3. Преобразователи электронных вольтметров

Измерительный преобразователь напряжения переменного то­ка в напряжение постоянного тока (или ток), — важнейший узел вольтметра, в большой мере определяющий его основные характе­ристики и, в частности, особенности шкалы. Преобразователи можно классифицировать по следующим признакам:

по измеряемому параметру входного напряжения, которому непосредственно соответствует ток или напряжение в выходной цепи детектора, — пиковые (амплитудные), среднеквадратического зна­чения, средневыпрямленного значения;

по схеме входа — с открытым входом и закрытым входом;

по характеристике преобразования — линейные и квадратич­ные;

по схемному решению.

Рассмотрим основные типы применяемых преобразователей, классифицируя их по первому признаку.

Преобразователи пикового значения. Особенность преобразо­вателя этого вида заключается в том, что напряжение на его вы­ходе непосредственно соответствует пиковому (амплитудному) значению напряжения, поданного на вход преобразователя. Он должен содержать элемент, запоминающий пиковое значение нап­ряжения. Обычно это конденсатор, заряжаемый через диод до пи­кового значения.

Необходимо подчеркнуть, что преобразователи пикового зна­чения, которые в дальнейшем для кратности будем называть пи­ковыми, — самые широкополосные преобразователи напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока (см. раздел преобразователи СВЧ вольтметров).

рис.5.6

На рис. 5.6 приведены часто встречающиеся схемы пиковых преобразователей: с открытым (рис. 5.6,а) и закрытым (рис. 5.6,б)

входом.

Для обеих схем должны выполняться следующие соотношения: значение постоянной времени цепи заряда конденсатора τ₃=RіС (где Rі — внутреннее сопротивление диода) много меньше значения постоянной времени τ_Р=RС цепи (разряда конденсатора;

значение постоянной времени τ₃ меньше или соизмеримо со зна­чением периода самого высокочастотного напряжения, измеряемого данным вольтметром;

значение постоянной времени τ_Р значительно больше периода самого низкочастотного напряжения, измеряемого прибором с дан­ным преобразователем.

Рассмотрим работу пикового преобразователя с открытым входом в случае, когда к нему подводится сину­соидальное напряжение ; равенство нулю начальной фазы не нарушает общности рассуждений. В начальный момент напряжение приложено к диоду почти целиком, поскольку емкость конденсатора С (обычно порядка десятков тысяч пикофарад) зна­чительно больше емкости анод — катод диода. При первой поло­жительной полуволне в цепи диода возникает большой импульс тока, заряжающего конденсатор, но в течение одного полупериода конденсатор полностью зарядиться не успевает. За время отрица­тельной полуволны конденсатор несколько разряжается, но так как значение постоянной времени цепи разряда τ_Р намного боль­ше периода напряжения и_х, то заряд уменьшается незна­чительно. При каждой новой положительной полуволне синусои­дального напряжения конденсатор подзаряжается через внутрен­нее сопротивление диода Ri. Так как τ₃<< τ_Р (быстрый заряд и медленный разряд), то через несколько периодов на обкладках конденсатора устанавливается постоянное напряжение Uс, почти равное амплитуде напряжения U_т, поданного на вход преобразо­вателя (рис. 5.7).

По мере повышения напряжения на конденсаторе разность по­тенциалов между анодом и катодом диода и_a= и_х—и_с уменьшает­ся: преобразователь представляет собой схему с автоматическим смещением. В установившемся режиме напряжение катода диода

Рис.5.7

равно Uc≈U_m. Но поскольку U_c все же несколько меньше Um вследствие утечки заряда через резистор R, то в течение той части положительной полуволны, когда мгновенные значения синусои­дального напряжения и_х превышают напряжение U_c на конденса­торе, через диод проходят импульсы тока с малой амплитудой, по­полняющие заряд конденсатора (рис. 5.7,6). Ток через диод про­ходит лишь в течение незначительной части периода, характери­зуемой углом отсечки θ.

