5.2.7. Преобразователи импульсных напряжений в постоянное - Амплитудный детектор.

Пиковый детектор - это измерительный преобразователь, на выходе которого постоянная составляющая непосредственно соответствует пиковому значению напряжения на входе.

Принципиальные электрические схемы пиковых детекторов изо­бражены на рис. 5.22,а - последовательный детектор с открытым входом и б - параллельный детектор с закрытым входом.

Рис. 5.22. Принципиальные электрические схемы пиковых детекторов

Для а) , ;

Для б) , .

В пиковом детекторе с открытым входом постоянная составля­ющая выходного сигнала содержит постоянную составляющую входного сигнала, если таковая имеется. В детекторе же с закрытым входом постоянная составляющая выходного сигнала не со­держит постоянной составляющей входного сигнала - для нее вход закрыт. Пиковый детектор должен обязательно содержать элемент, запоминающий пиковое значение напряжения. Таким эле­ментом обычно является конденсатор, заряжаемый до пикового значения через диод.

Остановимся на пиковом детекторе с открытым входом. Рас­смотрим случай, когда на вход поступает синусоидальное напря­жение .

В положительные полупериоды входного напряжения про­исходит заряд конденсатора С через малое прямое сопротивление диода и внутреннее сопротивление источника . В отрицатель­ные полупериоды конденсатор разряжается через большое сопро­тивление R (рис. 5.23,а).

Рис. 5.23 Схема работы выпрямителя

Постоянная времени разряда много больше постоянной времени заряда . Поэтому напряжение на конденсаторе возрастает и через несколько перио­дов па обкладках устанавливается постоянное напряжение (постоянная составляющая пульсирующего напряжения), почти равное амплитуде входного напряжения . Поскольку все же несколько меньше вследствие разряда конденсатора во время отрицательного полупериода, то в течение времени, когда , через диод будут проходить импульсы тока, пополняющие заряд конденсатора. Через диод будет проходить ток, в течение небольшой части периода, характеризуемый углом отсечки θ. Напряже­ние на конденсаторе, док это следует из рисунка, можно записать в виде:

. (5.40)

Отсюда можно выразить коэффициент передачи тикового де­тектора, как

. (5.41)

Будем считать постоянным в течение периода входного на­пряжения. Полагая равными в установившемся режиме приобре­таемый и теряемый емкостью С электрические заряды, можно по­лучить выражение для угла отсечки:

(5.42)

Подставляя (4.19) в (4.18) и ограничиваясь первыми двумя членами разложения косинуса в степенной ряд, можно получить

(5.43)

Отсюда следует, что с уменьшением отношения коэф­фициент передачи . Однако возможности уменьшения этого отношения весьма ограничены. Наибольшее значение R обычно не превышает 10 МОм и ограничено сопротивлением утечки и шунтирующим действием входного сопротивления последующего каскада. Сопротивление диода составляет около 1 кОм. Даже при , а при уменьшается до 0,951.

На практике при использовании пикового детектора прини­мают , выражение же (5.43) используется для оценки систематической погрешности, обусловленной зарядом и разрядом конденсатора в течение периода.

Соотношение (5.42) получено в предположении о неизменном . Это предположение может быть реализовано лишь при . Но с ростом емкости уменьшается сопротивление утечки конденсатора, уменьшаются R и . Емкость не может быть слишком большой (обычно она порядка десяти тысяч пикофарад) и приходится учитывать уменьшение за время разряда емкости. Это обстоятельство является источником систематической погрешности, которая будет рассмотрена ниже. Отметим, что выделить постоян­ную составляющую из пульсирующего напряжения можно с помощью магнитоэлектрического прибора.

Если на вход схемы, показанной на рис. 5.6,а, подать напря­жение , в котором содержится как переменная, так и постоянная составляющие, то, очевидно, конденсатор С за­рядится до напряжения, определяемого суммой постоянной и ам­плитуды переменной составляющих, т. е. до пикового значения . Таким образом, на выходе пикового детектора с открытым входом имеет место постоянное напряжение , учитывающее как переменную, так и постоянную составляющие на входе. Для исключения пульсаций выходного напряжения на выходе включается фильтр нижних частот.

Рассмотрим теперь пиковый детектор с закрытым входом (рис. 4.6,б). Пусть на вход подводится синусоидальное напряжение . В течение нескольких положительных полупериодов конденсатор С заряжается через сопротивление диода и внутреннее сопротивление источника почти до значения . Разряд происходит в отрицательные полупериоды через очень большое сопротивление R и внутреннее сопротивление источника . Постоянная времени разряда много больше постоянной времени заряда

. (5.44)

Поэтому напряжение за время отрицательного полупериода изменится очень мало. Заряженный конденсатор можно рассматривать как источник пос­тоянного напряжения .

Рассмотрим напряжение на нагрузочном резисторе R. Из схемы рис. 5.6,б следует:

. (5.45)

Когда входное напряжение достигает положительного максимума, (рис. 5.7,б). При отрицательном максимуме , поскольку .

Видим, что на резисторе выделяется пульсирующее напряжение. Среднее значение этого напряжения примерно равно . Заметим, что измерить его с помощью магнитоэлектрического прибора затруд­нительно, поскольку на низких частотах заметно колеблется стрелка. В связи с этим напряжение сначала подастся на фильтр нижних частот, который пропускает постоянную составляющую , я затем измеряется вольтметром постоянного тока.

