Учебная работа. Аналоговые импульсные вольтметры

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
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 I2
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 34 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 12 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 12, 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.

Учебная работа. Аналоговые импульсные вольтметры