Прибор для постоянного напряжения. Измерение напряжения. Виды и принцип измерений

Измерение напряжения на практике приходится выполнять довольно часто. Напряжение измеряют в радиотехнических, электротехнических устройствах и цепях и т.д. Вид переменного тока может быть импульсным или синусоидальным. Источниками напряжения являются или генераторы тока.

Напряжение импульсного тока имеет параметры амплитудного и среднего напряжения. Источниками такого напряжения могут быть импульсные генераторы. Напряжение измеряется в вольтах, имеет обозначение «В» или «V». Если напряжение переменное, то впереди ставится символ «~ », для постоянного напряжения указывается символ «-». Переменное напряжение в домашней бытовой сети маркируют ~220 В.

Это приборы, предназначенные для измерения и контроля характеристик электрических сигналов. Осциллографы работают на принципе отклонения электронного луча, который выдает изображение значений переменных величин на дисплее.

Измерение напряжения в сети переменного тока

Согласно нормативным документам величина напряжения в бытовой сети должна быть равной 220 вольт с точностью отклонений 10%, то есть напряжение может меняться в интервале 198-242 вольта. Если в вашем доме освещение стало более тусклым, лампы стали часто выходить из строя, либо бытовые устройства стали работать нестабильно, то для выяснения и устранения этих проблем для начала необходимо измерение напряжения в сети.

Перед измерением следует подготовить имеющийся у вас измерительный прибор к работе:

1. Проверить целостность изоляции контрольных проводов со щупами и наконечниками.
2. Установить переключатель на переменное напряжение, с верхним пределом 250 вольт или выше.
3. Вставить наконечники контрольных проводов в гнезда измерительного прибора, например, . Чтобы не ошибиться, лучше смотреть на обозначения гнезд на корпусе.
4. Включить прибор.

Из рисунка видно, что на тестере выбрана граница измерений 300 вольт, а на мультиметре 700 вольт. Некоторые приборы требуют для измерения напряжения устанавливать в нужное положение несколько разных переключателей: вид тока, вид измерений, а также вставить наконечники проводов в определенные гнезда. Конец черного наконечника в мультиметре воткнут в гнездо СОМ (общее гнездо), красный наконечник вставлен в гнездо с обозначением «V». Это гнездо является общим для измерения любого вида напряжения. Гнездо с маркировкой «ma» применяется для замеров небольших токов. Гнездо с обозначением «10 А» служит для измерения значительной величины тока, который может достичь 10 ампер.

Если измерять напряжение со вставленным проводом в гнездо «10 А», то прибор выйдет из строя, или сгорит предохранитель. Поэтому при выполнении измерительных работ следует быть внимательным. Наиболее часто ошибки возникают в случаях, когда сначала измеряли сопротивление, а затем, забыв переключить на другой режим, начинают измерять напряжение. При этом внутри прибора сгорает резистор, отвечающий за измерение сопротивления.

После подготовки прибора, можно начинать измерения. Если при включении мультиметра на индикаторе ничего не появляется, это означает, что элемент питания, расположенный внутри прибора, отслужил свой срок и требует замены. Чаще всего в мультиметрах стоит «Крона», выдающая напряжение 9 вольт. Срок ее службы составляет около года, в зависимости от производителя. Если мультиметром долго не пользовались, то крона все равно может быть неисправной. Если батарейка исправна, то мультиметр должен показать единицу.

Щупы проводов необходимо вставить в розетку или прикоснуться ими к оголенным проводам.

На дисплее мультиметра сразу появится величина напряжения сети в цифровом виде. На стрелочном приборе стрелка отклонится на некоторый угол. Стрелочный тестер имеет несколько градуированных шкал. Если их внимательно рассмотреть, то все становится понятным. Каждая шкала предназначена для определенных измерений: тока, напряжения или сопротивления.

Граница измерений на приборе была выставлена на 300 вольт, поэтому нужно отсчитывать по второй шкале, имеющий предел 3, при этом показания прибора необходимо умножить на 100. Шкала имеет цену деления, равной 0,1 вольта, поэтому получаем результат, изображенный на рисунке, около 235 вольт. Этот результат находится в допустимых пределах. Если при измерении показания прибора постоянно меняются, возможно, плохой контакт в соединениях электрической проводки, что может привести к искрению и неисправностям в сети.

Измерение постоянного напряжения

Источниками постоянного напряжения являются аккумуляторы, низковольтные или батарейки, напряжение которых не более 24 вольт. Поэтому прикосновение к полюсам батарейки не опасно, и нет необходимости в специальных мерах безопасности.

Для оценки работоспособности батарейки или другого источника, необходимо измерение напряжения на его полюсах. У пальчиковых батареек полюсы питания расположены на торцах корпуса. Положительный полюс маркируется «+».

Постоянный ток измеряется аналогичным образом, как и переменный. Отличие заключается только в настройке прибора на соответствующий режим и соблюдении полярности выводов.

Напряжение батарейки обычно обозначено на корпусе. Но результат измерения еще не говорит об исправности батарейки, так как при этом измеряется электродвижущая сила батарейки. Продолжительность эксплуатации прибора, в котором будет установлен элемент питания, зависит от его емкости.

Для точной оценки работоспособности батарейки, необходимо проводить измерение напряжения при подключенной нагрузке. Для пальчиковой батарейки в качестве нагрузки подойдет обычная лампочка для фонарика на 1,5 вольта. Если напряжение при включенной лампочке снижается незначительно, то есть, не более, чем на 15%, следовательно, батарейка пригодна для работы. Если напряжение падает значительно сильнее, то такая батарейка может еще послужить только в настенных часах, которые расходуют очень мало энергии.

Общие сведения. Необходимость измерения напряжения на практике возникает очень часто. В электротехнических и радиотехнических цепях и устройствах чаще всего измеряют напряжение постоянного и переменного (синусоидального и импульсного) тока.

Напряжение постоянного тока (рис. 3.5, а ) выражается, как . Источниками такого напряжения являются генераторы постоянного тока и химические источники питания.

Рис. 3.5. Временные диаграммы напряжений: постоянного (а), переменного синусоидального (б) и переменного импульсного (в) тока

Напряжение переменного синусоидального тока (рис. 3.5, б ) выражается как и характеризуется среднеквадратичным и амплитудным значениями:

Источниками такого напряжения являются низко- и высокочастотные генераторы , электросеть.

Напряжение переменного импульсного тока (рис. 3.5 в ) характеризуется амплитудным и средним (постоянная составляющая) значениями напряжения. Источником такого напряжения являются импульсные генераторы с сигналом разной формы.

Основной единицей измерения напряжения является вольт (В).

В практике электротехнических измерений широко используются дольные и кратные единицы:

Киловольт (1 кВ - В);

Милливольт (1мВ - В);

Микровольт (1 мкВ - В).

Международные обозначения единиц измерения напряжения приведены в Приложении 1.

В каталоговой классификации электронные вольтметры обознача-ются следующим образом: В1 — образцовые, В2 — постоянного тока, ВЗ — переменного синусоидального тока, В4 — переменной) импульс-ного тока, B5 — фазочувствительные, В6 — селективные, В7 — уни-версальные.

На шкалах аналоговых индикаторов и на лицевых панелях (на пе-реключателях пределов) отечественных и зарубежных электронных и электромеханических вольтметров применяются следующие обо-значения: V — вольтметры, kV — киловольтметры, mV — милливольт-метры, V — микровольтметры.

Измерение напряжения постоянного тока. Для измерения напря-жения постоянного тока используются электромеханические вольт-метры и мультиметры, электронные аналоговые и цифровые вольт-метры, электронные осциллографы.

Электромеханические вольтметры непосредственной опенки измеряемой величины составляют большой класс приборов аналого-вого типа и имеют следующие достоинства:

Возможность работы без подключения к источнику питания;

Малые габаритные размеры;

Меньшая цена (по сравнению с электронными);

Простота конструкции и удобство эксплуатации.

Чаще всего при электротехнических измерениях в сильноточных цепях используются вольтметры на основе электромагнитной и элек-тродинамической систем, в слаботочных цепях — магнитоэлектриче-ской системы . Поскольку все названные системы сами являются из-мерителями силы тока (амперметрами), то для создания на их основе вольтметров необходимо увеличить внутреннее сопротивление при-бора, т.е. подключить последовательно с измерительным механизмом добавочный резистор (рис. 3.6, а).

Вольтметр подключается к исследуемой цепи параллельно (рис. 3.6, б), и его входное сопротивление должно быть достаточно большим.

Для расширения диапазона измерения вольтметра также использу-ют добавочный резистор, который подключают к прибору последова-тельно (рис. 3.6, в).

Значение сопротивления добавочного резистора определяется по формуле:

Рис. 3.6. Схема создания вольтметра на основе амперметра (а ), подключение вольтметра к нагрузке (6 ), подключение добавочного резистора к вольтметру (в )

(3.8)

Где — число, показывающее, во сколько раз расширяется предел измерения вольтметра:

где — исходный предел измерения;

— новый предел измерения.

Добавочные резисторы, размещенные внутри корпуса прибора, называются внутренними, подключенные к прибору снаружи — внешними. Вольтметры могут быть многопредельными. Между пределом измерения и внутренним сопротивлением многопредельного вольтметра существует прямая зависимость: чем больше предел измерения, тембольше сопротивление вольтметра.

Электромеханические вольтметры имеют следующие недостатки:

Ограниченный диапазон измерения напряжений (даже в многопредельных вольтметрах);

Малое входное сопротивление, следовательно, большое собственное потребление мощности из исследуемой цепи.

Этими недостатками электромеханических вольтметров обусловлено предпочтительное использование для измерения напряжения в электронике электронных вольтметров.

Электронные аналоговые вольтметры постоянного тока построены по схеме, представленной на рис. 3.7. Входное устройство состоит из эмиттерного повторителя (для увеличения входного сопро-тивления) и аттенюатора — делителя напряжения.

Преимущества электронных аналоговых вольтметров по сравнению с аналоговыми очевидны:

Рис. 3.7. Структурная схема электронного аналогового вольтметра постоянного тока

Широкий диапазон измерения напряжений;

Большое входное сопротивление, следовательно, малое собствен-ное потребление мощности из исследуемой цепи;

Высокая чувствительность благодаря наличию усилителя на входе прибора;

Невозможность перегрузок.

Вместе с тем электронные аналоговые вольтметры имеют ряд не-достатков:

Наличие источников питания, большей частью стабилизирован-ных;

Большая, чем у электромеханических вольтметров, приведенная относительная погрешность (2,5-6%);

Большие массогабаритные размеры, более высокая цена.

В настоящее время аналоговые электронные вольтметры постоян-ного тока применяются недостаточно широко, так как по своим пара-метрам заметно уступают цифровым вольтметрам.

Измерение напряжения переменного тока.

Для измерения напря-жения переменного тока используются электромеханические вольт-метры и мультиметры, электронные аналоговые и цифровые вольт-метры, электронные осциллографы.

Рассмотрим недорогие и достаточно точные электромеханиче-ские вольтметры. Делать это целесообразно по частотным диапазо-нам.

На промышленных частотах 50, 100, 400 и 1000 Гц широко приме-няются вольтметры электромагнитной, электродинамической, ферро-динамической, выпрямительной, электростатической и термоэлектри-ческой систем.

На низких частотах (до 15-20 кГц) применяются вольтметры вы-прямительной, электростатической и термоэлектрической систем.

На высоких частотах (до единиц — десятков мегагерц) используют-ся приборы электростатической и термоэлектрической систем.

Для электротехнических измерений широко используются универ-сальные приборы — мультиметры.

Мультиметры (тестеры, ампервольтомметры, комбинированные приборы) позволяют измерять множество параметров: силу постоянного и переменного тока, напряжение постоянного и переменного тока, сопро-тивление резисторов, емкость конденсаторов (не все приборы), некото-рые статические параметры маломощных транзисторов ( , , и ).

Мультиметры выпускаются с аналоговым и цифровым отсчетом.

Широкое использование мультиметров объясняется следующими ихпреимуществами:

Многофункциональность, т.е. возможность использования в каче-стве амперметров, вольтметров, омметров, фарадомеров, измерителей параметров маломощных транзисторов:

Широкий диапазон измеряемых параметров благодаря наличию нескольких пределов измерения по каждому параметру;

Возможность использования в качестве переносных приборов, поскольку отсутствует сетевой источник питания;

Небольшие массогабаритные размеры;

Универсальность (возможность измерения переменных и постоянных токов и напряжений),

Мультиметры имеют также ряд недостатков:

Узкий частотный диапазон применимости;

Большое собственное потребление мощности из исследуемой 1 цепи;

Большая приведенная погрешность у аналоговых (1,5; 2,5 и 4) и у цифровых мультиметров;

Непостоянство внутреннего сопротивления на различных пределах 4 измерения силы тока и напряжения.

По отечественной каталоговой классификации мультиметры имеют обозначение Ц43 и далее номер модели, например, Ц4352.

Для определения внутреннего сопротивления аналогового мультиметра на включенном пределе измерения в паспорте прибора может 1 быть приведено удельное сопротивление. Например, в паспорте тестера Ц4341 удельное сопротивление = 16,7 кОм/В, пределы измерения по напряжению постоянного тока составляют 1,5 — 3 — 6 — 15 В.

В этом случае сопротивление мультиметра на пределе 6 В постоянного тока определяют по формуле:

В паспорте прибора могут быть приведены сведения, необходимые для расчета сопротивления по закону Ома .

Если тестер используется как вольтметр, то его входное сопротивление определяется по формуле:

где - выбранный предел измерения;

Значение силы тока в выбранном пределе (указанное на задней пане ли прибора или в его паспорте).

Если тестер используется как амперметр, то его входное сопротив-ление определяется по формуле:

Где — выбранный предел измерения;

— значение напряжения, приведенное на задней панели прибора или в его паспорте.

