материалы за 2021г / литературные источники / [lect] Данилин А.А. - Измерения в радиоэлектронике

Лучший динамический диапазон имеет детектор с диодной функциональной схемой (ДФС). На рис. 2.14 представлен вариант детектора, в котором с помощью ДФС реализован эквивалент нелинейного резистора с квадратичной зависимостью проводимости.

Рис. 2.14. Схема детектора среднеквадратичных значений с ДФС

На входе детектора ставят двухполупериодный выпрямитель, который делает сигнал однополярным. На ДФС подается постоянное напряжение смещенияUсм. Оночерез резистивные делители напряженияпоступает на

диоды и в исходном состоянии их запирает. Например, диод VD1 заперт напряжением:

U1 = U смR1 .

R1 + R11

При uвх < U1 ток через индикатор (магнитоэлектрический миллиамперметр) определяется сопротивлением резистора R. При uвх > U1 диод отпи-

рается, тогда ток через прибор возрастает за счет шунтирования резистора R параллельно подключенным к нему (через открытый диод) резистором R1. Влиянием резистора R11 можно пренебречь, так как обычно вы-

бирают R11 >> R1 . Второй диод VD2 в этот момент заперт напряжением:

При возрастании uвх > U2 отпирается и второй диод. Ток определяется

уже тремя параллельно соединенными резисторами. Соответствующим подбором запирающих напряжений UN всех диодных цепочек и резисто-

ров RN последовательно строится кусочно-линейная аппроксимация квадратичной ВАХ детектора.

Операция усреднения производится магнитоэлектрическим прибо-

63

Таким образом, термоЭДС пропорциональна квадрату среднеквадратического значения измеряемого сигнала. Ее измеряют вольтметром постоянного тока. В электронных вольтметрах термоэлектрического типа часто используют схему с ООС, позволяющую линеаризовать шкалу вольтметра (рис. 2.15).

В таком детекторе применяют пару одинаковых термопреобразователей, включенных встречно. Разностное напряжение термоЭДС подают на вход ОУ с большим коэффициентом усиления KОУ. Выходное напряже-

ние детектора равно:

Uвых = RKОУR (Uвх2 −Uвых2Kат2 ), h t

где Kат – коэффициент передачи аттенюатора обратной связи. При большом коэффициенте усиления (KОУ >> 1) выходное напряжение линейно зависит от среднеквадратического значения входного сигнала:

Uвых Uвх . Kат

На погрешность вольтметра влияют прогрев холодных спаев термопары при длительной работе вольтметра, старение термоэлемента. На высоких частотах на точность оказывают воздействие поверхностный эффект в проводниках и электрическая связь между нагревателем и термопарой. Превышение напряжения может вывести термоэлемент из строя. Особенностью термоэлектрических преобразователей является их инерционность, которая может составлять десятки миллисекунд. Детектор с термопреобразователем имеет широкую рабочую полосу частот. Она ограничена конструктивным исполнением термопреобразователя.

Для построения детекторов среднеквадратического значения широко используют аналоговые функциональные элементы – квадраторы и логарифмирующие усилители. Достоинством функциональных элементов является расширенный динамический диапазон детектируемых сигналов. На высоких частотах нашел применение демодулирующий логарифмический усилитель-детектор, выпускаемый в виде монолитной микросхемы. Основу микросхемы составляют многокаскадный логарифмический усилитель и отдельные для каждого каскада детекторные секции. Микросхема усиливает входной сигнал и демодулирует его, вырабатывая на выходе медленно меняющийся сигнал, повторяющий огибающую ВЧ-сигнала. Выходной сигнал логарифмического детектора пропорционален уровню входного сигнала, выраженного в децибелах по отношению к величине опорного напряжения. В качестве примера приведем данные логарифмического усилителя AD0307 фирмы Analog Devices. Она представляет собой монолитный логарифмический усилитель, обладающий динамическим диапазоном порядка 92 дБ в диапазоне частот 10 Гц — 500 МГц.

