Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Метрология и измерения в телекоммуникационных системах. Учебное пособие
.pdf
4. Электростатический прибор
2
2
1
,
22
e
CU C
WU
ma
+
–
Малое собственное потребление мощности; возможность измерять в широком диапазоне частот; возможность
измерять большие напряжения
Зависимость входной ёмкости от
напряжения; малая чувствительность;
неравномерность шкалы
2
д
12
R
K
RR
п1
п1 п2
C
K
CC
ЭП Д ЭП
C
п1
C
п2
R
1
R2U
вых
U
вх
Основан на взаимодействии заряженных проводников.
.
Входное устройство (1)
Входное устройство должно обеспечивать определенные (переключаемые)
коэффициенты деления измеряемого напряжения, высокое входное активное сопротивление и малое реактивное. Структурная схема входного устройства представлена на рис. 29: ЭП – эмиттерный повторитель, обеспечивает высокое активное входное сопротивление; Д – делитель, обеспечивает Kд (коэффициент деления) – в заданном диапазоне частот.
Рисунок 29 - Схема входного устройства
Для низкочастотного делителя (рис. 30) коэффициент деления равен:
на низких частотах –
;
при измерениях на высоких частотах начинают сказываться паразитные ём-
кости –
.
Рисунок 30 - Низкочастотный делитель напряжения
41
1
д
12
С
K
СС
( )
р р изм
вх 1 2
1
,
2 C L L
C
1
C
2
U
вых
U
вх
C
1
C
2
R
1
R2U
вых
U
вх
L
1
L
2
R
1
R
2
R
вх
C
вх
Для высокочастотного делителя (рис. 31) коэффициент деления равен
.
Рисунок 31 - Высокочастотный делитель напряжения
Для широкодиапазонного делителя (рис. 32) τi = RiCi = const, R1C1 = R2C2.
Рисунок 32 - Широкодиапазонный делитель напряжения
Входное устройство во многом определяет частотную погрешность. Эквивалентная схема представлена на рис. 33.
Рисунок 33 - Эквивалентная схема входного устройства
Для повышения резонансной, а значит, и высшей частоты измеряемого
напряжения необходимо уменьшать длину соединительных проводов, применять
специальные конструктивные меры. Поэтому на СВЧ измеряют мощность.
.
42
Усилитель постоянного тока (УПТ) (4)
М УС Д
Г
ФНЧ
U
нч
U
нч
Усилитель постоянного тока усиливает в вольтметре сигнал до значения,
необходимого для эффективной работы электромеханического преобразователя, и
согласует его малое входное сопротивление с выходным сопротивлением детектора. Полоса пропускания УПТ начинается с нулевой частоты и до высших частот
спектра усиливаемого сигнала, при этом необходимо обеспечить постоянство коэффициента усиления. Главной трудностью при построении УПТ является так
называемый «дрейф нуля» – медленные изменения выходного сигнала, при отсутствии на входе информационного сигнала, обусловленные наличием гальванической связи между каскадами и большого коэффициента усиления. Внешние факторы могут изменять начальные условия работы любого активного элемента схемы. Меры борьбы с этим недостатком – основная особенность УПТ.
По способу построения различают усилители с преобразованием и без преобразования спектра сигнала.
Для уменьшения дрейфа нуля используют:
- усилители без преобразования спектра строят по схеме с непосредствен-
ной (гальванической) связью между каскадами. Отсутствие реактивных элементов
в цепях связи позволяет усиливать сигналы постоянного тока. Уменьшение дрейфа нуля достигается, как правило, использованием дифференциальных каскадов,
выполненных в интегральном исполнении;
- усиление с преобразованием (рис. 34). Принцип работы основан на том,
что входной сигнал модулирует напряжение вспомогательного генератора, модулированный сигнал усиливается усилителем переменного тока и затем демодулируется. После фильтра нижних частот сигнал поступает на электромеханический
преобразователь. Такие усилители существенно уменьшают значение дрейфа нуля, могут обладать большим коэффициентом усиления, а недостатком является
ограничение полосы пропускания усилителя сверху.
Рисунок 34 - Схема усиления с преобразованием
Усилитель напряжения переменного тока (УНПТ) (2)
УНПТ является усилителем верхних частот (ВЧ). Требование к усилителю
ВЧ – коэффициент передачи должен быть постоянным во всем диапазоне частот и
должен быть известен: K(ω) = const. Обычно УНПТ – это усилители ВЧ, охваченные глубокой отрицательной обратной связью, которая обеспечивает устойчивость работы усилителя.
