Часть 2.

ИЗМЕРЕНИЕ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Глава 5.

ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИИ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ- КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЛЬТМЕТРОВ

Физические величины: сила тока и напряжение — являются важнейшими как в теории электричества, так и в электро- и ра­диотехнике. Они характеризуют интенсивность протекания элек­трического процесса. Единица силы тока — ампер является основ­ной единицей Международной системы (СИ) и воспроизводится на постоянном токе с помощью первичного эталона, построенного на основе токовых весов с высокой точностью. Среднее квадра­тическое отклонение результата измерения (СКО) составляет S = 4-10^-6, а неисключенный остаток систематической погрешнос- сти (НСП) не превышает 0 = 8-10~⁶. Единица напряжения — вольт является производной единицей, но в силу ее особой важ­ности воспроизводится на постоянном токе независимо от ампера также с помощью первичного эталона, созданного на основе эф­фекта Джозефсона со СКО 5 = 5-10~⁸ и НСП 0=10^—6. Высокая точность воспроизведения единиц силы тока и напряжения явля­ются, как известно, базой для повышения точности рабочих изме­рительных приборов. Передача размера единицы от эталона рабо­чим средствам измерения осуществляется на основе государст­венной поверочной схемы, предусматривающей ступени переда­чи, необходимые образцовые приборы, методику проведения по­верок и т. д.

В связи с необходимостью измерения тока и напряжения в ши­роком диапазоне частот созданы специальные эталоны ампера и вольта на переменном токе, соответствующие поверочные схемы и образцовая аппаратура.

Отметим особенности измерения силы тока и напряжения в радиоэлектронике.

Измерение тока и напряжения проводят в диапазоне от по­стоянного тока до частот 1... 2 ГГц. На более высоких частотах эти величины теряют свою однозначность, поскольку изменяют свое значение вдоль линии передачи и в ее поперечном сечении. Ток и напряжение на этих частотах измерять весьма сложно, по­скольку очень велико влияние измерительной цепи на измеряемую цепь. По указанным причинам на СВЧ предпочитают измерять мощность, а не ток и напряжение.

В электрических цепях удобней измерять напряжение, а не ток, поскольку вольтметр подключают параллельно исследуемой цепи и не приходится нарушать схему соединений. При измерении тока приходится разрывать цепь, что в ряде случаев приводит к большим искажениям процессов, протекающих в устройстве. В си­лу этих причин измерение силы тока производят на постоянном токе и переменном на частотах до 10 МГц.

В данной главе будем рассматривать только вопросы измере­ния напряжения. Измерители напряжения являются самой мно­гочисленной группой среди средств измерения, применяемых в радиоэлектронике. В основу классификаций вольтметров поло­жены следующие признаки.

1. Вид измеряемого напряжения: вольтметры постоянного тока (В2), переменного тока (ВЗ), импульсного тока (В4), селектив­ные (В6).

2. Тип применяемых измерительных преобразователей: элек­тромеханические и электронные.

3. Тип отсчетного устройства: стрелочные (аналоговые) и ци­фровые вольтметры.

Парк аналоговых приборов характеризуется единой конструк­тивной базой, идентичностью расположения органов управления, удобством эксплуатации, метрологической обеспеченностью.

Вольтметры с цифровой индикацией — наиболее точные при­боры. Они обеспечивают выдачу результатов измерения в коде для ввода в ЭВМ, что позволяет использовать их в автоматизи­рованных измерительных системах.

4. Тип структурной схемы: приборы прямого преобразования и уравновешивающего преобразования; приборы уравновешиваю­щего преобразования разделяют на приборы с автоматическим и ручным уравновешиванием.

5. Значение измеряемого напряжения: пиковое (амплитудное), среднеквадратическое и средневыпрямленное.

6. Частотный диапазон: низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, широкополосные вольтметры.

При рассмотрении вопросов измерения напряжения за основу примем классификацию вольтметров по виду измеряемого напря­жения (постоянное, переменное или импульсное). Средства изме­рения напряжения в каждом из этих случаев будем разделять на аналоговые и цифровые. Ограничимся при этом электронными вольтметрами как имеющими большее распространение и перспек­тивы развития.

2. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ВОЛЬТМЕТРОВ

Рассмотрим сначала структурные схемы прямого преобразова­ния аналоговых электронных вольтметров. Обобщенная структур-

Рнс. 5.1

ная схема вольтметра постоянного тока приведена на рис. 5.1,а. Она включает входное устройство, усилитель постоянного тока А1 и электромеханический измерительный прибор PV1. Входное устройство предназначено для создания высокого входного со­противления, чтобы уменьшить влияние вольтметра на измеряе­мую цепь. Оно состоит из делителей напряжения — аттенюаторов, с их помощью изменяют пределы измеряемых величин. В неко­торых вольтметрах входное устройство содержит эмиттерный по­вторитель (или истоковый — при использовании полевых транзис­торов) .

К УПТ предъявляются высокие требования: малый дрейф ну­ля, высокая стабильность усиления, малый уровень шумов. Для достижения этого УПТ охватывается глубокой отрицательной об­ратной связью. В вольтметрах постоянного тока высокой чувстви­тельности входной сигнал преобразуется в переменный, усиливает­ся и затем вновь преобразуется в напряжение постоянного тока.

Электромеханический измерительный прибор — это магнито­электрический микроамперметр с током полного отклонения 50... 200 мкА. В § 4.1 было показано, что измерительный механизм магнитоэлектрического прибора обладает большим моментом инерции и при подаче на него переменного напряжения частотой выше 10...30 Гц его стрелка остается неподвижной. Другими сло­вами. магнитоэлектрический прибор усредняет поданное на его вход напряжение, отклонение стрелки дает среднее значение на­пряжения (постоянную составляющую). Если же во входном на­пряжении содержатся низкочастотные составляющие (ниже 10 Гц), то стрелка будет совершать колебания относительно среднего значения. Для исключения этих колебаний напряжение на стре­лочный прибор подается через фильтр нижних частот (ФНЧ).

Обобщенная структурная схема вольтметра переменного тока показана на рис. 5.1,6. Принцип действия такого вольтметра со­стоит в преобразовании переменного напряжения в постоянное, которое измеряется стрелочным электромеханическим прибором. В качестве преобразователя переменного напряжения в постоян­ное используются пиковые (амплитудные) детекторы, детекторы среднеквадратического и средневыпрямленного значения напря­жения, термоэлектрические преобразователи. Следует подчерк­нуть, что применение того или иного преобразователя переменно­го тока в постоянный определяет способность вольтметра изме­рять то или иное значение напряжения.

На обобщенной схеме показаны усилитель переменного напря­жения А1 и УПТ А2, включенные после преобразователя U1. Од­нако в практических приборах применение обоих усилителей встречается очень редко. Используется либо додетекторное усиле­ние, либо последетекторное. Для нормальной работы почти всех преобразователей необходимо входное напряжение не менее до­лей вольта. Поэтому в высокочувствительные измерители напря­жения вводят усилители переменного напряжения, часто широко­полосные с полосой пропускания от единиц герц до десятков ме­гагерц. Для обеспечения чувствительности до 1 мкВ для додетек- торного усиления используется супергетеродинный приемник. Нижний предел измеряемого напряжения обусловливается естест­венными шумами.

Для обеспечения широкой области рабочих частот вплоть до 1 ГГц усилители переменного напряжения не применяют. Досто­инством схемы без предварительного усиления являются также малые нелинейные искажения. Однако реализовать высокую чув­ствительность при этом не удается. Применение УПТ иногда дик­тует необходимость согласовать выходное сопротивление преобра­зователя переменного напряжения с сопротивлением рамки маг­нитоэлектрического прибора. Пиковый детектор, например, имеет большое выходное сопротивление, которое будет шунтироваться сопротивлением рамки. Для согласования сопротивлений целесо­образно подключение УПТ.

На рис. 5.1,в показана обобщенная структурная схема вольт­метра с уравновешивающим преобразованием. На основе этой схемы строятся амплитудные вольтметры переменного и импульс­ного тока. Схема содержит цепь прямого и цепь обратного пре­образования.

В § 3.3 рассматривались достоинства уравновешивающего пре­образования. Здесь отметим, что в качестве устройства сравнения используются диодно-резисторные схемы, дискриминаторы на импульсных или туннельных диодах. Отметим, что в амплитудных вольтметрах переменного напряжения сравнение измеряемого на­пряжения с уравновешивающим (компенсирующим) осуществля­ется на постоянном токе, после детектирования измеряемого на­пряжения пиковым детектором.