Напряжение Uс на конденсаторе измеряется стрелочным вольт­метром. Оно тем ближе к амплитуде U_m напряжения и_х, чем мень­ше угол отсечки θ. Как видно из рис. 5.7,б,

В теории идеального диодного преобразователя устанавливается зависимость между углом отсечки и параметрами схемы:

(5.8)

где Ri—Внутреннее сопротивление диода; R— сопротивление нагрузки (пред­полагается, что у диода Rобр»Я).

Из соотношения (5.8) следует, что равенство U_c — U_m, достигаемое при θ= 0, никогда не может быть реализовано, так как . Однако при­ближение будет тем лучше, чем меньше будет отношение Ri/R.

Важно подчеркнуть, что включение последовательно с диодом резистора с любым дополнительным сопротивлением Rдоп дает такой же эффект, как и увеличение внутреннего сопротивления диода Ri.

Из изложенного видно, что всегда U_c<U_m. Относительную погрешность преобразования можно вычислить по формуле

(5.9)

Необходимо иметь в виду, что нельзя чрезмерно увеличивать сопротивление резистора R, так как при этом значение постоян­ной времени разряда конденсатора может оказаться настолько большим, что преобразователь будет инерционным: при уменьше­нии напряжения на входе напряжение на конденсаторе долго сох­раняется неизменным. Недопустимо также включать в схему кон­денсатор очень большой емкости С, так как это приведет к воз­растанию постоянных времени цепей заряда и разряда.

До сих пор исследовалась работа преобразователя при напря­жении синусоидальной формы. Если на вход рассматриваемой схе­мы подать напряжение u_x=Uo+U'_msinωt, в котором имеются и постоянная и переменная составляющие, то измеряемое прибором значение напряжения в этом случае будет зависеть не только от амплитуды U'm, но и от значения постоянной составляющей Uо, так как вход преобразователя открытый. Таким образом, конден­сатор С преобразователя с открытым входом заряжается до нап­ряжения, определяемого суммарным воздействием постоянной и переменной (амплитудой) составляющих напряжения, подводимо­го К детектору, т. е. до пикового значения Um=Uo + U'm.

Теперь рассмотрим работу пикового преобразователя с закры­тым входом (рис. 5.6,6) в предположении, что к нему подведено синусоидальное напряжение

В течение нескольких положительных полу периодов действия напряжения и_х конденсатор С заряжается через диод почти до значения U_т. Сопротивление резистора R велико, следовательно, велико и значение постоянной времени цепи разряда, поэтому нап­ряжение U_с изменяется весьма мало. С некоторым приближением в установившемся режиме его можно считать постоянным. Это позволяет рассматривать заряженный конденсатор С как источник постоянного напряжения

Проследим за изменением напряжения на нагрузочном резис­торе Я. Как видно из эквивалентной схемы (рис. 5.8,а)

Когда синусоидальное напряжение достигает положительного максимума, ; при отрицательном максимуме , так как (рис. 5.8,6). Таким образом, напряжение, падающее на резисторе R, является пульсирующим и измерить его непосред­ственно магнитоэлектрическим прибором затруднительно (при низких частотах заметно колеблется стрелка). Поэтому между ре­зистором Я и стрелочным вольтметром включен фильтр нижних частот, пропускающий только постоянную составляющую U_с пуль­сирующего напряжения. Прибор измеряет напряжение

При измерении напряжений, не содержащих постоянной сос­тавляющей, преобразователи с открытым ,и закрытым входом да­ют одинаковые результаты: напряжения на конденсаторах в обо­их случаях весьма близки к U_т и показания обоих вольтметров пропорциональны амплитуде измеряемого напряжения.

Если на вход подается напряжение в виде суммы постоянной и переменной составляющих, то преобразователь с закрытым вхо­дом реагирует только на амплитуду переменной составляющей (напряжение, превышающее постоянную составляющую) и пока­зания вольтметра пропорциональны ей.

