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
| 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 UC
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.
5. 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 
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.
|