измерение Лабораторные. Выполняемые лабораторные работы на учебном лабораторном стенде нтц05. 08. 1 Электрические измерения с мпсо
 Скачать 6 Mb.
|
Лабораторная работа №3. Измерение амплитуды сигнала.Цельработы: Измерение амплитуды пиковыми детекторами: электронным, с открытым и закрытым входом. Измерение амплитуды осциллографическим методом. Часть 3.1. Измерение амплитуды пиковыми детекторами: электронным, с открытым и закрытым входом.Краткие теоретические сведения.Преобразователи амплитудного значения (ПАЗ) строятся в большинстве случаев по схемам, приведенным на рисунке 3.1 а и б. Рассмотрим работу ПАЗ с открытым входом (рисунок 3.1, а) при подаче на вход синусоидального напряжения. Пусть в некоторый начальный момент t0входное напряжение начинает нарастать (рисунок 3.1, в), заряжая конденсатор через открытый диод VD1.При достаточно малой постоянной времени заряда τ3 (3 = (𝑅 𝑅 ) · 𝐶 RИ— внутреннее сопротивление источника сигнала; RD — сопротивление открытого диода) по сравнению с периодом измеряемого напряжения напряжение на конденсаторе С практически повторяет входное напряжение и поэтому через четверть периода достигает значения UMAX(рисунок 3.1, г). С этого момента входное напряжение уменьшается и диод закрывается.  Рисунок.3.1.Преобразователи амплитудного значения. Конденсатор будет разряжаться через резистор Rдо момента t1когда входное напряжение становится равным напряжению на конденсаторе, после чего диод открывается и конденсатор подзаряжается до UMAXи т. д. Среднее значение напряжения на конденсаторе UC0близко к UMAX. Отношение K =𝑈𝐶0 𝑈 𝐴𝑋 является коэффициентом преобразования ПАЗ. Схема ПАЗ, приведенная на рисунке 3.1, а, имеет так называемый открытый вход, поскольку при наличии постоянной составляющей во входном сигнале ±U0 выходное напряжение ПАЗ будет равно UMAX+U0.Приведенная схема предназначена для измерения амплитуды входного сигнала положительной полярности. Для измерения амплитуды сигнала отрицательной полярности необходимо изменить полярность включения диода. Устройство, приведенное на рисунке. 3.1, 6, называется ПАЗ с закрытым входом. В этом ПАЗ процесс заряда конденсатора аналогичен рассмотренному выше (ПАЗ с открытым входом). Напряжение на конденсаторе устанавливается и остается близким к значению UMAX(рисунок 3.1, е). Поэтому напряжение на диоде VD2 равно алгебраической сумме входного напряжения (рисунок. 3.1, д) и напряжения на конденсаторе и имеет вид, представленный диаграммой на рисунке 3.1, ж. С помощью фильтра RФСФнапряжение усредняется, и на выходе ПАЗ напряжение почти постоянно и близко к UMAX (рисунок 3.1, з). Амплитудная характеристика UC0=f(UMAX)нелинейна при UMAXдо 0,3—0,5 Виз-за нелинейности вольтамперной характеристики диода и близка к линейной зависимости при больших напряжениях. Амплитудно-частотная характеристика ПАЗ КПАЗ= φ(f) равномерна в полосе частот от 20 Гц до 1000 МГц. Верхнее значение частоты fВполосы пропускания определяется частотными свойствами диода, значениями междуэлектродных и монтажных емкостей и индуктивностей подводящих проводов. Для сведения к минимуму влияния последних факторов ПАЗ конструктивно оформляется в виде пробника и выносится за пределы прибора. Нижняя граница fНполосы пропускания определяется постоянной времени разряда конденсатора τР(τР=RC), и чем больше ее значение, тем меньше fH. Входное сопротивление ПАЗ не остается неизменным в течение периода синусоидального напряжения, действующего на его входе. Пока диод закрыт, входной ток очень мал. В установившемся режиме ПАЗ потребляет ток от источника сигнала в течение очень короткого промежутка времени, когда происходит подзарядка конденсатора. Для характеристики входного сопротивления ПАЗ используются усредненные оценки. Входное эквивалентное сопротивление ПАЗ (RВХ,ЭКВ)— это такое линейное сопротивление, которое потребляет от источника сигнала ту же активную мощность, что и схема ПАЗ. В этом случае при синусоидальном входном сигнале оно определяется следующим образом: для схемы рисунок 3.1, а для схемы рис. 3.1, б 𝑅BX,3KB = 𝑅  2 𝑅BX,3KB = 𝑅  𝑅 3 + (𝑅) Φ В реальных ПАЗ сопротивление резистора R=10÷50МОми поэтому RВХ,ЭКВ=5÷25МОм.  