пульсов (измеряемой как количество заряда). Эти выходные импульсь-растягиваются при больших перегрузках, но общие характеристики достаточно хороши по сравнению с обычными предусилнтелями для фотоумножителей.

13.26. Удачные схемы

Несколько удачных широкополосных схем изображены на рис. 13.46.

1 uLm

а о

Рис, 13 46 Удачные схемы.

а - широкополосный повторитель; высокое Z, малая входная С; б - усилитель; высокое Z, малая входная С, в - малошумящий видеоусилитель с малоч входной емкостью (инвертируя щий каскгд)

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ

(1) Проработайте детально высокочастотный режим схемы (рис. 13.Ю), которач кратко описана в разд. 13.05. (а) Начните с повторения расчета частотных характера-стик. стыка предварительного усилителя и выходного каскада, эквивалентная схема которого изображена на рис. 13.12. Будьте внимательны при определении эквивалентных комплексных со1гротпвлений. Напишите одному кз авторов, ослгг вы оС.1аружите ошибку! (б) Теперь обратите внимание ка то, что высокочастотный спад предварительного каскада начинается на суи;ест5зенно более высокой частоте, чем сопрягающая частота ~180 МГц выходного каскада и его возбудителя. Особенно проверьте следующие точки: выходное (эмиттерное) сопротивление каскада Ti, подключенное к емкостной нагрузке (см. рлс. 1311); выход Т^, работающий на почти такую же емкостную нагрузку

(поскольку коллектор не заземлен); эмиттеры Тд н Ti п их емкостную нагрузку; коллектор Т^ с его емкостной нагрузкой.

Смещение

Ш -jf-

Рис. 13.47.

(2) Чему pc-JBHo сорротивление на гходе отрезка коаксиального кабеля, когда (а) па дальнем конце цепь разомкЕ1ута и длина составляет 1/4 длины волны при заданной частоте, (б) на дальнем конце цепь короткозамкнута и длина та же при заданной частоте, (в)тол<:е, что и в п. (а), по длина составляет 1/2 длины волны, (г) тоже, как в п, (б), по длина составляет 1/2 длины волны? На результатах, полученных в п. (г), основана так называемая заглушка , используемая в волноводам.

(3) Подробно решнте задачу определения времен нарастания и спада для високопольт-ион переключательной схемы (рис, !3.39), которая описывалась в разд. 13.23. Примите для С/бэ величину 0,7 В.

(А) Нарастание п спад в шинном возбудителе: рассчитайте времена нарастания п спада для ТТЛ-схемь1 шинного возбудителя на рис. 13.41, как описывалось в разд. 13.24, Примите /(5э=0,7В.

(5) Постройте пидеоусилптсль с коэффициентом \степ1!Я +5 ч спадом частотной характеристики на 2Э Д1Гц или выше. Входное сопротивление доллсрю быть 75 Ом, а выходное долж);о обеспечивать работу на нагрузку 75 Ом при разма.чо напряжения 1 В от пика к пику. Здесь хорошо для построения неичвертирующего усилителя использовать на входе каскад с общей базой и эмиттерный повторитель на выходе, как предлагается на рис. 13.47, Если ваша схема подобна этой, то закончите псстроепие схемы выбором рабочих токов, псмпнатов резисторов и компонентов цепей смещения. Конечно, можно использовать, если вы хотите, нечто подобное комбинации дифференциального усилителя с каскодной схемой и повторителСхМ. Помните, что усиление должно быть неинверТ1{ру!ои;им, иначе изображение будет обратным*.

> Имеется в виду, что при инверсии в случае телевизионного сигнала па экране будет негатив , а в случае осциллографа сигнал окажется перевернутым вверх ногами .- Прим. ред.

