Измерительные приборы в электрических измерениях, страница 16

По определению, коэффициент ослабления равен величине, обратной коэффициенту передачи. При измерениях напряжения требуется большая величина ‌‌|Z_i| и поэтому значение R_i измерительной системы должно быть велико. Вследствие этого (паразитная) входная емкость С_i (включенная параллельно R_i) может значительно уменьшить |Z_i|, особенно на высоких частотах. Мы же хотим выполнить ослабление, которое не зависит от частоты входного сигнала. Достичь этого можно, шунтируя включаемое последовательно сопротивление R_s конденсатором С_s такой емкости, чтобы выполнялось равенство: . Тогда коэффициент ослабления будет равен

.

и не будет зависеть от частоты. Включение конденсатора С_s называется частотной коррекцией аттенюатора. Такая коррекция применяется, например, в щупах с делителем напряжения для осциллографов.

Для измерения тока значение Z_i должно быть малым. При малой величине сопротивления R_i зависимость коэффициента ослабления от частоты является, главным образом, результатом присутствия паразитной индуктивности L_i, включенной последовательно с резистором R_i. Эту частотную зависимость можно устранить, включив последовательно с R_p такую индуктивность L_p, чтобы выполнялось равенство . Теперь ослабление постоянно для всех частот и равно

.

Шунтирующий резистор (со встроенной частотной коррекцией) применяется для расширения динамического диапазона приборов, предназначенных для измерения тока.

Метод ослабления сигнала с использованием входного импеданса измерительного прибора, является простым и дешевым. К его достоинствам относится то, что при ослаблении напряжений входной импеданс увеличивается, а при ослаблении токов он уменьшается, при этом снижается нагрузка на измеряемый объект измерения. Однако недостатком является не всегда точно известная величина входного импеданса Z_i, что приводит к уменьшению точности измерения. Кроме того, используя этот метод, трудно реализовать большой коэффициент ослабления, поскольку это потребовало бы очень больших значений последовательного импеданса и очень малых значений параллельного импеданса. Поэтому для точного ослабления и сильного ослабления сигнала используются отдельные схемы аттенюаторов.

Делители напряжения

Аттенюатор, включенный между (низкоимпедансным) источником напряжения и высокоимпедансным входом прибора, обычно называется делителем напряжения. Выражения «низкий» и «высокий» импеданс следует рассматривать относительно входного и выходного импедансов схемы делителя напряжения. Если условия для импедансов не удовлетворены, то появится ошибка, которая может быть больше, чем неточность самого делителя напряжения.

На рис. 3.24 показан простой потенциометр, используемый в качестве делителя напряжения. Если потенциометр не нагружен, то коэффициент передачи напряжения β_vравен θ. Если однако, выход нагружен, то коэффициент передачи β_v уже не будет линейной функцией положения подвижного контакта. Когда требуется установить точное значение коэффициента ослабления, потенциометр обычно не годится, поскольку резистивная пленка или высокоомный провод потенциометра значительно изнашиваются в течение срока службы потенциометра. В качестве примера приведем параметры проволочного десятиоборотного потенциометра: диапазон изменения сопротивления от 100 Ом до 100 кОм, нелинейность 10^-3 (без нагрузки), разрешение 10³ – 10⁴.

Для точного регулируемого деления напряжения применяются несколько резисторных декад с пошаговым переключением. Если сопротивление резисторов увеличивается с коэффициентом 10, то аттенюатор называют декадной резисторной сборкой (см. рис. 3.24(b)). Самое слабое место таких резисторных сборок связано с переключателями.

Рис. 3.24. (а) Применение потенциометра в качестве делителя напряжения. (b) Резисторная декада с пошаговым переключением в качестве делителя напряжения.

Их контактное сопротивление должно быть очень малым, особенно в нижних декадах. Следует также минимизировать термоэдс контактов. Разрешение такого делителя зависит от используемого числа декад п и равно 10ⁿ. В резисторной сборке легко достигается погрешность 10^-4 – 10^-5.

Недостатком резисторных сборок является непостоянство входного импеданса, и по этой причине более предпочтительны другие типы делителей напряжения. Один из них, делитель напряжения Кельвина-Варлея, в качестве примера приведен на рис. 3.25. Последняя декада представляет собой делитель, имеющий десять ступеней по 0,8 Ом. Полное сопротивление этой декады 8 Ом подключено параллельно двум резисторам по 4 Ома из предыдущей декады. Эта предпоследняя декада содержит одиннадцать резисторов по 4 Ома. Между ее выходными клеммами всегда включены два из этих резисторов. Поэтому число переключений в этой декаде также равно десяти, а ее входное сопротивление равно не 11*4 Ом, а 10*4 Ом, из-за того, что два из резисторов постоянно шунтируются входным сопротивлением последнего звена. Входное сопротивление второй декады равно 200 Ом, а первой –         1 кOм. Таким образом, входное сопротивление не зависит от установленного коэффициента деления напряжения. Другим достоинством делителя напряжения Кельвина-Варлея является то, что ток в каждой последующей декаде уменьшается вдвое, а это значит, что даже в последней декаде можно использовать резисторы с относительно высокими сопротивлениями, уменьшая тем самым влияние сопротивления переключателя.

Характеристические аттенюаторы

В высокочастотных или широкополосных измерительных системах, рассчитанных на работу с определенным характеристическим сопротивлением (для устранения отражений или стоячих волн в линии передачи), следует применять характеристические аттенюаторы. Этот тип аттенюатора обеспечивает требуемое ослабление только в том случае, когда применяется совместно с точно определенным (характеристическим) сопротивлением нагрузки. Поэтому источник, сигнал которого подается на вход аттенюатора, должен иметь конкретное выходное сопротивление. Сопротивление нагрузки, подключенное к аттенюатору, также должно быть вполне определенным (часто тем же самым). Простой реализацией такого