Измерение «истинного» эффективного значения
Для измерения «истинного» эффективного значения, зависящего от формы сигнала, можно использовать формулу (25.10) либо воспользоваться измерением мощности.
Схема, представленная на рис. 25.14, работает в соответствии с формулой (25.10). Для получения среднего значения квадрируемого входного напряжения применяют простой фильтр нижних частот первого порядка (интегрирующее звено), частота среза которого выбирается малой по сравнению с наименьшей частотой сигнала.
Рис. 25.14. Измерение эффективного значения с помощью решающих схем.
Недостаток схемы состоит в ее малом динамическом диапазоне. Если входное напряжение равно, например, 10 мВ, для обычного квадратора с 10 В- выходом получаем напряжение 10 мкВ. Эта величина лежит уже в диапазоне шумов устройства для извлечения квадратного корня.
Целесообразно применять схему, показанную на рис. 25.15. В этой схеме извлечение корня на выходе заменяется делением на входе. На выходе фильтра нижних частот напряжение составляет
Для стационарных сигналов Ua = const. Отсюда
Преимуществом этого метода является то, что входное напряжение Ue умножается не на коэффициент Ue/E, который при малых входных напряжениях много меньше единицы, а на коэффициент Ue/Ua, который по порядку величины близок к единице. Поэтому получается значительно больший динамический диапазон. Конечно, это справедливо при условии, что отношение Ue/Ua воспроизводится с большой точностью и при малых сигналах. Для получения требуемой точности лучше всего подходит логарифмический делитель (рис. 11.42). Может быть использован также перемножитель/делитель (рис. 11.39), однако его недостатком является возможность работы только с положительными входными сигналами. По этой причине необходимо ввести прецизионный двухполупериодный выпрямитель. Этот принцип реализован, например, в монолитном интегральном RMS-преобразователе AD 536 фирмы Analog Devices. Так как вычисления осуществляются при помощи логарифмов, этот прибор имеет дополнительный выход, калиброванный в децибелах. Точность составляет 0,2% на 20 кГц и 1% на 100 кГц.
Термическое преобразование
Связь между измерениями эффективного значения и мощности позволяет использовать термопреобразователь. В этом случае нагрев проволочных резисторов вызывает изменение напряжения на выходе термоэлементов. Естественно, что измерять очень малые термонапряжения совсем непросто.
Другая возможность термоизмерения реализуется в схеме, показанной да рис. 25.16: входное напряжение U^ воздействуя на резистор, приводит к его нагреву;
Рис. 25.15. Измерение эффективного значения с увеличенным динамическим диапазоном.
Рис. 25.16. Измерение эффективных значений с термическим преобразователем.
температура определяется по изменению напряжения ube -транзистора. Для того чтобы исключить влияние окружающей среды и параметров транзисторов, применяют второй измерительный элемент R2, Тc с возможно более близкими параметрами. Резистор R2 нагревается положительным постоянным напряжением Ua, которое формируется управляющим усилителем ОУ. Из-за термической связи нагревается транзистор T2 и его коллекторный ток возрастает, что вызывает снижение потенциала Ua Следовательно, имеется термическая отрицательная обратная связь. Выходное напряжение устанавливается таким, что
Тогда температуры обоих нагреваемых резисторов, а значит, и мощности нагрева равны, и получаем соотношение
Обе измерительные пары должны быть хорошо термоизолированы, чтобы исключалось перекрестное воздействие нагревания Т1 на R2 и Т2 на R1.
Диод на выходе управляющего усилителя предотвращает нагрев резистора R2 под воздействием отрицательного напряжения, поскольку в этом случае возникла бы термическая положительная обратная связь, которая может дестабилизировать схему,
Конденсаторы С1 и С2 обеспечивают дополнительную частотную коррекцию для согласования управляющей схемы с термической постоянной времени. Усилитель интегрирует разность коллекторных токов IC1 и IC2- Следовательно, он работает как И- регулятор (см. гл. 26).
Так как мощность нагрева пропорциональна квадрату Ua, получается, что коэффициент усиления контура также пропорционален Ua2. Этот эффект обусловливает нелинейности переходной характеристики: постоянная времени при выключении значительно больше, чем при включении. Можно значительно улучшить характеристики прибора, используя дополнительную квадратичную отрицательную обратную связь по переменному напряжению [I].
Описанный способ используется в измерителе эффективного значения 4130 фирмы Burr-Brown. Его точность составляет 0,05% на 100 кГц и 2% на 10 МГц.
25.3.3. ИЗМЕРЕНИЕ АМПЛИТУДНЫХ ЗНАЧЕНИЙ
Для измерения пиковых значений достаточно в цепь заряда конденсатора ввести диод. Компенсировать падение напряжения на открытом диоде можно, если включить его в цепь отрицательной обратной связи повторителя напряжения, как показано на рис. 25.17. Пока входное напряжение Ue < Uc, диод закрыт.
Рис. 25.17. Измеритель амплитудных значений.
При Ue > Uc диод проводит и благодаря наличию отрицательной обратной связи Vc == Ue. В соответствии с этим конденсатор С заряжается до максимального значения входного напряжения. Следующий повторитель напряжения практически не нагружает конденсатор, так что пиковое значение запоминается на очень длительное время. С помощью ключа Т конденсатор разряжается перед новым измерением.
Усилитель ОУ 1 работает на емкостную нагрузку, поэтому возможно возникновение колебаний. Этот эффект устраняется с помощью демпфирующего резистора ri. Конечно, время установления из-за введения резистора возрастает, так как напряжение на конденсаторе приближается к стационарному значению асимптотически. Кроме того, недостатком схемы является также то, что ОУ 1 не управляется при Ue < Vc. Диапазон работы этой схемы ограничен низкими частотами.
От обоих недостатков свободен измеритель пиковых значении, представленный на рис. 25.18. Здесь использован инвертирующий ОУ 1. Если Ue, превышает — Vc, напряжение V1 становится отрицательным и диод D1 начинает проводить. Благодаря отрицательной обратной связи, охватывающей оба усилителя, V1 устанавливается таким, что Uа = — Ue. При этом исключается влияние падения напряжения на диоде di, а также и напряжения смещения преобразователя импеданса ОУ 2. Если входное напряжение опять снижается, напряжение V1 нарастает. Диод D1 закрывается и разрывает цепь отрицательной обратной связи, осуществляемой через R2. Напряжение V1 нарастает до тех пор, пока диод D1 начнет проводить и усилитель ОУ 1 будет охвачен обратной связью. Этим исключается неуправляемое состояние.
Инвертированное положительное пиковое значение Ue запоминается на конденсаторе С, так как он практически не разряжается ни через D1 ни через повторитель напряжения ОУ 2. После окончания измерений конденсатор С разряжается через ключ Т. Для измерения отрицательного пикового значения полярность диодов должна быть обратной.