Измеряемое переменное напряжение Ux подводят ко входному устройству, выполняющему те же функции, что и аналогичный блок осциллографа: обеспечивающему высокое входное сопротивление и позволяющему изменять коэффициент передачи для выбора диапазона измерений. Ко входному устройству подводят и образцовое напряжение, необходимое для калибровки прибора, встроенного калибровочного генератора G. Иногда вольтметры калибруют от внешнего калибровочного генератора. Большая часть преобразователей переменного напряжения в постоянное работает при входных напряжениях не менее десятых долей вольта, поэтому входное напряжение приходится усиливать усилителем переменного напряжения. Его структура зависит от требуемого усиления.

Если измеряемое напряжение составляет 0,1...1 мВ, то применяют многокаскадные транзисторные усилители с глубокой обратной связью. Полоса пропускания таких усилителей составляет до 30...100 МГц при равномерности АЧХ в пределах полосы.не более 1...3 %. Такие приборы называют милливольтметрами.

Для повышения чувствительности прибора необходимо увеличивать коэффициент усиления широкополосного усилителя, что приводит к ухудшению отношения сигнал-шум на входе преобразователя переменного напряжения в постоянное, поскольку преобразователи являются нелинейными элементами. При малых отношениях сигнал подавляется шумом. Фильтрация сигнала на выходе преобразователя становится неэффективной, и приходится уменьшать полосу пропускания усилителя. Чувствительность можно значительно повысить (до долей микровольта), применив узкополосные избирательные усилители. Настраиваемые на частоту сигнала. Такие усилители выполняют по схеме супергетеродинного приемника, иногда прибегая к двойному или тройному преобразованию частоты. В современных приборах поиск частоты сигнала и настройка на нее выполняется автоматически. Приборы с избирательными усилителями называют селективными микровольтметрами.

Усиленное выходное напряжение попадает на преобразователь переменного напряжения в постоянное. Это нелинейное устройство, схема которого обеспечивает на выходе постоянное напряжение, пропорциональное амплитудному, средневыпрямленному или среднеквадратическому значению. Различные типы преобразователей будут рассмотрены далее.

Выходное напряжение преобразователя, как правило, приходится усиливать с помощью УПТ. В аналоговых вольтметрах обычно используется измерительный прибор V магнитоэлектрического типа. Цифровые вольтметры содержат АЦП и цифровое отсчетное устройство. Различные методы построения АЦП будут также описаны далее.

"и

у/л У Л УЖ.

Рис. 11.3

Структурная схема вольтметров постоянного напряжения подобна рассмотренной, но в ней отсутствуют усилитель переменного напряжения и преобразователь. Поэтому при измерении малых напряжений функции усиления сигнала выполняет УПТ, необходимый коэффициент усиления которого зависит от чувствительности прибора. Из-за значительного дрейфа нуля транзисторные усилители с непосредственными связями применяют редко, и усилители с промежуточным преобразованием постоянного напряжения строят по схеме модуляция-усиление-демодуляция (МДМ).

Усилители с промежуточным преобразованием. Упрощенная схема усилителя типа МДМ показана на рис. 11.3, а. Входное напряжение Ux поступает на вход модулятора UB, управляемого периодической последовательностью прямоугольных импульсов с генератора G (рис. 11.3ц б). Импульсы «м с выхода модулятора усиливаются усилителем переменного напряжения. Демодулятор UR, построенный по схеме синхронного детектора, выделяет усиленные импульсы Иу, а с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ) восстанавливают постоянное напряжение «ф.

В таком усилителе из-за наличия разделительных емкостей не проявляется дрейф нуля, который определяется модулятором, а не свойствами усилителя. Модулятор строят на основе вибропреобразователя, контакты 5Л/ и SA2 которого замыкаются поочередно (рис. 11.3, в). В современных усилителях применяют модулятор на малошумящих полевых транзисторах, к затворам которых подводят противофазные напряжения в форме меандра (рис. 11.3, г). Дрейф нуля усилителя может составлять 0,01... ...10 мкВ/ч, а температурная составляющая дрейфа лежит в пределах 0,01...10 мкВ/°С. Полоса пропускания усилителя определяется главным образом полосой ФНЧ и может составлять доли герца.

i 5ид при Ид>0, ~\ О при Ид<:;: о,

где i и Ид - ток и напряжение диода; S - крутизна. Для нормальной работы детектора необходимо выполнить условия RhRo.

Рис. 11.4

Используемые в измерительной технике преобразователи пикового (амплитудного) значения представляют собой диодные детекторы, работаюидие в режиме больших сигналов. Подобные детекторы широко применяют в радиоаппаратуре различного назначения, в том числе и в радиоприемных устройствах.

Схемы детекторов. Суидествуют два основных типа диодных детекторов: последовательный (рис. 11.4, а) и параллельный (рис. 11.4,6), называемые детекторами с открытым и закрытым входами. В диодных детекторах при малых сигналах детектирование квадратичное, а при больших - линейное. Постепенный переход от квадратичного режима к линейному происходит при напряжениях 0,2...1 В. Квадратичный режим редко применяют в вольтметрах, но он широко распространен в технике измерений на СВЧ.

Детекторы с открытым входом реагируют не только на переменную, но и на постоянную составляющие исследуемого напряжения, так как постоянное напряжение «t положительной полярности через открытый диод попадает на нагрузочное сопротивление Rh. Такие детекторы неудобны при измерениях переменного напряжения, и поэтому их применение ограничено.

В вольтметрах переменного напряжения применяют преимущественно детекторы с закрытым входом, реагирующие только на переменную составляющую напряжения.

Будем считать, что вольт-амперная характеристика диода имеет кусочно-линейный вид: