Импульсные вольтметры

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение………………………………………………………………………   3

1. Кодово-импульсный метод измерения напряжения……………………...4

2. Структурная схема аналогового  электронного импульсного вольтметра, принцип работы импульсного вольтметра……………………………………7

3. Расчет делителя………………………………………………………………14

4. Пределы измерений………………………………………………………….15

5. Погрешности…………………………………………………………………16

Вывод…………………………………………………………………………….17

Список литературы………………………………………………………………18

 

 

 

Введение

Вольтметр – измерительный  прибор непосредственного отсчёта  для определения напряжения или  ЭДС в электрических цепях. Подключается параллельно нагрузке или источнику  электрической энергии.

По назначению вольтметры разделяются на:

1) постоянного тока;

2) переменного тока;

3) импульсные;

4) фазочувствительные;

5) селективные;

6) универсальные.

По принципу действия вольтметры разделяются на:

1) электромеханические —  магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, выпрямительные, термоэлектрические;

2) электронные — аналоговые  и цифровые.

 Преимущества цифровых  вольтметров по сравнению с  аналоговыми заключаются в уменьшении  погрешности измерений и компактности.

 

1.1 Кодово-импульсный  метод измерения 

Рассмотрим принцип работы этого метода [1].

Структурная схема цифрового  вольтметра (ЦВ) для измерения постоянного  напряжения кодово-импульсным методом  приведена на рисунке 1. Временные  диаграммы, поясняющие принцип работы этой схемы при измерении положительного и отрицательного напряжений приведены на рисунке 2.

Рисунок 1 – Структурная  схема ЦВ кодово-импульсного типа

 

 

 

 

а – при измерении положительного напряжения; б – при измерении  отрицательного напряжения

Рисунок 2 – Временные  диаграммы

 

Рассмотрим алгоритм работы схемы при измерении положительного напряжения.

При нажатии кнопки Пуск (момент времени t₀ на рисунке 2) генератор периода измерения выдает импульс 7 (см. рисунок 1) для сброса показаний десятичного счетчика, и одновременно импульс 1 запускает генератор линейно изменяющегося напряжения, с которого на устройства сравнения УС1 и УС2 подается напряжение пилообразной формы 2. Это напряжение изменяется от значения Umax до значения Umin. Измеряемое напряжение Ux подаётся через входной усилитель или входной делитель (в зависимости от выбранного предела измерений) на устройство сравнения УС1. В момент равенства измеряемого напряжения Ux и напряжения пилообразной формы, подаваемого на второй вход устройства сравнения УС1, устройство сравнения срабатывает (момент времени t₁). А в момент прохождения пилообразного напряжения через нуль срабатывает устройство сравнения УС2, на второй вход которого подается нулевой потенциал (момент времени t₂). Импульсы 4 и 3 соответственно с выходов УС1 и УС2 подаются на схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, на выходе которой формируется импульс Тх, длительность которого пропорциональна входному измеряемому напряжению Ux. Импульс длительностью Тх подается на трехвходовую схему И, на два других входа которой подаются сигналы с генератора опорной частоты 8 и с генератора периода измерения. На выходе схемы И сигнал 9 появляется только в момент его наличия на всех трех входах. Таким образом, на выходе схемы И формируется пачка импульсов опорной частоты, число которых Nx пропорционально длительности импульса Тх и, следовательно, измеряемому напряжению. Число импульсов Nx с выхода схемы И подсчитывается десятичным счетчиком, дешифруется и отображается на цифровом индикаторе. Между числом импульсов Nx, зарегистрированных счетчиком, и измеряемым напряжением существует простое соотношение

,

где Ux— входное напряжение, В,

 — частота генератора   опорной   частоты, Гц,

= — период опорной частоты, с,

- скорость изменения (крутизна) линейно изменяющегося    напряжения, ,

— коэффициент преобразования напряжения Ux во входном усилителе (или делителе).

Подбором  и добиваются того, чтобы значение Nx точно соответствовало значению измеряемого напряжения. Например, чтобы Ux = 1 В = 1000 мВ соответствовало Nx = 1000 импульсов.

Очередность срабатывания устройств  сравнения определяет полярность измеряемого напряжения. При положительном напряжении первым  срабатывает  УС1,  затем УС2. При отрицательном напряжении - наоборот. Для определения очередности срабатывания устройств сравнения служит детектор полярности, выходной сигнал которого подается на индикатор полярности.

Возврат генератора линейно  изменяющегося напряжения в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измерению осуществляются импульсом генератора периода измерения после истечения времени Т₁+ Т₂.

Преобразование постоянных напряжений по этому методу нашло достаточно широкое распространение благодаря сравнительно простой его реализации, возможности его полного выполнения на интегральных микросхемах. Погрешность метода определяется нелинейностью и нестабильностью линейно изменяющегося напряжения (т. е. непостоянством ) и погрешностью, обусловленной нестабильностью порога срабатывания устройств сравнения. Основной недостаток метода — невозможность подавления напряжения помех. Для устранения этого недостатка на входе прибора включают фильтр, что приводит к существенному увеличению времени измерения.

2. 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

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 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 3) 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 .

             

                         1              Д

               U~      R_i                         +      C     R     U_пик

    

                    2 

Рис. 3. Принципиальная схема  амплитудного преобразователя с  открытым входом

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. 4) 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 .

                 1              С                                    3         R_ф

• R_д

    U~                                     Д                      R                       С_Ф      U_пи

               2                                                   4

Рис. 4. Принципиальная схема амплитудного преобразователя с закрытым входом

 

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. 5, а).

Рис. 5. Диаграммы напряжении в амплитудных преобразователях: а—с открытым входом; б — с закрытым входом

 

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. 5, 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.

Сопротивление определяется в основном двумя составляющими; тепловыми ( ) потерями в диоде Д и резисторе , 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 . Амплитудное значение измеряемого напряжения, заряжающее конденсатор С через диод Д, компенсируется (уравновешивается) постоянным образцовым напряжением . 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 . 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.