Если входное напряжение представляет собой переменное нап­ряжение, то обе схемы детектора дают одинаковые результаты: постоянная составляющая напряжения на конденсаторах весьма близка к , т. е. равна амплитуде измеряемого напряжения. Если же входное напряжение содержит постоянную составляющую , то конденсатор зарядится дополнительно и на­пряжение на конденсаторе увеличится на , т. е. . Полярность этой дополнительной постоянной составляющей на конденсаторе ( ) будет обратной полярности постоянной составляющей , действующей на входе. Сумма этих напряжений на резисторе R будет равна нулю, а постоянная составляющая выходного напряжения не будет содержать постоянной составляющей входного напряжения.

Пиковый детектор с закрытым входом позволяет выделить из пульсирующего напряжения на входе только переменную состав­ляющую в виде постоянной составляющей выходного напряжения, равной амплитуде переменной составляющей.

Пиковые детекторы применяются также для преобразования импульсных сигналов в постоянное напряжение, соответствующее амплитуде импульсов. Определенные трудности возникают при преобразовании последовательности импульсов большой скважности, а также редко повторяющихся и одиночных импульсов. Эти трудности обусловлены тем, что напряжение на конденсаторе пикового детектора оказывается меньше амплитуды импульсов , так как за время паузы конденсатор успевает разрядиться. Это приводит к погрешности, зависящей от скважности импульсов. Для преобразования редко повторяющихся, в том числе одиночных импульсов, пиковые детекторы используются в специальном режиме расширения импульсов.

Расширение сводится к увеличению длительности измеряемого импульса до значения, достаточного для намерения его вольтмет­ром постоянного напряжения. При использовании цифровых вольт­метров эта длительность должна составить несколько миллисе­кунд.

Остановимся на вопросе о входном сопротивлении пикового детектора. Это важно, поскольку пиковые детекторы часто исполь­зуются в качестве первых каскадов вольтметров. Особенности входного сопротивления могут быть проанализированы из рассмот­рения эквивалентной схемы рис. 5.24,а, где , , - распределенные индуктивность, активное сопротивление, емкость подводя­щих проводов, - активное сопротивление, обусловленное потерями в диэлектрике, - входное активное сопротивление детектора, - между-электронная емкость диода. Для уменьшения влияния паразитных параметров на входное сопротивление детектора, последний часто выполняется в виде выносного пробника, благодаря чему длина проводов существенно уменьшается.

Входные активные сопротивления у детекторов с открытым и закрытым входом не одинаковы:

, , где - коэффициент передачи детектора.

В связи с тем, что , , а .

а) б)

в)

Рис. 5.24. Эквивалентные схемы.

Как будет изменяться входное сопротивление детектора в диа­пазоне частот? На низких частотах эквивалентная схема (рис. 5.24,б) представляет собой параллельное соединение входного активного сопротивления детектора и емкости монтажа , составляющей обычно единицы пикофарад.

С ростом частоты начинает сказываться и индуктивность вво­дов (рис. 5.24,в). Тогда эквивалентная входная емкость может быть оценена так:

, (5.46)

(5.47)

где - резонансная частота контура, обоснованного и . Можно видеть, что вблизи резонансной частоты сильно будет возрастать эквивалентная входная емкость.

По мере приближения к резонансу начинает оказываться шун­тирующее действие потерь в диэлектрике, уменьшающее входное сопротивление вольтметра, растет активное сопротивление подво­дящих проводов за счет поверхностного эффекта. На СВЧ начи­нает сказываться инерция электронов - конечное время пролета электронами междуэлектродного пространства в вакуумном диоде.

Оценим изменение коэффициента преобразования детектора, обусловленное влиянием и . Обращаясь к эквивалентной схеме (рис. 5.24,а) и полагая , получаем напряжение на нагрузке детектора в виде

(5.48)

и коэффициент преобразования .

Чтобы расширить частотный диапазон, необходимо увеличить резонансную частоту детектора. Пределом уменьшения паразит­ных параметров является емкость анод - катод диода и индуктивность его выводов. Резонансная частота детекторных головок составляет 1 ...2 ГГц.

На СВЧ начинает сказываться конечное время пролета элек­тронов в диоде от катода к аноду. За время, когда напряжение на аноде превышает напряжение на катоде, не все электроны успевают достигнуть катода и импульс тока уменьшается. Это приводит к менее интенсивному заряду конденсатора С и в результате к изменению коэффициента преобразования детектора:

, (5.49)

где f - рабочая частота, d - расстояние между анодом и катодом, k - постоянный коэффициент, зависящий от конструкции диода (для параллельных электродов ).

В погрешность преобразования синусоидального напряжения входят следующие частные систематические погрешности:

- относительная погрешность, обусловленная отклонением коэф­фициента преобразования от единицы вследствие разряда конден­сатора

, (5.50)

- относительная погрешность из-за резонанса во входной цепи

, (5.51)

- относительная погрешность за счет конечного времени пролета электронов междуэлектродного пространства

, (5.52)

а также случайная погрешность вследствие нестабильности соп­ротивлений R, .