книги из ГПНТБ / Найдеров, В. З. Специальные радиотехнические измерения

ным: При изменении амплитуды измеряемого напряжения показа­ ния прибора долго остаются неизменными. Нельзя также исполь­

ляет десятки мегаом, а емкость конденсатора С — десятки тысяч пикофарад.

Если первым узлом вольтметра является детектор, активное входное сопротивление прибора определяется активным входным сопротивлением детектора. Входное сопротивление детектора с открытым входом можно найти из следующих рассуждений. Будем

сеивается в сопротивление Ru. Эта мощность равна

Н.8)

Дя

С другой стороны, вход вольтметра по отношению к источнику измеряемого напряжения «х можно заменить эквивалентным

входным сопротивлением Rm. В этом сопротивлении рассеивается мощность

/?м ~Ян/2.

При высоких частотах на величине входного сопротивления ска­

110

При измерении импульсных напряжений также должны выпол­ няться условия

тр > т'- 'з « Ѵ

В этом случае нс(/) ^ £ /с0.

Найдем связь между напряжением ІІС() и амплитудой им­ пульсов ІІМ, имея в виду, что в установившемся режиме прираще­ ние заряда конденсатора С за время т равно убыли заряда за вре­

где Q—T/x — скважность импульсной последовательности. Отсюда относительная методическая погрешность измерения

ние детектора при гармоническом измеряемом напряжении, мож­ но показать, что входное сопротивление детектора при измерении амплитуды импульсов в Q раз меньше сопротивления нагрузки, т. е.

Ru ~ R h7 (Г т) ^ RJQ.

111

Пиковый детектор с закрытым входом (параллельный детек­ тор). Схема пикового детектора с закрытым входом приведена на рис. 7.7. Сопротивление нагрузки Ra так же, как и в последова­

тельном детекторе, очень велико (/?„ > R\ = Ri л + R»), т. е. условия (7.5) и (7.6) выполняются.

С

После включения на вход детектора измеряемого гармоническо­ го напряжения их.(/) = Umsin w t конденсатор С в течение нескольких положительных полупериодов заряжается почти до амплитудного значения Uw. В установившемся режиме подзаряд конденсатора через диод в каждом периоде происходит в течение малых интервалов времени At (рис. 7.8). В течение большей части

112

напряжения на конденсаторе и входного синусоидального напря­

Конденсатор С подзаряжается в течение малых интервалов вре­ мени, когда в окрестности положительного максимума их несколь­ ко превышает и сп.

Таким образом, напряжение на нагрузке R„ является пульси­ рующим, и для его измерения между нагрузкой /?„ и магнито­ электрическим вольтметром включают фильтр, пропускающий только постоянную составляющую пульсирующего напряжения, равную Ucq~ Um (фильтр необходим при измерении напряже­ ний очень низких частот, так как в случае отсутствия фильтра из­ мерения затруднены из-за заметных .колебаний стрелки магнито­ электрического прибора).

В случае подачи на детектор с закрытым входом переменного напряжения, содержащего постоянную составляющую, он реаги­ рует только на амплитуду переменной составляющей. Действитель­

Поэтому алгебраическая сумма этих двух напряжений на нагруз­ ке RH будет равна нулю, и вольтметр не будет реагировать на по­ стоянную составляющую До измеряемого напряжения. Отклонение стрелки такого вольтметра пропорционально амплитуде перемен­ кой составляющей. В этом состоит отличие детектора с закрытым входом от детектора с открытым входом.

Входное активное сопротивление детектора с закрытым входом можно определить так же, как и для детектора с открытым входом. Полагая, что вся мощность, потребляемая детектором, рассеива­ ется в нагрузке /?„, получим

где U„ — действующее значение напряжения на нагрузке.