В цепи прямого преобразования используются УПТ с конвер­тированием (преобразованием в переменное, усилением по пере­менному напряжению, преобразованием в постоянное напряже­ние), в цепи обратной связи включены различные преобразова­тели и формирователи уравновешивающего напряжения. Приме­няются, как правило, схемы уравновешивающего преобразования с неполной компенсацией, работающие в статическом режиме. Однако имеются также схемы с полной компенсацией, работаю­щие в астатическом режиме. Роль интегрирующего звена в цепи прямого преобразования выполняет человек-оператор, который уравновешивает схему. Измеряемое напряжение определяется из равенства U_X=U_K, где U_K— компенсирующее напряжение.

Рис. 5.2

Рассмотрим структурные схемы цифровых вольтметров (рис.

2. и рис. 5.3,а,б). В цифровых вольтметрах переменного напря­жения используется аналоговое преобразование измеряемого пере­менного напряжения в постоянное. В импульсных цифровых вольт­метрах находят применение специальные АЦП — амплитудно-вре­менные преобразователи, на которых остановимся при рассмотре­нии импульсных вольтметров. Поэтому здесь рассматриваются структурные схемы цифровых вольтметров постоянного напряже­ния. Различают цифровые вольтметры прямого и уравновешиваю­щего преобразования. В вольтметрах с уравновешивающим пре­образованием используются соответствующие АЦП.

Цифровые вольтметры прямого преобразования более просты по устройству, но имеют меньшую точность. Их различают по используемому способу аналого-цифрового преобразования: с вре­менным, временным с интегрированием и частотным преобразова­нием. Интегрирующие цифровые вольтметры, измеряющие среднее значение напряжения за время измерения, обладают повышенной помехозащищенностью. Структурная схема вольтметра включает в себя входное устройство, устройство для определения полярно­сти измеряемого напряжения, устройство для автоматического вы­бора измерения, АЦП, счетчик импульсов, преобразователь кодов (дешифратор) и цифровое отсчетное устройство (рис. 5.2). Вход­ное устройство содержит делители напряжения и предназначено для расширения пределов измерения. Оно обеспечивает достаточ­но высокое входное сопротивление вольтметра. Устройство опре­деления полярности измеряемого напряжения основано на опре­делении последовательности срабатывания двух устройств срав­нения. На первое подается пилообразное напряжение, принимаю­щее значения от —U до + U, и измеряемое напряжение. Устрой­ство срабатывает (выдает импульс) в момент равенства напря­жений. Другое устройство сравнения срабатывает в момент ра­венства пилообразного напряжения нулю. Сигнал полярности по­дается в цифровое отсчетное устройство.

Устройство автоматического выбора пределов измерения срав­нивает измеряемое напряжение с набором напряжений и управ­ляет делителем (подробнее см. § 14.2).

В качестве АЦП используют преобразователи, описанные в § 4.7. При рассмотрении АЦП «напряжение — частота» в его со­став не было включено устройство преобразования частоты в чис­ло импульсов, пропорциональное измеряемому напряжению. На структурной схеме указанное устройство включается в разрыв цепи между АЦП и счетчиком импульсов (см. рис. 5.2).

Цифровые вольтметры с уравновешивающим преобразованием содержат АЦП, построенные по этой структурной схеме. В § 4.7 был рассмотрен принцип действия одного из них. Существует две основные разновидности структурных схем последовательного во времени уравновешивания: с использованием программирующего устройства и цифрового счетчика. В них измеряемое напряже­ние уравновешивается дискретно-изменяющимся компенсирующим образцовым напряжением. На рис. 5.3,а,б показаны эти структур­ные схемы. Принцип работы первой из них ясен из рассмотрения АЦП поразрядного кодирования в § 4.7.

Рассмотрим работу вольтметра, построенного по схеме с циф­ровым счетчиком (рис. 5.3,6). Тактовые импульсы поступают на цифровой счетчик через управляющее устройство, определяющее порядок заполнения ячеек. Счетчик изменяет состояние элемен­тов преобразователя кода и компенсирующее напряжение. Изме­ряемое напряжение, поступающее на устройство сравнения, срав­нивается с компенсирующим напряжением. В зависимости от зна­ка этой разности на выходе устройства сравнения управляющее устройство либо продолжает пропускать тактовые импульсы на счетчик, либо нет. Значение измеряемого напряжения отсчитыва­ют, когда U_X^Uк. Затем управляющее устройство начинает но­вый цикл измерений: на нуль сбрасывается показание счетчика, в исходное состояние приводится компенсирующее напряжение, на счетчик начинают поступать счетные импульсы.

Применяются два режима уравновешивания: развертывающий и следящий. При развертывающем уравновешивании измерение производится циклами. В начале цикла все элементы приводятся в исходное состояние, как это имело место в только что рассмот­ренном примере.

В режиме следящего уравновешивания измерение проводится непрерывно, после достижения компенсации состояние элементов схемы не изменяется, если неизменной остается измеряемая вели­чина. При изменении измеряемой величины соответственно изме­няется компенсирующее напряжение. Для реализации такого ре­жима в рамках структурной схемы, показанной на рис. 5.3,6, циф­ровой счетчик должен быть реверсивным и иметь два входа: сум­мирующий и вычитающий. Управляющее устройство должно на­правлять счетные импульсы на суммирующий вход, если измеря­емое напряжение больше компенсирующего, и на вычитающий, если измеряемое напряжение меньше компенсирующего. Компен­сирующее напряжение будет изменяться, пока не наступит ра­венство, после чего отсчетное устройство высвечивает значение компенсирующего напряжения. Пока измеряемое напряжение не­изменно, счетные импульсы не попадают на счетчик. Режим сле­дящего уравновешивания обеспечивает большее быстродействие.

3. ИЗМЕРЕНИЕ ПОСТОЯННЫХ НАПРЯЖЕНИИ

Постоянное напряжение измеряют вольтметрами магнитоэлек­трической, электродинамической и электростатической систем. Для точных измерений служат компенсаторы постоянного напряжения, или потенциометры. Постоянные напряжения от долей вольта до нескольких киловольт измеряют электронными вольтметрами, главной особенностью которых является большое входное сопро­тивление, а следовательно, малое потребление мощности от объ­екта измерения.

Рассмотрим особенности упомянутых средств измерения по­стоянных напряжений.

Компенсаторы (потенциометры) постоянного тока. Применяют­ся для точного измерения постоянного напряжения и ЭДС. Прин­ципиальная электрическая схема потенциометра изображена на рис. 5.4, где GB1 — нормальный элемент с ЭДС Е_н, U_x и £_х —из­меряемые напряжение или ЭДС, Р — магнитоэлектрический галь­ванометр, Д_о6р — образцовый ре­зистор, сопротивление которого выбирается в зависимости от зна­чения рабочего тока / потенцио­метра и значения ЭДС нормаль­ного элемента, R — образцовый резистор с точно известным регу­лируемым сопротивлением, R1 — реостат и GB2 — вспомогательная батарея с напряжением.

Компенсационный метод измерения состоит в сравнении неиз­вестного напряжения U_x или ЭДС Е_х с известным падением на­пряжения Uк на образцовом резисторе.

Момент компенсации определяется по нулевому показанию магнитоэлектрического гальванометра (переключатель S1 в поло­жении 2). В этом случае U_X=U_K = IR. Рабочий ток / предвари­тельно устанавливается в цепи, питаемой вспомогательной бата­реей GB2, с помощью реостата R1. Для этого в положении 1 пе­реключателя переменным резистором R1 добиваются нулевых по­казаний гальванометра. При этом /Добр = £н. Измеряемое напря­жение U_x = RI=E_HR/R_o6p.

Компенсатор содержит набор образцовых резисторов, позволя­ющих получать необходимые значения рабочего тока. Важным свойством является то, что в момент компенсации схема не по­требляет мощности от источника напряжения или измеряемой ЭДС. Это и позволяет измерять ЭДС. Потенциометры бывают низкоомные для измерения малых ЭДС (десятки милливольт) и высокоомные для измерения напряжений 1 ... 2 В. Для измерения больших напряжений применяют делители. Потенциометры могут быть применены также для измерения тока и сопротивления. Они успешно применяются для поверки стрелочных вольтметров и ам­перметров постоянного тока. Потенциометры имеют класс точнос­ти от 0,005 до 0,01.

Источниками погрешности являются: отклонения действитель­ных значений ЭДС нормального элемента и сопротивлений образ­цовых резисторов от номиналов; неточность установки моментов компенсации, зависящая от разрешающей способности гальвано­метра; погрешность делителя (при измерении напряжений выше 2 В); температурные влияния, обусловленные, в частности, термо­контактной ЭДС.

Электронные вольтметры постоянного напряжения. Аналого­выми электронными вольтметрами измеряют постоянные напря­жения, начиная от единиц микровольт. Строятся они по структур­ной схеме, изображенной на рис. 5.1,а.

