Аналоговые измерительные устройства

6.3.1. Преобразователи амплитудных значений.

          Преобразователи амплитудных значений (ПАЗ) можно разделить: на пассивные и активные; на однополупериодные и двухполупериодные. Пассивные ПАЗ представляют собой диодно-конденсаторные схемы и используются в основном на входе измерительных устройств, в которых выпрямление сигнала предшествует усилению. Применяются две основные схемы выпрямителей амплитудного значения (амплитудных детекторов): с открытым (рис. 2.4,а) и закрытым (рис. 2.4,б) входом.

Пассивные преобразователи амплитудных значений

          На рис.2.4 показаны схемы (рис.2.4,а,б) и временные диаграммы (рис.2.4,в) пассивных однополупериодных ПАЗ.

       

    а)                                                 б)

      
в)
Рис.2.4

          В положительный полупериод входного конденсатор СР заряжается. Постоянная времени заряда τЗАР определяется значением емкости СР и суммой сопротивления открытого диода и внутреннего сопротивления  объекта измерения. Разрядка конденсатора происходит при закрытом диоде с постоянной времени τРАЗР, определяемой значением емкости и разрядным сопротивлением  RP (внутреннее сопротивление объекта измерения в схеме 2.4,б можно не учитывать, так как оно много меньше разрядного). Постоянные времени выбирают из соотношений

;   ,   (2.13)
где fmin и fmax - минимальное и максимальное граничные значения диапазона частот измерительного прибора.
          При выполнении условий (2.13) напряжение на конденсаторе представляет собой слабо пульсирующее напряжение (рис. 2.4, в). Чем τРАЗР больше периода, тем ближе среднее значение к амплитуде положительной полуволны измеряемого напряжения.
          Если в схеме с закрытым входом выделить среднее значение напряжения посредство ФНЧ, то напряжение на выходе такой схемы для сигналов без постоянной составляющей практически такое же, как и на выходе схемы с открытым входом.
          Если сигнал содержит постоянную составляющую, то напряжение на выходе схемы с открытым входом (рис. 2.4,а) равно алгебраической сумме постоянной составляющей и амплитуды положительной полуволны измеряемого напряжения. В схеме с закрытым входом (рис. 2.4,б) выходное напряжение равно амплитуде положительной полуволны.
          Как видно из графика (рис. 2.4,в) видно, что отпирание диода и подзаряд конденсатора происходит лишь в короткие промежутки времени θ (θ – угол отсечки является сложной функцией параметров выпрямительной цепи), когда  напряжение  U  превосходит по значению UC.  Среднее значение выходного напряжения связано с амплитудой Um измеряемого напряжения соотношением
.                                                (2.14)
          Амплитудные (пиковые) детекторы работают в режиме с малыми углами отсечки и в этом случае
,                                           (2.15)
где RПР и RОБР – прямое и обратное сопротивления диода.
          Погрешность преобразователя определяется как
                                                (2.16)
          Если ПАЗ регулировался на частоте f0, то частотная погрешность в области низких частот может быть определена по выражению
.                                          (2.17)
          Если регулировка производилась на достаточно высокой частоте, то
.                                                (2.18)
         На рис. 2.5 показана эквивалентная схема ПАЗ на высоких частотах. В этой схеме  LЭКВ  и  CЭКВ  –  эквивалентные  индуктивность  и  емкость  монтажа;  CВХ – входная емкость выпрямительного элемента;  RВХ - эквивалентное сопротивление нагрузки ПАЗ, определяемое RР,  сопротивлением фильтра  и  входным сопротивлением Рис.2.5  усилителя.    Как  правило,   RВХ  весьма  велико и  в области высоких частот  не оказывает влияния на работу схемы.  
          Относительную погрешность в области высоких частот можно определить следующим образом
,                                             (2.19) 
          Важной метрологической характеристикой является входное сопротивление, которое для рассмотренных схем можно выразить в виде:
          а) для схемы с открытым входом
,                                                (2.20)
          б) для схемы с закрытым входом
.                                                (2.21)
          На рис. 2.6 изображены схемы  двухполупериодных   амплитудных   преобразователей. Рассмотрим  работу двухполупериодного ПАЗ, показанного на рис. 2.6,а.  Пусть на вход ПАЗ подается переменное напряжение с положительной амплитудой Um1 и отрицательной Um2. В положительный полупериод  VD1 открыт и конденсатор C1 заряжается до напряжения,  соответствующего положительной амплитуде Um1. В отрицательный полупериод VD1 закрыт, а к конденсатору  прикладывается напряжение равное сумме UC1 и Um2. Вследствие этого  конденсатор  C2  заряжается  до  напряжения  равного сумме амплитуд  Um1 + Um2.  Постоянная   времени τ = RC2   выбирается много большей времени периода Т, поэтому напряжение на конденсаторе C2 сохраняется близким к полному размаху напряжения UВХ.