43
В специальных усилителях с высокой избирательностью полоса усиливае-
ФВЧ УС
ВУ ПУ СМ
1
ФПЧ УПЧ
1
СМ
2
УПЧ
2
ПР
Г
2
Г
1
мых частот может перестраиваться по диапазону. Вольтметр с таким усилителем
называется селективным (избирательным) (рис. 35, 36).
Рисунок 35 - Схема усилителя с высокой избирательностью
Рисунок 36 - Частотная избирательность селективного вольтметра
Для построения усилителя, избирательного в широком диапазоне частот,
используется супергетеродинный принцип (рис. 37): ВУ – входное устройство;
ПУ – предварительный усилитель; СМ
ФПЧ – фильтр промежуточной частоты; УПЧ
тель промежуточной частоты; ПР – прибор; Г
, СМ
1
– первый и второй смеситель частот;
2
, УПЧ
1
, Г
– первый и второй гетеродин.
1
2
– первый и второй усили-
2
Рисунок 37 - Супергетеродин с двойным преобразованием частоты
Высокая чувствительность и избирательность в этом случае достигаются понижением частоты в результате преобразования. Избирательность с понижением
частоты возрастает, поскольку зависит от величины относительной расстройки
∆f/f0.
Входной высокочастотный сигнал после фильтрации поступает на первый
смеситель, представляющий собой нелинейный элемент, где под действием
напряжения первого гетеродина (генератора вспомогательных колебаний) с частотой fГ1 происходит процесс преобразования входного сигнала. Частота, в которую преобразуется несущая частота принимаемого сигнала, называется промежуточной. Частота колебаний fГ1 гетеродинного напряжения определяется настройкой контура гетеродина, который перестраивается под действием модулятора.
44
На выходе смесителя получается напряжение, состоящее из гармоник
fС fГ1 fЗК
f
fПЧ1fГ2
fПЧ2
ФПЧ
A
входных сигналов nfС и mfГ1, а также комбинационные частоты вида |nfС ± mfГ1|,
где n, m = 1, 2, 3.... При этом в супергетеродинном приёмнике с двойным
преобразованием выделяют первую гармонику комбинационных составляющих:
n = m = 1, т.е. f
= | fГ1 – fС|.
ПЧ1
Преобразование частоты обуславливает особенности супергетеродинного
приёмника, которые проявляются, прежде всего, в образовании побочных каналов
приёма. Наибольшую опасность нормальному приёму представляет зеркальный
канал. Зеркальный канал – это такой канал приёма сигналов, который отличается
по частоте от частоты полезного сигнала на удвоенное значение промежуточной
частоты.
При наличии на входе полезного сигнала fС и зеркального канала
fЗК = fС + 2f
в сигнал с промежуточной частотой f
, и попадая на вход смесителя, сигнал с частотой fЗК преобразуется
ПЧ1
= fЗК – fГ1, так же, как и полезный сигнал.
ПЧ1
В этом случае устройство будет одновременно принимать оба сигнала:
fС – полезный сигнал и fЗК – помеха, расположенных симметрично (зеркально)
относительно частоты гетеродина.
Для решения этой проблемы делают следующее. Первую промежуточную
частоту выбирают значительно выше второй: f
кального канала fЗК = fС + 2f
имеет высокое значение и эффективно подавляется
ПЧ1
ПЧ1
>> f
. При этом частота зер-
ПЧ2
полосовым фильтром в предварительном усилителе.
Таким образом, в супергетеродинном приёмнике с двойным преобразованием частоты избирательность по первому зеркальному каналу обеспечивается полосовым фильтром, а избирательность по соседним каналам обеспечивает УПЧ
2
с
кварцевым фильтром в качестве нагрузки (рис. 38).
Рисунок 38 - Спектр сигналов при двойном преобразовании частоты
Таким образом: f
f
= fЗК – fГ1 – частота с паразитным сигналом. При этом, предварительный уси-
ПЧ1
литель необходим для исключения влияния зеркального канала. f
= fГ1 – fС – частота с полезным сигналом;
ПЧ1
– достаточно
ПЧ1
велика, чтобы обеспечить выполнение условия ослабления влияния зеркального
канала (проще фильтр во входной цепи). f
сти, определяющее полосу избирательности. f
– условие повышения избирательно-
ПЧ2
С(max)
– f
С(min)
= f
Г1(max)
– f
Г1(min)
– диа-
пазон перестройки первого гетеродина определяет диапазон измеряемых частот.
