книги из ГПНТБ / Полонников Д.Е. Электронные усилители автоматических компенсаторов
.pdf2 0 8 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОЧУВСТВИТ. УСИЛИТЕЛЕЙ [гл. VI
составляющие, которые |
попадут |
|
|
Дf |
и пройдут |
|||
в полосу / 0± у |
||||||||
через |
усилитель. |
|
|
|
|
|
|
|
Из |
выражения |
(6.29) видно, |
что |
при |
изменении |
часто |
||
ты ш |
от 0 до (X) |
только те составляющие |
шумов |
пройдут |
||||
через |
усилитель (т. е. |
дадут после модуляции компоненты, |
||||||
лежащие в интервале |
частот / 0 ± у } |
которые |
находятся в |
|||||
следующих частотных диапазонах:
1 ) 0 -5- у — компоненты:
д ^ cos тс8 {sin [(ш0 —|—со) t —}—ср] —|—sin [(<о — ш0) г?-(- ср)};
|
2) /о — у |
|
+ |
ту — компоненты: |
|
|
|||||
|
[ т (^С + |
Рб) + |
(2FM- |
F c - F6) ь\ sin (о>f + ср) + |
|
||||||
|
|
+ |
1 |
( 2 F M- |
Fc - |
F6) ^ |
- 8 sin [(2 « ) 0 - |
ю) t - <p]; |
|||
|
3) 2/?г/ |
0 — у - г - 2/и/о - j - y |
(tn — |
1 ,2 , ... , oo) — компо |
|||||||
ненты: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
1 ( f c - f ») ( - 1 Г { |
|
|
™ x |
|
|
|
||||
|
|
|
X |
sin [ш£— (2 w — 1 ) a>0^ —f—cp] —J— |
|
|
|||||
|
|
|
_|_ |
|
|
i) -.° sjn |
^ WQt _ |
щг _ |
cp]|; |
||
|
4) |
(2 д а + 1 ) / 0 — ^ - * - ( 2 « + l ) / e- f ^ |
( « = |
l,2,...,o |
|||||||
— компоненты: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
l ( |
2 F M- F |
c - F 6) ( - i r |
|
|
sin [ O o - 2 /»a>0)* + |
<p] + |
|||||
|
|
|
+ |
'^ ( м |
+ |
Ц 715 Sin t2 |
+ !) “ o* — at — cp)}• |
||||
Зная компоненты промодулированного шума и соответствую щие частотные диапазоны, можно определить суммарное зна чение среднего квадрата шумов входной цепи. Учитывая теорему о равномерном распределении шумов по частоте и теорему об энергии, связанной с интегралом Фурье [6 ], средний квадрат входных шумов, приведенный к сетке пер
§ 1 8 ] УСТРОЙСТВА С КОНТАКТНЫМ ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ 2 0 9
вой лампы, находится путем интегрирования квадратов каждого из частотных компонентов в соответствующем диапазоне, т. е.
