ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Общие сведения
В разнообразных условиях радиотехнической практики одним из самых необходимых приборов является многопредельный вольтметр переменного тока, сохраняющий в широком диапазоне низких и высоких частот большое входное сопротивление и достаточно высокую точность измерений.
Рис. 1. Эквивалентная схема входа высокочастотного вольтметра.
Входное сопротивление вольтметров переменного тока является комплексным. В ряде случаев его можно представить в виде параллельного соединения элементов входного активного сопротивления Rв и входной ёмкости Св (рис. 1), из которых первое желательно иметь возможно большим, а вторую - малой. На высоких частотах
приходится также учитывать влияние индуктивности Lпр проводов, соединяющих вход вольтметра с исследуемой цепью. При большой длине соединительных проводов падение напряжения на индуктивности Lпр может привести к заметному уменьшению напряжения, подводимого к вольтметру, а внешние электрические и магнитные поля будут наводить в проводах значительные э. д. с. Кроме того, индуктивность Lпр образует с ёмкостью Св последовательный колебательный контур с собственной резонансной частотой
fв = 1/(2π*(Lпр*Св)0,5). (1)
При измерении напряжений, частота которых близка к fв, вольтметр будет давать завышенные показания при одновременном резком уменьшении его входного сопротивления. Поэтому предельную рабочую частоту высокочастотного вольтметра обычно ограничивают значением
fмакс = (0,1...0,2)fв, (2)
при котором резонансные явления ещё не сказываются существенно на точности измерений. При длине соединительных проводов примерно 20 см и известной входной ёмкости Св (в пикофарадах) предельную рабочую частоту вольтметра (в мегагерцах) можно приближённо определить по эмпирической формуле
fмакс ≈ 200/Св2.
Например, при ёмкости Св в несколько единиц пикофарад частота fмакс достигает десятков мегагерц, если же Св > 15 пФ, то она не превосходит 1 МГц.
Для измерения переменных напряжений в широком диапазоне частот применяют электростатические, термоэлектрические и электронные вольтметры.
Электростатические вольтметры основаны на принципе электростатического взаимодействия заряженных металлических тел и выполняются классов точности 0,5; 1,0 и 1,5. Их частотный диапазон лежит в пределах от единиц герц до 1-30 МГц. Для исследуемой цепи они представляют лишь ёмкостную нагрузку, не превосходящую 10-30 пФ. Недостатками вольтметров являются трудность изменения предела измерений, из-за чего приборы выполняются, как правило, однопредельными, и низкая чувствительность (верхний предел измерений не менее десятков вольт), что определяет преимущественное их использование для измерения высоких напряжений. Электростатические вольтметры пригодны для измерения и постоянных напряжений, особенно высоких, например на анодах кинескопов; при этом их входное сопротивление можно практически считать бесконечно большим.
Термоэлектрические вольтметры имеют ограниченное применение на частотах от 20 Гц до 1-20 МГц. Их основные недостатки - малое входное сопротивление, обычно не более 10 кОм, и низкая перегрузочная способность.
Наиболее распространёнными и универсальными приборами являются электронные вольтметры переменного тока. Их основными особенностями являются: высокая чувствительность и широкие пределы измерений, которые при использовании усилителей и делителей напряжения охватывают область напряжений от единиц микровольт до тысяч вольт; малая входная ёмкость (единицы пикофарад) и высокое входное активное сопротивление (до десятков мегом); обширный диапазон рабочих частот (от десятков герц до сотен мегагерц); способность выдерживать большие перегрузки. К недостаткам электронных вольтметров относятся: необходимость питания от стабильных источников постоянного или переменного напряжения; необходимость в электрической установке стрелки измерителя на нуль или калибровке вольтметра перед началом измерений; сравнительно большая погрешность измерений (до 3-5%).
По принципу действия электронные вольтметры разделяются на две основные группы: вольтметры типа «усилитель - детектор», в которых измеряемое напряжение вначале усиливается, а затем выпрямляется для целей индикации измерителем постоянного тока, и вольтметры типа «детектор - усилитель», в которых измеряемое напряжение выпрямляется, а затем усиливается на постоянном токе. В зависимости от используемого вида активных элементов различают вольтметры транзисторные и ламповые.
Вольтметры типа «детектор - усилитель» часто выполняются как универсальные вольтметры переменного и постоянного тока или как комбинированные приборы, позволяющие измерять помимо переменных и постоянных напряжений и некоторые параметры элементов радиоцепей.
Электронные вольтметры широкого применения имеют, как правило, шкалы, отсчёт по которым производится в среднеквадратических значениях измеряемого синусоидального напряжения. Некоторые приборы снабжаются дополнительной шкалой с отсчётом в значениях относительного уровня передачи (в децибелах).
К специальным типам электронных вольтметров относятся вольтметры селективные , импульсные , логарифмические, фазочувствительные, компенсационные, цифровые.
