4. Измерение уровней напряжения
4.1. Классификация и принцип построения измерителей уровня
Измерители уровней напряжения – приборы, проградуированные в логарифмических единицах. Градуировка ИУ обычно осуществляется в абсолютных уровнях по напряжению, т. е. за нулевой уровень принимается 0,775 В среднеквадратического значения напряжения синусоидальной формы. Переход от измеренного абсолютного значения уровня по напряжению L2, дБ, к величине напряжения осуществляется по формуле U=0,775e 0,05L2 .
Измерители уровня напряжения кроме градуировки отличаются от вольтметров требованиями к входному устройству. Эти требования обусловлены двумя способами включения ИУ: 1)параллельно уже имеющемуся в цепи сопротивлению; 2) в качестве нагрузки, на которой измеряется уровень напряжения. В первом случае ИУ должен иметь возможно большее сопротивление, чтобы не изменить режим работы цепи и не дать большой погрешности при определении уровня, имевшего место на нагрузке до его подключения. Во втором случае входное сопротивление ИУ делается соответствующим стандартным сопротивлениям для цепей проводной связи: 600, 135, 75 Ом. Обычно низкоомное входное сопротивление получается подключением с помощью тумблера параллельно входу ИУ резистора с соответствующим сопротивлением. Большое входное сопротивление обычно около 50 кОм.
Часто ИУ имеет две шкалы: одну, проградуированную в абсолютных уровнях напряжения для 600-омной цепи (нулю соответствует 0,775 В), другую для 135-омной (нулю соответствует 0,367 В) или же одну для 135-омной и вторую для 75-омной (нулю соответствует 0,274 В). Входное устройство ИУ, использующихся на воздушных и симметричных кабельных цепях, содержит обычно трансформатор, симметричный относительно земли.
Измерители уровня делятся на два типа: широкополосные и избирательные. Широкополосные ИУ не имеют элементов, обеспечивающих ограничение полосы частот. Они используются в случаях, когда необходимо оценить уровень какого-либо многочастотного сигнала, а также, когда сигнал представляет собой гармоническое колебание, практически не искаженное помехами и гармониками. Избирательные ИУ предназначены для измерения отдельных составляющих многочастотного сигнала, измерений в системах уплотнения в полосе телефонных каналов и частотных интервалах между каналами ТЧ без перерыва связи, измерений больших затуханий и т. п.
Широкополосные измерители уровня подразделяются по классу точности, рабочим диапазонам частот, пределам измерений, входным устройствам (симметричным или не симметричным относительно земли), чувствительности, типам применяемых детекторов.
Структурная схема типового измерителя уровня ИК-25-1 показана на рисунке 4.1. Этот прибор обеспечивает измерение уровней напряжения в широкополосном режиме в диапазоне частот 0,5 ... 25 МГц и предназначен для проведения измерений в системах передачи организованных по коаксиальному кабелю. Сигнал поступает на вход либо непосредственно на аттенюатор, либо через выносное устройство. Выносное устройство обеспечивает получение высокого входного сопротивления. При его применении активная составляющая входного сопротивления Rвх=50 кОм, входная емкость 10 пФ. Если выносное устройство не используется, входное сопротивление равно 75 Ом. Применение аттенюатора и последовательно с ним включенного широкополосного усилителя позволяет измерить уровни по напряжению –60 ... +10 дБ при низкоомном входе и –50 ... +25 дБ при высокоомном входе.