а/
2
£/г., = |
4 kTR'g (5 |
- + |
1 9 {е) { J |
^ |
(Fc — Fe)* cosa * 8 |
d / + |
||||||
л + ¥ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
+ |
J |
[ j |
+ |
F6) + |
(2 F M- |
FC~ F 6) 8 J d / + |
|
|||||
f |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
fo |
Д/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
/о + |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
J |
( 2 Fa - F c - F 6) * ^ ^ df + |
|
|
|||||||
|
|
/о |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
■ |
1 |
sin3 2ткЪm |
, |
sin3 2 (m |
1) л8 |
]x |
|
|||
|
|
“* ^ 2 |
j L |
( 2 m) 3 |
+ |
|
4(m + |
l)3 |
|
|||
|
|
|
7 7 1 = 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2m + |
1) /о + |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
X |
|
J |
(2 FM- F C- F 6) V / + |
|
|||||||
|
|
(2m + |
1) /о —Ц |
|
|
|
|
|
|
|
||
■ |
|
1 Vl |
Г cos3 (2m—l)u8 |
, |
cos3 (2m-f-1) |
чу |
|
|||||
|
|
|
L |
(2 m — l)3 |
|
I |
|
(2 m + l)3 |
J X |
|
||
|
|
771=1 |
|
|
|
|
Ц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2m/0 + |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
X |
|
j |
|
(F t - r |
, )*< ;/} . |
(6 3 0 ) |
|
|
|
|
|
|
|
2m/0 - |
Ц |
|
|
|
|
|
В выражении (6.30) первый интеграл соответствует низко частотным шумам, промодулированным первой гармоникой частоты ш0. Второй интеграл соответствует шумам, лежа щим в полосе пропускания усилителя и проходящим "без модуляции. Остальные — соответствуют шумам, промодули рованным высшими гармониками ш0. Точное определение компонентов шумов представляет сравнительно громоздкую математическую задачу, поэтому приведем только результаты
8 Д . Е . Полонппков
2 1 0 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОЧУВСТВИТ. УСИЛИТЕЛЕЙ [гл. VI
приближенных вычислений, выполненных для суммарного напряжения шумов £/ш с учетом третьего и четвертого чле нов в (6.26). Вычисления сделаны для некоторых предельных
случаев [25) |
в предположении, |
что одновременно выполняются |
||||
следующие |
условия: |
|
|
|
|
|
Cra< C g; |
|
/» > Д /; |
2 * 8 < |
1 ; (m07'if)e> |
1; |
1 , |
где Tg = |
RgCg. |
|
|
|
|
|
а) |
Для случая, |
когда Хш0/^ С ш)а-^ 1, |
суммарная |
величин |
||
среднеквадратичного напряжения шумов, приведенная ко входу, равна
£/, |
|
ч(1'5 +Й) , |
||||
V 2 |
19,«) тте {Се + |
с»у |
г |
|||
|
-j- 0,25 sin9 4*8j Д/ J -|- (AkTRxna + |
|
Д/} 2 . (6.31) |
|||
б) |
Для |
случая, когда (ш0 /?гСш)а |
1, |
|
|
|
и * = |
Н |
i k T R i ( к +ш')Е |
(егЫ’('’5+&)+ |
|||
|
|
+ (88> + 0 ,0 3 Sl „ M r f ) ( ^ ) ’] |
^ |
. ] |
+ |
|
|
|
+ (4kTRma + ^ ) Д / } 2 |
• |
|
(6.32) |
|
Из приведенных выражений видно, что для уменьшения шу
мов необходимо увеличивать |
Rg, |
уменьшать Ig, Д/, |
8 , вы |
||||
бирать входную лампу, обладающую малой |
величиной флик |
||||||
кер-эффекта. Можно |
показать, что |
при входных сопротивле |
|||||
ниях 1 0 9 ож |
и выше |
основную-" роль играют составляющие |
|||||
термошумов |
входной |
цепи и шумы, вызванные дробовым эф |
|||||
фектом |
сеточного тока. |
|
|
|
|
||
Зная |
напряжение |
шумов, |
приведенных ко |
входу, |
мы мо |
||
жем определить теоретическое значение предельной чувстви тельности входного устройства с контактным преобразова-
§ 1 8 ] УСТРОЙСТВА С КОНТАКТНЫМ ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ 2 1 1
