Ввведение

Возможно, наиболее увлекательной (и наиболее полезной) областью применения электроники являются сбор и использование данных о технологических процессах или при научных экспериментах. Вообще говоря, первичные преобразователи или датчики (устройства, с помощью которых некоторые физические величины, такие, например, как температура или светимость, преобразуются в напряжение или другие электрические сигналы) используются для получения сигналов, которые далее могут обрабатываться в электронных схемах, кодироваться с помощью АЦП, запоминаться и анализироваться компьютерами. Если исследуемый сигнал настолько мал, что его маскируют шумы и помехи, то используются мощные методы выделения частот сигнала, такие, как «детектирование с захватом», усреднение сигналов, многоканальные счетчики, а также корреляционный и спектральный анализы, с помощью которых требуемый сигнал восстанавливается. В конце концов результаты таких физических измерений можно использовать для внешнего управления самим экспериментом или для контроля процесса, который обычно обеспечивается небольшим компьютером или микропроцессором, предназначенным для такой задачи. Недавние достижения в развитии мощных и недорогих микропроцессоров привели к бурному проникновению электроники в область управления и регистрации хода процессов, что не имело прецедентов всего десять лет назад.

Эту главу мы начнем с рассмотрения методов измерения и с описания используемых преобразователей. Здесь есть неограниченные возможности для изобретательской деятельности, поэтому перечень преобразователей, описываемых в этой главе, далеко не полон, а охватывает лишь наиболее типичные. Мы более подробно расскажем о некоторых специфических проблемах, присущих имеющимся измерительным преобразователям, и дадим несколько схемных решений, которыми вы можете воспользоваться. Постараемся охватить наиболее трудные проблемы, включая сверхвысокие сопротивления источников сигналов (сотни мегаом для микроэлектродов или ионных зондов), маломощные, преобразователи с низким сопротивлением (как, например, термопары, тензодатчики, магнитные звукосниматели), высокоимпедансные чувствительные элементы для переменного тока (емкостные преобразователи) и др.

В этой главе мы продолжим знакомство с получением прецизионных стандартных значений (стандарты частоты и времени, а также напряжений и сопротивлений) и некоторыми методами прецизионных измерений. Затем более подробно опишем весь процесс сужения полосы и «выделения сигнала из шума». Эти методы чрезвычайно мощны и для непосвященных представляются таинственными.

В заключение мы кратко расскажем об анализе спектров и методе Фурье.

Читатель, которого интересует только конструирование электронных схем, может не читать эту главу.

 

Измерительные преобразователи

Иногда бывает, что величина, которую вы хотите измерить, сама по себе является электрической. Примером этому могут служить нервные импульсы (напряжение), проводимость морской воды (сопротивление), поток заряженных частиц (ток) и др. В этом случае измерения оказываются относительно прямыми, а основные трудности связаны с выбором типов измерительных электродов и возможностями обработки сигналов, которые удается получить. Здесь можно столкнуться либо с очень высоким импедансом (как, например, в случае с микроэлектродами), либо с очень слабыми сигналами (ток, возникающий при радиоактивном распаде).

Гораздо чаще требуются приборы, которые могут преобразовывать некоторые физические величины в соответствующие значения электрических сигналов. Сюда можно отнести измерения температуры, уровня светимости, магнитного поля, деформации, ускорения, интенсивности звука и т. п. В последующих разделах будут рассмотрены наиболее часто встречающиеся преобразователи входных сигналов, чтобы дать общее представление о том, что можно измерять и с какой точностью. Более подробно будут описаны измерения тепла и светового потока, но охватить все возможные измерения в данной книге невозможно.

15.01. Температура

Поступающие в продажу датчики температуры имеют очень хорошие характеристики. Это касается как диапазона измеряемой температуры, так и точности, воспроизводимости, универсальности кривых, а также габаритов и стоимости.

Термопары. Если соединить между собой два провода из различных металлов, то на их концах возникнет небольшая разность потенциалов (сопротивление такого источника при этом будет низким!), обычно порядка милливольта, с температурным коэффициентом около 50 мкВ/°С. Такие соединения называют термопарами, и используются они для измерений температуры в широком диапазоне. Комбинируя различные пары сплавов, можно измерять температуры от —270 до +2500 °C с хорошей точностью (0,5–2 °C). Термоэлектрические свойства различных сплавов хорошо известны, поэтому термопарные зонды в любом виде (щупы, прокладки, бронированные зонды и т. п.), изготовленные из одних и тех же сплавов, могут взаимозаменяться без дополнительной калибровки.

