Измерения импульсных сигналов

Необходимость измерения параметров импульсных сигналов возникает, когда требуется получить визуальную оценку сигнала в виде осциллограмм или показаний измерительных приборов, для схем автоматического регулирования, а также для схем автоматического контроля и защиты по превышению допустимых параметров. Наиболее распространенными величинами, измеряемыми в электронных схемах импульсных устройств, являются напряжение и ток.

1. 1. 10.1.Делители напряжения 

Делители напряжения применяются для измерения напряжения, когда величина измеряемого сигнала выходит за пределы измерения используемого  прибора  или  рабочего  диапазона  измерительной схемы.

Простейший делитель  напряжения состоит из двух резисторов (Рис.10.1.1). Выходное напряжение связано входным соотношением

Uвых

 U        R2        ,

вх  R1  R2

 

расчете делителя, то входная емкость и емкость линии будут вносить частотную зависимость в

коэффициент деления и приводить к искажениям формы сигнала. Высокочастотные    гармоники   сигнала   будут«завалены»,    как   при

воздействии интегрирующего звена. Уменьшить влияние паразитных емкостей можно путем уменьшения величины R2, тем самым уменьшая выходное сопротивление делителя, но это приведет к уменьшению уровня полезного        сигнала,        а пропорциональное уменьшение верхнего плеча, как уже говорилось, будет нагружать источник   сигнала.   Искажения

противоположный, «дифференцирующий» характер, если емкость попадает в цепь верхнего плеча делителя. Это может произойти, например, при измерении высоковольтного импульса с помощью высокоомного делителя напряжения, размещенного вблизи массивной части генератора импульса (Рис.10.1.3). Емкостная наводка от источника высоковольтного импульса       на       делитель       через

 

паразитные емкости CП будет эквивалентнадействию дифференцирующего звена.

Проблема   импульсных измерений решается с помощью частотной компенсации делителя. Идея заключается в том, что параллельно  резистивному высокоомному    делителю подключается низкоимпедансный емкостный делитель напряжения с таким же коэффициентом деления. Схема компенсированного

 

Xc 

 

1

1

jC

 

 

 

    R2                 jC2             C1       

 

 

 

Рис.10.1.4

R1  R2

 

(10.1.1)

1

jC1

 

1

 

 

jC 2

C1  C2

Резистивная часть делителя отвечает за коэффициент деления по постоянному току и в низкочастотной области до граничной частоты ωгр=1/τ, где τ – постоянная времени плеча делителя. Из формулы 10.1.1 следует, что постоянная времени одинакова для верхнего и нижнего плеча. На частотах ω> ωгр работает емкостная часть делителя. Для высоковольтного делителя на рисунке 10.1.3 емкость включается параллельно каждому резистору верхнего плеча. Величины компенсирующих емкостей выбираются так, чтобы они были намного больше «паразитных» емкостей, искажающих измерения.

 

1. 1. 10.2.Датчики тока. 

Датчики тока служат для измерения тока, протекающего в электрической цепи. Как правило, датчик тока преобразовывает измеряемый ток в сигнал напряжения, линейно пропорциональный току. Сам датчик при этом должен вносить минимальное влияние в измеряемую цепь. Датчики тока бывают двух типов: контактные и бесконтактные.

Контактные        датчики,        или        шунты,        представляют        собой

низкоомные                сопротивления, включаемые в разрыв цепи (Рис.10.2.1), падение напряжения на которых при протекании измеряемого тока мало по сравнению        с        характерными напряжениями,  действующими  в  цепи.

 

1. 1)С точки зрения влияния на измеряемую цепь и мощности, рассеиваемой на самом шунте (особенно при измерении больших токов) величина сопротивления должна быть как можно меньше. 

2. 2)С точки зрения уровня сигнала и соотношения сигнал/шум сопротивление шунта нужно увеличивать. 

При совместном использовании шунта и делителя напряжения,  одну точку стараются сделать общей для сигнала тока и сигнала напряжения. Для удобства измерений и обработки сигналов эту точку обычно совмещают с «землей» схемы, как показано на рисунке 10.2.2

Рис.10.2.2

Однако, это не всегда бывает возможно. Часто требуется измерять ток в цепях, находящихся под потенциалом относительно общей точки схемы,  и передавать сигнал в «заземленную» часть. В этом случае используются бесконтактные датчики тока.

Для измерения переменной составляющей импульсного сигнала для этой цели используются трансформаторы тока, рассмотренные в  Главе

3. Схема включения трансформатора тока приведена  на рисунке     10.2.3.

