Elektroonne voltmeeter

Elektroonne voltmeeter on voltmeeter, mis oma ülesehituse ja tööpõhimõtte poolest on ülekaalukalt elektroonne mõõteriist.

Voltmeeter näitab pinget voltides või selle kord- ja osaühikutes (vt Ühikute detsimaaleesliited). Vastavalt nimetatakse voltmeetreid siis milli-, mikro- või nanovoltmeetriteks, pinge mõõtepiirkondade suurenemise suunas aga kilovoltmeetriteks.

Ajaloost

Voltmeetreid teostati alguses otsetoimega osutiriistadena, mille mõõtemuunduriks on magnetelektriline (pöördpool-), elektromagnetiline või elektrodünaamiline mõõtemehhanism (vt Osutiriistade mõõtemehhanismid). Mõõdetav pinge antakse sellele läbi eeltakistuse, kuigi täiendavalt võidakse kasutada ka pingejagurit.

1920. aastatel hakati mõõdetavat pinget võimendama, kasutades elektroonseid pingevõimendeid, millega sai alguse elektroonsete voltmeetrite ajastu. Oluliseks leiutiseks sai sügava negatiivse tagasiside kasutuselevõtmine mõõtealaldamise lülitustes 1930. aastatel.

Tänapäeval on kasutusel nii osutiga (skaalanäiduga) elektroonsed analoogvoltmeetrid kui ka digitaalsed (numbernäiduga) elektroonsed voltmeetrid. Üldjuhul eelistatakse numbrilist näitu, kuna seda on lihtsam lugeda. Teatud juhtudel seda aga ei saa kasutada, kuna mõõdetav pinge on ajas muutuv või näit ebastabiilne.

Analoogvoltmeetrite eeliseks on näidu ülevaatlikkus, aga samuti näidu muutuste visuaalse jälgimise võimalikkus. Puuduseks on aga numbrilise lugemi saamise tülikus ja seejuures vea tekkimise võimalus, näiteks skaalajaotuste interpreteerimisel.

Numbrinäidu iseäralikuks puuduseks on ka selle nn. hüplemine, eriti näiteks kümnendjärgu piiril, kuid ka iga numbri piiril (näiteks pinge 1,00 V mõõtmisel võivad vahelduda näidud 0,99, 1,00 ja 1,01).

Skaalad ja täpsus

Enamikul juhtudel püütakse saavutada väljundi (näidu) lineaarne sõltuvus mõõdetava pinge mõõdetava parameetri väärtusest ehk lineaarne skaala.

Teatud juhtudel tekib aga loomulikult mittelineaarse funktsiooni kaudu kirjeldatav väljundi (näidu) sõltuvus mõõdetava pinge parameetri väärtusest. Näiteks efektiivväärtuse voltmeetritel võib kasutatava mõõtemuunduri füüsikalise põhimõtte alusel tekkida ruutsõltuvus ehk ruutskaala. Sellest lineaarskaalale üleminekuks tuleb kasutada ruutjuursõltuvust realiseerivat muundurit või numbernäidu puhul vastavat arvutusalgoritmi realiseerivat arvutustehnilist vahendit (näiteks mikroprotsessorit).

Mõnedel juhtudel püütakse teatud eesmärkidel saavutada mittelineaarset, näiteks logaritmilist seost. Seda soovitakse näiteks helisignaali taseme (nivoo) puhul, kuna sama indikaatori peal soovitakse näha indikatsiooni kolme dekaadi ulatuses (umbes vahemikus 1...1000 mV ehk –60...0 dB).

Täpsus on lineaarsõltuvuste korral reeglina suhteliselt suur, ulatudes ka osutiga analoogindikaatorite korral parimatel juhtudel 0,1% suurusjärku, jäädes tüüpiliselt siiski 1% suurusjärku.

Pingemuunduritel (mõõtedetektoritel) ja numbrilise väljundiga seadmetel on täpsus mõnevõrra suurem (tüüpiliselt 0,1% suurusjärgus või veelgi parem, näiteks isegi 0,0001% 10-voldises diapasoonis helisageduste alas).

