Измерительные приборы в электрических измерениях, страница 27

Основным достоинством коммутирующего детектора является то, что его работу можно сделать почти идеальной в большом диапазоне частот и амплитуд входного сигнала. Большой динамический диапазон необходим для измерения сигналов, «утонувших» в шуме и помехах. Для того чтобы детектор обладал описанными выше свойствами по отношению к входному сигналу, он должен оставаться линейным для много больших значений зашумленных сигналов. Поэтому то обстоятельство, что детектору необходим дополнительный (додетекторный) фильтр, считается само собой разумеющимся.

Как упоминалось выше, синхронный усилитель является усилителем переменного напряжения, в котором используется синхронное детектирование, позволяющее измерять амплитуду и фазу очень малых и зашумленных сигналов, занимающих относительно узкий диапазон частот. Сигнал и_i(t) проходит через усилитель переменного напряжения АС и додетекторный полосовой фильтр (см. рис. 3.51). Параметры фильтра и коэффициент усиления регулируются. Часть каскадов усилителя можно разместить после фильтра, чтобы избежать его насыщения из-за шумов и искажений. Путь, по которому проходит опорный сигнал u_r(t), включает в себя регулируемый усилитель, фазовращатель и компаратор для преобразования опорного сигнала в колебание прямоугольной формы, подаваемое на коммутирующий детектор. Фазовращатель необходим прежде всего для того, чтобы точно обеспечить выполнение условия = 0 (условия максимального сигнала на выходе), поскольку додетекторный фильтр может внести сдвиг по фазе входного сигнала. Во-вторых, фазовращатель позволяет измерять сдвиг фаз между входным сигналом и опорным колебанием (сигнал на выходе равен нулю, когда  = 90°). Часто в выходном каскаде имеется также дополнительный усилитель постоянного тока DC для усиления после детектора. В тех случаях, когда входной сигнал сильно зашумлен, основное усиление переносится из предварительного усилителя переменного тока в оконечный усилитель постоянного тока с целью избежать насыщения детектора. Для сигналов с меньшим уровнем шума лучше уменьшить усиление усилителя постоянного тока за счет увеличения коэффициента усиления усилителя переменного тока, чтобы минимизировать дрейф на выходе.

Рис. 3.50. (а) Принцип действия коммутирующего детектора. (b) Соответствующая спектральная чувствительность такого детектора по отношению к входному сигналу.

Следующий пример показывает, как можно провести чувствительные измерения, используя синхронный усилитель (см. рис. 3.48). Мы хотим определить принципиально непреодолимый порог чувствительности емкостного датчика смешения, который зависит от эквивалентного входного шума первого каскада синхронного усилителя. (Мы будем рассматривать здесь только шум и помехи, имеющие естественную природу.) Входной шум характеризуется спектральной плотностью (см. раздел 2.3.2.1), равной приблизительно 5 Расстояние между пластинами конденсатора d≈l мм, емкость конденсатора С≈30 пф, а (синусоидальный) сигнал с частотой 100 кГц, поступающий с трансформатора, имеет величину 10 В. Если ограничить ширину полосы детектора величиной 1 Гц, то порог чувствительности будет равен 0,5 пм   (5* 10^-13 м)! Это означает, что смещение пластины на 0,5 пм приведет к появлению на выходе сигнала, равного среднеквадратическому значению шума на выходе. Сравните это расстояние с расстоянием между атомами в кристаллической решетке, которое приблизительно равно 500 пм!

Этот предел чувствительности соответствует изменению емкости на 0,015 аФ (1,5*10^-20 Ф)! Не удивительно, что раньше мы столкнемся с другими возмущениями, которые оказывают намного большее влияние. Если мы предположим, например, что пластины конденсатора сделаны из стали толщиной 0,5 см, то линейное тепловое расширение, примерно равное 55 нм/К, повлияет в 10⁵ раз сильнее. Изменение атмосферного давления на 1 кПа (10 мбар) приводит к изменению толщины на 50 пм. Эта величина в 100 раз превышает фундаментальный, определяемый шумами, предел чувствительности. Поэтому на практике наименьшее измеряемое смещение будет полностью зависеть от различных механических ограничений.

Рис.3.51. Блок-схема синхронного усилителя, на которой показаны путь прохождения сигнала u_i(t), путь прохождения опорного колебания u_r(t), синхронный детектор и выходной усилитель.

3.3.5 Нелинейная обработка сигнала

Нелинейная обработка сигнала часто применяется в измерительных приборах для определения характеристик, относящихся к величине периодического сигнала: пикового значения, среднего значения или среднеквадратического значения. Она используется также для линеаризации нежелательных нелинейных характеристик датчиков или других узлов измерительной системы. Нелинейность датчика можно исправить с помощью схемы, состоящей из резисторов и диодов, если функция, описывающая нелинейность этой схемы будет обратной по отношению к функции нелинейности датчика (последовательная компенсация). В этом разделе мы рассмотрим несколько нелинейных схем, применяемых для измерения пикового, среднего и среднеквадратического значения электрических сигналов.

Пиковые детекторы

Пиковое значение переменного сигнала можно легко определить с помощью схемы выпрямления. На рис. 3.52 показан метод измерения пикового значения положительной полуволны переменного напряжения. Такой пиковый детектор недорог и может быть легко включен в измерительный пробник. Кабель между пробником и вольтметром постоянного напряжения передает только постоянное напряжение и поэтому емкость кабеля и входная емкость измерительной системы никакого влияния не оказывают. Следовательно, основным достоинством детектирования входного сигнала внутри пробника является увеличение входного импеданса. Пробник пикового детектора может обеспечить входной импеданс Z_i, примерно равный 1 МОм/1 пФ. Недостатком пиковых детекторов является нелинейность характеристики при малых входных сигналах, что показано на рис. 3.52(b). Это следствие «излома» вольт-амперной характеристики диода при прямом смещении. По этой причине такой пиковый детектор реально нельзя использовать при напряжениях ниже 1 В, если только шкалу вольтметра не сделать нелинейной. Однако это является не очень изящным решением.