Например, в паспорте тестера Ц4341 приведено падение напря-жения на приборе, равное 0,3 В в пределах 0,06 — 0,6 — 6 — 60 — 600 мА постоянного тока, и падение напряжения 1,3 В в пределах: 0,3 — 3 — 30 — 300 мА переменного тока. Входное сопротивление мультиметра в пределе 3 мА переменного тока составит

Электронные аналоговые вольтметры переменного тока по-строены по одной из структурных схем (рис. 3.8), которые различа-ются последовательностью расположения основных блоков - усили-теля и преобразователя (детектора) напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Свойства этих вольтметров во многом зависят от выбранной схемы.

Рис. 3.8. Структурные схемы электронных аналоговых вольтметров переменного тока тина У—Д (а ) и типа Д—У (б)

Вольтметры первой группы - типа усилитель-детектор (У—Д) — имеют высокую чувствительность, что связано с наличием дополни-тельного усилителя. Поэтому все микро- и милливольтметры построе-ны по схеме У—Д. Однако частотный диапазон таких вольтметров неширок (до единиц мегагерц), так как создание широкополосного усилителя переменного тока связано с определенными трудностями. Вольтметры типа У—Д относятся к не универсальным (подгруппа ВЗ), т.е. могут измерять только напряжение переменного тока.

Вольтметры второй группы — типа детектор—усилитель (Д—У) -имеют широкий частотный диапазон (до единиц гигагерц) и низкую чувствительность. Вольтметры этого типа относятся к универсаль-ным (подгруппа В7), т.е. измеряют напряжение не только перемен-ного, но и постоянного тока; могут измерять напряжение значитель-ного уровня, так как обеспечить большое усиление с помощью УНТ несложно.

В вольтметрах обоих типов важную функцию выполняют преоб-разователи напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока — детекторы, которые по функции преобразования входного на-пряжения в выходное можно классифицировать на три типа: ампли-тудного, среднеквадратичного и средневыпрямленного значения.

От типа детектора во многом зависят свойства прибора. Вольт-метры с детектором амплитудного значения являются самыми высо-кочастотными; вольтметры с детектором среднеквадратичного значе-ния позволяют измерять напряжение переменного тока любой формы; вольтметры с детектором средневыпрямленного значения пригодны для измерения напряжения только гармонического сигнала и являют-ся самыми простыми, надежными и недорогими.

Детектор амплитудного значения представляет собой устройство, напряжение на выходе которого соответствует амплитудному значе-нию измеряемого сигнала, что обеспечивается путем запоминания на-пряжения на конденсаторе.

Чтобы цепь реальной нагрузки любого детектора эффективно от-фильтровывала полезный сигнал и подавляла нежелательные высоко-частотные гармоники, следует выполнить условие:

Или , (3.12)

где — емкость выходного фильтра;

— сопротивление нагрузки детектора.

Второе условие хорошей работы детектора:

На рисунке 3.9 приведены структурная схема и временные диа-граммы выходного напряжения детектора амплитудного значения с параллельным включением диода и закрытым входом. Детектор с за-крытым входом имеет последовательно включенный конденсатор, не пропускающий постоянную составляющую. Рассмотрим работу та-кого детектора при подаче на его вход синусоидального напряжения .

Рис. 3.9. Структурная схема детектора амплитудного значении параллельным включением диода и закрытым входом (а) и временные диаграммы напряжении (б) При поступлении положительной полуволны синусоиды конденса-тор С заряжается через диод VD, который в открытом состоянии имеет малое сопротивление .

Постоянная времени заряда конден-сатора мала, и конденсатор быстро заряжается до макси-мального значения . При смене полярности входного сигнала диод закрыт и конденсатор медленно разряжается через сопротивление на-грузки , которое выбирается большим — 50-100 МОм.

Таким обра-зом, постоянная разряда оказывается значительно больше периода синусоидального сигнала . В результате конденсатор остается заряженным до напряжения, близкого к .

Изменение напряжения на нагрузочном резисторе определяется разностью амплитуд входного напряжения и напряжения на кон-денсаторе .В результате выходное напряжение бу-дет пульсирующим с удвоенной амплитудой измеряемого напряжения (см. рис. 3.9, б).

Это подтверждается следующими математическими выкладками:

при , , при , при .

Для выделения постоянной составляющей сигнала вы-ход детектора подключен к емкостному фильтру, подавляющему всё остальные гармоники тока.

На основании изложенного следует вывод: чем меньше период ис-следуемого сигнала (чем больше его частота), тем точнее выполняется равенство , что объясняет высокочастотные свойства детектора. При использовании в работе вольтметров с детектором амплитудного значения следует иметь в виду, что эти приборы чаще всего градуиру-ются в среднеквадратичных значениях синусоидального сигнала, т.e показания индикатора прибора равны частному от деления амплитудного значения на коэффициент амплитуды синусоиды:

где — коэффициент амплитуды.

Детектор среднеквадратичного значения (рис. 3.10) преобразу-ет напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, про-порциональное квадрату среднеквадратичного значения измеряемого напряжения. Следовательно, измерение среднеквадратичного напряжения связано с выполнением трех операций: возведения в квадрат мгновенного значения сигнала, усреднения его значения и извлечение корня из результата усреднения (последняя операция обеспечивается градуировкой шкалы вольтметра). Возведение в квадрат мгновенного значения сигнала обычно осуществляется диодной ячейкой путем использования квадратичного участка его характеристики.

Рис. 3.10. Детектор среднеквадратичного значения: а — диодная ячейка; б — ВАХ диода

В диодной ячейке VD, R1 (см. рис. 3.10, а) постоянное напряжение приложено к диоду VD таким образом, что он оказывается закры-тым до тех пор, пока измеряемое напряжение () на резисторе R2 не превысит значение .

Начальный участок вольтамперной характеристики диода имеет малую протяженность (см. рис. 3.10, б), поэтому квадратичную часть искусственно удлиняют методом кусочно-линейной аппроксимации путем использования нескольких диодных ячеек.

При конструировании вольтметров среднеквадратичного значения возникают трудности с обеспечением широкого частотного диапазона. Несмотря на это такие вольтметры являются самыми востребованны-ми, так как ими можно измерять напряжение любой сложной формы.

Детектор средневыпрямленного значения преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, пропорциональное средневыпрямленному значению напряжения. Выходной ток измери-тельного прибора с таким детектором аналогичен выходному току вы-прямительной системы.

Напряжения переменного тока, действующие в электронных устройствах, могут изменяться во времени по различным законам. На-пример, напряжение на выходе задающего генератора связного радио-передатчика изменяется по синусоидальному закону, на выходе генера-тора развертки осциллографа импульсы имеют пилообразную форму, синхроимпульсы полного телевизионного сигнала прямоугольные.

На практике приходится проводить измерения в различных участ-ках схем, напряжения в которых могут отличаться по значению и по форме. Измерение напряжения несинусоидальной формы имеет свои особенности, которые необходимо учитывать, чтобы не допустить оши-бок.

Очень важно правильно выбрать тип прибора и способ пересчета показаний вольтметра в значение необходимого параметра измеряемо-го напряжения. Для этого необходимо четко представлять себе, каким образом производится оценка и сравнение напряжений переменного тока и как влияет форма напряжения на значения коэффициентов, свя-зывающих между собой отдельные параметры напряжения.

Критерием оценки напряжения переменного тока любой формы служит связь с соответствующим напряжением постоянного тока по одинаковому эффекту теплового действия (среднеквадратичное зна-чение U ), определяемое выражением

(3.14)

где — период повторения сигнала;

— функция, описывающая закон изменения мгновенного значения на-пряжения. Далеко не всегда в распоряжении оператора может оказаться вольт-метр, с помощью которого можно измерить нужный параметр напряжения. В таком случае необходимый параметр напряжения измеряется косвенно с помощью имеющегося вольтметра, с использованием коэффициентов амплитуды и формы . Рассмотрим пример расчета необходимых параметров напряжения синусоидальной формы.

Необходимо определить амплитудное () и средневыпрямленное () значения напряжения синусоидальной формы вольтметром, градуированным в среднеквадратичных значениях напряжения синусоидальной формы, если прибор показал .

Расчет выполняем следующим образом. Так как вольтметр градуирован в среднеквадратичных значениях , то в приложении 3 для дан-ного прибора показание 10 В соответствует прямому отсчету по шкале среднеквадратичного значения, т.е.

Переменное напряжение характеризуется средним, амплитудным) (максимальным) и среднеквадратичным значениями.

Среднее значение (постоянная составляющая) за период переменного напряжения:

(3.15)

Максимальное значение — это наибольшее мгновенное значение переменного напряжения за период сигнала:

Средневыпрямленное значение — это среднее напряжение на вы-ходе двухполупериодного выпрямителя, имеющего на входе перемен-ное напряжение :

(3.17)

Соотношение среднеквадратичного, среднего и максимального зна-чений напряжения переменного тока зависит от его формы и в общем виде определяются двумя коэффициентами:

(коэффициент амплитуды), (3.18)

(коэффициент формы). (3.19)

Значения этих коэффициентов для напряжений разной формы иих соотношения приведены в табл. 3.1

Таблица 3.1

Значения и для напряжений разной формы

Примечание , - скважность: .

В ряде приборов напряжение оценивают не в абсолютных единицах измерения (В, мВ, мкВ), а в относительной логарифмической единице — децибеле (dB, или дБ). Для упрощения перехода абсолютных единиц в относительную и, наоборот, большинство аналоговых вольте метров (автономных и встроенных в другие приборы: генераторы, мультиметры, измерители нелинейных искажений) наряду с обычной шкалой имеют децибельную. Эта шкала отличается четко выраженной нелинейностью, что при необходимости позволяет получать результат сразу в децибелах, без соответствующих расчетов и применения таблиц перевода. Чаще всего у таких приборов нуль шкалы децибел соответствует входному напряжению 0,775 В.

Напряжение больше условного нулевого уровня характеризуется положительными децибелами, меньше этого уровня — отрицательными. На переключателе пределов каждый поддиапазон измерения отличается по уровню от соседнего на 10 дБ, что соответствует кратности по напряжению 3,16. Показания, снятые по шкале децибел, алгебраически складываются с показаниями на переключателе пределов измерения, а не перемножаются, как в случае абсолютного отсчета напряжений.

Например, переключатель пределов установлен на «- 10 dB», при этом стрелка индикатора установилась на отметку «- 0,5 dB». Суммар-ный уровень составит: ---- 10 + (- 0,5) = - 10,5 dB, И основу перевода напряжения из абсолютных значений в относительные положена формула

(3.20)

Где = 0,775В.

Поскольку бел — большая единица, то на практике применяют дольную (десятую) часть бела — децибел.

Импульсные и цифровые вольтметры. При измерении импульсных напряжений с малой амплитудой применяют предварительное усиление импульсов. Структурная схема аналогового импульсного вольтметра (рис. 3.11) состоит из выносного пробника с эмиттерным повторителем, аттенюатора, широкополосного предварительного усилителя, детектора амплитудного значения, усилителя постоянного тока (УПТ) и электромеханического индикатора. Вольтметры, реа-лизованные по этой схеме, непосредственно измеряют напряжения 1 мВ - 3 В с погрешностью ± (4 — 10)%, длительностью импульсов 1 - 200 мкс и скважностью 100 ... 2500.

Рис. 3.11.т Структурная схема импульсного вольтметра

Для измерения малых напряжений в широком диапазоне длитель-ностей (от наносекунд до миллисекунд) применяют вольтметры, рабо-тающие на основе автокомпенсационного метода.

Электронные цифровые вольтметры имеют существенные преиму-щества перед аналоговыми:

Высокая скорость измерений;

Исключение возможности возникновения субъективной ошибки оператора;

Малая приведенная погрешность.

Благодаря этим преимуществам цифровые электронные вольтмет-ры широко используются для измерения. На рисунке 3.12 приведена упрощенная структурная схема цифрового вольтметра.

Рис. 3.12. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра

Входное устройство предназначено для создания большого вход-ного сопротивления, выбора пределов измерения, ослабления помех, автоматического определения полярности измеряемого напряжения постоянного тока. В вольтметрах переменного тока входное устрой-ство включает в себя также преобразователь напряжения перемен-ного тока в постоянный.

С выхода входного устройства измеряемое напряжение подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), в котором напряжение преобразуется в цифровой (дискретный) сигнал в виде электрического кода или импульсов, количество которых про-порционально измеряемому напряжению. Результат появляется на табло цифрового индикатора. Работой всех блоков управляет устрой-ство управления.

Цифровые вольтметры в зависимости от типа АЦП подразделяют-ся на четыре группы: кодоимпульсные, времяимпульсные, частотно-импульсные, пространственного кодирования.

В настоящее время широко применяются цифровые времяимпульсные вольтметры , преобразователи которых выполняют промежуточное преобразование измеряемого напряжения в пропорцио-нальный интервал времени, заполняемый импульсами с известной частотой повторения. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на входе АЦП имеет вид пачки счетных импульсов, количество которых пропорционально измеряе-мому напряжению.

Погрешность времяимпульсных вольтметров определяется погрешностью дискретизации измеряемого сигнала, нестабильностью частоты счетных импульсов, наличием порога чувствительности схемы сравнения, нелинейностью преобразованного напряжения на входе схемы сравнения.

Различают несколько вариантов схемотехнических решений при построении времяимпульсных вольтметров. Рассмотрим принцип работы время импульсного вольтметра с генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).

На рисунке 3.13 представлены структурная схема цифрового времяимпульсного вольтметра с ГЛИН и временные диаграммы, поясняющие его работу.

Дискретный сигнал измерительной информации па выходе преоб-разователя имеет вид пачки счетных импульсов, количество которых пропорционально значению входного напряжения . С выхода ГЛИН на входы 1 устройств сравнения поступает линейно нарастающее во времени напряжение . Вход 2 устройства сравнения II соединен с корпусом.