телем по схемам рис. 82, 85. Обозначим через %, отноше ние напряжения полезного сигнала (/„/?„„) к напряжению шумов, при котором выходное устройство способно отличить сигнал от шума. Минимальное значение тока, которое может быть при этом обнаружено входным устройством, равно
= |
( 6 .33) |
^ВХ
Подставив значения Um и R BX в (6 . 33), получим следующие выражения для определения порога чувствительности:
а) при (и)0/?гСш)а■< 1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 Z k _ W J _ 4 . А ) л . |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
• g + T „ j |
\2Tg ^ T B) T |
|||
+ 1 Й ( f |
+ |
г . ) ’ + |
S ( f . + |
-гт) + |
1 |
+ |
° '25 5 | п Ч ” 8Н + |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дф Д/ |
) Т |
ОД\ |
|
где |
Тв = |
CBRBX |
4 CBRg, |
|
|
|
16 |
|/о |
/ ’ |
(6-34> |
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
б) при (u)0r gC J a> |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
, |
д.._ |
( k T |
/ |
1 |
|
|
|
|
|
|
X |
|
|
|
/„ = |
i |
-л- |
U |
: + |
19/s ) | j80 |
\ Те + |
/ , C mR gTt |
|
|
|||||
= 4 |
I |
2 |
|
|
||||||||||
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
R*Ca |
“г 2Гв/; |
+ |
|||
|
X ( 2Tg + |
f 0C mR gTB) |
|
+ |
[ \ |
Tg |
||||||||
|
+ |
48 |
|
+ |
2 7 ^ ) + |
8 S2 + |
|
0,03 sln*4ic5]A/] + |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
? К С ш) * ^ р ’ |
(6.35) |
||||
где Тв = |
|
CBR B%я» Св / |
/ 0 Сш. Из приведенных формул видно, что |
|||||||||||
в общем случае для повышения чувствительности |
необходимо |
|||||||||||||
уменьшать |
полосу пропускания усилителя, сеточный ток первой |
|||||||||||||
лампы, время перелета контакта вибропреобразователя, емкость входной цепи относительно земли и увеличивать С„ или Тв. Зависимость от Rg, Cg, Tg, / 0 более сложная, в некоторых случаях по этим параметрам имеется оптимум. На рис. 87, 8 8 показаны примеры зависимости порога чувствительности от отдельных параметров, рассчитанные для определенных зна чений (приведенных в табл. 6 ) остальных параметров. Из графиков видно, что даже с обычной (неэлектрометрической)
8*
2 1 2 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОЧУВСТВИТ. УСИЛИТЕЛЕЙ [гл. VI
Рис. 87. Порог чувствительности схемы рис. 85 в зависимости от сеточного тока первой лампы (а), от сопротивления утечки в цепи сетки (б).
§ 1 8 ] УСТРОЙСТВА |
С КОНТАКТНЫМ ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ |
2 1 3 |
лампой, имеющей |
сеточный ток порядка 1 0 - 1 1 а, на фоне |
шу |
мов возможно обнаружить ток порядка 1 0 -16а и даже меньше.
Рис. 8 8 . Порог чувствительности схемы рис. 85 в зависимости от S (а), от емкости, шунтирующей вход усилителя (б).
Выше мы отметили, что при измерении малых токов наи более целесообразно применять схему 6 (табл, 4). В некоторых
, 21:4 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА высокочувствит. усилителей [гл. VI
случаях, например при значительной наводке из цепи накала, оказывается выгоднее применять схему 7, работающую с перекрытием контакта. Схема 7 обеспечивает меньшую величину входного сопротивления и меньший коэффициент передачи. Однако работа с перекрытием снижает уровень помех, что часто оказывается практически более важным.
Кроме того, в схеме 7 сопротивление |
|
заметно |
снижает |
||||
эффект |
модуляции шумов. |
|
|
|
Таблица 6 |
||
