Радиоизмерения. Метрология и радиоизмерения
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
4.2.2.3. Квадратичный детектор Детектор среднеквадратического значения – это измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное, пропорциональ- ное квадрату среднеквадратического значения переменного напряжения. Измерение среднеквадратического значения напряжения связано с выпол- нением квадрирования, усреднения и извлечением квадратного корня Первые операции осуществляются детектором, а операция извлечения корня должна выполняться градуировкой аналогового измерительного при- бора, подключаемого к выходу детектора среднеквадратического значения. Таким образом, детектор среднеквадратического значения должен иметь квадратичную функцию преобразования, а сам нелинейный элемент – квад- ратичную вольтамперную характеристику (ВАХ). В качестве нелинейного элемента детектора, имеющего квадратич- ную ВАХ, можно, например, использовать начальный участок ВАХ полу- проводникового диода. Однако этот участок имеет очень малую протя- жённость, а полупроводниковые диоды – большой разброс параметров на этом участке характеристики. Поэтому бóльшее распространение получи- ли детекторы на основе диодной цепочки (рис. 4.9). Такая цепочка позво- ляет получить квадратичную ВАХ в результате кусочно-линейной аппрок- симации параболической кривой. Детектор с диодной цепочкой обладает значительной нестабильно- стью параметров, обусловленной нестабильностью элементов. Частотный диапазон ограничен снизу свойствами трансформатора, сверху – паразит- ными параметрами: индуктивностью проводов, собственной ёмкостью, и составляет 20 Гц...100 кГц. Входное напряжение U х подводится к широкополосному трансфор- матору. С помощью диодов VD 0 осуществляется двухполупериодное вы- прямление. Делители напряжения подключены к общему стабилизирован- ному источнику напряжения U ст . Они подобраны так, что каждый диод по- лучает постоянное смещение U 1 , U 2 , U 3 Если входное напряжение U х не превышает значения U 1 , то ток про- текает через диоды VD 0 . Если U 1 < U х < U 2 , то ток протекает через диоды VD 0 и VD 1 , в результате чего крутизна зависимости тока от напряжения увеличивается. Ток через прибор I и = i 1 + i 2 . Если U х > U 2 , то ток протекает через диоды VD 0 , VD 1 , VD 2 и равен i 1 + i 2 + i 3 , крутизна зависимости тока от Глава 4. Измерение напряжений 173 напряжения увеличивается ещё больше. Подбирая сопротивление делите- лей, можно осуществить кусочно-линейную аппроксимацию ВАХ диодов. Таким образом, квадратичная характеристика синтезируется из на- чальных участков характеристик ряда диодных ячеек. Рис. 4.9. Квадратичный преобразователь с диодной цепочкой Коэффициент преобразования детектора по току д 2 I K U , (4.9) где I – среднее значение тока на выходе преобразователя, U – среднеквадратическое значение входного напряжения. При использовании в преобразователе магнитоэлектрического при- бора усреднение осуществляется прибором, а операция извлечения квад- ратного корня реализуется градуировкой шкалы. Тогда показания прибора будут: 2 д д K U K U , (4.10) где K д – коэффициент преобразования детектора среднеквадратического значения по отклонению. 4.2.3. Термоэлектрические преобразователи Термоэлектрические преобразователи имеют больший частотный диапазон, но меньшую чувствительность, что требует использования пред- варительного усилителя. Другой недостаток состоит в квадратичной шкале вольтметра, что создает в работе с приборами дополнительные трудности. Наибольшее применение находят резисторные термоэлектрические преобразователи и термоэлектрические преобразователи, реализующие ме- тод взаимообратных преобразований. + U вых U 2 U 1 R 1 R 0 U 3 – VD 0 VD 0 VD 1 VD 2 VD 3 VD 4 U x PV Раздел 2. Измерительная техника 174 Рассмотрим принцип действия резисторного термоэлектрического преобразователя (рис. 4.10). Входное напряжение разогревает резистор R 1 , опорное напряжение постоянного тока – резистор R 2 . В контуре управления