книги / Электрорадиоизмерения

Для измерения высоких напряжений, а также в тех слу­ чаях, когда требуется прибор с очень большим входным сопротивлением, применяются электростатические вольт­ метры. Пределы измерения электростатических вольтметров на постоянном токе расширяют при помощи резисторных делителей напряжения -{рис. 4-5).

б) ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Электронные вольтметры для измерения постоянного напряжения представляют собой сочетание измерительного механизма магнитоэлектрической системы и электронной схемы. Они применяются в случаях, когда при измерении необходимы высокая чувствительность прибора и его боль­ шое входное сопротивление.

На рис. 4-6 приведена блок-схема такого вольтметра, состоящего из делителя напряжения, усилителя постоян­

в виду, что делитель несколько снижает входное сопротив­ ление вольтметра и служит источником дополнительных погрешностей прибора.

Усилитель постоянного тока служит для повышения чувствительности вольтметра и является усилителем мощ­ ности, необходимой для приведения в действие электроизме­ рительного механизма магнитоэлектрической системы.

При использовании линейного усилителя постоянного тока, имеющего линейную зависимость выходного тока от входного напряжения, шкала вольтметра получается рав­ номерной, так как угол поворота подвижной части магнито­ электрического прибора пропорционален току.

Подобные усилители применяются также и в электрон­ ных вольтметрах, предварительно преобразующих перемен­ ное напряжений в постоянное.

Усилители постоянного тока электронных вольтметров должны иметь малый дрейф нуля и постоянство коэффиниента усиления, поэтому в электронных вольтметрах обычно используются мостовые схемы усилителей постоянного тока с применением отрицательной обратной связи.

Дрейфом нуля называется наличие на выходе усилителя постоянного тока медленно меняющегося напряжения при входном напряжении, равном нулю. Причинами дрейфа нуля могут быть: нестабильность источников питания, изме­ нение параметров элементов схемы с течением времени, различные флуктуации и т. д.

Рис. 4-7. Упрощенная принципиальная схема однолампового усилителя постоян­ ного тока мостового типа.

Упрощенная принципиальная схема лампового усили­ теля постоянного тока мостового типа приведена на рис. 4-7.

В данной схеме плечи моста образованы следующими элементами: плечо а — резистором R3\ плечо б — парал­ лельно соединенными резисторами R b и R (]; плечо в — ре­ зистором Ra; плечо г — последовательно соединенными ре­ зистором /?2 и внутренним сопротивлением лампы

Перед измерением исследуемого напряжения стрелку прибора И с помощью потенциометра R n устанавливают на нуль, что соответствует выполнению условия равновесия моста, а следовательно, и равенству обратных по знаку паде­ ний напряжения на R3 и параллельно соединенных R b— /?б.

При подведении к схеме измеряемого напряжения мину­ сом на сетку лампа закроется, анодный ток, а соответст­

венно и падение напряжения на резисторе R3y сопротивле­ ние которого значительно больше сопротивления R2l умень­ шатся, мост выйдет из равновесия и прибор даст показание.

Резисторы Ro и R3 в данной схеме являются элементами цепи отрицательной обратной связи.

Резистор R 2 служит также для изменения пределов из­ мерения напряжения, т. е. для переключения шкал вольт­ метра.

С переключением шкал меняется положение рабочей точки на ламповой характеристйке, при этом нужна по­ вторная установка нуля прибора при помощи по­ тенциометра # 6, что явля­ ется недостатком данной схемы. Другой недостаток ее заключается во влиянии колебаний напряжения пи­ тания на установку нуля.

Для устранения этого не­ достатка применяют мосто­ вые схемы с использовани­ ем двух ламп, включенные

всоседние плечи моста.

Всхеме, изображенной

на рис. 4-8, плечи моста образуют лампы Л 19 Л2 и резисторы /?!, Ro и R3. Ре­ зистор R 3, входя в состав

двух соседних плеч моста, служит для установки нуля при­ бора, a RA является сопротивлением цепи отрицательной обратной связи.

Если после предварительной установки прибора И на нуль при накоротко замкнутом входе вольтметра к схеме под­ вести измеряемое напряжение минусом на сетку, то лампа Лг закрывается. В результате анодный ток лампы Лг умень­ шается, а лампы «/72, наоборот, увеличивается за счет умень­ шения падения напряжения на резисторе /?4 и соответст­ венно повышения потенциала сетки этой лампы.

Таким образом, при измерении напряжений сопротивле­ ние лампы Л г будет увеличиваться, а лампы Л2 — умень­ шаться, баланс моста нарушится и прибор Я даст соответст­ вующее показание.

