Измерительные приборы в электрических измерениях, страница 26

Иллюстрацией рассмотренного метода является измерение, схема которого приведена на рис. 3.46. Чтобы измерить ослабление, вносимое узкополосным заграждающим фильтром, синусоидальный сигнал подается на вход этого фильтра и непосредственно на синхронный усилитель. Этот сигнал используется и как входной сигнал, и как опорный. Из-за большого ослабления (например, -90 дБ) на частоте непрозрачности заграждающего фильтра выходной сигнал очень мал (например, 30 мкВ на выходе при 1 В на входе) и состоит, главным образом, из шума и помех. Несмотря на это, мы все же можем восстановить измеряемый сигнал, даже в том случае, когда он ниже уровня шума, так как в синхронном усилителе будет усилена только та частотная составляющая входного сигнала, которая в фазе с опорным сигналом; остальные составляющие сигнала будут отфильтрованы.

Рис. 3.46. Измерение ослабления, вносимого узкополосным заграждающим фильтром.

Рис. 3.47. Пирометр с синхронным усилителем для достижения низкого порога чувствительности.

На рис. 3.47 показан другой пример применения синхронного усилителя. Термометр излучения (пирометр) состоит из датчика инфракрасного излучения и вогнутого зеркала, на которое падает инфракрасное излучение, испускаемое измеряемым объектом. Поток излучения делается «прерывистым» с помощью прорезей во вращающемся диске. Задняя сторона диска покрыта отражающим слоем, так что датчик «видит» сам себя, когда прямой путь от измеряемого объекта прерван. Таким образом, температура детектора изменяется скачком от значения, являющегося мерой температуры поверхности объекта Т_т, до (собственной) температуры датчика T₀. Прорези в диске сделаны симметрично относительно центра, поэтому фотодиод, расположенный диаметрально противоположно датчику, освещается одновременно с ним, создавая, таким образом, опорный сигнал для синхронного усилителя. Через усилитель пройдет только та составляющая малого входного сигнала, которая находится в фазе с опорным сигналом. Эта составляющая является надежной мерой разности температур Т_т – Т_о и нечувствительна к помехам.

Наконец, рис. 3.48 демонстрирует применение синхронного усилителя совместно с преобразователем. Как показано на рисунке, смещение Δх измеряется с помощью дифференциального конденсатора, который вместе с трансформатором образует мостовую схему. Эта конструкция позволяет выполнять чрезвычайно чувствительные измерения, поскольку отфильтровываются все шумы, помехи и искажения, фазы которых не совпадают с фазой сигнала, возбуждающего мост.

Мы видели, что синхронный усилитель должен содержать синхронный детектор. Этот детектор можно представить как схему умножения, в которой перемножаются входной сигнал u_i(t) = и опорный сигнал u_r(t)=. Затем полученный сигнал проходит через фильтр нижних частот. Сигнал на выходе перемножителя равен

.

Он содержит составляющие на частотах, равных сумме (ω_i + ω_r) и разности (ω_i + ω_r)частот входного и опорного сигналов. Составляющая суммарной частоты удаляется фильтром нижних частот, поэтому остается только составляющая разностной частоты:

.

В случае синхронного детектирования ω_r = ω_i. Следовательно выходной сигнал имеет вид:

.

Как показано на рис. 3.49, спектр входного сигнала с шириной полосы 2 f₀, расположенный симметрично относительно опорной частоты f_r = ω_r /2π, при детектировании с помощью схемы умножения и фильтра нижних частот (с частотой среза f₀по уровню 3 дБ) переносится в диапазон низких частот от 0 Гц до f₀. Ширина полосы f₀выбирается достаточно большой, чтобы допускалось изменение входного сигнала во времени. Ею определяется также время установления. Чтобы получить лучшее время установления можно выбрать полосу фильтра больше, чем это необходимо (но за счет более зашумленного отклика).

Рис.3.48. Датчик смещения (дифференциальный конденсатор) с синхронной схемой считывания.

Напряжение на выходе схемы перемножения зависит также от фазы сигнала. Обычно для получения максимальной чувствительности разность фаз между входным и опорным сигналами выбирается равной нулю.

Амплитудам  опорного сигнала u_r(t) должна быть определена очень точно, поскольку чувствительность схемы перемножения зависит от нее. Кроме того, используемый аналоговый перемножитель, кроме собственно перемножения двух сигналов, не должен вносить никаких искажений. К сожалению, этого нельзя гарантировать в большом диапазоне амплитуд входного сигнала.

Для целей измерения чаще всего применяют другой тип детектора – коммутирующий детектор. Рис. 3.50 иллюстрирует принцип его действия. Полярность измеряемого входного сигнала u_i(t) меняется со скоростью, определяемой прямоугольным опорным сигналом и_r(t). Этот процесс можно представить как перемножение сигнала  и прямоугольного колебания, принимающего значения ±1 с частотой ω_r. Математически это записывается так:

.

Когда входной сигнал имеет вид , выходной сигнал содержит гармонические составляющие с частотами, равными сумме и разности частоты ω_i со всеми нечетными гармониками частоты ω_r. Для n-ой гармоники частоты ω_r амплитуды этих составляющих имеют весовой коэффициент 1/п. Если этот сигнал пропустить через фильтр нижних частот, то в результате получим, что коммутирующий детектор чувствителен только к сигналам, расположенным в полосе частот 2f₀симметрично относительно нечетных гармоник опорной частоты f_r. Таким образом, при синхронном детектировании (когда ω_i= ω_r) с использованием коммутирующего детектора выходной сигнал и₀, вызванный n-ой гармоникой входного сигнала, равен

 (n нечетное).

Рис. 3.49. Принцип работы аналогового синхронного детектора: (а) блок-схема; (b) спектр входного сигнала; (с) спектр выходного сигнала. В_п - полоса пропускания полосового фильтра, применяемого для удаления из входного сигнала шума и других помех.

На рис. 3.50(b) изображена спектральная чувствительность коммутирующего детектора с фильтром нижних частот, имеющим полосу шириной f₀. Для того, чтобы устранить чувствительность к высшим гармоникам частоты ω_r, на входе детектора необходимо поместить фильтр. Этот, так называемый додетекторный фильтр будет уменьшать мощность высших гармоник входного сигнала (первая из них на частоте 3ω_r) практически до нуля.