Поиск по сайту:
Главная страница » Каталог статей » Статьи о средствах измерений » Ю.Д. Болмусов, Д.К. Кожеватов, Ю.М. Лещенко, В. Е. Поляков; "Поверка и калибровка широкополосных вольтметров переменного напряжения"

Поверка и калибровка широкополосных вольтметров переменного напряжения




Электронные вольтметры переменного напряжения составляют одну из самых многочисленных групп средств измерений (СИ). Диапазон частот современных широкополосных вольтметров лежит в пределах от 10 Гц до 1,5 ГГц, а пределы измерений - от единиц милливольт до сотен вольт. Характерными представителями широкополосных вольтметров являются приборы B3-43, ВЗ-49, ВЗ-52, ВЗ-62, B3-63, ВЗ-71, ВЗ-75, а также приборы нового поколения ВКЗ-78 и В7-83.

Указанные вольтметры снабжены выносными высокочастотными пробниками и используют метод преобразования переменного напряжения в постоянное по уровню амплитудного значения. При главном достоинстве - широком диапазоне частот, они обладают и недостатком, а именно, значительными погрешностями при измерении напряжений со сложным спектральным составом или гармоническими искажениями.

Поверка и калибровка широкополосных вольтметров, как правило, осуществляется по эталонам 1-го разряда, в качестве которых в настоящее время используются аттестованные диодные компенсационные вольтметры ВЗ-49 и B3-63 [1] и доаттестованные приборы ВКЗ-78 и В7-83. Вольтметры-эталоны на частотах выше 10 МГц фактически не являются прямо-показывающими приборами и требуют введения индивидуальных частотных поправок при измерениях в каждой точке. Это уже делает поверку весьма трудоемкой. Дополнительно к вольтметру, аттестованному по 1-му разряду, при поверке рабочих СИ требуются широкодиапазонные большеуровневые генераторы сигналов с высокой стабильностью выходного напряжения, малым уровнем коэффициента гармоник. Для фильтрации гармоник обычно используют наборы дополнительно включаемых полосовых фильтров. Поверка при значениях напряжений менее 100 мВ требует еще и аттестованных высокочастотных делителей напряжения. Это делает поверку и калибровку вольтметров, в широком диапазоне частот, еще более трудоемкой и малодостоверной.
Кардинальным решением вопроса повышения производительности и достоверности поверки широкополосных вольтметров является использование специализированных калибраторов напряжения. Выпускаемый серийно калибратор напряжения Н5-3 имеет ограниченный (до 50 МГц) диапазон частот. Морально устаревшая и давно снятая с производства установка В1-15 не соответствует современному уровню по точности, диапазону частот, стабильности и производительности измерений.

С учетом изложенного разработка современных широкополосных калибраторов переменного напряжения является весьма актуальной.

Разработанные калибраторы напряжения переменного тока Н5-6 (эталон 2-го разряда) и Н5-6/1 (эталон 1-го разряда) максимально унифицированы по схемноконструктивным решениям. Приборы отличаются лишь вариантами исполнения некоторых узлов, метрологическими характеристиками и некоторыми функциональными возможностями. Далее по тексту описывается калибратор Н5-6 (базовая модель), особенности исполнения калибратора Н5-6/1 отмечаются отдельно. Калибратор Н5-6 (рисунок 1) состоит из функционально и конструктивно законченного аппаратного блока и внешнего персонального компьютера (ПК). Управление аппаратным блоком осуществляется программным способом от ПК по интерфейсам RS-232 или RS-485 через встроенное устройство управления - контроллер (УУ).

Широкополосный калибратор

Калибраторы работают в диапазоне фиксированных частот от 10 Гц до 1500 МГц и диапазоне воспроизводимых напряжений от 3 В до 1 мВ (на частоте 1500 МГц верхний предел ограничен значением 1 В).

Принцип построения калибраторов поясняется структурной схемой, приведенной на рисунке 2.

Структурная схема

В диапазоне частот от 10 Гц до 1000 кГц формирование синусоидальных напряжений осуществляется генератором низких частот (ГНЧ). ГНЧ работает на фиксированных частотах 10 и 20 Гц; 1; 10; 100 и 1000 кГц и построен на основе RC-генератора, охваченного кольцом стабилизации выходного напряжения. В опоре кольца стабилизации напряжения ГНЧ включен цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), позволяющий дискретно с малым шагом регулировать (в пределах ±30 %) напряжение на выходе генератора. ГНЧ имеет малую нестабильность выходного напряжения и используется также в качестве опорного источника в системе формирования калиброванных значений напряжения на частотах от 10 до 1500 МГц. Для точной дискретной установки выходного напряжения ГНЧ используется образцовый делитель напряжения (ДО). ДО выполнен по схеме перемножающего ЦАПа и позволяет устанавливать выходное напряжение с шагом 100 мВ. Линейный усилитель напряжения УНЗ усиливает сигнал с выхода ДО до 3 В, работает на нагрузку 50 Ом в диапазоне частот от 10 Гц до 1 МГц.

