в действие магнитоэлектрического измерителя. УПТ обладает высокой
линейностью амплитудной характеристики, постоянством коэффициента
усиления, малым дрейфом нулевого уровня
19

5. Аналоговые электронные вольтметры постоянного тока

Аналоговые электронные вольтметры постоянного 18
тока
Назначение усилителя постоянного тока (УПТ)
Линейность амплитудной характеристики обеспечивается:
- правильным выбором режимов работы транзисторов, микросхем
усилителя;
- применением отрицательной обратной связи в усилителе
Постоянство коэффициента усиления обеспечивается:
- применением отрицательной обратной связи в усилителе;
- стабилизацией питающих напряжений
Малый дрейф нулевого уровня усилителя обеспечивается:
- стабилизацией питающих напряжений;
- выполненение усилителя по мостовой балансной схеме

6.

Вольтметр постоянного напряжения В2-25

7. Аналоговые электронные вольтметры переменного тока

17
Представляют собой сочетание выпрямителя на электровакуумных
или полупроводниковых диодах, усилителя и
магнитоэлектрического измерительного механизма
~Uх
-U х
В
УПТ
а)
ИМ
~Uх
В
У
ИМ
б)
а) - преобразование переменного напряжения в постоянное и
дальнейшее усиление постоянного напряжения;
б) - усиление переменного напряжения и дальнейшее
преобразование переменного напряжения в постоянное
Расширение пределов измерения осуществляется с
помощью делителя и сопротивления обратной связи.

8. Аналоговые электронные вольтметры переменного тока

Основными узлами схем являются: выпрямитель (В),
усилитель переменного тока (У), усилитель постоянного тока УПТ
и магнитоэлектрический измерительный механизм (ИМ).
Структурная схема а ) используется для универсальных
электронных вольтметров переменного и постоянного тока.
Нижний предел измерения таких вольтметров ограничивается
порогом чувствительности выпрямителя и составляет обычно
0,1...0,2 В. При использовании в выпрямителях высокочастотных
диодов подобные электронные вольтметры работают в диапазоне
от 20...30 Гц до 100...300 МГц.
Структурная схема б) имеет большую чувствительность и
точность, но меньший рабочий частотный диапазон 10 Гц-20 МГц,
который ограничивается усилителем переменного тока.
Электронные, милли- и микровольтметры переменного
тока выполняются по схеме б)
16

9. Аналоговые электронные вольтметр переменного тока

Для реализации описываемых структурных схем
используются в основном полупроводниковые элементы (диоды,
транзисторы, интегральные схемы), однако, и электронные лампы
находят достаточно широкое применение. Это объясняется
многофункциональностью электронных ламп, возможностью
обеспечить с их помощью высокое входное сопротивление
вольтметра, а также нечувствительностью характеристик ламп к
влиянию температуры.
Характеристики аналоговых электронных вольтметров
переменного тока и градуировка 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
15

10. Аналоговый электронный вольтметр переменного тока В3-38

15

11. 1.5.2. Универсальный аналоговый электронный вольтметр

14
Универсальные аналоговые электронные вольтметры состоят
из двух схем для измерения напряжения в цепях постоянного и
переменного токов с преобразователем амплитудного значения,
закрытым входом и выходным индикатором (магнитоэлектрический
амперметр), шкала которого отградуирована в среднеквадратических
значениях синусоидального сигнала

12. 1.5.2. Универсальный аналоговый электронный вольтметр

13
Схема универсального аналогового электронного вольтметра В7 для
измерения напряжения в цепях постоянного тока U_ , переменного
тока низкой U~нч и высокой U ~вч частот

13. Универсальный аналоговый электронный вольтметр В7-26

15

14. 1.5.3. Преобразователи амплитудного, средневыпрямленного и среднеквадратического значений измеряемого напряжения в аналоговых

электронных вольтметрах
Преобразователи амплитудного значения
Показания α микроамперметра пропорциональны амплитудному
значению измеряемого напряжения u(t)
α = kUmax
а) с открытым входом
б) с закрытым входом
12

15. Преобразователи амплитудного значения с открытым входом

11
Диод VD включен
последовательно с
высокоомным
резистором R и
непосредственно
связан с объектом
измерения
Параметры преобразователя подобраны таким образом (R >> Rд, R = 50... 100
МОм, С= 20...50 нФ), чтобы при первой положительной полуволне измеряемого
напряжения u(t) = Umax sin ωt большим импульсом тока iд через открытый
диод VD с сопротивлением Rд осуществлялся быстрый заряд конденсатора С до
некоторого значения напряжения UС1 (рис. а) и медленный разряд на резистор
R + Rи с момента, когда u(t) < UС1 и при отрицательной полуволне напряжения
u(t). Постоянные времени заряда RдC и разряда RC связаны условием
RC >> RдC (сопротивление Rи микроамперметра не учитывается из-за малого
значения)

16. Преобразователи амплитудного значения с открытым входом

10
Если
u(t) = U0 + Umax sin ωt,
то показания
микроамперметра будут
пропорциональны
сумме U0 + Umax
При второй положительной полуволне u(t) = Umax sin ωt конденсатор
С вновь подзарядится до напряжения UС2 > UС1 . 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. UС1 ≈ Umax. Показания магнитоэлектрического
микроамперметра определяются средним разрядным током
Iср = Iи = UC /R = Umax /R,
пропорциональным амплитудному значению измеряемого напряжения

17. Преобразователи амплитудного значения с закрытым входом

9
Диод VD включен
параллельно
высокоомному
резистору R (такая
схема используется в
универсальных аналоговых электронных
вольтметрах)
При положительной полуволне измеряемого напряжения u(t) = Umax sinωt
конденсатор С заряжается через диод VD сопротивлением Rд приблизительно
до амплитудного значения Umax, 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 Umax