Фазочувствительные вольтметры применяются при снятии амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик различных низкочастотных четырёхполюсников- усилителей, фильтров и др. К вольтметру подводятся одновременно входное Uвх и выходное Uвых напряжения от исследуемого устройства. Вольтметр имеет два измерителя. Один из них показывает действительную составляющую Uд измеряемого напряжения Uвых совпадающую по фазе с напряжением Uвх. Второй измеритель показывает мнимую составляющую Uмн напряжения Uвых, сдвинутую по фазе относительно напряжения Uвх на 90°. На базе показаний обоих измерителей можно рассчитать значение (модуль) выходного напряжения:
Uвых = (Uд2+Uмн2)0,5
и фазовый сдвиг:
φ = arctg (Uмн/Uд).
Компенсационные электронные вольтметры, основанные на компенсационном методе измерений (см. Дифференциальный и компенсационный методы измерения постоянных напряжений), применяются в качестве образцовых вольтметров при проверке градуировочной характеристики по напряжению электронных вольтметров переменного тока и измерительных генераторов.
Входные делители напряжения электронных вольтметров.
Электронными вольтметрами без усложнения их схемы можно измерять большие переменные напряжения лишь при условии включения на входе делителя напряжения резистивного или ёмкостного типа. Входные делители напряжения (ВДН) выполняются в виде отдельной приставки к вольтметру (рис. 2) или конструктивно объединяются с ним (рис. 4); в последнем случае вольтметр дополняется переключателем, обеспечивающим возможность работы с ВДН или без него.
Применение ВДН ведёт к возрастанию погрешности измерений, особенно заметному при большом числе ступеней деления. Поэтому ВДН обычно выполняются одноступенчатыми, но при правильном выборе коэффициента деления N оказывается возможным удвоить число пределов измерений собственно вольтметра. Предположим, что вольтметр имеет верхние пределы измерений 1,3, 10 и 30 В, определяемые установкой некоторого переключателя в его схеме; тогда при подключений ВДН с N = 100 можно получить дополнительные пределы измерений 100, 300, 1000 и 3000 В. В случае конструктивного объединения ВДН с вольтметром для получения восьми указанных пределов, измерений могут быть использованы два отдельных переключателя соответственно на два положения (x1 и х100) и на четыре положения (1-3-10-30 В) или один общий переключатель с увеличенным числом секций на восемь положений (1-3-10-30-100-300-1000-3000 В).
Резистивный делитель напряжения составляется из двух последовательно соединённых безындукционных и безъёмкостных резисторов (рис. 2, а). С резистора R2 на вход вольтметра подаётся строго определённая доля измеряемого напряжения, равная Ux/N и задаваемая коэффициентом деления
N = (R1 + R2в)/R2в,
который является множителем к показаниям вольтметра и обычно берётся в пределах 10-100. Здесь
R2в = R2Rв/(R2+Rв)
представляет собой полное сопротивление второго плеча ВДН с учётом шунтирующего влияния входного активного сопротивления
вольтметра Rв. Если Rв >> R2, то можно считать R2в ≈ R2. Но при малом коэффициенте деления N сопротивления Rв и R2 иногда оказываются соизмеримыми, поскольку полное сопротивление ВДН, по существу определяющее входное активное сопротивление измерительной схемы, приходится выбирать порядка мегом. Тогда сопротивление Rв будет существенно влиять на требуемое значение сопротивления R2, определяемое формулой
R2 = RвR1/((N-1)Rв - R1) = RвR2в/(Rв-R2в)
Поэтому каждый ВДН обычно рассчитывают для работы лишь с конкретным типом вольтметра.
Рис. 2. Схемы входных делителей напряжения резистивного (а) и ёмкостного (б) типа.
Недостатком резистивного ВДН является зависимость коэффициента деления от частоты f измеряемого напряжения вследствие влияния входной ёмкости Св вольтметра, сопротивление которой на высоких частотах может оказаться соизмеримым с сопротивлениями R2 и Rв. С учётом ёмкости Св фактический коэффициент деления
N' ≈ (N2 + (2π*f*Cв*R1)2)0,5.
Например, при N = 10, R1 = 9мОм, R2в = 1мОм и Св = 10 пФ при частоте f = 1 кГц получаем N' ≈ 10, при f = 10 кГц имеем N' ≈ 11,5, а при f = 100 кГц N' ≈ 57,5. Следует также учитывать, что с повышением частоты входное сопротивление вольтметров Rв по ряду причин уменьшается, что увеличивает погрешность измерений. Поэтому применение резистивных ВДН ограничивается диапазоном низких частот, а также традиционной для них областью постоянных напряжений.
Заметного повышения верхней граничной частоты резистивных ВДН можно достигнуть двумя способами. Во-первых, уменьшением полного сопротивления ВДН (что, однако, не всегда допустимо). Если, например, взять Rx = 0,9 мОМ и R2в = 0,1 мОМ, то при Св = 10 пФ и частотах измеряемого напряжения 1 и 10 кГц получим N' ≈ 10, при f = 100 кГц имеем N' ≈ 11,5 и лишь при f = 1 МГц N' ≈ 57,5. Другой способ заключается в применении частотной коррекции. Она достигается посредством шунтирования резисторов делителя R1 и R2 соответственно конденсаторами С1 и С2, как это показано штриховой линией на схеме рис. 2, а. Ёмкость конденсаторов (с учётом входных данных вольтметра) выбирается такой, чтобы оба звена ВДН имели одинаковые постоянные времени, т. е.
R1C1 = R2в (С2 + Св).