Формирование напряжения в диапазоне частот от 10 МГц до 1500 МГц осуществляется с помощью формирователя дискретных частот (ФДЧ) и двух линейных усилителей напряжения (УН1, УН2). ФДЧ построен с использованием набора из 7 включаемых по питанию и управляемых (перестраиваемых) по частоте напряжением автогенераторов (ГУН). С помощью ГУНов формируется требуемая сетка фиксированных несущих частот в диапазоне от 10 до 1500 МГц. Установка частоты ГУНов осуществляется по встроенному частотомеру регулируемым с помощью ЦАПа напряжением постоянного тока. Для фильтрации гармоник в сигналах ФДЧ, а также гармоник, возникающих в управляемом pin-диодном аттенюаторе (АП), используется набор коммутируемых фильтров, размещенных в узле фильтров (УФ).

Формирование сигнала с несущей частотой 1500 МГц осуществляется отдельным полосовым усилителем УН2.

Сформированные напряжения с выходов УН1, УН2 и УНЗ поступают на вход дискретного высокочастотного аттенюатора. Дискретный аттенюатор (ДА) имеет две последовательно-включенных 50 Ом секции с ослаблением 20 дБ каждая. С выхода ДА сигнал через высокочастотное реле коммутируется либо на розетку «<Э->1», либо на тройниковый переход «<Э-И1». Тройниковый переход (ТП), с целью предельного уменьшения электрической длины высокочастотного тракта, встроен в корпус прибора, а соединитель для подключения высокоомных пробников поверяемых вольтметров выведен на переднюю панель. В ТП к точке подключения пробника поверяемого вольтметра подключены распределенная нагрузка 50 Ом и контрольный, широкополосный детектор (ДК) на диодах Шоттки. Детектор позволяет устанавливать при калибровке напряжение непосредственно в плоскости подключения пробников поверяемых вольтметров и, тем самым, минимизировать погрешности рассогласования [2]. ДК выполнен по термокомпенсированной схеме. Температурная нестабильность детектора дополнительно корректируется в процессе калибровки по сигналу стабильного уровня от ГНЧ с частотой 10 кГц. Неравномерность частотной характеристики ДК для уровней напряжений, при которых проводятся калибровки, учитывается поправочными коэффициентами, записанными в память контроллера УУ.

Калибровка выходного напряжения калибраторов на частотах 10 МГц и выше осуществляется в реперных точках 3 В и 0,3 В (на частоте 1500 МГц в точках 1 В и 0,1 В).

На частотах от 10 Гц до 1000 кГц (кроме частоты 10 кГц), формируемых ГНЧ, опорный уровень напряжения (3,000 В) на выходе калибратора устанавливается по ДК ТП при запуске программы автокалибровки. Постоянное напряжение на выходе ДК измеряется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) УУ и, при необходимости, уровень напряжения корректируется с помощью ЦАПа ГНЧ. На частоте 10 кГц калибровка не проводится. Точность и стабильность гарантируются схемно-конструктивными решениями. Для установки напряжения на выходе калибратора в пределах от 3 В до 0,3 В используется ДО. Для установки напряжения в пределах от 0,29 В до 1 мВ используется ДО и две после-довательно-включаемых секции ДА.
На частотах 10 МГц и выше для калибровки и установки выходного напряжения в пределах первой декады (от 0,3 до 3 В) используется система стабилизации с обратной связью и двухканальным детектором.

В основе такой системы лежит использование интегральной сборки, состоящей из двух идентичных СВЧ диодов Шоттки (на рисунке 2 VD1 и VD2). Конструктивно сборка выполнена на одной подложке со специальным экраном между диодами, уменьшающим «паразитное» пролезание сигналов с диода на диод. Диод VD1 подключен к входу дискретного аттенюатора и служит для контроля высокочастотного напряжения на его входе. На идентичный диод VD2 от ГНЧ через ДО подается низкочастотное напряжение (10 кГц), которое после детектирования является опорным в системе стабилизации, состоящей из плавного аттенюатора (АП), высокочастотных усилителей (УН1 или УН2), детектора на диоде VD1, дифференциального усилителя (ДУ) и усилителя-интегратора (УИ).. При достаточно большом усилении в кольце регулирования, высокочастотное напряжение в точке «А» всегда отслеживает и стремится к значению низкочастотного напряжения в точке «В». Таким образом, если вольтамперные характеристики диодов идентичны и не зависят от частоты, а усиление в кольце регулирования большое, то точность установки высокочастотного напряжения в точке «А» будет определяться точностью установки низкочастотного напряжения в точке «В». Система стабилизации с использованием двухканального детектора позволяет уменьшить погрешность установки выходного напряжения, обусловленную нелинейностью детекторной характеристики диода VD1 и минимизировать погрешность установки выходного напряжения, обусловленную температурным дрейфом вольтам-перной характеристики диода VD1 (детектора обратной связи).

