Описанные ниже схемы и приборы служат для измерения амплитуды однократных импульсов напряжения. Аналогично рассмотренным в предыдущем параграфе пик-вольтметрам для переменного тока, высокое напряжение через делитель напряжения снижается до небольших значений и затем измеряется прибором.
Сведения о конструкции делителей напряжения, приведенные в предыдущем параграфе, в значительной степени справедливы и для этих устройств. Часто для деления напряжения используют фронтовую емкость генератора импульсного напряжения.
Рассмотрим самую упрощенную схему импульсного пик-вольтметра и установим се основные погрешности. На рис. 100 емкостный делитель напряжения не изображен. Приложенный к входным зажимам измерительного устройства импульс Ui(i) представляет собой напряжение, снимаемое о низковольтного конденсатора делителя. При поступлении положительного импульса напряжения вентиль В открывается, и измерительная емкость См заряжается до амплитудного значения напряжения импульса. Когда приложенное к входу напряжение снижается, вентиль запирается и тем самым препятствует разряду измерительного конденсатора. Напряжение на зажимах конденсатора измеряют вольтметром электростатической системы.
К сожалению, эта простая схема работает неудовлетворительно, так как конечное сопротивление выпрямителя в прямом направлении не дает возможности производить измерения импульсов напряжений с любыми малыми продолжительностями фронта волны. Рассмотрим, как изменяется выходное напряжение RС-элемента при поступлении на его вход импульса напряжения (рис. 101,а). Изменение во времени апериодического импульса напряжения может быть описано уравнением
Постоянная времени характеризует хвоcт волны, а Т2— крутизну фронта волны. Если считать обратное сопротивление вентиля бесконечно большим, а сопротивление вентиля в прямом направлении постоянным, то напряжение на конденсаторе См будет изменяться приблизительно по кривой, изображенной на рис. 101,б.
Рис. 100. Простейшая схема импульсного пик-вольтметра.
С момента времени t* выпрямитель запирается, так как приложенное к входу напряжение отрицательно по отношению к напряжению на зажимах конденсатора. Поэтому измеренное электростатическим вольтметром амплитудное значение будет меньше истинного. С увеличением крутизны фронта волны эта погрешность увеличивается. Возникает вопрос: насколько малой надо выбирать постоянную времени схемы, чтобы для заданной продолжительности фронта волны погрешность δ не превышала определенного значения.
Рис. 101. Упрощенная схема замещения к рис. 100 для положительной полярности импульса (а) и изменение по времени входного и выходного напряжений схемы (б).
Для этой цели необходимо сначала вычислить амплитудное зарядное напряжение конденсатора, для чего аналитически определяют время t*, когда Ui(t)=n2(t). Это приводит к трансцендентному уравнению, решение которого t* находится при помощи цифровой вычислительной машины. Если вычислить для этого решения t* значение u1(t*) или u2(t*), то получим амплитудное зарядное напряжение на конденсаторе См и тем самым относительную погрешность максимального значения:
Для заданного изменения напряжения u1(t) =f(Т1, T2) можно вычислить значение δ в зависимости от постоянных времени цепи заряда. Не составляет труда также пересчет постоянных времени Т1 и Т2 к длинам фронта и волны τф и τв [Л. 244]. Особенно большие погрешности возникают при измерении на косоугольных срезанных волнах.
Здесь также могут быть вычислены погрешности измерения амплитуды, если предположить идеализированное изменение напряжения в зависимости oт постоянных времени цепи выпрямителя.
Вышеуказанные возможности аналитического определения погрешностей основаны на предположении, что характеристика выпрямителя идеальна. В действительности выпрямитель для точных расчетов следует рассматривать как нелинейный элемент. При расчете погрешностей для очень быстро изменяющихся процессов нужно, кроме того, учитывать собственные емкости монтажа и схемы, а также индуктивности подводящих проводов.
Другой способ определения погрешностей основан на замещении импульса напряжения эквивалентной синусоидой, подаваемой на схему пик-вольтметра в момент перехода через нуль. Так, например, импульсу напряжения 1,2/50 мкс соответствует эквивалентная синусоидальная волна частотой 230 кГц [Л. 245]. При помощи комплексных методов расчета, применяемых для переменных токов, можно также оценить погрешности измерений, если RС-элемснт рассматривать как частотнозависимый делитель напряжения.
Рис. 102. Импульсный пик- вольтметр с автоматическим Перезарядом.
