Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Аналоговые импульсные вольтметры

РефератПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

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 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 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 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 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.

Показать весь текст
Заполнить форму текущей работой