Загрузка...Аналоговые импульсные вольтметры
1.
назначение прибора
Импульсные
вольтметры предназначены для измерения амплитуд периодических импульсных
сигналов с большой скважностью и амплитуд одиночных импульсов.
Вольтметры
импульсного тока предназначены для измерения амплитуды видеоимпульсов любой
полярности в широком диапазоне длительностей и частот следования, а также для
измерения амплитуды радиоимпульсов и синусоидальных сигналов.
Высокоточные
импульсные вольтметры используются для поверки и аттестации радиоизмерительной
аппаратуры.
Основная трудность
измерения амплитуды импульсных сигналов вызвана многообразием форм импульсов с
широким диапазоном изменения временных характеристик — длительности импульса и
скважности, влияющих на показания ИВ. При этом форма импульсов, временные
параметры и их статистические характеристики не всегда известны оператору,
поэтому невозможно внести соответствующую поправку в результат измерения.
Измерение амплитуды
одиночных импульсов связано с дополнительными трудностями. Если при работе с
периодическим сигналом имеется возможность накопить информацию об измеряемой
величине многократным воздействием сигнала на измерительное устройств, то при
работе с одиночными импульсами энергия, необходимая для измерения, поступает в
измерительное устройство только в момент существования импульса.
Вольтметры
импульсного тока по способу индикации измерения подразделяются на вольтметры
импульсные стрелочные, у которых отсчет результатов измерения
производится по стрелочному прибору, и вольтметры импульсные цифровые,
у которых отсчет результатов измерения производится по цифровому табло с
арабскими цифрами и указателю полярности измеряемого импульса.
Импульсные
вольтметры градуируются в амплитудных значениях измеряемых импульсов.
2. Технические и
метрологические характеристики
В нормативно-технической
документации для импульсных вольтметров указывается диапазон допустимых
значений длительности импульсов (или их частота) и скважность, при которых
погрешности вольтметров находятся в пределах нормированных значений. Так,
импульсный вольтметр В4-9А имеет верхние пределы измерений 2,5, 10, 20 В и
основную погрешность ±(2,5-4,0) % при частоте следования импульсов 1 Гц — 300
МГц и скважности от 2 до 3∙108.
характеристики
некоторых электронных импульсных вольтметров, которые удалось найти, приведены
в табл. 1.
Таблица 1
Основные характеристики
В4-2
В4-3
В4-4
В4-9А
Измерение видеоимпульсов
диапазон измерений, В
3-150
0,0003-1
3-150
1-20
С делителем до, В
500
100
—
200
Пределы измерений, В
15; 50; 150
0,003; 0,01; 0,03; 0,1; 0,3; 1
15; 50; 150
2,5; 10; 20
Основная погрешность измерения, %
± (4-6)
± (4-6)
± (4-6)
± (2,5-4)
длительность импульсов, мкс
0,1-300
1-200
0.01- 200
Более 0,001
Длительность фронта импульсов, нс
—
—
—
—
Частота следования импульсов, кГц
—
0,05-10
0,02-10
0,001-
Скважность
50-2500
2-5000
более 2
2-
Входное сопротивление, МОм,
0,2-20
1
5
75 Ом; 0,5
с шунтирующей емкостью, пФ
14
11
2,5-8
3
время установления показаний, с
10
—
10
Измерение радиоимпульсов
Диапазон измерений, В
—
—
10-150
1-20
Пределы измерений, В
—
—
50-150
2;5;10;20
Частота заполнения, МГц
—
—
До 300
До 300
Основная погрешность измерения, %
—
—
± (4-6)
± (4-10)
Измерение синусоидального
напряжения
диапазон измерений, В
—
0,0003-1
—
1-20
Пределы измерений, В
—
0,003; 0,01; 0,03; 0,1; 0,3; 1
—
2; 5; 10; 20
Диапазон частот
—
30 Гц- 500 кГц
—
20 Гц — 300 МГц
Основная погрешность измерения, %
—
± (4-10)
—
± (4-Ю)
пределы температур, °С