Так как обратное сопротивление выпрямителя имеет конечное значение и есть утечки по изоляции измерительного конденсатора и вольтметра электростатической системы, сравнительно небольшая емкость См (десятки пикофарад) разряжается очень быстро, так что за время, необходимое для отсчета показаний, напряжение на нем быстро снижается и возникает дополнительная погрешность. В схеме с автоматическим перезарядом, разработанной Рабусом [Л. 245], эти дополнительные погрешности не возникают (рис. 102). Вольтметр электростатической системы в этой схеме подключен не непосредственно к измерительной емкости, а к другому конденсатору значительно большей емкости, на который перезаряжается измерительная емкость через сопротивление Rv Благодаря тому что второй конденсатор имеет большую емкость, получается достаточная постоянная времени разряда. Поскольку перезарядное сопротивление мало по сравнению с обратным сопротивлением выпрямителя R, постоянная времени разряда может быть вычислена по формуле
Схема с автоматическим перезарядом работает удовлетворительно, когда путем соответствующего выбора перезарядного сопротивления добиваются того, что во время заряда конденсатора См на конденсатор С еще не поступают заряды. Для заряда конденсатора См необходимо время. Это приблизительно такой промежуток времени, в течение которого импульс напряжения достигает своего амплитудного значения. Так, например, для стандартной волны 1,2/50 мкс значение k равно 1,7 [Л. 244]. Поэтому если выбрать постоянную времени перезаряда равную нескольким десятым секунды, то можно, в пределах требуемой точности измерений, пренебречь зарядом, который получает конденсатор С за промежуток времени. Требование иметь пренебрежимо малый заряд у конденсатора С за время заряда конденсатора См ограничивает допустимую длительность волны измеряемого напряжения. Вообще постоянная времени перезарядной цепи должна быть выбрана такой большой, чтобы можно было с удовлетворительной точностью измерять амплитудные значения импульсов напряжений с длительностью волны в несколько миллисекунд.
Если необходимо измерять амплитудные значения у импульсов напряжения с очень большой длительностью волны или амплитудные значения нескольких быстро следующих друг за другом импульсов напряжений одинаковой амплитуды и формы (ГИН повторного действия), то нужно автоматический перезаряд заменить механическим (рис. 103). У этого пик-вольтметра идеально выполняется требование иметь пренебрежимо малый заряд у перезарядного конденсатора С при заряде См [Л. 245, 246]. Измерительная емкость заряжается до амплитудного значения входного напряжения одним или несколькими импульсами.
Рис. 103. Импульсный пик- вольтметр с механическим перезарядом.
Перезаряд производится при помощи тумблера S. При измерении одиночных импульсов внутреннее сопротивление выпрямителя является причиной возникновения таких же погрешностей, как у схемы с автоматическим перезарядом. Эти погрешности можно существенно снизить, если применять выпрямители с меньшим прямым сопротивлением. В этой связи стоит упомянуть еще о схеме, разработанной Визингером, в которой заряд накопительной емкости и запирание цепи разряда осуществляются двумя различными выпрямителями [Л. 430]. Питаемый от батареи пик-вольтметр, выполненный по этой схеме, при измерении полных или срезанных при 0,3 мкс импульсах обеспечивает точность около 1,5%.
На рис. 104 показана схема пик-вольтметра фирмы Мессвандлер Бау. Здесь импульс измеряемого напряжения посредством омического или емкостного делителя напряжения и выпрямительной схемы преобразуется, независимо от его полярности, в пропорциональный положительный импульс напряжения меньшей амплитуды.
Рис. 104. Импульсный пик-вольтметр фирмы Мессвандлер Бау.
а—с омическим и б —с емкостным делителем напряжения
Этот импульс напряжения после перезаряда на конденсатор Си получается настолько пологим, что может быть измерен пик-вольтметром, схема которого изображена на рис. 98. Зафиксировать показания в течение сравнительно большого промежутка времени можно, если в схеме по рис. 98 разомкнуть тумблер S. Чтобы подготовить схему к следующему измерению, этот тумблер кратковременно закорачивается и конденсатор См разряжается через сопротивление Rm. Разделение общего перезарядного сопротивления на два сопротивления Ru и Rt позволяет отдельно применить импульсное и измерительное заземления, так как обе заземляющих системы развязаны между собой сопротивлением Rt.
У всех импульсных пик-вольтметров с емкостными делителями параллельно низковольтному конденсатору С2 подключается сопротивление порядка мегом, благодаря чему на конденсаторе не возникает составляющая постоянного напряжения.
