книги из ГПНТБ / Атамалян Э.Г. Методы и средства измерения электрических величин учеб. пособие

= 141

При измерении синусоидального напряжения, учитывая, что раз­ мах / соответствует двойной амплитуде синусоиды, получают

где Су = Ак/Г—коэффициент отклонения по вертикали. Отсюда

Действующее значение синусоидального сигнала

U = UJ У 2.

Если измерение выполнено при коэффициенте деления kA, а ка­ либровка при коэффициенте k’A, то

где kA, kA могут быть равны 1 ; 1 / 1 0 ; 1 / 1 0 0 ; 1 / 1 0 0 0 .

Этот метод применим и для определения мгновенного значения напряжения в любой момент времени t. Для этого исследуемую ос­

сетка расположены в разных плоскостях; погрешность номиналов эле­ ментов входного делителя канала и калибратора напряжения; конеч­ ный размер пятна электронного луча на экране; кривизна экрана и др.

Измерение тока при помощи осциллографа осуществляют косвен­

ным методом: определяют амплитуду напряжения на известном со­ противлении, а затем вычисляют величину тока. Если в цепи, где из­ меряется ток, нет соответствующего сопротивления, то в нее специально включают малое сопротивление R ^ (0 ,0 1 -ь 0 ,0 2 ) ■/?цс.п„, которое не нарушает работы исследуемой цепи.

Одновременное измерение двух напряжений одной частоты воз­ можно с помощью двухлучевого осциллографа, который имеет две самостоятельные электроннолучевые системы, синхронную подачу развертывающего напряжения и один общий экран, либо с помощью однолучевого осциллографа и электронного коммутатора.

§ 4-8. Измерение напряжения повторяющихся импульсов

Основные сведения. Процесс определения амплитудных и времен­ ных параметров импульсного напряжения с помощью осциллографа длителен и выполняется с большой погрешностью (см. § 3.2). Более

112

Для того чтобы показания вольтметра почти не зависели от вре­ менных характеристик измеряемых импульсов, необходимо, чтобы

где RC — постоянная цепи разряда конденсатора С; Т — период пов­ торения измеряемых импульсов.

Можно считать, что разрядное сопротивление не влияет на процесс заряда конденсатора, зарядный ток емкости равен току, протекаю­ щему через диод во время заряда, а напряжение на конденсаторе по­ стоянно. Для уменьшения погрешности измерения постоянная времени заряда

должна быть равна примерно т,„ а постоянная времени разряда — больше или равной 1 0 Т.

Импульсные вольтметры выполняют чаще по схеме с закрытым входом (вольтметры В4-2; В4-3 и др.). При закрытом входе вольтметр измеряет пиковое значение U'Mимпульсных напряжений без постоян­ ной составляющей Ug, т. е.

При большой скважности постоянная составляющая напряжения, равная UK(т,,/Т), мала, практически не влияет на показания вольт­ метра. Метод прямого выпрямления не обеспечивает необходимой точ­ ности при больших скважностях измеряемых импульсов. Погрешность измерения обусловлена тем, что за время действия короткого импульса конденсатор не успевает полностью зарядиться, а в промежутках между импульсами значительно разряжается, в результате чего выпрямлен­ ное напряжение на конденсаторе за период повторения Т импульса заметно меньше UK.

Для измерения размаха напряжения прямоугольной формы исполь­ зуют вольтметры, схема которых представляет собой параллельное соединение двух пиковых детекторов с закрытым входом.

Шкалы импульсных вольтметров градуируют в амплитудных ве­ личинах образцового синусоидального напряжения, которые справед­ ливы и для пиковых значений несинусоидальных напряжений.

И зм е р е н и е н а п р я ж е н и я а в т о к о м п е н с а ц и о н н ы м и м п у л ь с н ы м в о л ь т ­

м етром . Измерение амплитуды импульсного напряжения осущест-

114

вляют методом сравнения последнего с калиброванным постоянным напряжением. Компенсирующее постоянное напряжение при компен­ сационном методе устанавливают вручную, а при автокомпенсационном — с помощью автоматически замкнутой следящей системы. На рис. 4-20 представлена схема автокомпенсационного вольтметра с от­

жения на конденсаторах становятся одинаковыми до прихода следую­ щего импульса.

Напряжение на конденсаторе Сг создает отрицательное смещение на диоде Д и поэтому следующий положительный импульс частично прой­ дет через него. Таким образом, каждый последующий импульс будет заряжать конденсаторы Сх и С2 до тех пор, пока напряжение на них не сделается равным амплитуде положительного импульса. Величину этого напряжения отмечают ИП.

Входное сопротивление вольтметра составляет величину от не­

туннельном диоде ТД. В момент равенства амплитуды измеряемого импульса и постоянного компенсирующего напряжения дискримина­ тор выдает сигнал. Длительность этого сигнала шире, чем длительность измеряемого импульса, что достигается постановкой ТД в двухстабиль­ ный режим, при котором длительность вырабатываемого импульса за­ висит от задержки между измеряемым импульсом и вспомогательным импульсом сброса и может выбираться произвольно. Схема индика­

115

ции СИ срабатывает (т. е. выдает звуковой или световой сигнал), когда импульсы, образующиеся на ТД, имеют значительную длительность и напряжение на ТД превышает некоторый уровень Unop. Работа схемы осуществляется следующим образом.