Усилители постоянного тока (УПТ), входящие в вольтметры, должны иметь стабильный коэффициент усиления и малый дрейф выходного напряжения. Это достигается применением усилителей, выполненных по мостовым схемам. Дестабилизирующие факто­ры действуют на обе половины моста одинаково. Помехи также действуют на соседние плечи примерно одинаково и не вызыва­ют дополнительного разбаланса моста. Отрицательная обратная связь делает работу усилителя стабильной, а его характеристику линейной в широких пределах.

При высокой чувствительности вольтметров для устранения дрейфа используются УПТ с конвертированием постоянного на­пряжения в переменное, амплитуда которого пропорциональна постоянному напряжению. Переменное напряжение усиливается многокаскадным усилителем переменного напряжения, на кото­рый не оказывают влияния факторы, вызывающие дрейф в УПТ. На рис. 5.5 изображена структурная схема микровольтметра по-

Рис. 5.5

стоянного напряжения. Она построена по принципу уравновеши­вающего преобразования и работает в режиме неполного уравно­вешивания. Входное устройство А1 обычно содержит интегриру­ющий фильтр для уменьшения влияния переменной составляющей, присутствующей во входном сигнале. УПТ выполнен по схеме с конвертированием. Измеряемое постоянное напряжение преобра­зуется в переменное прямоугольной формы. Для этой цели на входе УПТ часто применяется последовательно-параллельный ключ на полевых транзисторах. Управляющее напряжение часто­той обычно 400 Гц вырабатывается мультивибратором (G), соб­ранным на интегральной схеме, и формируется с помощью' диф­ференциальных усилителей.

Успешно применяются в настоящее время в качестве преобра­зователя-ключа вибропреобразователи. Управляющее напряжение в этом случае низкочастотное (40... 50 Гц). Этим напряжением питаются обмотки возбуждения вибропреобразователя и управля­ется синхронный детектор.

Переменное напряжение усиливается усилителем А2 и выпря- мляется синхронным детектором U2. Через эмиттерный повтори­тель постоянное напряжение подается на магнитоэлектрический микроамперметр Р1. Усилитель охватывается глубокой отрица­тельной обратной связью. Для переключения пределов измерения предусмотрен делитель в цепи обратной связи, который собирается на прецизионных постоянных резисторах, т. е. путем изменения коэффициента усиления усилителя. Синхронный детектор U2 ра­ботает по принципу удвоения напряжения, синхронизирован по фазе с сигналом на входе усилителя А2. В схеме синхронного де­тектора применяются также полевые транзисторы.

Основная погрешность микровольтметра составляет 1,5 ... 6,0%. Источниками погрешности являются: погрешность образцовой ап­паратуры, по которой производится градуировка, погрешность градуировки, случайная погрешность стрелочного прибора, неста­бильности канала преобразования, неравномерность шкалы, воз­никновение паразитных термо-ЭДС, обусловленных изменением тем­пературы в пределах нормальной области, наличие собственных шумов, которые сказываются на нижних пределах измерения. По указанной структурной схеме с применением вибропреобразовате­ля в УПТ работают находящиеся в эксплуатации серийные мик­ровольтметры В2-11, В2-15, В2-25.

В некоторых случаях требуются вольтметры постоянного на­пряжения с очень большим входным сопротивлением (10¹⁰... 10¹⁶ Ом). Тогда применяют электрометрические лампы, сеточные токи которых не превышают 10^-15 А, а сопротивление утечки входной сетки не менее 10¹⁶ Ом. Усиление постоянного напряжения осуще­ствляется с использованием конвертирования. Примером такого прибора может служить серийный электрометр ВК2-16. В качест­ве преобразователя постоянного напряжения в переменное исполь­зуется динамический конденсатор.

В электронных вольтметрах меньшей чувствительности в УПТ вместо конвертирования применяются высокостабильные устрой­ства с отрицательной обратной связью и операционные усили­тели.

Цифровые электронные вольтметры постоянного напряжения

являются одним из самых распространенных видов цифровых из­мерительных приборов, поскольку цифровые измерители других величин используют дополнительные преобразователи в постоян­ное напряжение. К достоинствам вольтметров относятся, помимо представления результата в цифровой форме, исключающей субъ­ективные погрешности, возможность автоматического выбора пре­делов измерения и полярности, быстродействие, возможность вво­да данных измерений в ЭВМ. Рассмотрим некоторые особенности построения вольтметров постоянного напряжения, их погрешнос­ти, характеристики и особенности применения.

Основные метрологические свойства определяются способом аналого-цифрового преобразования. Поэтому цифровые вольтмет­ры и классифицируют по способу аналого-цифрового преобразо­вания. В эксплуатации находятся вольтметры, использующие вре­менное преобразование, особенно часто с интегрированием вверх и вниз, частотное преобразование с интегрированием, преобразо­вание на основе поразрядного уравновешивания. Вольтметры строятся по схеме прямого и уравновешивающего преобразования.

Современные цифровые вольтметры часто для достижения вы­соких показателей в части точности и быстродействия используют сочетание различных способов АЦП и типов структурных схем» например, интегрирующего со способом поразрядного уравнове­шивания.

Кратко остановимся на погрешности цифровых вольтметров. При рассмотрении АЦП оценивалась погрешность преобразова­ния.

Погрешность аналого-цифрового преобразования составляет, по существу, погрешность цифрового вольтметра, поскольку сле­дующие за АЦП по структурной схеме преобразователи кодов и цифровое отсчетное устройство не вносят погрешностей, если они правильно сконструированы.

Основная погрешность цифровых вольтметров нормируется пределом допускаемой общей погрешности б_доп, которая обычно выражается двучленной формулой

iU-±J2i«.± («+»-&-).

где U_K — конечное значение предела измерения, U_x—измеряемое значение, а и b — постоянные величины, характеризующие класс прибора.

Основная погрешность цифровых вольтметров постоянного на­пряжения на уровне 1 В составляет 0,3 ... 0,003%.

4. ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРЕМЕННЫХ НАПРЯЖЕНИИ

В соответствии с проведенной выше классификацией вольтмет­ры переменного напряжения разделяют на пиковые (амплитуд­ные), вольтметры среднеквадратических и средневыпрямленных значений. Здесь будем рассматривать электронные вольтметры. Принцип работы электронного вольтметра переменного напряже­ния состоит в преобразовании переменного напряжения в посто­янное, прямо пропорциональное соответствующему значению пере­менного напряжения, и измерении постоянного напряжения элек­тромеханическим измерительным прибором либо цифровым вольт­метром.

Измеряемое электронным вольтметром значение переменного напряжения определяется типом применяемого измерительного

преобразователя переменного напряжения в постоянное. Здесь на основе более детальных структурных схем рассмотрим устройство электронных вольтметров переменных напряжений, требования к отдельным элементам, особенности построения, метрологичес­кие характеристики.

Вольтметры амплитудных значений. Отклонение указателя ам­плитудного вольтметра прямо пропорционально амплитудному (пиковому) значению переменного напряжения, независимо от формы кривой напряжения. Таким свойством не обладает ни одна из систем электромеханических измерительных приборов. В элект­ронных вольтметрах амплитудного значения используются пико­вые детекторы с открытым и закрытым входом.

Амплитудные вольтметры обладают наибольшим диапазоном частот (от десятков герц до 1 ... 2 ГГц) благодаря тому, что пре­образование осуществляется непосредственно на входе прибора. Амплитудный детектор конструктивно размещается в выносном пробнике, благодаря чему удается уменьшить влияние паразит­ных параметров вольтметра, вывести резонансную частоту вход­ной цепи за пределы диапазона частоты вольтметра.

Необходимая чувствительность (нижний предел измеряемых напряжений — единицы милливольт) достигается применением после детектора УПТ с большим коэффициентом усиления.

Вольтметры среднеквадратических и средневыпрямленных зна­чений требуют применения усилителя переменного напряжения, поскольку преобразователи переменного напряжения в постоян­ное обладают малой чувствительностью. Этой мерой решается во­прос о необходимой чувствительности, однако возникают трудно­сти обеспечения широкого диапазона частот. Амплитудные вольт­метры, чтобы выполнить требования в отношении диапазона час­тот, чувствительности и точности, строятся, как правило, по схе­ме уравновешивающего (компенсационного) преобразования как со статической характеристикой (автокомпенсационные вольт­метры), так и с астатической (компенсационные вольтметры.) На рис. 5.6 показана упрощенная структурная схема амплитудного

вольтметра с закрытым входом, построенного по схеме уравнове­шивающего преобразования. Измеряемое напряжение U_x подает­ся через входное устройство на вход пикового детектора с закры­тым входом (VD1, Cl, R1). На идентичный детектор (VD2, С2, R2) подается компенсирующее напряжение с частотой около 100 кГц, сформированное в цепи обратной связи. Постоянные на­пряжения, равные амплитудным значениям измеряемого сигнала и компенсирующего напряжения сравниваются на резисторах R1,R2. Заметим, что при малых напряжениях детекторы будут работать в квадратичном режиме, что приведет к погрешности вольтметра амплитудного значения.

