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

Т — погрешность индикаторного прибора.

Устранение постоянной составляющей помехи по напряжению может быть осуществлено введением регулируемого источника на­ пряжения U9 в цепь обратной связи.

В табл. 1 приведены технические характеристики некоторых се­ рийных комбинированных электрометрических измерителей тока и напряжения.

Измерители малых токов с логарифмирующими элементами вы­ полняются по схемам, аналогичным схемам измерителей с резистив­ ными преобразователями. В частности, в измерителях иа основе электровакуумных или полупроводниковых диодов в большинстве случаев применяется схема на рис. 5, где вместо резистора Rnv

включается логарифмирующий элемент. Однако в связи с тем, что в практике находят широкое применение миогополюсиыеЛЭ, схемы логарифмических измерительных усилителей более разнообразны. Рассмотрению схемных особенностей таких усилителей посвящена гл. 3.

Г Л А В А В Т О Р А Я

ЛОГАРИФМИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

4. Параметры логарифмирующего элемента как преобразователя ток — напряжение

Наряду с резистивными и емкостными преобразова­ телями для преобразования малых токов в напряжение используются также логарифмирующие элементы с есте­ ственной нелинейностью: полупроводниковые диоды и транзисторы, электровакуумные диоды и многоэлектрод­ ные лампы. Вольт-амперную характеристику логарифми­ рующего элемента независимо от его физических особен­ ностей и схемы включения целесообразно представлять в виде полинома первой степени с логарифмическим аргументом и остаточным членом

где U — выходное напряжение ЛЭ; / — входной (изме­ ряемый) ток; do, oi — постоянные коэффициенты; AU(I) — остаточный член, учитывающий отклонение вольт-ампер- ной характеристики от логарифмической зависимости.

Параметры ао и -си, а также A)U(I) полностью описы­ вают статическую характеристику ЛЭ. Однако эти па­ раметры не получили до настоящего времени общепри­ знанных наименований. В целях четкости дальнейшего изложения назовем коэффициент ао смещением логариф­ мической характеристики, ai — крутизной логарифмиче-

20

ской характеристики и Л11(1) — напряжением нелиней­ ности логарифмической характеристики ЛЭ.

В качестве аргумента (5) примем логарифм отноше­ ния измеряемого тока к значению 1 А, что позволит рас­

сматривать аргумент как безразмерную величину. При этом размерность всех параметров характеристики — единицы напряжения.

Диапазон токов, в котором отклонение (5) от лога­ рифмической зависимости не превышает определенного значения, принято называть динамическим диапазоном логарифмической характеристики ЛЭ.

Следует заметить, что параметры (5) для одной и той же вольт-амперной характеристики могут иметь раз­ ные значения, поскольку при произвольном их выборе можно описать любую сколь угодно сложную зависи­ мость. В целях определенности будем понимать под ло­ гарифмической характеристикой выражение вида (5), для которого максимальное отклонение от логарифмиче­ ской зависимости в динамическом диапазоне характери­ стики имеет минимально возможное абсолютное значе­ ние.

Погрешность преобразования тока в напряжение с помощью ЛЭ зависит от большого числа факторов, вызывающих отклонение вольт-амперной характеристи­ ки от номинальной логарифмической зависимости [зави­ симости с номинальными значениями ао, си и А Н (/)= 0].

Эта погрешность может быть оценена либо абсолютной погрешностью по напряжению, либо относительной по­ грешностью по току, связь между которыми определяет­ ся выражением [Л. 3]

Систематическая погрешность преобразования, вызы­ ваемая нелинейностью логарифмической характеристики AU (/) в координатах логарифм тока — напряжение,

Параметр A'Ufau определяющий значение относитель­ ной погрешности по току, может быть использован для сравнительной оценки свойств ЛЭ.

21

Влияние дестабилизирующих факторов на погреш­ ность преобразования тока ЛЭ может быть выражено в виде удельной погрешности, вызываемой влиянием от­ носительного или абсолютного изменения соответствую­ щего дестабилизирующего фактора на параметры лога­ рифмической характеристики:

Дсп и A [A t/(/)]— соответствующие изменения смещения, крутизны и напряжения нелинейности логарифмической характеристики'.

