Электрический вольтметр постоянного тока

Электронный вольтметр с высоким входным сопротивлением можно построить на основе неинвертирующего усилителя. Измерительный прибор подключается к измерительным цепям через буферный усилитель с высоким входным сопротивлением. Поэтому входное сопротивление вольтметра определяется практически входным сопротивлением усилителя. Кроме того, поскольку измерительный прибор отделен от измерительных цепей буферным усилителем и не влияет на режим работы цепи, в которой производятся измерения, то требования к нему можно существенно снизить.

На рис 1.1. показана структурная схема аналогового электронного вольтметра, которая содержит четыре основных блока: аттенюатор, буферный усилитель, измерительный преобразователь и индикатор.

Рис.1.1. - Структурная схема аналогового электронного вольтметра

Измеряемое напряжение подается на аттенюатор, который обеспечивает приведение входного сигнала к определенному единому уровню, приемлемому для буферного усилителя. Измеряемый сигнал, преобразованный до уровня, соответствующего рабочему диапазону буферного усилителя, поступает на вход этого усилителя.

Основой аттенюатора является резистивный делитель напряжения. Так как прибор должен иметь нескольких пределов измерения, то делитель необходимо выполнить с тремя отпайками для получения соответствующих коэффициентов деления.

Поскольку делитель напряжения практически не нагружен (входное сопротивление буферного усилителя очень велико), то делитель можно выполнить на основе больших сопротивлений, что обеспечивает высокое входное сопротивление вольтметра.

Буферный усилитель, с большим входным сопротивлением, служит для согласования входных цепей вольтметра с измерительным преобразователем. Он может быть выполнен по схеме неинвертирующего усилителя.

Измерительный преобразователь предназначен для формирования интегрального (среднего или действующего) значения измеряемого сигнала. Сформированное им интегральное значение отображается индикатором. Шкала индикатора градуируется в действующих значениях сигнала. Используем среднеквадратичный измерительный преобразователь, так как в этом случае градуировка шкалы справедлива как для постоянных входных сигналов, так и для переменных входных сигналов любой формы. Обозначение типа измерительного преобразователя должно быть нанесено на шкалу прибора.

Схема электронного вольтметра, содержащего все перечисленные узлы, приведена на рис.1.2. Переключатель диапазонов измерения представляет собой делитель напряжения, построенный на резисторах R₁, R₂, R₃, и R₀. Поскольку входное сопротивление неинвертирующего операционного усилителя можно считать в данных условиях бесконечно большим, то входное сопротивление вольтметра - равным полному сопротивлению делителя напряжения. Сигнал с выхода буферного усилителя подается на вход аналогового электромеханического вольтметра, который в этом приборе является как измерительным преобразователем, так и индикатором.

Так как входное сопротивление буферного усилителя можно считать бесконечно большим, то эквивалентное входное сопротивление вольтметра можно определить так:

Принимая во внимание возможность замыкания на землю входных цепей ОУ при его повреждении, с целью ограничения входного тока вольтметра при этом целесообразно принять . Тогда сумма должна быть не менее 4МОм.

Рис.1.2. - Функциональная схема электронного вольтметра

При этих значениях параметров максимальное значение падения напряжения на выходе делителя (аттенюатора) для первого диапазона измерений:

,

где - предельное значение измеряемого напряжения первого диапазона (2В).

Максимальные значения падения напряжения на выходе делителя для всех диапазонов измерений должны быть равны:

Применяя принцип деления напряжения для соответствующих диапазонов измерений можно записать:

где и - соответственно, предельные значения измеряемого напряжения второго и третьего диапазонов (5В и 10В).

Из этих выражений определяются значения сопротивлений делителя :

В итоге можно принять: ; ; .

Учитывая, что диапазон изменения выходного напряжения наиболее распространенных ОУ при типовом значении напряжения питания ±15В должен включать в себя значения от -10В до +10В, несколько произвольно можно установить предел измерения напряжения измерительного преобразователя (стрелочного вольтметра постоянного тока) . Тогда требуемое входное сопротивление измерительного преобразователя . Отсюда определяется добавочное сопротивление измерительного преобразователя:

Коэффициент усиления буферного усилителя по напряжению должен составлять:

Для неинвертирующего усилителя . Отсюда

Учитывая то, что выходные токи большинства ОУ интегрального исполнения не должны превышать 5мА, можно принять .Тогда . Для компенсации разброса параметров элементов при настройке прибора сопротивление целесообразно выполнить в виде цепочки из последовательно соединенного постоянного и переменного резисторов. Например, .

Ток, потребляемый вольтметром постоянного тока составляет:

Так как ОУ очень мало то его значением можно пренебречь.