книги из ГПНТБ / Полонников Д.Е. Электронные усилители автоматических компенсаторов
.pdf2 3 8 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОЧУВСТВИТ. УСИЛИТЕЛЕЙ [ г л . VI
В то же время |
усилитель |
II |
охвачен |
глубокой |
отрицатель |
||||||||
ной |
обратной |
связью; |
при |
этом |
конденсатор Со заряжается |
||||||||
до напряжения, равной? |
Ссхз |
усилителя II, |
с точностью до |
||||||||||
Сс„ 2 |
В |
следующий |
полупериод после переключения кон |
||||||||||
i + Ki |
|||||||||||||
роли |
усилителей |
меняются: второй — усиливает вход |
|||||||||||
тактов |
|||||||||||||
ной |
сигнал, |
а |
первый — включается на |
компенсацию дрейфа. |
|||||||||
При этом Ci заряжается до |
|
усилителя /, в то |
время |
||||||||||
как |
С9 |
оказывается включенным |
последовательно |
со |
входом |
||||||||
усилителя II и компенсирует его сдвиг нуля. Конденсатор С8 |
|||||||||||||
служит |
для |
запоминания сигнала |
на время |
перелета |
контак |
тов. Очевидно, при такой схеме компенсации практически полностью исключается погрешность, вызванная периодиче ским выключением входного сигнала.
Поскольку в схеме рис. 103 разность потенциалов ДU
KiKiRi
Ri + Ri
■ KiKiRi h / ? 1 + я .
при переключении контактов практически не происходит перезарядки Свх, а следовательно, — длительного переходного процесса и уменьшения чувствительности.
Рис. 104. Компенсация дрейфа нуля с управляемым периодом работы генератора импульсов.
К недостаткам схемы следует отнести большое число контактов и необходимость в двух усилителях, поэтому применение ее целесообразно только в тех случаях, когда
§20] |
ПРИМЕНЕНИЕ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ |
2 3 9 |
необходимо непрерывное измерение быстро меняющегося сигнала.
Значительно проще схема рис. 104, в которой исполь зуется только один электрометрический усилитель и в два раза меньшее число контактов. Схема аналогична одному каналу рассмотренного выше устройства. Особенностью схемы является управление длительностью Тк генератора ГИ путем
введения сигнала —
Управление осуществляется таким образом, что для переключения усилителя на компенсацию дрейфа выбираются моменты времени, когда скорость изменения входного сигнала
dU„ |
ir ty. dUB% |
минимальна. Если же входной сигнал |
dt |
■K 'K* ~ d T |
|
длительное время непрерывно изменяется со значительной скоростью, то после определенной выдержки происходит все же включение на компенсацию, что необходимо, так как
длительная |
работа без |
компенсации |
дрейфа |
привела |
бы |
|||
к большей |
погрешности |
из-за последнего, |
чем |
из-за кратко |
||||
временного выключения входного сигнала. |
|
в |
предыдущей, |
|||||
В рассмотренной |
схеме, так же |
как |
||||||
устранена |
перезарядка |
входной емкости |
и связанные с этим |
|||||
вредные последствия. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Следует заметить, что в ряде случаев, |
особенно |
при |
||||||
низком пороге чувствительности, вполне |
удовлетворительные |
|||||||
результаты |
дает схема |
с |
периодической |
компенсацией |
без |
управления генератором. Это объясняется тем, что при очень высокой чувствительности по току неизбежна значительная постоянная времени на входе, которая ограничивает скорость изменения UBX и тем самым снижает погрешность, возникаю щую при кратковременном выключении сигнала. Аналогичные схемы компенсации могут быть построены с использованием в качестве запоминающего устройства электродвигателя и рео хорда.
