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.
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
|
-30
|
+
5 |
+
10 |
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 U>m>
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 U>m>
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;
С>вх>
— 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 U>K>
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 С>2>
образуется
напряжение U>C>>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
С>2>
в интервалах между импульсами разряжается
незначительно. На вход усилителя У
поступает разность напряжений
;
выходное напряжение усилителя
детектируется и подзаряжает конденсатор
С>2>.
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.