Разностное напряжение подается на УПТ А1 с высоким коэф­фициентом усиления. Если напряжение на выходе УПТ положи­тельной полярности, что свидетельствует о превышении напряже­ния сигнала над компенсирующим или об отсутствии последнего, запускается ранее запертый генератор-модулятор, и компенсиру­ющее напряжение поступает через делитель обратной связи на детектор VD2, R2, С2. Генератор-модулятор представляет собой генератор, собранный по емкостной трехточечной схеме, усилитель и эмиттерный повторитель.

Превышение компенсирующего напряжения над измеряемым приводит к запиранию генератора-модулятора. Выходное напря­жение с амплитудой, пропорциональной амплитуде измеряемого напряжения и частотой 100 кГц, подается на детектор средневып- рямленного напряжения U1 и измеряется магнитоэлектрическим вольтметром PV1.

Важным требованием является идентичность передаточных ха­рактеристик детекторов сигнала и компенсирующего напряже­ния. Только при одинаковых характеристиках равенство выход­ных напряжений детекторов будет свидетельствовать о равенстве входных напряжений.

В установившемся режиме на резисторах R1 и R2 образуется некоторая разность напряжений AU=U_X—U_K. Величина этой раз­ности определяется из формул (3.7) — (3.9) и равна

A U= т—£/*. (5.1)

1+р/Г

где К и р — коэффициенты передачи цепи прямого преобразова­ния и обратной связи.

В данной схеме в цепь прямого преобразования входит УПТ, генератор-модулятор, в цепь обратного — делитель в цепи обрат­ной связи и детектор компенсирующего сигнала. Таким образом, для обеспечения высокой точности уравновешивания коэффициент усиления УПТ и генератора-модулятора должен быть достаточно высок. Поэтому УПТ выполняется по схеме с конвертированием. Напряжение, измеряемое магнитоэлектрическим вольтметром U₀, связано с амплитудным значением измеряемого напряжения U_mx соотношением

Umx—U о/р/Сэ,

(5.2)

где Кд — коэффициент передачи детектора средневыпрямленного значения; детектор линеен, поскольку сигнал большой.

Линейная зависимость U₀ от U_mx обеспечивает равномерную шкалу прибора.

Важный результат состоит в том, что уравнение измерения (5.2) не зависит от коэффициента в цепи прямого преобразования, где осуществляется основное усиление, а определяется только де­лителем цепи обратной связи с коэффициентом передачи детекто­ра отсчетного устройства.

Погрешность уравновешивания, как следует из (5.1), будет определяться цепями прямого преобразования и обратной связи:

6_y=At//t/x=l/(l-fP/C).

Пределы измерений можно переключать как в цепи обратной связи, так и на входе прибора.

Составляющими погрешности являются: погрешность образцо­вых средств при градуировке, случайная погрешность измерения постоянного напряжения магнитоэлектрическим прибором, по­грешность, обусловленная нестабильностью коэффициента переда­чи цепи обратной связи и коэффициента передачи детектора сред­невыпрямленного значения, неидентичность характеристик детек­торов, неуравновешенность схемы.

По подобной схеме работают выпускаемые промышленностью серийные амплитудные милливольтметры B3-36, B3-43. Основная погрешность на частотах до 30 МГц составляет 4...6%, на часто­тах до 1 ГГц — 25%. Шкалы амплитудных вольтметров градуи­руются в среднеквадратических значениях синусоидального на­пряжения. Недостатком является большая погрешность при изме­рении напряжений с большим уровнем гармонических составля­ющих.

Вольтметры среднеквадратических значений. Измерение СКЗ переменных напряжений требует применения измерительного пре­образователя переменного напряжения в постоянное, имеющего квадратичную характеристику. Тогда если это постоянное напря­жение подать на магнитоэлектрический вольтметр, то его пока­зания будут пропорциональными квадрату СКЗ. Если при граду­ировке шкалы провести операцию извлечения корня, то показания вольтметра будут пропорциональными СКЗ. При этом шкала бу­дет неравномерной.

Еще раз подчеркнем важное обстоятельство: градуировка

вольтметра с квадратичным детектором в СКЗ не зависит от фор­мы напряжения, с помощью которого проводилась градуировка. Следовательно, квадратичный вольтметр, проградуированный в СКЗ синусоидального напряжения, при измерении напряжения сложной формы дает СКЗ этого напряжения. Именно поэтому вольтметры СКЗ обеспечивают наиболее высокую точность при измерении СКЗ переменных напряжений, имеющих большое чис­ло гармоник.

Выше мы рассмотрели два вида преобразователей с квадра­тичной характеристикой: детектор с диодной цепочкой и термо­электрический преобразователь. Детектор с диодной цепочкой об­ладает значительной нестабильностью параметров, обусловленной нестабильностями элементов. Частотный диапазон ограничен сни­зу свойствами трансформатора, сверху паразитными параметра­ми цепочки, индуктивностью проводов, собственной емкостью и составляет 20 Гц...100 кГц. Для создания вольтметров общего применения такой диапазон узок.

Лучшие показатели в отношении частотного диапазона имеют термоэлектрические преобразователи. Однако они имеют малую чувствительность, что требует для обеспечения широкого частот­ного диапазона вольтметра широкополосного усилителя. Другой недостаток состоит в квадратичной шкале вольтметра, что созда­ет в работе с прибором определенные трудности.

Рис. 5.7

На рис. 5.7 показана структурная схема милливольтметра СКЗ переменных напряжений в диапазоне от десятков герц до де­сятков мегагерц, в котором устранены указанные недостатки. Это схема прямого преобразования, однако отдельные ее звенья охва­чены глубокой отрицательной обратной связью.

Остановимся прежде всего на схеме линейного преобразова­теля СКЗ на основе применения двух термопреобразователей. Два одинаковых термопреобразователя ВК1 и ВК.2 с косвенным подогревом включены встречно на входе УПТ. На нагреватель ЕК1 поступает усиленный измеряемый сигнал K_mU_x, где Кш — коэффициент преобразования входной цепи и усилителя, а нагре­ватель ЕК2 подключен к выходу УПТ.

Обозначив постоянное напряжение на термопарах Ui и U₂, а на выходе УПТ—U₃, можно записать: К{Е\—U₂)=U₃, где К — коэффициент усиления УПТ.

Каждый из термопреобразователей имеет квадратичную ха­рактеристику, так что U_} = KtKui²U²x и U₂ = Kt$²U²₃, где Кт — по­стоянная величина, характеризующая термопреобразователь; р— коэффициент обратной связи.

Подставив значения Д и Д в уравнение связи U_u U₂, получим

КК?Кш²и*_х—р*ККти*₃ = и₃,

ККтКш²и²_х = и₃+$²ККти*₃« $²KKtU²₃,

поскольку р²Л7(т£/²з»£/з. Тогда U₃ = ^~U_X.

р

Можно видеть, что уравнение преобразования вольтметра ли­нейно. Это значит, что шкала будет равномерна. Для достижения такого результата коэффициент усиления УПТ должен быть очень высок. Отметим, что рассмотренный линейный преобразователь не исключает свойства измерять СКЗ напряжений сложной формы.

Рассмотрим другие элементы структурной схемы.

Входное устройство обычно включает в себя истоковый повто­ритель и Т-образные аттенюаторы на высокочастотных резисто­рах, переключением которых достигается изменение пределов из­мерения. Широкополосный усилитель переменного напряжения должен обеспечить стабильное усиление в полосе частот от 20 Гц до 50 ...60 МГц. В усилителе применяется отрицательная обрат­ная связь и аддитивная коррекция. Однако время измерения из- за инерционности термопреобразователей составляет 1 ... 3 с.

Погрешность вольтметра включает следующие составляющие: погрешность образцовой аппаратуры, по которой производится градуировка, погрешность градуировки, случайная составляющая погрешности стрелочного индикатора, неидентичность термопар, неравномерность частотной характеристики, нестабильности эле­ментов схемы. Схема позволяет реализовать милливольтметр, из­меряющий среднеквадратическое значение напряжения от единиц милливольт до сотен вольт (с делителем) в диапазоне частот 20 Гц...50 МГц с основной погрешностью от 2,5... 10%. Верхние значения погрешности имеют место на краях частотного и дина­мического диапазона. По схеме, аналогичной рассмотренной, по­строены вольтметры среднеквадратических значений ВЗ-45, ВЗ-48, ВЗ-42, ВЗ-40, ВЗ-46. Шкалы приборов градуируются в среднеква- дратпческих значениях.