а                                                         б
Рис. 2.6
          В схеме на рис. 2.6,б конденсатор C1 заряжается до напряжения соответствующего амплитуде Um1 положительной полуволны, а конденсатор С2 заряжается до напряжения, соответствующего Um2  амплитуде отрицательной полуволны. Выходное напряжение будет равно  UВЫХ  = Um1 + Um2.
          Пассивные ПАЗ широко применяются в схемах широкополосных вольтметров, когда верхняя граничная частота диапазона прибора лежит в области десятков и сотен МГц.
          Недостатком амплитудных преобразователей является нелинейность характеристики при малых входных сигналах. Поэтому рассмотренные ПАЗ реально нельзя использовать при напряжениях ниже одного вольта, если только шкалу вольтметра не сделать нелинейной.
          Применяя компенсацию, можно значительно уменьшить нелинейность амплитудного детектора при малых сигналах. На рис. 2.7 показан усилитель амплитудного значения, который преобразует амплитудное значение входного переменного напряжения UВХ(t) в выходное напряжение UВЫХ(t), имеющее намного больше амплитудное значение. Частота f0 выходного сигнала, генерируемого внутренним генератором Г, произвольна и постоянна. Выходной синусоидальный сигнал генератора регулируется модулятором М так, чтобы амплитуда переменного сигнала на выходе была равна величине выходного сигнала усилителя постоянного тока У. Усилитель  усиливает разность потенциалов между выходами амплитудных детекторов. Первый детектор   преобразует в постоянное напряжение входной сигнал UВХ, а на другой детектор (компенсирующий детектор) поступает часть переменного напряжения с выходы модулятора. Если коэффициент усиления усилителя велик, то выходное напряжение второго детектора точно компенсирует выходное напряжение первого детектора. Если нелинейные характеристики обоих детекторов одинаковы (и не зависят от частоты), получим, что амплитудные значения напряжений на входах детекторов должны быть равны. Амплитудное значение выходного напряжения UВЫХ будет в К = (R1 + R2 )/R1  раз больше, чем амплитудное значение  входного напряжения UВХ.  При большом коэффициенте усиления такой сигнал легко продетектировать  амплитудным детектором. Например, при  f0= 100 кГц  и  (R1 + R2)/R1 = 100 можно получить линейный амплитудный детектор с высокой чувствительностью в частотном диапазоне до сотен мегагерц.

Рис. 2.7

Активные ПАЗ

          Использование выпрямительных элементов в сочетании с ОУ позволяет существенно снизить порог чувствительности ПАЗ (на один - два порядка по сравнению с пассивными ПАЗ), уменьшить влияние нелинейности и нестабильности характеристик выпрямительных элементов.
          На схемах рис. 2.8 показаны схемы простых активных ПАЗ.

а)                                    б)                                       в)
Рис. 2.8
          В схеме (рис. 2.8,а) при подаче на неинвертирующий вход ОУ напряжения UВХ > 0 конденсатор С заряжается до амплитуды входного сигнала. Когда напряжение UВХ примет значение меньшее, чем амплитудное, то  за счет того, что на неинвертирующем входе ОУ напряжение станет меньше, чем на инвертирующем входе, напряжение на выходе ОУ станет отрицательным и диод  VD закроется. В дальнейшем диод будет закрыт до тех пор,  пока  входное напряжение не превысит напряжения на конденсаторе С. Резистор R1 ограничивает ток разряда конденсатора через входную цепь ОУ. Резистор R2 ограничивает выходной ток ОУ при заряде конденсатора С.
          В схеме показанной на рис. 2.8,б диод VD2 фиксирует выходное напряжение ОУ на уровне, равном  - UD,  что уменьшает время необходимое для перехода  от режима разряда конденсатора к режиму заряда.
          Амплитудный преобразователь, схема которого показана на рис.2.8,в, имеет низкое выходное сопротивление,   благодаря повторителю, выполненному на ОУ А2.
          В амплитудных преобразователях необходимо предусматривать цепи, производящие периодический разряд запоминающего конденсатора.
          Погрешность преобразования определяется неидеальностью ОУ, конечным сопротивлением обратного сопротивления диодов и наличием тока утечки запоминающего конденсатора.
          Практически активные ПАЗ не используются в широполосных вольтметрах, основанных на структуре выпрямитель усилитель, так как не обеспечивают высоких значений верхней граничной частоты полосы пропускания. В основном активные ПАЗ применяются при создании преобразователей амплитудных значений импульсных сигналов.
          Следует отметить, что в вольтметры с амплитудными детекторами реагируют на амплитудное значение напряжения. Однако чаще всего они градуируются в действующих значениях напряжения при синусоидальной форме кривой. Такая градуировка равносильна делению показаний вольтметра на коэффициент амплитуды синусоиды (. При изменении формы кривой напряжение на выходе ПАЗ остается равным амплитудному значению измеряемого напряжения, но соотношение между амплитудным и действующим значениями (коэффициент амплитуды)  изменяется и становится неравным . Градуировка, выполненная при  , новому коэффициенту амплитуды  не соответствует, что приводит к появлению погрешности, которая определяется как
.                                                        (2.22)
          Если кривая имеет более острую форму, чем синусоида,  и прибор имеет положительную погрешность. При более плоской кривой, чем синусоида, кривой  и погрешность отрицательна.
          При ассиметричной форме кривой на показания прибора с однополупериодным ПАЗ влияет инвертирование входного напряжения.


© Copyright 2008, SLAiPS. All Rights Reserved. | Design by Design by analogiu.ru