Измерительные приборы в электрических измерениях, страница 28

Рис. 3.52. Пиковый детектор, (а) Пиковый детектор положительных значений, использующий единственный последовательный диод. (b) Нелинейность такого пикового детектора с германиевым и кремниевым диодами.

Если входной сигнал содержит постоянную составляющую, то это также обнаруживается пиковым детектором, хотя часто неправильно. Пиковый детектор, изображенный на рис. 3.53(а), не имеет этого недостатка. Конденсатор С_к не пропускает постоянную составляющую входного сигнала. Схема другого пикового детектора, приведенная на рис. 3.53(b), содержит фактически два пиковых детектора, один для положительных пиковых значений, а другой – для отрицательных. Оба пиковых детектора, изображенных на рис. 3.53, измеряют полный размах напряжения, а не одностороннее пиковое значение.

Постоянная времени τ = RCсглаживающего фильтра (то есть RC-цепи, выделяющей постоянную составляющую выпрямленного сигнала) должна быть много больше наибольшего периода Т переменного сигнала. Однако пиковый детектор должен быть способен отслеживать любое внезапное изменение амплитуды входного сигнала, и поэтому, постоянная времени не может быть больше, чем t₀, если это характерное время изменения сигнала. Из сказанного следует условие t₀>> τ >> Т.

Величина пульсаций напряжения V_rна выходе однополярного выпрямителя равна V_r≈ T/ τ. В случае двуполярного выпрямления эта величина уменьшается вдвое, так что V_r ≈ 0,5 VT/ τ , при условии, что τ >> Т. Форму выходного напряжения можно видеть на рис. 3.54.

Рис. 3.53. Пиковые детекторы: (а) схема с диодами, включенными параллельно и последовательно; (b) схема с двумя последовательно включенными диодами.

Рис. 3.54. Пульсации напряжения V_r, наложенные на выходное напряжение V₀ двуполярного выпрямителя напряжения с постоянной времени сглаживания τ. Период синусоидального сигнала равен Т. Если τ >> T, то пульсации V_r будут приблизительно равными V'_r.

Применяя компенсацию, можно значительно уменьшить нелинейность пикового детектора при малых сигналах. На рис. 3.55 показан усилитель пикового значения сигнала, который преобразует пиковое значение  входного переменного напряжения v_i(t) в выходной сигнал v₀(t), имеющий намного большее пиковое значение . Частота f₀ выходного сигнала, генерируемого внутренним генератором, произвольна и постоянна. Выходной синусоидальный сигнал генератора регулируется модулятором так, чтобы амплитуда переменного сигнала на выходе была равна величине выходного сигнала усилителя постоянного тока А₀. Усилитель А₀ усиливает разность потенциалов между выходами пиковых детекторов Т₁ и Т₂. Детектор T_tпреобразует в постоянное напряжение входной сигнал, в то время как на другой детектор поступает R₁ /(R₁+R₂)-ая часть переменного напряжения с выхода модулятора. Если коэффициент усиления А₀ велик, то за счет петли обратной связи выходное напряжение v₀(t) будет иметь такую амплитуду, при которой выходное напряжение детектора Т₂ точно компенсирует выходное напряжение детектора Т₁. Предполагая, что нелинейные характеристики обоих детекторов одинаковы (и не зависят от частоты), получим, что пиковые значения напряжений на входах детекторов T_tи Т₂ должны быть равны.

Рис. 3.55. Усилитель пикового значения. Нелинейность характеристики детектора Т₁ компенсируется детектором Т₂ с помощью цепи обратной связи. Коэффициент передачи определяется соотношением: .

Таким образом, пиковое значение выходного напряжения должно быть в (R₁+R₂)/ R₁ раз больше, чем пиковое значение  входного напряжения. Если этот коэффициент усиления сделан достаточно большим, то пиковое значение переменного выходного сигнала будет много больше напряжения «излома» при прямом смещении диода. Поэтому такой сигнал можно легко продетектировать простым пиковым детектором. Если, например, f₀= 100 кГц, а (R₁+R₂)/ R₁=100, то можно получить линейный пиковый детектор с чувствительностью на всю шкалу 10 мВ и частотным диапазоном от 100 кГц до 700 МГц, не применяя дорогих широкополосных усилителей.

Пиковый детектор – недорогой прибор для преобразования переменного напряжения в пропорциональное ему постоянное напряжение с высоким входным импедансом. По этой причине пиковые детекторы иногда используют в вольтметрах переменного напряжения. Шкалу обычно калибруют в среднеквадратических значениях, относящихся к случаю, когда входной сигнал строго синусоидален. Так, при пиковом значении сигнала, равном 1 В, вольтметр покажет ≈ 0,7 В независимо от формы входного сигнала. Следовательно, если форма сигнала не точно синусоидальная, то такой вольтметр переменного напряжения будет показывать неправильное значение. Пиковое значение сигналов, близких к синусоидальным, сильно зависит от степени искажения сигнала гармониками. На рис. 3.56 показаны два сигнала с одинаковыми среднеквадратическими значениями, но с совершенно разными пиковыми значениями. Это следствие того факта, что пиковое значение зависит не только от содержания гармоник, но также и от относительной фазы гармоник. В табл. 3.2 перечислены пиковое, среднее и среднеквадратическое значения при добавлении к сигналу второй и третьей гармоники различной величины. Здесь во всех случаях основная гармоника остается неизменной. Разность фаз между гармониками и исходным сигналом изменялась от 0° до 360°. В табл. 3.2 указаны полученные при этом минимальные и максимальные значения. Видно, что среднее (по абсолютной величине) значение переменного напряжения зависит от присутствия гармоник меньше, чем пиковое значение.

Табл. 3.2. Среднеквадратическое, среднее (по абсолютной величине) и пиковое значения сигналов, содержащих первую гармонику (100%), а также вторую или третью гармоники различной величины.