Рисунок 4.1. Структурная схема типового измерителя уровня ИК-25-1
Детектирующее устройство выделено в отдельный блок. Преобразование переменного напряжения в постоянное осуществляется с помощью вакуумного термопреобразователя Тп1. Применение термопреобразователя позволяет получать сигнал, пропорциональный среднеквадратическому значению измеряемого напряжения в широком диапазоне частот. В детектирующем устройстве применены следующие меры для повышения его температурной стабильности. Усиление сигнала, полученного с выхода Тп1, осуществляется преобразованием его в переменное с помощью модулятора и генератора. Переменное напряжение усиливается усилителем звуковой частоты, имеющем высокую температурную стабильность. Выделение исходного сигнала осуществляется в демодуляторе, работающем по принципу синхронного детектора. Это обеспечивает высокую помехоустойчивость прибора при измерении малых уровней напряжения, близких к –60 дБ. На выходе имеется усилитель постоянного тока, усиливающий сигнал и обеспечивающий отрицательную обратную связь, которая осуществляется с помощью термопреобразователя Тп2. ТермоЭДС этого преобразователя направлена встречно термоЭДС Тп1. Применение отрицательной обратной связи обеспечивает повышение стабильности коэффициента передачи всего детектирующего устройства. В рассматриваемом приборе предусмотрен режим повышения разрешающей способности. Этот режим обеспечивается применением «электронной лупы». В этом режиме увеличивается коэффициент усиления входного каскада УПТ. На стрелочный прибор одновременно с основным сигналом подается напряжение от источника компенсирующего напряжения ИКН, величина которого подбирается так, чтобы отметка 0 дБ приходилась на середину шкалы. Делитель напряжения 10х1 дБ позволяет «растягивать» любой нормированный участок основной шкалы в пределах ±1 дБ, при этом отсчет ведется по дополнительной (нижней) шкале, цена делений которой 0,05 дБ.
Измерители уровня избирательного типа характеризуются возможностью получения узкой полосы пропускания и «перемещения» ее по частотному диапазону. Избирательные ИУ часто конструктивно объединяются с широкополосными. В этом случае отмечается, что ИУ работает, как в узкополоском, так и в широкополосном режимах. Избурательные ИУ различаются по назначению. Так, например, имеются избирательные ИУ, предназнааченные для измерения основной составляющей при относительно малых напряжениях помех и гармоник, ИУ для измеррения основной составляющей, но при относительно больших напряжениях помех (ииногда при отношениии сигнал-помеха меньше единицы), ИУ для измерения не только основной составляющей, но и любой другой составляющей спектра, отличающейся от основной по амплитуде в 1000...2000 раз, ИУ для измерения только малых и определенных составляющих спектра в присутствии доминирующих сигналов.
Избирательные ИУ характеризуются числом применяемых преобразований частоты и видом продуктов преобразований, используемых в качестве колебаний ПЧ. В современных высококачественных приборах число преобразований частоты иногда доходит до четырех. В качестве колебаний ПЧ используются как суммарная fпр=fг+fc. Так и разностная fпр=fг – fc частоты, получаемые на выходе преобразователя частоты, здесь fг – частота гетеродина, fc – частота сигнала. Низкочастотное преобразование с использованием частоты fг < fc min применяется только в индикаторах из – за существенного влияния зеркальных составляющих. Высокочастотное преобразование с fг > fc max используется чаще. В первом случае ПЧ может быть равнной fпр=fc±fг, а во втором случае fпр=fг±fc.
На рисунке 4.2 приведены упрощенные структурные схемы избирательных ИУ. На рисунка 4.2,а представлена схема ИУ с одной ступенью преобразования, а на рисунке 4.2,б – с двумя. В первой ступени преобразования обычно используется частота гетеродина, превышающая частоту сигнала и fпр=fг-fc. Это позволит избавиться от ряда паразитных составляющих. Многократное преобразование частот производится для повышения избирательности, а также, когда измерение необходимо производить в широкой полосе частот. Следует отметить, что избирательный ИУ требует определенных навыков работы с ними. В определенных случаях в них могут появляться ложные показания. Для избегания возможных ошибок следует детально ознакомиться с особенностями конкретной схемы ИУ и точно следовать рекомендациям заводской инструкции.
Наличие настраивающихся контуров и большого числа фильтров в ИУ избирательного типа с большим числом преобразований частоты не позволяет обеспечивать нижний предел рабочего диапазона менее 1 ... 2 кГц. Избирательные ИУ на рабочий диапазон от десятых долей герца выполняются без преобразования частоты с контурами типа RC. Частотно-избирательные блоки выполняются по мостовым и двойным Т-образным схемам.
Рисунок 4.2. Упрощенные структурные схемы избирательных ИУ