Классическая термопарная цепь приведена на рис. 15.1.

Рис. 15.1. Классическая схема включения термопары.

Специфический подбор металлов, указанный на этом рисунке, составляет термопару, известную как тип J (см. табл. 15.1, в которой приведен список стандартных сплавов и их свойств). Каждая пара изготовляется путем сварки (спайки) двух разных металлов таким образом, чтобы получилось небольшое по размеру соединение-спай. (Известно, что можно соединить провода, просто скручивая их вместе, но такое соединение не будет работать долго!) Опорный («холодный») спай абсолютно необходим, иначе придется иметь дело с добавочными паразитными термопарами, возникающими в точках, где различные металлы соединяются с зажимами измерительного прибора. Эти лишние неконтролируемые термо-э.д.с. в схеме приводят к странным и неточным результатам. Даже при наличии двух термопар на клеммах все же имеют место термопарные соединения, но это редко вызывает осложнения, поскольку они одинаковы и находятся при той же температуре.

В термопарных схемах напряжение зависит от температуры обоих термосоединений. Грубо говоря, оно пропорционально разности температур между двумя спаями. На практике требуется знание температуры на чувствительном спае. Учесть температуру опорной термопары можно двумя способами: (а) Поддерживать на опорном спае постоянную температуру, равную 0 °C. Обычно для этого используют ванночку с тающим льдом, но можно приобрести прекрасный небольшой стабилизированный по температуре холодильник, который будет выполнять ту же работу. Если измеряются очень высокие температуры, то можно не беспокоиться о тех небольших ошибках, которые возникают, если опорный спай будет находиться при комнатной температуре, (б) Более современные методы заключаются в построении компенсирующих схем, которые корректируют отличие, связанное с тем, что температура на опорном соединении не равна 0 °C. На рис. 15.2 показано, как это осуществляется.

Рис. 15.2. Схема компенсации температуры опорного спая термопары.

Основная идея заключается в использовании полупроводникового датчика, воспринимающего температуру холодного спая, и схемы, формирующей поправку к напряжению, т. е. компенсирующей разницу между фактической температурой опорного спая и стандартной (0 °C). AD590 (см. следующий раздел об ИС-датчиках температуры) дает на выходе ток (в микроамперах), пропорциональный температуре (в Кельвинах). R 1  выбирается в соответствии с термоэлектрическим коэффициентом, в данном случае на этом резисторе 1 мкА/°С преобразуется в 51,5 мкВ/°С (см. табл. 15.1), а опорный трехполюсный источник AD580 (в комбинации с R2 и R 3 ) используется для компенсации тока смещения 273 мкА при 0 °C (273,15 К), даваемого AD590. Таким образом, тока коррекции нет, если опорный спай находится при 0 °C, а если он имеет несколько другую температуру, то к собственному напряжению от пары спаев добавляется 51,5 мкВ/°С (термоэлектрический коэффициент соединения типа J при комнатной температуре).

Следует несколько слов сказать об измерительной схеме. Проблема усиления сигналов термопар связана с низким выходным напряжением (50 мкВ/°С или около этого), большими синфазными помехами промышленной частоты и радиочастотными наводками. Усилитель должен хорошо подавлять синфазные помехи промышленной частоты (60 или 50 Гц) и иметь стабильное дифференциальное усиление. Кроме того, его входное сопротивление должно быть достаточно высоким (порядка 10 кОм или более), чтобы предотвратить ошибки от нагружения датчика, поскольку выводы термопар имеют некоторое сопротивление (например, выводы длиной ~ 1,5 м соединения типа К 30-го калибра имеют сопротивление 30 Ом). Примером решения этой задачи может служить схема, приведенная на рис. 15.3.

Рис. 15.3. Балансный усилитель сигналов термопары с компенсацией опорного спая на выходе.

Она представляет собой просто обычный дифференциальный усилитель с Т-образной цепью обратной связи, обеспечивающей высокое усиление по напряжению (в данном случае 200) и в то же время с достаточно большим входным сопротивлением, таким, что сопротивление источника не создает заметной погрешности. Операционный усилитель представляет собой прецизионный усилитель, у которого дрейф составляет менее 1 мкВ/°С, благодаря чему эта составляющая ошибки измерения много меньше 50 мкВ, эквивалентных погрешности в 1 °C. Благодаря входным шунтирующим конденсаторам ослабляются ВЧ-радиопомехи (термопары и их длинные соединительные линии могут вести себя подобно радиоантеннам). Поскольку в любом случае сигнал от термопары очень слаб, полезно дополнительно ограничить полосу, подключая параллельно сопротивлению обратной связи конденсатор, как показано на схеме рис. 15.3. В случае возникновения больших трудностей, связанных с радиопомехами, может оказаться необходимым экранировать входные провода и добавить ВЧ-дроссели перед входными шунтирующими конденсаторами.

