Электрорадиоизмерения (В. И. Винокуров) (554136), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Основные требовании к усилителям постоянного напряжения: а) постоянство коэффициента усиления и б) малый дрейф нуля, т. е. малые флуктуации уровня выходного напряжения, соответствующего отсутствию измеряемого напряжения. Усилители обычно выполняют по мостовой схеме с отрицательной обратной связью. Усилители переменного. напряжения необходимы в тех случаях, когда вольтметр предназначен для измерения малых переменных напряжений. Они включаются перед нелинейным устройством Усилители должны иметь постоянное значение коэффициента усиления в полосе пропускаемых частот и высокую стабильность параметров во времени, а также малые нелинейные искажении.
Этн требования обеспечиваются рядом мероприятий, в том числе введением глубокой отрицательной обратной связи. Вольтметры, входные устройства которых содержат усилители, могут измерять малые напряжения, но работают обычно в сравнительно узкой полосе частот, определяемой частотной характеристикой входного усилителя. Вольтметры, в которых измеряемое напряжение подается на нелинейное устройство без предварительного усиления, могут работать в широкой полосе частот (до тысячи мегагерц), но имеют значительно меньшую чувствительность.
Наименьшее значение измеряемого напряжения определяется условиями работы нелинейного устройства и составляет обычно доли вольт. Отсчет значения измеряемого напряжения производят с помощью стрелочных приборов или цифровых устройств. В элек- $60 тронных вольтметрах в качестве стрелочного прибора широко применяют магнитоэлектрические микроамперметры, позволяющие обеспечить работу при малых токах во всех функциональных частях вольтметра. 9 9.3. Измерение средиеквадратического значения напряжения Показания вольтметра, измеряющего среднеквадратическое значение напряжения, зависят от закона изменения этого напряжения во времени.
Рассмотрим частные случаи, имеющие практический и интерес. Гармоническое измеряемое на- 1 пряжение, Среднеквадратнческое аа ма а значение гармонического напряжения измеряют электронным вольтметром с квадратичным, ли- рнс. 8,4. Форма напряжения на ем- кости нсйным нлн пиковым детектором. В квадратичном вольтметре постоянная составляющая тока, протекающего через нелинейный элемент, пропорциональна квадрату действующего значения приложенного напряжения (9.8). Шкала прибора квадратичная. Градуировка производится по среднеквадратическому значению гармонического напряжения.
В линейном вольтметре постоянная составляющая тока пропорциональна средневыпрямленному значению измеряемого напряжения. При гармоническом измеряемом напряжении этн значения связаны между собой соотношением 0= 1„11и,р,. Шкала прибора линейная и градуируется обычно по среднеквадратическому значению гармонического напряжения. Градуировка прибора справедлива только для рабочего интервала частот. В области низких частот сопротивление переходных емкостей во входной цепи вольтметра возрастает.
Это приводит к тому, что напряжение, приложенное к нелинейному устройству, оказывается меньше измеряемого. Появляется дополнительная погрешность при измерении низкочастотных напряжений. На высоких частотах погрешность измерений возрастает из-за влияния паразнтных емкостей и индуктивностей. В импульсных вольтметрах показания соответствуют пиковым значениям измеряемого напряжения. Градуировку производят по амплитудному нли среднеквадратическому значению гармонического напряжения. При гармоническом измеряемом напряжении .по измеряемому амплитудному значению напряжения можно определить действующее и средневыпрямленное значения напряжений, пользуясь известными коэффициентами амплитуды и формы: 1У=1/жщ/аа — — Кщд/1,411 псрв=Каах1('адар) =1~~пах111,41 ° 1,11).
181 При измерении в области низких частот погрешность может быть значительной. Рассмотрим возможные погрешности в пиковом вольтметре с открытым входом, схема которого изображена на рис. 9.3, а. В установившемся режиме зависимость напряжения и, от времени показана на рис. 9.4. На участке (,— 6р происходит разряд емкости С через сопротивление )г по закону и,=б„,е 'мр, где тр=)(С. Разложим показательную функцию в ряд. Так как постоянная времени разряда велика по сравнению с периодом измеряемого напряжения, то можно ограничиться первыми двумя слагаемыми ряда. Зависимость напряжения иа емкости от времени при разряде (на участке  — 6р) можно считать прямолинейной, т.
е. и,(() =У е пр=()„(1 — (!тр). За время (т — (з емкость заряжается. Постоянная времени заряда )г;С мала по сравнению с периодом измеряемого напряжения. Поэтому можно считать, что и, растет по такому же закону, как и напряжение на входе (для высоких частот это допущение несправедливо). .Таким образом, напряжение на емкости во времени меняется по следующему закону: (9.11) Найдем среднее значение этого напряжения (постоянную составляющую), пользуясь разложением в ряд Фурье: к+г Так как время зарядки конденсатора мало по сравнению с периодом измеряемого напряжения, а подынтегральная функция мало меняется во времени, то вторым слагаемым можно пренебречь.
На том же основании можно считать, что гр — (,жТ. В результате получаем и„= Б„(1- Т)(2т,)1= ~I 2и,(1 — ТД2т,)1, (9.12) при Т/тр((1 пса () . Погрешность измерений определяется слагаемым Т((2кр). В области низких частот (~(20 Гц) трудно обеспечить условие Т)тр~1. Погрешность измерений в этом случае мажет быть значительной. При измерении гармонического напряжения средиеквадратическое значение можно определить по показаниям выходного прибора. Если градунровка вольтметра произведена по амплитудному или средневыпрямленному напряжению, то средне- квадратическое значение напряжения легко вычислить.
