110. Детектор средневыпрямленного значения

Это измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянный ток, пропорциональный средневыпрямленному значению входного сигнала (среднему значению модуля). Вольтамперная характеристика такого детектора должна иметь линейный участок в пределах диапазона входных напряжений. Примером подобного преобразователя может служить двухполупериодный выпрямитель с фильтром нижних частот. Наиболее распространенными являются мостовые схемы (рис. 4.11). В схеме рис. 4.11,а ток через диагональ моста протекает в одном и том же направлении в течение обоих полупериодов переменного напряжения. В положительный полупериод ток протекает по цепи: верхний входной зажим—диод VD1—диагональ моста — диод VD4— нижний входной зажим; в отрицательный: нижний зажим—диод VD3—диагональ моста — диод VD2—верхний зажим. Направление тока соответствует проводящему направлению указанных диодов. Характеристики реальных диодов не имеют строго линейного участка, как это требуется условиями преобразования. Ток, протекающий через диод при положительном значении входного напряжения i≈u/(R_д(U)+R), где R_д(U)—сопротивление открытого диода, зависящее от приложенного напряжения, R — сопротивление нагрузки. Начальный участок характеристики близок к квадратичному. Поэтому будет иметь место погрешность, которая будет тем меньше, чем ближе к линейной будет характеристика диода. Для улучшения линейности ΒΑΧ в диагональ моста последовательно с резистором R включают резистор R_доб, сопротивление которого намного больше сопротивления открытого диода R_д(U). В этом случае Зависимость прямого тока от напряжения будет близка к линейной. Уменьшение чувствительности, которое будет проявляться при включении R_доб, можно компенсировать введением дополнительного усиления. Схема рис. 4.11,б отличается от предыдущей тем, что вместо диодов VD3 и VD4 включены резисторы R1 и R2. В положительный полупериод напряжения ток протекает через диод VD1 и резистор R1. Через резистор R2 в этот полупериод ток не протекает, на его зажимах напряжение равно нулю. Поэтому, если в диагональ моста включить магнитоэлектрический вольтметр, он измеряет падение напряжения на R1. Очевидно, в отрицательный полупериод вольтметр измеряет падение напряжения на резисторе R2, поскольку через него и диод VD2 будет протекать ток. Погрешность преобразования обусловлена, главным образом, нелинейностью ΒΑΧ диода и влиянием прямого сопротивления диода на ток, протекающий через выпрямительный мост.

111.Детектор среднеквадратического значения

Детектор среднеквадратического значения (СКЗ) — это измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное, пропорциональное квадрату СКЗ переменного напряжения. Измерение СКЗ напряжения связано с выполнением квадрирования, усреднения и извлечением квадратного корня [см. формулу]. Первые операции осуществляются детектором, а операция извлечения корня должна осуществляться градуировкой аналогового измерительного прибора, подключаемого к выходу детектора СКЗ. Таким образом, детектор СКЗ должен иметь квадратичную функцию преобразования, а сам нелинейный элемент квадратичную вольтамперную характеристику. В качестве нелинейного элемента детектора, имеющего квадратичную вольтамперную характеристику (ΒΑΧ), можно, например, использовать начальный участок ΒΑΧ полупроводникового диода. Однако этот участок имеет очень малую протяженность. Полупроводниковые диоды имеют большой разброс параметров на этом участке характеристики. Поэтому большее распространение получили детекторы на основе диодной цепочки. Такая цепочка позволяет получить квадратичную ΒΑΧ в результате кусочно-линейной аппроксимации параболической кривой. Схема квадратичного преобразователя с диодной цепочкой показана на рис. 4.9. Входное напряжение u_ВХ подводится к широкополосному трансформатору Т1. С помощью диодов VD1 и VD2 во вторичной обмотке осуществляется двухполупериодное выпрямление.  Выпрямленное напряжение действует на цепь, состоящую из диодной цепочки VD3...VD8, R3...R14 и резистора нагрузки R15. Падение напряжения на нагрузке через фильтр нижних частот Ζ1 подается на выход преобразователя. Выходное напряжение пропорционально среднему значению тока диодной ячейки. Диодная цепочка имеет близкую к параболической вольтамперную характеристику. Поэтому среднее значение выходного напряжения оказывается пропорциональным квадрату среднеквадратического значения входного напряжения. Рассмотрим как обеспечивается квадратичная вольтамперная характеристика. Делители напряжения R3...R14 подключены к общему стабилизированному источнику напряжения Е. Делители подобраны так, что смещения U_i, подаваемые на диоды, удовлетворяют соотношению U₁<U₂<…<U₆. Пока входное напряжение цепочки U не достигает U₁ (см. график), все диоды закрыты и начальная часть ΒΑΧ является прямой линией с наклоном, зависящим от сопротивлений резисторов R1, R2 и R15. Когда напряжение U превысит U₁, откроется диод VD3 и параллельно R2 подключится делитель R3, R9. Крутизна ΒΑΧ на участке от U₁ до  U₂ возрастает, ток в цепи станет i_∑=i₀+i₁ (рис. 4.10). Когда выполнится условие U>U₂, в цепи преобразователя будет протекать ток i_∑=i₀+i₁+i₂. Крутизна ΒΑΧ будет увеличиваться с ростом U. Выбирая соответствующим образом сопротивления делителей, можно получить ΒΑΧ в виде ломаной линии, приближающейся к квадратичной параболе. Таким образом, квадратичная характеристика синтезируется из начальных участков характеристик ряда диодных ячеек, что показано на рис. Коэффициент преобразования детектора по току К_д=I/U², где I—среднее значение тока на выходе преобразователя; U—СКЗ входного напряжения. Погрешность преобразования таких преобразователей определяется нестабильностью ΒΑΧ диодов, непостоянством сопротивлений резисторов и она составляет 3...5%. Частотный диапазон определяется свойствами трансформатора — индуктивностью (снизу) и паразитными параметрами диодной цепочки (сверху) и составляет интервал от нескольких герц до 1 МГц.