Вольтметры средневыпрямленных значений содержат преобра­зователь переменного напряжения в постоянное, пропорциональ­ное СВЗ измеряемого напряжения. Простейшие преобразователи этого типа были рассмотрены в гл. 4. Они обычно выполняются на основе двухполупериодных выпрямителей. Эти преобразовате­ли в качестве нелинейного элемента содержат вакуумные или по­лупроводниковые диоды, не содержат накопительных емкостей и поэтому обладают большим быстродействием по сравнению с вольтметрами СКЗ и пиковыми. Чтобы детектор работал на ли­нейном участке вольт-амперной характеристики, на него надо по­дать сравнительно большой сигнал (0,1...0,3 В). Поэтому вольт­метры СВЗ для обеспечения высокой чувствительности в широкой полосе частот должны иметь широкополосный усилитель перемен­ного напряжения. Высокими качествами последнего в значитель­ной мере будет определяться качество вольтметра. На точность

измерений в значительной мере будет влиять нелинейность волът- амперной характеристики, нестабильности параметров диодок, усилителя, других элементов выпрямителя. Для уменьшения этих влияний схему обычно охватывают глубокой отрицательной обрат­ной связью.

На рис. 5.8 изображена функциональная схема электронного вольтметра СВЗ. Измеряемое напряжение поступает на входное устройство, которое обеспечивает высокое входное сопротивление вольтметра и расширение пределов измерения. Затем напряжение подается на вход широкополосного усилителя А/ и после усиле* ния — на преобразователь переменного напряжения в постоянное. Схема охвачена глубокой отрицательной обратной связью, напря­жение обратной связи снимается с резистора R3 и подается на вход усилителя А/. Благодаря обратной связи исключается влия­ние диодов на коэффициент преобразования преобразователя пе­ременного напряжения в постоянное. Кроме того, улучшаются характеристики усилителя: уменьшается его нестабильность н нелинейность амплитудной характеристики. В диагональ диод­ного моста включен магнитоэлектрический прибор, показания ко­торого соответствует СВЗ входного напряжения.

Оценим коэффициент преобразования схемы: усилитель — ди­одный мост. Обозначим амплитуду напряжения на выходе усили­теля U_m вых, а амплитуду напряжения, поступающего с входного устройства на вход усилителя U_mBX. Тогда амплитуда тока /_твыа при R] = R2=R и R_di=Rd2 = Rd будет ImBux = U_mBu_K/(Ra + R+R3)_a а напряжение обратной связи U_mo6=I_m вых R3.

Запишем соотношение между выходными и входными напря- жениями усилителя: и_твЫх = K(U_mBX—I_mBbIXR3).

Подставив последнее соотношение в выражение для 1_т вых» получим 1_т вых = KU_{m вх}/ (1+/С) R3 + R + Ra-

Постоянная составляющая падения напряжения на сопротив­лении R очевидно будет равна среднему значению полуволны на­пряжения за период, т. е.

it 1 » Е> — _i KUm g» R

а напряжение в диагонали моста 5—94

Я ^т,ыхК п <1 + /0«3+К+К_а '

2 К и_т вх R

л (1 + Ю Rs + R + R$

л

св вх>

где Uсв вх — средневыпрямлен-

ное значение измеряемого напряжения на входе усилителя, полу­чаем Uo(a,b) ⁼ КпрК _Св вх, где Кпр — KR/ [ ( 1 + К)КЗ-гК-Ь^э] ■

При большом коэффициенте усиления К, так что КЗ»(К+ + Кэ)/К, Kn_P=R/R3.

Таким образом, коэффициент преобразования схемы при этих условиях не зависит от сопротивления диодов. Однако нестабиль­ности сопротивлений моста и сопротивления обратной связи бу­дут оказывать влияние иа коэффициент преобразования. Очевид­но, уравнение преобразования для вольтметра (с учетом входного устройства) можно записать

Г 0(аД) — Квх уКпрК_св вх- ЕСЛИ Квх у = 1 И Кпр ⁼ 1, ТО Uo(a,b) ~ U св вх*

Заметим, что в некоторых вольтметрах СВЗ индицируется по­стоянная составляющая не напряжения в диагонале моста, а на­пряжения между точкой b и точкой нулевого потенциала. Это на­пряжение через фильтр нижних частот подается, например, на аналого-цифровой преобразователь цифрового вольтметра.

Серийные вольтметры B3-38, B3-39, ВЗ-44 построены по схе­мам, подобным рассмотренным.

Современные вольтметры СВЗ обеспечивают измерение напря­жений от десятых долей милливольта до сотен вольт в диапазоне частот 20 Гц...10 МГц. Основная погрешность составляет 2,5...

... 10%.

Шкалы вольтметра СВЗ градуируются в СКЗ. Приборы осу­ществляют процесс измерений за 0,2 ... 0,5 с, т. е. являются самы­ми быстродействующими среди вольтметров переменного напря­жения.

Особенности цифровых вольтметров переменного напряжения.

Цифровые вольтметры применяются и для измерения перемен­ных напряжений. В этих приборах на входе предусмотрен изме­рительный преобразователь переменного напряжения в постоян­ное и последующее измерение постоянного напряжения цифровы­ми вольтметрами постоянного напряжения. В этом случае изме­рительные преобразователи цифровых вольтметров должны отве­чать ряду специфических требований, которые отличают такие пре­образователи от обычных детекторов. Прежде всего, это высокая линейность. Если в аналоговых приборах нелинейность может быть скомпенсирована градуировкой шкалы, то в цифровых не­линейность амплитудной характеристики преобразователя войдет в погрешность прибора. Коэффициент передачи должен быть рав­ным 10^ft (где k = 0, 1, 2, ...); пульсации преобразованного напря­жения должны быть очень малы.

Преобразователь вносит в процесс измерения дополнительную погрешность — погрешность преобразования.

Для повышения линейности и стабильности измерительных преобразователей переменного напряжения в постоянное в схемах детекторов используется глубокая отрицательная обратная связь. Примером может служить детектор средневыпрямленных значе­ний в схеме, показанной на рис. 5.8. Как указывалось, напряже­ние с точки b детекторного моста может быть подано через ФНЧ на цифровой вольтметр постоянного тока. Подобная схема преоб­разования позволяет получить погрешность преобразования ме­нее 0,2... 0,5% в диапазоне частот 100 Гц... 100 кГц.

В качестве преобразователя применяют также автокомпенса- ционные схемы, подобные изображенным на рис. 5.6.

Использование в цифровых вольтметрах переменного напря­жения преобразователей переменного напряжения в постоянное имеет, по крайней мере, два недостатка: 1) малое быстродействие вольтметра, что обусловлено необходимостью тщательной фильт­рации преобразованного напряжения, 2) при измерении напря­жения искаженной формы возникает методическая погрешность* которая во много раз может превысить погрешность прибора.

Стремление устранить эти недостатки привело к разработке схем преобразования переменного напряжения непосредственно в цифровой код. В них измеряемое переменное напряжение сравни­вается с образцовым переменным напряжением, имеющим ту же форму.

4. ИЗМЕРЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИИ

При измерении импульсных напряжений интересует обычно пиковое значение, поэтому для этой цели могут применяться пи­ковые вольтметры, построенные на основе пикового детектора. Импульсные вольтметры имеют структурную схему, показанную на рис 5.1,а. Однако при измерении импульсов большой скваж­ности напряжение на конденсаторе пикового детектора не уста­навливается равным пиковому значению, поскольку за время па­узы конденсатор успевает разрядиться. При малой скважности импульсов и применении детектора с закрытым входом возникает другая погрешность, связанная с неучетом постоянной составля­ющей. Оценим эти погрешности.

Погрешность, обусловленная неполным зарядом и значитель­ным разрядом конденсатора пикового детектора, может быть оце­нена из следующих соображений. Будем считать, что напряжение на конденсаторе U_c изменяется в течение периода незначительно и его можно считать постоянным и равным постоянной составля­ющей (£/_c=const). В установившемся режиме заряд, получаемый конденсатором за время действия импульса т, должен быть рав­ным заряду, теряемому за время паузы Т—т.

Получаемый конденсатором заряд q_:s~= j/з(t) « — -т (см.

о Я_д

т U_r

рис. 4.7), теряемый за время паузы q_p = li_P(t)dt=* т).