по балансной схеме включены два воспринимающих тепло транзистора VT 1 , VT 2 , а также ин- вертирующий усилитель, который регулирует температуру резистора R 2 до равенства её температуре резистора R 1 , т. е. до наступления баланса моста. Когда достигнуто равновесие, значение постоянного напряжения U вых про- порционально среднеквадратическому значению напряжения U х на входе схемы. По схеме, аналогичной рассмотренной, построены вольтметры сред- неквадратических значений В3-40. Другой термоэлектрический преобразователь реализует метод взаи- мообратных преобразований (рис. 4.11). Рис. 4.10. Схема преобразователя среднеквадратических значений с терморезисторами Рис. 4.11. Структурная схема вольтметра с термоэлектрическим преобразователем, реализующим метод взаимообратных преобразований + + ЕК2 K ос U 1 U 2 U 3 ЕК1 K у U x U x ВУ У ДО K ВК2 ВК1 U PS U x U вых – R 3 R 4 C 1 R 1 VT 1 VT 2 + R 2 Глава 4. Измерение напряжений 175 Два термоэлектрических преобразователя ВК1 и ВК2 с косвенным подогревом включены встречно на входе усилителя постоянного тока (УПТ). На подогреватель ЕК1 поступает усиленный измеряемый сигнал K у U х , где K у – коэффициент преобразования входной цепи и усилителя, а на- греватель ЕК2 подключен через делитель обратной связи (ДО) к выходу УПТ. Термопреобразователи имеют термоЭДС: Е 1 = K 1 I 1 2 ; Е 2 = K 2 I 2 2 , где K 1 , K 2 – коэффициенты, зависящие от свойств термопреобразователей; I 1 , I 2 – среднеквадратические значения токов, протекающих через на- греватели термопар и пропорциональные среднеквадратическому значе- нию измеряемого напряжения и напряжения обратной связи. Так как I 1 = K у U х , I 2 = K ос U 3 , то Е 1 = K 1 K у 2 U х 2 , Е 2 = K 2 K 2 ос U 3 2 . При большом коэффициенте усиления УПТ его входной сигнал U = Е 1 – Е 2 0, следовательно, Е 1 Е 2 , K 1 K у 2 U x 2 = K 2 K 2 ос U 3 2 и отклонение указателя изме- рительного механизма у 1 3 ос 2 x K K SU S U K K (4.11) Уравнение преобразования вольтметра линейно и его показания про- порциональны среднеквадратическому значению измеряемого напряжения. Погрешность вольтметра включает следующие составляющие: по- грешность измерительного механизма; неидентичность термопреобразова- телей; неравномерность частотной характеристики усилителя широкопо- лосного; нестабильность элементов схемы. Схема позволяет реализовать милливольтметр, измеряющий средне- квадратические значения напряжения от единиц милливольт до сотен вольт (с делителем) в диапазоне частот 20 Гц...50 МГц с основной погреш- ностью 2,5...10 %. По схеме, аналогичной рассмотренной, построены вольтметры сред- неквадратических значений В3-45, В3-46, В3-57. 4.2.4. Усилители В электронных аналоговых вольтметрах применяются как усилители переменного, так и усилители постоянного тока. Первые включаются в схему до преобразователя, а вторые после. УПТ обычно выполняет роль усилителя мощности, который усиливает мощность входного измеряемого сигнала до такой величины, которая достаточна для приведения в действие механизма магнитоэлектрического прибора. УПТ согласует малое внут- Раздел 2. Измерительная техника 176 реннее сопротивление магнитоэлектрического прибора с высоким сопро- тивлением нагрузки преобразователя или входного аттенюатора. В электронных вольтметрах УПТ должны иметь высокую стабиль- ность коэффициента усиления и малый дрейф выходной величины. Часто их выполняют по мостовой схеме с применением отрицательной обратной связи (ООС), которая повышает стабильность работы УПТ и делает её ма- ло чувствительной к перегрузкам. Характеристика усилителя, выполненно- го по мостовой схеме с ООС, линейна в достаточно широких пределах. В микровольтметрах постоянного тока, где от УПТ требуется очень большое усиление и малый дрейф нуля, часто используют усилители с преобразованием напряжения постоянного тока в напряжение перемен- ного тока, так называемые усилители типа модулятор – демодулятор (МДМ). В них напряжение постоянного тока преобразуется с заданной частотой в напряжение