24) Пиковый вольтметр с открытым и закрытым входом

Детекторы. Важнейшим элементом электронного вольтметра переменного тока является детектор. Напряжение на выходе детектора может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения. Это определяет на какое из названных значений реагирует магнитоэлектрический стрелочный прибор. Однако, необходимо помнить, что шкалу электронного вольтметра обычно градуируют в средних квадратических (действующих) значениях напряжения синусоидальной формы и это следует учитывать при измерении напряжений отличающихся от синусоидальных. В вольтметрах средних значений используются полупроводниковые диодные мостовые выпрямители, в которых диоды работают на линейном участке вольтамперной характеристики. В электронных вольтметрах действующего значения детектор выполняется на элементах с квадратичной вольтамперной характеристикой. Обычно используется начальный участок характеристики диода или характеристика реализуется методом кусочно-линейной аппроксимации. В некоторых вольтметрах в качестве детектора действующего значения применяется термоэлектрические преобразователи. Принцип действия амплитудного детектора основан на заряде конденсатора через диод до амплитудного значения измеряемого напряжения. Различают схемы амплитудных детекторов с открытым и закрытым входами. Схема детектора с открытым входом приведена на рис. 2.21,а.

Р ис. 2.21. Амплитудный детектор с открытым входом: а – схема; б – временные

диаграммы

а б

Конденсатор (С) быстро заряжается через открытый диод (VD), а когда диод закроется, медленно разряжается через большое сопротивление резистора (R). Напряжение на конденсаторе U_c приблизительно равно амплитудному значению измеряемого напряжения (рис. 2.21,б). Если в измеряемом сигнале присутствует постоянная составляющая, то напряжение U_c будет равно сумме амплитудного значения и постоянной составляющей. Схема амплитудного детектора с закрытым входом показана на рис. 2.22,а.

Рис. 2.22. Амплитудный детектор с закрытым входом: а – схема; б – временные

диаграммы

а б

При положительной полуволне измеряемого напряжения u(t) = = U_msint конденсатор (С) заряжается через диод (VD) до амплитудного значения U_m, а при отрицательной полуволне диод (VD) будет заперт, и конденсатор разряжается через резистор (R), имеющий большое сопротивление. Поскольку постоянная времени разряда RC велика по сравнению с периодом измеряемого напряжения, конденсатор не успеет заметно разрядится, и напряжение на нем останется примерно равным U_m.

К резистору (R) приложено напряжение равное разности измеряемого напряжения u(t) и напряжения на конденсаторе U_c = U_m, т.е. u_R(t) = = u(t) – U_c = U_msint – U_m (рис. 2.22,б).

Так как напряжение u_R(t) пульсирует от ноля до –2U_m, то чтобы уменьшить пульсации, используется фильтр, состоящий из резистора R_ф и конденсатора С_ф.

Если измеряемое напряжение содержит постоянную составляющую, т.е. u(t) = U₀ + U_msint, то конденсатор зарядится до значения U_c = U_m + U₀ и напряжение на резисторе (R) будет u_R(t) = U₀ + U_msint – (U_m – U₀) = = U_msint – U_m.

Таким образом напряжение на выходе амплитудного детектора с закрытым входом не зависит от величины постоянной составляющей в измеряемом напряжении.

Одним из существенных недостатков вольтметров с амплитудными детекторами является зависимость показаний прибора от формы сигнала. Обычно шкала вольтметра градуируется в действующих значениях синусоидального напряжения, тогда как отклонение стрелки прибора пропорционально амплитуде напряжения. Поэтому результаты замеров справедливы только при измерении синусоидальных напряжений. При произвольной форме сигнала необходимо корректировать показания вольтметра с учетом коэффициента формы сигнала.