В момент равенства на входе устройства сравнения II и на его выходе возникает импульс, который подается на единичный вход триггера (Т), вызывая появление сигнала на его выходе. Триггер возвращается в исходное положение импульсом, поступающим с выхода устройства сравнения II. Этот сигнал появляется в момент равенства линейно нарастающего напряжения и измеряемого . Сформированный таким образом сигнал длительностью (где — коэффициент преобразования) подается на вход 1 схемы логиче-ского умножения И, а на вход 2 поступает сигнал с генератора счетных импульсов (ГСИ). Импульсы следуют с частотой . Импульсный сигнал появляется тогда, когда на обоих входах есть импульсы, т.е. счетные импульсы проходят при наличии сигнала на выходе триггера.

Рис. 3.13. Структурная схема (а) ивременное диаграммы (б) цифрового времяимпульсного вольтметра с ГЛИН

Счетчик импульсов подсчитывает количество прошедших импуль-сов (с учетом коэффициента преобразования). Результат измерения отображается на табло цифрового индикатора (ЦИ). Приве-денная формула не учитывает погрешность дискретности из-за несовпа-дения появления счетных импульсов с началом и концом интервала

Кроме того, большую погрешность вносит фактор нелинейности коэффициента преобразования . В результате цифровые время импульсные вольтметры с ГЛИН являются наименее точными среди цифровых вольтметров.

Цифровые вольтметры с двойным интегрированием отличаются от времяимпульсных вольтметров принципом работ Ы. В них в тече-ние времени цикла измерения формируются два временных интервала — и . В первом интервале обеспечивается интегрирование измеряемого напряжения , во втором — опорного напряжения. Вре-мя цикла измерения предварительно устанавливают кратным периоду действующей на входе помехи, что приводит к улучшению помехоустойчивости вольтметра.

На рисунке 3.14 приведены структурная схема цифрового вольтме-тра с двойным интегрированием и временные диаграммы, поясняющие его работу.

Рис. 3.14. Структурная схема (а) и временные диаграммы (6) цифрового вольтметра с двойным интегрированием

При (в момент начала измерения) управляющее устройство вырабатывает калиброванный импульс с длительностью

, (3.21) переводит ключ в положение 2 и от источника образцового напряжения (ИОН) в интегратор подает-ся образцовое отрицательное напряжение становится равным нулю, устройство сравнения выдает сигнал, по-ступающий на триггер, и возвращает последний в исходное состояние. На выходе триггера сформированный импульс напряжения

; ; (3.25)

Из полученных соотношений следует, что погрешность результата измерения зависит только от уровня образцового напряжения, а не от нескольких параметров (как в кодоимпульсном вольт метре), но здесь также имеет место погрешность дискретности.

Преимуществами вольтметра с двойным интегрированием являются высокая помехозащищенность и более высокий класс точ-ности (0,005-0,02%) по сравнению с вольтметрами с ГЛИН.

Цифровые вольтметры со встроенным микропроцессором являются комбинированными и относятся к вольтметрам наивысшего класса точности. Принцип их работы основан на методах поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования.

Микропроцессор и дополнительные преобразователи, включенные в схему такого вольтметра, расширяют возможности при-бора, делая его универсальным в части измерения большого числа параметров. Такие вольтметры измеряют напряжение постоянного и переменного тока, силу тока, сопротивление резисторов, часто-ту колебаний и другие параметры. При использовании совместное с осциллографом могут измерять временные параметры: период, длительность импульсов и т.д. Наличие в схеме вольтметра микропроцессора позволяет осуществлять автоматическую коррекциям погрешности измерений, диагностику отказов, автоматическую калибровку.

На рисунке 3.15 приведена структурная схема цифрового вольтметра со встроенным микропроцессором.

Рис. 3.15. Структурная схема цифрового вольтметра со встроенным микропроцессором

С помощью соответствующих преобразователей блок нормали-зации сигналов приводит входные измеряемые параметры (97 стр) к унифицированному сигналу , поступающему на вход АЦП, ко-торый выполняет преобразование методом двойного интегрирования. Выбор режима работы вольтметра для заданного вида измерений осу-ществляет блок управления АЦП с дисплеем. Этот же блок обеспечи-вает нужную конфигурацию системы измерения.

Микропроцессор является основой блока управления и связан с другими блоками через сдвигающие регистры. С помощью клавиа-туры, находящейся на панели управления, обеспечивается управление микропроцессором. Управление может осуществляться также и через стандартный интерфейс подключаемого канала связи. В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится программа работы микро-процессора, которая реализуется с помощью оперативного запомина-ющего устройства (ОЗУ).

Встроенные высокостабильные и точные резистивные делители опорного напряжения, дифференциальный усилитель (ДУ) и ряд внеш-них элементов (аттенюатор, устройство выбора режима, блок опорного напряжения ) выполняют непосредственно измерения. Все блоки синхронизируются сигналами от генератора тактовых импульсов.

Включение в схему вольтметра микропроцессора и ряда дополнительных преобразователей позволяет выполнять автоматическую коррекцию погрешностей, автоматическую калибровку и диагностику отказов.

Основными параметрами цифровых вольтметров являются точность преобразования, время преобразования, пределы изменения входной величины, чувствительность.

Точность преобразования определяется погрешностью квантова-ния по уровню, характеризуемой числом разрядов в выходном коде.

Погрешность цифрового вольтметра имеет две составляющие. Пер-вая составляющая (мультипликативная) зависит от измеряемой вели-чины, вторая составляющая (аддитивная) не зависит от измеряемой величины.

Такое представление связано с дискретным принципом измерения аналоговой величины, так как в процессе квантования возникает абсо-лютная погрешность, обусловленная конечным числом уровней квантования. Абсолютная погрешность измерения напряжения выражается как

знаков) или ( знаков), (3.27)

где — действительная относительная погрешность измерения;

— значение измеряемого напряжения;

— конечное значение на выбранном пределе измерения;

т знаков — значение, определяемое единицей младшего разряда ЦИ (аддитивная погрешность дискретности). Основную действительную относительную погрешность измере-ния можно представить и в другом виде:

(3.2)

Где a, b — постоянные числа, характеризующие класс точности прибора.

Первое слагаемое погрешности (а) не зависит от показаний при-бора, а второе (b) увеличивается при уменьшении .

Время преобразования — это время, затрачиваемое на выполнение одного преобразования аналоговой величины в цифровой код.

Пределы изменения входной величины — это диапазоны преобразования входной величины, которые полностью определяются числом разрядов и «весом» наименьшего разряда.

Чувствительность (разрешающая способность) — это наименьшее различимое преобразователем изменение значения входной величины.

К основным метрологическим характеристикам вольтметров, которые необходимо знать для правильного выбора прибора, относятся следующие характеристики:

Параметр измеряемого напряжения (среднеквадратичное, ампли-тудное);

Диапазон измерения напряжения;

Частотный диапазон;

Допустимая погрешность измерений;

Входной импеданс ().

Эти характеристики приводятся в техническом описании и паспор-те прибора.

В радиолюбительской практике это наиболее распространенный вид измерений. Например, при ремонте телевизора измеряются напряжения в характерных точках устройства, а именно на выводах транзисторов и микросхем. Если есть под рукой принципиальная схема, и на ней указаны режимы транзисторов и микросхем, то найти неисправность опытному мастеру не составит труда.

При налаживании конструкций, собранных своими руками, без измерения напряжений обойтись нельзя. Исключения составляют лишь классические схемы, про которые пишут примерно так: «Если конструкция собрана из исправных деталей, то наладки не требуется, заработает сразу».

Как правило, это классические схемы электроники, например, . Такой же подход может получиться даже к усилителю звуковой частоты, если он собран на специализированной микросхеме. Как наглядный пример TDA 7294 и еще много микросхем этой серии. Но качество «интегральных» усилителей невелико, и истинные ценители строят свои усилители на дискретных транзисторах, а порою на электронных лампах. И вот тут-то без налаживания и связанных с этим измерений напряжений просто не обойтись.

Как и что предстоит измерять

Показано на рисунке 1.

Рисунок 1.

Возможно, кто-то скажет, мол, что тут можно измерять? И какой смысл собирать подобную цепь? Да, практического применения для такой схемы найти, наверно, трудно. А для познавательных целей она вполне подойдет.

Прежде всего, следует обратить внимание на то, как подключается вольтметр. Поскольку на рисунке показана цепь постоянного тока, то и вольтметр подключается с соблюдением полярности, указанной на приборе в виде знаков «плюс» и «минус». В основном это замечание справедливо для стрелочного прибора: при несоблюдении полярности стрелка отклонится в обратную сторону, по направлению к нулевому делению шкалы. Так что получится какой-то отрицательный ноль.

Цифровые приборы, мультиметры, в этом плане более демократичны. Даже если подключены в обратной полярности, напряжение все равно будет измерено, только на шкале перед результатом появится знак «минус».

Еще на что следует обратить внимание при измерении напряжений это диапазон измерений прибора. Если предполагаемое напряжение находится в пределах, например, 10…200 милливольт, то такому диапазону соответствует шкала прибора 200 милливольт, а измерение упомянутого напряжения по шкале 1000 вольт вряд ли даст вразумительный результат.

Так же следует выбирать диапазон измерений и в других случаях. Для измеряемого напряжения 100 вольт вполне подойдет диапазон 200В и даже 1000В. Результат будет один и тот же. Это что касается .

Если же измерения производятся старым добрым стрелочным прибором, то для измерения напряжения 100В следует выбрать диапазон измерений, когда показания находятся в середине шкалы, что позволяет осуществить более точный отсчет.

И еще одна классическая рекомендация по использованию вольтметра, а именно: если величина измеряемого напряжения неизвестна, то измерения следует начинать, установив вольтметр на самый большой диапазон. Ведь если измеряемое напряжение будет 1В, а диапазон будет 1000В, самая большая опасность в неверных показаниях прибора. Если же получится наоборот, - диапазон измерений 1В, а измеряемое напряжение 1000, покупки нового прибора просто не избежать.

Что покажет вольтметр

Но, пожалуй, вернемся к рисунку 1, и попробуем определить, что, же покажут оба вольтметра. Для того, чтобы это определить, придется . Задачу можно решить за несколько шагов.

Во-первых, рассчитать ток в цепи. Для этого надо напряжение источника (на рисунке это гальваническая батарея с напряжением 1,5 В) разделить на сопротивление цепи. При последовательном соединении резисторов это будет просто сумма их сопротивлений. В виде формулы это выглядит примерно так: I = U / (R1 + R2) = 4,5 / (100 + 150) = 0,018 (А) = 180 (мА).

Маленькое замечание: если выражение 4,5 / (100 + 150) скопировать в буфер обмена, затем вставить в окно виндоус-калькулятора, то после нажатия клавиши «равно» будет получен результат вычислений. На практике вычисляются еще более сложные выражения, содержащие квадратные и фигурные скобки, степени и функции.

Во-вторых, получить результаты измерений, как падение напряжения на каждом резисторе:

U1 = I * R1 = 0,018 * 100 = 1,8 (В),

U2 = I * R2 = 0,018 * 150 = 2,7 (В),

Для проверки правильности вычислений достаточно сложить оба получившиеся значения падения напряжений. Сумма должна быть равна напряжению батареи.

Возможно, у кого-то может возникнуть вопрос: «А если делитель будет не из двух резисторов, а из трех или даже из десяти? Как определить падение напряжения на каждом из них?». Точно так же, как и в описанном случае. Сначала надо определить общее сопротивление цепи и рассчитать общий ток.

После чего этот уже известный ток просто умножить на . Иногда такие вычисления делать приходится, но тут тоже есть одно но. Чтобы не сомневаться в полученных результатах ток в формулы следует подставлять в Амперах, а сопротивление в Омах. Тогда, вне всяких сомнений, результат получится в Вольтах.

Сейчас все привыкли пользоваться приборами китайского производства. Но это не говорит о том, что качество у них никудышное. Просто в отечестве никто не додумался до производства собственных мультиметров, а стрелочные тестеры делать, видимо, разучились. Просто обидно за державу.

Рис. 2. Мультиметр DT838

Когда-то в инструкциях к приборам указывались их технические характеристики. В частности для вольтметров и стрелочных тестеров это было входное сопротивление, и указывалось оно в Килоомах/Вольт. Были приборы с сопротивлением 10 К/В и 20 К/В. Последние считались более точными, поскольку меньше подсаживали измеряемое напряжение и показывали более точный результат. Сказанное можно подтвердить рисунком 3.

Рисунок 3.

Действующее напряжение U составляет 0,707 амплитудного напряжения Uм.

U = Uм/√2 = 0,707 * Uм, откуда можно сделать вывод, что Uм = U * √2 = 1,41 * U

Здесь уместно привести широко распространенный пример. При измерении переменного напряжения прибор показал 220В, значит, амплитудное значение по формуле получится

Uм = U * √2 = 1,41 * U = 220 * 1,41 = 310В.

Этот расчет подтверждается каждый раз, когда сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом после которого стоит хотя бы один электролитический конденсатор: если померить постоянное напряжение на выходе моста, то прибор покажет как раз 310В. Эту цифру следует запомнить, она может пригодиться при разработке и ремонте импульсных блоков питания.

Указанная формула справедлива для всех напряжений, если они будут иметь синусоидальную форму. Например, после понижающего трансформатора имеется 12В переменки. Тогда после выпрямления и сглаживания на конденсаторе получится

12 * 1,41 = 16,92 почти 17В. Но это если не подключена нагрузка. При подключенной нагрузке постоянное напряжение подсядет почти до 12В. В случае, когда форма напряжения иная, чем синусоида эти формулы не работают, приборы показывают не то, что от них ожидалось. На этих напряжениях измерения производятся другими приборами, например, осциллографом.