18. Преобразователи амплитудного значения с закрытым входом

К резистору R приложено напряжение, равное разности измеряемого
напряжения u(t) и напряжения на конденсаторе UС = Umax, т. е.
uR(t) = u(t) - UС = Umax sinωt - Umax.
Напряжение uR(t) на резисторе R повторяет форму измеряемого
напряжения u(t), но смещено на амплитудное значение (рис. б), т. е.
пульсирует от 0 до -2 Umax. Микроамперметр, включенный в цепь резистора
R, реагирует на среднее значение тока в цепи
Iср = Iи = Umax /R.
8

19. Преобразователи амплитудного значения с закрытым входом

Напряжение uR(t) пульсирует от 0
до - 2 Umax
Для уменьшения пульсации тока
через прибор, в реальных схемах
аналоговых электронных
вольтметров напряжение uR(t)
подается на вход усилителя
постоянного тока (УПТ) через сглаживающий фильтр низкой частоты, а
микроамперметр включается на выходе УПТ
Если измеряемое напряжение u(t) содержит кроме переменной еще и
постоянную составляющую, т. е. u(t) = U0 + Umax sinωt, то при действии
напряжения u(t) конденсатор зарядится до значения UС = Umax + U0 и
напряжение на резисторе R будет
Микроамперметр в преобразователе амплитудного значения с закрытым
входом реагирует только на переменную составляющую напряжения u(t)
7

20. Преобразователи средневыпрямленного значения

Показания α микроамперметра
пропорциональны средневыпрямленному значению Ucp.в измеряемого
напряжения u(t)
α = kUcp.в.
Преобразователи выполняют на полупроводниковых диодах, работающих
в цепях одно- и двухполупериодного выпрямления. Работа диодов
осуществляется на линейном участке вольтамперной характеристики
Ток через микроамперметр протекает в одном и том же направлении в
течение обоих полупериодов переменного напряжения (в положительный
полупериод по цепи VD2 – А – VD3, а в отрицательный полупериод — по
цепи VD1 – А – VD4).
6

21. Преобразователи средневыпрямленного значения

При использовании линейного участка характеристики диода и при
открытом входе показания микроамперметра пропорциональны
средневыпрямленному значению измеряемого напряжения
Если же вход преобразователя закрытый, то показания микроамперметра
пропорциональны только средневыпрямленному значению переменной
составляющей измеряемого напряжения.
Отечественной промышленностью выпускаются электронные вольтметры
среднего значения следующих типов: ВЗ-38, В3-39, ВЗ-41.
Достоинства: высокая чувствительность, достигаемая предварительным
усилением измеряемого напряжения.
Недостатки: зависимость показаний приборов от формы кривой
измеряемых напряжений и недостаточно широкий диапазон рабочих
частот
5

22. Преобразователи среднеквадратического значения

Показания α микроамперметра пропорциональны квадрату
среднеквадратического значения измеряемого напряжения u(t)
α = kU2
Преобразователи выполняют на
элементах с квадратичной
вольтамперной характеристикой, при
этом ток через микроамперметр
пропорционален квадрату
среднеквадратического значения
измеряемого напряжения, поданного
на вход преобразователя
iи = u2 (t)
При u(t) = Umax sinωt ток
4

23. Преобразователи среднеквадратического значения

Так как выходной прибор представляет собой магнитоэлектрический
микроамперметр, он будет реагировать на среднее значение тока
Iи = U2max / 2 = U2.
Аналогичное доказательство можно выполнить для измеряемого
напряжения u(t) любой формы:
где k— номер гармоники; Umaxk, Uk — соответственно максимальное и
среднеквадратическое значения измеряемого напряжения k-й гармоники
Для увеличения протяженности квадратичного участка вольтамперной
характеристики используются преобразователи на диодных цепочках
3

24. Преобразователи среднеквадратического значения

2
Напряжение смещения
Ucм создает на
резисторах R4 и R5
соответственно
напряжения смещения
Ulcм и U2cм. Диоды VD2 и
VD3 заперты до тех пор,
пока измеряемое
напряжение u(t) не
превысит Ulcм , а затем
U2cм.
Пока измеряемое напряжение u(t) не превышает Ulcм, ток через
микроамперметр равен току, протекающему через диод VD1; iи = i1; если
Ulcм < u(t) < U2cм, то ток равен
iи = i1 + i2 — сумме токов через диоды
VD1 и VD2, в результате чего крутизна зависимости тока от напряжения
увеличивается (рис., б). Если u(t) > U2cм, то ток протекает через все три
диода и iи = i1 + i2 + i3, при этом крутизна увеличивается еще больше.
Прибор же реагирует на среднее значение тока Iи.
Подбирая параметры цепи, можно осуществить кусочно-линейную
аппроксимацию вольтамперной характеристики отдельных диодов и
увеличить протяженность квадратичного участка преобразователя

25.

1
Достоинства электронных вольтметров:
- высокая чувствительность, практическое отсутствие потребления
мощности от объекта измерения, широкий диапазон рабочих частот и
широкий диапазон напряжений.
Повышение чувствительности приборов достигается путем
использования в схемах вольтметров усилителей.
Создание электронных вольтметров на базе современной
микроэлектроники позволяет получать малогабаритные и экономичные
приборы.
Основные недостатки электронных вольтметров:
-ограниченная точность, характеризуемая в среднем классами
точности 2,5 для рабочего диапазона частот и 4...6 для расширенного
диапазона;
- необходимость дополнительных источников питания и сложность
устройства