С другой стороны, рассуждая аналогично случаю детектора с открытым входом, для мощности, потребляемой входной цепью де­ тектора при измерении синусоидального напряжения, можно за­ писать

вх~ 2 /? вх-

Далее, из временного графика напряжения и„ (рис. 7.8) сле­ дует, что квадрат действующего значения напряжения на нагрузке равен

Приравнивая Рн и Рвх, найдем

Детекторы с закрытым входом применяются и для измерения импульсных напряжений. Такой вольтметр измеряет пиковое зна­ чение импульсного напряжения без постоянной составляющей, что практически не сказывается на показаниях при достаточно боль­ шой скважности (так .как в этом случае постоянная составляющая Uо мала). В общем случае относительная погрешность, возникаю­ щая за счет того, что такой детектор не реагирует на постоянную составляющую, равна

При измерении однополярных импульсных напряжений прямо­ угольной формы со скважностью Q = 77т 77, формула для относительной погрешности получает вид

3 = - 1IQ.

Отсюда следует, что при малых скважностях эта погрешность мо­ жет быть значительной.

По характеристике детектирования пиковые детекторы являют­ ся линейными.

Пиковые детекторы широко применяются в вольтметрах, пред­ назначенных для измерения как синусоидальных напряжений (вольтметры ВЗ-25, ВК7-9, ВЗ-41 и др.), так и импульсных напря­ жений (В4-4, В4-14 и др.). Следует иметь в виду, что шкалы мно­ гих пиковых вольтметров проградуированы в действующих значе­

ниях синусоидального напряжения (для которого U — UmjV 2 = ^ 0,707 и т). При любой другой форме измеряемого напряжения показания прибора не соответствуют действующим значениям. Амплитуду же напряжения любой формы при использовании та­ ких вольтметров можно найти, разделив показания прибора на 0,707 (умножив на 1,41). Чтобы определить действующее значе­ ние напряжения любой известной формы (не синусоидальной), нужно найденную амплитуду разделить на соответствующий коэф­ фициент амплитуды, т. е.

„1,41 Ua

где U„ — показание прибора, проградуированного в действующих значениях синусоидального напряжения.

Детектор действующего значения

Детектор действующего значения — это преобразователь пере­ менного напряжения в постоянный ток, пропорциональный квадра-

114

ту действующего значения измеряемого напряжения. Как следует из определения действующего значения напряжения, его измере­ ние связано с выполнением трех операций: возведением напряже­

усреднения (последняя операция осуществляется при градуировке шкалы вольтметра). Следовательно, детектор действующего зна­ чения должен обладать квадратичной вольт-амперной характерис­ тикой. Такие детекторы называются квадратичными.

Если в выходную цепь квадратичного детектора включить маг­ нитоэлектрический прибор (микроамперметр), он будет измерять постоянную составляющую (среднее значение) тока детектора, пропорциональную квадрату действующего значения измеряемого напряжения.

Действительно, пусть вольт-амперная характеристика детекто­ ра описывается формулой

і = ß и2.

При подаче на детектор напряжения сложной формы, напри­

мер,

П

ll{t) = Yi ^mk Sin&U)t, k=l

постоянная составляющая тока детектора, измеряемая микроам­ перметром, определяется выражением

т

/о = 4 \ i ^ dt =

6

---- -—г I (Um sin idt -j—Um 2 sin 2 o) t -r ... )2 dt =

о

II

(7Л7)

k = I

где T — период первой гармоники.

Выражение в правой части формулы (7.17) получается после раскрытия скобок под интегралом, преобразования по тригономе­ трическим формулам членов, содержащих квадраты и произведе­ ния синусов, и почленного интегрирования.

іде U — действующее значение измеряемого напряжения слож­ ной формы.

Существенно важно, что показания прибора с квадратичным детектором, проградуированного в действующих значениях сину­ соидального напряжения, при измерении напряжения сложной формы соответствует действующему значению измеряемого напря­ жения. Иначе говоря, показания квадратичного вольтметра спра­ ведливы при измерении напряжений различной формы.

