Измерительные блоки термоэлектрических и калориметрических ваттметров.

Как уже указывалось, измерительные блоки термоэлектрических и калориметрических ваттметров во многом схожи, поскольку выходным сигналом первичных измерительных преобразователей СВЧ мощности является напряжение постоянного тока. Уровни выходного напряжения составляют от долей микровольт до десятков милливольт. В связи с этим основная функция измерительного блока - усиление выходного сигнала преобразователей до уровня, удобного для измерения и индикации усиленного сигнала в единицах мощности.

Нижний предел измеряемой мощности в общем случае опреде­ляется коэффициентом преобразования измерительного преобразо­вателя и чувствительностью УПТ измерительного блока, а верхний - тепловой прочностью термопар (для термоэлектрических преобразователей) и нагрузки (для калориметрических преобразо­вателей). Уменьшить нижний предел измерений за счет увеличения коэффициента преобразования тепловых преобразователей можно пу­тем уменьшения проводимости тепловых каналов. Но это приводит к одновременному увеличению тепловой постоянной времени, что крайне нежелательно. Таким образом, наиболее эффективным способом уменьшения нижнего предела рассматриваемых ваттметров является повышение чувствительности измерительного блока.

Известно, что чувствительность УПТ определяется главным образом уровнем шумов на его входе. Уровень шумов может быть рассчитан по формуле

, (7.15)

где k - постоянная Больцмана, равна ; - абсолютная температура источника шума (в нашем случае термопары), К; - сопротивление термопары, Ом; - полоса усилителя, Гц.

На рис. 7.22 приведен график зависимости уровня шума от полосы УПТ и сопротивления термопары. Реально уровень шума, приведенный ко входу УПТ, выше вследствие вклада, вносимого входными каска­дами УПТ (прерывателем и первым усилителем). В лучших моделях ватт­метров уровень шума на входе УПТ измерительного бло­ка не превышает 2 нВ при полосе УПТ и общем сопротивлении термопар преобразователя 200 Ом.

Рис 7.22. Зависимость от при разных полосах УПТ.

Кроме перечисленных выше факторов нижний предел изменений мощности термоэлектрическими ваттметрами ограничивается еще температурным дрейфом нуля УПТ, обусловленным возникновением термо-ЭДС в цепях схемы УПТ, особенно в соединениях металл - полупроводник. Температурный дрейф можно уменьшить выбором рациональных электрических схем и схем монтажа, материалов проводников, однако полное отсутствие дрейфа достигается в интервале изменения температуры окружающего воздуха на 1  2 °С. Обычно реальное значение дрейфа составляет 0,01  0,1 мкВ/град.

Электрические схемы измерительных блоков термоэлектрических ваттметров во многом подобны электриче­ским схемам микро­вольтметров постоянного тока. Однако в отличие от микровольтметров не требуется высокое входное сопротивление измерительного блока термоэлектрических ваттметров, так как источники измеряемого сигнала, например термопреобразователи, имеют выходное сопроти­вление 200 и 400 Ом, а термопары калориметрических преобразова­телей - не более 5 кОм.

Кроме того, измерительные блоки термоэлектрических ваттметров должны иметь органы для регулировки коэффициента усиления УПТ в пределах ±(10  30%) для компенсации разброса коэффициента преобразования преобразователей от экземпляра к экземпляру.

Поскольку при термоэлектрическом методе нет прямого замеще­ния мощности СВЧ, схемы измерительных блоков должны содержать опорные источники мощности для калибровки термопреобразователей при их замене, а также в процессе эксплуатации, чтобы исключить эффект старения термопар.

Рис. 7.23. Упрощенная структурная схема измерительного блока термоэлектрического ваттметра.

На рис. 7.23 приведена упрощенная структурная схема измеритель­ного блока термоэлектрического ваттметра. В УПТ обычно применяется двойное преобразование сигнала. Сначала выходное напряжение термо­преобразователя преобразуется в переменное с помощью электронного прерывателя, усиливается, а затем выпрямляется фазовым детектором и поступает на выходной каскад УПТ. Коэффициент усиления УПТ выбирается таким, чтобы обеспечивалась нормальная работа отсчетного устройства (1  10 В на любом из пределов измерений).

