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)