Амплитудное и средневыпрямленное напряжение также можно вычислить по измеренному среднеквадратическому значению напряжения. Периодическое напряжение сложной формы. Показание квад- 1З2 ограничения шумового напряжения в усилителях, включенных до нелинейного устройства. Ограничение полностью устранить невозможно, так как шумовое напряжение может иметь и большое значение.
Но вероятность появления больших выбросов мала. Амплитудная характеристика входного усилителя должна быть линейной до уровня, вероятность превышения которого шумовым напряжением невелика. Обычно этот уровень выбирают равным утроенному среднеквадратическому значению напряжения. 2. Спектральная плотность шумового напряжения обычно занимает широкую полосу частот. Усилители, включенные до нелинейного устройства, не должны вносить линейных искажений. 3. При измерении показания выходного прибора вольтметра определяются реализацией исследуемого процесса за конечное время накопления (время Т в формуле (9.2)), т.
е. вольтметр измеряет среднеквадратическое значение отдельных реализаций шумового напряжения. Пусть исследуемый шум — стационарный эргодический случайный процесс и его математическое ожидание и дисперсия не зависят от времени. Показания вольтметра различны для разных реализаций, т.
е. имеет место ошибка измерений, обусловленная конечностью времени накопления. Разброс показаний вольтметра от одной реализации к другой тем меныпе, чем больше время накопления. При этом ошибка измерений также уменьшается. Для обеспечения требуемого времени усреднения в схеме вольтметра необходимо иметь фильтр, включаемый после нелинейного элемента. Роль такого фильтра может выполнять подвижная часть электромеханическаго прибора. Итак, измерение напряжений, меняющихся во времени по гармоническому закону, может выполняться вольтметрами различных типов.
При измерении негармонических напряжений (в том числе и шумовых) важно, чтобы характеристика нелинейного элемента соответствовала значению напряжения, которое требуется измерить. Иными словами, надо применять квадратичный вольтметр при измерении среднеквадратического значения напряжения, линейный — при измерении средневыпрямленного напряжения, импульсный — при измерении амплитудного. Спектр измеряемого напряжения должен находиться в полосе рабочих частот вольтметра. 9 9.4. Особенность измерения импульсных и высокочастотных напряжений Импульсные напряжения измеряют с помощью импульсных вольтметров.
Рассмотрим некоторые виды погрешностей, появление которых возможно в схеме с закрытым входом (см. рис. 9.3, б). Конденсатор заряжается через нелинейный элемент за время импульса до напряжения и,. Затем происходит разряд через сопротивление Й и внутреннее сопротивление источника импульсного напряжения. По значению постоянной составляющей напряжения на сопротивлении )г судят об амплитуде импульсов.
Интерес пред- 184 ставляют: 1) зависимость между напряжением на конденсаторе и амплитудой импульса; 2) зависимость между напряжением на конденсаторе и постоянной составляющей напряжения на сопротивлении 1с'. Рассмотрим измерение амплитуды видеоимпульсов. Полагаем, что постоянная времени разряда конденсатора велика, т. е. Та=КС»Т, где Т вЂ” период следования импульсов-„ 'Те — постоянная времени заряда конденсатора.
При Т,ч; т, где т — длительность импульса, конденсатор успевает практически полностью зарядиться за время существования импульса. При этом и,ж У . В противном случае и,(0„. "г и Рис. 9Л, Формы напряжений Рассмотрим работу входной цепи при измерении амплитуды прямоугольных импульсов (рис. 9.5). При Т,Ъ Т напряжение на емкости мало меняется в течение периода измеряемого напряжения (рис. 9.5, а). Поэтому в первом приближении можно считать и, — и.е=сопз1, где псе — постоянная составляющая напряжения на емкости. В установившемся режиме заряд, получаемый конденсатором за время т, равен заряду, теряемому за время Т вЂ” т, т.
е. Я,=Юг' (9.15) при заряде 1,(Г) сй т. )1~ при разряде т Я =( 1,с(1 — — "(Т вЂ” т) На основании соотношения (9.15) получаем ,,(К,.(Т вЂ” )+К 1=и К. Отсюда )1, т 11 1+ — — —— )1 и й !8Ь Учтем что )(г<(/1; йг/Р=Т,/Тр, где Т/т=г/ — скважность импульсов. Для и,р находим приближенное выражение 11(+т, ) Величина и,р зависит как от параметров вольтметра (Т„Т,), так т, и от параметров импульсов (Т, т, (/ ).
При — 'Ч((1 мер=(/ . т„ Погрешность за счет неполного заряда конденсатора определяют выражением б'т — ию 1 (9.17) г К 1'р 1+ —— л т, Погрешность Ль как и следует из формулы (9.17), можно уменьшить, увеличивая резистор в цепи разряда )1. Однако значение сопротивления этого резистора ограничено рядом факторов; !) допустимой инерционностью прибора; при большом зивчении Л показания вольтметра после его отключения медленно сйадают (в схемах вольтметров иногда предусматривается шунтирование резистора )1 с помощью специальной кнопки сброса показаний); 2) значением обратного сопротивления диода и сопротивлением изоляции конденсатора, определяющим токи утечки, которые должны быть много меньше разрядного тока. В зависимости от типа нелинейного устройства (на лампах или полупроводниковых элементах) сопротивление резистора колеблется в пределах 10Р— 10' Ом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
