Материал: МРБ 1073.(1984).[doc]
При преобразовании сопротивлений эталонный резистор rq включен во входную цепь, а преобразуемый Rx — в цепь отрицательной обратной связи. При преобразовании емкостей, наоборот, Сх — во входную цепь, а С0 — б цепь обратной связи.
На измерительную цепь воздействуют импульсы прямоугольной формы о разной полярностью, равенство положительных и отрицательных амплитуд которых обеспечивает источник опорных сигналов УИОС. Выходной сигнал УПТ, пропорциональный преобразуемому параметру, подается на УР. В качестве УР используется интегратор. Наклон линейно-изменяющегося напряжения на выходе интегратора не изменен и зависит от выбранного значения постоянной времени RиСи.
Рис. 22. Структурная схема и зависимости преобразователя RC-параметров в частоту
Навряжение развертки Uр поступает на инвертирующий вход устройства* сравнения УС; на неинвертирующий вход этого устройства через делитель Ядь Яда подается пороговое напряжение Un — часть опорного напряжения, вы* рабатываемого источником опорных сигналов. В момент равенства развертывающего и порогового напряжений устройство сравнения скачком изменяет полярность своего выходного напряжения, в результате происходит изменение-знаков .опорного и порогового напряжений и смена направления развертывания.
Процесс преобразования иллюстрируется на рис. 23 временными диаграммами напряжений в наиболее характерных точках. Частоты импульсов на выходе преобразователя равны
(MM-F01.GIF)
где Kд — коэффициент передачи делителя Rд1, RД2; ти=Rи Си.
Принципиальная схема преобразователя приведена на рис. 24. Высокое-входное сопротивление усилителя постоянного тока А1 достигается использованием полевых транзисторов VI и V2, включенных по схеме истоковых повторителей, а для работы на переменную нагрузку выход усилителя снабжен каскадом мощности (транзисторы V5 — V8). Резистором R1 производится балансировка входов. На микросхеме А2 собран интегратор. Функцию устройства -сравнения выполняет усилитель-ограничитель на микросхеме A3.
Рис. 23. Временные диаграммы преобразователя .RC-параметров в частоту
В управляемом источнике опорных сигналов для обеспечения равенства амплитуд положительных и отрицательных импульсов применен параметрический стабилизатор со встречно-включенными стабилитронами V13, V14. Эмиттерный повторитель на транзисторах V15 — V18 разных типов проводимости обеспечивает необходимое выходное сопротивление источника опорных сигналов. В данном случае амплитуда опорных импульсов U0 = ±3,2 В, пороговых — Uп= ± 1,6 В. Максимальный коэффициент усиления усилителя А1 на-верхнем пределе поддиапазона равен единице.
Расширение диапазона преобразования сопротивлений и емкостей достигается набором внешних эталонных резисторов R27 — R31 и конденсаторов С9 — С13. Цепь R32 — R34, С4 — С6 задает режим усилителя А1 по постоянному току при преобразовании емкостей Сх.
Рис. 24. Принципиальная схема преобразователя НС-параметров в частоту
Применение способа преобразования с изменением направления развертывания позволило уменьшить погрешность преобразования, обусловленную дрейфом нуля УПТ, поскольку под воздействием напряжения дрейфа один из полупериодов увеличивается, а другой уменьшается. Период колебаний системы практически остается неизменным.
Формирование на выходе источника опорных сигналов (выход Л) разнопо-лярных прямоугольных импульсов стабильной амплитуды, а на выходе интегратора (выход Б) симметричного треугольного напряжения создает предпосылку использования данного узла в качестве функционального генератора. Но так как довольно часто находит применение синусоидальная форма сигналов, в данный узел введен преобразователь треугольного напряжения в синусоидальнее, выполненный на полевом транзисторе V12.
Технические характеристики:
Диапазон генерируемых частот, Гц..... 0,2-105
Верхние пределы частот, Гц.......10, 100, 1000
кГц ......10, 100
Форма выходных сигналов:
выход А...... прямоугольная
выход Б........ ... треугольная
выход В.............. синусоидальная
Амплитуда выходных сигналов, В:
выход А............ ±3,2
выход Б............ ±1,6
выход В............0,3
Коэффициент гармоник синусоидального напряжения % 1,5
Нестабильность выходной амплитуды по диапазону, %............ 1
Преобразование треугольного напряжения в синусоидальное основано на использовании нелинейности вольт-амперной характеристики полевого транзистора где зависимость тока стока от напряжения на стоке на участке между нулем и точкой насыщения имеет форму четверти синусоиды. Сигнал синусоидальной формы обеих полярностей получают, используя свойство симметричности полевого транзистора по отношению к истоку и стоку, прикладывая между стоком и истоком напряжение треугольной формы. Диоды V10 и VII и резисторы R12 и R13 переключают сигнал от стока к истоку и наоборот, когда выходное напряжение треугольной формы меняет знак при переходе через нуль каждые полпериода.