При этом ёмкость конденсатора С1 будет практически определять входную ёмкость измерительной схемы; второй конденсатор должен иметь ёмкость
C2 = C1(N-1)-Cв.
Один из этих конденсаторов (обычно С1) берётся подстроечного типа, что облегчает отладку ВДН. Применяя в комплексе оба рассмотренных способа удаётся расширить верхнюю границу частотной применимости резистивных ВДН до 1-10 МГц.
При измерении напряжений высоких частот хорошие результаты дают ёмкостные делители напряжения (рис. 2, б). Один из конденсаторов делителя обычно допускает регулировку ёмкости, что позволяет компенсировать влияние входной ёмкости Св; при этом коэффициент деления
N = (C1 + C2 + Cв)/С1
Для уменьшения входной ёмкости измерительной схемы ёмкости конденсаторов С1 и С2 желательно иметь малыми. Но такой ВДН будет пригоден для измерений лишь в области высоких частот, поскольку с понижением частоты сопротивление конденсатора С2 может оказаться соизмеримым с сопротивлением R3 вольтметра. Поэтому для измерения напряжений более низких частот иногда применяют отдельные ВДН с повышенными значениями ёмкостей.
При конструктивном выполнении ВДН, подключаемых к высоковольтным цепям, необходимо обеспечивать хорошую изоляцию между входными зажимами во избежание пробоя между ними и возрастания диэлектрических потерь, а также предусматривать меры, повышающие безопасность эксплуатации.
Задача 1. Электронный вольтметр имеет верхние пределы измерений 3, 6, 15 и 30 В при Rв = 5 МОм и С3 - 15 пФ. Рассчитать резистивный делитель напряжения к вольтметру, расширяющий пределы измерений до 600 В при входном активном сопротивлении = 10 МОм. Определить предельную частоту fмакс, при которой дополнительная погрешность, вызываемая изменением коэффициента деления, не превышает 5%.
Ответ: N = 20; при этом будут получены дополнительные пределы измерений с верхними значениями 60, 120, 300 и 600 В. R2в = 500 кОм; R1 = 9,5 МОм; R2 = 556 кОм.
Предельно допустимое значение Nмакс = 1,05N = 21 имеет место при частоте
fмакс = (Nмакс2-N2)0,5/(2πCвR1) = 7,15 кГц.
Задача 2. Рассчитать элементы частотной коррекции к делителю напряжения, расчёт которого произведён в задаче 1, при условии, что входная ёмкость вольтметра (при работе с ВДН) не должна превышать значения Св = 5 пФ.
Ответ: C1 ≈ С'в = 5 пФ; С2 = 80 пФ.
Электронные вольтметры типа «усилитель - детектор»
Выпрямительные вольтметры пригодны для измерения лишь сравнительно больших переменных напряжений - не менее десятых долей вольта. Если же подводимое к ним напряжение подвергать предварительному усилению, то создаётся возможность измерения малых переменных напряжений. Образуемый при этом прибор представляет собой электронный милливольтметр типа «усилитель - детектор».
Рис. 3. Функциональная схема многопредельного электронного вольтметра типа «усилитель-детектор».
При необходимости измерения малых и больших напряжений прибор выполняется многопредельным; при этом на всех пределах измерений входные напряжения приводятся к исходному (наинизшему) пределу с помощью калиброванных делителей напряжения, коэффициенты деления которых определяют множители к отсчётной шкале магнитоэлектрического измерителя, включённого на выходе выпрямительной схемы. В общем случае функциональная схема многопредельного вольтметра соответствует приведённой на рис. 3.
Усилитель вольтметра стремятся выполнить широкополосным, т. е. предпринимают специальные меры для обеспечения постоянства коэффициента усиления в пределах обширной полосы частот, а также при колебаниях в определённых границах напряжений питания, температуры и параметров элементов схемы. В этих целях уменьшают сопротивления нагрузок усилительных каскадов, применяют схемы частотной и температурной компенсации, стабилизируют режим работы; последнее достигается использованием глубокой отрицательной обратной связи (о. о. с.) по постоянному и переменному напряжениям. Поскольку с возрастанием полосы пропускания усилительного каскада его коэффициент усиления падает, широкополосный усилитель приходится выполнять многокаскадным, причём необходимое число каскадов оказывается тем большим, чем шире частотный диапазон и чем ниже исходный предел измерений, определяющий требуемое усиление. Практически вольтметр содержит 3-5 каскадов усиления, а верхний предел его рабочих частот не превосходит 1 МГц. При ограничении рабочего диапазона вольтметра областью низких частот уменьшается потребное число каскадов усиления, отпадает надобность в сложных схемах частотной коррекции, повышается общая устойчивость работы.
Минимально возможное значение измеряемых вольтметром напряжений ограничивается уровнем собственных шумов усилителя, который зависит от шумовых свойств транзистора или лампы входного каскада. Для уменьшения влияния различных наводок и фона переменного тока осуществляют тщательную экранировку вольтметра и хорошую фильтрацию напряжений питания.
Измерительные блоки вольтметров типа «усилитель - детектор» обычно представляют собой нагруженные на магнитоэлектрические измерители выпрямительные схемы, аналогичные рассмотренным в разделах Измерительные блоки выпрямительных приборов и Выпрямительные вольтметры. Поскольку выпрямитель соединяется с выходом усилителя через разделительный конденсатор, то при отсутствии на входе измеряемого напряжения тока в цепи измерителя нет; поэтому отпадает надобность в установке «нуля» измерителя.