Автором был разработан и испытан электрометрический усилитель с автоматической компенсацией дрейфа нуля, основанной на рассмотренном принципе [24]. Схема усилителя
приведена на рис. 105. |
|
|
|
||
Прибор |
состоит |
из следующих |
узлов: |
модулято |
|
ра— динамического |
конденсатора |
Q , |
входного |
каскада |
|
на лампе |
JTlt днухкаскадного |
узкополосного |
усилителя |
240 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОЧУВСТВИТ. УСИЛИТЕЛЕЙ [ г л . VI
р
§ 20J |
ПРИМЕНЕНИЕ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ |
2 4 1 |
|
напряжения на |
одной |
лампе 6Н2П, усилителя |
мощности Лъ |
демодулятора |
(Тр,, |
D,-T-D it Ria-r-R 13), выходного катод |
ного повторителя Л3, запоминающих конденсаторов С7 и С8,
реле |
управления |
Р, генератора несущей частоты (для пита |
||
ния |
динамического конденсатора п демодулятора), генера |
|||
тора |
импульсов |
(для реле |
управления Р) и блока |
питания. |
Оба |
генератора |
собраны на |
одной колбе 6Н1П. |
Источник |
питания содержит выпрямитель па ДГ-Ц27, фильтр и два стабиловольта. Накал всех ламп осуществляется переменным
током.
Схема работает следующим образом. Входной сигнал
выделяется на |
сменном высокоомном сопротивлении |
R a. |
|
В зависимости от диапазона измерения токов величина RB |
|||
может |
выбираться в пределах 109 ч - 2 • 101'2 ом. При |
из |
|
мерении |
э. д. с. |
RB вообще может удаляться. Напряжение |
сигнала через Ri поступает на пластины динамического конденсатора п подвергается модуляции. Переменная соста
вляющая через С-1 и С3 поступает |
на |
сетку |
входной |
|
лампы. |
|||||
Лампа |
Л 1 |
имеет |
сеточный |
ток |
порядка |
10_1 1 а, |
который |
|||
создает |
падение |
напряжения на |
R3. |
При |
изменении |
этого |
||||
сеточного |
тока |
протекают |
токи |
через С2 |
и С3, |
которые |
||||
могут |
быть промодулированы |
и |
вызвать |
дрейф |
нуля. |
Однако изменение сеточного тока лампы Л1 происходит
медленно, а постоянные времени С2 / ? 2 |
и С3 / ? 3 достаточно |
||
малы, благодаря |
чему |
дрейф нуля под |
действием сеточного |
тока не превышает уровня шумов. |
|
||
Усиленное напряжение поступает на |
демодулятор, выход |
||
которого через |
фильтр |
R 3, С8 связан |
с сеткой выходного |
каскада Л3. Часть выходного напряжения |
с делителя R l 3 -j- R is |
поступает как отрицательная обратная связь через С7 на нижнюю пластину динамического конденсатора.
Один раз в минуту срабатывает реле Р, переключая кон такты Рв, Рб и Рв в нижнее положение. При этом запоми нающий конденсатор С8 поддерживает на выходе напряжение, предшествующее моменту переключения, входной сигнал от ключается и усилитель (исключая выходной каскад) охваты вается через Ri глубокой отрицательной обратной связью (аналогично блок-схеме рис. 104).
Конденсатор С7 оказывается подключенным к выходу демо дулятора и заряжается до напряжения, соответствующего сдвигу нуля. После этого схема возвращается в исходное
9 Д , Е. П олгал :iron
2 4 2 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОЧУВСТВЙТ. УСИЛИТЕЛЕЙ [ г л . v (
положение, но сдвиг нуля, который мог иметь место, оказы вается практически скомпенсированным.
Входной контакт реле Р в выполнен отдельно с учетом всех снйжающих погрешность мер, которые были рассмотрены
выше, и |
механически связан с якорем стандартного реле |
типа РКН. |
Помимо входа 1— 2 и выхода 4—5, прибор имеет |
клемму 3, на которой повторяется входное напряжение. Под соединение экрана входного провода к этой клемме во много раз снижает входную постоянную времени.