Рис. 25. Печатная плата преобразователя RС-параметров в частоту
Расширение диапазона генерируемых частот в режиме «G» (нажата кнопка 813} осуществляется переключением конденсаторов С14-С18. Плавная регулировка частоты в пределах поддиапазона производится резистором R3S «Частота» Ручка этого резистора вынесена на переднюю панель. Частота колебаний на всех трех выходах узла одна и та же. Верхний предел генерируемых частот ограничен до 100-150 кГц из-за недостаточно высокой скорости нарастания выходного сигнала примененных ОУ.
Детали На них следует обратить особое внимание, поскольку ими во многом определяются качественные показатели преобразования. Это в первую очередь относится к эталонным элементам, масштабным резисторам, элементам времязадающей цепи интегратора.
Резисторы R27 — R31 типа С2-29В. Возможна замена на С5-16Т, С5-5 БЛП, МГП УЛИ Конденсаторы типа ФТ, КСО, К40У-9, К76П-1. К транзисторам и диодам особых требований не предъявляется. Чертеж печатной платы узла приведен на рис. 25.
Настройка. Для налаживания преобразователя необходимы цифровой частотомер и осциллограф с открытым входом и высокой чувствительностью. В качестве цифрового частотомера может быть использован собственный частотемер, собранный на узлах УЗ, У7 — У9.
Сначала переключатель рода работы S1.1 устанавливают в положение измерения сопротивлений, переключатель поддиапазонов S2 — в положение «1000 Ом». К зажимам «Rх» подключают точно измеренный до четырех знаков резистор 1 кОм. Включают питание. С помощью осциллографа просматривают форму импульсов в характерных точках (см. рис. 23). Подстроечным резистором R10 точно устанавливают выходную частоту, соответствующую сопротивлению эталонного резистора. Далее, подключая к зажимам «Rx» поочередно резисторы 100, 10 и 2 Ом, с помощью резистора R1 выравнивают полупериоды выходного сигнала. В области малых преобразуемых величин асимметрия полу-
периодов колебаний резко возрастает, что в конечном счете приводит к срыву генерации. Динамический диапазон преобразования сужается. Поэтому настройку при подключенном резисторе 2 Ом следует производить наиболее тщательное, На других поддиапазонах преобразования сопротивлений и емкостей регулировку сводят к подбору сопротивлений R27 — R31 и емкостей С9 — С13.
При нажатии кнопки S1.3 «G» переводят узел в режим генератора. К выходу Б подключают частотомер и осциллограф. Устанавливая переключатель S2 в одно из положений, поворотом ручки «Частота» проверяют поочередно укладку каждого поддиапазона. В случае необходимости уточняют емкости конденсаторов С14 — С18.
Подключают осциллограф к выходу В. С помощью резистора R15 производят выравнивание положительных и отрицательных полуволн синусоидального сигнала, добиваясь минимума его нелинейных искажений.
Кнопка S1.4 «Контр.» служит для проверки работоспособности узла в режимах «Rx» и «Сх». В этом случае ко входным зажимам «Rx» и «Сх» подключаются внутренние элементы, резистор R36 сопротивлением 100 Ом или конденсаторы С7, С8, суммарная емкость которых вместе с входной емкостью узла равна 100 пФ. В последнем положении производится измерение емкостей менее 100 пФ. В противном случае входная емкость узла вносит значительную погрешность при измерении малых емкостей.
Данный узел, несмотря на простоту схемного решения, имеет такие разнообразные функциональные возможности и высокие метрологические характеристики, что, дополненный счетчиком и источником питания, может быть выделен в самостоятельный измерительный прибор.
Широкополосный линейный усилитель
Этот узел предназначен в основном для усиления импульсных сигналов. Усилитель для подобных целей должен иметь весьма широкую полосу пропускания, чтобы без искажений усиливать импульсы с крутыми фронтами. Для работы в большом динамическом диапазоне выходных амплитуд и обеспечения высокой линейности на нагрузке с сопротивлением 100 Ом такой усилитель должен обладать достаточно мощным выходом. Кроме того, выход усилителя должен быть защищен от случайных коротких замыканий.