45
Преобразователь (детектор) (3)
( )
м
max
T
U U t
а)
б)
U(t)
t
УПТ
+
–
R
i
i
з
i
р
C
R
U(t)
t
U
C
U
м
Преобразователь определяет название вольтметра.
1. Пиковый детектор
.
Рисунок 39 - Определение пикового значения сигнала в различные
интервалы времени
Отличительной особенностью амплитудного (пикового) детектора (рис. 39)
является наличие элемента памяти, в качестве которого используется конденсатор, «запоминающий» пиковое значение. Существуют две схемы пикового детектора: для открытого (рис. 40) и закрытого входов (рис. 41).
а) Детектор с открытым входом.
Рисунок 40 - а) схема пикового детектора с открытым входом;
б) изменение напряжений в схеме детектора с открытым входом
Положительная полуволна синусоидального сигнала вызывает ток через
диод. Далее ток разветвляется на два направления – через конденсатор и через
резистор R и УПТ. Конденсатор С заряжается. Постоянная времени заряда:
τ
= (R
з
+ Ri)C, где Ri – сопротивление предыдущего каскада; R
пр.д.
– сопротив-
пр.д.
ление открытого диода.
Если постоянная времени τз мала, то диод будет закрыт напряжением быстро зарядившегося конденсатора, и это напряжение подается на последующий каскад (УПТ). Конденсатор постепенно разряжается через резистор с постоянной
времени τ
= CR; τр >> τ
р
. Диод открывается только после того, как измеряемое
з
напряжение станет больше напряжения на конденсаторе и снова подзарядит конденсатор С.
46
б) Детектор с закрытым входом.
а)
б)
в)
ФНЧ
+ –
R
i
i
з
i
р
C
R
УПТ
–+
R
U
вх
U(t)
U
C
U
м
–U
м
U
ср
Рисунок 41 - а) схема пикового детектора с закрытым входом;
б) эквивалентная схема; в) изменение напряжений на нагрузке
Постоянная времени заряда: τз = (R
τ
= RC. При подаче на вход напряжения положительной полярности конденсатор
р
+ Ri)C, а постоянная времени разряда
пр.д.
С зарядится до максимального значения этого напряжения, диод будет закрыт, и
на резисторе R будет напряжение: UR = U
вх(t)
– Uc.
UR = Uм·sin(ωt) – Uc, Uc ≈ Uм ⇒ UR = 2Uм ÷ 0.
Выделяя постоянную составляющую фильтром нижних частот (ФНЧ),
получаем: UR = Uм – амплитудное значение. Для выполнения требования τр >> τз:
1) для уменьшения τз сначала надо уменьшить R
, т.е. последний каскад преды-
i
дущего блока выполняется в виде эмиттерного повторителя, у которого Ri мало;
2) надо уменьшить R
, особенность диодов не позволяет получить R
пр.д.
пр.д.
= 0.
Таким образом, в пиковом детекторе ёмкость С выбирается из компромисс-
ных соображений, т.е. τ
не будет маленькое и τр не будет большое.
з
Рассмотренные схемы преобразователей используются только в вольтметрах
невысокого класса точности.
В точных вольтметрах используются автокомпенсационные схемы (рис. 42, 43).
В случае закрытого входа (рис. 42) положительный импульс заряжает кон-
денсатор С через диод D1 и резистор R. Падение напряжения на R приложено к
входу инвертирующего усилителя, выходным напряжением которого через диод
D2 дополнительно заряжается конденсатор С, до тех пор пока напряжение на нём
не станет равным амплитуде измеряемого напряжения Uвх, причём разность между ними будет тем меньше, чем больше коэффициент усиления усилителя.
Напряжение U
снимается с сопротивления Rн.
вых
47
ср.вып.
0
1
()
T
U U t dt
T
+ –
R
i
C
R
U
вх
D
1
D
2
R
н
U
вых
+
–
R
i
C
1
R
U
вх
D
1
D
2
U
вых
C
2
+
–
R
д
U
вх
C
D
1
D
3
D
4
D
2
Рисунок 42 - Автокомпенсационная схема вольтметра с закрытым входом
При открытом входе (рис. 43) входной импульс положительной полярности,
амплитуду которого измеряют, через диод D1 заряжает конденсатор С1 (рис. 43).
