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.
Страницы: 1, 2