Динамическое сопротивление ЛЭ, равное отношению приращения напряжения на ЛЭ к приращению тока че­ рез ЛЭ, определяется выражением

т. е. обратно пропорционально измеряемому току. В об­

емкости резистивного преобразователя определяет (сов­ местно с динамическим сопротивлением) полосу пропу­ скания логарифмического измерительного усилителя. Значения этой емкости для реальных ЛЭ лежат в преде­ лах от десятых долей пикофарады (электровакуумные ЛЭ) до нескольких десятков и даже сотен пикофарад (полупроводниковые диоды). У электровакуумных ЛЭ собственная емкость не зависит от приложенного напря­ жения, у полупроводниковых ЛЭ при возрастании на­ пряжения емкость увеличивается. В любом случае поло­ са пропускания не остается неизменной в рабочем диа­ пазоне токов, а сужается при уменьшении последних.

5. Экспериментальное исследование логарифмирующих элементов

Характеристики логарифмирующих элементов значи­ тельно различаются как у приборов разных типов, так и

. у отдельных экземпляров одного типа. В связи с этим зачастую необходимы экспериментальные исследования ЛЭ, предназначенных для применения в конкретной измецительной аппаратуре. Эти исследования имеют целью

22

определение вольт-амперной характеристики ЛЭ в Нор­ мальных условиях и при наличии соответствующих де­ стабилизирующих факторов.

Определение вольт-амперной характеристики ЛЭ осу­ ществляется путем совместного измерения тока через элемент и напряжения на элементе, что соответствует

В ряде случаев для этой дели могут быть применены и другие методы измерения сопротивлений. Однако специ­ фика ЛЭ — широкий динамический диапазон характе­

рно. 8. Схемы установок для реализации метода функциональ­ но связанных источников тока и напряжения для исследова­ ния двухполюсных (а) и многополюсмых (б) логарифмирую­

щих элементов.

ристики, малые значения измеряемых токов и функцио­ нальная зависимость напряжения от тока — делают ма­ ло пригодными для этих целей известные методы изме­ рения линейных сопротивлений.

Требования к методу определения вольт-амперной ха­ рактеристики ЛЭ можно сформулировать следующим образом: метод должен обеспечивать измерение токов через элемент в пределах 10- 14— 10~4 А (в некоторых случаях до 10~2 А) с погрешностью на уровне 0,2— 1%'

и измерение напряжения на элементе в пределах от не­ скольких милливольт до нескольких вольт с абсолютной погрешностью порядка 0,2—2 мВ; метод должен обеспе­ чивать исследование двух- и многополюсных полупровод­ никовых и электровакуумных ЛЭ.

Перечисленным требованиям удовлетворяет разрабо­ танный во ВНИИФТРИ метод функционально связан­ ных источников тока и напряжения, сущность которого заключается в экспериментальном сравнении характери-

23

СТйкй исследуемого ЛЭ с логарифмической зависимо­ стью, моделируемой с помощью источников тока и на­ пряжения [Л. 6].

Структурные схемы установок для реализации метода функционально связанных источников тока и напряже­ ния для исследования двухполюсных ЛЭ приведены на рис. 8,o, многополюсных ЛЭ — на рис. 8,6. В первом

случае исследуемый элемент ЛЭ включается в цепь об­ ратной связи электрометрического усилителя ЭМУ, на вход которого подается ток от источника /. Выходное напряжение ЭМУ, практически равное напряжению на ЛЭ (при достаточно высоком значении коэффициента усиления ЭМУ), сравнивается с помощью измерителя разности напряжений И с опорным напряжением £Л,П. Регулировка источников / и Uоп осуществляется дискрет­ но во всем диапазоне рабочих токов так, что соблюда­ ются условия

—Goa h ~ U он О Н" kill,

где /о и Uоп.о— значения тока источника / и опорного напряжения в начальной (нулевой) точке рабочего диа­ пазона; G и т — постоянные коэффициенты; k — поряд­ ковый номер дискретной точки измерения. При этом во всем диапазоне рабочих токов установки справедливо равенство

Таким образом, зависимость опорного напряжения от входного тока представляет собой логарифмическую за­ висимость со смещением cto и крутизной ом. Регулировкой значений £/0по и т постоянные коэффициенты ао и ом можно изменять в широких пределах.

Ток через исследуемый элемент ЛЭ практически ра­ вен току источника /. При этом напряжение на ЛЭ, а следовательно, и выходное напряжение ЭМУ, опреде­ ляются видом вольт-амперной характеристики элемента. Очевидно, что измеритель разности напряжений покажет в этом случае отклонение вольт-амперной характеристи­ ки исследуемого элемента от логарифмической зависи­ мости, т. е. напряжение нелинейности. Вольт-амперная характеристика элемента определяется непосредственно

24