Аналогові імпульсні вольтметри

1. Призначення приладу

Імпульсні вольтметри призначені для вимірювання амплітуд періодичних імпульсних сигналів з ​​великою скважностью і амплітуд одиночних імпульсів.

Вольтметри імпульсного струму призначені для вимірювання амплітуди відеоімпульсів будь-який полярності в широкому діапазоні тривалостей і частот прямування, а також для вимірювання амплітуди радіоімпульсів і синусоїдальних сигналів.

Високоточні імпульсні вольтметри використовуються для повірки та атестації радіовимірювальної апаратури.

Основні труднощі вимірювання амплітуди імпульсних сигналів викликана різноманіттям форм імпульсів з широким діапазоном зміни часових характеристик - тривалості імпульсу і шпаруватості, що впливають на показання ІВ. При цьому форма імпульсів, тимчасові параметри і їх статистичні характеристики не завжди відомі оператору, тому неможливо внести відповідну поправку в результат вимірювання.

Вимірювання амплітуди одиночних імпульсів пов'язано з додатковими труднощами. Якщо при роботі з періодичним сигналом є можливість накопичити інформацію про вимірювану величину багаторазовим впливом сигналу на вимірювальне пристроїв, то при роботі з поодинокими імпульсами енергія, необхідна для вимірювання, надходить у вимірювальний пристрій тільки в момент існування імпульсу.

Вольтметри імпульсного струму за способом індикації вимірювання поділяються на вольтметри імпульсні стрілочні, у яких відлік результатів вимірювання проводиться по стрілочному приладу, і вольтметри імпульсні цифрові, у яких відлік результатів вимірювання проводиться по цифровому табло з арабськими цифрами і вказівником полярності вимірюваного імпульсу.

Імпульсні вольтметри градуюються в амплітудних значеннях вимірюваних імпульсів.

2. Технічні і метрологічні характеристики

У нормативно-технічної документації для імпульсних вольтметрів вказується діапазон допустимих значень тривалості імпульсів (або їх частота) і шпаруватість, при яких похибки вольтметрів знаходяться в межах нормованих значень. Так, імпульсний вольтметр В4-9А має верхні межі вимірів 2,5, 10, 20 В і основну похибку ± (2,5-4,0)% при частоті проходження імпульсів 1 Гц - 300 МГц і шпаруватості від 2 до 3 ∙ 10 ^8.

Характеристики деяких електронних імпульсних вольтметрів, які вдалося знайти, наведені в табл. 1.

Таблиця 1

3-4. Структурна схема аналогового електронного імпульсного вольтметра, принцип роботи імпульсного вольтметра

Електронний вольтметр змінного напруги складається з перетворювача постійної напруги в постійну, підсилювача і магнітоелектричного індикатора. Часто на вході вольтметра встановлюється калібрований дільник напруги, за допомогою якого збільшується верхня межа вимірюваної напруги. Залежно від виду перетворення показання вольтметра може бути пропорційно амплітудному (пікового), средневипрямленному або середньоквадратичного значенням вимірюваної напруги. Однак, шкалу імпульсних вольтметрів градуюють в амплітудних значеннях, а шкалу будь-якого іншого електронного вольтметра градуюють в середньоквадратичних (діючих) значеннях напруги синусоїдальної форми.

Імпульсні вольтметри. При вимірі напруги імпульсної форми потрібно визначити висоту імпульсів, тобто значення . Для цієї мети застосовують електронні вольтметри з амплітудним перетворювачем з відкритим входом (див. рис. 2).

Результат вимірювання містить похибка, яка виникає у зв'язку з неповним зарядом конденсатора протягом тривалості імпульсу і значним розрядом конденсатора в інтервалі між імпульсами . Абсолютна похибка , Відносна - . Похибка тим більше, чим більше шпаруватість.

Вольтметр амплітудного (пікового) значення (рис. 1) складається з амплітудного перетворювача ОПР, підсилювача постійного струму ППС і магнітоелектричного індикатора, градуйованого у вольтах. На вході вольтметра іноді передбачається дільник напруги ДН.

Амплітудний перетворювач виконують за схемою з відкритим чи закритим входом.