переменного тока, амплитуда которого пропорцио- нальна значению напряжения постоянного тока, а фаза при изменении по- лярности напряжения меняется на противоположную. В состав УПТ (рис. 4.12) входят: Г – генератор; М – модулятор; У – усилитель переменного тока; ДМ – демодулятор; И – интегратор. Усилитель охвачен отрицательной обратной связью, ДО – делитель обратной связи. Рассмотрим временнýю диаграмму напряжений, поясняющую работу вольтметра (рис. 4.13). Генератор управляет модулятором и демодулятором (U Г ), представ- ляющими собой в простейшем случае аналоговые ключи, синхронно замы- кая и размыкая их. На выходе модулятора возникает однополярный им- пульсный сигнал (U M ), среднее значение которого пропорционально раз- ности между измеряемым напряжением (U x ) и сигналом обратной связи (U k ); U M = U х – U k Рис. 4.12. Структурная схема вольтметра с УПТ МДМ ДМ У М УПТ R 2 + R 1 U В U x Г И ДО U Г U Г U ДМ U У U M U И + – – = = ВУ PS U k Глава 4. Измерение напряжений 177 Рис. 4.13. Эпюры напряжений в контрольных точках УПТ Усилитель переменного тока усиливает разностный сигнал в k раз, «обрезая» постоянную составляющую. В демодуляторе выделяется посто- янная составляющая усиленного сигнала. Применение управляемого демо- дулятора позволяет определить, какое напряжение больше – U х или U k . По- стоянное напряжение на выходе демодулятора U ДМ = k (U х – U k ) увеличи- вается, если U х > U k , и уменьшается, если U х < U k (рис. 4.13, г). Изменение напряжения U ДМ будет происходить до тех пор, пока U k не станет равным U х . В этом случае установившееся значение U ДМ = U х k / (1 + K Д k), (4.12) где K Д – коэффициент передачи делителя обратной связи (ДО). Напряжение U ДМ подаётся на магнитоэлектрический измерительный механизм, показания которого пропорциональны входному напряжению и в случае K Д k >> 1: U ДМ = Д 1 x U K , (4.13) откуда U х = K Д U ДМ Для переключения пределов измерения предусмотрено изменение коэффициента передачи K Д цепи обратной связи, а также коэффициент пе- редачи входного устройства. Пределы измерения можно изменять от не- скольких микровольт до нескольких сотен вольт. U x > U k U k U M t б U У t в t U ДМ г 0 U Г t а k (U x – U k ) 0 0 0 kU k kU x U x Раздел 2. Измерительная техника 178 Усилители переменного тока, стоящие перед преобразователем, должны иметь высокую чувствительность, большое значение и высокую стабильность коэффициента усиления, малые искажения и широкую поло- су пропускания. Для выполнения этих условий в таких усилителях приме- няют ООС. Усилители переменного тока можно использовать отдельно от ос- тальной схемы вольтметра как измерительные усилители. 4.2.5. Зависимость показаний вольтметров от формы измеряемого напряжения Важнейшей характеристикой вольтметра является его градуировоч- ная характеристика, устанавливающая соотношение между показанием прибора А п и значением определенного параметра А напряжения, подво- димого ко входу прибора: А = сА п . При этом, с – коэффициент, зависящий от типа детектора и измеряемого параметра, обеспечивающий получение прямого отсчета при измерении данного параметра. Шкалы подавляющего большинства стрелочных электронных вольт- метров, предназначенных для измерения переменных напряжений, градуи- руют в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. Это объясняется тем, что при измерении гармонического, напряжения пре- имущественно интересуются его среднеквадратическим значением. Если детектор у вольтметра квадратичный, то с = 1. Тогда показание прибора непосредственно дает среднеквадратическое значение напряжения, т. е. A п = U. При детекторах других типов коэффициент с отличен от 1. При измерении амплитудных параметров одного и того же сигнала возможны различные показания вольтметров. Это определяется типом преобразователя. На практике связь между пиковым (амплитудным), сред- неквадратическим и средневыпрямленными значениями напряжения для сигналов различной формы характеризуется коэффициентами амплитуды K а и формы