Измерение импульсных напряжений

Процесс определения амплитудных и временных параметров импульсных сигналов с помощью осциллографа длителен и выпол­няется с большой погрешностью (см. 4.3). Воспроизведение импуль­сов малой длительности и с фронтами порядка единиц наносекунд без искажений сопряжено с тщательным выбором осциллографа по диапазону частот, экранировкой соединительных проводов, согласованием с соединительным кабелем и др. Более высокую точность измерения амплитуды импульса при удобной и быстрой индикации 'обеспечивают аналоговые и цифровые импульсные вольт­метры. В связи с повышением быстродействия импульсных уст­ройств диапазон длительности импульсов уменьшился с микро­секундного до нано- и пикосекундного, одновременно уменьшилась и амплитуда импульса до значений 0,01-1 В, характерных для полупроводниковых приборов, микромодульных и интегральных схем.

Диапазон частот повторения импульсов простирается от оди­ночных и редко повторяющихся импульсов (частота повторения доли герца) до частот, измеряемых сотнями мегагерц. Как и в стро­боскопических осциллографах, все специализированные измери­тели импульсных напряжений наносекундного диапазона имеют на входе широкополосные преобразователи импульсов, которые их расширяют, сужая тем самым спектр частот. Преобразователи импульсов содержат быстродействующий нелинейный элемент

(полупроводниковый диод), у которого имеются участки вольтампер­ной характеристики с наименьшим радиусом кривизны, характе­ризующие переход от запертого к открытому состоянию. Этот участок обычно мал, протяженность его по оси напряжений 0,5- 0,7 В. Если амплитуда импульсного сигнала меньше 0,7 В, то весь сигнал «укладывается» на участке вольтамперной характеристики с наименьшим радиусом кривизны (режим малого сигнала) и пока­зания вольтметра связаны со всей площадью сигнала определен­ными интегральными соотношениями. При измерении импульсного сигнала с амплитудой больше 0,7 В работа вольтметра осущест­вляется на линейном участке характеристики диода и на его пока­зания влияет лишь вершина импульса (режим большого сиг­нала).

В качестве преобразователей импульсов используют также чув­ствительные быстродействующие пороговые схемы с туннельными диодами. Включенные после преобразо­вателей импульсные вольтметры могут быть узкополосными, так как работают уже с преобразованными сигналами.

Измерение импульсного напряжения диодно-конденсаторным вольтметром.Импульсный диодно-конденсаторный во­льтметр работает как электронный вольтметр синусоидального напряжения и выполняется по схеме преобразова­тель пикового значения - усилитель постоянного тока - магнитоэлектриче­ский измерительный прибор (см. § 5.2). Шкала выходного маг­нитоэлектрического прибора градуируется в пиковых значениях. Для этих вольтметров характерно наличие сильной зависимости показаний от длительности импульса и скважности. Если на вход преобразователя пикового значения подать периодическую после­довательность прямоугольных импульсов (рис. 85),то конден­сатор емкостью  заряжается во время  существования импуль­са на входе, а в промежутке между импульсами  медленно разряжается на резистор сопротивлением . Если же время  бу­дет мало, а  велико, то за время действия короткого импульса конденсатор не успевает полностью зарядиться, а в интервале между импульсами успеет значительно разрядиться, и среднее значение напряжения  на конденсаторе за период  повто­рения импульса может значительно отличаться от амплитудного (пикового) значения  измеряемого импульса.

Рисунок 7.14 – Временные диаграммы поясняющие работу импульсного вольтметра

При выполнении условий постоянная времени заряда  постоянная времени разряда  показания вольтметра будут пропорциональны амплитуде импульса . Импульсные волы-метры выполняют чаще по схеме с закрытым входом (см. 5.2); при этом вольтметр измеряет пиковое значение  импульсных напряжений без постоянной составляющей , т. е. . При большой скважности  постоянная напряжения, равная , мала и практически не влияет на пока­зания вольтметра.

Для измерения размаха напряжения  может быть рекомен­дован импульсный вольтметр, схема которого представлена на рис. 7.15. При подведении к вольтметру измеряемого импульсного напряжения в первый положительный полупериод конденсаторы с одинаковым значением емкостей  заряжаются через открытый диод  до значения, равного . В течение действия отрицательного полупериода импульсного напряжения диод  открыт, а диод  закрыт, в результате чего конденсатор  пере­заряжается примерно до значения , т. е. знак напряжения на  изменится на противоположный, а напряжение на конденса­торе  останется почти постоянным, поскольку разряд конденса­тора происходит через большое сопротивление . Поэтому, когда вновь поступает положительный им­пульс  измеряемое напряжение оказывается включенным последова­тельно с напряжением на конденса­торе  исовпадает по фа­зе с напряжением на конденсаторе . Под действием суммарного на­пряжения, равного размаху , диод  будет открыт, происходит заряд конденсатора  и разряд кон­денсатора . Таким образом, через несколько периодов на конденсаторе  установится напряжение, равное полному размаху . Шкалы импульсных вольтметров градуируются при синусоидаль­ном напряжении в амплитудных значениях образцового напряже­ния. Такая шкала справедлива также и при измерении пиковых значений импульсных сигналов.