Digitaalse väljundi korral on täpsus seotud ka analoog-digitaalmuunduri väljundi järkude (bittide) arvuga. Tavaliselt võib 8-bitise väljundi korral eeldada umbes 1% täpsust, 12 biti korral umbes 0,1% täpsust ja 16 biti korral umbes 0,01% täpsust. Digitaalse indikaatori (näidiku) kümnendjärkude arv võib selle juures olla oluliselt suuremat täpsust eeldav (näiteks 3½ 1% mõõtetäpsuse korral või 6½ 0,01% mõõtetäpsuse korral).

Mittelineaarsete skaalade korral on täpsuse määratlemine keerukas. Probleemiderohke on täpsuse küsimus ka vektorvoltmeetrite puhul.

Täpsuse osas tuleb arvestada ka lisavigadega (näiteks sõltuvus ümbritseva keskkonna temperatuurist või ka mõõdetava signaali parameetritest, näiteks sagedusest või kujutegurist).

Elektroonsete voltmeetrite struktuur

Elektroonsete voltmeetrite ülesehitus on mõnevõrra erinev tavaliste voltmeetrite puhul kasutatavast. Ka muudetakse elektroonsetes voltmeetrites erinevate mõõtepiirkondade saamiseks eelistatult hoopiski mõõtevõimendite võimendustegurit või muundusosade ülekandetegurit, kuna seda saab teha madalaoomiliste pingejagurite või täppisresistoride abil.

Tüüpilised elektroonse voltmeetri koostisosad on järgmised:

• sisendpingejagur;
• sisendvõimedi;
• vahepingejagur;
• võimendi;
• pingemuundur;
• näidik (indikaator).

Sisendpingejagur

Vajalike mõõtepiirkondade kogumi saamiseks kasutatakse elektroonsetes voltmeetrites nagu ka muudes voltmeetrites ikka pingejagureid (attenuaatoreid), erijuhtudel ka induktiivpingejagureid (täppispingetransformaatoreid). Kuid neid kasutatakse kõrgeoomilisel kujul vaid voltmeetri sisendahelas.

Sisendpingejagur on vajalik kõrgevoldiliste mõõtepiirkondade (üle 10 V) saamiseks. Reeglina kasutatakse detsimaalset jagamistegurit, näiteks 1:1000 või 1:100.

Sisendvõimendi

Elektroonsete voltmeetrite sisendtakistus on madalapingelistel (alla 1 V) mõõtepiirkondadel tavaliselt megaoomide suurusjärgus, näiteks 10 MΩ, ja sisendmahtuvus on mõnekümne pF suurusjärgus. See on suures osas määratud sisendvõimendi sisendi ekvivalentsete parameetritega ja sisendahelate, peamiselt juhtmestiku mahtuvusega.

Seetõttu osutub elektroonsete voltmeetrite kasutamise korral peamiseks mõõdetava ahela suhtes parasiitse mahtuvuse allikaks tihti voltmeetri külgeühendamiseks kasutatav juhe või mõõtekaabel. Koaksiaaljuhtmetel ja varjestatud juhtmetel (kaablitel) on mahtuvus tüüpiliselt suurusjärgus 1 pF iga pikkuse cm kohta.

Juhtme ekvivalentse mahtuvuse vähendamiseks kasutatakse ekvipotentsiaalset varjestust (bootstrapping).

Kõrgsagedusvoltmeetrid on reeglina sobitatud sisendtakistusega (tavaliselt lainetakistusega 50 Ω).

Vektorvoltmeetrite puhul tuleb arvesse võtta ka ühendusjuhtmete (kaablite) pikkust, sest laine levikul nendes tekib hilistumine ja seega sagedusest sõltuv faasinihe. Näiteks sagedusel 1 MHz tekitab 1 m pikkune juhe umbes 1-kraadise faasinihke.

Vahepingejagur

Vahepingejaguri abil realiseeritakse tavaliselt vajalikud vahepealsed (dekaadisisesed) pingejagamised, näiteks pingeülekande tegurid 1:2 või 1:3,16. Kuna tegemist on madalaoomilise ahelaga, siis on see tunduvalt lihtsamini teostatav kui see oleks kõrgeoomilises sisendpingejaguris.