Заметим, что схема компенсации напряжения на опорном спае термопары на рис. 15.3 подключена к выходной цепи в отличие от обычного способа компенсации напряжения холодного спая термопары на входе, показанного на рис. 15.2. Это сделано для того, чтобы сохранить точный дифференциальный баланс на входе и тем самым обеспечить высокое подавление синфазной помехи, присущее дифференциальному усилителю. Так как усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 200, то на выходе схемы компенсации напряжение термо-э.д.с. усиливается до 200 x 51,5 мкВ/°С или 10,3 мВ/°С. Отметим, что для ОР-97Е входному току смещения 0,1 нА (макс.) сопутствует на входе ошибка 25 мкВ, которая вместе с U см = 25 мкВ (макс.) может быть сведена к нулю. Можно также использовать операционный усилитель 7652 типа модулятор-демодулятор со стабилизацией нуля (U см = 5 мкВ макс, J см = 40 нА макс).

Вместо простого дифференциального усилителя можно использовать измерительный усилитель, показанный на рис. 7.32; в этом случае существенно улучшатся параметры смещения по постоянному току на входе.

Пользователи термопар должны знать, что фирма Analog Devices выпускает усилители сигналов термопар с компенсацией холодного спая AD594 (тип J) и AD595 (тип К). Эти монолитные устройства обладают всем необходимым (включая опорную точку льда) для получения выходного напряжения пропорционального температуре и даже программируемую тройную точку для термопарного входа. Наилучшие из них имеют точность (без подстройки) ±1 °C при комнатной температуре и ±3 °C при -25 °C и при +75 °C. Фирма Linear Technology изготовляет компенсатор холодного спая микромощной термопары, сконструированные для использования с внешним прецизионным ОУ. В нем предусмотрена компенсация для всех типов термопар, приведенных в табл. 15.1 (кроме типа В); благодаря коррекции кривизны второго порядка, точность сохраняется в широкой области температур. Наилучшие (LT1025A) имеют точность (без подстройки) +0,5 °C при комнатной температуре и ±2 °C при -25 и +80 °C.

Промышленностью выпускаются комплекты аппаратуры для измерения температур с помощью термопар самых различных конфигураций. Сюда входят вычислительные схемы для преобразования термоэлектрического напряжения в данные о температуре. Например, в цифровых термометрах, изготовляемых фирмами Analog Devices и Omega Engineering, достигается точность около 0,4 °C в интервале температур от —200 до +1000 °C и около 1 °C для температур, превышающих +2300 °C.

При сравнении с другими методами измерения температуры термопары обладают такими преимуществами, как небольшие размеры и широкий интервал температур, кроме того, они особенно хороши для измерения высоких температур.

Термисторы. Термисторы представляют собой полупроводниковые устройства, у которых температурный коэффициент сопротивления отрицателен и обычно равен приблизительно -4%/°С. Они выпускаются во всевозможных видах, от шариков из свинцового стекла до бронированных зондов. Термисторы, предназначенные для точных измерений температур (их можно также использовать, например, в качестве элементов схем температурной компенсации), обычно имеют сопротивление несколько сотен омов при комнатной температуре, а характеристики их прекрасно укладываются (с точностью до 0,1–0,2 °C) на стандартные кривые. Высокий коэффициент изменения сопротивления делает их очень удобными в эксплуатации, они недороги и стабильны. Для измерения и контроля в области от —50 до +300 °C имеется достаточно богатый выбор термисторов. Относительно легко строятся простые и эффективные схемы «пропорционального регулирования температуры», в которых термисторы используются в качестве чувствительных элементов; посмотрите, например, указания RCA по применению ICAN-6158 или же спецификацию Plessey на SL445A.

Из-за своего свойства сильно изменять сопротивление в зависимости от температуры термисторы не предъявляют высоких требований к последующим электрическим схемам. Некоторые из простых методов получения выходного напряжения показаны на рис. 15.4.