Рисунок 7.15 – Схема импульсного вольтметра для измерения размаха напряжения

Измерение амплитуды импульсного напряжения автокомпенса­ционным вольтметром. Измерение амплитуды импульсного напря­жения осуществляют методом сравнения последнего с калиброван­ным постоянным напряжением. Компенсирующее постоянное на­пряжение при компенсационном методе устанавливают вручную, а при автокомпенсационном - автоматически с помощью замкнутой следящей системы. На рис. 7.16 представлена схема авто компен­сационного вольтметра с открытым входом. Положительный импульс с амплитудой  после прохождения через диод  частично заря­жает емкость  и поступает на вход усилителя импульсов. Усилен­ный импульс той же полярности, пройдя через диод , заряжает конденсатор  большой емкости, который по цепи обратной связи через резистор  разряжается на конденсатор  так, что напря­жения на конденсаторах становятся одинаковыми до прихода следующего импульса. Напряжение на конденсаторе  создает отрицательное смещение на диоде  поэтому следующий поло­жительный импульс частично пройдет через него. Таким образом, каждый последующий импульс будет заряжать конденсаторы  и  до тех пор, пока напряжение на них не сделается равным амплитуде положительного импульса. Значение этого напряжения фиксируется на резисторе  и измеряется электронным вольтметром  постоянного тока.

Входное сопротивление вольтметра может быть от нескольких десятков килоом до сотен мегаом в зависимо­сти от частоты следования и длительности измеряемых им­пульсов.

Рисунок 7.16 – Схема автокомпенсационного вольтметра с открытым входом

Измерение напряжения одиночных импульсов. Оди­ночные импульсы длитель­ностью от сотых долей микросекунды до нескольких мил­лисекунд встречаются в технике лазерной, полупроводниковой плазмы и т. д. При измерении одиночного импульса энергия, необходимая для измерения, поступает в измерительную систему (элемент преобразования) лишь в течение существования импульса. Поэтому измерительная система должна «успевать» регистрировать напряжение импульса во время его действия, т. е. система долж­на быть либо безынерционной, либо запасать необходимую ин­формацию о напряжении импуль­са за время его действия. Для этой цели могут быть использо­ваны специальные осциллографы с фоторегистрацией или запоми­нанием однократных процессов.

Измерить амплитуду одиноч­ных импульсов можно также с помощью аналоговых вольтмет­ров, принцип действия которых основан на преобразовании оди­ночного импульсного напряже­ния в квазипостоянное напря­жение или интервал времени. Уменьшение амплитуды и дли­тельности измеряемых импуль­сов, отсутствие предварительной информации о их полярности и значении амплитуды усложняют схему преобразования и требуют построения автоматических входных устройств.

Рисунок 7.17 – Схема измерителя с преобразованием импульсного напряжения в квазипостоянное напряжение (а) и временные диаграммы поясняющие его работу (б)

При преобразовании одиночного импульсного напряжения в ква­зипостоянное напряжение роль накопителя информации об ампли­туде одиночного импульса выполняют одно- и многоступенчатые диодно-конденсаторные преобразователи импульсов ( см рис. 5.5) в сочетании с системами долговременного запоминания. Схема измерителя с преобразованием амплитуды импульса в квази­постоянное напряжение представлена на рис. 7.17, а. Преобразо­ватель амплитуды импульса в квазипостоянное напряжение рас­ширяет (запоминает) сигнал на уровне, близком к его пиковому значению . Накопительный конденсатор преобразователя быстро заряжается через прямое сопротивление диода во время действия на входе импульса. После окончания действия импульса диод запирается, и накопительный конденсатор медленно разряжается на измерительный прибор с большим входным сопротивлением (постоянная времени разряда много больше постоянной времени заряда). Входное сопротивление прибора должно быть велико, поэтому используют измеритель постоянного напряжения с высокоомным входом - электростатический вольтметр (10¹⁴ Ом и выше), ламповый электрометр и др. Временные диаграммы, поясняющие принцип преобразования, показаны на рис. 7.17, б, где  - напряжения исследуемого импульса соответственно на входе и выходе преобразователя;  - длительность исследуемого импульса;  - время запоминания импульса;  -абсо­лютная погрешность запоминания импульса;  – абсолютная погрешность из-за недозаряда;  -максимальное напряже­ние на выходе преобразователя после окончания импульса.

Рисунок 7.18 – Схема измерителя амплитуды одиночных импульсов с дискретным преобразователем (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

К основным характеристикам преобразования относят: относи­тельную погрешность при заряде, равную ; относитель­ную погрешность запоминания, равную ;минималь­ную длительность преобразуемого импульса; время запомина­ния  в течение которого погрешность запоминания не пре­восходит заданную; коэффициент расширения, .

Для преобразования одиночного импульсного напряжения в ин­тервал времени используется амплитудно-временное преобразова­ние (см. 6.4). Входной сигнал преобразуют в интервал времени, длительность  которого пропорциональна амплитуде  изме­ряемого импульса, т. е.  ( - коэффициент, определяю­щий масштаб преобразования). Длительность  преобразованного импульса определяется последовательным счетом числа импульсов образцовой частоты, заполняющих временной интервал с выдачей результата измерения либо на цифровой индикатор, либо цифропечатающее устройство, т.е. .

Схема измерителя амплитуды одиночных импульсов с дискрет­ным преобразованием представлена на рис. 7.18, а.

В качестве амплитудно-временного преобразователя может быть использован преобразователь, построенный на принципе разряда накопительного конденсатора, предварительно заряженного за время действия  до амплитуды  измеряемого импульса. По окончании импульса начинается разряд конденсатора через токостабилизирующее устройство до первоначального значения напря­жения. Начало и конец разряда фиксируются ограничителем интер­вала преобразования, и так как разряд конденсатора происходит по линейному закону (рис 7.18, б), то время между началом  и концом  разряда соответствует времени преобразования  и пропорционально амплитуде  импульса, т. е. .

Погрешность преобразования определяется непостоянством коэффициента амплитудно-временного преобразования и интервала преобразования, амплитудной погрешностью параметров преобра­зуемого сигнала и др.

 

---

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 2990; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

---

Мы поможем в написании ваших работ!