Аналоговые импульсные вольтметры
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… Читать ещё >
Аналоговые импульсные вольтметры (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
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 | -; | ||||
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 | 75 Ом; 0,5 | |||
с шунтирующей емкостью, пФ | 2,5—8 | ||||
Время установления показаний, с | -; | -; | |||
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, %, | |||||
при температуре, °С | |||||
Питание: напряжение, В, частотой, Гц: | |||||
Потребляемая мощность, В*А | |||||
Габаритные размеры, мм | 310×320×200 | 328×250×211 | 285×280×390 | 320×290×220 | |
Масса, кг | 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 | 0,003 | 0,001 | ||
С шунтирующей емкостью, пФ | 1,5 | ; | |||
Время установления показаний, с | |||||
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, %, | |||||
При температуре, 0С | |||||
Питание: напряжение, В, частотой, 50 Гц: | |||||
Потребляемая мощность, ВА | |||||
Габаритные размеры, мм | 630×350×340 | 242×162×253 | 360×160×260 | 366×160×260 | |
Масса, кг | |||||
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 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 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:
.
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.