|
|
|
|
|
|
||
|
Параметры входного каскада |
|
|
||||
№ р и с . |
к |
/(оЧд ) |
л / |
те |
Тй |
(пф) |
5 |
|
(гч ) |
(сек) |
(сек) |
|
|||
8 7 , а |
_ |
1 0 “ |
0 ,5 |
0 ,2 |
2 |
0 |
0 |
8 7 , б |
— |
— |
0 ,5 |
0 ,2 |
2 |
0 |
0 |
8 8 , а |
ю-“ |
1 0 " |
0 ,5 |
0 . 2 |
2 |
0 |
— |
8 8 , б |
ю-" |
1 0 " |
5 |
0 , 2 |
2 |
— |
0 ,0 5 |
С точки зрения |
уменьшения |
модуляции |
шумов |
и разде |
|||
ления входных цепей определенный интерес представляет
трансформаторное |
входное устройство. |
Распространено |
мне |
|
ние, что применение трансформаторного |
входа |
для измере |
||
ния малых токов |
совершенно нецелесообразно |
или даже |
не |
|
возможно, например, когда требуется обеспечить входное
сопротивление 109 ом и выше. |
В |
литературе |
нет сведений |
||
о применении для таких целей |
усилителей |
с |
трансформатор |
||
ным входом. Покажем, что если |
выбрать |
параметры |
транс |
||
форматора, исходя из максимальной чувствительности |
по то |
||||
ку, то, несмотря на небольшое |
собственное |
входное |
сопро |
||
тивление, такое устройство может в отдельных случаях успешно применяться при измерениях малых токов. Наиболее
целесообразно его |
применение |
в |
случае |
необходимости |
раз |
||||||
деления входных |
цепей. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пусть заданы геометрические размеры магнигопровода, |
|||||||||||
выбрана марка и |
сечение |
железа |
и |
минимальный |
диаметр |
||||||
обмоточного провода. |
Это |
означает, |
что |
задано |
максималь |
||||||
ное суммарное число |
витков |
w 0 |
и |
максимальное |
сопротив |
||||||
ление Я0 при. резонансе (см. |
§ 13). |
Индуктивности |
рассея |
||||||||
ния..у: входного трансформатора . |
малы |
и |
их - учитывать |
не |
|||||||
§ 1 8 ] УСТРОЙСТВА С КОНТАКТНЫМ ВИБР0ПРЕ0БРА30ВЛТЕЛЕМ 2 1 5
будем. В случае измерения малых токов датчик имеет обычно очень высокое внутреннее сопротивление, много больше входного сопротивления трансформатора, поэтому первичная обмотка практически находится в разомкнутом состоянии. Приближенно будем считать, что эквивалентное сопротивле ние обмотки при резонансе пропорционально квадрату числа витков, т. е.
Тогда |
|
|
о — d (WA * — |
(6.36) |
|
К в х — Ко |
(2 -Г л )2’ |
|
где п = ~ — коэффициент |
трансформации, |
wy— число вит- |
Рис. 89. Входная цепь с разделительным трансформатором.
ков одной половины первичной обмотки (рис. 89). Сопротив ление в цепи сетки равно
|
|
|
К0гг |
(6.37) |
|
Rs — R« { j 0) - |
{ 2 + п)*- |
||
|
|
|||
Передаточный |
коэффициент Кп, |
как было |
показано в § 13, |
|
приближенно |
равен |
|
|
|
|
„ |
2 / 2 |
|
(6.38) |
|
|
|
|
|
Используя (6.36), (6.37), |
(6.38) |
и (4.15), |
получаем: |
|
|
7В |
АТпКц |
|
|
|
|
|
|
|
TCYllU |
|
|
|
(6.39) |
2 / 2
2 1 6 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОЧУВСТВИТ. УСИЛИТЕЛЕЙ [|'Л. VI
Практически |
Rg ^ |
5 |
• 107 ом, поэтому |
членом 19 lgn%можно |
||||
пренебречь, |
если |
только /г ^ Ю - 1 0 а. |
|
|
||||
Из (6.39) видно, |
что |
относительно |
п имеется |
оптимум, |
||||
|
|
|
|
|
df |
|
приходим |
к следую |
т. е. минимум /„. Приравнивая -^нулю , |
||||||||
щему уравнению |
для |
определения |
я 0Пт'- |
|
|
|||
( ! + |
^ |
т |
) ,г3 + |
2"2 - |
4« — |
8 = 0. |
(6.40) |
|
Практически не имеет смысла находить точное значение /гопт.