K ф a m U K U , ф св U K U (4.14) Значения коэффициентов для некоторых часто используемых сигна- лов приведены в табл. 4.1. Данные табл. 4.1 подтверждают, что измерение параметров несину- соидальных напряжений нужно проводить очень вдумчиво, с большим вниманием. Применять приборы с детекторами не того значения напряже- ния, которое нужно измерять, целесообразно лишь тогда, когда отсутству- ют вольтметры, непосредственно измеряющие интересующий нас пара- метр. Таблица 4.1 Значения коэффициен тов амплитуды и форм ы сигнала Параметр Форма сигн ала U ma x U m U m U m U m U m U m U ср 0 ma x U 0 ma x 2 U ma x 2 U ma x 2 U U срв ma x 2U max U U m ma x 2 U ma x 2 U ma x 2 U U скз ma x 2 U ma x 2 U U m ma x 2 U ma x 3 U ma x 1, 75 U K ф 1,11 2 1 2 2 3 2 3 K а 2 2 1 2 3 1,75 u t 0 u t 0 0 u t 0 u t 0 0 t 0 u t u Раздел 2. Измерительная техника 180 4.2.6. Погрешности стрелочных вольтметров на низких и высоких частотах Основными составными частями стрелочного электронного вольт- метра служат измерительный преобразователь и стрелочный электроизме- рительный прибор. Последний содержит меру и выполняет операцию сравнения. От его класса точности зависит общая погрешность электрон- ного вольтметра. Рационально выбрав стрелочный измерительный прибор, можно сделать так, чтобы вносимая им погрешность не превосходила от- веденной ему доли общей погрешности. Наибольшую составляющую погрешности дает измерительный пре- образователь, состоящий из детектора и усилителя. Рассмотрим погрешности пикового детектора. Прежде всего под- черкнём ещё раз, что при закрытом входе измеряется пиковое значение на- пряжения без постоянной составляющей. В случае исследования периоди- ческой последовательности прямоугольных импульсов с большой скваж- ностью Q это практически не влияет на показания вольтметра (мала постоянная составляющая U 0 = U m / Q). При малой скважности, когда по- стоянная составляющая значительна, погрешность измерения становится весьма существенной. Отсчет по прибору m U меньше истинной амплитуды импульса U m на величину U Q и относительная погрешность 0 1 m m m m m U m m U U U U U U U Q . (4.15) Эта погрешность систематическая. Ее можно учесть, внеся поправку. Весомая методическая погрешность связана с тем, что среднее на- пряжение U ср на конденсаторе пикового детектора всегда меньше изме- ряемого пикового значения U max (рис. 4.14), так как конденсатор С успева- ет несколько разрядиться в интервале между двумя соседними пиками по- ложительных полуволн входного напряжения. Определим эту погрешность для гармонического сигнала. Рис. 4.14. К определению методической погрешности пикового детектора U max U min t U x T U x U c U c U ср Глава 4. Измерение напряжений 181 Напряжение на конденсаторе при его разряде через резистор сопро- тивления R характеризуется следующей зависимостью: U с = 1 max max 1 1 RC U e U RC (4.16) Через интервал t ≈ T напряжение достигает минимального значения: min max 1 1 U U RC (4.17) Среднее напряжение на конденсаторе max min ср max 1 2 2 U U T U U RC (4.18) Таким образом, относительная погрешность преобразования детек- тором измеряемого пикового значения напряжения в постоянное ср 2 m m U U T U RC (4.19) Для получения малой погрешности δ необходимо выполнение усло- вия RC >> T. Когда измеряется пиковое значение напряжения импульсов периоди- ческой последовательности, то при больших скважностях погрешность из- мерения может оказаться значительной. Она обусловлена тем, что за вре- мя, пока длится импульс, конденсатор пикового детектора не успевает полностью зарядиться, а в течение паузы между импульсами он сущест- венно разряжается. В таких случаях среднее напряжение, устанавливаю- щееся на конденсаторе за период Т, заметно меньше U m Эту погрешность определяют из условия сохранения заряда: заряд, теряемый конденсатором за время паузы Т – τ и ≈ Т, равен заряду, сообщае- мому конденсатору за время импульса τ и : и m U i Q R Q R R , (4.20) где R – сопротивление нагрузки; R i – внутреннее сопротивление диода; R и – выходное сопротивление исследуемого источника. Входное активное сопротивление пикового детектора при измерении импульсных напряжений находят из условия баланса энергий: энергия, Раздел 2. Измерительная техника 182 подводимая за время τ и действия импульса к входному сопротивлению, 2 1 и вх m U W R , равна энергии, расходуемой на нагрузочном резисторе сопро- тивлением R за время паузы между импульсами: 2 2 и с U W T R . Пола- гая, что U с ≈ U m и Т – τ и ≈ Т, получаем и вх R R R T Q (4.21) Таким образом, входное сопротивление детектора оказывается в Q раз меньше сопротивления R его нагрузки. Погрешность, вносимая квадратичным детектором типа диодной це- почки, обусловлена главным образом погрешностью кусочно-линейной аппроксимации квадратичной ВАХ (параболической кривой). Увеличение числа участков разбиения позволяет снизить эту погрешность до весьма малого значения. Рис. 4.15. Градуировочная характеристика детектора вольтметра В7-36 Определённую погрешность могут вносить и усилители. В схеме де- тектор – усилитель постоянного тока источником погрешности является дрейф УПТ. Современная техника конструирования таких усилителей рас- полагает арсеналом средств, обеспечивающих построение усилителей с малым дрейфом (по сравнению с остальными составляющими погрешно- 200 400 600 800 1000 f, МГц 0,8 0,9 1,0 0 K Глава 4. Измерение напряжений 183 сти прибора). В схеме усилитель переменного напряжения – детектор по- грешности могут вызываться нестабильностью параметров схемы усилите- ля, недостаточной его широкополосностью, а также вносимыми им нели- нейными искажениями. Последнее обстоятельство приводит к изменению формы кривой напряжения, подводимого к детектору. При этом показания вольтметра не соответствуют измеряемому параметру напряжения. При измерении напряжения с частотой свыше 300 МГц с целью по- вышения точности измерений путём исключения систематической по- грешности показания стрелочных вольтметров следует умножать на по- правочный множитель K, который определяется в ходе градуировки детек- тора на различных частотах. Пример градуировочной характеристики детектора вольтметра В7-36 приведён на рис. 4.15. 4.3. Цифровые вольтметры 4.3.1. Классификация цифровых вольтметров постоянного напряжения По виду измеряемой величины цифровые вольтметры делятся на сле- дующие виды: вольтметры постоянного тока; переменного тока (средневыпрямленного или среднего квадрати- ческого значения); импульсные вольтметры – для измерения параметров видео- и ра- диоимпульсных сигналов; универсальные вольтметры, предназначенные для измерения на- пряжения постоянного и переменного тока, а также ряда других электриче- ских и неэлектрических величин (сопротивления, температуры и прочее). Принцип работы цифровых измерительных приборов основан на дискретном и цифровом представлении непрерывных измеряемых вели- чин. Схема такого прибора состоит из входного устройства, АЦП, цифро- вого отсчетного устройства и управляющего устройства (рис. 4.16). Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преобразователь переменного тока в постоянный. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровом кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и вольтметра. Исполь- зование в АЦП цифровых вольтметров двоично-десятичного кода облегча- ет обратное преобразование цифрового кода в десятичное число, отражае- мое цифровым отсчетным устройством. Раздел 2. Измерительная техника 184 Рис. 4.16. Упрощённая структурная схема цифрового вольтметра Цифровое отсчетное устройство измерительного прибора регистри- рует измеряемую величину. Управляющее устройство объединяет и управ- ляет всеми узлами вольтметра. Цифровые вольтметры могут измерять мгновенное значение и сред- нее за какой-то интервал времени значение напряжения. Цифровые вольт- метры последнего типа принято называть интегрирующими. В зависимости от способа сравнения с эталонным напряжением разли- чают цифровые вольтметры прямого и уравновешивающего преобразования. В |