Глава 14

ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ

ВВЕДЕНИЕ

Возможно, наиболее увлекательной (и наиболее полезной) областью применения электроники являются сбор и использование данных о технологических процессах или при научных экспериментах. Вообш,е говоря, первичные преобразователи или датчики (устройства, с по-мош,ыо которых некоторые физические величины, такие, например, как температура или светимость, преобразуются в напряжение или другие электрические сигналы) используются для потучения сигналов, которые далее могут обрабатываться Ь электронных схемах, кодироваться с по\[01дью АЦП, запоминаться и анализироваться компьютерами. Если исстедуемый сигнал настолько мал, что его маскируют шумы н помехи, то используются мощные методы выделения частот сигнала, такие, как детектирование с захватом) \ усреднение сиг-налов, многоканальные счетчики, а также корреляционный и спектральный анализы, с помош,ью которых требуемый сигнал восстанав-лнвается. В конце концов результаты таких физических измерений можно использовать для внешнего управления caiMHM экспериментом или для контроля процесса, который обычно обеспечивается небольшиу! компьютером или микропроцессором, предназначенным для такой задачи. Недавние достижения в развитии мощных н недорогих микропроцессоров привели к бурному проникновению электроники в область управления и регпстрадии хода процессов, что не имело прецедентов всего десять лет назад.

Эту главу мы начнем с рассмотрения методов измерения и с описания используемых преобразователей. Здесь есть неограниченные возможности для изобретательской деятельности, поэтому перечень преобразователей, описываемых в этой главе, далеко не полон, а охватывает лишь наиболее типичные. Мы более подробно расскажем о некоторых специфических проблемах, присущих имеющимся измерительным преобразователям, и дадим несколько схемных решений, которыми вы можете воспользоваться. Постараемся охватить наиболее трудные проблемы, включая сверхвысокие сопротивления источников сигналов (сотни мегаом для микроэлектродов или ионных зондов), маломощныелреобразователи с низким сопротивлением (как, например, термопары, тензодатчики, магнитные звукосниматели), высокоимпе-

Синхронное Детектирование.- Прим, рвд^

дансные чувствительные элементы для переменного тока (емкостные преобразователи) и др.

В этой главе мы продолжихМ знакомство с получением прецизионных стандартных значений (стандарты частоты и времени, а также напряжений и сопротивлений) и некоторыми методами прецизионных измерений. Затем более подробно опишем весь процесс сужения полосы и выделения сигнала из шума . Эти методы чрезвычайно мощны и для непосвященных представляются таинственными. В заключение мы кратко расскажем об анализе спектров и методе Фурье. Читатель, которого интересует только конструирование электронных схем, может не читать эту главу.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Иногда бывает, что величина, которую вы хотите измерить, сама по себе является электрической. Примером этому могут служить нервные импульсы (напряжение), проводимость морской воды (сопротивление), поток заряженных частиц (ток) и др. В этом случае измерения оказываются относительно прямыми, а основные трудности связаны с выбором типов измерительных электродов и возможностями обработки сигналов, которые удается получить. Здесь можно столкнуться либо с очень высоким импедансом (как, например, в случае с микроэлектродами), либо с очень слабыми сигналами (ток, возникающий при радиоактивном распаде).

Гораздо чаще требуются приборы, которые могут преобразовывать некоторые физические величины в соответствующие значения электрических сигналов. Сюда можно отнести измерения температуры, уровня свети'мости, магнитного поля, деформации, ускорения, интенсивности звука и т. п. В последующих разделах будут рассмотрены наиболее часто встречающиеся преобразователи входных сигналов, чтобы дать общее представление о тОхМ, что можрю измерять и с какой точностью. Более подробно будут описаны измерения тепла и светового потока, но охватить все возможные измерения в данной книге невоз--

14.01. Температура

Поступающие в продажу датчики температуры имеют очень хорошие характеристики. Это касается как диапазона измеряемой температуры, так и точности, воспроизводимости, универсальности кривых, а также габаритов и стоимости.