65

Базовый динамический диапазон AD8307 имеет нижнюю границу –75 дБм (что определяет минимальную амплитуду синусоидального входного сигнала около 56 мкВ на стандартном сопротивлении входного источника 50 Ом). Верхняя граница динамического диапазона составляет 17 дБм, что соответствует амплитуде 2,3 В. Крутизна преобразования — 25 мВ/дБ при нелинейности не более 1 %. Отклонение продетектированного выходного напряжения от логарифмической зависимости не превышает ± 1 дБ (типичное значение ±0,5 дБ).

В современных вольтметрах-мультиметрах широко применяют специализированные микросхемы детекторов среднеквадратическогозначения. Например, микросхема MX536A фирмы MAXIM содержит преобразователь абсолютного значения переменного напряжения в постоянное, функциональные блоки для вычисления квадратного корня и истинного среднеквадратического значения, источник стабильного тока и буферный усилительный каскад. Она обеспечивает преобразование в диапазоне частот 2 МГц переменных напряжений с динамическим диапазоном 60дБ.

Отметим особенности измерения среднеквадратического значения шумовых сигналов. Они часто имеют большой пик-фактор и широкий частотный спектр. Поэтому для измерения необходимо применять широкополосные вольтметры среднеквадратического значения с расширенным динамическим диапазоном. Для лучшего сглаживания результатов преобразования шумовых сигналов требуется увеличивать постоянную времени детектора.

Рассмотрим вольтметры амплитудного значения (импульсные вольтметры). Их используют для измерения пикового значения импульсов, которые часто имеют широкий частотный спектр. Поэтому импульсные вольтметры должны иметь большой рабочий диапазон частот (десятки и сотни мегагерц) и в большинстве случаев их строят по схеме «детектор– усилитель», представленной на рис. 2.16.

ФНЧ УПТ

~

=

Выносная

головка

Рис. 2.16. Структурная схема амплитудного вольтметра типа «детектор–усилитель»

Амплитудныйдетектор располагаютв выносной детекторной головке, соединенной с базовым блоком вольтметра коаксиальным кабелем

(рис. 2.17).

66

Рис. 2.17. Выносная головка амплитудного вольтметра

Головку подключают непосредственно в точку измерения напряжения. Выносная конструкция детектора обеспечивает большое входное сопротивление ималуювходную емкостьвольтметра, исключаетвлияние соединительного кабеля на результаты измерения. Выходное напряжение детектора, пропорциональное амплитудному значению сигнала, подают на базовый блок, который фактически является электронным вольтметром постоянного тока.

Рассмотрим две схемы амплитудных детекторов – с «открытым» и «закрытым» входами (рис. 2.18, а, б). Будем считать, что ВАХ диода VD аппроксимируется кусочно-ломаной линией:

При RVD− >> RVD+ диод можно представить в виде переключаемого ре-

зистора, управляемого напряжением. При изменении полярности напряжения на диоде его сопротивление переключается с малого на большое и наоборот. Это свойство диода используется для фиксации максимального напряжения входного сигнала на конденсаторе детектора.

Рис. 2.18. Амплитудный детектор: а – соткрытым входом; б – сзакрытым входом

67

Рассмотрим работу амплитудного детектора с открытым входом при гармоническом сигнале на входе (рис. 2.18, а). При положительной полуволне входного напряжения диод открывается и заряжает конденсатор C практически до амплитуды сигнала (рис. 2.19, а).

t

Рис. 2.19. Временные диаграммы напряжений амплитудного детектора: а – с открытым входом; б – сзакрытым входом

Постоянная заряда конденсатора при малом сопротивлении открытого диода и большом сопротивлении нагрузки Rн невелика:

τ + C (RVD+ + Rэкв ) ,

где Rэкв – выходное сопротивление источника сигнала.

При уменьшении входного напряжения разность потенциалов между ним и напряжением на конденсаторе становится отрицательной и диод закрывается. Конденсатор C начинает медленно разряжаться через боль-

шое сопротивление запертого диода RVD− , сопротивление источника Rэкв и сопротивление нагрузки детектора Rн. Постоянная времени разряда конденсатора равна:

τ − = C ((RVD− + Rэкв )|| Rн ) .