Рис. 15.4. Схемы включения термисторов.

Схема а особенно эффективна при измерениях низких температур, так как сопротивление термистора изменяется по экспоненциальному закону, а схема б имеет несколько более линейный характер изменения выходного напряжения в зависимости от температуры. Например, на рис. 15.5 приведены зависимости сопротивления от температуры одного термистора 10 кОм (Fenwal UUA41J1, унифицированная кривая) и того же термистора с включенным последовательно сопротивлением 10 кОм.

Рис. 15.5. Зависимость сопротивления от температуры для термистора и термисторно-резисторной пары.

Последовательная пара имеет линейную характеристику в пределах 3 % в области от -10 до +50 °C и 1 % от 0 до +45 °C. Такую линейность имеет зависимость выходного напряжения от температуры в схеме с сопротивлением R, изображенной на рис. 15.4, б.

На схемах в и г рис. 15.4 приведены варианты с улучшенной линейностью, в которых использованы составные согласованные термисторы (и соответствующие резисторные пары), изготовляемые Yellow Springs Instrument Company. Эти 2-термисторные конфигурации обеспечивают линейность 0,2 % в области температур от 0 до 100 °C. YSI также выпускает 3-термисторные модули (с тремя резисторами), имеющие еще лучшие показатели линейности. Схема д представляет собой классический мост Уитстона, уравновешенный при R T /R 2 = R 1 /R 3 ; поскольку здесь измеряются отношения, нельзя не учитывать отклонений, связанных с изменениями напряжения питания.

Мостовая схема в сочетании с усилителем, обладающим высоким коэффициентом усиления, особенно широко используется для определения небольших изменений вблизи некоторой опорной температуры; при малых отклонениях выходное (дифференциальное) напряжение линейно зависит от величины разбаланса. Во всех термисторных схемах надо учитывать явления саморазогрева. Обычные небольшие термисторные зонды имеют коэффициент рассеяния, равный 1 мВт/°С, т. е. нагрев, соответствующий I2R, должен не превышать 1 мВт, если вы хотите иметь точность считывания температуры не хуже чем 1 град.

В свободную продажу поступает комплект приборов для измерения температур, использующих термисторы с подходящими характеристиками. Эти устройства включают в себя встроенные вычислительные схемы для преобразования считываемого сопротивления непосредственно в данные о температуре. Например, модель цифрового термометра 5800 фирмы Omega перекрывает область от —30 до +100 °C, причем считывание температуры возможно как по стоградусной шкале Цельсия, так и по шкале Фаренгейта на 4-цифровом СИД-индикаторе. Точность термометра во всей области 0,5 °C с разрешением 0,1 °C.

Термисторный метод измерения по сравнению с другими проще и точнее, но термисторы чувствительны к саморазогреву, хрупки и пригодны для узкой области температур.

Платиновые термометры сопротивления. Эти устройства представляют собой катушку из очень чистой платиновой проволоки с положительным температурным коэффициентом сопротивления, равным приблизительно 0,4 %/°С. Платиновые термометры чрезвычайно стабильны во времени и имеют кривую, очень точно (0,02-0,2 °C) совпадающую со стандартной. С ними можно работать в весьма широкой области температур от —200 до +1000 °C, но стоимость их высока.

ИС-датчики температуры. Как мы уже отмечали в разд. 6.15, смещение шкалы от источника опорного напряжения можно получить от датчика температуры, дающего напряжение, пропорциональное абсолютной шкале, т. е. напряжение, пропорциональное температуре по шкале Цельсия. REF-02, например, обеспечивает температурный выход с линейным коэффициентом +2,1 мВ/°С. Если этот выход подключить к усилителю с регулируемым усилением и смещением для калибровки, то можно получить точность почти 0,5 °C для интервала от —55 до +125 °C.

LM335 — удобный 2-клеммный температурный датчик, который в принципе подобен зенеровскому диоду с выходным напряжением +10 мВ/К; например, при 25 °C (298,2 К) он работает как стабилитрон на 2,982 В (рис. 15.6).

Рис. 15.6. ИС-датчики температуры. Напряжения соответствуют 25 °C. Способы а и б приводят, кроме того, к ошибке 1 % для температурного коэффициента резистора 33·10 -6 1/°С.

Выпускаются эти датчики с начальной точностью ±1 °C и имеют внешнюю подстройку. Простой калибровкой можно обычно улучшить его точность до ±0,5 °C максимально в области —55 °C — +125 °C. После подстройки точность выхода должна быть 0,1 °C при тестовой температуре и с бюджетом точности на краях ±0,5 °C (рис. 15.7).