Демодулятор, трансформатор и выходной трансформатор
генератора несущей частоты выполнены |
в виде одного блока |
со специальной системой экранировки, |
исключающей появле |
ние на выходе демодулятора паразитного напряжения относи тельно земли. Последнее весьма важно, так как при компен
сации дрейфа выход демодулятора непосредственно |
не за |
|||
землен и связан со входом усилителя. |
|
|
||
Макет |
прибора оформлен |
в виде |
одного блока |
вместе |
с источниками питания и имеет габариты 2 1 0 X 1 5 5 X 1 4 5 мм*. |
||||
Испытания макета показали, что его чувствительность |
||||
ограничена |
только тепловыми |
шумами |
входной цепи. Дрейф |
|
нуля в течение практически |
любого |
промежутка |
времени |
(наблюдения проводились в течение двух месяцев) не превы шает удвоенной величины уровня шумов при внутреннем
сопротивлении |
источника |
сигнала |
109 ом и даже 1010 ом. При |
/?в= 1 0 ,1 ои( |
и входной |
емкости |
30 пф теоретическая вели |
чина тепловых шумов составляет 12мкв. Экспериментально определенная среднеквадратичная величина шумов составляет \Ъ мкв. Таким образом, практически удалось достигнуть теоретического предела чувствительности. Погрешность изме
рения |
напряжения при внутреннем |
сопротивлении источника |
||
до 1 0 9 ом составляет |
не |
более ± |
0 ,1 % от измеряемой вели |
|
чины ± |
20 мкв. Сюда |
не |
включена погрешность показываю |
щего или записывающего прибора, включаемого на выходе.
Если |
использовать |
прибор |
класса |
0,1 |
со |
шкалой |
2 в, |
то |
||||
обеспечиваются |
следующие |
пределы |
измерений: |
|
|
|||||||
1 ) |
0 — |
2 мв |
с погрешностью ± |
1 % |
± 2 0 |
мкв) |
|
|
||||
2 ) |
0 — |
2 0 мв |
|
с погрешностью |
± |
0 ,2 %; |
|
|
|
|||
3) |
0 — |
2 0 0 мв |
с |
погрешностью |
± |
0 ,2 %. |
|
|
|
|||
Чувствительность по току пропорциональна сопротивле |
||||||||||||
нию |
R B, |
через |
|
которое пропускается |
измеряемый |
ток. |
При |
|||||
R B— 2 - \ 0 n oM |
удается |
обеспечить |
порог чувствительно |
§ 20] |
ПРИМЕНЕНИЕ ОБРАТНЫХ |
СВЯЗЕЙ |
2 4 3 |
||
сти |
по току |
около 10“1 7 а. При этом |
дрейф нуля определяет |
||
ся |
уже не изменением контактной э. |
д. |
с. внутри |
динами |
|
ческого конденсатора, а токами входного |
изолятора |
и иониза |
ционными токами, вызванными космическим излучением и радио активными загрязнениями. Величину дрейфа потоку удается сни
зить до 5-10- 1 7 а за 8 часов. С уменьшением R Bпропорционально |
|
уменьшается |
постоянная времени входной цепи (Гвх = R BCBX). |
При R B = i |
• 109 ом чувствительность потоку равна 5 • 10-1в а, |
а Твх — 0,1 сек. Погрешность при измерении тока в значи |
тельной мере определяется нестабильностью высокоомного
сопротивления |
R B, |
причем погрешность растет с увеличе |
|
нием R B. |
Благодаря |
высокой чувствительности построенного |
|
макета и стабильности его нуля требуемые величины R Bмного |
|||
меньше, |
чем |
при измерении такого же тока другими прибо |
рами, что значительно повышает точность измерения малых токов.
На примере рассмотренной схемы показана целесообраз ность автоматической компенсации дрейфа нуля в усилителе при измерении весьма малых токов и э. д. с. источников с большим внутренним сопротивлением.
9-
Г Л А В А V I I
УСИЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ
§ 21. Выбор схемы усилителя и ее элементов
Усилитель напряжения увеличивает напряжение после вход ного устройства до уровня, необходимого для управления выходным каскадом. Поскольку усилитель должен быть до статочно универсальным, г. е. работать в различных по чув ствительности измерительных схемах, необходимо иметь воз можность регулировать коэффициент усиления в широких пределах, причем для обеспечения оптимального переходного процесса величина коэффициента усиления должна устана вливаться достаточно точно. Максимальное выходное напря жение должно быть такой величины, при которой выходной каскад отдает максимальную мощность. К величине выход ного сопротивления обычно не предъявляются какие-либо требования, так как выходной каскад при работе в линейной области обладает весьма большим входным сопротивлением. Требования к входной цепи усилителя были рассмотрены в гл. IV—VI.
