2.4. Структурні схеми калібраторів активних та пасивних електричних величин

Аналіз існуючих ЗВТ показує, що вхідними електричними сигналами є, як правило, напруга, або е.р.с., постійного та змінного струму, RLC-параметри. Ці електричні величини розділяються на активнi, які можна безпосередньо вимірювати, та пасивні, для вимірювання яких потрібно створювати тестові вимірювальні сигнали (R,L,C параметри). Відповідно, суттєво відрізняються між собою структури кодокерованих мір цих величин. В науковій літературі багатозначні міри фізичних величин отримали назву калібраторів.

Як видно з узагальнених структурних схем, структури калібраторів напруги постійного струму (рис. 2.2) та постійного струму (рис. 2.3) є дуже подібними, відрізняються лише масштабувальним вимірювальним перетворювачем або керованим генератором струму. Тому й на практиці в багатьох випадках виготовляються калібратори напруги та постійного струму.

ДОН - джерело опорної напруги; БВП - буферний вимірювальний перетворювач; КПН - кодокерований подільник; МВП - масштабувальний вимірювальний перетворювач; БК - блок керування

Р исунок 2.2. - Узагальнена структурна схема калібратора напруги постійного струму

Вихідну напругу U_К калібратора постійної напруги подамо співвідношенням

, (2.15)

де Е₀ – вихідна напруга джерела опорної напруги; μ, М – коефіцієнт передавання, відповідно, КПН та МВП; Δ_БВП, Δ_КПН, Δ_МВП – АСП, відповідно, БВП, КПН та МВП.

Вихідний струм І_К калібратора постійного струму подамо співвідношенням

, (2.16)

де k_i – коефіцієнт перетворення напруга-струм керованого генератора струму КГС; ΔІ_К – АСП керованого генератора струму КГС.

К

µ

ГС - керований генератор струму

Рис. 2.3. - Узагальнена структурна схема калібраторів постійного струму

Під час побудови калібраторів змінних напруги і струму, окрім стабілізації амплітуди, постають також задачі стабілізації частоти та забезпечення малих нелінійних спотворень вихідного сигналу. Тому й структура калібраторів напруги змінного струму містить дві системи стабілізації – амплітуди та частоти вихідного сигналу (рис. 2.4). Малий рівень нелінійних спотворень зазвичай досягається відповідним вибором параметрів масштабувальних елементів.

Г ОЧ - генератор опорної частоти; ККПЧ - кодокерований подільник частоти; БСА - блок стабілізації амплітуди; ККП - кодокерований подільник напруги

Рис. 2.4. Узагальнена структурна схема калібратора напруги змінних струму та напруги

Багатозначні міри RLC - параметрів реалізуються у вигляді кодокерованих магазинів (рис. 2.5 - рис. 2.7). Комплексний опір має властивість адитивності, тому є можливість реалізації кодокерованих магазинів опору (рис. 2.5),

Рис. 2.5. Структурна схема кодокерованого магазина опору

індуктивності (рис. 2.6) та ємності (рис. 2.7). В кодокерованих магазинах опору переважно використовується принцип шунтування масштабних резисторів електронними ключами і вихідний опір такого кодокерованого магазина з урахуванням залишкових параметрів ключів подається співвідношенням

, (2.17)

де r_ki, e_ki, r_kJ, e_kJ – опір i-го або j-го замкненого ключа та залишкова напруга на них відповідно; R_рi, R_рj – опір i-го або j-го розімкненого ключа відповідно; R_i, R_j – масштабувальні опори i-ї або j-ї кодокерованої тетради; а_і – комутаційний коефіцієнт (а_і=0 у випадку замкненого ключа, відповідно, виключеного опору з відтворюваного мірою опору, а_і=1 в протилежному випадку); І₁₂ – струм, що протікає між затискачами 1 та 2 міри опору; ω – кругова частота.

В кодокерованих магазинах індуктивності масштабні котушки індуктивності перемикаються окремими електронними перемикачами і значення комплексного опору між затискачами 1 та 2 подається співвідношенням

, (2.18)

де z_1ki, z_1pi, е_1ki – відповідно опори і-го замкненого та розімкненого перемикача і залишкова напруга у верхньому за рис. 2.6 положенні; z_2ki, z_2pi, е_2ki - відповідно опори і-го замкненого та розімкненого перемикача і залишкова напруга у нижньому за рис. 2.6 положенні; R_i, L_i – активний опір та індуктивність і-тої масштабувальної котушки індуктивності; R_Li – опір заміщувального резистора в і-му розряді встановлюваної індуктивності; І₁₂ – струм, що протікає через магазин індуктивності; m – кількість розрядів встановлюваного індуктивного опору.

Р ис. 2.6. Структурна схема декади кодокерованого магазину індуктивності

Після нескладних перетворень з розкладанням знаменників виразу (2.18) в ряд та нехтуванням складових вище від другого порядку малості отримаємо такий вираз для оцінювання значення встановлюваного індуктивного опору

. (2.19)

В кодокерованих магазинах ємності масштабні елементи завдяки фундаментальній властивості ємності підключаються до виводів магазину паралельно (рис. 2.7). Після нескладних перетворень з розкладанням

Рис. 2.7. Структурна схема кодокерованого магазину ємності

знаменників виразу паралельних ланок ємнісної провідності в ряд та нехтуванням складових вище від другого порядку малості отримаємо такий вираз для оцінювання значення встановлюваної ємнісної провідності G₁₂ між затискачами 1 та 2 магазину

. (2.20)

де С_і – масштабувальна ємність і-го розряду; e_ki, z_ki, z_pi – відповідно залишкова напруга, опори замкненого та розімкненого і-го ключа; m – кількість розрядів магазину ємності; C_П – паразитна ємність між затискачами 1 та 2 магазина ємності.

Як показав проведений аналіз в багатозначних мiрах RLC-параметрів суттєву похибку вносять залишкові параметри комутаційних елементів, що обмежує їх точність та дискретність відтворення опору. Для покращення цих параметрів останнім часом запропоновані структури імітаторів RLC - параметрів, які складаються з однозначних мір, кодокерованих подільників напруги та активних буферних елементів (детальніше ці питання будуть розглянуті в наступних темах).