Пособие 120 стр Метрология и измерения в телекоммуникационных системах

		2Bnlb	BnS ,	(17)
		2

где B – магнитная индукция, т.е. число силовых линий в воздушном зазоре на единицу площади; bα/2 – длина дуги; Blbα/2 – общее число силовых линий; n – число витков.

l

b/2

Рисунок 28 - Контур с током

Подставляя потокосцепление (17) в (16), получаем: Mвр = IBnS, откуда из (15) получается уравнение шкалы:

BnS I , m

где I – средний или постоянный ток; BnSm – чувствительность прибора к току.

	+		–
Возможность	создания	приборов	Сложность; «боится» перегрузок;
высокой чувствительности (0,01мкА);			измерение только постоянных напря-
высокоточные; малое собственное по-			жений
требление мощности (10-5 – 10-6 Вт)

2. Электромагнитный прибор

Прибор основан на взаимодействии ферромагнитного сердечника и катушки с током.

W	LI	2	,		1		L	I 2 .
e	2				2m
+								–
Прост; не «боится» перегрузок; изме-				Малая чувствительность; зависимость
ряет и постоянный, и переменный ток				Rвх от частоты

3. Электродинамические приборы

Приборы основаны на взаимодействии двух катушек с током.

W

1

L i2

1

L i2

M

i i ,

1

Mab I I

b ,

e

2 a a

2 b b

ab a b

m a

a

где Mab – взаимная индуктивность между катушками a и b.

+		–
Множительный прибор (содержит две		Большая потребляемая мощность;
цепи тока)		сложность конструкции
	40

4. Электростатический прибор

Основан на взаимодействии заряженных проводников.

W	CU 2			1	C	U 2 .
		,
e	2			2m a
+						–
Малое собственное потребление мощ-			Зависимость входной ёмкости от
ности; возможность измерять в широ-			напряжения; малая чувствительность;
ком диапазоне частот; возможность			неравномерность шкалы
измерять большие напряжения

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.

ЭП Д ЭП

Рисунок 29 - Схема входного устройства

Для низкочастотного делителя (рис. 30) коэффициент деления равен:

на низких частотах – Kд R2 R1 R2 ;

при измерениях на высоких частотах начинают сказываться паразитные ёмкости – K Cп1 Cп1 Cп2 .

Cп1					R1

Uвх

Cп2					R2		Uвых

Рисунок 30 - Низкочастотный делитель напряжения

41

Для высокочастотного делителя (рис. 31) коэффициент деления равен

Kд С1 С1 С2 .

C1

Uвх

C2					Uвых

Рисунок 31 - Высокочастотный делитель напряжения

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

C1						R1

Uвх

C2						R2		Uвых

Рисунок 32 - Широкодиапазонный делитель напряжения

Входное устройство во многом определяет частотную погрешность. Эквивалентная схема представлена на рис. 33.

L1 R1

	Rвх							Cвх

L2

R2

Рисунок 33 - Эквивалентная схема входного устройства

	р			1		,	р изм .
			2	Cвх (L1 L2 )

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)

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 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;

-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.

Uнч

Uнч

М

УС

Д

ФНЧ

Г

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 усиливаемых частот может перестраиваться по диапазону. Вольтметр с таким усилителем называется селективным (избирательным) (рис. 35, 36).

ФВЧ УС

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; 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.

ВУ

ПУ

СМ1

ФПЧ

УПЧ1

СМ2

УПЧ2

ПР

Г1

Г2

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 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, так же, 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

fПЧ2	fГ2 fПЧ1	fС	fГ1	fЗК
	Рисунок 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 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, определяющее полосу избирательности. fС(max) – fС(min) = fГ1(max) – fГ1(min) – диапазон перестройки первого гетеродина определяет диапазон измеряемых частот.

45

Преобразователь (детектор) (3)

Преобразователь определяет название вольтметра.

1. Пиковый детектор

Uм max U (t ) .

T

U(t)

t

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.

			C			U(t)
			+			Uм	UC
	Ri	iз	iр	R	УПТ
			–				t

а) б)

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: 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 (УПТ). Конденсатор постепенно разряжается через резистор с постоянной времени τр = CR; τр >> τз. Диод открывается только после того, как измеряемое напряжение станет больше напряжения на конденсаторе и снова подзарядит конденсатор С.

46

б) Детектор с закрытым входом.

	+ C –
Ri	iз	iр	R ФНЧ УПТ

			а)
+	–		U(t)	Uм
			Uср	UC
Uвх		R
				–Uм
	б)			в)

Рисунок 41 - а) схема пикового детектора с закрытым входом; б) эквивалентная схема; в) изменение напряжений на нагрузке

Постоянная времени заряда: τз = (Rпр.д. + Ri)C, а постоянная времени разряда τр = RC. При подаче на вход напряжения положительной полярности конденсатор С зарядится до максимального значения этого напряжения, диод будет закрыт, и на резисторе R будет напряжение: UR = Uвх(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 Ri, т.е. последний каскад предыдущего блока выполняется в виде эмиттерного повторителя, у которого Ri мало;

2)надо уменьшить Rпр.д., особенность диодов не позволяет получить Rпр.д. = 0. Таким образом, в пиковом детекторе ёмкость С выбирается из компромисс-

ных соображений, т.е. τз не будет маленькое и τр не будет большое. Рассмотренные схемы преобразователей используются только в вольтметрах

невысокого класса точности.

Вточных вольтметрах используются автокомпенсационные схемы (рис. 42, 43).

Вслучае закрытого входа (рис. 42) положительный импульс заряжает конденсатор 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 Uвых снимается с сопротивления Rн.

47

	+ C –
	D1	D2
Uвх	Ri	Rн	Uвых
		R

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 С1 до амплитудного значения измеряемого напряжения Uвх диод D1 закрывается, и накопленный на С1 заряд перераспределяется между конденсаторами С1 и С2 (С2 >> С1). 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 напряжения на С1 и С2 не станут равными амплитуде измеряемого напряжения Uвх. Установившееся на С2 напряжение измеряется вольтметром постоянного напряжения.

		D1			D2
Uвх	Ri		+	R		+	Uвых
		C1			C2
			–			–

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-

1 T

грированием в соответствии с определением: Uср.вып. T 0 U (t) dt .

D3 D4 Rд

C

D1	D2
Uвх

Рисунок 44 - Преобразователь средневыпрямленных значений

48

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

I

U

Рисунок 45 - Вольт-амперная характеристика диода

	iпр			Uвх		, iобр	Uвх	.
				2Rпр.д Rд			2Rобр.д Rд
	3. Преобразователь среднеквадратических значений
		1		T
	Из выражения U			U 2 (t)dt		следует,	что измерение среднеквадратиче-
			T
				0

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:

		1	T		1	T
	U (t) U 2 (t)		U 2 (t)dt			U 2 (t)dt .
		T		T
			0			0

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