Если входное устройство не обладает достаточными изби рательными свойствами, они должны обеспечиваться усилите лем напряжения, причем, если помеха совпадает по частоте с сигналом, ее величина на выходе не должна превышать напряжения трогания. Если же помеха отличается по частоте от полезного сигнала, допустим ее уровень, в несколько раз превышающий напряжение трогания. Сказанное относится как к помехам, поступающим из входной цепи, так и к помехам, возникающим в самом усилителе.
К динамическим свойствам усилителя предъявляются различ ные требования в зависимости от параметров входной цепи. Если входное устройство безынерционно, допустимо, чтобы
§ 2IJ ВЫБОР СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ И ЕЕ ЭЛЕМЕНТОВ 2 4 5
усилитель обладал некоторой инерционностью относительно огибающей напряжения несущей частоты. В случае инерцион ного входного устройства усилитель напряжения желательно иметь практически безынерционным. В противном случае уве личивается порядок передаточной функции всего усилителя, что затрудняет обеспечение устойчивости и получение опти мального переходного процесса. Разумеется, последнее тре бование имеет значение главным образом в быстродействую щих автокомпенсаторах. Если время прохождения стрелкой всей шкалы больше 5 сек, требования к динамическим харак теристикам значительно уменьшаются.
Усилитель напряжения должен хорошо выдерживать пере грузки входным сигналом. При перегрузке не должно про исходить значительного фазового сдвига выходного напряжения, так как при этом не полностью загружается по мощности выходной каскад, что может вызвать уменьшение скорости вращения двигателя и быстродействия автокомпенсатора. После снятия перегрузки переходный процесс в усилителе должен заканчиваться возможно быстрее, желательно за несколько периодов несущей частоты. В противном случае может наблю даться характерное «подползаиие» стрелки прибора.
Вбыстродействующих автокомпенсаторах часто вводится дополнительная стабилизирующая обратная связь по скорости вращения балансирного двигателя. Для нее должен быть преду смотрен специальный вход.
Вотношении нелинейных искажений, как указывалось
выше, к усилителям автокомпенсаторов не предъявляются какие-либо требования, так как на выходе допустимо содер жание высших гармоник, равных или даже превышающих по амплитуде полезный сигнал.
Анодные цепи усилителя напряжения должны потреблять минимальный ток, что важно для облегчения фильтров выпря мителя (суммарная емкость конденсаторов фильтра пропорцио нальна потребляемому усилителем току).
Поскольку автоматические компенсаторы должны обеспе чивать работу в производственных условиях, необходимо преду
сматривать, |
чтобы усилитель допускал |
значительные измене |
|||
ния окружающей температуры (от 0 |
до |
-|- 50° С), |
питающего |
||
напряжения |
( ± 1 0 % ) |
и частоты сети |
(± 5 % ). |
|
|
Мы перечислили наиболее характерные требования к уси |
|||||
лителю напряжения, |
которые важны |
при выборе |
схемы и ее |
2 4 6 УСИЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ [ГЛ. VII
элементов. Помимо этого, к усилителю предъявляется ряд конструктивных требований, на которых здесь останавливаться не будем.