112.113ЛИССАЖУ ФИГУРЫ        

замкнутые траектории, прочерчиваемые точкой, совершающей одновременно два гармонич. колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Впервые изучены франц. учёным Ж. Лиссажу (J. Lissajous). Вид Л. ф. зависит от соотношения между периодами (частотами), фазами и амплитудами обоих колебаний. В простейшем случае равенства обоих периодов Л. ф. представляют собой эллипсы, к-рые при разности фаз j=0 или j=p вырождаются в отрезки прямых, а при j=p/2 и равенстве амплитуд превращаются в окружность (рис.).

Вид фигур Лиссажу при разл. соотношениях периодов (1:1, 1:2 и т. д.) и разностях фаз.

115. Детекторы амплитудных значений. Особенности.

А мплитудный детектор – аналоговое запоминающее устройство для отслеживания и хранения максимума входного сигнала в течение заданного промежутка времени с заданной точностью до прихода сигнала более высокого уровня. В качестве запоминающего элемента в детекторах используется конденсатор (рис.1).

Рис.1 Простейшие схемы пассивного (а) и активного (б) амплитудных детекторов. Амплитудный детектор отличается от устройств выборки-хранения тем, что его переход из режима выборки в режим хранения и обратно определяется непосредственно входным сигналом. Так, например, когда в схеме рис.1а выполняется условие – диод открывается (Uотп»0,7В – падение напряжения на открытом диоде) и детектор отслеживает входное напряжение (напряжение на конденсаторе повторяет входное напряжение с точностью до Uотп.).

116. При измерении импульсных напряжений интересует обычно пиковое значение, поэтому для этой цели могут применяться пиковые вольтметры, построенные на основе пикового детектора. Импульсные вольтметры имеют структурную схему, показанную на рис 5.1,а. Однако при измерении импульсов большой скважности напряжение на конденсаторе пикового детектора не устанавливается равным пиковому значению, поскольку за время паузы конденсатор успевает разрядиться. При малой скважности импульсов и применении детектора с закрытым входом возникает другая погрешность, связанная с неучетом постоянной составляющей. Оценим эти погрешности.

Компенсационные импульсные вольтметры. Для измерения импульсных напряжений, включая импульсы микросекундной и на-носекундной длительности, широко используются компенсицонные вольтметры. Принцип действия компенсационного импульсного вольтметра состоит в том, что на некотором устройстве, часто называемым дискриминатором, производится сравнением пикового значения импульса Um с компенсирующим постоянным напряжением UK, которое регулируется до достижения равенства Um=UK и является мерой пикового значения. Регулировка осуществляется вруч- - " ную . (режим полной компенсации, астатическая характеристика уравновешивания) либо автоматически (режим неполной компенсации, статическая характеристика системы уравновешивания).

Напряжение характеризуется пиковым (амплитудным) значением и тремя интегральными параметрами: среднеквадратическим (GK3), средним, средневыпрямленным (СВЗ) значениями. Изменение формы приводит к изменениям значений напряжения. Вольтметры в зависимости от используемого детектора фактически измеряют то или иное значение напряжения: пиковое, СКЗ, СВЗ. Однако шкалы подавляющего большинства вольтметров градуируют в СКЗ на синусоидальном напряжении. Исключение составляют импульсные вольтметры, которые градуируются в пиковых значениях. Поэтому при измерении среднеквадратического значения напряжения не строго синусоидальной формы с помощью вольтметра, содержащего пиковый детектор или детектор средне-выпрямленного значения, будет возникать погрешность. В паспортах некоторых вольтметров указывают допустимую степень искажения измеряемого синусоидального напряжения. Например, для вольтметра В5-12 допускаемое значение коэффициента гармоник измеряемого напряжения /(г^1%. ГОСТ 9781-78 требует указывать степень изменения показания вольтметра при отклонении формы кривой измеряемого напряжения от синусоидальной формы.

