Файл: Илюкович А.М. Измерительные усилители малых токов с логарифмической характеристикой.pdf

Относительная длительность переходного процесса, по истечении которого обеспечивается заданная относи­ тельная погрешность измерения тока 81, может быть определена в виде

На рпс. 23,а и б приведены зависимости погрешности измерения тока от относительной длительности переход­ ного процесса при разных значениях т, из которых сле­ дует, что при увеличении измеряемого тока изменение погрешности пропорционально логарифму т, а при уменьшении тока оно практически не зависит от пъ.

Рис. 23. Зависимости относительного времени установления показа­ ний от остаточной погрешности.

Переходная характеристика логарифмического изме­ рительного усилителя в большинстве реальных случаев является линейным преобразованием переходной харак­ теристики ЛЭ, поскольку постоянная времени линейного усилителя, как правило, значительно меньше постоян­ ной времени ЛЭ в диапазоне измеряемых токов. Кон­ кретный вид переходной характеристики логарифмиче­ ского измерительного усилителя (при прочих равных условиях) зависит от схемы включения ЛЭ и napaMei- ров линейного усилителя. При этом временные зависи­ мости остаются без изменения, за исключением влияния емкости входных цепей усилителя на т.

Для усилителя по схеме на рис. 21,а справедливо следующее выражение:

1Г = 1/ ? д ( С + С в х ) ,

Г Д Р Свх — емкость входных цепей ЭМУ.

57

Аналогичная зависимость имеет место для усилите­ лей по схемам на рис. 21,г и д, с той разницей, что в этом случае — динамическое сопротивление, а С — емкость участка сетка — катод ЛЭ. При значительной емкости входных цепей (источника измеряемого тока, соединительного кабеля и т. п.) т может достигать до­ вольно больших значений, существенно снижая быстро­ действие логарифмического измерительного усилителя.

Схемы на рис. 21,6, в, в этом отношении имеют преи­ мущество, поскольку для них

х=<яя( с + с 0Х/ щ ,

где /Ср — глубина обратной связи ЭМУ; в реальных слу­ чаях /Ср велико, откуда следует, что быстродействие таких усилителей практически не зависит от емкости, входных цепей.

Аналитическое исследование быстродействия лога­ рифмических измерительных усилителей с полупровод­ никовыми ЛЭ связано с необходимостью решения диф­ ференциальных уравнений с переменными коэффициен­ тами, поскольку емкость ЛЭ не остается постоянной в диапазоне рабочих токов. В связи со сложностью ре­ шения названной задачи быстродействие таких усилите­ лей обычно определяют экспериментальным путем.

11. Специальные логарифмические измерительные усилители малых токов

Обычный логарифмический усилитель позволяет из­ мерять токи только одной полярности, что обусловлено детектирующими свойствами ЛЭ. Однако в ряде случаев возникает необходимость измерения токов обеих поляр­ ностей при сохранении остальных особенностей логариф­ мического измерительного усилителя. Решение этой задачи достигается в настоящее время применением в схеме усилителя двух ЛЭ в параллельном или встреч­ но-параллельном включейиях.

Наиболее просто выполняется схема двухполярного логарифмического усилителя на полупроводниковых ди­ одах. В этом случае логарифмирующий преобразователь представляет собой встречно-параллельное соединение диодов, обладающее симметричной характеристикой (рис. 24,а). В области малых токов (меньше нижнего предела динамического диапазона характеристики ди­

58

ода) логарифмическая зависимость нарушается, поэтому этот участок характеристики усилителя является нера­ бочим.

Несколько сложнее реализовать встречно-параллель­ ное соединение электровакуумных диодов, поскольку в этом случае приходится осуществлять питание цепи накала хотя бы одного диода от хорошо изолированного источника напряжения Ь\ или U2 (рис. 24,6). Примене-

Рис. 24. Д.вухполярные ЛЭ на полупроводниковых (а) и элек­ тровакуумных (б) диодах и двухполярные логарифмические усилители с транзисторными (в) и диодными (г) ЛЭ.

ние диодов с косвенным накалом не решает проблемы, так как сопротивление изоляции между катодом и нитью накала довольно мало. Характеристики электровакуум­ ных диодов в отличие от полупроводниковых не прохо­ дят через нуль, в связи с чем в этом случае симметрич­ ность характеристики усилителя получить труднее.

Для обеспечения двухполярности логарифмических измерительных усилителей с трехзажимным включением транзисторов применяются транзисторы разной прово­ димости, включаемые параллельно в цепь обратной свя­ зи ЭМУ обычным образом (рис. 24,в). В последнее вре­ мя отечественной промышленностью освоен выпуск диф­

. 59

фузионных транзисторов с проводимостью типа р-п-р (КТ349, КТ350 и др.), что дает возможность построения двухполярных логарифмических усилителен на отечест­ венных элементах. Однако логарифмические характери­ стики названных транзисторов пока не исследованы.

В общем случае калибровку передаточной характери­ стики двухполярного логарифмического измерительного усилителя необходимо производить отдельно на каждой полярности, поскольку по смещению и крутизне характе­ ристики применяемые ЛЭ могут отличаться друг от друга. Функциональная схема усилителя с регулировкой по смещению и крутизне в цепи каждого ЛЭ приведена на рнс. 24,г.

Электровакуумные ЛЭ в триодном п пентодном вклю­ чениях не позволяют осуществить измерение двухполяр­ ных токов, поскольку катод лампы соединен с общим зажимом входа и выхода н в связи с этим не может быть включен в высокоомную цепь.