относительная влажность воздуха, %,
80
90
90
95
при температуре, °С
20
25
25
30
Питание: напряжение, В, частотой, Гц: 50
220
220
220
220
Потребляемая мощность, В•А
30
100
140
25
Габаритные размеры, мм
310x320x200
328x250x211
285х280х390
Масса, кг
7
9
15
7.5
Основные характеристики
В4-11
B4-I2
В4-14
В4-16
Измерение видеоимпульсов
диапазон измерений, В
1-150
0,001-1 100
0,01-1 100
0,02-2 20
с делителем до, В Пределы измерений, В
1-15; 10-150
0,003; 0,01; 0,03; 0,1; 0,3; 1
0,03; 0,1; 0,3; 1
0,1; 0,2; 0,5;
1; 2
Основная погрешность измерения, %
± (0,2- 1,7)
± (4-6)
± (4-10)
±2±-10 мВ
длительность импульсов, мкс
0,01-25
0,1-300
0,003-100
—
Длительность фронта импульсов, нс
—
более 15
0,5-100
Более 1
Частота следования импульсов, кГц
более 0,02
0,05-100
0,025-Более 0,1
Скважность
Более 2Более 5-
Входное сопротивление, МОм,
33 кОм/В
1
0,003
0,001
С шунтирующей емкостью, пФ
1,5
10
12
—
время установления показаний, с
8
6
10
5
Измерение радиоимпульсов Диапазон измерений, В
1-150
—
0,01-100
—
Пределы измерений, В
15-150
—
0,03;
0,1; 0,3; 1; 3; 10; 30; 100
—
Частота заполнения, МГц
До
1000
—
До
100
Основная погрешность измерения, %
±(1-12)
—
±
(4-10) ±(1-2) мВ
—
Измерение синусоидального напряжения диапазон измерений, В
1,5-150
0,001-1
0,01-100
—
Пределы измерений, В
15-150
0,003;
0,01; 0,03; 0,1; 0,3; 1
0,03;
0,1; 0,3; 1; 3; 10; 30; 100
—
Диапазон частот
20
Гц- 1000 Мгц
0,5
Гц- 5 МГц
До
100 МГц
—
Основная погрешность измерения, %
±
(0,2-12)
±
(4-6)
±
(4-10)±2 мВ
—
Пределы температур, 0С
—
30 +50-30 — +50+ 5+40+ 10+35
относительная влажность воздуха, %,
80
98
95
80
При температуре, 0С
20
35
30
20
Питание: напряжение, В, частотой, 50 Гц:
220
220
220
220
Потребляемая мощность, В- А
100
20
15
25
Габаритные размеры, мм
630х350х340
242x162x253
360×160х260
366x160x260
Масса, кг
30
8
10
10
3-4. Структурная схема
аналогового электронного импульсного вольтметра, принцип работы импульсного
вольтметра
электронный
вольтметр переменного напряжения состоит из преобразователя переменного
напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического индикатора. Часто на
входе вольтметра устанавливается калиброванный делитель напряжения, с помощью
которого увеличивается верхний предел измеряемого напряжения. В зависимости от
вида преобразования показание вольтметра может быть пропорционально
амплитудному (пиковому), средневыпрямленному или среднеквадратическому значению
измеряемого напряжения. Однако, шкалу импульсных вольтметров градуируют
в амплитудных значениях, а шкалу любого другого электронного вольтметра
градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряжения
синусоидальной формы.
Импульсные вольтметры. При измерении
напряжения импульсной формы требуется определить высоту импульсов, т. е.
значение . Для
этой цели применяют электронные вольтметры с амплитудным преобразователем с
открытым входом (см. рис. 2).
результат измерения содержит погрешность, возникающую в связи с
неполным зарядом конденсатора в течение длительности импульса и значительным
разрядом конденсатора в интервале между импульсами . Абсолютная
погрешность , относительная —
. Погрешность тем
больше, чем больше скважность.
Вольтметр амплитудного (пикового) значения (рис.
1) состоит из амплитудного преобразователя ЛПр, усилителя постоянного
тока УПТ и магнитоэлектрического индикатора, градуированного в вольтах.
На входе вольтметра иногда предусматривается делитель напряжения ДН.
Амплитудный преобразователь выполняют по схеме с открытым или
закрытым входом.
