Измерительный усилитель

Дополнительный материал к лекции 13 для самостоятельной работы

Измерительнными называются усилители, которые имеют калиброванный стабильный коэффициент усиления по напряжению ила мощности и позволяют с помощью встроенных индикаторов определять параметры входных сигналов. Они предназначены для использования в качестве предварительных усилителей слабых сиг­налов постоянного и переменного токов, а также в качестве выход­ных усилителей мощности.

Измерительный усилитель обладает линейной зависимостью выходного напряжения или тока от соответствующих входных параметров. Такой усилитель отли­чается малыми погрешностями амплитудной характеристики, хо­рошей стабильностью и, как правило, имеет высокое входное и низкое выходное сопротивления.

Измерительные усилители по роду усиливаемого сигнала де­лятся на усилители постоянного и переменного тока, причем по­следние, в отличие от рассмотренных ранее усилителей, обычно строятся для работы в широкой полосе частот входного сигнала.

Непосредственное усиление сигналов постоянного тока (при малой величине этих сигналов) затруднительно потому, что нуле­вой уровень и связанные с ним параметры усилителя зависят от режимов его работы в гораздо большей степени, чем в усилите­лях переменного тока. Поэтому усилители прямого усиления постоянного тока обычно строятся лишь для работы на сравни­тельно больших уровнях сигналов (единицы и десятки милли­вольт). Наилучшими из этого класса являются усилители, построенные по принципу балансных схем. Температурный дрейф диффе­ренциального усилителя постоянного тока, выполненного на крем­ниевых транзисторах без специального подбора, составляет в сред­нем 2,4 мкВ/град, достигая в худшем случае 8,1 мкВ/град. Более высокими параметрами обладают усилители постоянного тока, работающие по принципу усиления несущей частоты с двукрат­ным преобразованием сигнала на входе и выходе..

Чувствительность измерительных усилителей по току может достигать десятых долей наноампер, а по напряжению — нескольких микровольт. Из­мерительные усилители, предназначенные для повышения мощнос­ти источников звукового и ультразвукового диапазонов, имеют вы­ходную мощность 2... 6 Вт.

Измерительные усилители широко применяются в технике ра­диоизмерений, при испытаниях, калибровки и для поверках радиоизмерительных приборов в качест­ве образцовых и вспомогательных средств измерений. Использова­ние: измерительных усилителей в комплекте с осциллографами, анализаторами спектра, вольтметрами и другими приборами зна­чительно повышает их чувствительность.

Погрешности усилителя в измерительной схеме определяются не только помехами, но также и искажениями в преобразовательно -усилительном тракте, которые вызываются:

1) шумами транзисторов (влияние которых обычно прояв­ляется при создании усилителей, работающих в более-менее ши­рокой полосе частот);

2) нелинейными искажениями в преобразовательно -усилитель­ном тракте;

3) линейными, главным образом фазовыми, искажениями в тракте;

4) пульсациями напряжения источника питания (при недо­статочной фильтрации).

В измерительных усилителях переменного тока, обычно предназначенного для усиления сигнала в широком частотном диапазоне, погрешность связана с частотными искажениями.

Уменьшение погрешностей усилителя, возникающих в усили­тельном тракте, достигается использованием отрицательных об­ратных связей, тип и глубина которых определяются общими требованиями к измерительному усилителю и параметрами приме­няемых преобразователей и усилителя несущей частоты. Нели­нейность амплитудной характеристики усилителя выражается в процентах следующей формулой:

δ= ∆U_вых /U _{вых макс.} ·100 %, (1. 99)

U _{вых.Макс} — номинальное (максимальное) выходное напря­жение усилителя.

Усилители обычно строятся по схеме - многокаскадного усиления с применением разнообразных видов местной и общей отрицатель­ной обратной связи для обеспечения стабильности коэффициента передачи и частотной характеристики.

Структурная схема измери­тельного усилителя представлена на рисунок 1.99.

