ELEKTRONICKÉ ANALOGOVÉ VOLTMETRY Elektronický voltmetr patří k základním měřícím přístrojům používaných při měření. K zobrazení měřeného napětí může být použit ručkový přístroj (nejčastěji magnetoelektrický) nebo číslicový zobrazovač. Tato kapitola je věnována analogovým měřícím přístrojům. Ručkovému přístroji tedy předřadíme elektronický obvod. Proč toto děláme, když víme, že přidáním dalšího obvodu (byť jen jediné součástky) se sníží spolehlivost celého systému a tím i chyba měření. Navíc budeme potřebovat napájecí zdroj pro elektronické obvody a tím se samozřejmě zvýší i cena celého přístroje. Vše musí vyvážit a převážit výhody. Elektronický obvod uděluje voltmetru především tyto vlastnosti. • malý odběr energie z měřeného obvodu (tj. velkou vstupní impedanci - až stovky M Ω a malou vstupní kapacitu). • velkou citlivost (umožňují měřit i µ V) • široký frekvenční rozsah (u střídavých voltmetrů) Elektronické voltmetry mají však i některé nevýhody • nutnost vnějšího napájecího zdroje • větší chyba měření • menší otřesuvzdornost Elektronické voltmetry můžeme dále rozdělit podle druhu měřeného napětí na stejnosměrné, střídavé, impulsové atd. Střídavé voltmetry bývají konstruovány pro určitou kmitočtovou oblast a podle toho je dělíme • nízkofrekvenční • videofrekvenční • vysokofrekvenční Voltmetry, které měří v široké kmitočtové oblasti se označují jako širokopásmové. Opakem jsou voltmetry úzkopásmové - selektivní. Voltmetry se liší svou citlivosti a podle toho je dělíme na • kilovoltmetry, voltmetry, milivoltmetry, mikrovoltmetry, nanovoltmetry Voltmetry, které měřenou hodnotu zaznamenávají se nazývají záznamové (zapisovací, registrační), mnohem běžnější jsou však voltmetry ukazovací, které měřenou hodnotu napětí jen ukazují (indikují).
STEJNOSMĚRNÉ ELEKTRONICKÉ VOLTMETRY Klasické (neelektronické) stejnosměrné voltmetry mají malý vnitřní odpor a malou citlivost. Elektronické stejnosměrné voltmetry mají v tomto směru mnohem lepší vlastnosti díky vlastnostem elektronických zesilovacích součástek. Princip elektronického stejnosměrného voltmetru vyplývá z blokového zapojení - viz. obr 1.
Obr. 1 Princip stejnosměrného elektronického voltmetru ss U
V
SS ZES
VD
VD ............................................ SS ZES ....................................... V ...............................................
vstupní dělič stejnosměrný zesilovač analogový měřící přístroj (voltmetr)
Tak jako v celé elektronice, procházely i elektronické analogové voltmetry postupným vývojem, daným vývojem součástkové základny. Nebudeme se zde již zmiňovat o stejnosměrných voltmetrech osazených elektronkami, ale ukážeme si některé zapojení s tranzistory a operačními zesilovači.
Stejnosměrné elektronické analogové voltmetry s tranzistory Aby se dosáhlo dobré stálosti, mívají jednoduché stejnosměrné analogové voltmetry zpravidla zapojení souměrného můstku; dvě ramena můstku tvoří elektronické zesilovací součástky stejného typu, další dvě ramena tvoří rezistory.
Obr. 2. Zapojení jednoduchého stejnosměrného elektronického voltmetru
+UCC R3
R1
T
Ux R2
R5
+
mA R4
RE
RS
R6 -
Vstupní odpor je v rozmezí 10 - 100 k Ω /V
Obr. 3. Můstkové zapojení stejnosměrného elektronického voltmetru
RC
+UCC
R1
R3 T1
+
T2 R5 mA
UX
R2
RE1
RE2
R4 -
-
Zapojení na obr. 3 umožňuje kompenzaci kolísání napájecího napětí. Aby se zamezilo nepříznivému vlivu teploty, prováděl se přísný výběr aktivních prvků v můstku a jejich zapojení blízko sebe tak, aby teploty obou prvků byly stejné. Postupným vývojem byly dva tranzistory nahrazovány dvojicí v jednom pouzdru a integrovanými obvody. Měřící přístroj měří v podstatě stupeň rozváženosti můstku, který je tvořen tranzistory T1 a T2, potenciometrem RC a rezistory RE1 a RE2. Potenciometrem RC se nastavuje „nula“ měřícího přístroje, RS slouží k nastavení citlivosti měřícího přístroje. Změna rozsahu se provádí nejčastěji děličem napětí s konstantním vstupním nebo s konstantním výstupním odporem - viz obr. 4 a, b.