Еще один фактор, влияющий на показания вольтметра это частота. Например, цифровой мультиметр DT838 согласно своих характеристик меряет переменные напряжения в диапазоне частот 45…450Гц. Несколько лучше в этом плане выглядит старенький стрелочный тестер ТЛ4.

В диапазоне напряжений до 30В его частотный диапазон составляет 40…15000Гц (почти весь звуковой диапазон, можно пользоваться при настройке усилителей), но с увеличением напряжения допустимая частота падает. В диапазоне 100В это 40…4000Гц, 300В 40…2000Гц, а в диапазоне 1000В всего 40…700Гц. Вот тут уже бесспорная победа над цифровым прибором. Эти цифры также справедливы лишь для напряжений синусоидальной формы.

Хотя иногда и не требуется никаких данных о форме, частоте и амплитуде переменных напряжений. Например, как определить работает гетеродин коротковолнового приемника или нет? Почему приемник ничего не «ловит»?

Оказывается, все очень просто, если воспользоваться стрелочным прибором. Надо включить его на любой предел измерения переменных напряжений и одним щупом (!) коснуться выводов транзистора гетеродина. Если есть высокочастотные колебания, то они продетектируются диодами внутри прибора, и стрелка отклонится на некоторую часть шкалы.

Для измерения постоянных напряжений в цепях радиоэлектронных устройств применяются вольтметры постоянного тока.

При измерении напряжения вольтметр включают параллельно исследуемому участку электрической цепи. Это приводит к изменению общего сопротивления цепи и перераспределению напряжения между её элементами. Если изменение напряжений на элементах цепи не вызывает изменения их сопротивлений, т. е. при линейных элементах, относительное уменьшение измеряемого напряжения, вызванное включением вольтметра, можно оценить (в процентах) коэффициентом влияния вольтметра

Вв = 100*Rц/(Rв+Rц) = 100:(1+Rв/Rц), (1)

где Rц - сопротивление цепи между точками подключения вольтметра, a Rв - входное сопротивление вольтметра.

Рассмотрим в качестве примера схему на рис. 1. При измерении вольтметром V напряжения U на резисторе R за сопротивление цепи следует принимать значение Rц = Rr/(R + r). Напряжение U снижается тем меньше, чем больше отношение сопротивлений Rв/Rц. При Rв/Rц = 1 коэффициент Вв = 50%, т. е. включение вольтметра уменьшит измеряемое напряжение вдвое. Если ограничить допустимое понижение напряжения значением 1%, то необходимо иметь отношение Rв/Rц >= 100.

Рис. 1. Схема включения вольтметра постоянного тока

Следовательно, для измерения напряжений в высокоомных цепях необходимы вольтметры с большими входными сопротивлениями. Применение низкоомных вольтметров приводит к заниженным результатам, а при измерениях в цепях с нелинейными элементами (электровакуумными, ионными, полупроводниковыми и т. п.) может вызвать такое нарушение работы исследуемой установки (например, срыв генерации), что само измерение потеряет смысл.

Для цепей с линейными элементами действительное значение измеряемого напряжения Ux при измеренном напряжении U может быть определено расчётным путём:

Ux = U/(1 - 0,01*Вв) = U(1+ Rц/Rв). (2)

При этом, кроме сопротивления Rв, необходимо знать сопротивление цепи Rц, определение которого в сложной разветвлённой цепи может представить некоторые трудности.

Доступным приёмом исключения влияния вольтметра является способ двух отсчётов. На требуемом участке цепи напряжение измеряют поочерёдно двумя вольтметрами, имеющими различные входные сопротивления Rв1 и Rв2, и получают соответственно два результата измерений U1 и U2. Тогда (при Rв2 > Rв1)

Uх = U2*(Rв2-Rв1)/(Rв2-Rв1*(U2/U1))

При наличии многопредельного магнитоэлектрического вольтметра измерения данным способом производят на двух смежных пределах, которым соответствует переходный множитель N = Rв2/Rв1. Тогда расчётная формула примет вид:

Uх = U2*(N-1)/(N-U2/U1)

Например, если вольтметр при измерениях на смежных пределах (при N = 3) даёт показания U1 = 80 В и U2 = 120 В, то измеряемое напряжение Uх = 160 В.

При однопредельном вольтметре второе показание U2 можно получить при шунтировании вольтметра резистором известного сопротивления Ro (желательно близким по сопротивлению к Rв1); это приведёт к снижению входного сопротивления до значения Rв2 = Rв1Ro/(Rв1 + Rо).

Исключения влияния измерительного прибора можно также достигнуть при измерении напряжения компенсационным методом.

Помимо магнитоэлектрических вольтметров, для измерения постоянных напряжений широко применяются электронные вольтметры (ламповые и транзисторные). Измерение очень высоких постоянных напряжений (например, на анодах кинескопов и осциллографических трубок) часто производится киловольтметрами. основанными на электростатическом принципе или на использовании ионных приборов.

Входное сопротивление вольтметра Rв, если оно неизвестно, можно определить следующим образом. Вольтметр на исследуемом пределе измерений подключают к стабильному источнику постоянного напряжения непосредственно, а затем через резистор известного сопротивления Rо и отмечают его показания U1 и U2 (первый отсчёт желательно получить вблизи конца шкалы, а второй - в её средней части). Входное сопротивление рассчитывается по формуле

Rв = Rо*U2/(U1-U2).

Любой вольтметр может быть применён для косвенного измерения токов. При этом измеряется падение напряжения U на резисторе известного сопротивления R, включённом в цепь измеряемого тока I (рис. 1); значение последнего определяется по формуле закона Ома: I = U/R. Результат расчёта будет достаточно точен, если Rв >> R.

Магнитоэлектрические вольтметры

Магнитоэлектрические измерители при непосредственном подключении к элементам электрической цепи могут использоваться лишь в качестве милливольтметров постоянного тока с пределом измерения, равным напряжению полного отклонения Ub = IиRи, и входным сопротивлением Rи. Для расширения предела измерения по напряжению до значения Uп последовательно с измерителем И (рис. 2) включают добавочный резистор сопротивлением

Rд = Uп/Iи - Rи, (3)

на котором гасится известная часть измеряемого напряжения. Например, если вольтметр с пределом измерения Uп = 100 В изготовляется на базе микроамперметра типа М265 с параметрами: Iи = 100 мкА и Rи = 900 Ом, то сопротивление его добавочного

резистора Rд = 100/0,0001 - 900 = 999100 Ом ≈ 1 мОм.

Входное сопротивление магнитоэлектрического вольтметра:

Rв = Rд + Rи = Uп/Iи, (4)

зависит от предельного напряжения Uп. Поэтому сравнительную оценку качества вольтметров с различными пределами измерения в отношении влияния на режим цепей принято производить по значению (в омах на вольт) их относительного входного сопротивления (о.в.с), т. е. сопротивления, приходящегося на 1 В предельного напряжения:

Rв/Uп =1/Iи, (5)

или по предельному значению 1/Iи, потребляемого ими тока (как видно из последней формулы, эти величины обратны). При одинаковом пределе измерений большее входное сопротивление имеет вольтметр, измеритель которого чувствительнее. Например, для вольтметра, имеющего измеритель с током полного отклонения Iи = 1 мА о.в.с. составляет 1000 Ом/В, а для вольтметра с измерителем на 50 мкА - 20 кОм/В. При пределе измерений 100 В первый вольтметр будет иметь входное сопротивление 100 кОм, а второй - 2 МОм.

Рис. 2. Схема градуировки магнитоэлектрического вольтметра

Вольтметры с малочувствительными измерителями, для которых Iи = 1...10 мА, имеют о.в.с. 1000-100 Ом/В и пригодны для измерения напряжений лишь на зажимах источников питания с малым внутренним сопротивлением и на низкоомных элементах цепей, например на нитях накала радиоламп, катодных и эмиттерных резисторах и т. п. Вольтметры с измерителями на 50-200 мкА имеют о.в.с. 20-5 кОм/В и пригодны для большинства необходимых измерений в радиоэлектронных устройствах. О.в.с. до 1 МОм/В можно получить в вольтметрах с измерителями, подвижная часть которых укрепляется на растяжках, а ток полного отклонения достигает значений 10-1 мкА. Однако при использовании высокочувствительных измерителей с целью уменьшения времени успокоения стрелки иногда приходится искусственно понижать их чувствительность посредством шунтирования при одновременном включении резистора температуркой компенсации Rк (рис. 4, б). В этих случаях при расчёте вольтметра под сопротивлением Rп следует понимать общее сопротивление параллельной цепи, содержащей измеритель и резисторы Rк и Rш.

Для получения достаточно высокой точности измерений в широком диапазоне напряжений вольтметр должен иметь несколько пределов измерений, обеспечиваемых добавочными резисторами соответствующих сопротивлений. Многопредельный вольтметр может быть осуществлён в двух основных вариантах: с отдельными добавочными резисторами для каждого предела (рис. 3, а) или с последовательным (ступенчатым) включением добавочных резисторов (рис. 3, б); в последней схеме сопротивление каждого резистора находится как разность полных сопротивлений добавочных резисторов двух смежных пределов, рассчитанных по формуле (3). Переключение пределов измерений в обеих схемах может осуществляться при помощи переключателя или посредством гнёзд.

Наименьшая погрешность измерения напряжения получается на пределе, при котором отсчёт производится возможно ближе к концу шкалы. Однако в целях уменьшения влияния вольтметра на исследуемую цепь иногда приходится выбирать предел измерений с большим входным сопротивлением, мирясь с необходимостью отсчёта в средней или даже начальной части шкалы.

Рис. 3. Схемы многопредельных магнитоэлектрических вольтметров

Для многопредельных вольтметров актуальной является проблема защиты измерителя от многократных перегрузок, которые могут возникнуть при случайном неверном выборе предела измерений. Эффективная защита достигается при использовании низковольтного кремниевого стабилитрона Д, включаемого параллельно измерителю и компоненту R" д1 добавочного резистора R д1 наименьшего предела измерений, как это показано штриховой линией на рис. 3, б. Если ограничить предельный ток перегрузки допустимым значением αIи (α > 1), то включаемый последовательно с измерителем резистор должен иметь сопротивление

R"д1 = Uст/(αIи)-Rи,

где Uст - номинальное значение напряжения стабилизации выбранного стабилитрона.

При входном напряжении Ux < αUп1 напряжение на стабилитроне меньше Uст, сопротивление его достигает нескольких мегом и не влияет на работу прибора. При Ux >= αUп1 напряжение на стабилитроне достигает значения Uст, стабилитрон пробивается и надёжно шунтирует цепь измерителя. Излишек напряжения (Ux - Uст) гасится на резисторе: R""д1 = Rд1 - R"д1. Последний ограничивает ток через стабилитрон, который не должен превышать максимально допустимого тока стабилизации Iдоп. Предельно допустимое напряжение перегрузки (на пределе 1), соответствующее этому току,

Uдоп1 = Iдоп*R""д1 + Uст.

Току Iдоп может отвечать мощность рассеивания на резисторе R""д1 порядка десятков ватт. Однако из-за этого не имеет смысла существенно увеличивать габариты резистора. Во-первых, перегрузки редко достигают больших значений и обычно весьма кратковременны, поскольку сразу обнаруживаются и устраняются. Во-вторых, легче примириться с выходом из строя резистора, чем с повреждением измерителя.

Достоинством рассмотренной схемы защиты является эффективность её действия при любой полярности входного напряжения.

Задача 1. Произвести расчёт элементов схемы вольтметра, приведённой на рис. 3, б, для предела измерений Uп1 = 10 В при условии работы с микроамперметром типа М260М (Iи = 200 мкА, Rи = 900 Ом) и использовании в цепи защиты стабилитрона типа КС156А (Uст= 5,6 В, Iдоп = 55 мА). Перегрузка измерителя не должна превышать значения 2*Iи (α = 2).

Ответ: Rд1 = 50 кОм; R"д1 = 13,1 кОм; R""д1 = 36,9 кОм; Uдоп1 = 2035 В.

Налаживание и градуировка магнитоэлектрических вольтметров

Погрешность показаний вольтметра определяется классом точности его измерительного механизма, а также точностью подбора добавочных резисторов требуемого сопротивления и их стабильностью.

В качестве добавочных лучше всего использовать малогабаритные прецизионные резисторы, которые характеризуются повышенной точностью (отклонение от номинала, или допуск - в пределах 0,05-5%) и стабильностью. Они выпускаются с номиналами от 1 Ом до 30-1000 кОм. Проволочные прецизионные резисторы (типа ПТМН, С5 и др.) изготовляются из нихромового или манганинового микропровода диаметром 0,01-0,02 мм в стеклянной изоляции, который наматывается на керамический или пластмассовый каркас. Несколько меньшую стабильность при больших габаритах имеют непроволочные прецизионные резисторы (типа УЛИ, С2 и др.).

При отсутствии прецизионных резисторов или необходимости получения большого сопротивления приходится применять непроволочные резисторы общего назначения, изготовляемые с номиналами от 1 Ом до 10 МОм при допуске 5, 10 или 20%. Они имеют пониженную стабильность, которая проявляется в заметном изменении их сопротивления со временем (явление старения), особенно при длительной работе под нагрузкой, а также под действием внешних факторов- температуры, влажности и др. Поэтому градуировочная характеристика измерительных приборов, использующих непроволочные резисторы, должна периодически перепроверяться и корректироваться. Лучшими в отношении стабильности являются непроволочные резисторы типа МЛТ, ОМЛТ, С2-23, ВСЕ. Новые непроволочные резисторы, предназначенные к применению в качестве добавочных, рекомендуется подвергнуть электрической тренировке (пропусканием через них номинального тока в течение нескольких часов).