Амплитудный преобразователь с открытым входом (рис. 2, а) представляет
собой последовательное соединение диода Д с параллельно соединенными
резистором R и
конденсатором С. Если к зажимам I—2
приложено напряжение от источника с
внутренним сопротивлением , то конденсатор
через диод заряжается до некоторого значения , которое приложено к электродам
диода так, что он большую часть периода закрыт, т. е. работает в режиме отсечки
(рис. 2, б). В течение каждого периода диод открывается на некоторый
промежуток времени , когда , и конденсатор
подзаряжается импульсом тока до напряжения ; постоянная
времени заряда ,
где — сопротивление
открытого диода. Затем диод закрывается и конденсатор разряжается через
резистор R в
течение интервала ; постоянная
времени разряда .
Постоянные времени должны отвечать следующим условиям: и , где , и — границы
частотного диапазона вольтметра. Очевидно, что и .
Результатом амплитудного преобразования является среднее , которое в отличие
от Um называют
пиковым значением :
, (1)
где — угол отсечки
тока диода. Он равен:
(2)
где
— сопротивление нагрузки преобразователя с учетом входного
сопротивления усилителя постоянного тока .
Для оценки Um и по формуле (1)
подставим в (2) и (3) практические значения сопротивлений; R=80 МОм, , ; сопротивлением пренебрегаем;
находим , и . таким образом, .
Напряжение поступает на
вход усилителя постоянного тока, входное сопротивление которого большое, а
выходное — малое. УПТ служит для согласования выходного сопротивления
преобразователя с сопротивлением индикатора и для повышения чувствительности
вольтметра.
Амплитудный преобразователь с закрытым входом
(рис. 3) представляет собой последовательное соединение конденсатора постоянной
емкости С с параллельно соединенными диодом Д и резистором R. Процесс преобразования переменного напряжения в постоянное аналогичен
рассмотренному выше, с тем отличием, что на зажимах 3—4 имеются
значительные пульсации напряжения, для сглаживания, которых предусмотрен фильтр
.
Процессы
преобразования пульсирующего напряжения
преобразователем с открытым и закрытым входом различны и зависят от полярности
подключения к входным зажимам 1—2 постоянной составляющей
пульсирующего напряжения. Если на вход амплитудного преобразователя с открытым
входом включено пульсирующее напряжение так, что «+» постоянной составляющей
приложен к аноду диода, то выходное напряжение , где — постоянная
составляющая, — амплитуда
положительного полупериода переменного составляющей (рис. 4, а).
Если к аноду диоду приложен «-» постоянной составляющей, то диод
закрыт все время и преобразования нет. Если к аноду амплитудного напряжения с
закрытым входом приложено пульсирующее напряжение, то конденсатор С заряжен
постоянной составляющей и преобразователь
реагирует только на переменную составляющую: если к аноду диода приложен «+»,
то выходное напряжение , а если «-», то (рис. 4, б). Это
полезное свойство вольтметров с закрытым входом измерять отдельно значения
напряжения положительного или отрицательного полупериодов широко используется
для определения симметричности амплитудной модуляции, наличия ограничения
сигналов и т. д.
Частотные свойства амплитудного преобразователя определяются его
эквивалентной схемой (рис. 5, а). здесь , и , — индуктивности и сопротивления
проводов, соединяющих внешние зажимы 1-2 с внутренними точками схемы
3-4; Свх — сумма всех паразитных емкостей, имеющихся на входе: между
зажимами 1—2, 3-4, соединительными проводами 1 — 3, 2 — 4, а
также междуэлектродная емкость диода ; — активное входное сопротивление
вольтметра, нагружающее источник измеряемого напряжения.
Сопротивление определяется в основном двумя
составляющими; тепловыми () потерями в
диоде Д и резисторе (см. рис. 2, а и 3), а также
потерями в диэлектрике входной емкости . Обе
составляющие действуют параллельно, и потому .
В преобразователе с открытым входом , с закрытым входом — . известно, что
потери в диэлектрике возрастают с частотой, поэтому сопротивление,
эквивалентное потерям, уменьшается: , где — угол потерь. Отсюда следует, что
по мере возрастания частоты измеряемых напряжений входное сопротивление
уменьшается (рис. 5, б). Практически на низких частотах составляет
единицы мегаом, а на высоких — десятки и даже единицы килоом.