Приравнивая заряды и учитывая, что Rd-bRi^R, (Rd+Ri) /R = t₃/t_p, a Q = T/x, имеем

U с « — = ^

1 + ^тз Q/t_p ¹ + (Re + Ri) QIR

и систематическая погрешность X Uc Um Q

^Q Um ⁼ Q + R/(R_a + Ri) ⁽⁵'³⁾

Погрешность зависит как от параметров детектора вольтметра, так и от параметров импульсов. При Ri + Ro = 1 кОм, /?=1 МОм

при скважности Q = 100, погрешность 6q составит 1%. При боль­

ших скважностях погрешность будет возрастать. На практике име­ют дело со скважностями до 10³ ... 10⁹.

Оценим погрешность измерения пикового значения напряже­ния последовательности импульсов вольтметром с закрытым вхо­дом, связанную с неучетом постоянной составляющей. Пусть U₀ — постоянная составляющая импульсного напряжения U₀=U_m/Q. Па нагрузке детектора с закрытым входом она не будет присут­ствовать. Следовательно, постоянная составляющая на нагрузке будет меньше действительной, соответствующей пиковому значе­нию напряжения, на величину U₀. Тогда систематическая погреш­ность

д _ Um изм Um __ Um Up Um __ Up j_

и„

и„

При Q = 100, 6г. = 1

/о •

Рис. 5.9

u_m~ Q ■

Эта погрешность сказывает­ся лишь при измерении им­пульсных последовательностей с малой скважностью.

Ограничения пиковых де­текторов заставляют искать технические решения, устраня­ющие отмеченные недостатки.

Пиковый вольтметр повы­шенной точности. В этом вольт­метре уменьшается погрешность, связанная со скважностью после­довательности импульсов (рис. 5.9).

Измеряемое напряжение подается на делитель R3, R4, а с него на два пиковых детектора, образующих два канала измере­ния. На канал I (VD1, Cl, R1) подается полное напряжение, на

канал II (VD2, С2, R2) —уменьшенное в п раз. На конденсато­рах С1 и С2 выделяются постоянные напряжения Uс\ и Uc?' U_Ci~Um, U_c?~Um/n. За время паузы конденсаторы С/ и С2 разряжаются через R1 и R2 соответственно. Сопротивление рези­

стора R2 выбирается в п раз меньшим R1. Если конденсаторы С1 и С2 имеют одинаковые емкости, постоянная времени разряда в канале I t_Pi = C1R1 будет больше постоянной времени разряда в канале II т_Р2 = С2R2. В результате на начальном участке экспо­ненты скорости убывания напряжения на конденсаторах С1 и С2 оказывается одинаковыми.

Разность этих напряжений почти постоянна во времени и про­порциональна пиковому значению U_m■ Для получения разности напряжений U_Ci и U _С2 их подают на два входа дифференциаль­ного усилителя А1.

Воспользуемся выражением (5.3), учитывая, что R4<^R_a и Rat^Rl, /?Э2<СД₂, а также <Э/?э/Д<1,

Разность будет равна

AU_c = U_Ci—U_C3f*iU_n[(l — l/n)—QR_a(l/Rl—lfnR2)].

При Rl = nR2

AUc~U_m(l—l/n) = U_m(n—l)/n,

и разность не будет зависеть от скважности. Практически прини­мают л = 2...3. Точность измерения возрастает в 2—3 раза.

Двухканальный метод может улучшать характеристики и дру­гих преобразователей, основанных на заряде-разряде конденса­тора.

Ряс. 5.10

Компенсационные импульсные вольтметры. Для измерения им­пульсных напряжений, включая импульсы микросекундной и на- носекундной длительности, широко используются компенсицонные вольтметры. Принцип действия компенсационного импульсного во­льтметра состоит в том, что на некотором устройстве, часто называ­емым дискриминатором, производится сравнением пикового значе­ния импульса U_m с компенсирующим постоянным напряжением U_K, которое регулируется до достижения равенства U_m—U_K и является мерой пикового значения. Регу­лировка осуществляется вруч­ную (режим полной компенса­ции, астатическая характеристи­ка уравновешивания) либо авто­матически (режим неполной ком­пенсации, статическая характери­стика системы уравновешивания).

Рассмотрим сначала простей­шую схему компенациопного им­пульсного вольтметра (рис. 5.10). Вольтметр состоит из диода VD1 (дискриминатора) с нагрузкой R1, импульсного усилителя А1, порогового индикатора HL1 с неоновой лампой, источника компенсирующего напряжения GB1 и вольтметра постоянного на­пряжения PV1. Индикатор HL1 может находиться в двух устой­

чивых состояниях и характеризуется уровнем напряжения {У_ПОр> соответствующим переходу из одного состояния в другое. В от­сутствие импульсного напряжения на входе, при напряжении ком­пенсации, равном нулю, устанавливается одно из состояний ин­дикатора, например 0. При воздействии входного сигнала на на­грузке появляются импульсы и индикатор переходит в состояние 1. Это происходит в момент равенства напряжения Е батареи GB1 пиковому значению U_mx. При условии R_d<^Rl на резисторе R1 будет действовать напряжение из-за неполной компенсации: AU_R = U_mx—Е. Это напряжение представляет собой абсолютную погрешность измерения.

Условие перехода индикатора в другое устойчивое состояние: KAU_R^U_nop, где К — коэффициент передачи усилителя, и ДU_R = U_mx—E^UnaplK. Отсюда следует вывод, что при /(->оо, Unt-^E и ДП_д->0. Напряжение £/_пор стремятся сделать меньше, а коэффициент передачи усилителя — больше.

На практике погрешность не удается уменьшить только путем увеличения коэффициента передачи усилителя или чувствитель­ности индикатора. Это связано с тем, что рабочая точка на вольт- амперной характеристике переходит в экспоненциальную об­ласть, а главное, что характеристика не имеет острой отсечки тока.

За меру амплитуды импульсов целесообразно принять не Е, а Е_к, которое отличается от Е на величину постоянной составляю­щей на нагрузке диода, не зависящей от параметров сигнала.

Недостатком схемы является прямое прохождение импульса на вход импульсного усилителя через проходную емкость диода Сэ. Уменьшить влияние проходной емкости можно, если подключить параллельно нагрузке R диода конденсатор С/, который совмест­но с С_д образует для проходящего прямо сигнала делитель. Ем­кость конденсатора С/ должна быть достаточно большой, чтобы исключить прямое прохождение сигнала через Сэ. Однако увели­чение этой емкости выше некоторого предела может привести к тому, что амплитуда импульса на нагрузке диода R1 будет зави­сеть от длительности измеряемых импульсов вследствие недораз- ряда конденсатора. Минимальное значение емкости С1, при кото­ром емкостный делитель будет настолько ослаблять прямо про­ходящий сигнал, что не будет срабатывать индикаторная цепь, можно определить из условия

%В- >U_mx Сэ/(С_д + С_х) « U_mx С_д/С1.

К

Тогда

с\>-^-с_дк.

В пор

С другой стороны, постоянная времени заряда емкости С1 че­рез открытый диод должна быть менее минимально возможной длительности импульса х_тш исследуемого напряжения, т. е.

/?эС/<т_т1п. При этом условии длительность импульса на нагрузке диода примерно равна длительности измеряемого импульса.

При измерении последовательности импульсов наносекундной длительности используется метод расширения импульсов на на­грузке диода. На этом вопросе остановимся ниже. Здесь отметим только, что для этого постоянная времени разряда конденсатора С1 должна быть много больше постоянной времени заряда. Необ­ходимость расширения импульсов вытекает из трудностей построе­ния широкополосных усилителей в канале индикатора и невоз­можности обеспечить малое по сравнению с длительностью им­пульса время заряда конденсатора.

Измерение напосекундных импульсов требует применения быстродействующих элементов. Быстродействие обычных полу­проводниковых импульсных диодов в значительной степени снижа­ется за счет конечной величины заряда переключения. Увеличить полосу импульсных вольтметров можно применением в них тун­нельных диодов, быстродействие которых ограничивается лишь паразитными параметрами. В большинстве вольтметров на тун­нельных диодах используется схема уравновешивающего преоб­разования с автоматическим уравновешиванием. Основным уз­лом такого вольтметра является дискриминатор на туннельном диоде, выдающий сигнал в момент равенства амплитуды измеря­емого импульса и компенсирующего напряжения. Обычно спектр этого сигнала значительно уже спектра измеряемого импульса, поэтому индикация срабатывания может быть сделана весьма уз­кополосной.