Obr. 4 a) Dělič s konstantním výstupním odporem
Rp +
+UCC R1
UX
T R2
-
RC
RE
-
Dělič napětí s konstantním výstupním odporem se používá v jednoduchých elektronických stejnosměrných voltmetrech. Vstupní odpor se mění a výstupní odpor zůstává stejný. b) Dělič s konstantním vstupním odporem
+
T1
T2
P RS
UX D1
D2 C -
Dělič s konstantním vstupním odporem se používá tam, kde je vstupní impedance do vlastního přístroje větší než impedance děliče. Nejdříve se ve voltmetrech používaly tranzistory bipolární (obr. 4a), většího vstupního odporu však dosahují voltmetry osazené tranzistory řízenými elektrickým polem (obr. 4b). Tranzistory MOS jsou značně náchylné k průrazu izolační vrstvy mezi hradlem a kanálem a musí se proti takovému poškození chránit. U méně citlivých tranzistorů se používá doutnavka, u citlivějších dvě křemíkové diody v antiparalelním zapojení, případně dva křemíkové tranzistory. Stejnosměrné analogové voltmetry mohou být současně osazeny bipolárními tranzistory i tranzistory řízenými elektrickým polem. Tranzistor řízený elektrickým polem zajistí velký vstupní odpor, bipolární tranzistory dostatečně velkou citlivost. Pro měření stejnosměrných napětí 300 V až 30 kV se na vstup voltmetru připojuje vysokonapěťová sonda. Sondu tvoří obvykle odporový dělič se vstupním odporem řádu G Ω , umístěný v trubkovém pouzdře bezpečnostního provedení. S vlastním voltmetrem je sonda spojena stíněným kabelem. Napěťový přenos dělič bývá 10-3 nebo 10-4. Rezistory s velkým odporem mají menší časovou stálost než rezistory s malým odporem, a proto vysokonapěťová sonda vnáší do měření větší chybu, než má samotný voltmetr.
Stejnosměrné elektronické milivoltmetry U stejnosměrných analogových elektronických voltmetrů zmiňovaných v předcházející části se zpravidla nedá dosáhnout lepší citlivosti než několik desetin voltu na plnou výchylku ručky měřidla. V citlivějších měřidlech se musí měřené napětí zesílit. Stejnosměrné analogové milivoltmetry vyžadují napěťové zesílení řádově 1000. K realizaci milivoltmetrů jsou vhodné integrované operační zesilovače.
Pokud se žádá kromě dobré citlivosti u milivoltmetrů i velký vstupní odpor, musí mít operační zesilovače na vstupu tranzistory řízené elektrickým polem (obr.5). V současné době mají operační zesilovače takový vstupní obvod již zabudován ve společném pouzdru. Tyto operační zesilovače mají poněkud horší stálost nuly, dá se však s nimi sestrojit stejnosměrný analogový milivoltmetr se vstupní odporem i větším než 1 T Ω (s tzv. elektrometrickým vstupem). Napěťová nesymetrie na vstupu se vyvažuje v emitorovém obvodu tranzistorů řízených elektrickým polem. Vstupní odpor lze zvětšit také zápornou zpětnou vazbu. Obr. 5 Operační zesilovač s tranzistory řízenými polem na vstupu
+ Ucc
1k2
3k9 MAA502 +
-
3k3
KF 520
4k7 5k6
KC508 KC508 2k7 - Ucc
Stejnosměrné elektronické mikrovoltmetry Stejnosměrné analogové mikrovoltmetry používají k zesilovaní měřeného napětí modulační techniky, neboť nestálost nuly (drift) u stejnosměrných zesilovačů by porušovala správnost údaje, popř. by měření zcela znemožnila. Stejnosměrné elektronické voltmetry s modulátorem jsou založeny na principu přeměny stejnosměrného napětí na střídavé napětí. Principiální zapojení je na obr. 6. Měřené napětí UX se přivádí na modulátor M přes vstupní obvod VO (dělič napětí, filtr), ve kterém dojde k přeměně stejnosměrného napětí na střídavé. Střídavé napětí se zesílí ve střídavém nízkofrekvenčním zesilovači Z a usměrní se v detektoru D. Usměrňovač se řídí signálem z
téhož zdroje, který dodává střídavý signál do modulátoru. Výsledné napětí je změřeno stejnosměrným voltmetrem a je úměrné měřenému stejnosměrnému napětí. Obr. 6 Princip zapojení stejnosměrného elektronického voltmetru s modulátorem
MP
UX
VO
M
Z
D
O VO - vstupní obvod zesilovač D - detektor měřící přístroj
M - modulátor
Z - střídavý
O - oscilátor
MP-
