Характеристики средств измерения

Диапазон – характеристика передающей системы, равная разнице максимального и минимального возможных значений величины входного параметра устройства.

Динамический диапазон – характеристика передающей системы, равная отношению (либо логарифму отношений) максимального и минимального возможных значений величины входного параметра устройства. В случае логарифмической оценки выражается в децибелах.

Децибел (дБ) численно равен десятичному логарифму безразмерного отношения физической величины к одноимённой физической величине, принимаемой за исходную, умноженному на десять. Изначально дБ применялся для оценки мощности, поэтому единицы измерения нужно приводить к энергетическим. Поэтому при вычислении усиления по току или напряжению умножают на 20 (т.к. мощность пропорциональна квадрату тока либо напряжения).

Чувствительность – величина, определяемая минимальным уровнем сигнала на входе при заданном отношении уровней полезного сигнала и шума и заданном уровне полезного сигнала на выходе.

Стабильность – способность сохранять параметры неизменными в течение определенного времени (обычно указывается % в час).

Входное (выходное) сопротивление – отношение напряжения на входах (выходах) к току, протекающему через них. Входное сопротивление цепи определяет, какая нагрузка будет подключена к генератору (источнику), выходное сопротивление генератора (источника, цепи) определяет, какая нагрузка может быть подключена к генератору (источника, цепи).

Волновое сопротивление – отношение напряжения падающей волны к току этой волны в линии передачи, для линий бесконечной длины это отношение сводится к корню отношения погонной индуктивности линии к погонной емкости. Выражается в единицах сопротивления:

Согласование нагрузки

Возможность измерения сопротивления элементов и напряжения в цепи во многом определяется входным сопротивлением измерительных приборов. Входное сопротивление нагрузки ограничивает диапазон допустимого выходного сопротивления источника – последнее должно быть много меньше. Это следует из схемы деления сопротивлений (рис. 1). Так, при равенстве сопротивлений напряжение на входе вольтметра составит половину от измеряемой величины, а сопротивление измеряемого участка цепи также упадет вдвое из-за параллельного подключения внутреннего сопротивления.

Рис. 1 Схема подключения нагрузки к источнику ЭДС. Пунктиром выделены области цепи, соответствующие источнику (И) и нагрузке (Н)

Высокое входное сопротивление измерителя говорит о том, что его включение в цепь не исказит параметры сигнала, что он не занизит показания, «закорачивая» измеряемый сигнал, а низкое выходное сопротивление источника питания обеспечивает большую подключаемую мощность. Но это имеет место только при измерениях, поскольку процесс измерения не должен вносить заметных изменений в работу измеряемой цепи, и работе на низкой частоте. Внутри самих электрических схем входное сопротивление усилителя должно быть равно выходному сопротивлению источника (т.е. сопротивления согласованы), это обеспечивает условия для полной передачи мощности. И если при работе на постоянном токе или низких частотах несогласованность приводит только к уменьшению мощности сигнала, то на высоких частотах возникает отраженный сигнал и нежелательный резонанс при переходных процессах (т.н. «звон»).

Большая часть современной высокочастотной усилительной техники рассчитана на работу с сопротивлением 50 Ом и оснащено коаксиальными соединениями типа BNC (реже SMA), или похожими разъемами отечественного стандарта СР-50. На такое же волновое сопротивление рассчитаны коаксиальные кабели. В ряде случаев ненагруженные входы и выходы усилителей рекомендуется нагружать «терминаторами» – резисторами с номиналом 50 Ом, соответствующим сопротивлениям источника и приемника. Также их подключают параллельно при высоком входном сопротивлении измерительной техники, если сопротивление приводит несогласованности в цепи и искажению сигнала. Так, осциллографы хоть и имеют достаточно высокое входное сопротивление (порядка мегаома), но работа с ВЧ сигналами может требовать применения терминаторов или специальных щупов.

Вопросы для самопроверки:

· Что произойдет при замыкании контактов лабораторного источника питания, работающего в режиме стабилизации напряжения?

· Какими параметрами можно охарактеризовать гармонический сигнал?

· При измерении постоянного напряжения с помощью вольтметра каким должно быть его входное сопротивление относительно объекта?

· К чему приводит несогласованность нагрузки при работе на высоких частотах?

Операционные усилители [5]

Усиление фототока, источником которого являются фотодиоды, фототранзисторы и пр., может осуществляться разными способами. Первоначально усиление реализовывали с помощью электронных ламп, затем транзисторов. Хотя транзисторы в виде отдельных элементов схемы по-прежнему применяются, гораздо удобнее рассмотреть вопросы усиления и регистрации сигнала на уровне интегральной электроники – на примере операционных усилителей (ОУ). Кроме того, на работе ОУ можно проиллюстрировать большинство параметров обычных усилителей, а также, при необходимости, собрать собственный, с требуемыми параметрами.

Операционные усилители получили свое название из-за того, что первоначально разрабатывались для создания арифметических аналоговых устройств (сумматоров, умножителей, интеграторов, дифференциаторов). На их основе можно создать почти любое устройство для аналоговой обработки сигнала, но мы ограничимся рассмотрением дифференциального усилителя и некоторых схем на его основе.

