1. Назначение прибора
Импульсные вольтметры предназначены для измерения амплитудпериодических импульсных сигналов с большой скважностью и амплитуд одиночныхимпульсов.
Вольтметры импульсного тока предназначены для измерения амплитуды видеоимпульсовлюбой полярности в широком диапазоне длительностей и частот следования, а такжедля измерения амплитуды радиоимпульсов и синусоидальных сигналов.
Высокоточные импульсные вольтметры используются для поверки иаттестации радиоизмерительной аппаратуры.
Основная трудность измерения амплитуды импульсных сигналов вызванамногообразием форм импульсов с широким диапазоном изменения временныххарактеристик – длительности импульса и скважности, влияющих на показания ИВ.При этом форма импульсов, временные параметры и их статистическиехарактеристики не всегда известны оператору, поэтому невозможно внести соответствующуюпоправку в результат измерения.
Измерение амплитуды одиночных импульсов связано с дополнительнымитрудностями. Если при работе с периодическим сигналом имеется возможностьнакопить информацию об измеряемой величине многократным воздействием сигнала наизмерительное устройств, то при работе с одиночными импульсами энергия,необходимая для измерения, поступает в измерительное устройство только в моментсуществования импульса.
Вольтметры импульсного тока по способу индикации измеренияподразделяются на вольтметры импульсные стрелочные, у которых отсчетрезультатов измерения производится по стрелочному прибору, и вольтметрыимпульсные цифровые,у которых отсчет результатов измеренияпроизводится по цифровому табло с арабскими цифрами и указателю полярностиизмеряемого импульса.
Импульсные вольтметры градуируются в амплитудных значенияхизмеряемых импульсов.
2. Техническиеи метрологические характеристики
В нормативно-технической документации для импульсных вольтметровуказывается диапазон допустимых значений длительности импульсов (или ихчастота) и скважность, при которых погрешности вольтметров находятся в пределахнормированных значений. Так, импульсный вольтметр В4-9А имеет верхние пределыизмерений 2,5, 10, 20 В и основную погрешность ±(2,5–4,0) % при частоте следованияимпульсов 1 Гц – 300 МГц и скважности от 2 до 3∙108.
Характеристики некоторых электронных импульсных вольтметров,которые удалось найти, приведены в табл. 1.
Таблица 1Основные 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 изпреобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя имагнитоэлектрического индикатора. Часто на входе вольтметра устанавливаетсякалиброванный делитель напряжения, с помощью которого увеличивается верхнийпредел измеряемого напряжения. В зависимости от вида преобразования показаниевольтметра 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 формытребуется определить высоту импульсов, т. е. значение />. Для этой цели применяютэлектронные вольтметры с амплитудным преобразователем с открытым входом (см.рис. 2).
Результат измерения содержит погрешность, возникающую в связи снеполным зарядом конденсатора в течение длительности импульса /> и значительным разрядомконденсатора в интервале между импульсами />. Абсолютная погрешность />,относительная — />. Погрешность тем больше, чембольше скважность.
Вольтметр амплитудного (пикового) значения (рис. 1) состоит из амплитудногопреобразователя ЛПр, усилителя постоянного тока УПТ имагнитоэлектрического индикатора, градуированного в вольтах. На входевольтметра иногда предусматривается делитель напряжения ДН.
Амплитудный преобразователь выполняют по схеме с открытым илизакрытым входом.
Амплитудный преобразователь с открытым входом (рис. 2, а) представляетсобой последовательное соединение диода Д с параллельно соединеннымирезистором Rи конденсатором С. Если к зажимам I—2 приложенонапряжение /> отисточника с внутренним сопротивлением />, то конденсатор через диодзаряжается до некоторого значения />, которое приложено к электродамдиода так, что он большую часть периода закрыт, т. е. работает в режиме отсечки(рис. 2, б). В течение каждого периода диод открывается на некоторыйпромежуток времени />, когда />, и конденсатор подзаряжаетсяимпульсом тока /> до напряжения />; постоянная временизаряда />,где /> —сопротивление открытого диода. Затем диод закрывается и конденсаторразряжается через резистор Rв течение интервала />; постоянная времени разряда />.
