| Скачать .docx |
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.
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 | 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 | ||
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 значение слабопульсирующего напряжения ,
которое в отличие от Um
называют 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 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 UC
2
,
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 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 R 8 (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.