Вторая лампа Л2 в данной схеме моста используется для уменьшения влияния колебаний напряжения источника пи-

тания на работу вольтметра. Это обусловлено тем, что нестЗ’ бильность питания моста одинаково влияет на сопротивле­ ние обеих ламп, находящихся в соседних его'плечах, в ре" зультате чего схема работает стабильней, чем при замене лампы Ло сопротивлением.

Для расширения пределов измерения постоянного на­ пряжения электронным вольтметром на вход усилителя постоянного тока включают высокоомный делитель на рези­ сторах, схема которого изображена на

Проверку режимов работы электронных ламп и транзи­ сторов удобнее производить с помощью вольтметров, так как в отличие от амперметров их включение не требует раз­ рыва цепи. При этом измеряют напряжения между вы­ водами этих элементов и контрольными точками.

Большое значение при измерении постоянных напряже­ ний в транзисторных и особенно ламповых схемах имеет внутреннее сопротивление вольтметра, так как приходится

иметь дело с высокоомными цепями. Следует учитывать, что непосредственное подключение приборов магнитоэлектриче­ ской системы к электродам лампы в значительной степени изменяет режим работы. Например, если для измерения по­ стоянного напряжения между анодом и катодом подсоеди­ нить вольтметр к этим электродам, он даст заниженные по­ казания. Это объясняется тем, что за счет шунтирования лампы внутренним сопротивлением вольтметра возрастает ток, протекающий по сопротивлению нагрузки, а следова­ тельно, и падение напряжения на нем. Это приводит к умень­ шению напряжения на аноде лампы. Чем меньше внутреннее сопротивление вольтметра, тем в большей степени занижены показания прибора. Лучше пользоваться ламповым вольт­ метром, внутреннее сопротивление которого очень велико.

При измерении напряжения смещения даже самый высокоомный вольтметр магнитоэлектрической системы нельзя подключать непо-

*средственно между сеткой и като­ дом, как показано на рис. 4-10

пунктиром. При отсутствии вход­ ного сигнала истинное напряжение между сеткой и катодом UCK(вольт­ метр отключен) равно напряжению смещения UctAy образованному на

метра в лучшем случае равно его половине. Сопроти­ влением смещения можно пренебречь, так как RZM R c. Тогда напряжение между сеткой и катодом при включенном вольтметре, равное

более чем в 2 раза меньше истинного значения UCK.

Для измерения напряжения смещения прибор магнито­ электрической системы можно подключать только парал­ лельно низкоомному резистору /?см (рис. 4-10), величина сопротивления которого обычно порядка сотен ом, что зна­ чительно меньше внутреннего сопротивления вольтметра.

Напряжение непосредственно между сеткой и катодом можно измерять только ламповым вольтметром, у которого входное сопротивление во много раз больше сопротивления утечки 7?с.

4-3. ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

а) ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ

Для измерения напряжений промышленной частоты могут быть использованы любые вольтметры переменного тока, но применяются обычно недорогие и достаточно точ­ ные приборы электромагнитной и электродинамической си­ стем, а также электростатические вольтметры.

Принцип действия, достоинства и недостатки электро­ магнитных приборов были рассмотрены в § 2:5. Для рас­ ширения пределов измерения вольтметров этой системы при­ меняются добавочные резисторы и измерительные трансфор­ маторы напряжения. Большинство электромагнитных вольт­ метров предназначено для использования на частоте 50 Гц, но некоторые из них рассчитаны на более высокие частоты. Повышение частоты существенно увеличивает погрешность

метры дороже, но в то же время и точнее электромагнитных. Самые точные из них имеют класс 0,1, в то время как электромагнитные вольтметры выпускаются классов точности 2,5; 1,5; 1,0 и редко 0,5.

Электродинамические вольтметры состоят из измери­ тельного механизма электродинамической системы (§ 2-6) и добавочного резистора. Подвижная и неподвижная катушки включены последовательно с добавочным резистором /?д (рис. 4-11). Активное сопротивление добавочного резистора значительно больше реактивного сопротивления катушек, поэтому практически

где Z„ — полное сопротивление вольтметра;

В § 3-3 было показано, что угол поворота электродинами­ ческого измерительного механизма при последовательном

Рис. 4-12. Схема расширения пределов из* мерения электростатических вольтметров.

включении катушек пропорционален квадрату протекаю­ щего по нему тока:

а = /С2/в-

Подставив в эту формулу значение тока из (4-3), полу­ чим уравнение шкалы вольтметра

мерно в том же частотном диапазоне, что и электромагнит­ ные. Они имеют обычно несколько пределов измерения за счет использования добавочных сопротивлений, состоящих из нескольких секций. При измерении больших напряже­ ний (как правило, более 600 В) для расширения пределов применяются трансформаторы напряжения.