Цегь ofoarnxou сЯязи

/fj

У

"К-

>-

-VV

У рехе/'?						Уаз6'я?ь/Уг:нэ -
'/С 'г ор >1
pUJpffPp		'■ Р ЯЗ < РЗР:-		Jpam’JpZ		ш,сг цепь

Jvutn/riephc/a

nGt?mopu,7/e//f,

Компенсирующий вольтметр (рис. 5.10) требует регулировок, прибор PV1 не является прямопоказывающим. Этого недостатка лишены автокомпенсационные вольтметры.

На рис. 5.11 изображена упрощенная структурная схема од­ного из двух каналов (канал положительных импульсов) автоком- пенсационного вольтметра, позволяющего измерять амплитуду ви­део- и радиоимпульсов, а также синусоидальных колебаний. Эта схема положена в основу серийного импульсного милливольтмет­ра В4-14.

Амплитуда измеряемого сигнала сравнивается с напряжением постоянного тока, вырабатываемого замкнутой системой импуль­сного авторегулирования.

В качестве элемента, на котором осуществляется сравнение, применен дискриминатор на туннельном диоде VD1.

Измеряемый сигнал поступает на входной каскад, выполнен­ный на высокочастотном транзисторе по схеме с общим эмитте­ром и отрицательной обратной связью по току, обеспечивающий высокое входное сопротивление и необходимую развязку от вхо­да. Далее сигнал поступает на дискриминатор на туннельном ди­оде VD1, который с помощью резисторов R3, R4, изменяющих ток от источников, выставлен на грань срабатывания. Дискриминатор срабатывает и запускает собранный на туннельном диоде триг­гер, назначением которого является формирование импульсов, не зависящих от амплитуды и длительности импульсов, вырабаты­ваемых дискриминатором и обеспечивающих надежный запуск следующего за ним одновибратора 1. Импульс с этого одновибра- тора через развязывающую цепь подается на одновибратор 2 схе­мы формирования компенсирующего тока. Кроме того, с одновиб­ратора 1 через усилитель поступает импульс сброса на дискрими­натор и триггер, которые устанавливаются в исходное состояние. Импульс с одновибратора 1 поступает также на каскад ускорения разряда накопительного конденсатора диодно-емкостного накопи­теля. При срабатывании одновибратора 2 схемы формирования компенсирующего тока происходит подзаряд емкости диодно-ем­костного накопителя, в результате чего на нагрузке эмиттерного повторителя на выходе диодно-емкостного накопителя появляется ступенька напряжения, вызывающая через сопротивление • обрат­ной связи ток, увеличивающий порог срабатывания дискримина­тора.

Описанные процессы в схеме повторяются при поступлении на вход прибора каждого очередного из последовательности изме­ряемых импульсов до тех пор, пока к приходу очередного импуль­са ток в цепи обратной связи не возрастает настолько, что порог дискриминатора несколько превысит амплитуду импульсов. По­скольку нарастание компенсирующего тока в цепи обратной свя­зи происходит малыми ступенями, то в этот момент времени ток в цепи обратной связи равен току, создаваемому сигналом во входной цепи дискриминатора, и пропорционален амплитуде из­меряемых импульсов.

После окончания очередного импульса конденсатор диодно­емкостного накопителя медленно разряжается до тех пор, пока какой-то импульс вновь не вызовет срабатывание дискриминато­ра. В схеме устанавливается режим, при котором ток в цепи об­ратной связи медленно пульсирует с некоторой собственной час­тотой около значения, равного амплитуде тока, развиваемого из­меряемым сигналом во входной цепи дискриминатора. Напряже­ние с нагрузки эмиттерного повторителя, пропорциональное ком­пенсирующему току, подается на магнитоэлектрический прибор PV1, шкала которого проградуирована в амплитудных значениях измеряемого сигнала.

Милливольтметр, построенный по этой схеме, позволяет изме­рять амплитуды видеоимпульсов, радиоимпульсов и синусоидаль­ных колебаний в пределах от 10 мВ до 100 В, длительности изме­ряемых видеоимпульсов 3 не... 100 мке, радиоимпульсов — 200 не ... 100 мке, частоты следования — 25 Гц...300 кГц, несу­щие— 1 ... 100 МГц. Погрешность измерений в пределах 4... 25%.

Заметим, что шкалы импульсных вольтметров градуируют по образцовым приборам в пиковых значениях импульсных напря­жений.

4. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ОДИНОЧНЫХ И РЕДКОПОВТОРЯЮЩИХСЯ ИМПУЛЬСОВ

Измерение напряжения периодических последовательностей импульсов облегчается тем, что имеется возможность накопить информацию о напряжении импульса при многократном воздейст­вии сигнала на измерительную систему. Потеря информации о сигнале в интервале между импульсами мала. Элемент преобра­зования в течение времени действия каждого из импульсов пери­одической последовательности восполняет эти потери. В связи с этим при измерении периодических сигналов нетрудно обеспе­чить независимость результатов измерения от энергии в импульсе.

При измерении же одиночного импульса энергии, необходимая для измерения, поступает в элемент преобразования лишь в тече­ние импульса.

Измерение напряжения одиночных импульсов длительностью более нескольких миллисекунд — задача нетрудная и решается путем использования вентильно-емкостных накопительных уст­ройств с применением в качестве вентилей электромеханических ключей. Более сложной задачей является измерение напряжения одиночных импульсов в микросекундном и наносекундном диапа­зонах длительностей. В этих диапазонах длительностей использу­ются электронные методы преобразования с применением ваку­умных н полупроводниковых диодов. В области малых амплитуд и длительностей существенное значение приобретают нелинейные и инерционные свойства этих элементов, затрудняющие преобра­зование информации об амплитуде одиночного сигнала. Возмож­ны два варианта построения логической схемы прибора: 1) на­копление — преобразование — запоминание — индикация инфор­мации; 2) накопление — преобразование — индикация — запоми­нание информации. Первый путь подходит для аналоговых прибо­ров со стрелочной индикацией, второй—для цифровых приборов.

Затем, что в большинстве случаев нас будет интересовать пи­ковое значение напряжения.

Рассмотрим кратко методы измерения напряжения одиночных и редкоповторяющихся видеоимпульсов. Измерение радиоимпуль­сов проводят, как правило, путем преобразования радиоимпульсов в видеоимпульс.

Применяются три основных метода измерения напряжения оди­ночных и редкоповторяющихся импульсов: 1) метод, основанный на преобразовании импульсного напряжения в квазипостоянное на заданном интервале времени (метод расширения импульсов); 2) метод амплитудно-временного преобразования; 3) интеграль­ный метод. Последний в данной книге не рассматривается.

Метод, основанный на преобразовании импульсного напряже­ния в квазипостоянное. Этот метод находит применение, посколь­ку имеется возможность использовать для измерения обычные простые отсчетные устройства на постоянном токе. Принцип дей­ствия устройств, в которых реализован указанный метод, состоит в преобразовании импульсов в значительно более широкие с по­мощью диодно-конденсаторных расширителей импульсов и изме­рении амплитуды этих расширенных импульсов с помощью изме­рительных приборов с малым потреблением энергии. Расширите­ли импульсов расширяют (запоминают) сигнал на уровне, близ­ком к его пиковому значению. Для получения эффекта расшире­ния необходимо, чтобы постоянная времени разряда накопитель­ного конденсатора была бы много больше постоянной времени заряда. Понятно, что приемлемый прямоотсчетный прибор будет оказывать влияние на выполнение этого требования.

В качестве измерителей постоянного напряжения в подобных устройствах применяются приборы, имеющие большое входное сопротивление: электростатические вольтметры, электронные элек­трометры, а также обычные высокоомные стрелочные и цифровые приборы. Первые два из названных приборов обладают чрезвы­чайно малым токопотреблением. Входное сопротивление электри­ческих вольтметров, например, больше 10¹⁴ Ом. Однако при по­вышенной влажности и изменении температуры не удается обес­печить постоянство входного сопротивления. При создании и эк­сплуатации подобных вольтметров выбор отсчетного прибора оказывает большое влияние на достигаемые результаты.

Показателем расширителя импульсов служит коэффициент расширения:

^Ср^Тр/Тв х,

где т_Р — длительность расширенного импульса; твх — длительность входного импульса.

Длительность расширенного импульса ограничена разрядом накопительного конденсатора и допустимым отклонением напря­жения от амплитуды U_m. При коротких входных импульсах нако­пительный конденсатор не будет успевать заряжаться, так что напряжение на нем не достигнет U_m. Поэтому длительность вход­ного импульса также ограничена допустимым отклонением на­пряжения на конденсаторе от величины Ь\„.

