4.2. Широкосмугові вольтметри

Для виміру постійної напруги (і струмів), а також напруги і струмів живлення, що надходять із промислової мережі, у техніку зв'язку використовуються різноманітні електромеханічні прилади: при низьких вимогах до похибок - дешеві і надійні електромагнітні, при більш високих магнітоелектричні і електродинамічні.

Для часто зустрічаючих вимірювань напруги звукової і більш високих частот використовуються вимірювальні прилади, структурна схема яких у загальному виді представлена на мал. 4.1, де ВУ - вхідний пристрій, ИП - вимірювальний перетворювач, ИМ - вимірювальний механізм і СУ - відліковий пристрій.

Мал. 4.1. Структурна схема широкосмугового вимірника напруги

Якщо вимірювач напруги дає однаково точні результати при вимірюванні синусоїдальної напруги у визначеній, досить широкій смузі частот, то його прийнято називати широкосмуговим. Такі, наприклад, ВЗ-33, ВЗ-40. Про прилади дискретного рахунка (цифрові) див. § 4.6.

Для аналогових приладів як вимірювальний механізм звичайно використовуються досить чуттєві магнітоелектричні прилади зі стрілочним відліковим пристроєм. При цьому вимірювальний перетворювач повинний перетворювати напругу будь-якої частоти, що надійшла через, вхідний пристрій ( що знаходиться в діапазоні, для якого призначений прилад) у напругу одного напрямку, що тільки і може впливати на магнітоелектричний прилад.

Застосовуються термоелектричні й електронні перетворювачі. На мал. 4.2 показані найпростіші термоелектричні перетворювачі. ТермоЕРС, що виникає в місці спаю дротів з

Мал. 4.2. Принцип роботи термоелектричного приладу:

а) з контактним підігрівником; б) з безконтактним підігрівником

різнорідних металів (наприклад, залізо — константан), визначається різницею температур між крапкою спаю і вихідних кінців дротів. Останні зберігають температуру навколишнього середовища, оскільки з'єднуються з досить масивними пластинками. Величина залежить від квадрата сили струму , що проходить через підігрівник. Тому для будь-якої частоти і форми кривої струму і викликаючої його напруги магнітоелектричний прилад (з нерівномірною шкалою) дасть показання, що відповідають середньоквадратичному значенню напруги (або струму).

Достатня величина вхідного опору вольтметра досягається або включенням послідовно резистора зі значним опором, або шляхом використання на вході катодного (емітерного) повторювача (мал. 4.3). Вхідний опір такої схеми може бути прийнято рівним , де

— коефіцієнт підсилення лампи. Похибка вимірювань для кращих­

Мал. 4.3. Спрощена схема термоелектричного вольтметру

термоприладів не перевищує 0,5%. Для усунення небезпеки перенавантаження необхідні автоматичні пристрої захисту, що істотно заважають широкому поширенню такого роду приладів.

Для вимірювань напруги, форма кривої яких близька до синусоїдального або ж у тих випадках, коли вимірювача цікавить лише максимальне з миттєвих значень напруги, широке застосування мають так називані пікові (амплітудні) детектори. На мал. 4.4 приведені найпростіші схеми таких пікових вольтметрів, де перетворювачем-випрямлячем служить ламповий діод.

Мал. 4.4 Найпростіший амплітудний (піковий) вольтметр

а) з відкритим входом; б) із закритим входом

На мал. 4.4а показаний амплітудний вольтметр із відкритим входом, коли постійна складова вхідного струму надходить на вимірювальний механізм; на мал. 4.46 — із закритим входом, коли шлях постійної складової припинений конденсатором .

Робота пікового вольтметра пояснена на мал. 4.5, де показана зміна напруги на конденсаторі і струми заряду цього конденсатора в припущенні, що конденсатор устигає зарядитися до значення , рівного амплітуді позитивної півхвилі вимірюваної напруги протягом одного періоду. Якщо це відбудеться за більший проміжок часу, картина не зміниться. Після заряду, коли напруга на вході досягне свого пікового значення, конденсатор починає розряджатися через опір або , де — опір ланцюга, включеного на вхід вольтметра.