Термопары, Если соединить между собой два провода из различных металлов, то на их концах возникнет небольшая разность потенциалов (сопротивление такого источника при этом будет низким!), обычно порядка милливольта, с температурным коэффициентом около 50 мкВГС. Такие соединения называют термопарами, и используются они для измерений температуры в широком диапазоне. Комбинируя

пай

различные пары сплавов, можно измерять температуры от -270 до -f 2500С с хорошей точностью (0,5-2Х). Термоэлектрические свойства различных сплавов хорошо известны, поэтому термопарные зонды в любом виде (щупы, прокладки, бронированные зонды и т. п.), изготовленные из одних и тех же сплавов, могут взаимозаменять-ся без дополнительной калибровки.

Классическая термопарная цепь приведена на рис. 14.1. Специфический подбор металлов, указанный на этом рисунке, составляет термопару, известную как тип J (см. табл. 14.1, в которой приведен список стандартных сплавов и их свойств). Каждая пара изготовляется путем сварки (спайки) двух разных металлов таким образом, чтобы получилось небольшое по размеру соединение - спай. (Известно,

Таблица J4.1

Термопары

>

Рабочий

Рис. 14.1. Классическая схема включения термопары.

Констаатаа: 55%Cti, 45%Ni.

) Долговечность термопары ухудшается при продолжительной работе вблизи максимальной температуры, б) Опорный спай при 0°С. в) Для проводов длиной 3 0 см (для 24-го калибра величина умножается иа 0,25); Г) 55% Си-45% Ni. щ 90% N1 - 1 0% Сг. е> 96% Ni -2% Мп - 2% А1.

ЧТО можно соединить провода, просто скручивая их вместе, но такое соединение не будет работать долго!) Опорный ( холодный ) спай абсолютно необходим, иначе придется иметь дело с добавочными паразитными термопарами, возникающими в точках, где различные металлы соединяются с зажимами измерительного прибора. Эти лишние неконтролируемые термо-э. д. с. в схеме приводят к странным и неточным результатам. Даже при наличии двух термопар на клеммах все же имеют место термонарные соединения, но это редко вызывает ослол<нения, поскольку они одинаковы и находятся при той же теьше-ратуре.

В термопарных cxeiiax напряжение зависит от температуры обоих термосоединений. Грубо говоря, оно пропорционально разности температур между двумя спаями. На практике требуется знание температуры на чувствительном спае. Учесть температуру опорной термопары можно двумя способами: (а) поддерживать на опорном спае постоянную температуру, равную О'С. Обычно для этого используют ванночку

Г-----------------

+ 10 Б у

~1

Канстог1тач

>

Рабочие спал

константак

Спай типа 7

Опорный срай и схема Piic. 14.2. Схема компенсации температуры опорного спая термопары.

С тающим льдом, но можно приобрести прекрасный небольшой стабилизированный по температуре холодильник, который будет выполнять ту же работу. Если измеряются очень высокие температуры, то можно не беспокоиться о тех небольших ошибках, которые возникают, если опорный слой будет находиться при комнатной температуре, (б) Более современные методы заключаются в построении компенси-

рующпх схем, которые корректируют отличие, связанное с тем, что температура на опорном соединении не равна О^С.

На рис. 14.2 показано, как это осуществляется. Основная идея заключается в использовании полупроводникового датчика, воспринимающего температуру холодного спая, и схемы, формирующей поправку к напряжению, т. е. компенсирующей разницу между фактической температурой опорного спая и стандартной (0°С) AD590 (см. следующий раздел об ИС-датчиках температуры) дает на выходе ток (в микроамперах), пропорциональный температуре (в Кельвинах). выбирается в соответствии с термоэлектрическим коэффициентом, в данном случае на этом резисторе 1 мкА/°С преобразуется в 51,5 мкВ/°С (см. табл. 14.1), а опорный трехполюсный источник AD580 (в комбинации с и /з) используется для компенсации тока смещения 273 мкА при 0°С (273,16 К), даваемого AD590. Таким образом, тока коррекции нет, если опорный спай находится при О'С, а если он имеет несколько другую температуру, то к собственному выходному напряжению от пары спаев добавляется 51,5 икЬГС (термоэлектрический коэффициент соединения типа J прн комнатной температуре).