Можно показать, |
что я 0Пт лежит |
в интервале 0 -г- 2. |
В самом |
||||||||||||
деле, |
член |
i k Т |
|
~ j^ ■в уравнении (6.39) |
с увеличением п |
||||||||||
монотонно |
растет, |
а |
° п |
(2 + /г) 4 |
имеет |
минимальное |
значе- |
||||||||
Ь?ш.л 4 |
' |
3 |
|||||||||||||
ние при п — 2 , |
|
|
|
•*\0 Д |
|
|
|
|
|
|
|||||
следовательно, |
их сумма минимальна где-то |
||||||||||||||
в |
интервале 0 < ^ « < (2 . |
Если |
учесть, что |
составляющая /„, |
|||||||||||
обусловленная первым членом, |
изменяется |
всего в два |
раза |
||||||||||||
при изменении я от 0 до 2 |
и |
что желательно иметь боль |
|||||||||||||
шую величину Кп, т. е. |
п, |
то |
яопт можно |
принять |
равным |
||||||||||
двум; |
при этом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
(6.41) |
|
Если |
принять |
R ш. л= |
10s ом\ |
R 0 — 5- |
Ю7 ом; |
т]ш= |
1 ; |
Т = |
|||||||
= |
300°К; |
Д /= 0 ,5 г ч , |
то |
|
|
• 10-и а. |
При |
тех |
же па |
||||||
раметрах, |
но Д /= 5 г ц , |
/вя«1,5 - 10~п а. |
|
|
|
|
|||||||||
|
Таким |
образом, |
трансформаторный вход |
позволяет |
прин |
||||||||||
ципиально получить достаточно высокую для практических целей чувствительность по току.
В тех случаях, когда требуется высокое входное сопро тивление, последовательно со входом (рис. 89) может быть включено дополнительное сопротивление Ra необходимой величины. При этом порог чувствительности по току не изменится, а порог чувствительности по напряжению опреде лится следующим образом:
Ro |
(6.42) |
|
( 2 + я) 3 ]• |
||
|
Если принять Ra— 10э ом, то для приведенных выше число
§ |
1 8 ] |
УСТРОЙСТВА С |
КОНТАКТНЫМ |
ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ |
2 1 7 |
|||||||
вых примеров |
UB— 50 мке |
в |
первом |
случае |
и 150 мке — |
|||||||
во |
втором. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При RB |
|
- f ~nj* |
первичная |
обмотка трансформатора |
|||||||
практически |
разомкнута, |
поэтому |
во входном |
устройстве |
по |
|||||||
схеме |
рис. |
89 |
не происходит какой-либо модуляции шумов |
|||||||||
и |
сеточного |
тока |
(даже |
при его |
быстрых |
изменениях). |
||||||
К достоинствам трансформаторного устройства следует также отнести возможность разделения входных цепей, высокие избирательные свойства по отношению к паразитному перемен ному напряжению и сравнительно невысокое сопротивление в цепи вибропреобразователя, что снижает требования к качеству его изоляции. Серьезным недостатком трансформаторного входа является необходимость тщательной магнитной экра нировки. Кроме того, в режиме холостого хода входной трансформатор склонен к микрофонному эффекту; для умень шения последнего обмотка трансформатора должна подвер гаться пропитке.
Мы рассмотрели ограничение чувствительности по току во входном устройстве с контактным преобразователем, обусловленные флюктуационными шумами. Однако практи чески не удается приблизить порог чувствительности к теоре тическому пределу из-за сравнительно большого дрейфа нуля, имеющего место при столь больших входных сопротивлениях. Экспериментально установлено, что у обычных вибропре-
образователен, |
применяемых в |
автопотенциометрах, |
при |
||||||||
Rax;з= Ю9 ом |
дрейф нуля |
может |
достигать |
Юме |
в |
сутки |
|||||
или 10- 1 1 |
а. |
Таким образом, при измерениях с очень высоким |
|||||||||
входным |
сопротивлением |
контактный |
вибропреобразователь |
||||||||
теряет |
свое |
основное преимущество — стабильность |
нуля. |
||||||||
Дрейф |
нуля |
на |
несколько |
порядков |
превосходит теоретиче |
||||||
ский порог чувствительности. |
|
|
ряда |
факторов; |
|||||||
Дрейф |
нуля |
вызывается |
нестабильностью |
||||||||
термо-э. д .с. |
в местах соединений разнородных металлов; |
||||||||||
токов |
диэлектриков; э. д. |
с., |
возникающей при движении |
якоря |
|||||||
вибропреобразователя в электростатических полях; токов,, возникающих при соприкосновении и разрыве контактов; ионизационных токов, вызванных радиоактивными загрязне ниями и космическим излучением. Величина термо-э. д. с. не зависит от входного сопротивления и легко может быть уменьшена до единиц и даже долей микровольта, что при