Измерительные приборы в электрических измерениях, страница 30

Рис. 3.59. Формирование квадрата входного напряжения V₁ с помощью функционального преобразователя.

В предположении, что коэффициент усиления А_о достаточно велик, инвертирующий вход усилителя будет действовать как «кажущееся заземление»; входной импеданс практически равен нулю. Входное напряжение V_iпроходит через несколько параллельных ветвей аттенюаторов, образованных резисторами R_ajи R_bj(в j'-й ветви). Как только выходное напряжение одного или более аттенюаторов превосходит величину 0 вольт, в цепи инвертирующего входа усилителя потечет ток I. Эта ситуация соответствует случаю, когда V_i>V_refR_aj/R_bj. Если обозначить пороговое напряжение, при котором j-й аттенюатор начинает выдавать ток во входную цепь усилителя, через V_j, то: V_j=V_refR_aj/R_bj. Когда проводят первые kдиодов, полный ток I, текущий через виртуальное заземление, равен

.

Поскольку ток I может течь только по резистору обратной связи R, выходное напряжение равно

.

Если правильно выбрать значения V_j и R_aj, то зависимость выходного напряжения V₀ от V_iбудет приблизительно квадратичной (см. рис. 3.59(b)). Положение каждой точки излома между подинтервалами функции V₀ =f(V_i) зависит от сопротивлений резисторов R_ojи R_hj, а также от величины опорного напряжения V_ref. Так как диоды начинают проводить постепенно, связь между V₀ и V_i. не будет иметь изломов, а окажется слегка сглаженной. Можно также построить функциональный преобразователь для отрицательных напряжений и даже для немонотонных функций.

Кроме квадратичной функции с помощью подобного функционального преобразователя можно реализовать функцию квадратного корня. Однако, если определять среднеквадратическое значение сигнала именно таким способом, то это будет не очень точно.

Другой метод измерения среднеквадратического значения сигнала состоит в определении количества рассеиваемого тепла. Этот метод используется в термовольтметре, где входной ток течет по нити накала, нагревая ее. Выделенное тепло служит непосредственной мерой среднеквадратического значения тока. Температура нити накала измеряется термопарой. Чтобы гарантировать хороший тепловой контакт, термопара прикрепляется к нити накала с помощью небольшой стеклянной бусинки, которая, кроме того, обеспечивает электрическую изоляцию между нитью и термопарой. Эта конструкция герметизируется в стеклянном вакуумном баллоне сферической формы, чтобы предотвратить потери тепла из-за конвекции. Поэтому температура нити накала может уменьшаться только из-за теплопроводности и излучения. Чтобы минимизировать влияние окружающей среды, температуру нити накала делают высокой. Однако это сказывается на прочности термоспая по отношению к перегрузкам. Кроме того, такой термоспай имеет исключительно малый кпд (малым является отношение выходной мощности к входной) – около 0,1%. Кроме того, он медленно реагирует на изменение измеряемой величины (1 – 2 с). Чувствительность термоспая можно легко откалибровать по точно известному постоянному току.

Термоспай можно применять до частот порядка 60 МГц. При более высоких частотах на работу будут влиять различные паразитные эффекты (такие, как индуктивность резистивной нити накала, емкость между нитью накала и термопарой и т. д.). Погрешность в пределах частотного диапазона от 10 Гц до 60 МГц составляет менее 1%, а в частотном диапазоне от 30 Гц до 10 МГц она может быть даже меньше, чем 0,1%.

Среднеквадратическое значение переменного напряжения можно измерить точно, используя два идентичных термоспая в схеме, где осуществляется компенсация выходного напряжения, как это показано на рис. 3.60(b). В усилителе с обратной связью Sвходное напряжение V_RMSпреобразуется в выходной ток I_RMS.

Рис. 3.60. (а) Термоспай. (b) Электронный измеритель среднеквадратического значения сигнала.

Этот усилитель должен иметь очень точный коэффициент передачи S такой, чтобы термоэдс, возникающая в термоспае Т_j1, была истинной мерой среднеквадратического значения входного напряжения. Второй термоспай Т_j2, по которому течет постоянный ток I_f, включен последовательно с Т_j1. Выходные напряжения термоспаев имеют противоположную полярность, так что напряжение на входе усилителя постоянного тока А₀, равно разности этих двух напряжений. Если коэффициент усиления этого усилителя достаточно велик, то при сравнительно большом выходном напряжении V₀ разность напряжений двух термоспаев окажется равной нулю. Тогда . Поэтому V₀ является мерой среднеквадратического значения входного напряжения. Точность этого электронного измерителя среднеквадратического значения следует из выражения:

.

Здесь мы предположили, что сопротивление R много больше, чем сопротивление R_d термоспая Т_j2. Коэффициент α служит критерием согласованности термоспаев Т_j1 и Т_j2(α≈1). Величина S выявляется коэффициентом передачи входного каскада: S = I_RMS/V_RMS . Приведенное выражение для V₀ показывает, что абсолютные значения параметров термоспаев Т_j1 и Т_j2 не имеют решающего значения; важно только насколько хорошо они согласованы.

В настоящее время термоспаи заменяют твердотельными интегральными схемами. Они состоят из дифференциального усилителя и пары резисторов. Оба резистора расположены очень близко к переходам база-эмиттер двух входных транзисторов дифференциального усилителя. По одному из резисторов течет ток I_f, в то время как по другому течет измеряемый ток высокой частоты I_RMS. Любое неравенство температур резисторов вызовет появление напряжения смещения в дифференциальном усилителе. Если дифференциальная пара входных транзисторов входит в состав операционного усилителя А₀, то Т_j1, Т_j2 и А₀ на рис. 3.60(b) можно заменить одной интегральной схемой. Измеритель среднеквадратического значения такого типа будет хорошо работать на частотах значительно выше 100 МГц, так как паразитные импедансы гораздо меньше из-за крошечных размеров схемы.