Таким образом, вольтметр, содержащий пиковый преобразова­тель с закрытым входом, измеряет пиковое значение напряжения без постоянной составляющей, т. е. пиковое значение напряжения, превышающего постоянную составляющую.

Рис. 5.8

Входные сопротивления пиковых преобразователей с открытый и закрытым входом неодинаковы. В режимах работы преобразо­вателей В электронных вольтметрах У вольтметра, схема которого начинается с преобразователя, вход­ное сопротивление последнего определяется Rвх всего прибора.

Когда амплитуда напряжения на входе преобразователя пре­восходит несколько десятых долей вольта, т. е. когда использу­ется линейный участок вольт-амперной характеристики диода, рас­смотренные диодные преобразователи являются пиковыми; при сигналах меньшей амплитуды из-за кривизны характеристики пре­образователь становится квадратичным.

Изображенные на рис. 5.6,а и б схемы пиковых преобразова­телей измеряют пиковые значения напряжения положительной по­лярности. Для измерения напряжения отрицательной полярности используют аналогичные схемы, но диоды включают так, чтобы они пропускали ток в противоположном направлении.

Преобразователи среднеквадратического значения. Они так преобразуют напряжение переменного тока в напряжение посто­янного тока (или ток), что значение выходного напряжения (то­ка) преобразователя получается пропорциональным первой степе­ни или квадрату среднеквадратического значения напряжения подведенного к входу преобразователя.

Как видно из (5.3), измерение среднеквадратического значе­ния напряжения связано с выполнением трех операций: квадрирования (возведения напряжения переменного тока в квадрат), усреднения и извлечения квадратного корня из результата усредне­ния. Следовательно, алгоритм формирования среднеквадратичес­кого значения U напряжения u(t) можно записать так:

Операция извлечения квадратного корня выполняется либо схемным путем, либо при градуировке шкалы вольтметра.

Из изложенного следует, что преобразователь должен обладать квадратичной характеристикой преобразования и поэтому его называют квадратичным.

Если в выходную цепь квадратичного преобразователя вклю­чить фильтр нижних частот и магнитоэлектрический стрелочный измерительный прибор (микроамперметр), то последний будет из­мерять постоянную составляющую (среднее значение) выходного тока или напряжения преобразователя, которая пропорциональна квадрату (или первой степени) среднеквадратического значения напряжения на входе преобразователя. Отметим, что градуировоч­ная характеристика шкалы вольтметра с квадратичным преобра­зователем в среднеквадратических значениях не зависит от формы напряжения, с помощью которого производилась операция гра­дуировки. Поэтому показания квадратичного вольтметра, програ­дуированного в среднеквадратических значениях синусоидального

напряжения, при измерении напряжения сложной формы соответ­ствуют среднеквадратическому значению этого напряжения (более подробно об этом см. в § 5.7).

Для квадрирования можно использовать начальный участок вольт-амперной характеристики полупроводникового диода, хоро­шо аппроксимируемый квадратичной зависимостью. Однако в нас­тоящее время эта возможность почти не используется, что объяс­няется малой протяженностью квадратичного участка характерис­тики.

Преимущественно применяемые в электронных вольтметрах квадратичные преобразователи можно разделить на две большие группы. К первой относятся устройства с преобразователем элект­рической энергии в тепловую (терморезисторные, термоэлектри­ческие, термоэмиссионные). Вторую группу составляют преобразо­ватели, выходное напряжение которых представляет собой квадра­тичную функцию от входного напряжения (квадратичные преобра­зователи мгновенных значений сигнала). Сначала рассмотрим первые два вида преобразователей первой группы.