Рисунок 1.99 – Структурная электрическая схема измерительного усилителя

Она включает в себя резисторные или резисторно - емкостные делители напряжения — аттенюаторы, предварительные каскады усиления, промежуточные и выходные каскады. Для определения исследуемых входных напряжений в схему усилителя вводят индикатор уровня PV.Управление коэффициентом усиления производится с помощью межкаскадных аттенюаторов. В качестве первого каскада пред­варительного усиления используется схема повторителя, обеспечи­вающая увеличение входного

сопротивления и уменьшение входной емкости измерительного усилителя. В усилителях, предназна­ченных для измерения слабых постоянных токов, так называемых. электрометрических усилителях, первые каскады усиления

выпол­няются в выносном измерительном блоке, разрешающем непос­редственное подключение к источнику исследуемого напряжения.

Классификация измерительных усилителей. В соответствии с действующими стандартами в обозначение ти­па измерительного усилителя входит прописная буква русского ал­фавита У. Применяемые измерительные усилители подразделяют­ся на (соответственно основной выполняемой функции) виды. Ви­дам усилителя присваивается буквенно-цифровое обозначение:

У2 — усилители селективные, предназначенные для усиления слабых сигналов определенных избираемых частот;

УЗ — усилители высокочастотные, предназначенные для усиле­ния напряжения высоких и сверхвысоких частот;

У4 —- усилители низкочастотные, предназначенные для усиле­ния напряжения переменного тока инфразвуковых, звуковых или ультразвуковых частот (до 200 кГц);

У5 — усилители напряжения постоянного тока, предназначен­ные для усиления медленно изменяющегося или постоянного на­пряжения;

У7 — усилители универсальные, предназначенные для усиле­ния напряжения постоянного и переменного токов.

После цифры, обозначающей вид усилителя, ставится дефис (черточка) и затем порядковый номер модели усилителя. Так. на­пример, надпись на усилителе

УЗ-33 говорит о том, что это трид­цать третья модель измерительного высокочастотного усилителя.

Метрологические характеристики измерительных усилителей. Каждый прибор, в том числе и измерительный усилитель, выпус­каемый промышленностью, снабжают техническим описанием, со­держащим указания об особенностях схемы и конструкции, изло­жение методики измерения, инструкцию по обслуживанию, а так­же техническую характеристику. Последняя играет основную роль при выборе прибора для проведения измерений. Помимо данных, не влияющих на точность измерений (массы, габаритных размеров, потребляемой от сети мощности и т. п.), в техническую характе­ристику включают данные, являющиеся основой оценки точности измерений с помощью средства измерений — метрологические ха­рактеристики.

Метрологическими характеристиками называются характерис­тики средств измерений, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Для каждого вида средств измерений, ис­ходя из их специфики и назначения, определяется комплекс метрологических характеристик, указываемый в нормативно-техничес­кой документации.

В этот комплекс включают такие характеристики, которые по­зволяют определить погрешность данного средства измерений в известных рабочих условиях его эксплуатации.

Таким образом, метрологическими характеристиками измери­тельных усилителей называются характеристики, определяющие условия эксплуатации,

при соблюдении которых действительные значения погрешности не превышают заданных.

Метрологические характеристики нормируются, т. е. им припи­сываются определенные числовые значения. Совокупность метро­логических характеристик для каждого конкретного измеритель­ного усилителя содержит указание о назначении усилителя, облас­ти возможного его применения, погрешности измерений.

К нормируемым метрологическим характеристикам измеритель­ных усилителей относятся:

- назначение усилителя, которое оговаривается в полном его на­именовании.

Полное наименование служит основой выбора типа усилителя для целей

усиления и измерения исследуемых сигналов;

- диапазон частот;

- неравномерность частотной характеристики;

- максимальный коэффициент усиления;

- диапазон изменения коэффициента усиления;

- погрешность установки коэффициента усиления;

- допустимое напряжение собственных шумов усилителя;

- приведенная основная погрешность индикатора выходного на­пряжения;

- допустимый коэффициент гармоник выходного напряжения;

- выходные параметры усилителя;

- входные параметры усилителя и др.