Võimendi

Võimendi abil realiseeritakse põhiline vajalik pingevõimendus. Võimendit võib õnnestuda realiseerida võimendusteguriga mis võib ulatuda kuni 1000-ni. Praktikas õnnestub seda teostada sagedusteni kuni 100 MHz.

Pingemuundur

Pingemuundur on vajalik vahelduvpinge muundamiseks alalispingeks. Tüüpiliselt kasutatakse pingemuunduriks mõõtealaldeid. Peaaegu eranditult põhinevad need kõrgsageduslike alaldusdioodide kasutamisele koos sügavalt tagasisidestatud mõõtevõimendiga, lihtsmatel juhtudel koos laiaribalise operatsioonvõimendiga (näiteks multimeetrites või audiosignaali voltmeetrites/indikaatorites).

Näidik (indikaator)

Näidik ehk indikaator võib olla kas analoogtüüpi (osutiga, valgusribaga, v.m.s.) või numbriline või kombineeritud. Indikatsiooni tüübi, täpsuse ja muude omaduste valik sõltub paljus voltmeetri kasutusalast.

Analoognäiduga elektroonsed voltmeetrid

Analoognäiduga elektroonsete voltmeetrite sisendahelaks on tavaliselt kõrgeoomiline pingejagur ülekandeteguriga 1:1000 või 1:100. Selle abil jagatakse suuremate pingete (näiteks 10...1000 V) mõõtmisel mõõdetav pinge suure sisendtakistusega sisendvõimendile sobivasse suurusesse (näiteks 1 V piirkonda). Paljudel juhtudel lihtsustub sellega sisendpingejaguri ehitus tunduvalt.

Mõõtepiirkonnad võivad alata millivoltidest või veelgi madalamalt, sõltuvalt kasutatud võimendi võimendusteguri suurusest. Vastavalt nimetatakse neid elektroonseid voltmeetreid siis millivoltmeetriteks, mikrovoltmeetriteks või isegi nanovoltmeetriteks.

Mõõtepiirkondade muutmiseks väiksema arvu kui 10 kordsusega (tavaliselt 2 ja 5, või 3,16 korda) kasutatakse kas võimendi võimenduse ümberlülitamist või madalaoomilise vahepingejaguri jagamisteguri ümberlülitamist.

Vahelduvpinge mõõtmiseks kasutatakse tavaliselt vahelduvsignaali alaldamist, ja enamasti on seega tegemist alaldatud pinge keskväärtuse mõõtmisega, kuid selle juures on voltmeetrid gradueeritud siinuspinge efektiivväärtuse (RMS) järgi.

Keerukama kujuga pingete korral võib seda liiki voltmeetrite puhul tekkida signaali kujust sõltuv täiendav mõõteviga.

Tõelise efektiivväärtuse (true RMS) mõõtmiseks tuleb kasutada teisi vahelduvpinge detektorite tüüpe (vaadake alajaotust "Voltmeetrite eriliigid").

Digitaalnäiduga/Numbrilised elektroonsed voltmeetrid

Tänapäeval on üldiselt laialdasemalt kasutusel numbrilised ehk digitaalvoltmeetrid, milles mõõtetulemus esitatakse numbrilisel kujul. Kui erinevus analoogvoltmeetritest ainult sellega piirdubki, pole erinevus analoogvoltmeetrist kuigi suur – ainult indikatsioon on numbriline ja seetõttu üldjuhul täpsem kui analoognäidiku puhul.

Tüüpilised digitaalse/numbrilise elektroonse voltmeetri koostisosad on järgmised:

• sisendpingejagur;
• sisendvõimedi;
• vahepingejagur;
• võimendi;
• pingemuundur;
• A/D-muundur;
• näidik (indikaator).

Niisamuti nagu elektroonsetes analoogvoltmeetrites, antakse mõõdetav analoogpinge suure takistusega (tüüpiliselt 10 MΩ) sisendiga võimendisse tavaliselt läbi sisendisse ühendatud pingejaguri kõrgevoldiliste mõõtepiirkondade (üle 10 V) saamiseks. Selle juures saab numbernäidu korral piirduda ainult dekaadsete pingejagurite kasutamisega, sest numbrilise indikatsiooni ulatus on reeglina piisavalt suur, nii et 10-st väiksemaid mõõtepiirkondade kordsusarve polegi vaja kasutada.