При подведении к вольтметру предельного напряжения Uп на добавочном резисторе Rд рассеивается мощность

Рд ≈ U 2 /Rд = I 2 и *Rд, (6)

которая при измерениях потребляется от исследуемой цепи. Допустимая мощность рассеяния выбранных резисторов должна превышать это значение не менее чем в 3 раза с учётом возможности кратковременных перегрузок вольтметра, а также для улучшения условий работы резисторов и замедления процесса их старения.

Регулировка, проверка и градуировка вольтметров могут производиться по схеме на рис. 2. Потенциометром R устанавливают на входе прибора предельное напряжение Uп, отсчитываемое по показаниям опорного вольтметра V, и регулировкой магнитного шунта, если он имеется, или подгонкой сопротивления добавочного резистора Rд добиваются отклонения стрелки измерителя И градуируемого вольтметра до конечного значения шкалы. Если стрелка измерителя не доходит до конечного деления шкалы, сопротивление следует уменьшить, а при зашкаливании стрелки - увеличить. Нужный результат можно получить и при неизменном сопротивлении Rд, меньшем требуемого значения, посредством понижения чувствительности измерителя подключением к нему в параллель подстроечного резистора (шунта). В многопредельных вольтметрах регулировка магнитным шунтом возможна лишь на одном (исходном) пределе, тогда как переключаемые омические шунты могут подгоняться для каждого предела измерений.

Достижение требуемого сопротивления высокоомного добавочного резистора облегчается, если составить его из двух или большего числа последовательно соединённых резисторов. Предположим, что Rд = 4 МОм. Тогда из имеющихся стандартных резисторов сопротивлением 2 МОм с допуском, например, 10% отбирают два экземпляра с общим сопротивлением, положим, 3,95 МОм. Последовательно с ними включают постоянный или подстроечный резистор, подбором сопротивления которого добиваются отклонения стрелки измерителя на всю шкалу. При этом общая стабильность сопротивления добавочного резистора будет практически определяться лишь стабильностью основных резисторов по 2 МОм. При регулировке многопредельного вольтметра со ступенчатым включением добавочных резисторов (рис. 3, б) подгонку сопротивлений последних производят в следующем порядке: Rд1, Rд2, Rд3 и т. д.

Градуировочную характеристику вольтметра, как и других приборов, принято проверять при всех значениях измеряемой величины, соответствующих числовым отметкам шкалы.

Задача 2. Рассчитать вольтметр со ступенчатым включением добавочных резисторов (рис. 3, б) на три предела измерений: 10, 100 и 1000 В. Измерителем Вольтметра служит микроамперметр типа М266 с параметрами: Iи = 200 мкА, Rи = 900 Ом.

1. Сопротивление добавочного резистора для предела Uп1 = 10 В вычисляем по формуле (3): Rд1= Uп1/Iи - Rи = 49,1 кОм.

При изготовлении этого резистора из манганиновой проволоки необходимый диаметр последней определяем по формуле (2), считая Iп = Iи: d >= 0,921*I 2 = 0,013 мм.

Предположим, что в наличии имеется проволока диаметром d = 0,03 мм. Необходимая её длина находится по формуле (2-3) с подстановкой в последнюю Rд вместо Rш1:L1 = (1,5...1,9)d 2 *Rд1 = 66...84 м.

2. Для предела Uп2 = 100 В имеем: Rд1 + Rд2 = Uп2/Iи - Rи = 499,1 кОм, откуда Rд2 = 499,1 - 49,1 = 450 кОм.

При токе Iи мощность, рассеиваемая на добавочном резисторе, достигает значения Рд2 = I 2 и *Rд2 = 0,018 Вт. Выбираем резистор Rд2 непроволочный на Допустимую мощность рассеивания 0,25 Вт.

3. Для предела Uп3 = 1000 В имеем:

Rд1 + Rд2 + Rд2 = Uи2/Iи - Rи = 4999,1 кОм,

откуда легко найти, что Rд3 = 4,5 МОм.

Мощность рассеивания на резисторе Rд3 при токе Iи Рд3 = I 2 *Rд3 = 0,16 Вт. Следовательно, резистор Rд3 следует взять на допустимую мощность рассеивания 0,5-1 Вт. При составлении его из нескольких последовательно соединённых резисторов допустимая мощность рассеивания компонентов может быть уменьшена пропорционально отношению их сопротивлений.

Задача 3. Рассчитать вольтметр с раздельными добавочными резисторами (рис. 3, а) на четыре предела измерений: 3, 10, 30 и 100 В. В качестве измерителя применить микроамперметр типа М265 с параметрами: Iи = 500 мкА, Rи = 150 Ом.

Ответ: Rд1 = 5,85 кОм; Rд2 = 19,85 кОм; Rд3 = 59,85 кОм; Rд4 = 200 кОм.

Вольтметры постоянного тока с растянутой шкалой

При налаживании и испытании устройств с нелинейными элементами, например выпрямителей или стабилизаторов напряжения, возникает необходимость в измерении постоянных напряжений, диапазон возможных вариаций которых занимает в обычных вольтметрах лишь незначительный участок шкалы. В этих случаях желательно применить вольтметр с растянутой безнулевой шкалой, имеющий узкие пределы измерений, нижнее значение которых близко к верхнему предельному значению шкалы.

Возможный принцип действия подобных вольтметров рассмотрим на примере схемы, приведённой на рис. 4. Предположим, что вольтметр должен иметь два

предела измерений: от U1 до U1+ΔU1 и от U2 до U2+ ΔU2, причём U2>U1, a ΔU2>ΔU1.

Добавочный резистор Rдl должен образовать с измерителем И вольтметр с пределами измерения от 0 до ΔU1. Это обеспечивается при сопротивлении резистора

Rд1 = R" д1 + R"" д1 = ΔU1/Iи - Rи.

Кремниевый стабилитрон Д1 берётся с номинальным напряжением стабилизации Uст1= U1 и включается встречно по отношению к полярности измеряемого напряжения. При необходимости для обеспечения требуемого напряжения стабилизации соединяют последовательно несколько стабилитронов, напряжения стабилизации которых при этом суммируются.

При установке переключателя В в положение «U1» и входном напряжении Ux < Uст1 ток в цепи измерителя отсутствует. При Ux >= Uст1 происходит пробой стабилитрона, при этом на нем падает напряжение: Uст1 = U1, а излишек напряжения Uх - U1 создаёт ток через измеритель. Измеряемое напряжение находится как сумма двух напряжений: U1 и отсчитываемого по шкале измерителя на пределе ΔU1.

Рис. 4. Схема магнитоэлектрического вольтметра с растянутой шкалой

При установке переключателя В в положение «U2» последовательно в цепь включается стабилитрон Д2, который совместно со стабилитроном Д1 должен обеспечивать результирующее напряжение стабилизации Uст2 = U2, и резистор Rд2, повышающий верхний предел измерений вольтметра на измерителе И до значения ΔU2. Если ΔU2 = ΔU1, то Rд2 = 0. Если же ΔU2 < ΔU1, то необходимо резистор Rд1 полностью или частично включить между контактом переключателя «U1» и точкой разветвления проводов. Измеряемое напряжение определяется суммированием напряжения U2 с отсчётом по шкале измерителя на пределе

Следует учитывать некоторые особенности работы рассматриваемой схемы вольтметра. Поскольку прямое сопротивление кремниевых стабилитронов невелико, то при неправильной полярности включения измеряемого напряжения может иметь место сильная перегрузка измерителя. Защиту измерителя можно осуществить посредством включения дополнительного стабилитрона Д3 в соответствии с принципами, изложенными в разделе .

Кремниевые стабилитроны обеспечивают достаточно высокую стабильность напряжения Uст лишь при токе, превышающем определённое минимальное значение, для большинства стабилитронов равное 3-5 мА. Ток же в цепи измерителя обычно составляет сотые или десятые доли миллиампера. В этом случае напряжение стабилизации может заметно отличаться от номинального (паспортного) значения, причём оно будет зависеть от проходящего через стабилитрон тока. Кроме того, работа при малых токах усиливает самопроизвольный дрейф напряжения стабилизации и зависимость последнего от температурных условий. Поэтому подбор стабилитронов следует производить в реальных условиях их включения в измерительную схему, причём шкала измерителя, проградуированная в значениях прироста напряжения, может оказаться неравномерной.

Несколько уменьшить дополнительные погрешности измерений, вызываемые указанными выше причинами, можно при использовании в схеме вольтметра малочувствительного измерителя с током полного отклонения порядка миллиампер. Однако это не всегда допустимо из-за уменьшения входного сопротивления прибора:

Rв = Uх/(Uх-Uст) * ΔU/Iи,

которое в пределах возможных значений измеряемого напряжения от Uст до Uст + ΔU будет соответственно изменяться от ∞ до минимального значения (Uст + ΔU)/Iи.

Ответ: Д1 и Д2 - кремниевые стабилитроны типа Д817Г с напряжением стабилизации Uст = 100 В; Rд1 = 19,85 кОм; Rд2 = 40 кОм; Rв1 = ∞...220 кОм; Rв2 = ∞...460 кОм.

Ламповые вольтметры постоянного тока

В усилителях на электронных лампах, в отличие от транзисторных, управляющим параметром является не ток, а входное напряжение. Это позволяет создать на их основе вольтметр постоянного тока, имеющий очень высокое и неизменное по значению входное сопротивление на всех пределах измерений как высоковольтных, так и низковольтных.

При использовании в качестве измерителя магнитоэлектрического микроамперметра на 100-1000 мкА ламповый вольтметр обычно содержит усилительный каскад на одном или двух триодах {более сложные лампы применяются редко и, как правило, только в триодном включении). Два основных варианта одноламповых схем вольтметров приведены на рис. 5. В этих схемах измеритель соединённый последовательно с постоянным или калибровочным резистором Rд, включён в диагональ моста постоянного тока (см. Мостовой метод измерения электрических сопротивлений), ко второй диагонали которого приложена э. д. с. Еа источника анодного питания. Это позволяет устранить влияние на показания прибора начального анодного тока Iа0 лампы Л, образующей одно из плеч моста. Перед началом измерений при замкнутых входных зажимах мост уравновешивают посредством изменения сопротивления какого-либо плеча моста, например R0 (рис. 5, а), или изменением отношения сопротивлений резисторов двух смежных плеч, например R1 и R2 (рис. 5, б), образующих делитель напряжения анодного питания.

Рис. 5. Схемы одноламповых вольтметров постоянного тока

Измеряемое напряжение Uх, воздействуя на управляющую сетку лампы Л, изменяет внутреннее сопротивление триода, а это приводит к нарушению равновесия моста и отклонению стрелки измерителя. При правильно выбранном режиме работы ток в цепи измерителя i и, равный разности токов I0 и Iа двух смежных плеч моста, пропорционален напряжению Ux, что позволяет снабдить измеритель равномерной шкалой, проградуированной в значениях измеряемых напряжений.

Полярность подачи измеряемого напряжения к входным зажимам должна быть согласована с полярностью включения измерителя в диагональ моста, поскольку входным напряжениям различных знаков будут соответствовать токи противоположных направлений через измеритель. Например, при полярности включения измерителя, указанной на схемах рис. 5, вольтметры будут измерять напряжения, подводимые к сетке лампы в отрицательной полярности и вызывающие уменьшение её анодного тока. Такие вольтметры при любом значении измеряемого напряжения работают без сеточных токов; они практически не боятся перегрузок, ибо ток через измеритель не может превысить значения I0 = Iа0, достигаемого при отрицательных входных напряжениях, запирающих лампу.

При полярности включения измерителя, обратной показанной на схемах рис. 5, вольтметр будет измерять напряжения положительной полярности, увеличивающие ток в анодной цепи. При этом результирующее напряжение на сетке относительно катода Uс должно оставаться отрицательным, поскольку отсутствие сеточного тока является необходимым условием сохранения высокого входного сопротивления вольтметра. Следовательно, к сетке необходимо подводить отрицательное напряжение смещения, превышающее измеряемое положительное напряжение по крайней мере на несколько вольт. Это достигается включением в цепь катода лампы резистора автоматического смещения Rк, на котором анодный ток создаёт падение напряжения Uк = Iа*Rк, воздействующее на сетку лампы в отрицательной полярности. С ростом напряжения Ux увеличиваются анодный ток и напряжение смещения, равное (-Ia*Rу), при этом результирующее напряжение на сетке будет оставаться отрицательным, постепенно уменьшаясь по абсолютному значению.

Катодные резисторы Rк при любой полярности измеряемых вольтметрами напряжений стабилизируют работу их усилителей, создавая отрицательную обратную связь (о. о. с). Так, при изменении измеряемого напряжения Ux в положительном направлении напряжение смещения, равное -Ia*Rк, возрастёт, т. е. оно получит отрицательное приращение. Если же напряжение Ux станет более отрицательным, то в связи с уменьшением анодного тока напряжение смещения снизится, т. е. оно получит положительное приращение. Результирующее изменение напряжения Uc между сеткой и катодом лампы всегда будет меньше (по абсолютному значению) приращения измеряемого напряжения Ux и тем меньше, чем больше сопротивление RK. Увеличение значения Rк, углубляя о. о. с, с одной стороны, ведёт к возрастанию предельных значений измеряемых напряжений, а с другой - повышает устойчивость работы вольтметра, ослабляя зависимость его показаний от возможных колебаний напряжения питания и изменения параметров лампы при её старении или замене. Например, понижение анодного тока, вызванное уменьшением анодного напряжения, напряжения накала или крутизны характеристики лампы, будет в значительной мере компенсировано благодаря одновременному уменьшению напряжения смещения на е сетке.