Коэффициент расширения одной ступени расширителя импуль­сов обычно не превышает 10³. Для получения большего коэффи­циента расширения применяют многоступенчатые расширители им­пульсов. Какие же требуются коэффициенты расширения? Пусть требуется измерить импульс длительностью 0,1 мке стрелочным прибором с временем установления показаний т_Р=3 с. Коэффи­циент расширения Кр при этих условиях должен быть Др^З-10⁷. Ясно, что с одним каскадом расширения такого значения Кр до­стигнуть нельзя. На рис. 5.12 изображена функциональная схема многокаскадного расширителя. Коэффициент расширения «-кас­кадного расширителя

*р= П Kpi-

!=1

Ненелесообразно применять больше 2—3 каскадов, так как при большем их числе ухудшается стабильность работы расширителя из-за влияния температуры (на полупроводниковые приборы). Коэффициент расширения можно увеличить, если применить схе­му ускорения времени заряда, а также отрицательную обратную связь, замедляющую разряд накопительного конденсатора.

Метод измерения амплитуды импульсов на основе амплитуд­но-временного преобразования. Амплитудно-временное преобразо­вание заключается в преобразовании амплитуды измеряемых им­пульсов в интервал времени, пропорциональный амплитуде им­пульса. Измерение амплитуды сводится к измерению этого интер­вала времени с помощью цифрового измерителя временных ин­тервалов, что может быть выполнено с большой точностью.

Структурная схема преобразователя изображена на рис. 5.13. Преобразование осуществляется следующим образом. За время действия импульса конденсатор С заряжается через диод VD до пикового значения напряжения. По окончании импульса конден­сатор заряжается через стабилизатор тока, поэтому напряжение на конденсаторе изменяется линейно.

Рис. 5.13

Устройство формирования интервала в начале и конце раз­ряда вырабатывает импульсы. Интервал времени вследствие ли­нейности разряда равен

T=Um/v = KnU_m,

где v — скорость изменения напряжения; Кп — коэффициент пре­образования.

Реализация погрешности измерения напряжения может быть представлена как 8U_m=8T—8v + ftU_c 1—8U_C2, где бТ — погрешность измерения интервала времени, 8v — погрешность вследствие неточ­ности определения и нестабильности скорости изменения напря­жения на конденсаторе (погрешность преобразования), 8U_C\ — погрешность, обусловленная недозарядом накопительного конден­сатора за время импульса, ftUc2— погрешность, вызванная скач­ком напряжения при подключении проходной емкости диода VD параллельно емкости конденсатора С в момент окончания импуль­са (напряжение уменьшается).

Погрешность вследствие недозаряда накопительного конден­сатора 8Ua оценивается обычно на основе аппроксимации вольт- амперной характеристики диода линейной функцией (случай боль­шой амплитуды). Учет нелинейности вольт-амперной характерис­тики вакуумного или полупроводникового диода дает следующее

значение погрешности: 8U'_CI = —^—f(p)> ^гД^е ^ — параметр ап>

Я U_m

проксимации начального участка вольт-амперной характеристики нелинейного элемента¹,f(p)—логарифмическая функция, зави­сящая от параметров преобразователя, длительности импульса и не зависящая от амплитуды преобразуемого сигнала [13].

Значительное влияние на результат оказывает погрешность из-за неточности определения и нестабильности скорости измене­ния напряжения на конденсаторе би. При разряде конденсатор шунтируется сопротивлениями утечки, обратным током диода, вы­ходным сопротивлением устройства формирования. Указанные со­ставляющие тока разряда не стабилизируются стабилизатором.

Существенное влияние на погрешность имеет ток через вакуум* ный диод.

При U_C>U отс, где Uо тс — напряжение отсечки, диод проводит в обратном направлении, и U_c быстро спадает до нуля. Эту со- ставляющую погрешности можно устранить, если в момент окон­чания заряда конденсатора вместо источника входного сигнала подключить напряжение, превышающее U_m. Разряд конденсатора будет происходить при запертом диоде.

Для уменьшения погрешности из-за недозаряда накопительно* го конденсатора применяется схема двухканального амплитудно* временного преобразователя, с выхода которого снимается раз­ностный сигнал. Длительность его при определенных соотноше- ниях в схеме слабо зависит от недозаряда накопительного кон­денсатора.

По подобной схеме построен амплитудно-временной преобра- зователь цифрового импульсного вольтметра В4-17, который обес* печивает измерение пикового значения напряжения одиночных и редкоповторяющихся видеоимпульсов от 100 мВ до 1000 В дли* тельностью от 0,2 до 1000 мкс с основной погрешностью менее 5%.

4. ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ КРИВОЙ НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОКАЗАНИЯ ВОЛЬТМЕТРОВ

Напряжение характеризуется пиковым (амплитудным) значе* нием и тремя интегральными параметрами: среднеквадратическим (СКЗ), средним, средневыпрямленным (СВЗ) значениями. Из* менение формы приводит к изменениям значений напряжения. Вольтметры в зависимости от используемого детектора фактиче* ски измеряют то или иное значение напряжения: пиковое, СКЗ, СВЗ. Однако шкалы подавляющего большинства вольтметров гра* дуируют в СКЗ на синусоидальном напряжении. Исключение со­ставляют импульсные вольтметры, которые градуируются в пико­вых значениях. Поэтому при измерении среднеквадратического значения напряжения не строго синусоидальной формы с помощью вольтметра, содержащего пиковый детектор или детектор средне- выпрямленного значения, будет возникать погрешность. В пас­портах некоторых вольтметров указывают допустимую степень искажения измеряемого синусоидального напряжения. Например, для вольтметра В5-12 допускаемое значение коэффициента гармо­ник измеряемого напряжения Кг^1%. ГОСТ 9781—78 требует указывать степень изменения показания вольтметра при отклоне­нии формы кривой измеряемого напряжения от синусоидальной формы.

Выполнение измерений и оценка погрешностей связаны с не­обходимостью определять с помощью любого вольтметра любое значение напряжения при несинусоидальной форме напряжения.

Рассмотрим, как измерить любым вольтметром переменного напряжения каждое из значений синусоидального напряжения. Как измерить значения напряжения несинусоидальной формы?

На первый вопрос несложно ответить. Чтобы получить ампли­тудное или СВЗ синусоидального напряжения, независимо от ти­па вольтметра, показание вольтметра в СКЗ надо умножить со­ответственно на коэффициент амплитуды синусоидального напря­жения = 1,41 или на коэффициент, обратный коэффициенту формы синусоидального напряжения &'ф=1/£ф = 0,9 (см. § 4.3).

Чтобы ответить на другой вопрос, еще раз вспомним, что фак­тически измеряемое вольтметром значение напряжения определя­ется типом детектора: какой детектор, такое и значение напряже­ния фактически измеряет этот вольтметр. Если детектор пиковый, то вольтметр измеряет пиковые значения напряжения при любой форме кривой напряжения. Поэтому, если цифры на шкале ум­ножить на коэффициент амплитуды синусоидального напряжения &_а=1,41, получим градуировку в пиковых значениях, справедли­вую при любой форме напряжения. Так же можно рассуждать и в случае вольтметра с детектором СВЗ. Вольтметр фактически из­меряет СВЗ напряжения при любой форме напряжения.

Чтобы получить СВЗ, показание прибора надо умножить на 1/&_Ф = 0,9 (1/&_Ф).

Остается рассмотреть, как скорректировать показание вольт­метра для получения различных значений напряжения при неси­нусоидальном напряжении, зная его k_a и k$. Измеряя напряжение несинусоидальной формы, например, вольтметром с пиковым де­тектором, необходимо получить среднеквадратическое и средне- выпрямленное значение напряжения. Сначала надо определить то значение несинусоидального напряжения, которое вольтметр фак­тически измеряет. В нашем случае это пиковое значение. Его на­ходим, умножая показание на коэффициент амплитуды синусои­дального напряжения (Л_а = 1,41). Зная одно из значений перемен­ного напряжения, другие два значения можно найти по коэффи­циентам амплитуды и формы данного несинусоидального напря­жения. i

Таблица 5.1

Множители для определения значений несинусоидального напряжения по показаниям вольтметра

Тип детектора вольтметра	Пиковое значение	СКЗ	СВЗ
Пнкозый	1,41	1,41	1,41
		ка	к ;i к ф
Среднеквадратического значения СКЗ		1	1
			кф
Средневыпрямленного значения СВЗ	0,9 клкф	0,9 кф	0,9
Пиковый импульсного вольтметра	I	1	1
		ка	к&кф

В табл. 5.1 приведены множиГ^ли, связывающие показания прибора с различными значениями -переменных напряжений.

Таким образом, зная форму напряжения и тип детектора вольтметра, можно измерить любое значение напряжения. Однако измерения не будут прямыми: потребуется показание вольтмет­ра умножать на некоторый множитель.