Преобразователи амплитудного значения

Аналоговые электронные измерительные приборы.

 

Все электронные приборы, в зависимости от характера измерений, разделяются на 20 групп, которые обозначают буквами русского алфавита, например, группа В – вольтметры, Г – измерительные генераторы, Ч – частотомеры, С – приборы для измерения формы и спектра сигнала, Е – приборы для измерения параметров цепей. Каждая группа в свою очередь делится на подгруппы. Например: В2 – вольтметры постоянного тока, В3 – вольтметры переменного тока, В4 – импульсные вольт метры, В7 – универсальные вольтметры.

В состав аналоговых измерительных приборов входят различные измерительные преобразователи и усилители. В качестве выходных устройств используются магнитоэлектрические измерительные механизмы или электронно-лучевые трубки.

 

Электронные вольтметры.

 

Электронные вольтметры составляют наиболее обширную группу электронных приборов. Их назначение – измерение напряжения (постоянного, переменного, импульсного). Кроме того, они входят в состав других электронных измерительных устройств. В состав вольтметров входят усилители постоянного или переменного напряжения и преобразователи переменного напряжения в постоянное и постоянного в переменное.

Электронные амперметры строятся на основе электронных вольтметров, измеряющих падение напряжения на образцовом резисторе.

 

Усилители напряжения.

 

Усилители напряжения существенно влияют на метрологические характеристики вольтметра: чувствительность, диапазон частот, погрешность. Могут использоваться усилители постоянного и переменного напряжения, отличающиеся амплитудно-частотной характеристикой – рис.8.1:

K К_ном ∆К K Δ K К_ном

 

 

0 f_k f 0 f_н f_в f

а) б)

Рис. 8.1. Амплитудно-частотные характеристики усилителей:

а) постоянного напряжения; б) переменного напряжения.

 

Частотные возможности усилителей характеризуются полосой пропускания, ограниченной нижней f_н и верхней f_в граничными частотами, при которых уменьшение коэффициента усиления по сравнению с номинальным значением не превышает заданного значения ΔК, например, ΔК/К_н=5%. Завал амплитудно-частотной характеристики на нижних (для усилителей переменного напряжения) и верхних частотах определяется схемой усилителя и свойствами используемых активных элементов – ламп или транзисторов.

 

Второй важной характеристикой усилителя является амплитуднаяхарактеристика, показывающая связь между входным и выходным напряжением. При достаточно больших входных сигналах амплитудная характеристика реальных усилителей может отличаться от линейной – рис. 8.2.

U_вых, В

 

 

0 U_вх, В

Рис. 8.2. Амплитудная характеристика усилителя.

 

Все усилители постоянного и переменного напряжения характеризуются определённым уровнем собственных шумов. Шумомусилителя называется быстрое произвольное изменение выходного сигнала, вызванное внутренними причинами - рис.8.3.

U_вых

 

 

 

0 t

Рис. 8.3. Шум выходного сопротивления усилителя.

 

Шум усилителя ограничивает его максимальную чувствительность. Уменьшить шум можно за счёт использования активных специальных малошумящих и пассивных элементов схемы. Как правило, амплитуда шума значительно меньше цены деления вольтметра на самой чувствительной шкале.

Для усилителей постоянного напряжения характерна нестабильность, проявляющаяся в медленном самопроизвольном изменении нулевого уровня выходного напряжения – так называемый дрейф нуля – рис. 8.4.

U_вых

 

 

0 t

Рис. 8.4. Дрейф нуля усилителя.

Причинами дрейфа нуля являются: изменение напряжения питания усилителя, колебания температуры среды, изменение параметров деталей (старение). В усилителях постоянного напряжения, каскады которого могут усиливать дрейф нуля предыдущего каскада, дрейф нуля всего усилителя может достигать значительных величин. Дрейф нуля принято приводить ко входу усилителя, чтобы установить нулевое значение выходного напряжения.

В зависимости от подавления дрейфа нуля усилители постоянного тока в электронных вольтметрах могут строиться по одной из трёх схем: усилители с непосредственной связью, усилители типа МДМ (модуляция-демодуляция) и усилители на основе магнитоэлектрических гальванометров с фото преобразователями.

Усилители с непосредственной связью между каскадами усиления строятся на базе полупроводниковых транзисторов или электронных ламп. Каскады усилителя гальванически связаны между собой, поэтому временный и температурный дрейф нуля может быть достаточно велик: до 100мВ/час и 100мкВ/^оС. Такие усилители используются для усиления больших входных сигналов при невысоких коэффициентах усиления.

Усилители типа МДМ. Постоянное входное напряжение преобразуется модулятором в переменное, усиливаемое усилителем переменного тока, для которого дрейф нуля не опасен, так как каскады усилителя гальванически разделены. Усиленное переменное напряжение преобразуется в постоянное при помощи демодулятора и фильтра. Блок-схема усилителей постоянного напряжения типа МДМ приведена на рис.8.5 вместе с временными диаграммами, поясняющими его работу.