Рис. 15.7. Погрешности температуры для LM335 .

LM35 также обеспечивает наклон зависимости выходного напряжения от температуры +10 мВ/°С, но он ведет себя скорее как 3-полюсный опорный источник (а не как 2-клеммный зенеровский диод), в котором питание (+4 ÷ +30 В) подается на третий зажим; внутреннее смещение у него такое, что выходное напряжение равно 0 В при 0 °C. При работе вблизи или ниже 0 °C следует использовать понижающий резистор, как показано на рис. 15.6, г. Наилучшие приборы (LM35A) имеют максимальную погрешность 0,5 °C, но они не подстраиваемые.

Родственное им устройство LM34A работает также, но считывание осуществляется по шкале Фаренгейта (0 В при 0°Ф). Существуют и другие ИС-датчики температуры, например АО590 — 2-клеммное устройство, работающее как генератор постоянного тока, у которого ток в микроамперах пропорционален абсолютной температуре; например, при 25 °C (298,2 К) он ведет себя как стабилизатор тока на 298,2 мкА (±0,5 мкА). Точность, достигаемая этим простым прибором, равна 1 °C (при наилучшей градуировке) в интервале от —55 до +150 °C. Что особенно привлекает в них, так это простота внешних электрических соединений.

Пластиковый вариант AD592 имеет сравнимые характеристики в меньшей температурной области (-25 °C до 105 °C). ИС источника тока LM334 (см. разд. 6.18) также имеет на выходе сигнал, пропорциональный абсолютной температуре, устанавливаемый с помощью одного резистора в соответствии с формулой J вых (мкА) = [227 Т (°К)]/Rуст (см. рис. 15.6); эта формула включает в себя ~= 5 %-ную коррекцию на U_ ток.

Кварцевые термометры. Изменение резонансной частоты кристалла кварца может быть использовано для создания точного, с хорошей воспроизводимостью, термометра. Хотя реальные генераторы на кристалле кварца обычно имеют самый низкий температурный коэффициент, можно подобрать сечение кристалла, обеспечивающее большой коэффициент, и воспользоваться высокой точностью частотных измерений. Хорошим образцом такого датчика является прибор фирмы Newlett-Packard 2804А — термометр со встроенным микропроцессором, имеющий абсолютную точность 40 мкград в интервале от —50 до +150 °C (при расширении интервала точность уменьшается) и температурное разрешение 100 мкград. Чтобы получить такие характеристики, в приборе предусмотрена индивидуальная калибровка каждого датчика, данные с которого используются для вычисления температуры.

Пирометры и термографы. Интересен метод «бесконтактного» измерения температуры с помощью классического пирометра. Метод заключается в том, что наблюдатель, рассматривая через зрительную трубу вроде телескопа раскаленную поверхность предмета, сравнивает цвет его свечения с цветом нити накала внутри пирометра. При этом наблюдатель подстраивает ток нити накала так, чтобы ее яркость сравнялась с яркостью объекта наблюдения (причем оба рассматриваются через красный светофильтр), и считывает температуру. Этот метод удобен для измерения температуры очень горячих объектов в окислительной или в восстановительной газовой среде, где невозможно использование термопар. Обычные оптические пирометры имеют интервал измеряемых температур от 750 до 3000 °C, точность около 4 °C для нижней части интервала температур и около 20 °C — для верхнего края интервала.

Появление хороших детекторов инфракрасного излучения позволило использовать этот метод измерений и для более низких температур вплоть до обычных. Например, фирма Omega выпускает ряд инфракрасных пирометров с цифровым считыванием в области температур от —30 до +5400 °C. Измеряя интенсивность инфракрасного излучения, иногда с определенными длинами волн, вы можете определять с хорошей точностью температуру удаленных предметов. Такая «термография» с недавнего времени стала популярной в совершенно различных областях: в медицине для диагностики опухолей или в энергетике, например термография вашего дома покажет вам, где транжирится энергия.

Низкотемпературные измерения. Особое место занимает проблема точного измерения температуры криогенных (очень холодных) систем. Задача сводится к выяснению вопроса, насколько температура близка к абсолютному нулю (0 К = = —273,15 °C). Здесь имеются два пути: измерение сопротивления обычного углеродсодержащего резистора, которое при низких температурах резко возрастает, и измерение парамагнитных свойств некоторых солей. Эти вопросы касаются специальной области измерительной техники и здесь рассматриваться не будут.