Напруга на конденсаторі падає набагато повільніше, ніж наростала, тому що опір (порядку десятків мегом) багато більше опору , через яку конденсатор заряджався, і, стало бути, постійна часу розряду багато більше постійної часу заряду . Тому до часу надходження на вхід наступної позитивної півхвилі напруги на конденсатор зменшиться досить не набагато — від значення до величини _, де - частки відсотка. У проміжок часу конденсатор знову підзарядиться, і напруга на ньому знову досягне величини . Далі процес повторюється, і в підсумку на конденсаторі постійно присутня напруга, що змінюється від значення до , тобто практично рівне .

Мал. 4.5. Зміна напруги на конденсаторі пікового вольтметра Мал. 4.6. Найпростіший лінійний детекторний вольтметр

Таким чином, на вимірювальний механізм впливає величина, пропорційна амплітудному (піковому) значенню позитивної півхвилі вимірюваної напруги, що і покаже відліковий пристрій. Практично такі вольтметри складаються з детекторного каскаду і підсилювача постійного струму.

У такого роду лампових вольтметрах (наприклад, в універсальних приладах BK7-9, ВК7-15) можна одержати високий вхідний опір з малою вхідною ємністю (до одиниць пФ), що дозволяє використовувати їх для частот до сотень МГц. Важливою перевагою таких вольтметрів є їхня стійкість до перевантажень. Подібні вольтметри на транзисторних схемах звичайно не настільки стійкі до перевантажень, мають менші вхідні опори, чому і менш придатні у високоомних ланцюгах.

Клас точності лампових і транзисторних вольтметрів, як правило, не вище 2,5—4,0, тому що до похибки вимірювального механізму додається похибка перетворювача, параметри якого звичайно залежать від коливань живильної напруги промислової мережі.

На схемі мал. 4.6 представлена найпростіша схема лінійного вольтметра з напівпровідниковим перетворювачем. Опір, що визначає величину вхідного опору приладу, береться на багато більше, ніж опір діода у напрямку пропускання. Тому що змінні складові випрямленої напруги шунтуються досить великою ємністю , то мікроамперметр магнітоелектричної системи є під впливом середнього значення випрямленого струму, прямо пропорційного величині , де - середнє випрямлене значення вимірюваної напруги , а - опір діода у напрямку пропускання. Якщо то шкала вольтметра виявиться практично рівномірною — відбудеться лінійне детектування. Прилад дасть показання прямо пропорційні величині . Діод створює шлях для струмів зворотного напрямку, практично еквівалентний шляху для струму, що впливає на мікроамперметр, завдяки чому вхідний опір вольтметра залишається приблизно постійним; крім того, він усуває можливість виникнення занадто великої напруги на діоді (при додатній півхвилі), що могло б пошкодити його.

Досить часто застосовується і двохнапівперіодне випрямлення.

При великому значенні величини і малій вхідній ємності лінійний напівпровідниковий вольтметр може бути зроблений у достатньому ступені широкосмуговим (до 10 МГц), хоча, природно, збільшення опору знижує можливість виміру малої напруги.

Істотним недоліком приладів з напівпровідниковими перетворювачами виявляється значна додаткова похибка через зміни температури. Найбільшу температурну стабільність мають кремнієві діоди.

Часто в широкосмугових напівпровідникових вольтметрах застосовується квадратичне детектування. Середнє квадратичне (діюче) значення напруги, як відомо, дорівнює

(4.1)

де — період коливання, а — миттєве значення напруги. Величини ж , , і т.д. — діючі значення постійної складової, першої (основної) гармоніки, другої гармоніки і т.д. Таким чином, може бути виміряна тільки в тому випадку, якщо будуть зроблені операції: зведення напруги в квадрат, усереднення і витягнення квадратного кореня з результатів усереднення.