Следует несколько слов сказать об измерительной схеме. Проблема усиления сигналов термопар связана с низким выходным напряжением (50 мкВУС или около этого), большими синфазными помехами промышленной частоты и радиочастотными наводками. Усилитель должен хорошо подавлять синфазные помехи промышленной частоты (60 или 50 Гц) и иметь стабильное дифференциальное усиление. Кроме того, его входное сопротивление должно быть достаточно высоким (порядка 10 кО.м илн более), чтобы предотвратить ошибки от нагружения датчика, поскольку выводы термопар имеют некоторое сопротивление (например, выводы длиной 1,5м соединения типа К 30-го калибра имеют сопротивление 30 Ом).

ПриА4ером решения этой задачи может служить схема, приведенная на рнс. 14.3. Она представляет собой просто обычный дифференциальный усилитель с Т-образ1юй цепью обратной связи, обеспечивающей высокое усиление по напряжению (в данном случае 200) и в то же время с достаточно большим входным сопротивлением, таким, что сопротивление источника не создает заметной погрешности. Операционный усилитель представляет собой прецизионный усилитель, у которого дрейф составляет менее 1 мкВ/°С, благодаря чему эта составляющая ошибки измерения много меньше 50 мкВ, эквивалентных погрешности в 1°С. Благодаря входным шунтирующим конденсаторам ослабляются ВЧ-радиопомехи (термопары и их длинные соединительные линии глогут вести себя подобно радиоантеннам). Поскольку в

Ч Это проблема диапазона. Термопара может работать в очень широком интервале температур, а полупроводниковый датчик - в узком, т. е, возле холодного спая.- Прим. ред.

Синфазные сетевые помехи эти конденсаторы не ослабляют, напротив, общий косе из-за их разбаланса может упасть.- Прим. ред.

любом случае сигнал от термопары очень слаб полезно дополнительно ограничить полосу, подключая параллельно сопротивлению обратной связи конденсатор, как показано на схеме рис. 14.3. В случае возникновения больших трудностей, связанных с радиопомгха>и1, может оказаться необходимым экранировать входные провода и добавить ВЧ дроссели перед входными шунтирующими конденсаторами.

0,01 мьФ

-Vczi-t

cnaii (тип J)

Константам

-ё г

г5 кОм

Опооны! спз'1

0,1 с Ф =

Тепгозои

+ 10 В

Ф-Еыхсд

0,01

-10 3 мВ/С

ОР-0?С

+Z,B1 в 27 к Ом

2 кОм Калибр.

Рис. КЗ Дифференциальный усилитель сигналов термопары с компенсацией оиор-HOIO сгая на выходе.

Заметим, что схема компенсации напряжения на опорном спае термопары на рис. 14.3 подключена к выходной цепи в отличие от обычного способа компенсации напряжения холодного спая термопары на входе, показанного на рис. 14.2. Это сделано для того, чтобы сохранить точный дифференциальный баланс на входе и тем самым обеспечить высокое подавление синфазной помехи, присущее дифференци-

И не содержит высоких частот - термопара достаточно инерционный прибор,- Прим. ред.

То есть обеспечивают высокую чувствительность измерения.- Прим. ред.

альному усилителю. Таи как усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 200, то на выходе схемы компенсация напряжение термо-э. д. с. усиливается до 200x51,5 мкВГС, или 10,3 мВ/Х,

Вместо простого дифференциального усилителя можно использовать измерительный усилитель, показанный на рис, 7.19 (т. 1); в STOM случае существенно улучшатся параметры смещения по постоянному току на входе.

