Аналоговый вольтметр

Рис. 7. Схема амплитудного преобразователя с закрытым входом.

а                                         б

Рис. 8. Диаграммы напряжения в амплитудных преобразователях:

а - с открытым входом; б - с закрытым входом.

 

Значение U_ПИК получаемое на выходе амплитудных преобразователей зависят от полярности подаваемого на их вход постоянной составляющей пульсирующего напряжения.

Если на вход амплитудного преобразователя с открытым входом подается пульсирующее напряжение так, что «+» постоянной составляющей приложен к аноду диода, то выходное напряжение определяется

U_ПИК » U_MAX = U₀+U_т+,

где U₀ - постоянная составляющая входного напряжения; U_т+ - амплитуда положительного полупериода переменной составляющей входного напряжения (рис.8 а).

Если к аноду диода приложен «-» постоянной составляющей, то преобразователь закрыт.

Если к аноду  амплитудного преобразователя с  закрытым входом приложено пульсирующее напряжение, то конденсатор С заряжен постоянной составляющей U₀, а преобразователь реагирует только на переменную составляющую. Если к аноду диода приложен «+», то выходное напряжение U_ПИК » U_т+, a если «-», то U_ПИК » U_т- (рис. 8 б). Это свойство вольтметров с закрытым входом позволяет измерять отдельно значения напряжения положительного или отрицательного полупериодов и широко используется для определения симметричности амплитудной модуляции и наличия ограничения сигналов.

Амплитудные (пиковые  вольтметры характеризуются невысокой  чувствительностью (порог чувствительности » 0,1В) и широкой полосой частот (до 1 ГГц).

Аналоговый  универсальный вольтметр построен по структуре представленной на рис. 9. Он содержит канал измерения постоянного и переменного напряжения. Подключение соответствующих каналов к усилителю постоянного тока и далее к индикатору осуществляется переключателями на панели прибора.

Рис. 9. Структурная схема универсального вольтметра.

Универсальный вольтметр  имеет несколько шкал градуировки отображающих значения измеряемых напряжений. Некоторые типы современных универсальных вольтметров используются также для измерения токов.

Вольтметр средневыпрямленного  значения (рис. 10) состоит из входного делителя напряжения, широкополосного усилителя, выпрямляющего преобразователя и магнитоэлектрического индикатора. В схеме вольтметра через микроамперметр протекает постоянная составляющая выпрямленного тока, пропорциональная средневыпрямленному значению измеряемого напряжения. Шкалу индикатора вольтметра градуируют в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения.

Вольтметры средневыпрямленного значения характеризуются высокой чувствительностью (микро- и милливольты) и сравнительно узкой полосой частот измеряемых напряжений. Обе эти характеристики определяются усилителем переменного напряжения.

Рис. 10. Структурная схема вольтметра высокой чувствительности:

ДН – калиброванный  делитель напряжения; ВПР – выпрямительный преобразователь; У – широкополосный усилитель; И – индикатор.

 

Вольтметр среднеквадратического (действующего) значения также строится по структурной схеме рис. 8. В схеме подобного вольтметра используются преобразователи с квадратичной характеристикой, обеспечивающей измерение среднеквадратического значения напряжения любой формы. К таким преобразователям относятся термоэлектрические и оптронные.

Структура вольтметр  средневыпрямленного и среднеквадратического значения также может быть использована при реализации универсального вольтметра.

Универсальный вольтметр позволяет измерять постоянное напряжение от десятых долей вольта и выше. Для измерения меньших значений (от 0,5 мкВ) применяют высокочувствительные электронные вольтметры с преобразованием постоянного напряжения в переменное, которое после значительного усиления вновь преобразуется в постоянное и измеряется магнитоэлектрическим микроамперметром.

Цифровые вольтметры являются автономными устройствами, в которых значение измеряемой величины автоматически представляется в виде числа на устройстве отображения. Действие цифровых вольтметров основано на дискретизации (квантовании по уровню) и кодировании значения измеряемого напряжения. В цифровом отсчетном устройстве кодированный результат измерения преобразуется в число, выражаемое цифрами, обычно в общепринятой десятичной системе счисления. Наиболее распространены вольтметры, использующие электрические, электронные, газоразрядные и на жидких кристаллах цифровые устройства отображения с 2 - 9 цифрами (разрядами). В группу электрических устройств отображения входят световые табло, проекционные и мозаичные элементы, цифровые лампы, электролюминесцентные ячейки и жидкокристаллические индикаторы.

Конструкция цифровых вольтметров, их точность и область применения зависят от принципа, положенного в основу преобразования измеряемой напряжения в цифровой код. Основными принципами построения цифровых вольтметров является метод последовательного счета, поразрядного уравновешивания и двухтактного интегрирования.

Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра состоит из входного устройства (калиброванного делителя или усилителя напряжения), аналого-цифрового преобразователя и цифрового индикатора. Современные цифровые вольтметры также содержат дополнительные блоки: устройства запоминания и автоматического выбора пределов измерения, интерфейсные устройства, устройства фильтрации и т.д.

 

Экспериментальная часть

 

Экспериментальная часть лабораторной работы предусматривает изучение электронного вольтметра постоянного напряжения и универсального вольтметра, основных органов их управления и диапазона измеряемых величин.

Перед включением вольтметров необходимо убедиться в комплектности, исправности их измерительных кабелей, сетевых шнуров и наличии заземления приборов.

В процессе выполнения лабораторной работы необходимо следить, чтобы величины подаваемых напряжений с различных источников на вольтметры не превышали выставленных на них пределов измерения.

1. Ознакомиться по техническому описанию с характеристиками и органами управления универсального вольтметра, используемого в лабораторной работе.

2. Установить ручки, кнопки и переключатели универсального вольтметра в положения, соответствующие роду и максимальному значению измеряемого напряжения.

3. Включить вольтметр тумблером «Сеть». При этом должен зажечься индикатор сети.

4. Измерить величину постоянного напряжения гальванических элементов (не менее 10 штук). Измерить величину переменного напряжения регулируемого источника питания (не менее 10 величин). Определить значения измеренных напряжений сопоставив полученные показания на индикаторе прибора с выставленными диапазонами измерения. Осуществить статистическую обработку результатов измерений. Для этого определить среднее арифметическое , среднее квадратическое отклонение s и доверительный интервал результата измерений D, которому соответствует доверительная вероятность 0,95. Результаты занести в таблицу 1.

 

Таблица 1 –  Результаты измерений

Значения

s

D

Измеренное  постоянное напряжение, В

Измеренное  переменное напряжение, В

 

5. Выполнить пункты 1-4 для изучения электронного вольтметра постоянного напряжения, используемого в лабораторной работе.

6. Определить инструментальные погрешности вольтметров в диапазонах на которых осуществлялись измерения.