Постоянные времени должны отвечать следующим условиям: /> и />, где />, и /> — границычастотного диапазона вольтметра. Очевидно, что /> и />.
Результатом амплитудного преобразования является среднее значениеслабопульсирующего напряжения />, которое в отличие от Umназывают пиковымзначением />:
/>, (1)
где /> — угол отсечки тока диода. Онравен:
/> (2)
где
/> (3)
— сопротивление нагрузки преобразователя с учетом входногосопротивления усилителя постоянного тока />.
Для оценки Umи /> по формуле (1)подставим в (2) и (3) практические значения сопротивлений; R=80 МОм, />, />; сопротивлением /> пренебрегаем;находим />,и />. Такимобразом, />.
Напряжение /> поступает на вход усилителяпостоянного тока, входное сопротивление которого большое, а выходное — малое. УПТслужит для согласования выходного сопротивления преобразователя ссопротивлением индикатора и для повышения чувствительности вольтметра.
Амплитудный преобразователь с закрытым входом (рис. 3) представляетсобой последовательное соединение конденсатора постоянной емкости С спараллельно соединенными диодом Д и резистором R. Процесс преобразованияпеременного напряжения в постоянное /> аналогичен рассмотренномувыше, с тем отличием, что на зажимах 3—4 имеются значительныепульсации напряжения, для сглаживания, которых предусмотрен фильтр />.
Процессыпреобразования пульсирующего напряжения преобразователемс открытым и закрытым входом различны и зависят от полярности подключения квходным зажимам 1—2 постоянной составляющей пульсирующего напряжения.Если на вход амплитудного преобразователя с открытым входом включенопульсирующее напряжение так, что «+» постоянной составляющей приложен к анодудиода, то выходное напряжение />, где /> - постоянная составляющая, /> - амплитудаположительного полупериода переменного составляющей (рис. 4, а).
Если к аноду диоду приложен «-» постоянной составляющей, то диодзакрыт все время и преобразования нет. Если к аноду амплитудного напряжения сзакрытым входом приложено пульсирующее напряжение, то конденсатор С заряженпостоянной составляющей /> и преобразователь реагируеттолько на переменную составляющую: если к аноду диода приложен «+», то выходноенапряжение />,а если «—», то /> (рис. 4, б). Это полезноесвойство вольтметров с закрытым входом измерять отдельно значения напряженияположительного или отрицательного полупериодов широко используется дляопределения симметричности амплитудной модуляции, наличия ограничения сигналови т. д.
Частотные свойства амплитудного преобразователя определяются егоэквивалентной схемой (рис. 5, а). Здесь />, /> и />, /> — индуктивности и сопротивленияпроводов, соединяющих внешние зажимы 1—2 с внутренними точками схемы 3—4;Свх — сумма всех паразитных емкостей, имеющихся на входе: междузажимами 1—2, 3—4, соединительными проводами 1 — 3, 2 — 4, атакже междуэлектродная емкость диода />;/> — активное входноесопротивление вольтметра, нагружающее источник измеряемого напряжения.
Сопротивление /> определяется в основном двумясоставляющими; тепловыми (/>) потерями в диоде Д и резисторе/> (см. рис.2, а и 3), а также потерями в диэлектрике /> входной емкости />. Обе составляющиедействуют параллельно, и потому />.
В преобразователе с открытым входом />, с закрытым входом — />. Известно, чтопотери в диэлектрике возрастают с частотой, поэтому сопротивление,эквивалентное потерям, уменьшается: />, где /> — угол потерь. Отсюда следует,что по мере возрастания частоты измеряемых напряжений входное сопротивлениеуменьшается (рис. 5, б). Практически на низких частотах /> составляет единицымегаом, а на высоких — десятки и даже единицы килоом.