Vlastnosti stejnosměrných mikrovoltmetrů tohoto principu závisí hlavně na vlastnostech použitých modulátorů. Modulátorů pro tento účel je mnoho druhů. Mezi nejrozšířenější patří nesponě spínací modulátory - obr. 7. Funkci spínače mohou zastávat mechanické kontakty nebo spínací elektronické součástky. Obr.7 Základní druhy nízkofrekvenčních modulátorů a) b) = vstup 1 = vstup
~ výstup
~výstup
= vstup 2
modulační signál
c) d)
modulační signál
= vstup ~ výstup
~ výstup
= vstup
modulační signál
modulační signál
e) f)
= vstup
~ výstup
= vstup
modulační signál
~ výstup
modulační signál
g) h)
= vstup
~ výstup
= vstup
modulační signál
a) kontaktový modulátor s jedním vstupem b) kontaktový modulátor se dvěma vstupy c) kontaktový modulátor s transformátorovou vazbou d) paralelní modulátor s tranzistorem řízeným polem e) sériově paralelní modulátor se dvěma tranzistory řízenými polem f) modulátor s fotorezistorem g) modulátor s dynamickým kondenzátorem
~ výstup
modulační signál
h) modulátor s varikapy (modulační signál je střídavý řídící signál Kontaktové modulátory jsou řešeny jako vibrační s elektromagnetickým ovládáním kontaktu, který v rytmu budícího střídavého signálu periodicky spíná a rozpíná, popř. přepíná. Vstupní stejnosměrné napětí se tak nejdříve přemění na tepavé napětí obdélníkového průběhu, jehož stejnosměrná složka se odstraní kondenzátorovou nebo transformátorovou vazbou. Vstup je upraven pro jedno nebo dvě napětí, jejichž rozdíl se má zesilovat. Kvalitní kontaktové modulátory mají tyto vlastnosti: mezi výhody patří • velmi malá rušivá napětí • minimální odpor v sepnutém stavu • maximální odpor v rozepnutém stavu nevýhody • malá životnost • nízký pracovní kmitočet (nejvýše 100 Hz, velmi často však jen 50 Hz) Vstupní odpor kontaktového modulátoru závisí na odporu, kterým je modulátor zatížen - může být až 1G Ω . Při použití vzestupného vazebního transformátoru je však značně menší (např. 1 k Ω ). Spínací modulátory mohou být i bezkontaktové. Funkci spínače v nich přebírají elektronické spínací součástky. mezi výhody patří • větší životnost (oproti kontaktovým) • schopnost pracovat na vyšších kmitočtech nevýhody • horší stálost • vyšší úroveň rušivých napětí Nejlepších vlastností na místě spínače dosahují tranzistory řízené elektrickým polem (MOSFET nebo JFET). Mívají zapojení paralelní (obr. 7d) nebo sériové (obr. 7e). Používají se však i bezkontaktové modulátory diodové nebo s bipolárními tranzistory. Zvláštní skupinou jsou modulátory s fotorezistorem (obr. 7f). Odpor fotoelektrického prvku se periodicky mění vlivem přerušovaného osvětlování. Na výstupu takovéhoto modulátoru je pak střídavé napětí, jehož amplituda je úměrná vstupnímu stejnosměrnému napětí. Tento druh modulátoru má mimo dobré životnosti, stálosti a velkého vstupního odporu i další výhodu, kterou je úplné elektrické oddělení obvodu pomocného střídavého signálu od kanálu vstup výstup. Dalším typem modulátorů jsou kapacitní modulátory (obr. 7g). Používá se speciální konstrukce kondenzátorů elektrodynamicky ovládaných. Kapacita těchto kondenzátorů se mění periodicky v rytmu ovládacího střídavého signálu. Lepším typem kapacitních modulátorů jsou elektronické kapacitní modulátory založené na použití varikapů (kapacitních diod). Modulátor tvoří můstek sestavený ze dvou rezistorů a dvou varikapů (obr. 7h). Při nulovém stejnosměrném napětí na vstupu je můstek vyvážen, na výstupu je nulové napětí. Měřené stejnosměrné napětí přivedené na vstup způsobí rozvážení můstku - změnu kapacity varikapů, přičemž kapacita jednoho varikapu se zvětší a druhého zmenší. Tím se můstek rozváží a na výstupu se objeví střídavé napětí, které je úměrné vstupnímu stejnosměrnému napětí. předností kapacitních modulátorů je velký vstupní odpor. Aby se u mikrovoltmetrů dosáhlo dobré stálosti, přesnosti a linearity, zavádí se v nich silná záporná zpětná vazba(obr.8).
