Реферат: Аналоговые импульсные вольтметры
Импульсные вольтметры предназначены для измерения амплитуд периодических импульсных сигналов с большой скважностью и амплитуд одиночных импульсов.
Дата добавления на сайт: 31 марта 2025
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 2Более 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 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.