40. Детекторы среднеквадратического значения

Среднеквадратическое значение является мерой, часто применяемой в ка­честве характеристики переменных сигналов. Среднеквадратическое значение - это квадратный корень из среднего значения квадрата величины. Возведение в квадрат и извлечение корня можно осуществить с помощью схемы, содержащей диоды и резисторы, которую называют функциональным преобразователем. Такая схема способна реализовать нелинейное преобразо­вание входного напряжения V_i. Выходной сигнал V₀ может быть произволь­ной монотонной функцией V_i. Пример одной из таких диодно-резисторных схем приведен на рис. 4.12.

а) б)

Рис. 4.12. Формирование квадрата входного напряжения V_i с помощью функционального преобразователя

Схемы такого типа часто применяются для кор­рекции нелинейных датчиков.

В предположении, что коэффициент усиления А₀ достаточно велик, инвертирующий вход усилителя будет действовать как «кажущееся заземле­ние»; входное сопротивление практически равно нулю. Входное напряжение V_i проходит через несколько параллельных ветвей аттенюаторов, образован­ных резисторами R_aj и R_bj (в j-й ветви). Как только выходное напряжение одного или более аттенюаторов превосходит величину 0 вольт, в цепи инвертирующего входа усилителя потечет ток I. Эта ситуация соответствует случаю, когда V_i > V_refR_aj/R_bj. Если обозначить пороговое напряжение, при котором j-й аттенюатор начинает выдавать ток во входную цепь усилителя, через V_j то: V_j = V_refR_aj/R_bj. Когда проводят первые k диодов, полный ток I, текущий через виртуальное заземление, равен

Поскольку ток I может течь только по резистору обратной связи R, вы­ходное напряжение равно

Если правильно выбрать значения V_j и R_aj, то зависимость выходного напряжения V₀ от V_i будет приблизительно квадратичной (см. рис. 4.12, б). Положение каждой точки излома между подинтервалами функции V₀ = f(V_i) зависит от сопротивлений резисторов R_aj и R_bj, а также от величины опорно­го напряжения V_ref. Так как диоды начинают проводить постепенно, связь между V₀ и V_i не будет иметь изломов, а окажется слегка сглаженной. Можно также построить функциональный преобразователь для отрицательных на­пряжений и даже для немонотонных функций.

Другой метод измерения среднеквадратического значения сигнала со­стоит в определении количества рассеиваемого тепла. Этот метод использу­ется в термовольтметре (рис. 4.13.), где входной ток течет по нити накала, нагревая ее. Выделенное тепло служит непосредственной мерой среднеквадратического значения тока. Температура нити накала измеряется термопарой. Чтобы га­рантировать хороший тепловой контакт, термопара прикрепляется к нити накала с помощью небольшой стеклянной бусинки, которая, кроме того, обеспечивает электрическую изоляцию между нитью и термопарой. Эта кон­струкция герметизируется в стеклянном вакуумном баллоне сферической формы, чтобы предотвратить потери тепла из-за конвекции. Поэтому темпе­ратура нити накала может уменьшаться только из-за теплопроводности и излучения. Чтобы минимизировать влияние окружающей среды, температу­ру нити накала делают высокой. Однако это сказывается на прочности тер­моспая по отношению к перегрузкам. Кроме того, такой термоспай имеет исключительно малый кпд (малым является отношение выходной мощнос­ти к входной) - около 0,1 %. Кроме того, он медленно реагирует на измене­ние измеряемой величины (1 - 2 секунды). Чувствительность термоспая можно легко откалибровать по точно известному постоянному току.

Термоспай можно применять до частот порядка 60 МГц. При более высо­ких частотах на работу будут влиять различные паразитные эффекты (такие, как индуктивность резистивной нити накала, емкость между нитью накала и термопарой и т.д.). Погрешность в пределах частотного диапазона от 10 Гц до 60 МГц составляет менее 1 %, а в частотном диапазоне от 30 Гц до 10 МГц она может быть даже меньше, чем 0,1 %.

Рис. 4.13. Термоспай

В настоящее время термоспаи заменяют твердотельными интегральными схемами. Они состоят из дифференциального усилителя и пары резисторов. По одному из резис­торов течет ток I_f, в то время как по другому течет измеряемый ток высокой частоты I_RMS. Любое неравенство температур резисторов вызовет появление напряжения смещения в дифференциальном усилителе.