Процесс измерения мощности описывается выражением:

, (7.16)

из которого следует, что при неизменном значении возможна калибровка измерительного блока в единицах мощности . Обычно калибровка преобразователей осуществ­ляется на одном уровне мощности, например 800 мкВт, 1 мВт, 800 мВт. Опорный уровень создается встроенным в измерительный блок гене­ратором переменного тока низкой частоты (30  50 кГц), или генера­тором высокой частоты (50 МГц), или стабилизированным источником постоянного тока. Сущность калибровки заключается в том, что, подавая на преобразователь сигнал от опорного источника мощности и изменяя коэффициент усиления УПТ, устанавливают показание на измерительном блоке, равное опорному уровню мощности.

Калибровка преобразователей опорным уровнем мощ­ности исключает зависимость показаний ваттметра не только от экземпляра преобразователя, но и от измене­ния температуры окружающей среды ( преобразователя в диапазоне температур несколько изменяется).

Таким образом, по окончании калибровки преобразо­вателя ваттметр готов к измерению СВЧ мощности при условии, что коэффи­циент эффективности преобразователя равен единице или отличается от единицы не более чем на 1/3 основной погрешности. Однако в области вы­соких частот зависит от частоты измеряемого сигнала и может принимать значения, существенно отличающиеся от единицы. Поэтому при определении результата изме­рений необходимо учитывать . Это можно осуществить как по формуле

, (7.17)

где N - показание измерительного блока, Вт (мВт, мкВт), так и с помощью измерительного блока, содержащего органы для коррекции коэффициента усиления УПТ в соответствии с данным значением .

Несмотря на некоторое усложнение схемы измерительного блока, второй путь предпочтительнее, так как в этом случае не потребуется дополнительное время для определения результата измерения.

С точки зрения удобства эксплуатации целесообразно создавать преобразователи с малой вариацией в диапазоне частот, что даст возможность ввести постоянную коррекцию чувствительности измери­тельного блока, соответствующую среднему значению . При этом откло­нение от явится одной из составляющих основ­ной погрешности ваттметра.

Установлено, что термоэлектрических преобразо­вателей нелинеен до ±(2  5%) в динамическом диа­пазоне измеряемых уровней мощности. При точных измерениях нелинейность нельзя не учитывать. Поэтому на практике вводят коррекцию в показание измерительного блока или выбирают опорный источник мощности, при котором производилась бы калибровка, соответствующая среднему значению .

Схема опорного источника мощности (калибратора) должна обеспечивать: высокую стабильность уровня выходного сигнала на нагрузке, сопротивление которой рав­но сопротивлению преобра­зователя; одно или несколько значений уровня мощности, развиваемой на преобразователе, в пределах динамического диапазона ваттметра; выходное сопротивление, равное входному сопротивлению преобра­зователя.

Схема калибратора мощности для калибровки калориметрических преобразователей содержит источник постоянного напряжения с пренебрежимо малым внутренним сопротивлением и включенный последовательно с ним ре­зистор R, сопротивление которого равно номинальному значению входного сопротивления преобразователя (рис. 7.24). Преимущество такой схемы заключается в том, что при небольшом отличии действительного значения входного сопротивления преобразователя от номи­нального мощность, рассеиваемая преобра­зователем при калибровке, незначительно отличается от опорного уровня .

Погрешность калибровки в этом случае составит:

(7.18)

При .

Рис. 7.24. Схема калибровки термопреобразователя

Основной трудностью при создании опорных источников мощн­ости переменного тока является стабилизация выходного уровня с точностью порядка 0,3  0,7% (по мощности) или 0,15  0,35% (по напряжению). Для определения стабильности опорных источников мощности переменного тока НЧ и ВЧ практически отсутствует аппара­тура необходимой точности. В настоящее время стабилизацию выход­ного уровня опорных источников мощ­ности переменного тока низкой частоты осуществляют при помощи высококачественных стабилит­ронов, а установку и проверку выходного уровня производят сравне­нием с напряжением постоянного тока, используя для этого образцовые термопреобразователи косвенного подогрева. При отклонении входного сопротивления термопреобразователей от номинального на ±20% (по данным на приборы МЗ-51 ... МЗ-53) погрешность их калибровки от опорного источника мощности переменного тока 30 кГц составляет не более ±1,6%. Погрешность встроенного в измерительный блок НР-436А опорного источника мощности переменного тока 50 МГц составляет ±0,7%.