Для ослабления влияния на исследуемые цепи и обеспечения сравнимости показаний при измерении малых и больших напряжений вольтметр должен иметь входное сопротивление, сохраняющее высокое и по возможности стабильное значение на всех пределах измерений. Входное (активное) сопротивление может достигать нескольких мегом при установке на входе вольтметра катодного повторителя г. "Однако в современных измерительных приборах избегают использовать электронные лампы, если аналогичных или близких результатов можно достичь с помощью полупроводниковых элементов.
Вольтметр переменного тока на транзисторах можно выполнить подобно транзисторному вольтметру постоянного тока (см. Транзисторные вольтметры постоянного тока), а именно на основе чувствительного транзисторного микроамперметра переменного тока, включаемого последовательно с добавочными резисторами. Однако входное сопротивление такого вольтметра зависит от предела измерения и при малых измеряемых напряжениях может оказаться недостаточно большим; кроме того, реактивные параметры добавочных резисторов ограничивают возможности применения вольтметра на высоких частотах.
При использовании биполярных транзисторов наибольшее стабильное входное сопротивление (сотни килоом) обеспечивается при включении на входе вольтметра согласующего каскада по схеме эмиттерного повторителя. Если же входным каскадом является истоковый повторитель (на полевых транзисторах), то входное сопротивление достигает нескольких мегом. Истоковые повторители (так же как катодные и эмиттерные) обладают, как известно, малой входной ёмкостью (единицы пикофарад) и низким выходным сопротивлением, поэтому они оказываются широкополосными. Малое выходное сопротивление повторителя облегчает его согласование с низкоомным входом последующих усилительных каскадов, которые могут работать на биполярных транзисторах по схемам, обеспечивающим стабильное усиление напряжения в требуемом частотном диапазоне.
В большинстве вольтметров основной многоступенчатый делитель напряжения является непосредственной нагрузкой входного согласующего каскада (повторителя) и поэтому он может иметь малое полное сопротивление (тысячи или сотни ом); это облегчает точный подбор резисторов и позволяет до частот в единицы мегагерц обходиться без частотной коррекции. Входной делитель напряжения либо отсутствует, либо выполняется одноступенчатым с большим коэффициентом деления и элементами частотной коррекции (см. раздел Входные делители напряжения электронных вольтметров).
На рис. 4 приведена схема многопредельного транзисторного вольтметра, работающего в диапазоне частот 20 Гц-200 кГц и имеющего верхние пределы измерения переменных напряжений (в среднеквадратических значениях) 10-30-100-300-1000 В. Входной каскад - истоковый повторитель на транзисторе Т1, нагрузкой которого является низкоомный делитель напряжения R4-R8. На входе прибора включён второй частотно-компенсированный делитель напряжения R1, С1, R2, С2 с коэффициентом деления N = 1000. В зависимости от установки переключателя В1 отсчёт верхних пределов измерений по шкале переключателя В2 производится в милливольтах или вольтах. При измерении малых напряжений входной делитель напряжения не используется и, для того чтобы он не уменьшал входного сопротивления вольтметра, его отключают от схемы прибора.
Основное усиление измеряемого напряжения осуществляется усилительными каскадами на биполярных транзисторах Т2 и Т3, включённых по схеме с общим эмиттером. Для обеспечения значительного усиления должны выбираться транзисторы с коэффициентом Вст, равным примерно 100. Расширению частотной характеристики вольтметра способствует непосредственная (гальваническая) связь между усилительными каскадами, а также наличие на входе транзистора Т2 Двух параллельно включённых разделительных конденсаторов С5 и С6, имеющих малое сопротивление соответственно на низких и повышенных частотах. С целью согласования относительно высокого выходного сопротивления усилителя с малым сопротивлением измерительного блока на выходе установлен эмиттерный повторитель на транзисторе Т4.
Стабилизация режима работы усилителя достигается применением о. о. с. по постоянному напряжению от эмиттера транзистора Т3 на базу транзистора Т2 через подстроенный резистор R11. Последний позволяет регулировать глубину обратной связи, а следовательно, и коэффициент усиления, что используется при калибровке вольтметра.
Для обеспечения требуемой полосы пропускания частот и повышения линейности шкалы в вольтметре действует сильная о. о. с. по переменному напряжению от эмиттера транзистора Т4 к эмиттеру транзистора Т2 через электролитический конденсатор С9, выпрямитель измерительного блока и резистор R19; степень обратной связи регулируется при наладке прибора подстроечным резистором R12. Некоторого улучшения линейности шкалы удаётся достичь заменой двух диодов выпрямителя (Д3 и Д4) электролитическими конденсаторами большой ёмкости, а также применением однополупериодной схемы выпрямления.
Рис. 4. Схема транзисторного вольтметра типа «усилитель - детектор».