Рисунок 3.2. Преобразование прямоугольных импульсов. Рассмотренные ПАЗ используются также для измерения амплитуды импульсов. Если на входе ПАЗ (рисунок 3.1, а) действует последовательность прямоугольных импульсов (рисунок. 3.2), то выходное напряжение преобразователя (напряжение на конденсаторе) близко к UMAX. 𝑈 Коэффициент преобразования ПАЗ (K =𝑈𝐶0) в общем случае зависит от 𝑇 𝑀𝐴𝑋  скважности импульсов = и соотношения между постоянными времени заряда и разрядаконденсатора. Рассмотренные ПАЗ позволяют измерять амплитуду импульсов с минимальной длительностью до десятых долей микросекунды и скважностью от 2 до 103. Входное эквивалентное сопротивление ПАЗ (рисунок 3.1, а) при импульсном воздействии (рисунок 3.2), равно: 𝑅BX,3KB = 𝑅 O Описанные выше пиковые детекторы имеют сущственные недостатки. Входной импеданс является переменной величиной, и в момент пиков входного колебания он очень мал. Кроме того, из-за падения напряжения на диоде эта схема нечувствительна к пикам, меньшим 0,6 В, а для больших пиков она дает ошибку (на величину падения напряжения на диоде). Более того, падение напряжения на диоде зависит от температуры и протекающего через диод тока, а это значит, что погрешность схемы зависит от температуры окружающей среды и скорости изменения выходного напряжения; напомним, что = ( ) Использование на входе эмиттерного повторителя позволяет избавиться только от первого из перечисленных недостатков.  Рисунок 3.3 На рис. 3.3 показана улучшенная схема, в которой используется обратная связь. Если напряжение обратной связи снимать с конденсатора, то падение напряжения на диоде не создаст никаких проблем. На рис. 3.4 представлен возможный вид выходного колебания.  Рисунок 3.4 Ограничения, присущие операционному усилителю, сказываются на этой схеме двояко: а) Конечная скорость нарастания ОУ порождает проблемы даже для относительно медленно меняющихся входных сигналов. Для большей ясности отметим, что выход ОУ попадает вотрицательное насыщение, когда вход усилителя имеет менее положительный потенциал, чем выход (постарайтесь изобразить напряжение ОУ в виде графика; не забудьте о прямом падении напряжения на диоде). Итак, выход ОУ должен стремиться к величине выходного напряжения (плюс падение напряжения на диоде) тогда, когда входной сигнал начинает превышать уровень выходного. При скорости нарастания Sэто можно грубо описать выражением B X, где Uотрицательное напряжение питания, (U -выходное напряжение. - ВЫХ б) Входной ток смещения вызывает медленный разряд конденсатора (или его заряд в зависимости от знака смещения). Это явление называют иногда «утечкой заряда» и для того, чтобы избежать его, лучше всего использовать ОУ с очень малым током смещения. По той же причине и диод следует подбирать таким образом, чтобы он имел малую утечку; выходные каскады ОУ должны иметь больший импеданс (лучше всего использовать ОУ на полевых транзисторах или ОУ со входами на полевых транзисторах. в) Максимальный выходной ток ОУ ограничивает скорость изменения напряжения на конденсаторе, иначе говоря, скорость, с которой сигнал на выходе отслеживает изменение сигнала на входе. Поэтому при выборе конденсатора приходится идти на компромисс между скоростью утечки заряда и скоростью нарастания выходного напряжения. Сброс пикового детектора. На практике обычно желательно тем или иным способом производить сброс выхода пикового детектора. Один из способов состоит в подключении к выходу схемы резистора, благодаря которому напряжение на выходе затухает с постоянной времени RC. При этом схема «запоминает» только последние пиковые значения. Более со- вершенный способ состоит в подключении к конденсатору С транзисторного переключателя; выход схемы сбрасывается в нуль за счет поданного на базу короткого импульса. |