Vastavalt vajadusele atenueeritud ja võimendatud ning muundatud (detekteeritud vahelduvast alaliseks) signaal antakse edasi tavaliselt analoog-digitaalmuundurisse või seda sisaldavasse mikrokontrollerisse, milles analoogsignaal muundatakse digitaalseks (enamasti kahendkoodiks või ka kahend-kümnendkoodiks) ja edastatakse vajalikul viisil töödeldud kujul väljundile, ja mõõtetulemuse visuaalseks esitamiseks numbernäiduna.

Numbrilised näidikud on realiseeritud kas valgusdioodidel või LCD-näidikuna. Näidiku kümnendnumbrite arv võib alata 2½-st (maksimaalse näiduga 199) ja ulatuda kuni 6½-ni (maksimaalse näiduga 1999999).

Keerukama ekraani kasutamise korral võidakse sellel esitada palju enam informatsiooni, sealhulgas ka analoognäidu imitatsiooni või pingekõvera kuju (ostsilloskoobi funktsioon).

Kontrolleri arvutusvõimalusi kasutades saab korrigeerida mitmeid mõõtevigasid ja muundada mõõtetulemusi kasutaja poolt soovitud kujule (näiteks pinge keskväärtus ja pinge vahelduvkomponent).

Sisendpinge digitaalseks muundamise põhimõttel toimivate elektroonste voltmeetrite puhul on võimalik mõõta nii alalis- kui ka vahelduvpinge mitmeid parameetreid k.a. pinge efektiivväärtust. Sageduste osas piirdutakse selliste voltmeetrite puhul enamasti helisageduste alaga, mida on mõningal määral laiendatud kõrgemate sageduste suunas, sest analoog-digitaalmuundurite töökiirus osutub siin piiravaks asjaoluks.

Sellise digitaalse/numbrilise elektroonse voltmeetri koostisosad on järgmised:

• sisendpingejagur;
• sisendvõimendi;
• A/D-muundur;
• signaaliprotsessor;
• näidik (indikaator).

Suurematel sagedustel töötamiseks võidakse, nagu analoogvoltmeetriteski, kasutada vahelduvpinge alaldamist mõõtealaldi ehk mõõtedetektori abil või muud analoogtehnikas realiseeritavat mõõtemuundamise võtet. Vastavalt peavad siis olema sama laia töösagedusalaga ka sisendis kasutatavad pingejagurid ja võimendid.

Digitaalvoltmeetris võivad ühes seadmes olla realiseeritud mitu eri liiki voltmeetrit. Selleks võidakse kasutada ära keerukaid numbrilise signaalitöötluse võtteid (näiteks spektrianalüüsi).

Voltmeetrite eriliigid

Suurem osa erilist liiki voltmeetreid on realiseeritavad ainult elektroonsete voltmeetritena.

Efektiivväärtuse voltmeetrid

mõõdavad pinge efektiivväärtust ehk ruutkeskmist väärtust (RMS), sealhulgas ka mittesiinuseliste pingete korral (nn. true RMS). Suures osas nendest kasutatakse selleks termoelektrilist muundurit. Teine osa efektiivväärtuse voltmeetreid põhineb signaali pinge ruutuvõtmisel, näiteks analoogkorruti abil. Ruutseose kasutamisele põhinemine piirab nende puhul oluliselt mõõdetava signaali diapasooni. Kui ruutjuurt ei võeta, on sellise voltmeetri skaala oma olemuselt ruutskaala.

Selektiivvoltmeetrid

Selektiivvoltmeetrid on sellised voltmeetrid, mis on varustatud sageduse osas selektiivsust omava filtriga. Reeglina on see filter reguleeritav (häälestatav) soovitud sagedusele ja kindlate omadustega (näiteks, hüveteguriga 100 või kindla ribalaiusega). Tööpõhimõtte poolsest on selektiivvoltmeetrid lähedased spektrianalüsaatorile ja raadiovastuvõtjale.

