Измерительные приборы в электрических измерениях, страница 29

Рис. 3.56. Влияние гармонических искажений на пиковое значение сигнала, (а) Вторая гармоника в фазе с первой. (b) Между первой и второй гармониками сдвиг по фазе 90°.

Детекторы среднего назначения

Когда говорят о среднем значении переменного напряжения, фактически имеют в виду среднее по абсолютной величине значение переменного напряжения или среднее значение его амплитуды. Это точно соответствует среднему значению сигнала на выходе двуполярного выпрямителя, что позволяет воспользоваться схемой, изображенной на рис. 3.57. Здесь диодный мост будет обеспечивать протекание тока через измерительный прибор всегда в одном направлении, независимо от полярности входного сигнала. Инерция подвижной катушки измерительного прибора будет препятствовать ее вибрации с той же частотой, с какой изменяется переменный ток. Катушка будет реагировать только на среднее значение тока. Если входное напряжение подано непосредственно на вход моста, то у измерительного прибора будет мертвая зона, равная удвоенной величине напряжения «излома» при прямом напряжении на диоде        (2*( 0,3 ÷ 0,8) В).

Рис. 3.57. Детектор среднего значения. (а) Путь сигнала при положительном входном напряжении. (b) Путь сигнала при отрицательном входном напряжении. {с) Форма входного напряжения v(t) и результирующего тока i(t) через катушку измерительного прибора.

Отсюда следует нежелательная нелинейность характеристики: ток через измерительный прибор становится равным нулю при малых входных напряжениях. «Рабочий цикл» тока, текущего через катушку измерительного прибора, будет менее 100%, следовательно, индицируемая величина будет находиться ниже истинного значения.

Из рис. 3.57 ясно, что среднее значение входного тока можно правильно измерить диодным мостом. Поэтому диодный мост часто включают в цепь обратной связи усилителя, как показано на рис. 3.58. Если коэффициент усиления А_о операционного усилителя достаточно велик, то напряжение на резисторе Rбудет приблизительно равно входному напряжению v(t) и ток, текущий через R, равняется v(t)/R. Так как входной импеданс усилителя чрезвычайно высок, этот ток будет вынужден течь полностью через диодный мост. Тогда ток, протекающий через измерительный прибор, будет равен i(t) = |v(t)|R. Вследствие инерции измерительного прибора, он покажет только среднюю величину этого тока, которая, будучи умноженной на R, даст среднее по абсолютной величине значение амплитуды входного напряжения. Таким образом, применив обратную связь, мы достигли двух целей: происходит непрерывная компенсация входного напряжения (входной импеданс высок и поэтому измеряемый объект нагружен слабо) и через диодный мост пропускается заданный ток, благодаря чему устраняется нелинейный эффект, связанный с наличием «излома» в характеристике диодов. В качестве примера приведем параметры такого электронного измерителя среднего значения с диодным мостом в цепи обратной связи: диапазон измерения 100 мкВ ÷ 300 В на полную шкалу, частотный диапазон              10 Гц ÷ 5 МГц, погрешность 1%.

Рис. 3.58. Электронный детектор среднего значения.

Вольтметры, измеряющие среднее значение входного напряжения, иногда калибруют также в среднеквадратических значениях. Если входной сигнал строго синусоидален: , то среднеквадратическое значение равно , а среднее значение равно . Поэтому для синусоидального входного напряжения со среднеквадратическим значением 1 В такой прибор показал бы только среднее значение, равное 0,91 В. Шкалу вольтметра корректируют так, чтобы при синусоидальном входном напряжении он показывал 1 В. Если входной сигнал не строго синусоидален, то показания вольтметра будут неправильными. Однако ошибка, связанная с (небольшим) искажением входного сигнала, не настолько велика по сравнению с ошибкой, которую дает вольтметр, определяющий величину сигнала по пиковому значению. Величина ошибки, вносимой вольтметром, показывающим среднее значение, при измерении среднеквадратического значения определяется коэффициентом формы входного сигнала (см. чувствительность к форме сигнала в разделе 2.3.3.2).

Детекторы среднеквадратического значения

Среднеквадратическое значение является мерой, часто применяемой в качестве характеристики переменных сигналов. Эта мера используется как в случае детерминированных, так и в отношении случайных сигналов (то есть шума). Среднеквадратическое значение – это квадратный корень из среднего значения квадрата величины. Сначала нам следует найти значение квадрата сигнала, затем произвести усреднение (например, с помощью фильтра нижних частот) и, наконец, взять квадратный корень из полученной величины. Возведение в квадрат и извлечение корня можно осуществить с помощью схемы, содержащей диоды и резисторы, которую называют функциональным преобразователем. Такая схема способна реализовать нелинейное преобразование входного напряжения V_i. Выходной сигнал V₀может быть произвольной монотонной функцией V_i. Пример одной из таких диодно-резисторных схем приведен на рис. 3.59. Схемы такого типа часто применяются для коррекции нелинейных датчиков.