Для получения равномерной шкалы необходимо, чтобы при любом допустимом значении измеряемого напряжения результирующее напряжение на сетке Uc изменялось в пределах линейного участка анодно-сеточной характеристики лампы, без захода в область электронного сеточного тока, возникающего обычно при сеточном напряжении выше -(0,5...1) В. Для обеспечения работы в требуемом участке характеристики лампы к её сетке приходится дополнительно подводить постоянное напряжение Uб, снимаемое обычно с подстроечного потенциометра, входящего в делитель высокого напряжения (рис. 5, б). Практически напряжение Uб устанавливают таким, чтобы при отсутствии измеряемого напряжения, т. е. при Uх = 0, получить начальный анодный ток Iа0 ≈ (3...5)Iи.

Чем больше сопротивление Rк, тем выше начальное отрицательное напряжение смещения -Iа0*Rк, подводимое к сетке лампы. Для его компенсации необходимо положительное напряжение Uб, требуемое значение которого может даже превышать предельное измеряемое напряжение Uп. Поэтому получение высоковольтных пределов измерений возможно лишь при наличии в вольтметре высоковольтного источника питания.

При низковольтных пределах измерений (Uп <= 3...5 В) резистор Rк должен иметь малое сопротивление или может даже отсутствовать. При этом с делителя анодного питания к сетке лампы приходится подводить небольшое отрицательное напряжение (рис. 5, а), смещающее рабочий участок характеристики лампы влево, в область отсутствия сеточного тока.

Таким образом, напряжение на сетке лампы в общем случае будет определяться суммой трёх членов:

Uс = -Iа*Rк + Uб + Uх.

Начальное отрицательное смещение (при Uх = 0)

Uс0 = -Iа0*Rк + Uб (7)

Предельное напряжение на сетке (при Ux = Uп)

Uс.п = -(Iа0 + ΔIа)*Rк + Uб + Uп, (8)

ΔIа ≈ μUп/ (9)

есть прирост анодного тока, совпадающий по знаку с полярностью напряжения Uп, причём коэффициент К = 1 для схемы рис. 5, а и К = μ + 1 для схемы рис. 5, б; μ и Ri - соответственно коэффициент усиления и внутреннее сопротивление лампы. При включении в анодную цепь резистора Ra (рис. 5, б), его сопротивление должно рассматриваться как компонент сопротивления R i . Расчётным значениям напряжения смещения Uс.п и анодного тока Iа = I a0 + Δ*Iа должна отвечать точка на линейном участке характеристики лампы Л, что требует проверки.

Ток в цепи измерителя И приближённо определяется формулой

iи ≈ 1/K * μ*Ux*R0/((Rэ+R0)*) (10)

Rэ = /K (11)

есть эквивалентное сопротивление лампового плеча моста.

При расчёте вольтметра считаются известными параметры измерителя (Iи, Rи) и выбранной лампы (μ, Ri), а также предел измерений Uп. Последний обеспечивается при сопротивлении лампового плеча

Rэ = (|(μUп/(KIи)|-(Rд+Rи+R12))/(Rд+Rи+R12+R0) (12)

R12 = R1R2/(R1 + R2)

есть общее сопротивление параллельного соединения резисторов R1 и R2 делителя анодного питания, выбираемое в пределах 1-3 кОм. Сопротивление резистора Rд при низковольтном пределе измерений берётся примерно 1-5 кОм; при высоковольтном пределе его приходится увеличивать до десятков килоом с тем, чтобы снизить необходимые значения сопротивления Rк и э. д. с. анодного питания Еа.

Rк = (KRэ-Ri)/(μ+1) (13)

или, выбрав Rк, рассчитать R0. Если найденное значение окажется слишком малым или большим, то следует произвести перерасчёт при изменённой исходной величине. Полные сопротивления регулируемых резисторов, (Rд, R0) берут несколько большими их расчётных значений, причём эти резисторы желательно составлять из двух компонентов - постоянного (ограничительного) и регулируемого.

Для дальнейшего расчёта необходимо выбрать начальный анодный ток Iа0 (обычно 1 мА) и исходное смещение на сетке Eс0, а затем по характеристике лампы найти соответствующее им анодное напряжение Uа0. Тогда можно определить необходимые значения э. д. с. источника анодного питания:

Еа = Uа0 + Iа0(R0 + R0) (14)

компенсирующего напряжения:

Uб = Iа0*R + Ес0, (15)

и напряжения на элементах анодного делителя:

U1 = Iа0*R0; U2 = Еа - U1. (16)

Так как отношение сопротивлений R1/R2 = U1/U2, то легко определяются сопротивления делителя:

R1 = R12*(1 + U1/U2); R2 = R12*(1 + U2/U1). (17)

Поскольку усилительная лампа работает при отсутствии электронного сеточного тока, то при достаточно хорошей изоляции между сеточным и катодным выводами ламповой панельки, а также между входными зажимами вольтметра входное сопротивление последнего в основном определяется сопротивлением резистора утечки Rc (рис. 5, а) или заменяющего его высокоомного делителя напряжения (рис. 5, б). Однако и в указанных выше условиях в цепи сетки может протекать неуправляемый ток порядка 0,001 мкА, в основном обусловленный движением к сетке ионов, возникающих при ионизации электронами остаточных газов в лампе. Ионный ток, протекая по резистору Rc или входному делителю напряжения и элементам внешней схемы, подключённой к входным зажимам, создаёт на них падение напряжения, задающее на сетку положительный потенциал. С целью ограничения этого напряжения, повышающего погрешности измерений на низковольтных пределах, сопротивление включённых в цепи сетки элементов (резистора утечки, делителя напряжения) не должно превышать 10-20 МОм, что в свою очередь ограничивает допустимое сопротивление подключаемой к входу вольтметра цепи несколькими мегомами. Ионный ток сетки ослабляется с понижением анодного напряжения и напряжения накала. Признаком наличия сеточного тока является разница в установке нуля измерителя при разомкнутых и короткозамкнутых входных зажимах вольтметра. В ряде случаев погрешность заметно уменьшается, если установку нуля производить при короткозамкнутых входных зажимах или подключении к исследуемой цепи, находящейся в обесточенном состоянии.

Включаемый на входе вольтметров фильтр нижних частот, состоящий из резистора Rф сопротивлением в несколько мегом и конденсатора (с малым током утечки) Сф ёмкостью порядка сотых долей микрофарады, устраняет воздействие на вольтметр переменных составляющих входного сигнала и различных наводок. Резистор также защищает вольтметр от перегрузок при случайной подаче на входные зажимы большого положительного напряжения. При наличии резистора утечки Rc заметная часть измеряемого напряжения может падать на резисторе Rф, что следует учитывать при расчёте и наладке вольтметра посредством уменьшения расчётного значения предельного напряжения Uп относительно заданного в (RФ + Rc)/Rc раз.

Задача 5. Рассчитать схему вольтметра постоянного тока на лампе типа 6С35А (S = 4 мА/В, μ = 70, Ri = μ/S = 17,5 кОм), представленную на рис. 5, а, на пределы измерений -100, -10 и -1 В при измерителе типа М265 (Iи = 200 мкА, Rи = 900 Ом).

1. Выбираем Сф = 0,05 мкФ, Rф = 3 МОм и Rc = 12 МОм. Учитывая, что коэффициент деления входного напряжения (Rф + Rс)/Rс = 1,25, расчёт следует вести для предельных напряжений -80, -8 и -0,8 В.

2. Выбираем Rд = 20,1 кОм, Rl2 = 2 кОм, R0= 10 кОм и для предела Uпl = -80 В производим расчёт Rэ1 ≈ 8500 кОм = 8,5 МОм, Rк1 = 120 кОм [формулы (12) и (13)].

3. Задаём исходный режим лампы: Ес01 = -0,5 В и Iа0 = 1 мА; по характеристике лампы находим Uа01 ≈ 110 В.

4. Определяем напряжения Еа = 240 В, Uб1 = 119,5 В; U1 = 10 В; U2 = 230 В и элементы делителя в цепи питания: R1 = 2,08 кОм, R2 = 48 кОм [формулы (14) - (17)].

5. Определяем режим лампы при предельном напряжении Uп1: ΔIа = -0,65 мА; Iа = Iа0+ΔIа = 0,35 мА; Uс.п = - 2 В [формулы (9) и (8)], и убеждаемся, что ему соответствует точка на линейном участке характеристики лампы.

6. Для пределов Uп2 = -8 В и Uп3 = -0,8 В находим: Rэ2 = 843 кОм; Rэ3 = 78 кОм; Rк2= 11,6 кОм; Rк3 = 850 Ом.

7. Вычисляем начальные падения напряжения на лампе: Uа02 = 218,4 В и Ua03 = 230 В, и по характеристикам лампы находим соответствующие им при токе Iа0 = 1 мА напряжения смещения: Eс02 = -2 В и Eс03 = -2,3 В.

8. Определяем компенсирующие напряжения: Uб2 = 13,6 В и Uб3 = -1,45 В. Для получения напряжения Uб3 делитель в цепи питания необходимо дополнить потенциометром с полным сопротивлением R3 = (1,5...2)R1*(Uб3/U1) = 450...600 Ом.

Общим недостатком всех одноламповых вольтметров является заметный дрейф нуля, т. е. неустойчивость установки нуля измерителя, произведённой перед началом измерений. Главной причиной дрейфа является изменение в процессе работы внутреннего сопротивления и других параметров лампы из-за случайных колебаний напряжений питания и внешних условий, тока эмиссии и ионного тока сетки. Дрейф нуля особенно резко проявляется при слабой о. о. с, т. е. на низковольтных пределах измерений, вследствие чего наименьший предел Uп измеряемых вольтметром напряжений приходится ограничивать значениями 1-3 В.

Рис. 6. Схемы балансных ламповых вольтметров постоянного тока

Значительное ослабление дрейфа нуля, позволяющее повысить чувствительность вольтметра, достигается при использовании мостовой балансной схемы усиления, два варианта которой приведены на рис. 6. В смежные плечи моста помещаются две однотипные лампы (обычно совмещённые в двойном триоде с разделёнными катодами, например типа 6Н1П или 6Н2П), специально подобранные по идентичности их параметров. Измеритель И включается между анодами (рис. 6, а) или катодами (рис. 6, б) ламп и его показания определяются разностью их анодных токов. Поскольку колебания напряжений питания и внешних условий, различные наводки и помехи примерно одинаково влияют на анодные токи обеих ламп, то установка нуля, производимая с помощью низкоомного потенциометра Rа0, становится довольно устойчивой. Стабильность работы ещё более повышается с увеличением сопротивлений катодных резисторов, т. е. с усилением о. о. с.

Компенсация избыточного отрицательного потенциала на сетках ламп и выбор рабочей точки осуществляются с помощью подстроечного потенциометра R б2 . Управляющую сетку одной из ламп обычно соединяют с корпусом прибора, поскольку в большинстве случаев приходится измерять несимметричные относительно земли напряжения. Измеряемое напряжение Ux повышает потенциал (относительно катода) сетки одной из ламп, что приводит к возрастанию её анодного тока, а у другой лампы вызывает понижение потенциала сетки и уменьшение анодного тока. При этом результирующее изменение тока в цепи измерителя оказывается такого же порядка, как в одноламповом вольтметре с идентичными элементами схемы.

В одноламповых вольтметрах на низковольтных пределах ухудшается стабильность работы из-за уменьшения сопротивлений катодных резисторов. В балансных вольтметрах этот недостаток можно устранить путём использования общего для катодных цепей обеих ламп резистора Rк0 (рис. 6, а) сопротивлением примерно 50-100 кОм. Резистор Rк0, углубляя о. о. с. одновременно для обеих ламп, не влияет на чувствительность вольтметра и его предел измерений (которые определяются сопротивлениями резисторов Rк), поскольку возникающее на нем падение напряжения одинаково изменяет потенциалы сеток ламп Л1 и Л2, так что разность потенциалов между сетками остаётся равной измеряемому напряжению Ux. Фактором, ограничивающим увеличение сопротивления Rк0, является возрастание необходимого значения компенсирующего напряжения Uб.

При работе вольтметра по схеме на рис. 6, а ток в цепи измерителя можно определить по формуле (10), если в ней принять К = 1, R1 = R0 = Ra и R2 = Rэ. Выбранный предел измерений Uп обеспечивается при эквивалентных сопротивлениях ламповых плеч:

Rэ = Ri + (μ+1)*Rк = (Rа*μ*Iп/Iи-Rд-R1)/(2Rа+Rд+Rи) (18)

Пользуясь указанными формулами и задаваясь одним из сопротивлений - Ra или Rк, можно вычислить второе из них. Тогда необходимая э. д. с. источника анодного питания (учитывая, что через резистор Rк0 протекают анодные токи обеих ламп)

Еа = Uа0 + Iа0*(Rа + Rк + 2Rк0), (19)

а компенсирующее напряжение

Uб = Ia0*(Rk + 2*Rк0) + Ес0. (20)

При работе вольтметра по схеме на рис. 6, б ток в цепи измерителя определяется формулой:

i и = Ux: [(Rд+Rи)(1+Rэ/Rк)+2Rэ]. (21)

В данной схеме эквивалентное сопротивление ламповых плеч

Rэ = Ri/(μ + 1) ≈ 1/S (22)

оказывается небольшим - сотни Ом. При выборе ламп со значительной крутизной характеристики S легко обеспечить выполнение условия при котором ток через измеритель будет определяться такой же формулой, как в магнитоэлектрических вольтметрах:

i и = Ux/(Rд + Rи). (23)

Такой вольтметр представляет собой катодный повторитель со 100%-ной о. о. с, поскольку выходное напряжение практически полностью повторяет входное, но при сравнительно низком выходном сопротивлении, тогда как входное сопротивление остаётся очень большим. Предел измерений Uп обеспечивается выбором сопротивления добавочного резистора Rд по формуле (3). Подобный прибор может использоваться как входная приставка к низкоомному вольтметру, преобразующая его в высокоомный вольтметр без переградуировки шкалы.

В некоторых вольтметрах все плечи мостовой схемы выполняются ламповыми, что способствует ещё большему ослаблению дрейфа нуля. Дополнительные лампы обычно включаются вместо катодных резисторов Rк и в свою очередь содержат в катодных цепях нагрузочные резисторы R"к. Поскольку эквивалентное сопротивление дополнительных ламповых плеч R"э = Ri + (μ + 1)R"к значительно превышает сопротивление этих плеч постоянному току, то такие схемы позволяют получить сильную о. о. с. без большого увеличения э. д. с. источника питания Еa. Для повышения устойчивости работы в электронных вольтметрах, питаемых от сети переменного тока, обычно предусматривают стабилизацию напряжения питания со стороны переменного или выпрямленного напряжения.

Многопредельные ламповые вольтметры

В практических условиях наиболее удобны многопредельные ламповые вольтметры, пригодные для измерений в высокоомных трактах как малых, от десятых долей вольта, напряжений, например в цепях смещения, так и высоких, порядка тысяч вольт, напряжений, действующих в анодных цепях мощных радиоламп и электроннолучевых трубок.

В многопредельных вольтметрах, верхний предел измерений которых не превышает нескольких сотен вольт, переход от одного предела к другому можно осуществлять переключением катодных резисторов Rк, как это показано на схеме рис. 5, а. Расчёт такого вольтметра производят по рассмотренной методике (см. ) сперва для самого высоковольтного предела, поскольку он определяет потребное напряжение Еа источника питания. Затем рассчитывают для всех других пределов соответствующие им сопротивления Rк, считая неизменными данные остальных элементов схемы.

Предположим, что на исходном (высоковольтном) пределе используется катодный резистор сопротивлением Rк1, а режим лампы характеризуется значениями Uа01, Uc01 и Iа0 при компенсирующем напряжении Uб1. При переходе на другой предел измерений, которому отвечает сопротивление Rк2 < Rк1, для сохранения исходной установки нуля измерителя начальный ток Iа0 и падение напряжения на ламповом плече моста должны остаться без изменения, а это возможно лишь при возрастании падения напряжения на лампе до значения

Uа02 = Ua01 + Iа0*(Rк1-Rк2). (24)

Тогда по анодно-сеточной характеристике лампы, соответствующей анодному напряжению Uа02, можно определить смещение Ес02, при котором обеспечивается тот же анодный ток Iа0, а затем по формуле, аналогичной (15) или (20), вычислить необходимое компенсирующее напряжение Uб2. Найдя подобным образом значения компенсирующих напряжений для всех пределов измерений и убедившись, что рабочие точки лежат на линейных участках характеристик лампы, следует окончательно определить состав компонентов делителя анодного питания R1, R2. При этом для самого низковольтного предела может потребоваться включение в делитель дополнительного звена, аналогичного потенциометру R3 на схеме рис. 5, а.

Следует учитывать, что расчёт лампового вольтметра может быть выполнен лишь ориентировочно, поскольку реальные параметры и характеристики используемой лампы могут заметно отличаться от приводимых в справочниках. Это отличие окажется особенно существенным, если предполагается работа лампы при пониженном на 10-15% напряжении накала, что иногда практикуется с целью увеличения срока службы лампы. Поэтому каждый собранный по расчётным данным вольтметр подлежит наладке, которая может потребовать замены отдельных элементов схемы.

При наладке вольтметра с переключаемыми катодными резисторами движок регулятора установки нуля ставят в среднее положение и при замкнутых входных зажимах поочерёдно на всех пределах добиваются отсутствия тока в цепи измерителя посредством подбора точек отвода компенсирующих напряжений Uб от подстроечных потенциометров делителя напряжения в цепи питания. Требуемые пределы измерений могут подгоняться точным подбором сопротивлений резисторов Rк, однако при этом может потребоваться переналадка подстроечных потенциометров делителя. Последняя операция отпадает, если точную подгонку пределов производить с помощью переключаемых шунтов к измерителю.

Необходимо на всех пределах (особенно низковольтных) проверять равномерность шкал, которая определяет возможность использования общей отсчётной шкалы измерителя. Нарушенную равномерность шкал можно попытаться восстановить изменением начального тока Iа0 путём переналадки вольтметра при несколько изменённом положении движка регулятора нуля.

Другим способом достижения многопредельности является применение высокоомного ступенчатого делителя напряжения на входе измерительного каскада вольтметра.

Схема последнего рассчитывается на предел измерений Uп.н, равный низшему заданному пределу или меньший его. Делитель напряжения, состоящий из нескольких последовательно соединённых резисторов и переключателя, позволяет подавать на вход измерительного каскада все измеряемое напряжение или строго определённую часть его.

Один из вариантов включения входного делителя показан на схеме рис. 5, б. Его особенностью является то, что входное сопротивление вольтметра Rв на всех пределах остаётся неизменным и равным полному сопротивлению делителя, т. е.

R = R + R + R + R + ...; (25)

оно обычно выбирается от 10 до 20 МОм. Если предельные измеряемые напряжения в порядке их возрастания равны (для схемы рис. 5, б) Uп1, Uп2 и Uп3, то сопротивления резисторов делителя должны удовлетворять следующим условиям:

Rc3 = Rв*Uп.н/Uп3;
Rc2 + Rc3 = Rв*Uп.н/Uп2; (26)
Rc1 + Rc2 + Rc3 = Rв*Uп.н/Uп1;

Если Uп.н = Uп1, то резистор Rc0 не нужен, однако в этом случае между переключателем В и сеткой лампы желательно поместить резистор фильтра Rф. Поскольку в данной схеме наибольшее сопротивление оказывается включённым в цепь сетки на самом низковольтном пределе, то и погрешность измерений, вносимая неуправляемым током сетки, на этом пределе максимальна.

Наладка входного делителя заключается в таком подборе элементов схемы, при котором каждому предельному напряжению отвечает отклонение стрелки измерителя на всю шкалу. Последовательность наладки желательно выбирать такой, чтобы производимая регулировка не нарушала заметно предшествующих регулировок. После подбора- (согласно данным расчёта) резисторов делителя наладку следует начинать с низковольтного предела Uп1 посредством регулировки подстроечного элемента Rд или Rш в цепи измерителя. Затем, перейдя на предел Uп2, подгоняют резистор Rc2 и, наконец, на пределе Uп3 - резистор Rc3. Если подбор необходимых сопротивлений резисторов делителя затруднён, то индивидуальную подгонку пределов измерений можно выполнить с помощью переключаемых проволочных шунтов для чего потребуется переключатель В дополнить второй секцией.

Входные делители напряжения упрощают схему и конструкцию многопредельного лампового вольтметра, облегчают процесс его наладки, позволяют существенно уменьшить потребное напряжение анодного питания. Однако они ограничивают входное сопротивление вольтметров и заметно повышают погрешность измерений, особенно при использовании в них высокоомных непроволочных резисторов, отличающихся низкой стабильностью.

При работе вольтметра по схеме с катодной нагрузкой при сильной о. о. с. весьма эффективным способом обеспечения многопредельности является применение в цепи измерителя переключаемых резисторов Rд различных номиналов (рис. 6, б). Поскольку их сопротивления сравнительно малы, то резисторы Rд могут быть сделаны проволочными с точной подгонкой к требуемому значению. Наиболее высокий предел измерений ограничивается э. д. с. источника питания и в зависимости от степени о. о. с. практически составляет (0,8...0,9) Еа. Такой вольтметр, как и вольтметр с переключаемыми катодными резисторами, рационально выполнять на пределы измерении не выше 100-200 В, а для получения высоковольтного предела можно дополнительно подключать к нему простейший двухрезисторный делитель входного напряжения с требуемым коэффициентом деления (равным, например, 10).

Задача 6. Рассчитать делитель входного напряжения, включённый по схеме на рис. 5, б, на пределы измерений 3, 30, 300 и 3000 В к вольтметру с пределом измерений Uп.н = 2 В, если требуется обеспечить входное сопротивление Rв = 12 МОм.

Ответ: Rс4= 8 кОм; Rc3 = 72 кОм; Rc2 = 720 кОм; Rс1 = 7,2 МОм; Rс0= 4 МОм.

Транзисторные вольтметры постоянного тока

Вольтметры постоянного тока могут быть выполнены на биполярных или полевых транзисторах. Основой вольтметров первого типа являются высокочувствительные транзисторные микроамперметры, соединяемые последовательно с добавочными резисторами. Сопротивления последних Rд рассчитываются по формулам (см. раздел ), в которые вместо тока полного отклонения измерителя Iи и его сопротивления Rи подставляются соответственно номинальный ток транзисторного микроамперметра Iи = Iи/Ki и его внутреннее сопротивление Rмка. При этом у транзисторного вольтметра входное сопротивление Rв = Rд + Rмка оказывается в Ki раз большим, чем у магнитоэлектрического вольтметра того же предела измерений, содержащего идентичный измеритель. При обычно применяемых измерителях на 50-1000 мкА для получения о. в. с. примерно 100-1000 кОм/В достаточно иметь коэффициент усиления по току Кi = 20...100, что легко достигается при одном-двух каскадах стабилизированного усиления.

Особенностью транзисторных вольтметров является необходимость выполнения перед измерениями установки нуля стрелочного измерителя и калибровки номинального показания вольтметра с целью компенсации температурной и временной нестабильности транзисторов и возможного изменения напряжения питания. Примером может служить приведённая на рис. 7 схема однотранзисторного вольтметра с номинальным током Iн = 10 мкА, обеспечивающим о. в. с. 100 кОм/В. На пределе 3 В добавочными являются резисторы R"д1 и R""д1 которые входят в состав добавочных резисторов всех других пределов измерений. Диод (или стабилитрон) Д предохраняет транзистор от повреждения при случайной подаче на вход прибора напряжения неправильной полярности или чрезмерно высокого, а также позволяет использовать вольтметр для измерения переменных напряжений). Здесь установка нуля производится в положении «Установка 0» переключателя В1 реостатом R0, который можно совместить с выключателем питания В2. Для калибровки шкалы вольтметра используется напряжение U1, снимаемое с резистора R1 делителя напряжения, которое при нажатии кнопки Кн2 измеряется по трёхвольтовой шкале магнитоэлектрического вольтметра, образуемого измерителем И и добавочным резистором Rд. Затем при отжатой кнопке Кн2 нажимается кнопка Кн1 и это же напряжение Ux подаётся на трёхвольтовый вход транзисторного вольтметра; реостатом Rш добиваются предыдущего показания измерителя. Точность измерений на других пределах зависит от точности подбора и стабильности сопротивлений высокоомных добавочных резисторов.

Рис. 7. Схема транзисторного вольтметра постоянного тока с добавочными резисторами

Более устойчиво работают вольтметры, выполненные на основе балансной схемы транзисторного микроамперметра, например приведённой на рис. 10 и дополненной со стороны входа добавочными резисторами. Из-за трудности подбора достаточно идентичных по своим характеристикам транзисторов подобные приборы, как уже отмечалось (см. Транзисторные микроамперметры постоянного тока), требуют двойной регулировки нуля. Поскольку положительный полюс источника питания с целью уменьшения влияния различного рода наводок обычно соединяют с корпусом прибора, то при измерениях нельзя допускать соединения корпусов объекта измерений и вольтметра.

Чрезмерное увеличение входного сопротивления транзисторных вольтметров не всегда желательно из-за трудности подбора высокоомных добавочных резисторов, а также по причине более резкого проявления у них шумовых свойств и нестабильности сопротивления, следствиями которых могут явиться,усиление дрейфа нуля вольтметра и нарушение его градуировочной характеристики с течением времени. Поэтому на высоковольтных пределах измерений иногда ограничивают входное сопротивление вольтметра посредством увеличения потребляемого им тока. Пример схемы подобной входной цепи, применённой в двухкаскадном транзисторном вольтметре типа ВК7-6, приведён на рис. 8. Измерительный блок (ИБ) этого прибора характеризуется номинальным током Iн = 1 мкА и входным сопротивлением Rмка = 100 кОм, что отвечает наименьшему предельному значению измеряемого напряжения Uп1 = Iп*Rмка = 0,1 В и о. в. с. 1 МОм/В. С возрастанием предела измерений добавочные резисторы увеличивают входное сопротивление, которое на пределе Uп = 30 В достигает 30 МОм. На более высоковольтных пределах входное сопротивление остаётся неизменным и равным 30 МОм, что достигается включением шунтирующих резисторов, которые увеличивают потребляемый прибором предельный ток до значений Iп = Uп/Rв, равных 3,33; 10 и 33,3 мкА соответственно на пределах 100, 300 и 1000 В. Необходимое сопротивление шунта рассчитывается по формуле, идентичной (1).

Рис. 8. Схема входной цепи транзисторного вольтметра типа ВК-7

Принципиально транзисторный вольтметр с входным сопротивлением до 1 МОм можно выполнить на базе эмиттерного повторителя с переключением пределов измерений посредством изменения параметров цепи отрицательной обратной связи. Однако такие вольтметры имеют ограниченное применение из-за трудности обеспечения устойчивости работы и градуировочной характеристики в широком диапазоне измеряемых напряжений и сравнительно низкого входного сопротивления.

Некоторое применение находят лампово-транзисторные вольтметры, в которых входной ламповый каскад (часто выполняемый по схеме катодного повторителя на экономичной малогабаритной лампе) обеспечивает высокое и неизменное на всех пределах измерений входное сопротивление, а транзисторный усилитель с малым выходным сопротивлением позволяет использовать малочувствительный стрелочный измеритель. Применение нескольких каскадов усиления при достаточно чувствительном измерителе позволяет получить милли- или микровольтметр постоянного тока. Однако такие приборы имеют пониженную точность измерений вследствие заметного проявления дрейфа нуля.