В состав некоторых электронных вольтметров включают калибратор, который выдаёт опорное переменное напряжение, используемое для проверки и коррекции чувствительности прибора. Для работы калибратора требуется источник синусоидального напряжения, поэтому он легко совмещается с ламповыми вольтметрами, питаемыми от сети переменного тока. В транзисторных вольтметрах иногда предусматривают возможность подключения входа калибратора к внешнему источнику переменного тока либо включают в конструкцию вольтметра маломощный преобразователь постоянного напряжения в переменное.
Наиболее простым, но достаточно надёжным является калибратор на кремниевых стабилитронах (рис. 5). Два одинаковых стабилитрона Д1 и Д2, включённых встречно-параллельно, обеспечивают стабилизацию обеих полуволн переменного напряжения U на уровне характеризующего их напряжения стабилизации Uст при условии, что U > Uст. Если стабилизация осуществляется при изменении тока через стабилитроны в пределах Iмин - Iмакс, то ограничительный резистор R1 должен иметь сопротивление
R1 = (U-Uст)/((Iмакс-Iмин)/2 + Uст/(R2 + R3)).
Полное сопротивление делителя напряжения R2, R3 должно быть в десятки раз меньшим входного сопротивления вольтметра и в то же время достаточно большим, чтобы не нагружать заметно источник питания. Его коэффициент деления выбирается таким, чтобы получить на выходе стабилизированное напряжение, равное одному из низковольтных пределов измерений Uп. При наладке калибратора требуемое напряжение точно устанавливается подстроечным потенциометром R3 (по показаниям образцового вольтметра). Перед началом измерений это напряжение подводится к входу калибруемого вольтметра, включённого на соответствующий предел измерений, и предусмотренной в схеме вольтметра регулировкой добиваются отклонения стрелки его измерителя до конца шкалы.
Рис. 5. Схема калибратора переменного напряжения на полупроводниковых стабилитронах.
Для измерения очень малых напряжений радиочастотного диапазона применяются селективные микровольтметры. Они обычно выполняются по схеме супергетеродинного приёмника с одинарным или двойным преобразованием частоты. Высокочастотную часть прибора настраивают на частоту измеряемого напряжения, которое получает большое калиброванное усиление по высокой и промежуточным частотам. Нагрузкой детектора является магнитоэлектрический измеритель, градуируемый в значениях измеряемого напряжения. Перед началом измерений проводятся контроль и регулировка усиления, для чего используется внутренний калибровочный генератор, подающий опорное напряжение требуемой частоты на вход прибора. Благодаря избирательным свойствам селективный микровольтметр может применяться для исследования спектров периодических и шумовых сигналов (посредством последовательной настройки на частоты отдельных составляющих этих спектров), а также для измерения напряжённости электромагнитного поля (при включении на его входе антенны) и других высокочастотных измерений.
Электронные вольтметры типа «детектор - усилитель»
Электронные вольтметры, предназначенные для измерения не слишком малых напряжений (от десятых долей вольта и выше) в широком диапазоне частот (вплоть до сверхвысоких), а также для использования в универсальных и комбинированных измерительных приборах, обычно выполняются по схеме типа «детектор - усилитель» (рис. 6). Измеряемое напряжение выпрямляется полупроводниковым или ламповым детектором, а затем постоянная составляющая выпрямленного напряжения через резистивный делитель напряжения и RC-фильтр, устраняющий переменные составляющие, подводится к усилителю постоянного тока. На выходе усилителя включён магнитоэлектрический измеритель И, шкала которого градуируется в среднеквадратических или амплитудных значениях измеряемого напряжения. Делитель напряжения, фильтр и усилитель с измерителем по существу представляют собой многопредельный вольтметр постоянного тока с высокоомным, как правило, входом. При этом вольтметр переменного тока также оказывается многопредельным при сохранении на всех пределах примерно одинакового и высокого входного сопротивления. Если изменение пределов измерений предусмотрено в схеме усилителя, то делитель напряжения может отсутствовать. Недостатком вольтметра является необходимость в предварительной установке «пуля» измерителя.
Рис. 6. Функциональная схема многопредельного электронного вольтметра типа «детектор - усилитель».
Специфичными для вольтметров типа «детектор - усилитель» являются лишь их детекторные компоненты, которые чаще всего аналогичны выпрямительным узлам амплитудных вольтметров; в некоторых приборах детектор формируется на основе двухполупериодной схемы, выделяющей средневыпрямленное значение измеряемого напряжения.
Электронный вольтметр типа «детектор - усилитель» можно представить как выпрямительный вольтметр, индикатором которого является электронный вольтметр постоянного тока. Очевидно, что такой вольтметр рационально использовать как универсальный для измерения переменных и постоянных напряжений в широком диапазоне значений и частот Схема компоновки такого вольтметра представлена в двух вариантах на рис. 7. Основой первого варианта (рис. 7, а) является типовой электронный вольтметр постоянного тока, который может использоваться непосредственно по своему прямому назначению. При необходимости получения добавочного высоковольтного предела измерения постоянных напряжений применяется выносной хорошо изолированный щуп с замонтированной в нем группой последовательно соединённых высокоомных резисторов Rс, подключаемый к входу вольтметра постоянного тока при установке последнего на определённый предел измерений. Детекторный компонент оформляется в виде приставка, выполняемой чаще всего по схеме амплитудного детектора с закрытым входом (рис. 8, б), и присоединяется к вольтметру при необходимости измерения переменных напряжений. Полярность включения диода Д должна быть согласована с полярностью напряжений, измеряемых вольтметром постоянного тока; от схемы последнего зависит также возможность соединения одного из входных соединительных проводов с экраном и корпусом прибора.