Для квадратичного детектирования можно использовать на­ чальный участок анодно-сеточной характеристики триода, началь­ ный участок вольт-амперной характеристики полупроводникового диода. Однако в настоящее время подобные детекторы почти не применяются из-за малой протяженности квадратичного участка характеристики, необходимости подбора положения рабочей точ­ ки, нарушения градуировки при смене лампы или диода.

Лучшие параметры имеет детектор, основанный на использо­ вании почти квадратичной зависимости анодного тока многосеточ­ ной лампы от напряжения, поданного одновременно на две сетки ііа этом принципе построен квадратичный детектор милливольт­ метра ВЗ-5.

Наиболее широко применяются квадратичные детекторы на ди­ одных цепочках. Рассмотрим принцип действия такого детектора (правая часть схемы, показанной на рис. 7.9). Диодная цепочка

Рис. 7.9.

содержит ряд ячеек. В состав каждой ячейки входит диод и дели­ тель на резисторах R, R' (рис. 7.10). Полагая, что параметры дио­ дов близки к параметрам идеального диода (прямое сопротивле­ ние идеального диода равно нулю, а обратное — бесконечности), будем считать, что ток через диод равен пулю, когда и<Е.

7.11) через магнитоэлектрический прибор определяется напряже­

параллельно включенных резисторов Ri и Ri. Когда напряжение на входе детектора превышает напряжение смещения Е2, т. е, Е2 <

116

< u(t)<C Е3, открывается также диод Д2 и суммарный ток через прибор і = iQ-г і\ + h и т. д.

Подбирая сопротивления делителей и увеличивая число ячеек, можно довольно точно аппроксимировать квадратичную характе­ ристику линейно-ломаной кривой (рис. 7.11) в требуемом диапа­ зоне входных напряжений.

Левая часть схемы (рис. 7.9) представляет собой линейный двухполупериодный выпрямитель с широкополосным трансформа­ тором, имеющим равномерную амплитудно-частотную характе­ ристику для всех составляющих спектра измеряемого напряжения. В делом схема, приведенная на рис. 7.9, является упрощенной схе­ мой квадратичного вольтметра (вольтметра действующих значе­ ний). Подобные детекторы используются, например, в вольтметре ВЗ-40, в вольтметрах, входящих в состав измерителей нелинейных искажений С6-1, С6-1А и др.

Квадратичные вольтметры необходимо использовать во всех случаях, когда измеряемое напряжение имеет сложную форму. ХІетекторы средневыпрямленного значения изучаются в курсе

зовет некоторое отклонение стрелки индикатора. Чем меньше за­ меченное отклонение, тем ближе амплитуда UM к напряжению Е к. Величина /Гк,практически равная при компенсации амплитуде 7Л,, измеряется вольтметром постоянного тока,

117

Разрешающую способность индикатора можно повысить приме­

следующий измеряемый импульс пройдет через диод Д { лишь час­ тично и на усилитель поступит импульс меньшей амплитуды. Каж­ дый последующий импульс будет подзаряжать конденсатор до тех пор, пока амплитуда импульсов, поступающих на усилитель, не станет практически равной нулю, т. е. пока не закроется диод Д\. При этом напряжения на конденсаторах одинаковы и равны ампли­

118

специальные меры. Частотные погрешности обусловлены влиянием

Свх— входная емкость вольтметра) на достаточно высоких час­

зажимах вольтметра к напряжению на зажимах исследуемой цепи определяется формулой

Таким образом, напряжение непосредственно на входных зажи­ мах больше, чем на зажимах исследуемой цепи (погрешность име­

Из формулы (7.18) следует, что, например, для обеспечения поірешности порядка 2% высшая частота измеряемого напряжения должна быть в 7 раз ниже резонансной частоты входной цепи вольтметра.

Пролетная погрешность проявляется на частотах, когда время пролета электронов между катодом и анодом детекторной лампы

119