Амплитудные (пиковые) вольтметры характеризуются невысокойчувствительностью (порог чувствительности />) и широкой полосой частот (до 1ГГц). Если применить пиковый вольтметр с закрытым входом, то потеря постояннойсоставляющей импульсного напряжения вызывает погрешность и при малой скважности.Поэтому в технических характеристиках импульсных вольтметров, выполненных самплитудным преобразованием, указаны предельные значения длительностейимпульсов и их скважностей, при которых показания вольтметра содержатнормированные погрешности.
Для точных измерений импульсных напряжений преимущественноприменяются вольтметры компенсационные (рис. 6, б). Здесьамплитудное значение измеряемого напряжения, заряжающее конденсатор С черездиод Д, компенсируется (уравновешивается) постоянным образцовым напряжением/> (рис. 6,в). В момент компенсации ток гальванометра равен нулю и образцовое напряжениеравно />.Значение UKобразцового напряжения измеряется точнымвольтметром постоянного тока.
С помощью вольтметров компенсационного типа можно также измерятьамплитудное значение синусоидального напряжения и напряжение постоянного тока.Погрешность определяется чувствительностью указателя компенсации —гальванометра и точностью установки и измерения образцового напряжения. Дляэтой цели часто применяют цифровые вольтметры. Для измерения очень короткихимпульсов разработаны более совершенные вольтметры с автокомпенсацией (рис, 7).Принцип автокомпенсации заключается в преобразовании измеряемого напряжения вкомпенсирующее с последующим точным измерением его значения.
Входной импульс через диод Д заряжает конденсатор /> до значения />, чтообеспечивается малой постоянной времени цепи заряда /> соизмеримой с длительностьюимпульса /> (емкостьконденсатора /> — единицы пикофарад). Наконденсаторе С2образуется напряжение UC2, которое через резистор /> поступает наконденсатор /> вкачестве компенсирующего. Элементы нагрузки второго детектора /> и /> выбираются так, чтобыих постоянная времени была много большей длительности периода следованияизмеряемых импульсов: />. Конденсатор С2в интервалах между импульсами разряжается незначительно. На вход усилителя Упоступает разность напряжений />; выходное напряжение усилителядетектируется и подзаряжает конденсатор С2. Чем больше коэффициентусиления усилителя, тем ближе значение /> к/>.Напряжение /> измеряетсяцифровым вольтметром постоянного тока ЦВ.
Преимущества автокомпенсационных вольтметров заключаются вотсутствии индикатора момента компенсации — гальванометра и источникаобразцового напряжения, а также в уменьшении погрешности измерения.
5. Расчет делителя
Пределы измерения выбираются кнопочным переключателем путемвключения соответствующего резистора R8 (рис.8) в цепь питаниястрелочного прибора (микроамперметра).
/>
Рис.8. Схема выбора пределов измерения.
Делитель1:10 напряжения смешанного типа представлен на рис. 9:
/>
Рис.9. Делитель напряжения.
Для расчета делителя напряжения 1:10запишем соотношение для коэффициента преобразования:
/>
/>, /> - комплексные сопротивленияветвей с параллельными />, /> и />, />. Для того чтобы /> былчастотно-независимым, надо чтобы выполнялось условие:
/>, еслиэто 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 измеренияамплитуды исследуемого напряжения определяется разрядом конденсатора за периодизмеряемого напряжения:
/>,
где Т — периодизмеряемого сигнала; /> — постоянная временицепи разряда.
Относительная погрешность измерения /> считая, что /> получаем: /> или с учетомразложения в ряд функции:
/>,
ограничиваясь первыми двумя членами ряда, имеем:
/>,
Где /> - частота
Из выражения следует, что погрешность тем больше, чем ниже частотаизмеряемого напряжения. Основная погрешность связана с частотой следованияимпульсов. Дополнительная связана со скважностью импульсов и их длительностью.
Выводы
Используя электроннуюсхему регистрации напряжения при помощи амплитудного преобразователя с открытымили с закрытым входом можно измерить пиковое напряжение, что позволяет измерятьимпульсные напряжения.
Измерение импульсныхнапряжений при помощи компенсационных и автокомпенсационных вольтметровпозволяет достичь большей точности.