Промышленностью выпускаются комплекты аппаратуры для измерения температур с помощью термопар самых различных конфигураций. Сюда входят вычислительные схемы для преобразования термоэлектрического напряжения в данные о температуре. Например, в цифровых термометрах, изготовляемых фирмами Analog Devieces и Omega Engineering, достигается точность около ГС в интервале температур от -200 до -flOOCC и около 3°С для температур, превышающих +2300°С.

При сравнении с другими методами измерения техмпературы термопары обладают такими преимуществами, как небольшие размеры и широкий интервал температур, кроме того, они особенно хороши для измерения высоких температур.

Термисшоры. Термисторы представляют собой полупроводниковые устройства, у которых температурный коэффициент сопротивления отрицателен и обычно равен приблизительно -4%ГС. Они выпускаются во всевозможных видах, от шариков нз свинцового стекла до бронированных зондов, Термисторы, предназначенные для точных измерений температур (их можно также использовать, например, в качестве элементов схем температурной колмпенсации), обычно имеют сопротивление несколько сотен омов при комнатной температуре, а характеристики их прекрасно укладываются (с точностью до 0,1 - 0,2°С) на стандартные кривые. Высокий коэффициент изменеиня сопротивления делает их очень удобными в эксплуатации, они недороги и стабильны. Для измерения и контроля в области от -50 до Ч-ЗОО^С имеется достаточно богатый выбор термисторов. Относительно легко строятся простые и эффективные схемы пропорционального регулирования температуры , в которых термисторы используются в качестве чувствительных элементов; посмотрите, например, указания RCA по применению ICAN-6158 или же спецификацию Plessey на SL445A.

Из-за своего свойства сильно изменять сопротивление в завнсн.мости от температуры термисторы не предъявляют высоких требований к последующим электрическим схемам Некоторые из простых методов получения выходного напряжения показаны на рис. 14,4. Схема а особенно эффективна при измерениях низких температур, так как сопротивление термистора изменяется по экспоненциальному закону, а схема б имеет несколько более линейный характер изменения выходного напряжения в зависимости от температуры. Схема в пред-

ставляет собой классический мостик Уинстона, уравновешенный при RjlR2= RjRs, поскольку здесь измеряются отношения, нельзя не учитывать отклонений, связанных с изменениями напряжения прятания. Мостовая схема в сочетании с усилителем, обладаюш,им высоким коэффициентом усиления, особенно широко используется для определения небольших изменений вблизи некоторой опорной температуры;

Т Сдвиг

Т Сдвиг

Рис. 14,4. Схемы сключеиня тер. исторов,

при малых отклонениях выходное (дифференциальное) напряжение линейно зависит от величины разбаланса. Во всех термисторпых схемах надо учитывать явление саморазогрева. Обычные небольшие тер-RH-icTopHbie зонды имеют коэффициент рассеяния, равный 1 мВт/С, т. е, нагрев, соответствующий I-R, должен не превышать 1 мВт, если вы хотите иметь точность считывания температуры не хуже чем 1 град.

В свободную продажу поступает комплект приборов для измерения температур, использующих термисторы с подходящими характеристиками. Эти устройства включают в себя встроенные вычислительные схемы для преобразования считываемого сопротивления непосредственно в данные о температуре. Например, универсальный регистратор-самописец 3467А фирмы Hewlett - Packard измеряет температуру от -80 до Н-80°С с точностью 0,3°С н до -[-150С с меньшей точностью.

Термисторный метод измерения по сравнению с другими проще и точнее, но термисторы чувствительны к саморазогрезу, хрупки и пригодны для узкой области температур.

Платиновые термометры сопротивления. Эти устройства представляют собой просто катушку из очень чистой платиновой проволоки с положительным температурным коэффициентом сопротивления, равным приблизительно 0,4%/°С. Платиновые термометры чрезвычайно стабильны во времени и имеют кривую, очень точно (0,02-0,2°С) совпадающую со стандартной. С ними можно работать в весьма широкой области температур от -200 до +1000°С, но стоимость нх высока.