Следующая положительная полуволна синусоиды подзаряжает конденсатор опять до амплитудного значения. Процесс повторяется на каждом периоде сигнала. Таким образом, напряжение на конденсаторе, которое является выходным напряжением детектора, будет практически постоянно и близко к измеряемой амплитуде входного сигнала. Детектор работает как элемент памяти – он запоминает максимальное значение входного сигнала. Форма сигнала при этом не имеет особого значения.

При практических измерениях детектор с открытым входом использовать неудобно. Дело в том, что при наличии в сигнале постоянной составляющей (например, напряжения смещения, питания) детектор будет

68

показывать сумму амплитуды и постоянного напряжения. Для измерения только переменной составляющей используют схему детектора с закрытым входом (рис. 2.18, б). Она отличается от схемы рис. 2.18, а переставленными местами конденсатором и диодом. Заряд конденсатора происходит по такой же цепи с малой постоянной времени:

τ + C (RVD+ + Rэкв ) .

Разряд же конденсатора проходит через сопротивление источника Rэкв, сопротивление нагрузки Rн и сопротивление закрытого диода:

τ − = C (Rэкв + (RVD− || Rн )) .

Напряжение на сопротивлении нагрузки uн(t) детектора представляет собой разность входного напряжения uвх(t) и напряжения на конденсаторе uC(t) (рис. 2.19, б). Оно имеет вид синусоиды, смещенной в область

отрицательных значений примерно на значение амплитуды. Среднее значение этого напряжения, выделяемого фильтром низких частот базового

блока, приближенно равно амплитуде входного сигнала UФНЧ Um.

При измерении амплитуды импульсного сигнала работа детектора аналогична. Напряжение на конденсаторе достигает пикового значения и сохраняет его в течение длительности импульса. Затем конденсатор медленно разряжается до прихода следующего импульса. Напряжение на нагрузке детектора (разность входного сигнала и напряжения на конденсаторе) имеет вид импульсов, смещенных вниз на значение их амплитуды

(рис. 2.20).

ин(t) Um

t

ин(t)

t

ин(t)

t

Рис. 2.20. Диаграммы напряжений пикового детектора при импульсном сигнале на входе

69

Однако постоянная составляющая такого сигнала отличается от его пикового значения! Она соответствует положительному пиковому

напряжению U m+ , то есть максимальному значению импульса относи-

тельно его постоянной составляющей. Для того чтобы измерить полную амплитуду Um (или размах Up-p) импульса, требуется измерить также и

отрицательное пиковое напряжение U m− . Делают это, переключая поляр-

ность входных импульсов детектора. Размах тогда находят, суммируя положительное и отрицательное пиковые значения.

Рассмотрим причины появления погрешностей преобразования амплитудного детектора:

•нелинейность ВАХ диода. Она сказывается при малых напряжениях сигнала. Для снижения ее влияния и повышения чувствительности приходится усиливать сигнал до детектора, что уменьшает рабочий диапазон частот вольтметра;

•недостаточно большая постоянная разряда τ − для сигналов с большим интервалом повторения (низкочастотная погрешность амплитудного детектора). Она вызывает спад напряжения на конденсаторе и искажение формы выходного напряжения. Появляется системати-

ческая погрешность преобразования. Для ее снижения увеличивают входное сопротивление нагрузки детектора (УПТ) и применяют диоды с большим обратным сопротивлением.

Для улучшения линейности детектора применяют схемы с нелинейной ООС, один из вариантов которых приведен на рис. 2.21.

R2

VD1

–

+

uвых ОУ

Рис. 2.21. Амплитудный детектор с нелинейной ООС

Для отрицательной полуволны входного сигнала напряжение на выходе инвертирующего операционного усилителя uвых ОУ > 0 и диод VD1

70

закрыт. Второй диод VD2 в это время открыт. Выходное напряжение при этом будет равно:

uвых ОУ = − R2 uвх .

