Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений




1 1 W j 1 \

•Ja-f-W--

-а»

wti wtz CiitgUt cut

V/ \г)

------

tnin----

Рис. 2.58. Схемы вольтметров амплитудного значения с открытым (с) и закрытым (в) входом и графики напряжения на конденсаторе (б), диоде (г) и резисторе {д)

и большой постоянной времени разряда пульсации напряжения на конденсаторе малы, т. е. напряжение почти постоянно.

Ток заряда i протекает через диод в течение времени, когда входное напряжение u(t) превышает напряжение на конденсаторе. Этот отрезок времени, выраженный в значениях угла поворота вектора синусоидального напряжения, обозначен через 26 = rafz - oti-Угол е называют углом отсечки тока диода (рис 2.58,6).

Токи заряда и разряда определяются соотношениями

з = гд = ["(0-"с]/[исг + Лд] и ip = u,/R.

Из графика на рис. 2.58,6 можно определить постоянную составляющую напряжения на конденсаторе

u = u„,sm

cosG.

Так как среднее, значение тока через диод 71/2+е

K„sincof - «„cos6

-dmt =

71/2-6

(sine-ecosG).

В то же время среднее значение тока через диод равно току, протекающему через резистор R, in = UcJR:

Uc/R = «m (sin e - e COS e) /л {Ra + /?ист)-

Из этого равенства следует, что и зависит от отношения 1?/(Кд -I- К„ст) и тем ближе подходит к значению, чем меньше (1?д-I-К„ст).

Возможности увеличения R ограничены сопротивлением утечки и входным сопротивлением каскада, следующего за детектором. Существенную погрешность может вызвать внутреннее сопротивление источника Rfici- При полном заряде конденсатора С напряжение источника будет распределено между внутренним сопротивлением источника i?„cT и нагрузки R. Поэтому напряжение на R не может быть выше значения u, = uR/{R„ + R).

Пиковый детектор с закрытым входом приведен на рис. 2.58, е. В этой схеме диод включен параллельно резистору нагрузки R.

Во время положительного полупериода напряжения диод открывается и конденсатор заряжается по цепи: источник напряжения - конденсатор - диод - источник напряжения. Постоянная времени пени заряда Хз = = С(1?д -I- /?ист) достаточно мала, и конденсатор заряжается почти до значения (рис. 2.58,6 - линия Uc). Как только напряжение на конденсаторе (момент rafj на рис 2.58,6) станет больше мгновенного значения измеряемого напряжения, диод закроется. В интервале от rafz до соз конденсатор разряжается по цепи: левая обкладка конденсатора - внутреннее сопротивление источника сигнала Кист - резистор R - правая обкладка конденсатора. Так как постоянная времени разряда конденсатора Хр = = C{R + Кист) » Тх, то конденсатор значительно не разрядится. Среднее значение установившегося напряжения ир примерно равно максимальному значению и„ измеряемого напряжения. Напряжение ир тем меньше отличается от чем больше отношение R/Rq и не зависит от внутреннего сопротивления источника измеряемого напряжения. Среднее значение тока диода равно току, протекающему через сопротивление R. Напряжение на диоде, а следовательно, и на R равно сумме среднего значения напряжения на конденсаторе щ и входного переменного напряжения, и кривая напряжения имеет такую же форму, как и в схеме с открытым входом (рис. 2.58, г). Поэтому для данной схемы справедливы уравнения для и гд, а физический процесс выпрямления такой же, как и в схеме с открытым входом:

"л = «х W + «с = "т sin fflf - Urn- ПоЭТОМу ВЫ-

ходное напряжение фильтра (КфСф)«ф = Наличие фильтра отличает данную схему от схемы с открытым входом, где фильтр от-



сутствует, так как переменная составляющая на входе схемы отсутствует.

При измерении пульсирующего напряжения (рис. 2.58, й) конденсатор будет заряжен до пикового напряжения и. На резисторе jR (рис. 2.58, в) приложены встречно два постоянных напряжения: постоянная составляющая напряжения на конденсаторе щ и постоянная составляющая ы„ входного напряжения (риа 2.58,й). Поэтому ик = Ит - - Uo=«i. Следовательно, постоянная составляющая «к на выходе схемы с закрытым входом не реагирует на постоянную составляющую измеряемого напряжения и измеряет только положительную (или отрицательную) амплитуду переменной составляющей - в зависимости от полярности включения диода.

Амплитудные детекторы с закрытым и открытым входами применяются в универсальных и высокочастотных вольтметрах при измерении в широком диапазоне частот. Однако погрешность измерения вольтметра с таким детектором зависит от частоты.

График напряжения на конденсаторе С в схеме с закрытым или открытым входом при разных частотах входного сигнала представлен на рис. 2.59. В промежутках между входными импульсами конденсатор разряжается, поэтому среднее значение напряжения Uc меньше амплитуды и„, (рис. 2.59, в). При повьниении частоты интервалы между импульсами меньше и конденсатор разряжается незначительно, поэтому щ выше, чем при низкой частоте (рис. 2.59,6). При достаточно низких частотах Uc может сильно отличаться от амплитуды и. Оценим погрешность при низких частотах, вызьюаемую разрядом конденсатора в промежутке между импульсами.

Если конденсатор был заряжен до «„, то разряд его будет происходить по закону Uc = u„,exp{-t/RQ и в конце разряда напряжение на нем будет равно:

«cm.« = «mexp(-r/RC)«

" « и„(1 - T/RC) при T/RC < 1.

