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 +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.