Obr. 8 Blokové schéma stejnosměrného analogového milivoltmetru modulačního typu s celkovou zápornou zpětnou vazbou
nf modulátor
zeslabovač
~ zesilovač
řízený usměrňovač
= zesilovač
=měřící přístroj
dělič
zdroj ~ signálu
Výstupní napětí se vede přes přesný odporový dělič na vstup nf modulátoru tak, že výstupní napětí modulátoru je dáno rozdílem měřeného napětí a zpětnovazebního napětí. Dílčí měřící rozsahy se mění přepínáním děliče. Současně s ním se pomocí zeslabovače mění i zesílení střídavého zesilovače, aby se zajistila dobrá stabilita a dynamika. Nulování se u takových přístrojů provádí nastavením pomocného stejnosměrného napětí zavedeného na vstup. K realizaci stejnosměrných milivoltmetrů a mikrovoltmetrů jsou rovněž vhodné operační zesilovače s automatickým nulováním (obr. 9). Jsou vlastně kombinací rozdílového přímo vázaného stejnosměrného zesilovače a stejnosměrného zesilovače modulačního typu. Obr. 9 Blokové schéma automaticky nulovaného operačního zesilovače +
nf modulátor
~ zesilovač
rozdílový = zesilovač
řízený usměrňovač
zdroj ~ signálu
STŘÍDAVÉ ANALOGOVÉ VOLTMETRY Klasické měřící přístroje můžeme používat pro měření střídavých veličin s danou přesností jen do určitého kmitočtu. Dále je jejich použitelnost omezena i malou citlivostí a vstupní impedancí. Přidáme-li k přístroji magnetoelektrické soustavy elektronickou část, která zpracuje měřené střídavé napětí tak, aby měřenou hodnotu mohl ukazovat ručkový přístroj, dosáhneme výrazně lepších vlastností, což je podstata elektronických střídavých voltmetrů. Střídavý analogový elektronický voltmetr vznikne spojením usměrňovače (detektoru), elektronického zesilovače a magnetoelektrického měřidla (obr. 10).
Obr. 10
Střídavý elektronický voltmetr
a) usměrňovač - zesilovač
UX= MP UX
D
Z - stejnosměrný zesilovač D - detektor MP- měřící přístroj
Z
Střídavé elektronické voltmetry zesilovač - usměrňovač b) Zesilovač - usměrňovač
MP UX
Z
D D
Z - střídavý zesilovač D - detektor MP- měřící přístroj
Střídavé elektronické voltmetry usměrňovač - zesilovač se často označují jako diodové voltmetry, neboť mají na vstupu diodu a sám voltmetr je stejnosměrný. Citlivost takového střídavého elektronického voltmetru je dána citlivostí stejnosměrné části, která bývá u jednoduchých voltmetrů 1 V efektivní hodnoty napětí (při sinusovém průběhu napětí) na plnou výchylku ručky na nejcitlivějším rozsahu. Kmitočtové vlastnosti celého střídavého elektronického voltmetru závisejí na provedení měřícího usměrňovače, tzn. jeho zapojení (paralelní nebo sériové - obr. 11) na druhu usměrňovacího prvku a na konstrukčním uspořádání. Abychom dosáhli co možná nejvyššího mezního kmitočtu vysokofrekvenčních voltmetrů bývá, měřící usměrňovač často umístěn v sondě, která je se stejnosměrnou částí spojena stíněným kabelem. Měřící usměrňovače ve vysokofrekvenčních voltmetrech jsou diodové, převážně s polovodičovou diodou jako usměrňovacín prvkem. Germaniové diody jsou vhodné pro měření (usměrňování ) malých napětí, jsou však poměrně choulostivé. Odolnější jsou křemíkové diody.
Obr. 11 - Měřící usměrňovače vysokofrekvenčních voltmetrů a) paralelní zapojení zapojení
b)
sériové
C
D
R
D
C
C
R
Voltmetrem s paralelním usměrňovačem lze měřit střídavé napětí, i když je superponována stejnosměrná složka. Při měření střídavých napětí voltmetrem se sériovým usměrňovačen se na vstup usměrňovače nesmí přivádět napětí se stejnosměrnou složkou. Při stejných hodnotách pracovních odporů má sériový usměrňovač větší vstupní odpor než paralelní usměrňovač. Kmitočtové vlastnosti jsou rovněž poněkud lepší u sériových usměrňovačů, protože se dají vyřešit s menší vstupní kapacitou a s menší indukčností přívodů. Paralelní usměrňovače (konstrukčně řešené jako hrotová sonda) slouží dobře do kmitočtu 200 až 300 MHz, sériové usměrňovače ve tvaru průchozí koaxiální sondy se dají použít na kmitočtech až do 2 GHz (obr. 12). Obr. 12 Nástin konstrukčního řešení sond vysokofrekvenčních voltmetrů a) hrotová sonda s paralelním usměrňovačem C1