Современный преобразователь с терморезисторами, выполняе­мый в виде гибридной микросхемы, состоит из двух резисторов, двух транзисторов и инвертирующего усилителя в цепи обратной связи (рис. 5.9). Входное напряжение разогревает один резистор (R1), а опорное напряжение постоянного тока — другой (R2)- В контуре управления включены по балансной схеме два восприни­мающих тепло транзистора VТ₁ и VТ₂, а также инвертирующий усилитель, который регулирует температуру резистора R2 до ра­венства ее температуре резистора R1 т. е. до наступления балан­са моста. Когда достигнуто равновесие, значение напряжения по­стоянного тока Uвых пропорционально среднеквадратическому зна­чению U напряжения сигнала на входе схемы. Конструктивно гиб­ридная микросхема построена следующим образом. Входной ре­зистор R1 и связанный с ним транзистор VТ1 выполнены на общем кремниевом кристалле и смонтированы в одном корпусе с другим аналогичным кристаллом, содержащим управляющий резистор R2 и связанный с ним транзистор VТ2- Кристаллы очень близки по характеристикам, что достигается конструктивно-технологически­ми мерами [12].

На рис. 5.10 изображена схе­ма квадратичного измерительного преобразователя с термоэлектри­ческими элементами — термопреобразователями ТП. Она имеет

ней использованы бесконтактные термопреобразователи, у которых нагреватель Н и термопара Т изо­лированы друг от друга. Хотя это несколько понижает чувстви­тельность и увеличивает инерционность термоцреобразователя, но уменьшает емкостные связи, и, следовательно, повышает точность преобразования.

Рис. 5.9

Рис. 5.10

Во-вторых, на­личие усилителя постоянного тока (УПТ, выполненного по схеме с конвертированием на микроэлементах) позволяет работать при малых токах, что понижает погрешность (преобразования на вы­соких частотах, а также упростить задачу согласования сопротив­лений термопары и магнитоэлектрического измерительного прибо­ра. В-третьих, в схеме используются два термопреобразователя, один из которых (ТП1) включен между выходом усилителя нап­ряжения переменного тока и входом усилителя постоянного тока, а второй (ТП₂) — в цепь обратной связи усилителя постоянного тока. Термопары T1 и T₂ обоих термопреобразователей включены встречно, и таким образом на вход усилителя постоянного тока по­дается разность напряжений. Введение второго термопреобразова­теля в цепь отрицательной обратной связи УПТ позволило полу­чить линейную зависимость между напряжением на выходе УПТ и среднеквадратическим значением входного напряжения.

Рассмотрим работу преобразователя. Как видно из рис. 5.10, термоэлектрический элемент состоит из нагревателя Н и термопа­ры Т. Вызванный входным напряжением u(t) ток через нагрева­тель H1 повышает его температуру. В результате этого в цепи термопары возникает термо-ЭДС, пропорциональная температуре. Она является функцией количества тепла, выделяемого током, ко­торое, в свою очередь, пропорционально среднему квадрату зна­чения тока и, следовательно, квадрату среднеквадратического значения входного напряжения т.е.

ЭДС, развиваемая термопарой T₁ подается на вход УПТ.

Для линеаризации зависимости между выходным напряжени­ем УПТ и среднеквадратическим значением U входного напряже­ния в цепь обратной связи введен термоэлектрический преобразо­ватель ТП2, причем термопары T₂ и T1 включены встречно. Таким путем осуществляется отрицательная обратная связь.

Из теории усилителей с отрицательной обратной связью из­вестно, что когда цепь обратной связи осуществляет функциональ­ное преобразование выходного напряжения усилителя, т. е.

(5.10)

то при глубокой отрицательной обратной связи выходное напря­жение связано с входным напряжением зависимостью

где f ^-1(•) — функция, обратная функции f (•). Действительно, как видно из рис. 5.10, напряжение на входе собственно УПТ (термо­пары Т1 и T2 включены встречно)

Так как отрицательная обратная связь глубокая, то можно полагать, что Тогда и согласно (5.10) Uвх =f (Uвых). Откуда получаем, что

В рассматриваемой схеме цепь обратной связи квадрирует (с помощью ТП₂) выходное напряжение, т. е. выполняемое ею функ­циональное преобразование — возведение в квадрат. Следова­тельно, обратное функциональное преобразование заключается в извлечении квадратного корня.

Поскольку где U — среднеквадратическое значение напряжения u (t), то

Таким образом, зависимость между выходным напряжением УПТ и среднеквадратическим значением U напряжения на входе преобразователя получается линейной и показание магнитоэлект­рического вольтметра, включенного на выходе УПТ, соответствует среднеквадратическому значению напряжения и(t).

Среди квадраторов второй группы наибольшее распространение получили преобразователи на полевых транзисторах. Их схемы разнообразны.

Применение полевых транзисторов основано на использовании квадратичной зависимости тока стока от напряжения затвор — ис­ток

(5.11) где Iс.нас — ток насыщения стока; I_со — ток в цепи стока транзис­тора, включенного по схеме с общим истоком, при накоротко зам­кнутом с истоком затворе; U_зи — напряжение затвор—исток; Uнас — напряжение насыщения. Если раскрыть скобки, то видно, что в (5.11) входят члены с нулевой, первой и второй степенью напряжения Uзи. Первые два члена исключают схемными путя­ми. Часто встречаются схемы с управлением по затвору при неиз­менном стоковом питании.

Квадратичные преобразователи на полевых транзисторах обла­дают рядом достоинств: небольшая погрешность преобразования, устойчивость по отношению к дестабилизирующим факторам, воз­можность подачи на вход сравнительно высокого напряжения, широкополосность. Стабильный квадратичный преобразователь, построенный на основе двойного полевого транзистора и операци­онного усилителя с малым дрейфом выходной величины, работаю­щий в очень широкой полосе частот (до 200 МГц), описан в [33].

В современных вольтметрах широко применяется квадратич­ный преобразователь вида «логарифм — антилогарифм», осуществ­ляющий неявное вычисление среднеквадратического значения нап­ряжения [89, 124]. Идея, определяющая принцип работы преобра­зователя, основана на следующих предпосылках.

Если в формуле (5.3) для среднеквадратического значения U напряжения и(t) обозначить подкоренное выражение через и возвести обе части (5.3) в квадрат, то получим равенство U²= Его можно представить в такой форме

(5.12)

Это позволяет построить алгоритм вычисления среднеквадра­тического значения U следующим образом:

Структурная схема квадратора, работающего согласно приве­денному алгоритму, изображена на рис. 5.11.

Формирователь модуля напряжения выполняет двухполупериодное выпрямление напряжения и(t), подводимого к входу квад­ратора. Это необходимо для того, чтобы работа блока логарифми­рования I не зависела от полярности напряжения и(t). В данном формирователе напряжение исследуемого сигнала преобразуется в ток, пропорциональный абсолютному значению (модулю) напря­жения u(t). Из полученного тока в блоке логарифмирования I, который представляет собой операционный усилитель с двумя пос­ледовательно включенными р—n -переходами в цепи обратной свя­зи, формируется напряжение, соответствующее удвоенному лога­рифму напряжения Выходное напряжение указанного бло­ка поступает на вход 1 блока суммирования, к входу 2 которого подводится напряжение от блока логарифмирования II, пропор­циональное логарифму выходного напряжения U квадратора

Рис. 5.11

(—lnU). Образующееся напряжение, соответствующее разности логарифмов, т. е. антилогарифмируется. На выходе блока антилогарифмирования формируется напря­жение, пропорциональное отношению Оно усредняется RС-фильтром нижних частот, значение постоянной времени Тф ко­торого отвечает условию где Т_н — значение периода само­го низкочастотного напряжения, измеряемого вольтметром с дан­ным квадратором. На выходе блока усреднения (ФНЧ) образуется напряжение постоянного тока соответствующее сред­неквадратическому значению напряжения u (t), поданного на вход квадратора.

Для рассмотренной схемы характерны малая погрешность пре­образования и широкий динамический диапазон — во много раз больший, чем у термоэлектрического преобразователя (это позво­ляет измерять среднеквадратическое значение напряжений сигна­лов с большим коэффициентом амплитуды). Такой квадратор мо­жет быть применен при медленно меняющихся сигналах. Верхняя граничная частота исследуемого синусоидального напряжения u(t) лежит в пределах 5... 10 МГц. Схема позволяет осуществить эффективную термокомпенсацию.

Преобразователь средневыпрямленного значения. Это преобра­зователь напряжения переменного тока в постоянный ток, значе­ние которого пропорционально средневыпрямленному значению напряжения на входе преобразователя. Часто подобный преобра­зователь представляет собой двухполупериодный выпрямитель, со­четаемый с магнитоэлектрическим усредняющим прибором. Наи­более распространены мостовые схемы (рис. 5.12).

В первой схеме (рис. 5.12,а) направление тока через прибор одно и то же в течение обоих полупериодов входного напряжения. Во время положительного полупериода цепь тока состоит из верх­него зажима, диода VD1, прибора, диода VD₃ и нижнего зажима, при отрицательном полупериоде — из нижнего зажима, диода VD₄, прибора, диода VD₂ и верхнего зажима. Отклонение стрелки микроамперметра при использовании линейного участка характе­ристики выпрямителя пропорционально средневыпрямленному зна­чению напряжения, подводимого к преобразователю:

Эта зависимость имеет место при любой форме измеряемого

напряжения.

Во второй схеме (рис. 5.12,6) во время положительного полупе­риода входного напряжения цепь тока состоит из верхнего зажи­ма, диода VD1, резистора R1 и нижнего зажима. На резисторе R1 создается падение напряжения.

Рис. 5.12

Его измеряет вольтметр, сос­тоящий из микроамперметра и добавочного резистора (на резис­торе R2 в этот полупериод напряжение практически равно нулю). При отрицательной полуволне входного напряжения цепь тока сос­тоит из нижнего зажима, резистора R₂, диода VD₂ и верхнего за­жима. Прибор измеряет падение напряжения на резисторе R₂.

Необходимо подчеркнуть, что описанные схемы преобразовате­лей средневыпрямленного значения выполняют свое назначение только при выпрямлении напряжений, значения которых достаточ­но велики для работы на линейном участке вольт-амперной харак­теристики диода. Преобразователь, работающий в этом режиме, часто называют линейным. При малых напряжениях, когда ис­пользуется начальный участок характеристики, преобразование по­лучается квадратичным.

Преобразователи СВЧ вольтметров. Одним из достоинств электронных вольтметров, как уже отмечалось, является слабая зависимость показания при­бора от частоты. Однако при измерениях напряжений в диапазоне СВЧ та­кая зависимость становится все более ощутимой, что, если не приняты меры, приводит к значительным погрешностям. Это обусловлено влиянием подводя­щих проводов, резонансными явлениями во входной цепи вольтметра и влияни­ем конечного времени пролета электронов между электродами диода. Поэтому вольтметры, охватывающие диапазон СВЧ, имеют конструктивные особенно­сти, уменьшающие погрешности измерений:

• схема вольтметра начинается с преобразователя, обычно диодного пикового, который имеет наилучшие частотные свойства;

• применяются специальные СВЧ измерительные диоды, отличающиеся ма­лыми индуктивностями вводов и междуэлектродными емкостями, т. е. высокой собственной частотой, и малыми углами пролета;

• конструктивно преобразователь выполняется в виде выносного пробника, что дает возможность уменьшить до минимума паразитные емкости монтажа и сделать вводы (входные зажимы) в виде очень коротких штырьков, которые вставляются или непосредственно прижимаются к точкам схемы, между кото­рыми нужно измерить напряжение;

• тщательная экранировка преобразователя, соединительных проводников и остальных узлов вольтметра во избежание потерь на излучение и наводок.