книги / Электрорадиоизмерения

На основании этого признака вольтметры разделяются на приборы типа детектор-усилитель и усилитель-детектор

(рис. 4-14).

Вольтметры первой группы характеризуются широким частотным диапазоном, но недостаточно высокой чувстви­ тельностью.

Рис. 4-14. Блок-схема электронного вольтметра

Вольтметры второй группы характеризуются более вы­ сокой чувствительностью, но сравнительно узким частотным диапазоном вследствие сложности изго­ товления широкополосных усилителей. 0 -

Основными параметрами электронных 'V. СвшЬ вольтметров являются полное входное со­ противление, характер шкалы, зависимость 0- показаний прибора от формы измеряемого напряжения, предел измерений, погреш­ ность и чувствительность.

Входное сопротивление вольтметра со­ стоит из активной и реактивной составля­ ющей (рис. 4-15).

Активная составляющая входного сопротивления вольт­ метра R B зависит от схемы вольтметра и частоты измеряе­ мого напряжения и может изменяться в очень широких пределах.

Входная емкость электронного вольтметра Св образована емкостью входных зажимов и проводов и межэлектродной

емкостью входных электронных приборов (ламп, транзисто­ ров или диодов).

Если измерение производят на олень высоких частотах^, то при этом могут сказаться резонансные свойства входной цепи вольтметра.

Это поясняется эквивалентной схемой входной цепи

Для получения частотной погрешности измерения не более 1 % необходимо, чтобы максимальная частота изме­ ряемого напряжения вольтметром была в 10 раз меньше f0,

Характер шкалы электронных вольтметров может быть различным и зависит от режима работы ламп или полупро­ водникового прибора детектора, а также от формы исполь­ зуемого рабочего участка их характеристик.

Зависимость показаний электронных вольтметров от формы измеряемого напряжения может быть также различ­ ной, так как по принципу своего действия они могут изме­ рять амплитудное См, действующее U и среднее Ucp значе­ ния напряжения синусоидальной формы.

Пределы измерений электронных вольтметров сравни­ тельно невелики (от десятых долей вольта до десятков вольт) и могут быть расширены применением усилителей и дели­ телей напряжения.

Чувствительность электронных вольтметров повышают применением предварительных усилителей переменного на­

пряжения или же использованием следующих, после детек­ торной части вольтметра, усилителей постоянного тока.

Погрешность измерения напряжения электронными вольтметрами промышленного типа зависит не только от частоты, но также от класса точности применяемого инди­ катора магнитоэлектрической системы, от стабильности на­ пряжения источника питания, от сопротивления резистора, подключаемого к вольтметру участка исследуемой цепи, и от температуры окружающей среды.

Классификация электронных вольтметров может быть произведена по различным признакам.

Электронные вольтметры промышленного типа классифи­ цируются в зависимости от назначения в соответствии с ГОСТ 15094-69 (приложение 1).

Кроме того, вольтметры можно классифицировать по классам точности, характеру измеряемого значения напря­ жения и по другим признакам.

Вольтметры типа детектор-усилитель. Как указывалось выше, электронные вольтметры этой группы характери­ зуются широким частотным диапазоном и недостаточно вы­ сокой чувствительностью.

Например, прибор ВК7-9 при измерении переменных напряжений имеет минимальную шкалу 1,0 В и частотный диапазон от 20 Гц до 700 МГц, что обеспечивает незначитель­ ная входная емкость высокочастотного пробника, не пре­ вышающая 1,8 пФ. В схеме вольтметров данной группы используется усилитель постоянного тока, поэтому такими приборами обычно можно измерять и постоянные напря­ жения.

Для расширения пределов измерения электронных вольт­ метров типа детектор-усилитель применяются обычно дели­ тели напряжения емкостного типа. Например, для вольт­ метра ВК7-9 используется делитель напряжения типа ДН-2, имеющий входную емкость не больше 4 пФ и коэф­ фициент деления 10.

Детекторная ступень вольтметра типа детектор-усили­ тель выполняется на диоде (ламповом или полупроводнико­ вом). Этот основной блок прибора называют обычно пико­ вым диодным вольтметром, так как по своему принципу действия он выделяет постоянное напряжение, близкое по величине к наибольшему (амплитудному) значению иссле­ дуемого напряжения.

Пиковые диодные вольтметры характеризуются тем, что их лампа работает с очень малым углом отсечки анодного

тока, что осуществляется за счет отрицательного'смещенН* на аноде лампы.

Это смещение получается автоматически и осущесТ^" ляется за счет подачи на анод отрицательного по отноц*е“ нию к катоду напряжения, снимаемого с нагрузки лампЫТакой режим работы лампы вольтметра называется режимом детектирования класса С.

Рис. 4-17. Схема пикового диодного вольтметра с откры­ тым входом (а) и графики (б), поясняющие его работу.

Принципиальная схема пикового диодного вольтметра с открытым входом, а также кривые, поясняющие ее работу, изображены на рис. 4-17.

При подведении к схеме вольтметра синусоидального напряжения в его положительный полупериод конденсатор быстро заряжается через лампу и внешнюю цепь, а в отри­ цательный медленно разряжается через прибор магни­ тоэлектрической системы и резистор /?, сопротивление кото­ рого должно быть значительно больше внутреннего сопро­

тивления лампы (порядка десятков мегом). В результате этого на конденсаторе С образуется выпрямленное пульси­ рующее напряжение Uc, постоянная составляющая кото­ рого {/Со близка к амплитудному значению измеряемого напряжения, т. е.

U co ~ U u.

Прибор И вместе с добавочным резистором R представ­ ляет собой вольтметр магнитоэлектрической системы, изме­ ряющий среднее значение выпрямленного напряжения, существующего на конденсаторе С.

Таким образом, принцип работы пикового диодного вольтметра заключается в предварительном выпрямлении измеряемого напряжения и в последующем измерении его постоянной составляющей, равной примерно амплитуде {/„.

Шкала вольтметра получается равномерной, так как ток индикатора магнитоэлектрической системы прямо пропор­ ционален амплитуде измеряемого напряжения:

Отметим, что с увеличением сопротивления R среднее значение напряжения на конденсаторе Uco приближается к амплитуде измеряемого напряжения Uw, т. е. линейность шкалы возрастает, а чувствительность вольтметра, наобо­ рот, уменьшается.

Кривые, приведенные на рис. 4-17, б, показывают, что рабочая точка на ламповой характеристике располагается левее начала координат в результате действия автоматиче­ ского смещения на анод диода. В результате этого мгновен­ ное значение напряжения £/а равно сумме отрицательного значения напряжения на конденсаторе Uc и мгновенного значения измеряемого напряжения их.

Кривые также показывают, что лампа большую часть периода закрыта, что обусловливает большое входное сопро­ тивление пикового вольтметра, и лишь незначительное время, когда напряжение-на аноде положительно, открыта, причем в это время проходящий через лампу анодный ток заряжает конденсатор.

Принцип действия пикового диодного вольтметра с за­ крытым входом, изображенного на рис. 4-18 и имеющего большее практическое значение, аналогичен работе ранее рассмотренной схем'ы. Разница заключается в том, что для измерения постоянной составляющей выпрямленного напря­

жения UCQвольтметр магнитоэлектрической системы (И и /?) подключен к конденсатору С через внешнюю цепь.

Показания вольтметра с открытым входом зависят как о? постоянной, так и от переменной составляющей измеряемо^ напряжения. Вольтметр с закрытым входом имеет разде' лительную емкость С, которая не пропускает постоянную составляющую напряжения. К диоду поступает лишь переменная составляющая и показания прибора зависят только от нее.

Наибольшее практическое значение имеет электронный вольтметр с закрытым входом, эквивалентная схема входной цепи которого дана на рис. 4-19. Входная активная проводимость такого прибора равна сумме проводимостей сопро­ тивлений /?у, /?д и # л, т. е.

с закрытым входом и имеющее обычно большую величину;

/?л — сопротивление самой лампы, обусловленное элект­ ронным и ионным током в входной цепи лампы;

— сопротивление диэлектрических потерь во вход­ ной емкости вольтметра Сп.

Входные параметры электронного вольтметра зависят от его конструкции, свойств используемого диэлектрика, типа применяемых лампы или полупроводникового при­ бора и частоты измеряемого напряжения.

Например, для уменьшения потерь во входной цепи лампы, т. е. для увеличения /?„, ее монтируют на панели из высокочастотного диэлектрика, обычно из полистирола или

Всхеме электронного вольтметра с открытым входом

крезистору R, сопротивление которого значительно боль­ ше Ri лампы, подводится лишь выпрямленное постоянное

напряжение UCo ^ 0 М, образующееся на конденсаторе, и поэтому потери энергии на резисторе равны:

Эта мощность отбирается входом вольтметра от изме­ ряемого объекта, имеющего амплитуду переменного напря­ жения £/„, и следовательно, поглощается эквивалентным сопротивлением входа R n, т. е.

откуда

R 2/?/

Следовательно, для схемы с открытым входом

В схеме о закрытым входом (рис. 4-18) к резистору R прикладывается сумма напряжений: постоянная составляю­ щая напряжения на конденсаторе Uc0 «г UMи переменное измеряемое напряжение их — и„ sin to/, т. е.

«* = tA, + tA.sinto/.

Действующее значение этого напряжения

U r = Y и ’ы+ и£ = и н у ~

Потери мощности на резисторе R равны:

Г ~ R ~ 2R •

Соответственно для эквивалентной схемы вольтметра

Следовательно,

2R 2/?л '

Таким образом, в схеме с закрытым входом

Для уменьшения индуктивности и емкости входной цепи электронного вольтметра, а следовательно, и для расшире­ ния его частотного диапазона входная часть конструктивно выполняется в виде отдельного узла, называемого пробни­ ком. Постоянная составляющая выпрямленного диодом проб­ ника напряжения подается по кабелю, индуктивность и емкость которого при этом не имеют значения, к последую­ щим элементам схемы вольтметра (обычно усилителю по­ стоянного тока).

При очень высоких частотах на входное сопротивление вольтметра влияет также время пролета электронов между электродами лампы. Данный фактор проявляется в том случае, если вре­ мя пролета электронов между элек­ тродами лампы становится соизмери­ мым с периодом исследуемого напря­ жения, так как при этом увеличи­ ваются потери во входной цепи лам­ пы, а соответственно и уменьшается ее входное сопротивление. Для уве­ личения этой составляющей входного

сопротивления используют лампы с малым расстоянием

Влияние емкости конденсатора С и частоты измеряемого напряжения поясняется эквивалентной схемой пикового

С уменьшением емкости конденсатора С, а также частоты его сопротивление, а соответственно и падение напряжения на нем увеличиваются. В результате этого разница между изме­ ряемым напряжением Un и показанием вольтметра £/в, т. е. погрешность, возрастает.

Относительная погрешность пикового вольтметра с за­ крытым входом на низких частотах, учитывающая влияние на нее С и /, приближенно может быть определена по

Погрешность измерения возрастает также с уменьшением амплитуды измеряемого напряжения, так как при этом используется начальный участок ламповой характеристик11 с наибольшей кривизной, что приводит к нелинейной завКсимости тока прибора относительно UM.

Пиковые диодные вольтметры имеют весьма широкое распространение в технике радиоизмерений. Например» они могут быть использованы при измерении различнЫх

тоэлектрической системы. Быстрый заряд конденсатора и его медленный разряд обусловлены выбором соответст­ вующих значений постоянных времени цепи заряда и раз­ ряда.

При измерении пульсирующего напряжения (рис. 4-22) пиковый диодный вольтметр в зависимости от схемы его входа и способа подключения к исследуемой цепи бу д ет давать различные показания. (Для упрощения на графике не показаны кривые напряжения на конденсаторе для всех случаев.)

Пиковый вольтметр с открытым входом (рис. 4-17, а) при подведении измеряемого пульсирующего напряжения плю­ сом на анод покажет величину f/MaKC, т. е. приблизительно максимальное значение исследуемого напряжения цх с уче­ том его постоянной составляющей.