R
C2
D
b) průchozí koaxiální sonda se sériovým usměrňovačem
D R
Kmitočtovou závislost vysokofrekvenčního voltmetru působí jeho měřící usměrňovač. Na kmitočtu měřeného napětí závisí chyba voltmetru i jeho vstupní odpor (obr.14). Vstupní kapacita je až několik pikofaradů. Zmíněné vlastnosti závisejí i na velikosti měřeného napětí. Napěťový přenos detekce klesá i s klesající amplitudou měřeného napětí Um . Závislost usměrněného napětí na amplitudě měřeného napětí je pro Um > 1 V téměř lineární, pro Um < 30 mV je přibližně kvadratická. Při měření vysokých vysokofrekvenčních napětí se k sondě připojuje před měřící usměrňovač kapacitní dělič napětí s konstantním dělícím poměrem. Obr.14 Kmitočtová závislost a) chyby vstupního odporu měřícího usměrňovače s
b) polovodičovou diodou
δ
Rvst
Um=10 V 1V
Um=10 V 0 f
0,01 až 0,1 V 0,01 až 0,1 V
0 f
Malá účinnost usměrňování malých střídavých napětí způsobuje, že usměrněné napětí je velmi malé (např. z měřeného střídavého napětí s amplitudou 1 mV vytvoří usměrňovač stejnosměrné napětí 20 µ V). Tak malé napětí se musí měřit mikrovoltmetrem modulačního typu. Tímto způsobem jsou řešeny vysokofrekvenční milivoltmetry dosahující citlivosti až 1 mV na plnou výchylku ručky. Jejich nevýhodou je individuální průběh stupnice pro jednotlivé měřící rozsahy. S jedinou lineární stupnicí vystačila před časem firma Hewlett - Packard u svého vysokofrekvenčního voltmetru (obr. 15). Toho se dosáhlo zvláštní úpravou. Vysokofrekvenční sonda obsahuje dva měřící usměrňovače se shodnými diodami. Jeden usměrňuje měřené napětí, druhý porovnávací napětí s kmitočtem 100 kHz. Rozdíl výstupních napětí obou usměrňovačů se zasiluje v stejnosměrném zesilovači. Zesíleným napětím se řídí amplituda střídavého napětí 100 kHz generovaného oscilátorem. Toto střídavé napětí se vede přes přepínatelný dělič napětí na vstup druhého měřícího usměrňovače v sondě a současně se usměrňuje ve třetím měřícím usměrňovači a měří se stejnosměrným měřidlem ( citlivost 10 mV na plnou výchylku, lineární stupnice). Podobný princip je využit např. u milivoltmetru TESLA BM 495, který má kmitočtový rozsah 20 kHz až 500 MHz. Obr. 15 Blokové schéma vysokofrekvenčního milivoltmetru s porovnáváním měřeného napětí s pomocným napětím
sonda UX
měřící usměrňovač 1 = rozdílový zesilovač měřící usměrňovač 2 oscilátor
= měřící přístroj
měřící usměrňovač 3
přepínací dělič napětí
Vzorkovací vysokofrekvenční milivoltmetr Tento princip měření malého vysokofrekvenčního napětí spočívá v tom, že se nejprve z měřeného napětí odebírají kratičké vzorky a jejich měřením se získává informace o velikosti o hodnotě původního napětí. Uspořádání takového vysokofrekvenčního voltmetru je poměrně složité, což ukazuje blokové schéma (obr. 16). Měřené napětí se nejprve vede do vzorkovací sondy. Kmitočet vzorkovacích impulsů se mění mezi 10 až 20 kHz pomocí kmitočtové modulace signálem trojúhelníkového průběhu s kmitočtem 10 Hz. Velikost impulsů U1 odpovídá hodnotám měřeného napětí UX v okamžicích vzorkování. Vzorky pak procházejí přepínatelným zeslabovačem a po zesílení se v paměťovém obvodu rozšiřují, tvarují a oddělují mezerami délky 2 µ s. Napětí U2 se detektorem usměrňuje, vhodným nelineárním členem se linearizuje stupnice stejnosměrného voltmetru, který pak udává hodnotu měřeného napětí. Dosahuje se citlivosti 1 mV na plnou výchylku ručky, kmitočtového rozsahu od 10 kHz do 1,2 GHz, vstupní odpor na 100 kHz je 100 k Ω a vstupní kapacita 2 pF. Chyba přístroje je okolo 5%. Obr. 16. Vzorkovací vysokofrekvenční milivoltmetr a) blokové schéma generátor impulsů