Измерительные блоки бывают с аналоговым или цифровым отсчет­ным устройством. На рис. 7.25 приведена структурная схема измеритель­ного блока Я2М-66 с цифровым отсчетом показаний, используемая как базовая в ваттметрах МЗ-50 ... МЗ-57. Структурная схема содержит УПТ, АЦП, цифровой индикатор, блок управления, источники опорного сигнала постоянного и переменного токов НЧ и блок питания. Усилии­тель постоянного тока выполнен по схеме МДМ. Входная часть УПТ представляет собой электронный прерыва­тель,

Рис. 7.25. Структурная схема измерительного блока ваттметра Я2М-66.

управляемый модулятором (рис. 7.26). Электронный прерыватель собран на полевых транзисторах. Частота прерывателя выбрана из расчета обеспечения малого уровня шумов и уменьшения паразитного действия выбросов, неизбежно возникающих при переключениях и наклады­вающихся на основной сигнал.

Рис. 7.26. Схема прерывателя.

Полоса УПТ выбрана ступенчато-переменной. При малых уровнях измеряемой мощности, когда сигнал на выходе преобразователя мал, полоса также мала. Это дает возможность вести измерение полезных сигналов, соизмеримых с уровнем шумов. Для больших уровней полоса УПТ выбрана широкой, что обеспечивает высокую скорость измерения (время установления показаний на верхних пределах составляет десятые доли секунды для приборов МЗ-51 ... МЗ-53).

Усиленный сигнал переменного тока детектируется синхронным детектором. Затем он преобразуется с помощью АЦП из аналогового в цифровой и подается на отсчетное устройство, градуированное в единицах мощности. АЦП выполнен по схеме двойного интегрирования.

Блок управления обеспечивает автоматический выбор пределов измерений, выбор масштаба и размерности единицы измерения в зависимости от типа применяемого преобразователя. Управление масштабом и размерностью индицируемых значений мощности производится кодом, заложенным в разъемы присоединенных кабелей в виде перемычек между соответствующими контактами.

Встроенный в измерительный блок источник опорной мощности постоянного тока выдает сигнал 800 мВт на нагрузке 50 Ом, а источник опорной мощности переменного тока НЧ 800 мкВт на нагрузках 200 и 400 Ом. Это дает возможность использовать измерительный блок Я2М-66 с термоэлектрическими и калориметрическими преобразова­телями и обеспечить измерение мощности СВЧ сигналов от 1 мкВт до 100 Вт.

Более совершенная схема измерительного блока с точки зрения автоматизации измерений заложена в ваттметрах МЗ-64/1 и МЗ-64/2. В схеме предусмотрены автоматическая установка нуля и автомати­зированное введение поправки с помощью цифровой клавиатуры. Прибор может работать в линейном и логарифмическом режимах. Ваттметры МЗ-64/1 и МЗ-64/2 измеряют мощность от 1 мкВт до 10 мВт в диапазоне частот 37,5  78,33 ГГц.

Из зарубежных моделей следует отметить измерительный блок термоэлектрического ваттметра НР-436А, у которого процессы подго­товки к измерениям и измерения полностью автоматизированы. Эти приборы могут быть использованы как в автономном режиме, так и в автоматизированных измерительных системах.

Описанные выше измерительные блоки имеют один входной канал, т. е. работают одновременно только с одним преобразователем. В последнее время появились модели измерительных блоков двухка­нальные, например НР-438А. Такие блоки в сочетании с двунаправ­ленными ответвителями и двумя преобразователями, включенными в боковые плечи ответвителя, позволяют измерять проходящую мощ­ность. Особенностью измерительного блока НР-438А является наличие микропроцессора, управляющего работой электрической схемы как в автономном режиме, так и при использовании прибора в автоматизиро­ванной системе.