Рис. 26. Принципиальная схема широкополосного линейного усилителя
Недорогие и доступные ОУ широкого применения в типовом включении вышеперечисленным требованием не удовлетворяют. Так, ОУ КР140УД1 имеет максимальную скорость нарастания выходного напряжения 5 — 10 В/мкс. что явно не достаточно для шноокополосксго усилителя, скорость нарастания UВЫ1 которого должка быть 100 — 300 В/мкс. Сравнительно низкое быстродействие ОУ КР140УД1 определяется в основном последними каскадами, тогда как первые Два его дифференциальных каскада, определяющие коэффициент усиления ОУ, имеют значительно более широкую полосу пропускания и небольшие фазовые искажения.
Рис. 27. Печатная плата широкополосного линейного уснлителя
К данной микросхеме можно подключиться после первых двух каскадов, если воспользоваться выводом 14 (для микросхемы К140УД1 выводом 12). Чтобы завершить в этом случае полную схему ОУ и приблизить выходное напряженке к нулевому потенциалу, к выходу микросхемы необходимо подключить транзистор р-n-р структуры, включенный по схеу.е с общим з.митгером. Следует учесть, что такое включение выход:;ого каскада меняет знаки входов ОУ.
Для уменьшения выходного сопротивления и работы на низкоомную нагрузку на выходе усилителя включен эмиттерный повторитель.
Технические характеристики:
Коэффициент усиления................1...100
Верхняя граница полосы пропускания, МГц:
для амплитуды выходного сигнала ±2 В........ 20
для амплитуды выходного сигнала ±5 В........ 10
Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс ..... 300
Диапазон изменения выходных напряжений, В ....... 10
Коэффициент нелинейных искажений, % ........ 0,5
Температурный дрейф нулевого уровня, мкВ/°С ....... 15
Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 26. Широкополосный усилитель выполнен на микросхеме А2 типа КР140УД1Б. Сигнал на вход усилителя подается с резистора R29. К выходу микросхемы А2 подключен транзистор р-n-р структуры.
Выходной эмиттерный повторитель составлен на комплементарных парах транзисторов V5 — V8. В их коллекторные цепи включены защитные резисторы R17, R18, R22, R25, а в базовые цепи — антипаразитные резисторы R14, R15, R20, R21. Резисторы R23 и R24 защищают схему от короткого замыкания по выходу. Диоды V3 и V4, V9 и V10 снижают напряжение для питания микросхем A1 и А2 и уменьшают влияние импульсных помех данного узла на другие узлы по шинам питания.
Общий коэффициент усиления усилителя определяется отношением сопротивлений (R11 + R12)IR8 и рассчитан исходя из непосредственного усиления треугольного напряжения ±(1,6 — 1,7) В, снимаемого с Выхода Б узла У10. Выходные напряжения прямоугольной и ступенчатой формы узла У12 предварительно ослабляются, а синусоидальной формы узла У10 — усиливаются до этого напряжения.
Изменение амплитуды выходного сигнала производится ступенчато (путем снятия сигнала с соответствующего гнезда Выхода А) и плавно (с помощью десятиоборотного резистора R29 «Амплитуда»), что обеспечивает возможность работы в широком диапазоне выходных амплитуд. С помощью переменного резистора R30 «Уровень» производится установка среднего уровня сигнала на выходе усилителя, что позволяет получить выходной сигнал как положительной, так и отрицательной полярности по отношению к нулевому уровню.
Детали. Резистор R29 типа СП5-39В, R30 — СП, подстроечные резисторы типа СПЗ-16, остальные — МЛТ. Чертеж печатной платы усилителя приведен на рис. 27.
Настройка усилителя производится с помощью осциллографа. На Вход А подают напряжение любой формы (ступенчатое, треугольное или синусоидальное) с частотой порядка 10 кГц. Подключают осциллограф к Выходу А — ослабление 0 дБ. Проверяют диапазон изменения выходных напряжений, который должен быть не менее ±10 В. Подав на вход усилителя напряжение ±1,65 В с помощью резистора R12, устанавливают на его выходе сигнал ±10 В.
Каскад, выполненный на ОУ А1, предназначен для предварительного усиления синусоидального сигнала, поступающего с преобразователя треугольного напряжения в синусоидальное. Балансировку этого усилителя производят резистором R6, а коэффициент усиления регулируют резистором R4, устанавливая на Выходе Б переменное напряжение 1,65 В. При напряжении на Входе Б 0,3 В коэффициент усиления К — 55.