Ввиду малого сопротивления ТД схема по существу является из­ мерителем тока, для которого характерно выполнение условий: со­ противление R в цепи источника Е много больше сопротивления Rt в цепи входного тока и сопротивления RK в' цепи компенсирующего тока, т. е.

В исходном состоянии при отсутствии входного сигнала и компен­ сирующем токе, равном нулю, ТД устанавливается в режим неустой-

Рис. 4-22. Вольтамперная характеристика туннель­ ного диода и нагрузочные прямые

чивого равновесия на грань переброса (прямая /). Нагрузочная пря­ мая 1 проводится под углом

где R3 — суммарное сопротивление, шунтирующее ТД.

При этом ток /„, определяющий исходную рабочую точку N диода

/ вх = Uax/Ri- Нагрузочная прямая 2 пойдет выше прямой 1, и рабочая точка ТД перейдет скачком в устойчивое состояние на участке PD. Схема индикации СИ зафиксирует переключение ТД, а схема сброса СС переведет ТД в исходное состояние (точка N). При приходе следую­ щего импульса процесс повторится.

Введение компенсирующего напряжения приводит к уменьшению

116

В момент полной компенсации, когда / к = / вх, рабочей точкой ТД будет точка А (прямая 4) и при приходе входного сигнала ТД опять окажется на грани срабатывания. Следовательно, величина компен­ сирующего тока / к и соответственно величина компенсирующего на­ пряжения Ек являются мерой измеряемой амплитуды входного сиг­ нала.

Вольтметры на туннельных диодах позволяют измерять амплитуды напряжения импульсов от нескольких милливольт до сотен милли­ вольт при длительности импульсов более 3 нс и частотах повторения от 200 Гц до 100 МГц с погрешностью'не более 3%.

§ 4-9. Измерение напряжения одиночных импульсов

Методы измерения. Одиночные импульсы длительностью от сотых долей микросекунды до нескольких миллисекунд встречаются в лазер­ ной, полупроводниковой технике, технике плазмы и других областях.

В отличие от измерений периодически повторяющихся импульсов при измерении одиночного импульса энергия, необходимая для из­ мерения, поступает в измерительную систему (элемент преобразова­ ния) лишь в течение существования импульса. Поэтому измерительная система должна «успевать» регистрировать напряжение импульса в течение времени его действия, т. е. система должна быть либо безы­ нерционной, либо должна запасать необходимую информацию о на­ пряжении импульса за время его действия. Для этой цели могут быть использованы скоростные осциллографы с фоторегистрацией или за­ поминанием.

Основными недостатками данного метода измерений являются низ­ кая точность и относительно малая скорость записи.

Измерить амплитуду одиночных импульсов можно также с помощью прямопоказывающих приборов, принцип действия которых основан на аналоговом преобразовании напряжения одиночных импульсов

вудобную для отсчета величину по следующим схемам:

1) накопление — преобразование — запоминание — стрелочная индикация информации; 2 ) накопление — преобразование — цифровая индикация — запоминание информации.

Любой аналоговый преобразователь амплитуды одиночных импуль­

сов состоит из двух основных устройств:

1.Емкостного накопителя информации об амплитуде одиночного импульса. Заряд накопительного конденсатора происходит через вен­ тильное устройство и внутреннее сопротивление источника сигнала до пикового значения.

2.Преобразователя накопленной информации в аналог. Уменьшение амплитуды и длительности измеряемых импульсов,

отсутствие предварительной информации о их полярности и величине амплитуды усложняет схему преобразования и требует построения

и м п у л ь с н о г о н а п р я ж е н и я в к в а з и п о с т о я н ­ н о е н а п р я ж е н и е . Это преобразование осуществляют с по­

117

мощью одноступенчатых и многоступенчатых диодно-конденсаторных расширителей импульсов в сочетании с системами долговременного запоминания. Структурная схема измерительного устройства, исполь­

тивление диода во время действия на вход исследуемого импульса. После окончания импульса диод запирается и накопительный кон­ денсатор медленно разряжается через СИ (постоянная времени раз­ ряда много больше постоянной времени заряда).

Входное сопротивление СИ должно быть велико, поэтому исполь­ зуют измерители постоянного напряжения с высокоомным входом — электростатический вольтметр (101'1 Ом и выше), ламповый электро­ метр и др.

Временные характеристики, поясняющие принцип преобразова­ ния, показаны на рис. 4-24, где uBX(t), ывых (() — напряжение иссле­ дуемого импульса соответственно на входе и выходе И; т„ — длитель­

сигнал преобразуют в интервал времени, длительность тп которого

где kn — коэффициент преобразования, определяющий масштаб пре­ образования.

118