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.

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

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 С₂ образуется напряжение U_C2, 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.