Амплітудний перетворювач з відкритим входом (рис. 2, а) являє собою послідовне з'єднання діода Д з паралельно з'єднаними резистором R і конденсатором С. Якщо до затискачів I - 2 прикладена напруга від джерела з внутрішнім опором , То конденсатор через діод заряджається до деякого значення , Яке докладено до електродів діода так, що він більшу частину періоду закритий, тобто працює у режимі відсічки (рис. 2, б). Протягом кожного періоду діод відкривається на певний проміжок часу , Коли , І конденсатор заряджається імпульсом струму до напруги ; Постійна часу заряду , Де - Опір відкритого діода. Потім діод закривається і конденсатор розряджається через резистор R протягом інтервалу ; Постійна часу розряду .

Постійні часу повинні відповідати таким умовам: і , Де , І - Межі частотного діапазону вольтметра. Очевидно, що і .

Результатом амплітудного перетворення є середнє значення слабопульсуючий напруги , Яке на відміну від U _m називають піковим значенням :

, (1)

де - Кут відсічення струму діода. Він дорівнює:

(2)

де

(3)

- Опір навантаження перетворювача з урахуванням вхідного опору підсилювача постійного струму .

Для оцінки U _m і за формулою (1) підставимо в (2) та (3) практичні значення опорів; R = 80 МОм, , ; Опором нехтуємо; знаходимо , І . Таким чином, .

Напруга надходить на вхід підсилювача постійного струму, вхідний опір якого велике, а вихідний - мале. УПТ служить для узгодження вихідного опору перетворювача з опором індикатора і для підвищення чутливості вольтметра.

Амплітудний перетворювач з закритим входом (рис. 3) являє собою послідовне з'єднання конденсатора постійної ємності С з паралельно з'єднаними діодом Д і резистором R. Процес перетворення постійної напруги в постійну аналогічний розглянутому вище, з тією відмінністю, що на затискачах 3 - 4 є значні пульсації напруги, для згладжування, яких передбачений фільтр .

Процеси перетворень тання пульсуючого напруги перетворювачем з відкритим і закритим входом різні і залежать від полярності підключення до вхідних затискачів 1 - 2 постійної складової пульсуючого напруги. Якщо на вхід амплітудного перетворювача з відкритим входом включено пульсуюча напруга так, що «+» постійної складової прикладений до анода діода, то вихідна напруга , Де - Постійна складова, - Амплітуда позитивного напівперіоду змінного складової (рис. 4, а).

Якщо до анода діода прикладений «-» постійної складової, то діод закритий весь час і перетворення немає. Якщо до анода амплітудного напруги з закритим входом докладено пульсуюча напруга, то конденсатор З заряджений постійної складової і перетворювач реагує тільки на змінну складову: якщо до анода діода прикладений «+», то вихідна напруга , А якщо «-», то (Рис. 4, б). Це корисна властивість вольтметрів з закритим входом вимірювати окремо значення напруги позитивного чи негативного напівперіодів широко використовується для визначення симетричності амплітудної модуляції, наявності обмеження сигналів і т. д.

Частотні властивості амплітудного перетворювача визначаються його еквівалентною схемою (рис. 5, а). Тут , і , - Індуктивності і опору проводів, що з'єднують зовнішні затискачі 1-2 з внутрішніми точками схеми 3-4; З _вх - сума всіх паразитних ємностей, наявних на вході: між затискачами 1 - 2, 3-4, сполучними проводами 1 - 3, 2 - 4, а також Міжелектродний ємність діода ; - Активне вхідний опір вольтметра, навантажувальне джерело вимірюваної напруги.

Опір визначається в основному двома складовими; тепловими ( ) Втратами в діод Д і резистори (Див. рис. 2, а і 3), а також втратами в діелектрику вхідний ємності . Обидві складові діють паралельно, і тому .
У перетворювачі з відкритим входом , З закритим входом - . Відомо, що втрати в діелектрику зростають з частотою, тому опір, еквівалентну втрат, зменшується: , Де - Кут втрат. Звідси випливає, що в міру зростання частоти вимірюваних напруг вхідний опір зменшується (рис. 5, б). Практично на низьких частотах становить одиниці мегаом, а на високих - десятки і навіть одиниці килоом.

Амплітудні (пікові) вольтметри характеризуються невисокою чутливістю (поріг чутливості ) Та широкою смугою частот (до 1 ГГц). Якщо застосувати піковий вольтметр із закритим входом, то втрата постійної складової імпульсного напруги викликає похибка і при малій шпаруватості. Тому в технічних характеристиках імпульсних вольтметрів, виконаних з амплітудним перетворенням, вказані граничні значення тривалостей імпульсів і їх шпаруватості, при яких свідчення вольтметра містять нормовані похибки.

Для точних вимірювань імпульсних напруг переважно застосовуються вольтметри компенсаційні (рис. 6, б). Тут амплітудне значення вимірюваної напруги, заряджає конденсатор С через діод Д, компенсується (врівноважується) постійним зразковим напругою (Рис. 6, в). У момент компенсації струм гальванометра дорівнює нулю і зразкове напруга дорівнює . Значення U _K зразкового напруги вимірюється точним вольтметром постійного струму.

За допомогою вольтметрів компенсаційного типу можна також вимірювати амплітудне значення синусоїдальної напруги і напруга постійного струму. Похибка визначається чутливістю покажчика компенсації - гальванометра і точністю установки і вимірювання зразкового напруги. Для цієї мети часто застосовують цифрові вольтметри. Для вимірювання дуже коротких імпульсів розроблені більш досконалі вольтметри з автокомпенсація (рис, 7). Принцип автокомпенсація полягає в перетворенні вимірюваної напруги в компенсує з наступним точним виміром його значення.

Вхідний імпульс через діод Д заряджає конденсатор до значення , Що забезпечується малою постійною часу ланцюга заряду сумірною з тривалістю імпульсу (Ємність конденсатора - Одиниці пікофарад). На конденсаторі С ₂ утворюється напруга U _{C 2,} яке через резистор надходить на конденсатор в якості компенсуючого. Елементи навантаження другого детектора і вибираються так, щоб їх постійна часу була багато більшої тривалості періоду проходження вимірюваних імпульсів: . Конденсатор З ₂ в інтервалах між імпульсами розряджається незначно. На вхід підсилювача У надходить різниця напруги ; Вихідна напруга підсилювача детектируется і заряджає конденсатор С _2. Чим більше коефіцієнт посилення підсилювача, тим ближче значення до . Напруга вимірюється цифровим вольтметром постійного струму ЦВ.

Переваги автокомпенсаціонних вольтметрів полягають у відсутності індикатора моменту компенсації - гальванометра і джерела зразкового напруги, а також у зменшенні похибки вимірювання.

5. Розрахунок дільника

Межі вимірювання вибираються кнопковим перемикачем шляхом включення відповідного резистора R 8 (мал.8) в ланцюг харчування стрілочного приладу (мікроамперметра).

Рис.8. Схема вибору меж вимірювання.

Дільник 1:10 напруги змішаного типу представлений на рис. 9:

Рис.9. Дільник напруги.

Для розрахунку дільника напруги 1:10 запишемо співвідношення для коефіцієнта перетворення:

, - Комплексні опору гілок з паралельними , і , . Для того щоб був частотно-незалежним, треба щоб виконувалася умова:
, Якщо це виконано, то отримаємо:

.

Тоді для дільника 1:10 отримаємо:

.

Приймемо , . А для ємностей отримаємо:

. Приймемо , Тоді

6. Межі вимірювань

Прилад має чотири межі вимірювання амплітуди імпульсів: 2, 5, 10 і 20 В.

7. Похибки

Похибка вимірювання амплітуди досліджуваної напруги визначається розрядом конденсатора за період вимірюваної напруги:

,

де Т - період вимірюваного сигналу; - Постійна часу ланцюга розряду.

Відносна похибка вимірювання вважаючи, що отримуємо: або з урахуванням розкладу в ряд функції:

,

обмежуючись першими двома членами ряду, маємо:

,

Де - Частота

З виразу випливає, що похибка тим більше, чим нижче частота вимірюваної напруги. Основна похибка пов'язана з частотою проходження імпульсів. Додаткова пов'язана зі скважностью імпульсів та їх тривалістю.

Висновки

Використовуючи електронну схему реєстрації напруги за допомогою амплітудного перетворювача з відкритим або з закритим входом можна виміряти пікове навантаження на неї, що дозволяє вимірювати імпульсні напруги.

Вимірювання імпульсних напруг за допомогою компенсаційних і автокомпенсаціонних вольтметрів дозволяє досягти більшої точності.