Главная | О нас | Обратная связь Автоматизация Автостроение Антропология Археология Архитектура Астрономия Предпринимательство Биология Биотехнология Ботаника Бухгалтерский учет Генетика География Геология Государство Демография Деревообработка Журналистика и СМИ Зоология Изобретательство Иностранные языки Информатика Информационные системы Искусство История Кинематография Кораблестроение Кулинария Культура Лексикология Литература Логика Маркетинг Математика Математический анализ Материаловедение Машиностроение Медицина Менеджмент Металлургия Метрология Механика ОБЖ Охрана Труда Педагогика Политология Правоотношение Программирование Производство Промышленность Психология Радио Разное Социология Спорт Статистика Строительство Теология Технологии Туризм Усадьба Физика Физиология Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электротехника Структурная схема аналогового электронного импульсного вольтметра, принцип работы импульсного вольтметра 2019-11-13 341 Обсуждений (0) Структурная схема аналогового электронного импульсного вольтметра, принцип работы импульсного вольтметра 0.00 из 5.00 0 оценок Скачать документ 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

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_{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 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.

Расчет делителя

Пределы измерения выбираются кнопочным переключателем путем включения соответствующего резистора R 8 (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

Пределы измерений

Прибор имеет четыре предела измерения амплитуды импульсов: 2, 5, 10 и 20 В.

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.

2019-11-13

341

Обсуждений (0)

Структурная схема аналогового электронного импульсного вольтметра, принцип работы импульсного вольтметра 0.00 из 5.00 0 оценок

Скачать документ