В общем вольтметры можно разделить на неэлектронные (лишенные активных элементов, таких как электронные лампы или транзисторы) и электронные. Последние делятся на аналоговые, т. е. измеряющие непрерывным способом, и цифровые. Неточность аналоговых вольтметров составляет несколько процентов, а цифровых — на два порядка меньше.

Электронный вольтметр постоянного тока характеризуется очень высоким входным сопротивлением, около 10⁷ Ом, поэтому он не нагружает измеряемую схему. Он состоит из усилителя постоянного тока и чувствительного магнитоэлектрического измерительного прибора — микроамперметра. Из многих схем достаточно широкое применение нашла схема, изображенная на рис. 13.7. Она содержит две лампы, потенциометр, включенный по мостовой схеме, и измерительный прибор, включенный между катодами обеих ламп. Измерительный прибор реагирует на разность токов обеих ламп, а его шкала прокалибрована непосредственно в вольтах.

Рис. 13.7. Схема лампового вольтметра

При отсутствии напряжения на входе прибора, когда к его входным зажимам не подключен источник постоянного напряжения, потенциометр устанавливается таким образом, чтобы стрелка измерительного прибора совпадала с нулем шкалы. Сетка одной из ламп заземлена, а измеряемое напряжение подается непосредственно на сетку второй лампы. Возникающая в результате разность токов обеих ламп пропорциональна входному, а отклонение стрелки прибора — измеряемому напряжению. Напряжение, требуемое для управления лампой, в нормальных условиях невелико, поэтому измеряемое напряжение подается на сетку лампы через делитель напряжения для того, чтобы уменьшить его до требуемого значения. Делитель напряжения снабжен переключателем, позволяющим менять коэффициент деления, т. е. диапазон измеряемых напряжений.

Да. Достаточно перед рассмотренной выше схемой использовать выпрямитель и соответствующим образом прокалибровать прибор, например в эффективных значениях. Тогда вольтметр постоянного тока пригоден и для измерения переменных напряжений.

Вольтметры с цифровым отсчетом служат прежде всего для измерения постоянного напряжения и обычно работают на принципе компенсации измеряемого напряжения с помощью эталонного напряжения. Из нескольких методов цифрового измерения напряжения самым простым является импульсно-временной метод. При использовании этого метода измерение напряжения осуществляется путем изменения его значения на определенный временной интервал, измеряемый на принципе счета импульсов. Структурная схема цифрового вольтметра, работающего на таком принципе, представлена на рис. 13.8, а.

Рис. 13.8. Цифровые измерения напряжения импульсно временным методом:

_{а — структурная схема; б — принцип действия}

Основной составляющей частью является аналого-цифровой преобразователь, называемый в этом случае преобразователем напряжение — время. Преобразователь содержит измерительный компаратор, который сравнивает измеряемое напряжение U_x с линейно нарастающим эталонным напряжением U_эт, подводимым от специального генератора. В момент равенства напряжений U_x и U_эт на выходе схемы сравнения появляется импульс сравнения. Второй импульс сравнения появляется на выходе нулевого компаратора в момент перехода напряжения U_эт через нулевой уровень. Оба импульса открывают и закрывают вентиль, через который проходят образуемые генератором эталонных импульсов сформированные соответствующим образом узкие импульсы. Интервал времени между двумя импульсами сравнения является мерой величины U_x, а последовательность импульсов свидетельствует о знаке измеряемого напряжения. Число импульсов за время отпирания вентиля подбирается так, что напряжение непосредственно считывается по показаниям счетчика на цифровом индикаторе.

Современные цифровые вольтметры обеспечивают точность измерений 0,01—0,001 %.

Осциллограф является одним из наиболее важных и самых универсальных измерительных приборов, поскольку дает возможность непосредственного наблюдения изменения напряжений и токов во времени на экране осциллографической трубки, являющейся основным элементом осциллографа.

Упрощенная схема конструкции осциллографической трубки представлена на рис. 13.9.

Рис. 13.9. Упрошенная схема конструкции осциллографической трубки

Трубка является электронно-лучевым прибором с электрической фокусировкой и отклонением электронного луча. Источником электронов служит подогревный катод К. Плотность электронного луча регулируется с помощью изменения отрицательного смещения на управляющем электроде, называемом модулятором М. Электроны достигают необходимой скорости под воздействием электрического поля анодов A₁ и А₂, имеющих положительный потенциал относительно катода: 300 — 1000 В (А₁) и 800 — 4000 В (А₂). Фокусировка электронного потока в узкий пучок осуществляется с помощью электрического поля, действующего между анодами А₁ и А₂, образующими электронную линзу.

Экран трубки, покрытый люминофором, светится под влиянием бомбардировки потоком электронов, обладающих высокой энергией. Управление электронным потоком, т. е. придание ему желательного напряжения, осуществляется с помощью двух пар взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин у₁, у₂ и x₁, х₂. При отсутствии напряжения на пластинах электронный поток распространяется по прямой и дает световое пятно в центре экрана. Если к паре пластин подводится напряжение, то между ними возникает электрическое поле, отклоняющее электронный поток в направлении пластины с положительным зарядом. При этом происходит перемещение светового пятна на экране на расстояние, пропорциональное подведенному напряжению.

Напряжение, подводимое к пластинам x₁, х₂, вызывает перемещение светового пятна по горизонтали, а напряжение, подводимое к пластинам у₁, у₂ — по вертикали. Если на пластины подать переменное напряжение с частотой более 15–20 Гц, то на экране наблюдается линия, в которую сливаются отдельные положения светового пятна.

Изображение исследуемого напряжения на экране осциллографа возникает благодаря подаче на отклоняющие пластины осциллографической трубки двух напряжений. На горизонтальные отклоняющие пластины подается пилообразное напряжение — временная развертка. Период пилообразного напряжения состоит из рабочего периода, в течение которого напряжение меняется по линейному закону и вызывает равномерное перемещение электронного луча по экрану в горизонтальном направлении, а также времени возврата (обратного хода луча), за которое напряжение быстро возвращается к начальному значению. Напряжение, которое должно наблюдаться, подается на вертикальные отклоняющие пластины. Это напряжение отклоняет электронный луч вверх или вниз, причем отклонение луча пропорционально мгновенному значению исследуемого напряжения. Таким образом, в результате одновременного отклонения электронного луча в обоих направлениях следующие друг за другом мгновенные значения исследуемого напряжения откладываются по вертикали, начиная от левого края экрана, т. е. возникает изображение, по форме соответствующее данному напряжению.