Рис. 7. Схемы компоновки универсальных электронных вольтметров типа «детектор - усилитель».
Входной конденсатор С должен быть рассчитан (так же как и диод Д по обратному напряжению) на предельную амплитуду измеряемого напряжения. Его ёмкость должна удовлетворять двум противоречивым требованиям. С одной стороны, для обеспечения достаточно высокой верхней границы рабочих частот ёмкость С желательно иметь малой, чтобы уменьшить индуктивное сопротивление конденсатора и активные потери в нем на высоких частотах. С другой стороны, для обеспечения нижней границы рабочих частот эту ёмкость желательно иметь большой, чтобы ёмкостное сопротивление конденсатора С было много меньше обратного сопротивления диода Д. Практически берут ёмкость С = 0,001...0,1 мкФ, исходя из компромиссных соображений и конкретных границ частотного диапазона.
Сопротивление резистора R выбирается из условия совпадения (при одинаковых пределах измерений) отсчётных шкал переменного и постоянного напряжений, что вполне достижимо, поскольку выбранная схема детекторного компонента обеспечивает практически линейную зависимость между выпрямленным и входным напряжениями. Если обратное сопротивление диода Д и входное сопротивление Rин индикатора (вольтметра постоянного тока) достаточно велики, то постоянное напряжение на диоде окажется близким к амплитуде Rм измеряемого напряжения и тогда отсчёт амплитуд можно производить по соответствующим шкалам постоянного напряжения при R = 0. Если же требуется получать показания в среднеквадратических значениях U = 0,707*Uм (при синусоидальной форме напряжения), то следует соответственно уменьшить подводимое к вольтметру постоянного тока выпрямленное напряжение; это достигается при сопротивлении R ≈ 0,415*Rин. Точная подгонка сопротивления резистора R производится при наладке прибора.
На самых низковольтных пределах (примерно до 3 В) возможно нарушение линейности шкал переменного напряжения и неполное совпадение их с соответствующими шкалами постоянного напряжения вследствие слабой эффективности детектирования диодом малых напряжений, а также из-за изменения сопротивления Rин, поскольку на этих пределах входной делитель напряжения вольтметра постоянного тока может оказаться отключённым или действовать как шунт. С целью уменьшения погрешности в некоторых вольтметрах на низковольтных пределах применяют особый детекторный компонент со специально подобранными диодом Д и резистором R либо используют поправочные графики или таблицы.
Второй вариант универсального вольтметра (рис. 7, б) характеризуется отсутствием на входе переключателей и сменных компонентов. Схема рассчитывается как единое целое для измерения прежде всего переменных напряжений на требуемых пределах измерений. В частности, резистор R берётся обычно весьма большого сопротивления (примерно 10 МОм), что улучшает фильтрацию выпрямленного напряжения и ограничивает воздействие на прибор случайных перегрузок. Резистор Rc должен обеспечивать совпадение шкал постоянного напряжения с имеющимися шкалами переменного напряжения. Если отсчёт по шкалам переменного напряжения производится в амплитудных значениях Uм, то берут Rc ≈ R2/(R + Rин), а при отсчёте в среднеквадратических значениях напряжения
Rc ≈ (0,7*R2 - 0,3*R*Rин)/(R + R).
Недостатком данного варианта является возможность нарушения достигнутого совпадения шкал переменного и постоянного напряжений при изменении обратного сопротивления диода Д. Этого можно избежать, если при измерении постоянных напряжений отключать цепь детектора.
Если на входе вольтметра постоянного тока делитель напряжения отсутствует (как, например, в схемах на рис. 5, а и 6), то резистор R может служить элементом (Rф) входного фильтра Rф, Сф. Ёмкость фильтра должна быть сравнительно большой (сотые доли микрофарады), чтобы сопротивление её на самой низкой рабочей частоте было значительно меньше сопротивления Rф.
Диод, включаемый в схему детекторного компонента, должен удовлетворять двум главным требованиям: достаточно высокое значение максимально допустимого обратного напряжения Uобр.макс, поскольку оно определяет верхнюю границу измеряемых переменных напряжений, которая не должна превосходить по амплитуде или среднеквадратическому значению соответственно 0,5*Uобр.макс и 0,35*Uобр.макс; малый обратный ток или, что эквивалентно, возможно большее обратное сопротивление Rобр, ибо от него существенно зависит входное активное сопротивление Rв вольтметра переменного напряжения. Последнее обычно составляет от 1/4 до 1/3 сопротивления постоянному току параллельной цепи, образованной обратным сопротивлением диода Д и сопротивлением его нагрузки Rн = R + Rин, т. е.
Rв ≈ 0,3*Rобр*Rн/(Rобр + Rи).
Если Rобр << Rн, то Rв ≈ 0,3*Rобр. И наоборот, при Rобр >> Rн получаем Rн ≈ 0,3*Rн. Если же Rобр ≈ Rн, то Rв ≈ 0,15*Rн .