UX
vzorkovací U1 sonda
řízený oscilátor
přepínací zeslabovač
zdroj trojúhelníkového napětí
zesilovač
paměť vzorků
U2 = voltmetr
b) průběhy napětí
nelineární člen
detektor a filtr
U
X
t
U
1
t
U
2
t
Milivoltmetry se širokopásmovým zesilovačem V mnoha střídavých milivoltmetrech se měřené napětí před usměrněním nejdříve zesiluje (obr. 17). Na vlastnostech zabudovaného zesilovače pak závisí jejich citlivost a kmitočtový rozsah. Dolní mezní kmitočet těchto milivoltmetrů bývá 1 až 20 Hz, horní mezní kmitočet bývá 200 kHz až 300 MHz. Na nejcitlivějším rozsahu mají citlivost 0,1 až 10 mV na plnou výchylku ručky, chyba přístroje se pohybuje mezi 1 až 3 %. Obr. 17 Blokové schéma střídavého milivoltmetru s širokopásmovým zesilovačem
přepínací zeslabovač
širokopásmový zesilovač
měřící usměrňovač
= měřicí řístroj
Měřící rozsahy se mění přepínáním zeslabovače na vstupu zesilovače. Zeslabovač je řešen jako odporový dělič. Má-li mít velký vstupní odpor, musí se vykompenzovat kapacitami, aby se dosáhlo napěťového přenosu nezávislého na kmitočtu (obr. 18). Pokud má dělič malý vstupní odpor, není kmitočtová kompenzace zpravidla nutná. Pro dosažení velkého vstupního odporu se však před dělič s malým vstupní odporem zařazuje zesilovací stupeň s dostatečně velkým odporem, např. emitorový sledovač s tranzistorem řízeným elektrickým polem. Obr. 18 Dělič s velkým odporem kompenzovaným kapacitami
R1
C1
R2
C2
U1 U2
Platí-li R1C1 = R2C2 pak napěťový přenos děliče
U2/U1 = R2/(R1 + R2) Někdy se oba způsoby přepínání měřících rozsahů kombinují. Vstupní dělič s velkým odporem, kompenzovaný kapacitami, slouží k zeslabení velkého měřeného napětí, dělič s malým odporem slouží k jemnějšímu odstupňování měřících rozsahů. Měřící usměrňovače v širokopásmových milivoltmetrech bývají nejčastěji diodové. Podle zapojení dávají stejnosměrný signál úměrný střední absolutní hodnotě, vrcholové příp. mezivrcholové hodnotě nebo efektivní hodnotě měřeného střídavého napětí. Má-li měřené napětí ux(t) periodu T, je jeho střední absolutní hodnota (aritmetická střední hodnota) T
1 u x (t ) dt Usa = T 0 Vrcholovou (špičkovou) hodnotu se daného střídavého napětí rozumí buď kladná špička
∫
Ušpk = max [ux(t)] nebo záporná špička
Ušpz = - min [ux(t)] Efektivní hodnota je definována výrazem
Uef =
1 T
T
∫ [u 0
( t )] dt 2
X
Usměrňovače dávající signál přímo úměrný střední absolutní hodnotě vstupního střídavého napětí mají můstkové zapojení se čtyřmi nebo dvěma diodami. Vyžadují dostatečnou úroveň vstupního napětí (obr. 19) Obr. 19 Usměrňovače pro měření střední absolutní hodnoty střídavého napětí
Má-li se získat stejnosměrné napětí úměrné mezivrcholové hodnotě (špička - špička) střídavého napětí, použije se usměrňovač se dvěma diodami a kondenzátory (obr. 20). Je třeba upozornit na to, že střídavé voltmetry bývají kalibrovány v efektivní hodnotě( ať obsahují usměrňovač reagující na střední absolutní hodnotu, vrcholovou hodnotu, či mezivrcholovou hodnotu). Tato kalibrace však platí pouze při měření harmonických průběhů napětí. Měříme-li neharmonické napětí, použijeme jako usměrňovač termoelektrický měnič, který vyvozuje signál úměrný efektivní hodnotě (nevýhodou je však malá přetížitelnost) nebo je vhodné použít usměrnění ve třídě A v oblasti kvadratického průběhu charakteristiky. Správná funkce takového usměrňovače je vázána na stálost charakteristiky (ovlivněna hlavně změnou teploty). Stálejší vlastnosti mají usměrňovače, u nichž je potřebná kvadratická charakteristika nahrazena lomenou čarou, čehož se dá dosáhnout pomocí několika diod a rezistorů (obr. 21). Obr. 20 Usměrňovače pro měření mezivrcholové hodnoty střídavého napětí