Первичной обмоткой трансформатора служит сам провод с    измеряемым

током, поэтому можно сказать, что датчик включается в схему без разрыва цепи. Измеряемый ток I1 преобразуется в ток I2 через коэффициент трансформации, который в данном случае равен количеству витков вторичной обмотки. С помощью шунта RШ ток преобразуется в напряжение Uвых.. Общий коэффициент передачи вычисляется по формуле:

I

1

Рис.10.2.3

 

K  Uвых   w   R    А

 



Главное преимущество такого метода измерения тока заключается в гальванической развязке между измеряемой и сигнальной цепью. Недостаток – в невозможности измерять постоянную составляющую тока. Что касается полосы пропускания переменного сигнала, то она определяется постоянной времени τ=L/RШ , где L – индуктивность катушки трансформатора. Таким образом, нижняя граничная частота:

   1   RШ

       

н                L

Ниже этой частоты будет наблюдаться спад -20Дб/дек, характерный для дифференцирующей цепи. Для импульсного сигнала длительностью T> τ это будет проявляться в виде значительного скола вершины импульса. Расширить диапазон в области низких частот можно уменьшением RШ, но опять таки ценой снижения уровня полезного сигнала. Еще одно ограничение на максимальную длительность импульса тока связано с применением в трансформаторе замкнутого магнитопровода, максимальная   индукция   которого   Bmax    накладывает   ограничение  на

«вольт-секундную площадь» передаваемого импульса, или   произведение

среднего напряжения импульсного сигнала на длительность импульса. При измерении одиночных импульсов оценку максимальной «вольт- секундной площади» можно произвести по известной нам формуле расчета трансформатора (см. Главу 3):

U имп  tимп   wSBmax ,

где Ūимп – среднее значение импульсного напряжения на вторичной обмотке датчика за время tимп, S – площадь сечения магнитопровода, w – количество витков в обмотке.

1. 1. 10.3.Бесконтактный измеритель тока на основе датчика 

Холла.

Так каким же образом решить проблему бесконтактного измерения постоянного тока, если для этого не годятся ни шунты, ни трансформаторы? Не так давно на рынке электронных компонентов появился разработанный швейцарской фирмой LEM интегральный  прибор – бесконтактный датчик тока компенсационного типа на основе элемента Холла (в обиходе он получил простое название – LEM). Датчик измеряет как постоянный, так и переменный ток с полосой пропускания до 200 кГц. Устройство датчика показано на рисунке 10.3.1.

Рис.10.3.1

Основа датчика LEM – токовый трансформатор с разрезным магнитопроводом и помещенным в его зазор датчиком Холла – элементом, вырабатывающим напряжение, пропорциональное магнитному полю. Выход датчика Холла подключен к входу операционного усилителя ОУ. На сердечник трансформатора намотана компенсационная обмотка, включенная в выходную цепь операционного усилителя и образующая отрицательную обратную связь, воздействующую на входное напряжение ОУ через магнитное поле и датчик Холла. На рисунке показана схема подключения к датчику источников питания и  нагрузочного сопротивления RШ.

Работает     устройство     следующим     образом.     Проводник      с

измеряемым током I1 пропускается через отверстие в корпусе прибора и образует первичную обмотку токового трансформатора. Напряжение датчика Холла, наведенное током I1 и усиленное операционным усилителем создает компенсирующий ток Iкомп во вторичной обмотке и сопротивлении нагрузки RШ. Магнитное поле, созданное током Iкомп в точности равно полю от тока I1 так, что суммарное поле в сердечнике равно нулю. Таким образом, ток, протекающий через нагрузочное сопротивление RШ , а значит и выходное напряжение Uвых оказывается пропорциональным измеряемому току I1. Компенсационный датчик работает вблизи нулевой намагниченности, поэтому измеряет как постоянный, так и переменный ток. Коэффициент передачи определяется количеством витков компенсационной обмотки и сопротивлением шунта.

 

Количество витков указывается на приборе в виде коэффициента передачи тока (1:500, 1:1000 и т.д.). Величину нагрузочного сопротивления нужно выбирать из расчета максимального размаха выходного напряжения операционного усилителя, определяемого напряжением питания. Точность преобразования датчика  составляет около 1%. Положительным качеством датчика является то, что он способен передавать импульсы, частота которых лежит вне полосы пропускания операционного усилителя. В этом случае трансформатор  тока «напрямую» передает сигнал во вторичную обмотку и сопротивление нагрузки.

Фирмой LEM выпускаются датчики тока на диапазоны от единиц ампер до десятков килоампер. На рисунке 10.3.2 показана фотография датчика тока компенсационного типа серии LT на токи от 500 до 4000 А.

 

Рис.10.3.2