Среднее значение напряжения на конденсаторе «с ср всегда меньше и„:

«сср = («т-1-«cmJ/2 = «„(1 - T/RC). Отсюда относительная погрешность преобразования

5=(и„-«„р)/«т=Г/2ЙС.

Из уравнения следует, что погрешность тем больше, чем меньше частота. При расчете следует брать низшую частоту диапазона /„=1/Г„.


" " / „

I I м М „

! / t / 1 / I

5) t

Рис. 2.59. График напряжения на конденсаторе вольтметра при низкой (а) и высокой (б) частотах

Верхнее значение частотного диапазона рассмотренных детекторов определяется прежде всего паразитными параметрами: емкостью Сп и индуктивностью Ln соединительных проводов и диода. Дня уменьшения этих параметров детекторы вольтметров выполняются в виде вьшосной головки (пробника), присоединяемой к измерительному устройству.

Эквивалентная схема детектора (рис. 2.60, а) представляет собой схему последовательного контура с потерями. С ростом частоты потери в контуре возрастают: сопротивление потерь соединительных проводов и выводов диода с учетом поверхностного эффекта увеличивается, а входное сопротивление диода с учетом времени пролета и диэлектрических потерь в элементах конструкции i?2 уменьшается. Частотные свойства Ri и i?2 зависят от конструктивного выполнения детекторной головки.

С частотой входное сопротивление детектора и его коэффициент передачи изменяются. На частотах, меньших резонансной, входное сопротивление последовательного

С„Ц=

О 0,2 04 Ofiwhp в)

Рис. 2.60. Эквивалентные схемы детектора с закрытым входом (а) и входной цепи вольтметра при ш < Шр (6) и график зависимости коэффициента передачи (входной емкости) от частоты (в)



контура с потерями имеет емкостный характер, поэтому контур можно заменить параллельно соединенными емкостью Св» и сопротивлением jRbx (рис. 2.60,6). Входную емкость детектора можно определить, предполагая, что контур без потерь. Тогда

-(l-(OLnCn),

соСв, " шСп соСп где «р = 1/£пСп - резонансная частота контура.

Откуда

Св,/С„ = 1/(1-ш>).

Из-за резонансных свойств входной цепи детектора с частотой изменяется его коэффициент передачи. Будем считать, что выпрямленное напряжение равно амплитуде напряжения на диоде. Для контура без потерь коэффициент передачи детектора

fcj = «д/«„ = 1/(1 - ШЮр)

зависит от частоты так же, как отношение Свл/Сп (рис. 2.6а в).

Относительная погрешность измерения при этом

8 = («т - "д)/"ш = 1/(1 - (СОр/ш)).

Согласно полученному уравнению, для того чтобы погрешность не превышала 1%; соотношение Юр/Юо не должно превышать 0,1. Обычно рабочий диапазон вольтметра ограничивают частотами

ю< (0,3-0,5) Юр.

При очень высоких частотах, когда период измеряемого напряжения становится соизмеримым со временем пролета электронов между электродами диода, возникает относительная погрешность 5,, которую можно определить по формуле

где d - расстояние между анодом и катодом; / - рабочая частота; к - коэффициент, зависящий от конструкции диода.

Одним из существенных недостатков вольтметров с .амплитудным детектором является зависимость показаний прибора от формы сигнала. Обычно шкала вольтметров группы В7 градуируется в среднеквадратиче-ских значениях синусоидального напряжения, а показания вольтметров пропорциональны амплитуде или сумме амплитуд переменной составляющей. Поэтому показания шкалы таких вольтметров справедливы только при измерении синусоидальных напряжений.

Соотношение между амплитудным и среднеквадратическим и напряжениями при

.„ Г I I III \ г~гтт Погрешность измерения СКЗ. амплитудным

~20 -Погреш.--60

вольтметром: -

---коим/.

измереният

квадратаческое значение

mipt

-ность измерел СКЗ вольтметром

80\средни.у значений

Средне-

Z 1-S6 7B910 20 SO 4050 Г/т

Рис. 2.61. График погрешности измерения импульсного напряжения (с постоянным значением среднего квадратического значения) вольтметрами средневьшрямленного и амплитудного значений

синусоидальной форме сигнала имеет вид кф = ии = ]Д.

При другой форме сигнала это соотношение отличается от приведенного, вследствие чего возникает погрешность. При произвольной форме сигнала, т. е. при большом числе гармонических составляющих со значительными амплитудами, измерение сред-неквадратического значения оказывается невозможным. Погрешности, возникающие при этом, показаны на рис. 2.61.

Амплитудный вольтметр при любой форме сигнала может быть использован для измерения амплитуды. При помощи вольтметра с закрытым входом могут быть измерены положительная i/,„i и отрицательная и„2 амплитуды переменной составляющей, которые вычисляют по уравнениям

"mi=«il/2; «т2 = а21Д

где сх, и - отсчеты по шкале вольтметра при различных полярностях включения вольтметра.

Детекторы амплитудного значения применяются в универсальных вольтметрах подгруппы В7 по ГОСТ 15094- 69. Для повьпце-ния чувствительности постоянная составляющая выходного сигнала детектора усиливается УПТ. В качестве УПТ, как правило, используются балансные схемы с непосредственными связями. При использовании этих усилителей чувствительность вольтметра ограничена дрейфом нулевого уровня УПТ. Типовые параметры вольтметра, построенного по схеме пиковый детектор - балансный УПТ, следующие: частотный диапазон до 1 ГГц, первый предел измерения 300 мВ, класс точности в номинальном диапазоне частот +(1,5-2,5)%.

Основным преимуществом данной группы вольтметров является возможность не-



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 [28] 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0862