При использовании в детекторах ламповых диодов, которые выдерживают большие обратные напряжения и обладают практически безграничным обратным сопротивлением и устойчивыми параметрами, вольтметр может иметь очень высокое входное сопротивление (десятки и сотни мегом на низких частотах) и обеспечивать (без входного делителя напряжения) измерение значительных переменных напряжений (до 100-150 В). Однако их применение ограничивается из-за необходимости питания нити накала диода и компенсации его начального тока (рис. 8, а).
Полупроводниковые диоды не требуют специального питания и не имеют начального тока, габариты их малы, однако по сравнению с ламповыми диодами они выдерживают значительно меньшие обратные напряжения и обладают конечным обратным сопротивлением; кроме того, их параметры заметно зависят от температуры и приложенного к диоду напряжения, а с течением времени они несколько меняются. Поэтому у вольтметров с полупроводниковыми детекторами входное сопротивление и предельное значение измеряемых напряжений оказываются в несколько раз ниже, а погрешность измерений выше, чем в вольтметрах с ламповыми детекторами. При использовании в детекторе высокочастотных (точечных) диодов с малым обратным током входное сопротивление вольтметра может достигать нескольких мегом, а верхний предел измерений - десятков вольт. Ёмкость между электродами высокочастотных диодов, как полупроводниковых, так и ламповых, обычно составляет несколько единиц или десятых долей пикофарады, поэтому вольтметры типа «детектор - усилитель» при рациональном монтаже входной цепи могут иметь верхнюю границу рабочих частот, равную десяткам или даже нескольким сотням мегагерц.
Иногда вольтметры снабжаются двумя сменными или переключаемыми детекторными компонентами. Один из них на плоскостном диоде с высоким допустимым обратным напряжением, но значительной входной ёмкостью, и с разделительным конденсатором С ёмкостью примерно 0,1 мкФ включается при измерении напряжений сравнительно низких частот в широком интервале значений (до сотен вольт). Второй детектор на точечном диоде и с конденсатором С ёмкостью в несколько тысяч пикофарад используется при измерении относительно малых напряжений (до десятков вольт) высоких и сверхвысоких частот.
По схеме типа «детектор - усилитель» выполняются также импульсные вольтметры, предназначенные для измерения амплитуд импульсов различной длительности и скважности. В них обычно используются два детектора на точечных диодах, применяемые для детектирования импульсов соответственно положительной и отрицательной полярности.
Особенности конструктивного исполнения и градуировки электронных вольтметров переменного тока
Степень влияния широкополосного вольтметра на исследуемые цепи при измерении напряжений различных частот определяется значениями его входных параметров Rв, Св и Lпр (рис. 1).
Входная ёмкость Св складывается из ёмкости между входными электродами лампового или полупроводникового прибора, включённого во входной цепи, ёмкости между соответствующими гнёздами панельки, служащей для подключения этого прибора, и ёмкости монтажа. При использовании на входе малогабаритных деталей и зажимов, их рациональном размещении и выполнении соединений короткими проводниками ёмкость монтажа составляет 3-6 пФ. В этом случае правильный подбор входного электронного прибора и подпайка элементов схемы непосредственно к его выводным штырькам позволяют ограничить входную ёмкость вольтметра значениями 6-10 пФ.
Входное активное сопротивление вольтметра Rв определяется конкретной схемой входной цепи и входным активным сопротивлением включённого на входе электронного прибора. На низких частотах оно оказывается равным единицам, реже десяткам, мегом. При работе на высоких частотах сопротивление Rв несколько уменьшается из за возрастания диэлектрических потерь в баллоне, корпусе или цоколе электронного прибора и монтажных платах. Снижение этих потерь достигается применением на входе бесцокольных радиоламп, монтажом входных зажимов и других элементов входной цепи на панелях из высокочастотного диэлектрика - полистирола, радиофарфора и т. п.
В диапазоне метровых и дециметровых волн время пробега электронов между электродами лампы становится соизмеримым с периодом измеряемого напряжения, вследствие чего резко возрастают потери во входных цепях радиоламп. С увеличением частоты растут потери и в массах полупроводников, которые у диодов проявляются в уменьшении коэффициента выпрямления и обратного сопротивления, а у транзисторов - в уменьшении входного сопротивления и коэффициента передачи тока Вст. Эти потери снижаются при использовании миниатюрных радиоламп и полупроводниковых приборов. Практически удаётся получить при частоте измеряемого напряжения 100 МГц входное активное сопротивление вольтметра порядка десятков, реже сотен, килоом.
При выполнении монтажа короткими проводниками и применении малогабаритного и безындукционного разделительного конденсатора индуктивность входной цепи составляет сотые доли микрогенри, а её собственная резонансная частота достигает сотен мегагерц. Входные соединительные провода, обладая распределёнными по длине индуктивностью и ёмкостью, уменьшают предельную рабочую частоту fмакс, соответствующую допустимой погрешности измерений. Влиянием этих проводов можно практически пренебречь, если их длина не превышает 1% длины волны λ измеряемого напряжения.
