Реферат: 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.
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
320х290х220
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 2
Более 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
360x160х260
366x160x260
Масса, кг
30
8
10
10
--PAGE_BREAK--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 вольтметровградуируют 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 Rи 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 Rв 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 значение слабопульсирующего напряжения />, которое в отличие от Umназывают пиковым значением />:
/>, (1)
где />— угол отсечки тока диода. Он равен:
/>(2)
где
/>(3)
— сопротивление нагрузки преобразователя с учетом входного сопротивления усилителя постоянного тока />.
Для оценки Umи />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.
продолжение--PAGE_BREAK--
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 UKобразцового 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 С2образуется 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 С2в 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 значение />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:
/>.
продолжение--PAGE_BREAK--
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.