Амплитудные (пиковые) вольтметры характеризуются невысокой
чувствительностью (порог чувствительности ) и широкой полосой частот (до 1
ГГц). Если применить пиковый вольтметр с закрытым входом, то потеря постоянной
составляющей импульсного напряжения вызывает погрешность и при малой
скважности. поэтому в технических характеристиках импульсных вольтметров,
выполненных с амплитудным преобразованием, указаны предельные значения
длительностей импульсов и их скважностей, при которых показания вольтметра содержат
нормированные погрешности.
Для точных измерений импульсных напряжений преимущественно
применяются вольтметры компенсационные (рис. 6, б). здесь
амплитудное значение измеряемого напряжения, заряжающее конденсатор С через
диод Д, компенсируется (уравновешивается) постоянным образцовым
напряжением (рис. 6, в). В
момент компенсации ток гальванометра равен нулю и образцовое напряжение равно . Значение UK образцового
напряжения измеряется точным вольтметром постоянного тока.
С помощью вольтметров компенсационного типа можно также измерять
амплитудное значение синусоидального напряжения и напряжение постоянного тока.
Погрешность определяется чувствительностью указателя компенсации — гальванометра
и точностью установки и измерения образцового напряжения. Для этой цели часто
применяют цифровые вольтметры. Для измерения очень коротких импульсов
разработаны более совершенные вольтметры с автокомпенсацией (рис, 7). Принцип
автокомпенсации заключается в преобразовании измеряемого напряжения в
компенсирующее с последующим точным измерением его значения.
Входной импульс через диод Д заряжает конденсатор до значения , что обеспечивается
малой постоянной времени цепи заряда соизмеримой с длительностью
импульса (емкость
конденсатора —
единицы пикофарад). На конденсаторе С2 образуется напряжение UC2,
которое через резистор поступает на конденсатор в
качестве компенсирующего. Элементы нагрузки второго детектора и
выбираются так,
чтобы их постоянная времени была много большей длительности периода следования
измеряемых импульсов: .
Конденсатор С2 в интервалах между импульсами
разряжается незначительно. На вход усилителя У поступает разность напряжений ; выходное
напряжение усилителя детектируется и подзаряжает конденсатор С2. Чем
больше коэффициент усиления усилителя, тем ближе к . Напряжение измеряется
цифровым вольтметром постоянного тока ЦВ.
Преимущества автокомпенсационных вольтметров заключаются в
отсутствии индикатора момента компенсации — гальванометра и источника
образцового напряжения, а также в уменьшении погрешности измерения.
5. Расчет делителя
Пределы измерения
выбираются кнопочным переключателем путем включения соответствующего резистора R8 (рис.8) в цепь питания стрелочного прибора (микроамперметра).
Рис.8. Схема выбора пределов измерения.
Делитель 1:10 напряжения
смешанного типа представлен на рис. 9:
Рис.9. Делитель напряжения.
Для
расчета делителя напряжения 1:10 запишем соотношение для коэффициента
преобразования:
, — комплексные сопротивления
ветвей с параллельными , и , . Для того чтобы был частотно-независимым,
надо чтобы выполнялось условие:
, если это выполнено, то
получим:
.
Тогда
для делителя 1:10 получим:
.
Примем
, . А для емкостей получим:
. Примем , тогда
6. Пределы измерений
прибор имеет четыре
предела измерения амплитуды импульсов: 2, 5, 10 и 20 В.
7. Погрешности
Погрешность измерения амплитуды исследуемого напряжения определяется
разрядом конденсатора за период измеряемого напряжения:
,
где Т — период измеряемого сигнала; — постоянная
времени цепи разряда.
Относительная погрешность измерения считая, что получаем: или с учетом
разложения в ряд функции:
,
ограничиваясь первыми двумя членами ряда, имеем:
,
Где — частота
Из выражения следует, что погрешность тем больше, чем ниже частота
измеряемого напряжения. Основная погрешность связана с частотой следования
импульсов. дополнительная связана со скважностью импульсов и их длительностью.
Выводы
Используя электронную схему регистрации
напряжения при помощи амплитудного преобразователя с открытым или с закрытым
входом можно измерить пиковое напряжение, что позволяет измерять импульсные
напряжения.
Измерение импульсных напряжений при помощи
компенсационных и автокомпенсационных вольтметров позволяет достичь большей
точности.