Uch_posobie_MiR (typo vsya zachita)

Для высокочастотного делителя (рис. 31) коэффициент деления равен –

Kд С1 С1 С2 .

C1

Uвх

Рис. 31. Высокочастотный делитель напряжения

Для широкодиапазонного делителя (рис. 32) – τi = RiCi = const, R1C1 = R2C2.

Uвх

Рис. 32. Широкодиапазонный делитель напряжения Входное устройство во многом определяет частотную погрешность. Эквива-

лентная схема представлена на рис. 33.

L1 R1

L2

R2

Рис. 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.

41

Усилитель постоянного тока (УПТ) (4).

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:

1.Усилители без преобразования спектра строят по схеме с непосредственной (гальванической) связью между каскадами. Отсутствие реактивных элементов

вцепях связи позволяет усиливать сигналы постоянного тока. Уменьшение дрейфа нуля достигается, как правило, использованием дифференциальных каскадов, выполненных в интегральном исполнении.

2.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.

Г

Рис. 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

42

должен быть известен: K(ω) = const. Обычно УНПТ – это усилители ВЧ, охваченные глубокой отрицательной обратной связью, которая обеспечивает устойчивость работы усилителя.

В специальных усилителях с высокой избирательностью полоса усиливаемых частот может перестраиваться по диапазону. Вольтметр с таким усилителем называется селективным (избирательным) – рис. 35, 36.

ФВЧ УС

Рис. 35. Схема усилителя с высокой избирательностью

Рис. 36. Частотная избирательность селективного вольтметра Для построения усилителя избирательного в широком диапазоне частот ис-

пользуется супергетеродинный принцип (рис. 37): ВУ – входное устройство; ПУ – предварительный усилитель; СМ1, СМ2 – первый и второй смеситель частот; ФПЧ

– фильтр промежуточной частоты; УПЧ1, УПЧ2 – первый и второй усилитель промежуточной частоты; ПР – прибор; Г1, Г2 – первый и второй гетеродин.

Рис. 37. Супергетеродин с двойным преобразованием частоты Высокая чувствительность и избирательность в этом случае достигаются по-

нижением 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 преоб-

43

разуется несущая частота принимаемого сигнала, называется промежуточной. Частота колебаний fГ1 гетеродинного напряжения определяется настройкой контура гетеродина, который перестраивается под действием модулятора.

На выходе смесителя получается напряжение, состоящее из гармоник 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. fПЧ1 = |fГ1 – fС|.

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 + 2fПЧ1 и, попадая на вход смесителя, сигнал с частотой fЗК преобразуется в сигнал с промежуточной частотой fПЧ1 = fЗК – fГ1, также, как и полезный сигнал. 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: fПЧ1 >> fПЧ2. При этом частота зеркального канала fЗК = fС + 2fПЧ1 имеет высокое значение и эффективно подавляется 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 УПЧ2 с кварцевым фильтром в качестве нагрузки (рис. 38).

A

ФПЧ

f

Рис. 38. Спектр сигналов при двойном преобразовании частоты

Таким образом: fПЧ1 = fГ1 – fС – частота с полезным сигналом; fПЧ1 = fЗК – fГ1 – частота с паразитным сигналом. При этом, предварительный усилитель необходим

44

для исключения влияния зеркального канала. fПЧ1 – достаточно велика, чтобы обеспечить выполнение условия ослабления влияния зеркального канала (проще фильтр во входной цепи). fПЧ2 – условие повышения избирательности и определяет полосу избирательности. fС(max) – fС(min) = fГ1(max) – fГ1(min) – диапазон перестройки первого гетеродина определяет диапазон измеряемых частот.

Преобразователь (детектор) (3).

Преобразователь определяет название вольтметра.

1. Пиковый детектор.

Uм max U (t ) .

T

U(t)

t

Рис. 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 входа (рис. 41).

а) Детектор с открытым входом.

а) б)

Рис. 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: τз = (Rпр.д. + Ri)C, где Ri – сопротивление предыдущего каскада; Rпр.д. – сопротивление открытого диода.

Если постоянная времени τз мала, то диод будет закрыт напряжением быстро зарядившегося конденсатора и это напряжение подается на последующий каскад

45

станет равным амплитуде измеряемого напряжения Uвх, причём разность между ними будет тем меньше, чем больше коэффициент усиления усилителя. Напряжение Uвых снимается с сопротивления Rн.

Рис. 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 С1 до амплитудного значения измеряемого напряжения Uвх диод D1 закрывается и накопленный на С1 заряд перераспределяется между конденсаторами С1 и С2 (С2 >> С1), и ток разряда конденсатора С1 проходит через R1 создает на нём падение напряжения (форма этого напряжения экспоненциальный импульс). Это напряжение приложено к входу инвертирующего усилителя, и его выходной сигнал подзаряжает С2 до тех пор, пока напряжение на С1 и С2 не станут равными амплитуде измеряемого напряжения Uвх. Установившееся на С2 напряжение измеряется вольтметром постоянного напряжения.

Рис. 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 интегрирова-

нием в соответствии с определением: Uср.вып. 1 T U (t) dt .

T 0

47

D3 D4 Rд

C

Рис. 44. Преобразователь средневыпрямленных значений

Задачу выпрямления |U(t)| – выполняет мостовая схема. Вольт-амперная характеристика диода (рис. 45), а значит и Rпр.д. – нелинейные. Для линеаризации рассматриваемого преобразователя сопротивление Rд >> 2Rпр.д., и, следовательно: iпр Uвх Rд . В силу того, что для положительного и отрицательного полупериода,

нагрузкой будет одно и тоже сопротивление Rд, величина которого для обеспечения линейности выбирается Rд >> 2Rпр.д характеристика выпрямителя будет линейной и симметричной.

I

U

Рис. 45. Вольт-амперная характеристика диода

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

48

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 2-х металлов, которые отличаются разной работой выхода электронов. Если одной термопары недостаточно включают несколько (рис. 46).

–+

i(t)

а) б)

Рис. 46. (а) – Термопара; (б) – включение нескольких термопар

Вреальных 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.

Всовременных 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 кусочногладкой аппроксимации параболической кривой. Диодная цепочка содержит много диодных элементов. Каждый элемент состоит из диода и делителя напряжения на двух резисторах – рис. 47(б). Для получения такой аппроксимации необходимо иметь элементы, у которых характеристики линейны; их наклоном можно управлять; характеристика начинается с определенного значения Ei – рис. 47(а), (в).

Свойства звена:

3) Угол наклона определяется сопротивлением R', чем оно больше, тем характеристика идет ниже.

49

Рис. 47. (а) – Передаточная характеристика; (б) – диодный элемент цепочки; (в) – вольт-амперная характеристика

Схема квадратичного вольтметра типа «диодная цепочка».

C

Рис. 48. Схема диодной цепочки Диодные элементы соединяются последовательно. При этом сопротивления

резисторов делителей напряжения, подключаемых к диодам, рассчитаны так, чтобы на каждый последующий диод подавалось смещение большей величины, чем на предыдущий. Способ удобно воплощать на диодах, собранных в одном корпусе микросхемы. Для измерения несимметричных напряжений, на входе цепочки стоит схема линейного двухполупериодного детектора-выпрямителя.

Достоинства схемы: малая инерция; возможность получать более сложные характеристики преобразования; стабильность характеристики за счёт того, что она создается параметрами резисторов и не зависит от параметров диодов цепочки –

50