При разработке схемы усилителя напряжения в первую очередь должен решаться вопрос о выборе типа ламп и о числе усилительных каскадов. Для этого необходимо знать
требуемую |
величину |
максимального |
коэффициента |
усиления. |
|||
Коэффициент усиления |
усилителя напряжения |
определяется |
|||||
по формуле |
|
|
|
U, |
|
|
|
|
|
Ку.п |
|
|
(7.1) |
||
|
|
|
|
|
|||
где £/т.вых — напряжение |
трогания, |
приведенное |
ко входу |
||||
усилителя |
мощности, |
т. |
е. |
к выходу усилителя |
напряжения, |
£/т.вх — напряжение разбаланса на выходе измерительной схемы,
соответствующее |
требуемой точности |
(обычно |
0,05 ч - 0,1% |
|||
от всей |
шкалы |
прибора), |
— передаточный |
коэффициент |
||
входной |
цепи (до сетки |
первой |
лампы), а3 — коэффициент |
|||
запаса, в |
большинстве случаев равный |
1,5 ч - 2 . |
|
|||
При выборе типа ламп следует стремиться обеспечить |
||||||
требуемый коэффициент усиления |
с меньшим числом колб и |
усилительных каскадов. С этой точки зрения предпочтение следует отдать двойным пентодам, триод-пентодам (напри мер, 6Ф1П) и двойным триодам с высоким коэффициентом
усиления (6Н9С, 6Н2П, 6Н17Б |
и т. п.). При выборе лампы |
||||||
первого каскада высокочувствительных усилителей (7/т ^ .1 |
мв |
||||||
при |
7?В1 ЗгЮ 1 ом, или |
7/т =^ 1 0 |
мкв при R BX^ z |
1 0 8 ом) |
сле |
||
дует |
учитывать |
уровень |
шумов |
лампы, сеточные |
токи, вход |
||
ную |
емкость, |
руководствуясь |
требованиями, |
приведенными |
|||
в гл. IV, V и VI. Кроме того, необходимо принимать во вни |
|||||||
мание экономичность лампы (главным образом |
цепи накала), |
||||||
срок службы, габариты. |
|
|
|
|
|
||
Сделав предварительный выбор типа лампы, |
|
можно опре |
делить число усилительных каскадов, которое находится делением (с округлением в большую сторону) требуемого Ky.w на коэффициент усиления одного каскада. (Ожидаемая вели чина усиления одного каскада предварительно рассчитывается.) В случае использования двойных ламп желательно иметь чет ное число каскадов, иначе полколбы остается неиспользован ной. Если предварительная оценка дает нечетное число каска дов, следует повторить расчет с лампой другого типа. Напри
§ 2 'l f |
ВЫБОР СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ И ЕЕ ЭЛЕМЕНТОВ |
2 4 7 |
||
мер;, |
почти всегда три каскада |
на триодах |
можно |
заменить |
двумя |
каскадами на пентодах. |
При равном |
числе |
каскадов |
(и колб) выгоднее использовать триоды, которые требуют меньшего числа деталей на один каскад. В высокочувстви тельных усилителях, когда по требованиям входного устрой ства в первом каскаде необходим пентод, часто бывает целе сообразно сочетание одинарного пентода и двойного триода.
Остановившись на определенном типе лампы, можно при ступить к выбору режима работы каскадов и отдельных эле ментов схемы.
В усилителях автокомпенсаторов, как правило, применяется емкостная связь между каскадами, что объясняется ее про стотой и возможностью строить каскады с малым потреблением анодного тока. Применение емкостной связи в значительной мере определяет структуру всей схемы. При построении каскада подлежат выбору — тип смещения на управляющей сетке, режим работы лампы (Ua, Ugfj), величина анодного сопротивления (/?„), сопротивления утечки (R gl) и емкости разделительного конденсатора (С„0 (рис. 106).
Выбор режима работы лампы целесообразно производить из несколько других соображений, чем это делается в обыч
ных |
усилителях низкой частоты. Обычно |
режим выбирается |
|
так, |
чтобы обеспечить низкий |
уровень нелинейных искажений |
|
и соответствующую полосу |
пропускания |
(известно, что при |
очень малых анодных токах резко возрастает выходное сопро тивление каскада, определяющее пропускание высших частот). В усилителе автокомпенсатора нелинейные искажения прак тически не имеют значения, так как усилитель работает на двигатель, который реагирует только на первую гармонику. Пропускание высших частот оказывается даже вредно и часто приходится искусственно уменьшать полосу вплоть до 50 гц. При выборе режимов в усилителях автокомпенсаторов целе сообразно стремиться получить максимальное усиление на каскад и минимальное потребление анодного тока. Уменьше ние анодного тока позволяет значительно увеличить сопро тивление развязывающего фильтра (/?ф) и тем самым умень шить емкость (Сф) конденсатора фильтра, не изменяя коэф фициента фильтрации. Заметим, что конденсаторы развязы вающих фильтров занимают значительную часть объема, поэтому их уменьшение позволяет существенно сократить габариты всего усилителя.