Дифференциальный (разностный) усилитель – это электронное устройство, выходной сигнал которого равен разности напряжений на двух входах, умноженного на определенную величину. Т.е. U_out=(U_вх2–U_вх1)×K, где U_вх – напряжение на входах, а К – коэффициент усиления Выходной сигнал при этом может быть тоже дифференциальным, т.е. регистрироваться как разность между двумя выходами, или однофазным, т.е. регистрироваться между выходом и нулем.

Операционный усилитель это дифференциальный усилитель постоянного тока, т.е. работающий на частотах от 0 Гц, с очень большим коэффициентом усиления и однофазным выходом. Усиление разностного сигнала К по напряжению составляет 10⁶ и более, выходное сопротивление очень низкое, а выходной сигнал может меняться почти в полном диапазоне напряжения питания. Выходы обозначают как «+» и «-», или неинвертирующий и инвертирующий (часто на схеме инвертирующий отмечают кружочком). Символы означают, что выходной сигнал изменится в положительном направлении тогда, когда напряжение на входе «+» будет больше, чем на входе «-». Такое устройство ведет себя крайне нестабильно, и малейшее расхождение сигналов на входах вызывает переключение выходного сигнала между противоположными напряжениями питания. По этой причине ОУ в одиночку можно использовать только в качестве компаратора.

Для придания схемам на основе ОУ необходимых характеристик вводят обратную связь. Для этого выход соединяют с одним из входов, инвертирующим либо неинвертирующим, через сопротивление обратной связи (рис. 2).

Рис. 2 Базовая конфигурация включения ОУ

Если компоненты обратной связи соединяются с неинвертирующим входом, возникает положительная обратная связь. При этом ОУ фактически перестает быть усилителем и либо осциллирует в режиме, определяемом компонентами ОС, либо работает как компаратор. Положительная ОС используется обычно в генераторах.

Более распространенный режим – использование отрицательной обратной связи, когда выход соединяется с инвертирующим входом. При этом часть выходного сигнала попадает на инвертирующий вход усилителя в противофазе (поэтому повышение выходного сигнала, попадая на вход, ведет к уменьшению выходного сигнала, и наоборот). Отрицательная ОС уменьшает коэффициент усиления, но при этом устраняет искажения и нелинейность, улучшая общие параметры схемы. Чем больше обратная связь, тем меньше параметры схемы зависят от характеристик ОУ и тем больше от самой схемы ОС. Из-за задержки сигнала на определенных частотах отрицательная обратная связь становится положительной, поэтому часто ОУ имеют схемы внутренней частотной коррекции.

При инвертирующем включении ОУ поддерживает такой уровень выходного напряжения, который обеспечивает равенство напряжения на входах ОУ (поэтому обычно считают, что у ОУ напряжение на входах равно).

При правильном подборе элементов, ОУ может генерировать выходной сигнал как функцию входных и использоваться в качестве дифференциального усилителя, регулятора тока или напряжения, фильтра, преобразователя и пр., а также реализовывать основные математические функции. Благодаря тому, что ОУ имеет крайне высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление, и очень высокий коэффициент усиления, основные расчеты можно проводить, исходя из характеристик идеального ОУ (равное напряжение на входе, бесконечное усиление, бесконечное входное сопротивление, и нулевое выходное).

Варианты схем на основе ОУ [5]

Триггер Шмидта

Добавление положительной обратной связи в отсутствие отрицательной превращает ОУ в триггер Шмидта, или триггер с петлей гистерезиса (рис. 3).

Рис. 3 Триггер Шмидта на ОУ

Схема будет переключаться между положительным и отрицательным напряжением U_out+ и U_out– каждый раз, когда входное напряжение будет переходить через уровень, задаваемый делителем из сопротивлений. При повышении напряжения при уровне срабатывания U_ср = U_out–R₁/(R₁ + R₂), при понижении – при уровне отпускания U_отп = U_out+R₁/(R₁ + R₂). Возникает гистерезис U_гис = U_ср – U_отп. Пороги срабатывания исключают ненужные переключения под действием шумов, т.е. устраняют так называемый "дребезг" контактов.

Инвертирующий усилитель

Для большинства случаев усиления напряжения или регистрации фототока подходит инвертирующая схема включения ОУ (рис. 4). Усиленный сигнал находится в противофазе с входным и равен U_out = –U_in×R₁/R₂.

Рис. 4 Инвертирующее включение. Штриховая линия показывает путь входного тока

Через схему протекает фактически входной ток, т.к. потребление входов почти нулевое. Входной ток и создает падение напряжения на R₂.

Неинвертирующий усилитель

При отрицательной обратной связи и подаче сигнала на неинвертирующий вход, как показано на рис. 5, фаза сигнала на входе и на выходе совпадает, а выходное напряжение равно U_out = U₁×(1+R₂/R₁). Основное отличие от инвертирующей схемы заключается в повышенном входном сопротивлении, которое определяется параметрами входов ОУ и может составлять десятки мегаом и более.

Рис. 5 Неинвертирующий усилитель