Калибровка выходного напряжения калибратора осуществляется в реперных точках 3 В и 300 мВ по контрольному детектору ТП. Первоначально, в каждом цикле калибровки, по стабильному сигналу ГНЧ с частотой 10 кГц измеряется напряжение поправки, обусловленной температурным дрейфом детектора. Постоянное напряжение на выходе детектора измеряется аналого-цифровым преобразователем АЦП УУ. Далее на вход детектора ТП 01 подается высокочастотное напряжение. Если % измеренное напряжение не укладывается в допуск с учетом поправки на дрейф детектора, то с помощью цифрового потенциометра (ПЦ) проводится подстройка напряжения на выходе калибратора до требуемого значения в реперной точке. Между циклами калибровки поддержание уровня выходного напряжения обеспечивается системой стабилизации с двухканальным детектором.

Калибровка в двух реперных точках (3 В и 0,3 В) исключает частотную погрешность входной декадной секции ДА, а также погрешность из-за изменения выходного им-пенданса калибратора (при включении входной секции ДА) и комплексного характера входного сопротивления пробников поверяемых вольтметров.

Погрешность установки выходного напряжения в пределах первой декады (от 0,3 до 3 В), обусловленная непостоянством коэффициента передачи системы стабилизации, в диапазоне частот от 10 до 1500 МГц минимизируется введением поправок, заносимых в память контроллера УУ при первоначальной регулировке прибора. Введением поправок минимизируются и погрешности секций ДА в диапазоне частот.

Нестабильность выходного напряжения калибратора на всех частотах, в первую очередь, определяется температурной нестабильностью опорного источника в ГНЧ. В калибраторе Н5-6/1 уровень выходного напряжения ГНЧ корректируется автоматически программой по встроенному датчику температуры. Это производится каждый раз при установке любого нового значения уровня выходного сигнала с панели управления прибором или при повторном наборе ранее установленного значения. В результате, в процессе самопрогрева прибора и при изменении температуры окружающей среды от 10 °С до 30 °С нестабильность выходного напряжения ГНЧ не превышает +0,02 %.

УУ решает в приборе задачи управления нижнего уровня: управление узлами по последовательным каналам, измерение напряжений и частот сигналов, хранение постоянных и перепрограммируемых данных, а также калибровочных коэффициентов конкретного экземпляра прибора, связь с компьютером по интерфейсам.

Задачи управления верхнего уровня (ввод, хранение, вывод, обработка и отображение информации, реализация алгоритмов калибровок и измерений, обработка результатов измерений и др.) выполняются ПК.

Разработанная прикладная программа работает под управлением операционных систем Windows XP/Vista/7. Управление калибратором осуществляется с панели управления (рисунок 3) на дисплее ПК с помощью «мыши» или клавиатуры.

Установка частоты выходного напряжения производится кнопками в зоне панели управления «Частота». Нажатие кнопок осуществляется щелчком «мыши» после наведения курсора на нужную кнопку. Установленная частота отмечается нажатой кнопкой и выводится на индикатор (на рисунке 3 установлена частота 10 МГц). Измерение фактического значения частоты встроенным частотомером проводится при нажатии кнопки «Измерить». На частотах 10 МГц и выше возможна подстройка, перестройка и запоминание нового (подстроенного) значения частоты. К имеющимся 9 фиксированным частотам, выведенным на панель управления, в диапазоне (10 - 1500) МГц калибраторы позволяют пользователю запрограммировать еще 4 дополнительных частоты (четыре резервные кнопки без надписей в нижнем ряду на рисунке 3). При этом, все калибруемые поправки для установленных частот автоматически вычисляются и заносятся на дополнительные частоты линейной интерполяцией с ближайшими частотами.

Установка выходного напряжения в калибраторе может осуществляться как кнопками наборного поля (зона «Установка и»), так и кнопками в зоне «Быстрая установка U».

Страница 1 из 2 Следующая

Добавить комментарий


Главная страница » Каталог статей » Статьи о средствах измерений » Ю.Д. Болмусов, Д.К. Кожеватов, Ю.М. Лещенко, В. Е. Поляков; "Поверка и калибровка широкополосных вольтметров переменного напряжения"