R1

Накопительный конденсатор подзаряжается до максимального значения, пропорционального амплитуде входного сигнала. Для положительной полуволны наоборот выходное напряжение ОУ отрицательно, диод VD1 закрыт, а VD2 открыт. Усилитель охвачен глубокой ООС и выходное

напряжение при большом коэффициенте усиления KОУ близко к нулю. Второй диод VD2 в это время закрыт и заряд накопительного конденсатора практически не меняется.

В этой схеме диоды работают при большом значении напряжения, что снижает требования к линейности их ВАХ.

Контрольные вопросы

1.Дайте определение понятию «значение напряжения». Какие значения используют в измерительной практике и почему? Чем измеряют значения напряжения?

2.Что такое мощность радиосигнала? Какие определения мощности используют в измерениях? Как связана мощность сигнала со значениями напряжения?

3.Что такое коэффициент амплитуды и коэффициент формы сигнала? Как их используют при измерениях значений напряжения?

4.Что такое «вольтметр среднеквадратического значения»? Чем он отличается от других типов вольтметров? Что означает «метка True RMS» на шкале вольтметра?

5.На вход вольтметра средневыпрямленных значений, градуированном в среднеквадратических значениях гармонического сигнала, подан прямоугольный сигнал (меандр). Как по его показаниям определить амплитуду меандра?

6.Как пересчитать показания амплитудного ВЧ вольтметра, градуированного в среднеквадратических значениях гармонического сигнала, в среднеквадратическое значение сигнала другой формы (например, треугольной)?

7.Как устроен электромеханический аналоговый вольтметр? Чем электронный аналоговый вольтметр лучше чем электромеханический? В чем его недостатки?

8.В каких единицах градуируют входной аттенюатор аналогового вольтметра? Как разбивают рабочий диапазон вольтметра на поддиапазо-

71

ны? Почему у вольтметров применяют две шкалы (кратную 10 и кратную 3)?

9.Для чего в аналоговых вольтметрах используют дополнительную логарифмическую шкалу? Почему отметка 0дБ соответствует напряжению 0.775 В среднеквадратического значения входного сигнала?

10.В чем основное принципиальное отличие цифрового вольтметра от аналогового? Почему при прочих равных условиях точность цифрового вольтметра выше?

11.Каковы метрологические параметры вольтметров? Как задают класс точности аналогового и цифрового вольтметра?

12.Почему частотный диапазон вольтметра переменного тока отсчитывают не по уровню 0.707 от максимального значения его АЧХ? Какой критерий используют для определения рабочего диапазона частот вольтметра?

13.Как влияет входной импеданс вольтметра на результат измерения напряжения? Почемуего делают как можно больше?

14.Почему для ВЧ вольтметров используют выносные пробники с детектором или входным усилителем? Какие факторы, влияющие на погрешность измерения, при этом уменьшают?

15.Что такое «открытый «и «закрытый» входы вольтметра? В каких ситуациях надо использовать «закрытый» вход?

16.Какие требования предъявляют к усилителю (УПТ) вольтметра постоянного тока? Какие параметры вольтметра определяют свойства УПТ?

17.Почему в электронном вольтметре переменного тока используют усилитель перед детектором, а не после него? Какие погрешности возникают в электромеханическом вольтметре переменного тока (без усилителя)?

18.Почему вольтметр средневыпрямленных значений использовать для измерения напряжения произвольной формы нельзя, а вольтметр среднеквадратических значений – можно?

19.Для чего используют диодную функциональную схему в детекторе среднеквадратических значений?

20.Какие преимущества имеет термоэлектрический вольтметр среднеквадратических значений по сравнению с вольтметрами другого типа? В чем его недостатки?

21.Почему в импульсных (амплитудных) вольтметрах обычно используют схему«детектор-усилитель» (а не «усилитель-детектор»)?

22.Почему импульсные вольтметры, как правило, используют детектор с закрытым входом? Как в таких приборах измеряют полный размах сигнала?

72