Призначення квадратичного детектора складається у виконанні першої з цих операцій (у термоприладах її виконує термопара). Його вольтамперна характеристика виду параболи може бути отримана при використанні початкової ділянки анодної характеристики лампи. Однак мала довжина таких ділянок і мала їхня стабільність у часі привели до широкого поширення квадратичних детекторів на напівпровідникових діодних ланцюгах, у яких відбувається апроксимація параболи кусочно-ламаної (сегментної) кривої.

Мал. 4.7. Напівпровідниковий детекторний вольтметр із кусочно-лінійною апроксимацією

На мал. 4.7. показана принципова схема подібного вольтметра, а на мал. 4.8 пояснене одержання параболоподібної характеристики. На кожен наступний діод подається зміщення більше, ніж па попередній, і він відкривається тільки тоді, коли вхідну напругу зростає на деяку визначену величину. При цьому збільшується число провідних діодів і зростає крутість вольтамперної характеристики. Відчиненню кожного з діодів відповідає перехід від одного шматочка лінійно-ламаної характеристики до іншого. На мал. 4.8 (лівому і середньому) показане одержання одного відрізка характеристики, а на мал. 4.8 (правому) — підсумкова характеристика з ряду відрізків.

Мал. 4.8. Одержання квадратичної характеристики у вольтметрі мал. 4.7

Необхідне наближення до параболи досягається вибором напруги зміщення й опорів навантажень для кожного з діодів. Такий квадратичний детектор має велику стабільність характеристики, чим квадратична характеристика окремого нелінійного елемента. Це пояснюється тим, що опір провідних діодів не робить впливу на характеристику детектора завдяки їх малості порівняно з лінійними опорами. Закриті ж діоди також не впливають на характеристику внаслідок малої їхньої провідності. Напруга зсуву підтримується постійною за допомогою живлення від стабілізованого випрямляча.

Для подачі на ланцюг квадратичного детектора обох півперіодів вимірюваної напруги перед ним поставлений лінійний детектор на двох діодах, зібраний по двохнапівперіодній схемі. У мінусовий ланцюг включений магнітоелектричний мікроамперметр, середнє значення струму через який, завдяки наявності сегментного ланцюжка виявиться пропорційним квадратові напруги, що надійшла на вхід, . Прикладом вольтметрів подібного типу можуть служити вольтметри ВЗ-40 і ВЗ-42.

Для розширення меж вимірювань електронні вольтметри здебільшого мають лінійні підсилювачі і дільники напруги (або магазини загасання у вимірювачах рівня). При вимірі малої напруги вольтметр збирається звичайно за схемою підсилювач — детектор, а при вимірі великої напруги — за схемою детектор — підсилювач.

До підсилювачів широкосмугових вольтметрів пред'являються вимоги: високої лінійності амплітудної характеристики, сталості коефіцієнта підсилення в потрібній смузі частот, малого рівня власних шумів і фону змінного струму живильної мережі.

Виходячи з перерахованих вище вимог вибираються належні режими роботи підсилювальних елементів (ламп і транзисторів), широко використовується негативний зворотний зв'язок і вводяться елементи корекції підсилення на низьких і високих частотах з охопленням негативним зворотним зв'язком (іноді частотно-залежної) як окремих каскадів, так і всього підсилювача. Обов'язково передбачається коректування коефіцієнта підсилення в деяких межах, необхідних для градуювання приладу. Забезпечується достатня стабілізація живлячої напруги. Для досягнення малого рівня шумів необхідно висока якість використовуваних підсилювальних елементів і деталей, а також полегшення режиму роботи перших каскадів. Для зменшення рівня фону перші каскади розміщають можливо далі від вузла живлення, у лампових приладах напруга розжарення ламп цих каскадів подається від окремого випрямляча. Для збільшення вхідного опору часто використовується катодний (емітерний) повторювач. Компенсація початкового струму діодів виробляється звичайно за допомогою додаткових компенсуючих діодів.

У підсилювачах постійного струму, широко використовуваних після пікових детекторів, для зменшення дрейфу нуля застосовується звичайно мостова схема, при якій зміна опору нелінійного елемента в одному плечі моста ( що проходить найчастіше через коливання напруги живлення) компенсувалося б такою же зміною опору нелінійного елемента) у суміжному плечі.