 

М Ун ДМ Ф

U_м U_чм

 

U_вх U_вых

 

U_вх U_г

 

 

0 0 t

U_м t U_дм

 

0 t 0 t

U_вых

 

Рис. 8.5. Усилитель постоянного

напряжения типа МДМ. 0 t

 

В данной схеме модулятором М является прерыватель, управляемый генератором Г. Усилитель переменного напряжения усиливает сигнал определённой частоты, заданной генератором Г, амплитуда которого определяется величиной входного сигнала U_вх. Демодулятор АМ осуществляет детектирование переменного напряжения, а фильтр Ф устраняет пульсации несущей частоты. Все усиление приходится на усилитель переменного напряжения УН.

В модуляторах и демодуляторах могут быть использованы электромеханические и электронные прерыватели. Электромеханические прерыватели (вибропреобразователи) работают на частотах до 1 кГц, а электронные до 1 МГц. Дрейф нуля в усилителях типа МДМ составляет до 0,01 мкВ/час и 0,01 мкВ/⁰С. Выпускаются готовые усилители типа МДМ в виде интегральных микросхем, например К 140УД13.

В усилителях на основе магнитоэлектрических гальванометров с фото преобразователями (фотогальванометрические усилители ФГУ) луч света, отражённый от зеркал гальванометра, попадает на дифференциальный фоторезистор, засвечивается симметрично и поэтому выходное напряжение в измерительной диагонали мостовой схемы отсутствует. При повороте рамки гальванометра появляется напряжение разбаланса, являющиеся выходом всего усилителя. Дрейф нуля ФГУ не превышает 1 мкВ(суммарный).

Для того чтобы коэффициент усиления усилителей, входящий в состав вольтметра, был стабилен независимо от влияния различных факторов, используют усилители с отрицательной обратной связью. Обратной связью называется передача части выходного сигнала усилителя на его вход- рис.8.6. Если сигнал обратной связи суммируется с входным усиливаемым сигналом – то обратная связь называется положительной. В противоположном случае – отрицательной. Положительная обратная связь приводит к неустойчивости и возбуждению усилителя и специально не создается. Отрицательная обратная связь, наоборот, стабилизирует работу усилителя, уменьшая влияние всех внутренних и внешних нестабильностей, действующих в цепи, охваченной обратной связью. Коэффициент усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, вычисляется по формуле:

К

К_ос = ^__________ ,

К

где К – коэффициент усилителя без обратной связи, Β – коэффициент передачи цепи обратной связи.

 

U_вх U_вых

β

Рис. 8.6. Усилитель с обратной связью.

Из формулы видно, что обратная связь в (1 + βК) раз уменьшает коэффициент усиления, но в такой же степени повышает его стабильность. При βК > 1 говорят о глубокой обратной связи. При этом К_ос 1/β и не зависит от К. Отрицательная обратная связь благоприятно сказывается на входном и выходном сопротивлениях: в (1 + βК) раз увеличивает входное и уменьшает выходное сопротивления усилителя напряжения.

 

Преобразователи амплитудного значения.

 

Если в вольтметрах постоянного напряжения достаточно включить магнитоэлектрический прибор на выходе усилителя, то в вольтметрах переменного напряжения необходимо дополнительно применить преобразователь переменного напряжения в постоянное. Тип преобразователя зависит от того, какой параметр переменного напряжения (амплитуда, среднее или действующее значение) подлежит измерению.

Преобразователи амплитудного значения ПАЗ применяют в тех случаях, когда необходимо измерить амплитуду переменного напряжения или импульсов. На рис.8.7. показан один из простых вариантов ПАЗ с открытым входом. Открытым вход называют в том случае, если входная цепь преобразователя и источник измеряемого сигнала гальванически объединены. При достаточно малой постоянной времени заряда [ τ_з = (r_u+r_g)C; r_u – внутреннее сопротивление источника сигнала; r_g – сопротивление диода в прямом направлении] по сравнению с периодом переменного напряжения конденсатор практически мгновенно зарядится от текущего значения входного напряжения. Зарядившись до U_м конденсатора вторую полуволну входного напряжения медленно разряжается через резистор R до момента, когда входное напряжение сравняется с напряжением на конденсаторе, после чего диод открывается и конденсатор подзаряжается до U_m. Среднее значение напряжения на конденсаторе U_ср близко к амплитудному значению U_m входного напряжения.

VD 1 U_вх

U_m

U_вх C R U_вых 0 t

 

U_вых

U_m U_ср

0 t

Рис. 8.7. Преобразователь амплитудного значения.

 

Отношение:

U_ср

К_n ═ ————

U_m

называется коэффициентом преобразования.

Показанная на рис. 8.7 схема ПА3 измеряет амплитуду полуволны (или импульса) положительной полярности. Для изменения полярности необходимо изменить включение диода на противоположное.

Амплитудная характеристика U_cр ═ f(U_m) в области малых напряже­нии (до 0,5 В) нелинейна из-за нелинейности начального участка вольтамперной характеристики диода. Амплитудно-частотная характеристика К_n=φ(f) равномерна в широкой полосе частот (примерно 20 Гц - 1000 МГц), определяемой частотными свойствами диода и конденсатора. Ниж­няя граница полосы f_н ограничивается постоянной времени разряда τ_р=RC.

Описанный ПАЗ используется также для измерения амплитуды однополярных импульсов. В этом случае коэффициент преобразования бу­дет зависеть от скважности входных импульсов. В импульсных вольтмет­рах ПАЗ используются для преобразования импульсов с минимальной длительностью до десятых долей микросекунды и скважностью до 10³.