Электростатические вольтметры, рассмотренные в § 2-7, применяют обычно для измерения высоких напряжений. Пределы измерения на переменном токе у этих вольтметров

Пользуясь законом Ома, определим напряжение на вольтметре для схемы, изображенной на рис. 4-12, а:

где

,Сл

РСв+ Сд

Применение добавочного конденсатора существенно уве­ личивает погрешность прибора, так как емкость вольт­ метра С„ меняется при повороте подвижной части измери­ тельного механизма и, следовательно, множитель р — вели­ чина переменная.

Для схемы, изображенной на рис. 4-12, б, напряжение на

где

С\

РCl + £*2 + Си

Обычно выбирают С2 !> С„, в результате чего в схеме с емкостным делителем множитель р — величина практиче­ ски постоянная.

Достоинства и недостатки электростатических вольтмет­ ров приведены в § 2-7.

б) ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Измерения напряжения высокой частоты имеют ряд осо­ бенностей, которые нужно учитывать при выборе прибора и при его использовании. Это объясняется тем, что измерение напряжения высокой частоты связано с влиянием прибора на электрический режим исследуемой цепи не только за счет его входного активного сопротивления R B1 но и его реактив­ ного сопротивления Хн, подключаемых параллельно иссле­ дуемому объекту. Это приводит к изменению тока в испы-

туемом объекте, а следовательно, и падению напряжения на нем.

Эквивалентная схема вольтметра для общего случая изображена на рис. 4-13, а, где R n — его входное активное сопротивление, а Х п — входное реактивное сопротивление, зависящее от частоты. Величина и знак Х в определяются индуктивностью токоподводящих проводов и входной емко­ стью прибора.

В большинстве случаев при измерении напряжения высо­ кой частоты входное реактивное сопротивление носит емкост­ ный характер, поэтому эквивалентная схема используемых вольтметров в большинстве случаев имеет вид приведенной на рис. 4-13, б.

Для уменьшения влияния вольтметра на результат из­ мерения необходимо, чтобы входное активное сопротивле­

на элемент исследуемой цепи, а следовательно, тем точнее будет измерено напря­

жение, которое было бы на этом элементе до присоединения к нему прибора.

При подключении вольтметра к резонансному контуру входная емкость прибора влияет на работу контура тем меньше, чем меньше входная емкость прибора.

При большом входном активном сопротивлении прибор потребляет незначительную мощность из измеряемой цепи.

С увеличением частоты входное сопротивление вольт­ метра уменьшается вследствие уменьшения сопротивления входной емкости и увеличения потерь в диэлектрике. Это приводит к увеличению реакции вольтметра на исследуе­ мую цепь. Поэтому выбор типа вольтметра в значительной степени определяется входным сопротивлением в рабочем диапазоне частот.

В практике радиотехнических измерений наибольшее распространение получили электронные и выпрямительные вольтметры. Такие вольтметры широко используются не

только как самостоятельные приборы, но часто в виде состав­ ных элементов комбинированных приборов (например, авометров) или приборов иного назначения (например, изме­ рительных генераторов). Вольтметры термоэлектрической И электростатической систем используются значительно реже. В настоящее время широкое распространение получаю? также цифровые вольтметры, являющиеся разновидностью электронных вольтметров.

в) ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Свойства электронных вольтметров. При измерении переменных напряжений низкой и высокой частоты наиболь­ шее распространение получили электронные вольтметрыЭто объясняется тем, что эти вольтметры обладают рядом преимуществ по сравнению с приборами других систем, а именно: имеют большое входное сопротивление как на низких, так и -на высоких частотах, высокую чувствитель­ ность при использовании усилителя, потребляют мало энер# гии из измеряемой цепи и не боятся перегрузки.

К недостаткам электронных вольтметров следует отнести их сравнительно большую относительную погрешность — около 1—5%, необходимость иметь источники питания (боль­ шей частью стабилизированные) и влияние смены ламп или транзисторов на градуировку шкалы.

Цифровые вольтметры могут иметь значительно меньшую основную погрешность.

Электронный вольтметр в зависимости от его схемы мо­ жет быть использован для измерения как переменного, так и постоянного напряжения.

Питание таких вольтметров чаще всего производят о? сети переменного тока через стабилизированный выпрями­ тель, уменьшающий влияние изменения напряжения сети на работу прибора.

Принцип действия электронных вольтметров, предназна­ ченных для измерения переменного напряжения, основан на использовании выпрямительных или детекторных свойств электронной лампы или полупроводникового прибора.

В электронных вольтметрах может быть использован любой вид детектирования, но чаще всего в них применяют диодное и анодное детектирование.

Свойства электронных вольтметров во многом опреде­ ляются последовательностью расположения в их схемах основных элементов.