После заряда С
до амплитудного значения измеряемого напряжения Uвх диод D1
1
закрывается, и накопленный на С1 заряд перераспределяется между конденсаторами С
и С2 (С2 >> С
1
). Ток разряда конденсатора С
1
проходит через R1, создает
1
на нём падение напряжения (форма этого напряжения экспоненциальный импульс). Это напряжение приложено к входу инвертирующего усилителя, и его выходной сигнал подзаряжает С
до тех пор, пока напряжения на С1 и С2 не станут
2
равными амплитуде измеряемого напряжения Uвх. Установившееся на С2 напряжение измеряется вольтметром постоянного напряжения.
Рисунок 43 - Автокомпенсационная схема вольтметра с открытым входом
2. Преобразователи средневыпрямленных значений
Преобразователь средневыпрямленных значений (рис. 44) должен выполнять операцию нахождения модуля измеряемого сигнала с последующим инте-
грированием в соответствии с определением:
.
Рисунок 44 - Преобразователь средневыпрямленных значений
48
Задачу выпрямления |U(t)| выполняет мостовая схема. Вольт-амперная ха-
пр вх д
i U R
вх вх
пр обр
пр.д д обр.д д
,
22
UU
ii
R R R R
2
0
1
()
T
U U t dt
T
2 2 2
00
11
( ) ( ) ( ) ( )
TT
U t U t U t dt U t dt
TT
I
U
рактеристика диода (рис. 45), а значит и R
– нелинейные. Для линеаризации
пр.д.
рассматриваемого преобразователя сопротивление Rд >> 2R
. В силу того, что для положительного и отрицательного полупериода,
нагрузкой будет одно и то же сопротивление R
ния линейности выбирается Rд >> 2R
, характеристика выпрямителя будет ли-
пр.д
, величина которого для обеспече-
д
нейной и симметричной.
Рисунок 45 - Вольт-амперная характеристика диода
.
3. Преобразователь среднеквадратических значений
, и, следовательно:
пр.д.
Из выражения
следует, что измерение среднеквадратиче-
ского значения напряжения связано с выполнением трёх операций: возведения
напряжения переменного тока в квадрат, усреднения и извлечения квадратного
корня из результата усреднения. Следовательно, алгоритм формирования среднеквадратического значения U напряжения U(t) можно записать так:
.
Из изложенного следует, что преобразователь должен обладать квадратичной характеристикой преобразования и поэтому его называют квадратичным.
Если в выходную цепь квадратичного преобразователя включить ФНЧ и
магнитоэлектрический стрелочный прибор (микроамперметр), то последний будет
измерять постоянную составляющую (среднее значение) выходного напряжения
или напряжения преобразователя, которая пропорциональна квадрату среднеквадратического значения напряжения на выходе преобразователя. Операция извлечения квадратного корня выполняется при градуировке шкалы вольтметра.
Для квадрирования используются следующие схемы:
а) термопреобразователь
Используют термопару – спай двух металлов, которые отличаются разной
работой выхода электронов. Если одной термопары недостаточно, включают несколько (рис. 46).
49
а)
б)
Рисунок 46 - а) термопара; б) включение нескольких термопар
22
тэдс
00
11
( ) ( ) ,
TT
U k i t dt k U t dt U iR
TT
д0
()Ut
i
RR
i
R
EE
RR
а)
б)
в)
i(t)
– +
U
вых
U
вх
E
2
E
1
E
3
R'
U
вх
R
E
D
I
вых
U
вх
E
i
i
.
В реальных приборах напряжение термоЭДС обычно усиливается усилителем нижних частот, используются различные схемы коррекции.
Недостатки схемы: система очень инерционна, непериодические последовательности импульсов измерять нельзя;
б) использование аппроксимации
В современных квадратичных вольтметрах распространены преобразователи, выполняемые по схеме диодной цепочки. Такая цепочка подобна диодному
блоку нелинейной функции одной переменной аналоговых вычислительных
машин. Она позволяет получить квадратичную характеристику в результате
кусочно-гладкой аппроксимации параболической кривой. Диодная цепочка
содержит много диодных элементов. Каждый элемент состоит из диода и
делителя напряжения на двух резисторах – рис. 47б. Для получения такой
аппроксимации необходимо иметь элементы, у которых характеристики линейны;
их наклоном можно управлять; характеристика начинается с определенного
значения Ei – рис. 47а, в.
Свойства звена:
1) если R >> Rд0, то характеристика линейна:
;
2) линейные соотношения R и R' могут создать различные Ei:
3) угол наклона определяется сопротивлением R': чем оно больше, тем
характеристика идет ниже.
Рисунок 47 - а) передаточная характеристика; б) диодный элемент цепочки;
в) вольт-амперная характеристика
;
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]