Влияние дрейфа нуля практически устраняется в приборах (транзисторных и ламповых), в которых измеряемое постоянное напряжение преобразуется в пропорциональное ему переменное с последующим калиброванным усилением переменного напряжения и выпрямлением его для целей индикации 1. Для повышения входного сопротивления до сотен мегом применяют автогенераторы, в которых уровень положительной обратной связи определяется ёмкостью полупроводниковых элементов (диодов, стабилитронов, варикапов), находящихся под воздействием измеряемого напряжения. В результате амплитуда генерируемых колебаний оказывается пропорциональной измеряемому напряжению, что обеспечивает высокую линейность шкалы измерителя.

В простейших транзисторных вольтметрах обходятся вообще без стрелочного измерителя, заменяя последний электронно-световым индикатором, лампочкой накаливания, телефоном и т. п.

Рис. 9. Схема вольтомметра постоянного тока на полевых транзисторах КП103Л

Весьма перспективными являются вольтметры постоянного тока, выполняемые на полевых (канальных) транзисторах; по схемам и основным техническим характеристикам они во многом аналогичны ламповым вольтомметрам, но значительно превосходят последние по компактности и экономичности питания. Примером может служить приведённая на рис. 9 схема вольтомметра постоянного тока, основным компонентом которого является вольтметр, выполненный по балансной схеме на двух полевых транзисторах (с каналами p-типа). Схема измерения напряжений образуется при установке переключателя В2 в положение «U». Поскольку стоки транзисторов присоединены непосредственно к источнику питания, а нагрузка включена между истоками, то прибор работает в режиме истокового повторителя с весьма малым выходным и очень большим входным сопротивлениями. Это позволяет для изменения пределов измерений ставить на входе высокоомный делитель напряжения с полным сопротивлением, достигающим десятков мегом. Установка нуля измерителя осуществляется потенциометром R7, и для того чтобы она была эффективна, необходимо подбирать для работы в приборе транзисторы Т1 и Т2 близкими по параметрам (в первую очередь, по начальному току стока Iс.и, напряжению отсечки Uотс и крутизне характеристики S). Вход вольтметра блокируется от переменных и импульсных напряжений и наводок фильтрами R4, С1 и R10, С2, защита от перегрузок обеспечивается стабилитроном Д.

Перед началом измерений наряду с установкой нуля необходимо производить калибровку вольтметра. Она достигается подачей на вход стабилизированного постоянного напряжения известного уровня с последующей установкой потенциометром R6 стрелки измерителя И на соответствующее деление его шкалы. Для создания калибровочного напряжения можно использовать источник питания прибора и одно-двухзвенную цепочку из надлежащим образом подобранных стабилитронов или стабисторов и ограничительных резисторов. При начальной отладке в режиме калибровки производится подбор резисторов R6 и R8 подходящих номиналов, зависящих от параметров применённого в приборе измерителя И.

Дифференциальный и компенсационный методы измерения постоянных напряжений

Входное сопротивление магнитоэлектрических и электронных вольтметров может оказаться недостаточно большим, чтобы обеспечить малое влияние этих приборов при измерении ими э. д. с. источников с большим внутренним сопротивлением или напряжений, действующих в высокоомных цепях. Лучшие результаты в таких случаях можно получить при использовании некоторых специальных методов измерений.

Рис. 10. Схема измерения постоянных напряжений дифференциальным методом

Дифференциальный метод основан на частичном уравновешивании измеряемого напряжения известным напряжением и определении их разности. Типовая схема измерений приведена на рис. 10. В ней используется источник постоянного напряжения U (батарея, выпрямитель), нагруженный на потенциометр Rк, магнитоэлектрический вольтметр высокого класса точности V1, входное сопротивление которого Rв1 может быть сравнительно невелико, и электронный вольтметр V2 с относительно высоким и неизменным на всех пределах входным сопротивлением Rв2. Сперва движок потенциометра Rк ставят в нижнее (по чертежу) положение и вольтметром V2 грубо измеряют напряжение Ux. Затем перемещением движка вверх устанавливают на вольтметре V1 удобное для отсчёта напряжение (Uк, близкое по значению к Ux, а вольтметр V2 переключают на наименьший предел для измерения разностного напряжения ΔU = Ux - Uк. Измеряемое напряжение находится суммированием показаний обоих вольтметров: Ux = Uк+ ΔU (при полярности включения вольтметра V2, обратной обозначенной на схеме, Ux = Uк-ΔU). Достоинством метода является то, что он обеспечивает измерение напряжений с высокой точностью, определяемой в основном погрешностью измерении вольтметра V1, при входном сопротивлении

Rвх = Ux/I = Rв2*(Uк + ΔU)/ΔU = Rв2(Uк/ΔU+1),

многократно превышающем входное сопротивление вольтметра V2.

Рис. 11. Схемы измерения постоянных напряжений компенсационным методом

Компенсационный метод основан на уравновешивании (компенсации) всего (или строго определённой доли) измеряемого напряжения известным напряжением. Простейшая схема измерений представлена на рис. 11, а. Чувствительный магнитоэлектрический измеритель И (гальванометр) находится под действием двух встречно направленных напряжений: измеряемого Ux и компенсационного Uк; последнее снимается с сопротивления Rк.н нижней (по схеме) части потенциометра Rк, на который подано напряжение U от вспомогательного источника питания. Через измеритель протекает ток I0, направление которого зависит от того, какое из приложенных к нему напряжений больше. Перемещением движка потенциометра добиваются уменьшения этого тока до нуля, что имеет место при Uк = Ux. Тогда измеряемое напряжение

Uх = Uк = U(Rк.н/Rк)

При стабильном и известном напряжении U напряжение Uк целиком определяется отношением сопротивлений Rк.н/Rк. Следовательно, потенциометр можно снабдить шкалой, проградуированной непосредственно в значениях измеряемых напряжений Uх, отсчёт по которой будет определяться установкой указателя, связанного с движком. Предельное значение измеряемого напряжения Uп = U, наименьшее же его значение ограничивается ценой деления шкалы и составляет (0,02...0,05)U. Шкала имеет равномерный характер и относительная погрешность измерений к её концу уменьшается.

При неуравновешенной схеме через измеритель может проходить значительный ток, опасный для его рамки. Для ограничения его служит резистор Rо, сопротивление которого выбирается в пределах (0,3...0,7)U/Iи, где Iи - ток полного отклонения измерителя. После предварительного грубого уравновешивания Схемы нажимают кнопку Кн и этим закорачивают резистор Rо, затем потенциометром Rк более точно устанавливают стрелку измерителя на нуль.

Если напряжение U на зажимах вспомогательного источника недостаточно стабильно, то для измерения напряжения Uк можно применить вольтметр V, включение которого показано штриховой линией на рис. 11, а. В схеме возможно использовать также измеритель И, который после уравновешивания напряжений подключают к добавочному резистору Rд для измерения напряжения Uк (рис. 11, б). Для того чтобы нагрузка на потенциометр при переключениях измерителя не менялась, используется балластный резистор сопротивлением Rд+Rи.

Полное сопротивление потенциометра Rк выбирают из условия

U/Iдоп < Rк < U/Iи,

где Iдоп - предельно допустимый ток источника напряжения V. При чрезмерно большом сопротивлении Rк ток в цепи измерителя при неуравновешенной схеме может оказаться малым, что затруднит установку нуля.

Входное сопротивление измерительной схемы: Rвх = Uх/I0, в момент отсчёта определяется главным образом точностью её уравновешивания, т. е. значением протекающего через измеритель остаточного тока I0. Чем ближе этот ток к нулю, тем входное сопротивление больше. Поэтому стремятся к применению в компенсаторах возможно более чувствительных измерителей, например магнитоэлектрических гальванометров или электронных микроамперметров, желательно с двусторонней шкалой. При наличии измерителя с односторонней шкалой можно корректором несколько сместить к центру нулевое положение стрелки и зафиксировать его меткой на шкале.

Основным достоинством компенсационного метода является весьма малое влияние измерительной схемы на исследуемые цепи. При этом погрешность измерений не зависит от класса точности измерителя, а определяется чувствительностью последнего, стабильностью напряжения U и точностью потенциометра Rк (или вольтметра, измеряющего напряжение Uк).

При необходимости измерения напряжений, превышающих предельное значение Uп = U, можно применить делитель напряжения, состоящий из нескольких последовательно соединённых резисторов (рис. 11, б); с его помощью на вход компенсатора подают строго определённую долю Ux измеряемого напряжения U"х. Например, для расширения предела измерений до значений 10Uп и 100Uп делитель должен содержать три резистора с сопротивлениями R1 = 0,01R, R2 = 0,09R и R3 = 0,9R. Полное сопротивление делителя: R = R1 + R2 + R3, должно быть настолько большим, чтобы не создавать заметной нагрузки для источника измеряемого напряжения. Использование делителя напряжения увеличивает общую погрешность измерений за счёт погрешности установки коэффициентов деления.

Цифровые вольтметры

В цифровых вольтметрах измеряемое напряжение отсчитывается по цифровому индикатору в виде числа из нескольких значащих цифр. Этим устраняются ошибки субъективного характера, имеющие место при отсчёте со шкалы стрелочного измерителя, а также создаётся возможность фиксации результатов измерений посредством цифропечатающего устройства и прямого ввода их в электронно-вычислительные машины.

Действие цифровых вольтметров основано на автоматическом сравнении измеряемого напряжения Uх или строго определённой его доли с известным (опорным) напряжением U0. Это сравнение может осуществляться при помощи электромеханической или электронной схемы.

Электромеханические цифровые вольтметры относятся к приборам поразрядного кодирования; для автоматизации измерений в них используются реле, шаговые искатели, электродвигатели, автоматические (компенсационные) потенциометры и т. п. Принцип действия этих вольтметров упрощённо можно представить следующим образом (рис. 12). Постоянное измеряемое напряжение Ux непосредственно, а переменное - после преобразования в постоянное подводится к реостатному делителю напряжения, коэффициент деления которого N может принимать значения, равные 1, 10, 100 и т. д. Переключатель (шаговый искатель) В1 с помощью автоматики устанавливается в положение, при котором снимаемое с делителя напряжение Ux/N оказывается наиболее близким (со стороны меньших значений) к э.д.с. Еo источника опорного напряжения U0\ значение Е0 выбирается примерно равным наименьшему пределу измерений вольтметра (например, 9,9 В - применительно к схеме на рис. 12). Положение переключателя В1 определяет разряд (сотни, десятки, единицы и т. д. вольт) первой значащей цифры на индикаторе, т. е. место запятой между целой и десятичной частью отсчитываемого числа.

В блоке компенсации напряжения Ux/N и Uo сравниваются компенсационным методом. Если они не равны, то выделяется разностное напряжение ΔU = Uo - Ux/N, которое после усиления и преобразования приводит в действие автоматику блока управления. Последняя с помощью группы шаговых искателей В2, подключённых к системе декадных потенциометров в цепи э.д.с. Ео изменяет компенсирующее напряжение Uо несколькими последовательными ступенями (например, через 1 и 0,1 В) до тех пор, пока оно не станет равным (Ux/N, a ΔU = 0 с точностью до одного счета (единицы наименьшего разряда). В соответствии с установкой компонентов переключателя В2, определяемого дискретным значением Uo ≈ Ux/N, происходит набор числа в цифровом индикаторе.

Рис. 12. Функциональная схема электромеханического цифрового вольтметра

Электронные цифровые вольтметры выполняются преимущественно на полупроводниковых элементах, отличаются высоким быстродействием и обычно базируются на методах число-импульсного кодирования. Измеряемое напряжение Ux сравнивается с опорным напряжением Uo, возрастающим или спадающим по определённому закону до момента их совпадения (Uo = Uх). Значение Ux оценивается по пропорциональному ему числу калиброванных по частоте следования импульсов, которые генерируются за период изменения напряжения Uо и подсчитываются электронным счётчиком, определяющим

показания цифрового индикатора. В некоторых приборах используют автогенератор ступенчатого напряжения, запускаемый и управляемый импульсами высокостабильного (обычно кварцевого) тактового генератора. При каждом таком импульсе (такте), число которых (с момента запуска) фиксируется счётчиком, напряжение на выходе автогенератора (Uп) получает определённое приращение (например, 0,01 В), и когда оно становится равным напряжению Ux счётчик запирается.

Рис. 13. Функциональная схема электронного цифрового вольтметра.

В другом варианте прибора - с время-импульсным кодированием - измеряемое напряжение Ux после преобразования его к уровню Ux/N (соответствующему наименьшему пределу измерений) и калиброванного усиления до значения Ux подаётся на блок сравнения - компаратор (рис. 13). С момента запуска вольтметра к этому же блоку подводится напряжение Uo, линейно нарастающее до момента совпадения его с напряжением U"x. На выходе компаратора создаётся прямоугольный импульс напряжения Ut, длительность которого Δt, очевидно, пропорциональна значению Ux. Этот импульс отпирает генератор счётных импульсов, число которых в интервале времени Δt измеряется электронным счётчиком и выдаётся цифровым индикатором в единицах напряжения (с учётом разряда по коэффициенту деления N).

В качестве индикаторов в вольтметрах применяются цифровые табло с лампочками накаливания или газоразрядными лампами, электроннолучевые трубки и другие приборы со свечением.

Цифровые вольтметры могут приводиться в действие вручную и давать одноразовое показание при нажатии кнопки либо работают автоматически с запуском от внутреннего или внешнего источника пусковых импульсов или реле времени, выдавая результаты измерений через установленные интервалы времени T.

Помимо измерения напряжений (постоянных, переменных, импульсных), приборы с цифровым отсчётом находят применение для измерения ряда параметров радиосигналов и элементов радиоцепей - частоты и временных интервалов, фазовых сдвигов, сопротивления, ёмкости и др.