Логарифмическая характеристика электровакуумных ЛЭ не имеет нулевой точки, т. е. нулевому значению то­ ка через ЛЭ соответствует определенное, отличное от нуля значение напряжения на ЛЭ. Характеристики по­ лупроводниковых ЛЭ имеют нулевую точку, т. е. нуле­ вому значению тока соответствует нулевое (точнее близкое к нулю) значение напряжения, однако характе­ ристика в области нуля значительно отличается от лога,- рифмической. Это вызывает необходимость ограничения динамического диапазона измерительного усилителя определенным значением минимального тока. При умень­ шении тока динамическое сопротивление ЛЭ увеличи­ вается, а измерительный усилитель выходит за пределы рабочего участка характеристики. При этом возникают перегрузки как в схеме усилителя, так и в измерителе выходного напряжения. Кроме того, значительно увели­ чивается время установления показаний при подаче измеряемого тока, поскольку динамическое сопротивле­ ние ЛЭ (а, следовательно, и постоянная времени) в об­ ласти нулевых значений токаможет быть очень боль­ шим.

Для устранения этого недостатка в некоторых случа­ ях целесообразно использовать усилители с так называе­ мыми псевдологарифмическими характеристиками. Такие характеристики получаются при подаче на вход прибора (от отдельного источника) тока со значением, равным

60

значению минимального тока динамического диапазона усилителя [Л. 82]. Псевдологарнфмическая .характеристи­ ка описывается выражением

^ВЫХ= A o + A i lg(/+/o) + А(/+/о),

где / — измеряемый ток; / 0 — ток встроенного источника. Псевдологарнфмическая характеристика близка к ло­ гарифмической зависимости только при условии / » / 0; усилитель с такой характеристикой имеет повышенное значение погрешности в области минимальных токов ди­ намического диапазона, обусловленных неточностью установления тока / 0. Применение такого усилителя в качестве функционального преобразователя ограниче­

конструктивными трудностями. В связи с этим усилители с псевдологарифмическими характеристиками не нашли широкого применения.

Г Л А В А Ч Е Т В Е Р Т А Я

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА НА ОСНОВЕ ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

ИМЕТОДЫ ЕЕ ПОВЕРКИ

12. Логарифмические измерители малых токов

ибольших сопротивлений

Логарифмические измерители малых постоянных то­ ков широко применяются как самостоятельные измери­ тельные приборы, а также используются в виде основ­ ных узлов различной электрометрической аппаратуры.

По сути дела логарифмический измеритель малых токов представляет собой логарифмический измеритель­ ный усилитель, выходное напряжение которого изме­ ряется встроенным прибором, градуированным в еди­ ницах тока. Основные параметры измерителя (пределы измерения, погрешность измерения, температурная по­ грешность, дрейф показаний, время установления пока­ заний) определяются свойствами логарифмического из­ мерительного усилителя и измерителя выходного напря­ жения.

61

Пределы измерения тока с нормированной погреш­ ностью зависят от динамического диапазона и погреш­ ности логарифмического измерительного усилителя, а также от предела измерения и погрешности измерителя выходного напряжения. Рассмотрим вопрос о влиянии названных погрешностей на общую погрешность измери­ теля тока более подробно.

Погрешность логарифмического измерителя малых токов зависит от погрешности калибровки передаточной характеристики логарифмического измерительного уси­ лителя и погрешности измерения выходного напряжения и равна

где у — приведенная погрешность измерителя выходного напряжения; а — число декад динамического диапазона логарифмического измерительного усилителя, то выра­ жение (18) примет вид

Анализируя последнее выражение, приходим к вы­ воду, что для реальных измерителен, в которых приме­ няются стрелочные приборы с у ^0,5% , вторая состав­ ляющая погрешности может принимать довольно боль­ шие значения, особенно в шнрокодиапазонных измери­ телях. Снижение погрешности измерения тока может быть достигнуто за счет применения высокоточных изме­ рителей выходного напряжения (потенциометров, циф­ ровых вольтметров), однако при этом значительно усложняются конструкция прибора и процесс измерения. Одним из достаточно простых и эффективных решений является применение в целях снижения погрешности из­ мерения выходного напряжения дифференциального из­ мерителя с суженным на время отсчета пределом изме­ рения (рис. 25). Измеритель выходного напряжения

62

в этой схеме содержит стрелочный прибор И, два доба­ вочных резистора Ri и Rz, источники напряжения Ui—Un

ипереключатель Пр. В режиме широкодиапазонного из­ мерения переключатель находится в верхнем положении

ипределы измерения напряжения определяются суммой

сопротивлений резисторов Ri и Rz- Перед отсчетом изме­ ряемого значения тока переключатель переводится в од­ но из нижних положений. При этом в цепь прибора И включаются только одни добавочный резистор Rz и со­ ответствующий источник напряжения, так что пределы

Рис. 25. Принципиальная схема логарифмического измерителя тока с дифференциальным измерите­ лем выходного напряжения.

измерения напряжения определяются напряжением ис­ точника и сопротивлением резистора R%. Выбрав соот­ ветствующим образом значения напряжений и i— Un и сопротивления резистора Rz, можно перекрыть весь диа­ пазон выходных напряжений усилителя с достаточной дискретностью. В этом случае п в выражении (19) уменьшается пропорционально числу поддиапазонов из­ мерения напряжения, обеспечивая значительное умень­ шение погрешности измерения тока. На практике удоб­ но уменьшать п до одной декады тока. В этом случае погрешность измерения тока при погрешности калибров­ ки 0,8—2,2% и классе стрелочного прибора 0,5— 1,5% (см. пример в гл. 3) составит:

8/ = У (8/к)2 + (yin 10)2 = 1,5-*- 4°/0.

Поскольку погрешность калибровки не превосходит значений, соответствующих крайним точкам диапазона токов, а приведенная погрешность стрелочного прибора постоянна, относительная погрешность измерения тока логарифмическим измерителем во всем диапазоне не превышает определенного значения (в отличие от линей-

63