Если входные зажимы или гнезда смонтированы на корпусе прибора, то при измерении высокочастотных напряжений не всегда удаётся приблизить вольтметр к исследуемой цепи настолько, чтобы обойтись соединительными проводами допустимой длины. Поэтому во многих электронных вольтметрах входная высокочастотная часть (детекторный компонент в вольтметрах типа «детектор - усилитель», истоковый, эмиттерный или катодный повторитель в вольтметрах типа «усилитель - детектор») выполняется в виде отдельного малогабаритного экранированного выносного узла, называемого пробником (см. рис. 7, а). Пробник соединяется с остальной схемой вольтметра гибким экранированным кабелем. Во время измерений пробник подносится к исследуемой цепи и размещённым в его головке потенциальным штырем непосредственно или коротким проводником присоединяется к требуемой потенциальной точке цепи; второй зажим (обычно типа «крокодил»), соединённый в большинстве приборов с корпусом и общим минусом вольтметра (при несимметричной схеме его входа), предварительно подключают к точке наименьшею потенциала цепи.
Для исключения влияния внешних электрических и магнитных полей вольтметр помещают в металлический кожух, который при работе рекомендуется заземлять. С этим кожухом надёжно соединяют корпус или экран исследуемого устройства.
Рис. 8. Схема градуировки вольтметров переменного тока.
Регулировка и градуировка электронных (и иных) вольтметров переменного тока может выполняться при помощи схемы, приведённой на рис. 8. Здесь в качестве опорного используется вольтметр V, который должен иметь предел измерений, равный или несколько больший предельного значения напряжения, измеряемого градуируемым вольтметром. Посредством автотрансформатора Тр с плавной регулировкой на резистивный делитель R1-R3 подают напряжение, равное предельному измеряемому, и при установке переключателя В в положение «x1» регулировкой элементов электронного вольтметра добиваются отклонения стрелки его измерителя до конца шкалы. Затем перемещением движка автотрансформатора плавно уменьшают напряжение и проверяют градуировочную характеристику в ряде промежуточных точек шкалы. Делитель напряжения позволяет использовать один и тот же однопредельный опорный вольтметр V для градуировки электронного вольтметра на нескольких пределах измерений. Если опорный вольтметр является многопредельным, схема градуировки соответственно упрощается исключением из неё делителя напряжения.
Питание электронных вольтметров
В зависимости от схемы и условий применения питание электронных вольтметров производят от источников постоянного или переменного тока.
Транзисторные вольтметры, как правило, питают от малогабаритных сухих или аккумуляторных батарей с э. д. с. 4,5...9 В, которые помещают внутри кожуха прибора в специальном изолированном от остальной схемы отсеке. Один из возможных вариантов схемы питания приведён на рис. 9. Плоскостной диод Д2 защищает прибор при неправильной полярности подключения батареи питания Б. Параметрическая стабилизация напряжения питания осуществляется стабилитроном Д1, который присоединяется к источнику через резистор R1. Требуемый режим стабилизации обеспечивается при сопротивлении
R1 = (U-Uст)/ ((Iмакс - Iмин)/2 + Iн),
где Iмин и Iмакс - предельно допустимые значения тока через стабилитрон, а Iн - номинальное (среднее) значение тока нагрузки на источник питания. Если желательна исключительно высокая стабильность напряжения питания, то включают аналогичным образом второе звено из стабилитрона и резистора, рассчитанное на получение стабилизированного напряжения, несколько меньшего, чем на выходе первого звена. При отказе от стабилизирующих элементов источник питания шунтируют конденсатором ёмкостью примерно 100 мкФ.
Рис. 9. Схема параметрической стабилизации напряжения питания транзисторного вольтметра.
В некоторых приборах предусматривают контроль напряжения питания с помощью измерителя вольтметра, при необходимости подключаемого к источнику питания через добавочный резистор.
Переносные ламповые вольтметры имеют в большинстве случаев внутреннее батарейное питание. В них стремятся обойтись одной низковольтной батареей посредством применения в вольтметре экономичных радиоламп с малым током накала, работающих при низком анодном напряжении (5-10 В). В некоторых случаях для питания анодных цепей используют маломощный транзисторный преобразователь напряжения, питаемый от батареи накала.
При питании лампового вольтметра от сети переменного тока расширяются возможности выбора схемы, ламп, режима работы. Это позволяет использовать в приборе менее чувствительный измеритель при одновременном повышении входного сопротивления и расширения пределов измерений и диапазона рабочих частот. Поскольку постоянный ток в цепях питания не превышает 10-20 мА, а пульсации высокого напряжения мало влияют на работу вольтметра, то выпрямитель питания обычно выполняется по однополупериодной схеме, в которой фильтром служит конденсатор ёмкостью в несколько микрофарад, включённый параллельно нагрузке. Для повышения устойчивости работы вольтметра при возможных колебаниях питающего напряжения применяют различные методы стабилизации режима питания ламп. Хорошие результаты даёт применение феррорезонансных стабилизаторов, обеспечивающих одновременную стабилизацию переменных напряжений на всех вторичных обмотках силового трансформатора. Для устранения воздействия на вольтметр высокочастотных помех, распространяющихся по проводам питающей сети, провода питания у самого выхода их из кожуха вольтметра соединяют с корпусом конденсаторами ёмкостью в несколько тысяч пикофарад.
Питание электронных вольтметров рекомендуется включать за 10-15 мин до начала измерений. О готовности прибора к работе можно судить по устойчивости положения стрелки измерителя на нулевой отметке шкалы.
Меерсон А. М.