Усилители постоянного тока, имеющие дифференциальный вход, характеризуются значением коэффициента ослабления синфазных входных напряжений и значением дрейфа нуля, приведенного ко входу усилителя. К метрологическим характеристикам измеритель­ных усилителей относятся также неинформативные параметры сиг­налов, динамические характеристики, функции влияния и наиболь­шие допустимые изменения метрологических характеристик уси­лителей в рабочих условиях эксплуатации.

Таким образом, входной и выходной сигналы измерительных усилителей характеризуются информативными и неинформатив­ными параметрами.

Информативный параметр входного сигнала является непосред­ственно измеряемой величиной (например, номинальное входное на­пряжение) или величиной, функционально связанной с измеряемой (например, напряжение собственных шумов усилителя, приведен­ное ко входу).

Неинформативный параметр не связан функционально с измеря­емой величиной, но влияет на метрологические характеристики уси­лителя (в частности, на его погрешность). Например, при измере­нии входного напряжения информативным параметром является максимальное значение напряжения, а неинформативным — его частота. Аналогично выходной сигнал измерительного усилителя может быть охарактеризован информативными и неинформативны­ми параметрами. На метрологические характеристики измерительных усилителей существенное влияние оказывают внешние физические воздействия (климатические, механические, электромагнитные) и изменения па­раметров источников питания — влияющие величины.

Условия эксплуатации измерительных усилителей могут быть
нормальными и рабочими. Они отличаются диапазоном изменения
неинформативных параметров входного сигнала и влияющих ве­личин.

Нормальными называются условия, для которых нормируется основная погрешность измерительных усилителей, т. е. погрешность коэффициента усиления или основная приведенная погрешность встроенного в усилитель измерительного прибора. При этом влия­ющие величины и неинформативные параметры входного сигнала имеют нормальные значения. Например, для измерительного уси­лителя У4-28 установлены нормальные температурные условия — от 283 до 308 К (от 10 до 35°С). В этом температурном диапазоне гарантируется основная погрешность, не превышающая значения, указанного в техническом описании измерительного усилителя. Од­нако прибор может работать и в более широком диапазоне тем­ператур. И в этом случае нормируется дополнительная погрешность, связанная с влиянием температуры окружающей среды. В техни­ческом описании усилителя У4-28 указывается, что дополнитель­ная погрешность измерительного прибора от изменения темпера­туры окружающей среды на каждые 10°С не превышает половины основной погрешности.

Функцией влияния называется зависимость изменения метроло­гической характеристики измерительного усилителя от изменения влияющей величины или неинформативного параметра входного сигнала в пределах рабочих условий эксплуатации. Функция вли­яния может нормироваться в виде формулы, графика или таблицы. Так, для высокочастотных измерительных усилителей дополнительная погрешность от частоты или длительности фронта исследуемого импульса задается виде графика. Например, для усилителя У3-29 график поправок имеет вид (Рисунок 1.100).

1- график поправок для переднего фронта импульса;

2 – график поправок для спада импульса

Рисунок 1.100- График поправок для усилителя

Динамические характеристики определяют инерционные свой­ства измерительных усилителей и представляют собой зависимость информативного параметра выходного сигнала от меняющихся во времени параметров входного сигнала. К динамическим относятся переходная, амплитудная и фазово-частотная характеристики уси­лителя. Динамические свойства измерительных усилителей характери­зуются также быстродействием — скоростью и временем измерения (временем установления показаний).

Скорость измерения опреде­ляется максимальным числом измерений в единицу времени, вы­полняемых с нормированной погрешностью.

Время измерения — время, прошедшее с момента начала измерения до получения ре­зультата с нормированной погрешностью. Наряду с условиями эксплуатации для всех измерительных усилителей задаются предельные условия транспортирования и хра­нения, не изменяющие метрологических свойств усилителей после их возвращения в рабочие условия.