Sünkroonvoltmeetrid

Sünkroondetekteerimise kasutamisel saadakse sünkroonvoltmeeter (lock-in voltmeter), mis koos fasomeetriga kasutamisel annab vektorvoltmeetri, mis mõõdab moodulit ja faasi. Nende järgi saab arvutada ka vektori ortogonaalsed komponendid (reaal- ja imaginaarosa ehk sünfaasse ja kvadratuurse komponendi).

Faasitundlikud voltmeetrid ja vektorvoltmeetrid

Faasitundliku detekteerimise kasutamisel saadakse mõõtmistulemused, mis vastavad pinge vektori ortogonaalsetele komponentidele  – sünfaassele ja kvadratuursele komponendile ehk reaal- ja imaginaarosale (pinge nn kompleksparameetrid). Nende järgi saab arvutada ka mooduli ja faasi. Tavaliselt nimetatakse just sellist voltmeetrit vektorvoltmeetriks.

Kõrgsageduslikud voltmeetrid

Kõrgsageduslikud voltmeetrid erinevad peale mõõdetava pinge kõrge sageduse veel selle poolest, et neid kasutatakse reeglina sobitatud ahelates. Tavaline lainetakistuse väärtus on 50 Ω, kuigi võidakse kasutada ka teisi lainetakistuse väärtusi (75, 150 ja 300 Ω).

Tippväärtuse ja impulsspingete voltmeetrid

Omaette voltmeetrite liik on tippväärtuse voltmeetrid, mida kasutatakse näiteks impulsspingete amplituudi mõõtmiseks. Sama liigi alla võib tinglikult lugeda kuuluvateks ka helitehnikas kasutatavad helisignaali nivoo indikaatorid.

Elektromeetrilised voltmeetrid

Erilise liigina on vaadeldavad ka elektromeetrilised voltmeetrid, mida iseloomustab ülisuur sisendtakistus. Selle tagamiseks on nende puhul kasutatud väga spetsiifilisi tehnilisi lahendusi, millest kõige tuntum on ekvipotentsiaalne varjestamine.

Mõõtemuundurid

Voltmeetrite eriliigina on vaadeldavad ka vaheldupinge alalispingeks muundamise seadmed ehk mõõtemuundurid. Need võivad olla realiseeritud mitte universaalse mõõtevahendina kasutamiseks, vaid eriliste ülesannete täitmiseks. Näiteks, võivad need olla kõrge mõõtetäpsusega (tavaliselt 0,01% suurusjärgus, kuid ka kuni 0,0001%) ja mõeldud kasutamiseks metroloogilistel eesmärkidel (voltmeetrite taatlemiseks jm).

Voltmeetrite erilahendused

Toodetakse ka mõõteriistu, mis automaatselt valivad mõõtepiirkonna vastavalt mõõdetava pinge väärtusele, fikseerivad piirnäite, hoiavad mõõtetulemuse mingil hetkel mõõdetud väärtust püsivana näidikul ("mäletavad" tulemust).

Numbernäidu puudus analoog- ehk skaalanäiduga võrreldes ilmneb siis, kui on vaja jälgida pinge ajalist muutumist (nt seadistustoimingutel, helitehnikas (audioelektroonikas), füüsikalistel mõõtmistel jne). Selleks sobivad digivoltmeetrid, millel on lisaks numbernäidikule ka analoogskaalaga näidik.

Voltmeetria Eestis

Eestis on voltmeetreid tootnud Raadio-Elektroonika Tehas RET ja välja töötanud TREKB.

Mitme voltmeetriliigi osas oli RET endises NSV Liidus juhtiv ettevõte (vahelduvvoolu millivoltmeetrid sagedusalale kuni 50 MHz).

Mõlemad töötasid välja ka voltmeetrite metroloogilisi vahendeid (täpsed pingemuundurid, pingekalibraatorid jm).

TTÜ-s (TPI-s) uuriti voltmeetrite elektronsõlmi ja töötati neid välja juba enne II maailmasõda (Paul Plakk), hiljem jätkati seda peamiselt elektroonika kateedris. Selles osalesid ka raadiotehnika kateeder ja automaatika kateeder, ning vähemal määral ka teised TPI allüksused.

Elektromeetrilisi voltmeetreid töötati välja Tartu Riiklikus Ülikoolis (Olev Saks).

Kirjandus

• ENE, 10. kd, 1998, lk 486