46. Качественные показатели амплитудного детектора сильно зависят от амплитуды сигнала. Аналитические методы расчета наиболее полно разработаны для "слабых" и "сильных" сигналов. При этом понятие слабого и сильного сигнала относительно и зависит от свойств применяемого нелинейного элемента.

Среди нелинейных элементов наиболее часто используются диоды. К эквивалентному диодному детектору сводится расчет детекторов на других нелинейных элементах, например на транзисторах. Поэтому рассмотрение детекторов начнем с диодного амплитудного детектора.

Pисунок 12.1.

Схема последовательного диодного детектора изображена на рисунке 12.1. Здесь - входное высокочастотное напряжение, снимаемое с контура усилительного каскада, к которому подключен детектор; - начальное напряжение смещения, подбором которого можно выбирать рабочую точку на вольт-амперной характеристике диода; RC- нагрузочная цепь (фильтр), с которой снимается выходное напряжение; u и i-мгновенные значения напряжения на диоде и тока через диод.

Диод Д и нагрузочная цепь включены последовательно, поэтому значение тока i в любой момент времени может быть найдено из системы уравнений

(12.1)

Здесь - коэффициент пропорциональности между током и напряжением с учетом их несинусоидального характера.

Первое уравнение (12.1) представляет собой уравнение вольт-амперной характеристики диода как безынерционного нелинейного элемента. В режиме покоя ;, и . При этом второе уравнение (12.1) превращается в уравнение прямой с угловым коэффициентом . Графическое решение системы уравнений

(12.2)

для режима покоя приведено на рисунке 12.2. Оно дает положение исходной рабочей точки (точки покоя на вольт-амперной характеристике диода с координатами ,).

Pисунок 12.2.

Переменное напряжение на диоде , появляющееся одновременно с приложением напряжения в начальный момент времени, суммируется с напряжением (положение 1 на рисунке 12.2). Благодаря нелинейности вольт-амперной характеристики диода кривая тока через него не имеет синусоидального характера - ее положительные полуволны вытягиваются, а отрицательные сжимаются. При этом в составе тока появляется постоянная составляющая, которая, протекая по сопротивлению нагрузки R , создает падение постоянного напряжения, смещающего положение рабочей точки диода влево. Стационарное положение рабочей точки при данной амплитуде входного напряжения указано на рисунке 12.2 цифрой 2. Полезный эффект детектирования по напряжению где - новая абсцисса рабочей точки при наличии напряжения .

Такое же по значению приращение постоянного напряжения, но противоположного знака снимается с нагрузочного сопротивления и является выходным сигналом детектора. В соответствии с рисунками 12.1 и 12.2 увеличение амплитуды входного напряжения вызывает дальнейшее приращение постоянного напряжения на нагрузочном сопротивлении и смещение рабочей точки влево. При этом ток через диод все больше приближается по форме к односторонним импульсам при положительных пиках входного напряжения, открывающих диод. Работа схемы приобретает "ключевой" характер - диод закрыт - диод открыт. В промежутках между пиками входного напряжения, открывающими диод, он поддерживается в закрытом состоянии напряжением на нагрузочной емкости . Форма выходного напряжения (рисунок 12.3) определяется процессами зарядки и разрядки емкости нагрузки C, причем в силу нелинейности цепи (сопротивление диода для положительных полуволн входного напряжения меньше, чем для отрицательных) процесс зарядки происходит быстрее, чем процесс разрядки. При этом выходное напряжение сглаживается, постоянная составляющая в его составе увеличивается, а глубина пульсаций уменьшается.

Pисунок 12.3.

Из рассмотрения схемы детектора (см. рисунок 12.1), а также происходящих в нем процессов можно сформулировать ряд требований к нагрузочной цепи. Во-первых, входное напряжение должно практически полностью прикладываться к диоду ( ), для чего требуется выполнение условия , где - емкость диода, шунтирующая p-n- переход, или промежуток анод - катод. Во-вторых, необходимо выполнение условий , , где и - постоянные времени разрядки и зарядки конденсатора C; и - сопротивления диода для отрицательных и положительных полуволн входного напряжения; - период приложенного высокочастотного напряжения частоты . Выполнение условия позволяет считать рабочую точку неподвижной даже при наличии входного переменного напряжения, что используется при дальнейшем анализе детектора. При этом . Зависимость полезного эффекта детектирования от амплитуды приложенного напряжения дается детекторной характеристикой (рисунок 12.4).

Pисунок 12.4.

Если входной сигнал имеет амплитудную модуляцию с глубиной m и частотой , а напряжение на нагрузке успевает "следить" за изменениями амплитуды входного сигнала, то становится функцией времени и повторяет закон модуляции входного сигнала. При этом возникают нелинейные искажения, вызванные нелинейностью детекторной характеристики ( ), а при модуляции спектром частот - частотные и фазовые искажения, обусловленные влиянием нагрузочной емкости С детектора, что ограничивает ее максимально допустимое значение.

Различают три вида детектирования импульсных сигналов: