4.3. Широкосмугові вимірювачі рівня

Широкосмугові вимірювачі рівня (ВР) відрізняються від вольтметрів по градуюванню і вимогах до вхідного пристрою. Крім того, у силу необхідності вимірювань досить низьких рівнів (до —80 дБ і менше) у ВР підсилювальні каскади завжди передують детекторному (мал. 4.9)

Мал. 4.9. Схема широкосмугового вимірювача рівня

Градуювання ВР проводиться, як правило, в абсолютних рівнях напруги, коли за нульовий рівень прийнята напруга . У вхідному пристрої ВР завжди є послаблювач, що зменшує рівень напруги, що надходить на вхід підсилювальних каскадів, звичайно на 10, 20, 30, 40 дБ (або на 1, 2, 3, 4, 5 Нп) і що дає, отже, можливість вимірити рівні напруги відповідно менші, чим звичайна величина крайньої лівої оцінки шкали (—20 дБ), наприклад: —12 дБ по шкалі і —40 дБ на послаблювачі відповідають рівневі —52 дБ.

Вимоги до вхідного пристрою ВР обумовлені тим, що в техніку зв'язку можливі два способи включення ВР: 1) паралельно вже наявному в ланцюзі якомусь опорові («в паралель») 2) послідовно, коли сам ВР (його вхідний опір) виявляється включеним «у розріз» навантаженням, на якому і виміряється рівень. Якщо в першому випадку ВР, щоб не змінити режиму роботи ланцюга і не дати великої похибки при визначенні рівня, що існував на деякому навантаженні до включення ВР, повинний обов'язково мати можливо більший опір (ключ, керуючий вхідним опором, повинний стояти в положенні «Високоомний»), то в другому випадку вхідний опір ВР робиться відповідним стандартним опорам для ланцюгів провідного зв'язку: 600, 135, 75 Ом. При установці ключа, що керує вхідним опором на одне з цих значень ВР, включений «у розріз», виявляється практично погодженим навантаженням для відповідного ланцюга. При цьому вимірюваний рівень напруги дорівнює рівневі потужності на такому навантаженні, якщо відлік зроблений по відповідній шкалі.

Часто ВР має дві шкали: одну, проградуйовану в абсолютних рівнях напруги, тобто для 600-омного ланцюга («600» відповідає 0,775 В), іншу для 135-омного («135» відповідає 0,367 В), або ж одну для 135-омного і другу для 75-омного («75» відповідає 0,274 В).

Зовсім помилковим (хоча і часто зустрічається) було б при включенні «у паралель» установити ключ, керуючий вхідним опором на одне з низькоомних значень (нібито для «узгодження»). Очевидно, що такий низькоомний вхід істотно шунтує уже наявні опори навантаження і виникне значна систематична похибка вимірювання.

Вхідний пристрій ВР, використовуваних на повітряному і симетричному кабельному ланцюгах, містить звичайно трансформатор, симетричний стосовно землі. Для коаксіальних ланцюгів вхід несиметричний, при цьому (як і в більшості електронних вольтметрів) до затискача «Земля» варто підключати провід, зв'язаний з землею. Прикладом широкосмугового вимірювача рівня може служити ИУ-600.

4.4. Вибіркові вимірювачі рівня

У техніці зв'язку досить часто необхідно вимірювати не напругу всього сигналу, а напругу (звичайно середнє квадратичне значення) тільки однієї з частот, що є присутнім у контрольованому сигналі, подавивши інші частоти. Вольтметри для таких вимірювань називаються селективними, а вимірювачі рівня вибірковими (ВВР).

Сучасні ВВР будуються, головним чином, по гетеродинному принципі (мал. 4.10). Сигнал, що надходить на вхід такого ВВР, перш ніж бути поданим (через підсилювач і детектор) на індикатор,

Мал. 4.10. Схема вибіркового вимірювача рівня

направляється на модулятор М. На цей же модулятор від власного генератора що є в приладі, подається напруга регульованої частоти (як правило, значно більш високої, чим частота , що є присутньою у сигналі, рівень напруги якої ми хочемо визначити). Змінюючи частоту , можна домогтися, що на виході модулятора в числі продуктів перетворення виявиться строго визначена (так звана «проміжна») різницева частота . Струми тільки цієї частоти пройдуть через включений після модулятора високоякісний вузькосмуговий (ширина смуги пропускання — частки відсотка від проміжної частоти) фільтр проміжної частоти ПФ. Інші частоти будуть цим фільтром подавлені, на індикатор впливає струм тільки частоти , що утворилася завдяки присутності в сигналі частоти . Амплітуда напруги проміжної частоти тим більше, чим більше амплітуда частоти в вимірюваному сигналі. У підсумку показання індикатора при належному градуюванні дадуть значення рівня тільки частоти , інші ж складові на індикатор впливати не можуть.

Нерідко для кращої селекції застосовується кілька ступіней перетворення. Пояснимо це на прикладі роботи сучасного приладу ИУИ-25. Його основне призначення — вимір рівнів напруги синусоїдальних сигналів і перешкод у смузі частот стандартного каналу тональної частоти в лінійних трактах систем ВЧ передачі по коаксіальних кабелях у діапазоні частот 0,05—10 Мгц. Зі зниженою точністю їм можна користуватися в діапазоні частот до 25 Мгц, а також для вимірювань у групових трактах з частотами, що лежать у зазначених діапазонах. Для вимірювань власних перешкод вимірюваного тракту в смузі каналу ТЧ у приладі передбачена можливість підключення псофометру (див. § 12.8).

На мал. 4.11 приведена структурна схема ИУИ-10 (25), що працює в режимі з вхідним опором 75 Ом; у ній застосоване чотириразове перетворення частоти. Для перших двох ступіней перетворення несучими слугують частоти 36—61 МГц і 33—33,2 МГц , вироблювані не показаними

на схемі генераторами, що задають, і надходять на перетворювачі 3 і 7 через буферні підсилювачі 4 (ламповий) і 8 (транзисторний). Несучі частоти третьої ступіні 2693,85 кГц і четвертої 108 кГц виробляються показаними на схемі генераторами 12 і 19, стабілізованими кварцом.

Настроювання ИУИ-10 (25) проводиться за допомогою регулювання частот обох генераторів, що задають: перший з них стабілізований кварцом через кожні 200 кГц, другий - інтерполяційний генератор точного настроювання в межах будь-яких двох значень частоти першого генератора, кратних 200 кГц. Тому і перша проміжна частота — смуга 35,8—36 МГц, і друга несуча — смуга 33,0—33,2 МГц. Відповідно і фільтри 5 і 9 виділяють сигнал у смузі шириною 200 кГц.

Мал. 4.11. Структурна схема вибіркового вимірювача рівня

Узявши для простоти викладу і рівними середнім частотам цих смуг, простежимо процес перетворення частот. Поданий на вхід сигнал, у якому, допустимо, треба перевірити рівень частоти , після дільника 1 і фільтра нижніх частот (із граничною частотою 25 МГц)

надходить на першу ступінь перетворення — перетворювач 3. У цій ступіні від задаючого генератора приладу, оператором подається несуча частота МГц, де =35,9 МГц перша проміжна частота , виділювана смуговим фільтром 5 на виході ступіні.

В другій ступіні перетворення — перетворювачі 7 — від генератора приладу подається несуча частота МГц, де =2,8 МГц — друга проміжна частота _. виділювана смуговим фільтром 9 і підсилена підсилювачем 10.

У третій ступіні перетворення — перетворювачі 11 — від кварцового генератора 12 надходить несуча частота =2800—106,15 = 2693,85 кГц, де 106,15 кГц = - третя проміжна частота, що може виділятися або смуговим електромеханічним фільтром 13 із шириною смуги пропущення 0,3 кГц, або таким же фільтром 14 із шириною смуги пропущення 3100 Гц.

У четвертій ступіні перетворення сигнал з частотою третьої ступіні 106,15+0,15 кГц (при фільтрі 13) або 106,15+1,55 кГц (при фільтрі 14) через підсилювач 15, дільник 16 і підсилювач 17 надходить на перетворювач 18, куди подасться від кварцового генератора 19 несуча частота кГц.

У підсумку на виходи приладу фільтром нижніх частот 20 виділяється різницева частота _або або кГц . Помітимо, що . Тому для встановлених при градуюванні значень рівнів частот , , , показання магнітоелектричного приладу, включеного після підсилювачі низької частоти 21 через детектор 22 (або через емітерний повторювач і гніздо псофометра), визначаються значенням рівня частоти у спектрі стандартного каналу тональної частоти 300—3400 кГц.

Важливо відзначити, що в приведеній схемі перетворень використовувані для наступних ступіней різницеві частоти можуть виникати і за рахунок не підлягаючих вимірюванню так званих дзеркальних частот. Перша дзеркальна частота, що, утримуючись у сигналі і надійшовши на вхід першого перетворювача, могла б зробити на прилад такий же вплив, як і вимірювана, дорівнює . Дійсно, , але і «дзеркально» . Для нашого випадку МГц знаходиться далеко за межами робочих частот і безумовно придушується на фільтрі 2. Небезпечніше друга дзеркальна частота . Вона, утримуючись у сигналі, поданому на вхід перетворювача 3, і не будучи належною мірою подавлена у фільтрі 5, створить на вході другого перетворювача 7, взаємодіючи з першої несучою , паразитний продукт із частотою 35,9—2-2,8 = 30,3 МГц, що при другий несущої МГц дасть на виході другого перетворювача 7 паразитну різницеву частоту (_33,1-30,3)=2,8 МГц співпадаючу з частотою, що відбувається за рахунок _. У такий спосіб у задачу фільтра 5 входить обов'язкове придушення (не менш чим на 50 дБ) згаданого паразитного продукту з частотою 30,3 кГц, у той час як. першу проміжну частоту 35,9 МГц він повинний пропустити вільно. Часто загасання фільтра 5 для названого паразитного продукту називають загасанням для придушення другої дзеркальної частоти. Варто мати на увазі, що фактично смуговий фільтр, що пропускає (35,9+0,1) Мгц, повинний придушити не другу дзеркальну частоту 5,6 Мгц (це було б легко), а виходить за її рахунок паразитну частоту дзеркального каналу 30,3 Мгц.

Аналогічно третя дзеркальна частота (друга відносно ) МГц, що знаходиться на вході другого перетворювача 7 і взаємодіючи з другою несучою 33,1 Мгц, породила б на його виході паразитний продукт із частотою 35,6877—33,1=2,5877 Мгц, що, надійшовши на вхід третього перетворювача, що де несе 2693,85 кГц, створив би на його виході паразитне значення рівня частоти 2693,85—2587,7= 106,15. кГц, рівній третій проміжній частоті. Тому фільтр 9, пропускаючи частоту 2800 кГц, повинний на 50 дБ придушити досить близьку частоту 2587,7 кГц.

Підсилювач 6 компенсує згасання, внесене кільцевим перетворювачем 3 і фільтром 5 (близько 10 дБ). Основне ж підсилення сигналу відбувається в підсилювачах 15 і 17, між якими включений другий дільник напруги 16 (на 30 дБ, ступінями по 10 дБ).

Підсилювач низької частоти 21 (близько 35 дБ) має два виходи: з одного через детектор 22 низькочастотне вихідне коливання надходить на проградуйований у децибелах магнітоелектричний прилад, із другого через емітерний повторювач 23 — на гніздо «Псофометр», куди у випадку потреби включається псофометричний вимірювач напруги (див. § 12.8).

Для одержання високоомного входу застосовується виносний пристрій УВ 24, що включається в гніздо «Вхід 75 Ом» і в не показані на малюнку гнізда «Живлення». Для калібрування приладу за рівнем служить калібрований пристрій 25, на яке подається напруга частоти 200 кГц від генератора з кварцовою стабілізацією через рознімання 4.

У приладі дві шкали, що відрізняються на 20 дБ. При зазначеному на мал. 4.11 режимі роботи «Вхід 75 Ом» відлік виробляється по шкалі внутрішньої, при роботі з високоомним входом — по зовнішній (де враховане загасання виносного пристрою). При відліку рівня враховується положення дільника 1 (із загасанням 70 дБ, ступінями по 10 дБ). Для зручності в приладу маються індикаторні лампочки, що сигналізують, по якій шкалі робити відлік (ліва горить при 75-омном вході, права при високоомному).

З розгляду схеми приладу очевидно, що досить точний результат може бути отриманий, якщо виміри проводяться з необхідною старанністю, а прилад виготовлений і перевірений по досить твердих технічних умовах.

Основні технічні характеристики ИУИ-25 наступні:

• межі вимірюваних рівнів (0 дБ відповідає 0,775 В) для 75-омного входу від 0 до —100 дБ, для низькоомного входу від 20 до —80 дБ;

• вибірковість (згасання щодо рівня контрольованої частоти) при ширині смуги 300 Гц і розстройці .(від середини смуги) на ±1, 2, 2-1 кГц відповідно не менш 35, 50, 72 дБ. Те ж, при ширині смуги 3100 Гц при розстройці на кГц відповідно не менш 50, 62 дБ;

• основна похибка відліку частоти у всьому діапазоні після калібрування при ширині смуги 300 Гц не більш Гц, де — установлювана частота;

• основна похибка виміру рівнів на оцінці шкали «0 дБ» при» частоті 200 кГц, смузі пропущення 300 Гц після калібрування приладу не більш ±0,3 дБ. Додаткові погрішності того ж порядку. Придушення перешкод, дзеркальних каналів не менш 50 дБ, рівень власних перешкод приладу не більш — 110 дБ.

Живлення від мережі перемінного струму 220 В±10% .

Широко застосовуються й універсальні вимірювачі рівня, що працюють і в широкосмуговому режимі й у вибірковому, здійснюваному шляхом відповідної комутації (звичайно з попереднім калібруванням). Широкосмуговий режим використовується для вимірювань сумарного рівня багаточастотного сигналу в груповому тракті і для вимірювань одночастотних сигналів при малому рівні перешкод. Вибірковий режим використовується для вимірювань рівнів окремих складових багаточастотного сигналу і для одночастотних сигналів при наявності перешкод.

Коли в універсальному ВР селективність потрібна тільки на декількох частотах (наприклад, для перевірки НУП тільки по контрольних частотах без перерви дії зв'язку), то часто застосовується попередня селекція за допомогою декількох вузькосмугових фільтрів на вході з наступним однократним перетворенням частоти (ИУ-НУП).