Obr. 21 Usměrňovač pro měření efektivní hodnoty neharmonického napětí
Příklad zapojení širokopásmového milivoltmetru může být poměrně jednoduché (obr. 22). Má citlivost 3 mV na plnou výchylku ručky a pracuje v kmitočtové oblasti 20 Hz až 1 MHz. Dobrou stálost citlivosti zajišťuje silná záporná zpětná vazba. Továrně vyráběným širokopásmovým milivoltmetrem je tranzistorový přístroj TESLA BM 494. Obr. 22 Jednoduchý střídavý milivoltmetr 3k3
3k3 22 9V
1M
22k
10k
M1
KF 520
10M
50M
2 x GA 201
MAA 145 2M
2k2
ux 2 x KA 506
2k2 10k 220
25 µA
10k
47
Selektivní mikrovoltmetry Měříme-li velmi malá střídavá napětí, musíme je před usměrněním značně zesílit. Zesilovač má však vlastní šum, jehož úroveň je úměrná šířce zesilovaného kmitočtového pásma. Šumové napětí musí být s porovnáním s měřeným napětím dostatečně malé. Z tohoto důvodu musí zesilovač pracovat jen v úzkém kmitočtovém pásmu. Střídavé mikrovoltmetry jsou tedy selektivní. Selektivní voltmetr můžeme s výhodou použít i tam, kde potřebujeme měřit napětí určitého kmitočtu obsaženého ve směsi napětí jiných kmitočtů. Nízkofrekvenční selektivní mikrovoltmetry bývají založeny na využití laditelného úzkopásmového zesilovače (obr. 23), který je tvořen širokopásmovým zesilovačem a úzkopásmovou zádrží ve smyčce záporné zpětné vazby. Selektivní nízkofrekvenční zesilovač je uveden na obr. 24. Kmitočtová charakteristika uvažovaného selektivního zesilovače je ekvivalentní kmitočtové charakteristice jednoduchého rezonančního obvodu s činitelem jakosti
Q=
1+ A 4
kde A je napěťové zesílení zesilovače
Obr. 23 Blokové schéma nízkofrekvenčního selektivního mikrovoltmetru
přepínatelný zeslabovač
selektivní laditelný zesilovač
= měřící přístroj
měřící usměrňovač
Obr. 24 Nízkofrekvenční selektivní zesilovač a) základní zapojení
b) pásmová zádrž RC typu dvojitého T R
+
-
R
C
C
2C
PÁSMOVÁ ZÁDRŽ
R/2
Citlivost těchto mikrovoltmetrů se pohybuje od několika desítek nanovoltů až po desítky mikrovoltů na plnou výchylku ručky na nejcitlivějším rozsahu. Některé přístroje mají navíc na vstupu vazební transformátor, který přispívá k velké citlivosti, avšak za cenu menšího vstupního odporu. Přesnost je v nejlepším případě 1%. Selektivní mikrovoltmetry bývají často řešeny jako heterodynní (u selektivních mikrovoltmetrů pro vysoké a velmi vysoké kmitočty) - (obr. 25). Jednodušší mikrovoltmetry tohoto typu mají jeden směšovač a oscilátor. Obr. 25 Blokové schéma heterodynního mikrovoltmetru s jedním směšováním
hrubý zaslabovač
směšovač
laditelný oscilátor
přepínatelný zeslabovač
mf zesilovač
měřící usměrňovač
= měřící přístroj
Ve směšovači se směšuje střídavé měřené napětí s napětím z oscilátoru. Kmitočet napětí oscilátoru se nastaví tak, aby se v mezifrekvenčním zesilovači zesilovala složka, jejíž kmitočet je součtem (u nízkofrekvenčních mikrovoltmetrů) nebo rozdílem (u vysokofrekvenčních mikrovoltmetrů) kmitočtu napětí oscilátoru a kmitočtu měřeného napětí. Zesílené napětí se pak usměrní a měří. Citlivost a selektivita záleží především na mezifrekvenčním zesilovači. Mikrovoltmetr se přelaďuje laděním oscilátoru. Ostré selektivity se dá dosáhnout pomocí krystalového filtru v mezifrekvenčním zesilovači. V heterodynních mikrovoltmetrech se často používá dvojího i trojího směšování. To umožňuje současně dosáhnout dobré citlivosti, selektivity i stability.
DALŠÍ DRUHY ELEKTRONICKÝCH VOLTMETRŮ Stejnosměrné i střídavé elektronické voltmetry jsou v praxi velmi rozšířené. V praxi se však můžeme setkat i s jinými druhy voltmetrů.
Impulsové voltmetry Impulsové elektronické voltmetry jsou určeny k měření impulsových napětí. Přitom může jít o impulsy videofrekvenční nebo radiofrekvenční, jejichž tvar nebo obálka jsou v ideálním případě obdélníkové. Velikost impulsového napětí je charakterizována vrcholovou hodnotou Ux (obr. 26). Cílem měření je určení této hodnoty. Potřebujeme tedy měřit špičkové napětí a z toho logicky vyplývá použít k tomuto účelu měřícího usměrňovače, který vyvozuje stejnosměrné napětí odpovídající vrcholové hodnotě měřeného impulsového napětí. Obr. 26 Průběh impulsů a) videofrekvenčních radiofrekvenčních
b)
Ux
Ux Ux t
Přivedeme-li takovéto pulsní napětí na usměrňovač (obr. 27), bude na výstupu v ustáleném stavu kolísavé napětí um , které po dobu trvání impulsu narůstá a v době mezi impulsy klesá. Obr. 27 Zpracování impulsového napětí špičkovým usměrňovačem
Ux t
a) sériový špičkový usměrňovač
D
C
ux
um
R
b) průběhy napětí u
∆U
Um
d
T
Ux
t
Během trvání impulsu se přes diodu D nabíjí kondenzátor C a mezi impulsy se vybíjí přes odpor R. Nabíjení probíhá rychle, neboť nabíjecí odpor je malý (je tvořen odporem diody v propustném směru a vnitřním odporem zdroje impulsů). Vybíjení naopak probíhá přes velký vybíjecí odpor R pomalu. Střední hodnota Um se od zjišťované vrcholové hodnoty Ux liší. o absolutní chybu ∆ U. Z uvedeného je patrné, že při měření velmi krátkých impulsů s dlouhou dobou periody může docházet ke značným chybám. Zcela obdobná je situace u paralelních špičkových usměrňovačů. Aby se dosáhlo malých chyb měření impulsových napětí, musí být vybíjecí odpor velký, tzn., musí mít velký vstupní odpor stejnosměrný voltmetr, který následuje za špičkovým usměrňovačem. Malé hodnoty nabíjecího odporu lze dosáhnout tím, že před usměrňovač předřadíme impedanční převodník s velkým vstupním odporem a malým výstupním odporem. Při vhodném uspořádání lze měřit i ojedinělé impulsy. Měření impulsových napětí může být založeno také na kompenzační metodě. Princip spočívá v automatickém kompenzování měřeného napětí stejnosměrným napětím (viz. obr 28). Na vstup zesilovače impulsů přicházejí impulsy, jejichž velikost je dána rozdílem velikosti měřených impulsů Ux a zpětnovazebního stejnosměrného napětí Um. Z těchto zesílených impulsů se pak špičkovým usměrňovačem vytvoří stejnosměrné napětí Um, které se měří stejnosměrným voltmetrem. Získané stejnosměrné napětí se od velikosti měřených impulsů liší o poměrnou chzbu, která je nepřímo úměrná napěťovému přenosu impulsového zesilovače a usměrňovače a může být dosti malá.
Obr. 28 Princip zapojení impulsového voltmetru s automatickou kompenzací
ZV + zesilovač impulsů
ux
špičkový usměrňovač
= voltmetr
Um
-
Logaritmické voltmetry V některých případech jsou u analogových voltmetrů žádoucí stupnice s logaritmickým průběhem. Abychom dosáhli tohoto průběhu stupnice, zapojuje se před měřidlo elektronický funkční měnič s logaritmickou převodní charakteristikou. Velmi rozšířené jsou logaritmické měniče využívající exponenciálního průběhu voltampérové charakteristiky polovodičových diod nebo bipolárních tranzistorů. Lepší vlastnosti dosahují logaritmické měniče s operačním zesilovačem. Zmíněnou pasivní součástkou se přitom realizuje nelineární zpětná vazba (viz. obr 29). Nevýhodou uvedených logaritmických měničů je jejich závislost na průběhu charakteristiky použité nelineární součástky ( dioda, tranzistor). Změní-li se charakteristika této součástky (vliv teploty, stárnutí), změní se i převodní charakteristika celého funkčního měniče.
Obr. 29 Logaritmické měniče s operačním zesilovačem a) tranzistorový b) diodový D
T Ck R
R _ +
Uvst
_ Rk
+ Uvýst
Uvst
Uvýst
Aproximační logaritmické měniče Odstraňují nevýhodu předchozích měničů. Mají charakteristiku ve tvaru lomené čáry, která požadovanou závislost aproximuje s dostatečnou přesností (viz. obr. 30). Obr. 30 Aproximační logaritmický měnič: a - charakteristika, b - pasivní diodový měnič Uvýst
Rv
U3
k3
Uvst
k2
U2
R1
R2
D1
D2
D3
U1
U2
U3
R3
R
k1
U1 k
Uvst
a) b)
Napětí U1 až U3 jsou kladná a odstupňovaná tak, že U1< U2< U3. Pro Uvýst U1 jsou všechny diody zavřeny a pro závislost výstupního napětí na vstupním napětí platí: Uvýst = k Uvst
k=
R Rv + R
Měřič fázorů V některých případech potřebujeme měřené harmonické napětí určit jako fázor, to znamená, že potřebujeme určit nejen jeho velikost, ale i fázový posun vzhledem k referenčnímu napětí téhož kmitočtu. K tomu slouží měřiče fázorů napětí (méně vhodně zvané vektorvoltmetry), (viz. obr. 31). Poměrná velikost měřeného napětí se vyhodnotí děličkou, poměrovým měřícím přístrojem, případně se může Ur a Ux změřit odděleně. Obr. 31 Blokové schéma měřiče fázorů
Uvýst
ux
vstupní zeslabovač
∼ zesilovač měřící usměrňovač dělička měřící usměrňovač
ur
vstupní zaslabovač
= měřicí přístroj
fázoměr
Ux/Ur
ϕx
∼ zesilovač
Přístroj uspořádaný naznačeným způsobem udává Ux,/Ur a ϕx, tj. udává hodnotu Ux v polárním tvaru. Ve vysokofrekvenčních měřičích fázorů se kmitočet vstupních napětí snižuje směšováním nebo vzorkováním.