Измерения позволяют управлять. Если имеется способ регулировать некоторую количественную величину, то при наличии хорошей измерительной аппаратуры можно точно управлять этой величиной. В частности, термисторы обеспечивают прекрасное управление температурой ванны или печи.

15.02. Уровень излучения

Измерение, синхронизация и наблюдение слабых световых потоков достигли высокого уровня благодаря существованию методов усиления, которые неприменимы в обычной схемотехнике. Фотоумножители, усилители с канальными пластинами, ПЗС (приборы с зарядовой связью) и УУКМ (усилитель + усилитель с кремниевой мишенью) включены в каталог высококачественных оптических детекторов. Мы сначала расскажем о самых простых детекторах (фотодиодах и фототранзисторах), а затем перейдем к экзотическим и удивительным устройствам.

Фотодиоды и фототранзисторы. Диодный переход работает как фотодетектор. Свет создает электронно-дырочные пары и тем самым вызывает ток во внешней цепи. Диоды, используемые в качестве фотодетекторов (фотодиоды и p-i-n-диоды), имеют прозрачный корпус и обладают хорошим быстродействием, высоким КПД, низким уровнем шума и малыми токами утечки. Простейший режим работы фотодиода — это когда он соединен параллельно с сопротивлением нагрузки или со входом преобразователя ток/напряжение, как показано на рис. 15.8.

Рис. 15.8.

Более быстрое срабатывание (при том же фототоке) у обратно-смещенного перехода (рис. 15.9).

Рис. 15.9.

Быстродействующие р-i-n-диоды имеют времена срабатывания несколько наносекунд или меньше (ширина полосы 1 ГГц), если нагружены на низкое сопротивление. Следует отметить, что у хороших р-i-n-диодов ток утечки так мал (меньше наноампер), что тепловые шумы сопротивления нагрузки становятся доминирующими уже при сопротивлениях, меньших или равных 100 МОм, поэтому отношение быстродействие/шум здесь выбирается на основе компромисса. Кроме того, при работе с низкими уровнями светового потока нужно учитывать и ошибки, вызываемые смещением напряжения на входе усилителя или напряжения сдвига в сочетании с «темновым» сопротивлением фотодиода.

Фотодиоды - прекрасные детекторы излучения в условиях, когда света много, но если уровень излучения низок, то сигнал с его выхода может быть слишком мал. Обычно их чувствительность порядка 1 мкА на 1 мВт падающего излучения. Поток в 1000 фотонов в 1 с, видимый невооруженным глазом, если его сфокусировать на р-i-n-диоде, вызовет фототок всего в 4·10-16 А, что совершенно невозможно выделить на фоне шума и тока утечки. Здесь лучше применять не фотодиоды, чувствительные к фотонам (см. след. раздел о фотоумножителях), а так называемые фоторезисторы, которые имеют значительно больший выходной ток, чем фотодиоды, при сравнимых уровнях облучения, но хуже по быстродействию. Фототранзисторы работают как обычные транзисторы, но ток базы — это фототок, получаемый в переходе база-коллектор.

Недорогие фототранзисторы типа MRD701 имеют выходной ток порядка миллиампера при освещенности 1 мВт/см2, времена нарастания и спада десятки микросекунд, а фототранзисторы Дарлингтона типа MRD711 имеют фототок примерно в 50 раз выше, но времена нарастания у них составляют 100 мкс или более. Заметим, однако, что добавочное усиление тока в фототранзисторах или в составных фототранзисторах не улучшает их способность детектировать очень малые уровни света (чувствительность), поскольку нижний предельный уровень определяется «темновым током» детекторного диода.

Мы имеем прекрасные результаты с фотодиодами фирмы UDT, Siemens и Наmamatsu. В каталоге последней представлено впечатляющее разнообразие детекторов, включая кремниевые p-n-переходы, р-i-n-диоды на кремнии, фотодиоды на GaAs (как диффузионные, так и Шоттки) и на GaP, лавинные детекторы. В каталоге перечислены простые детекторы различных размеров и вида, а также линейные фотодиодные матрицы. ADT выпускает серии детекторов с разъемами типа МВС.

Фотоумножители. Для детектирования и измерения малых световых потоков (и иногда с наносекундным разрешением) лучше всего пригодны фотоумножители. В них фотоны (мельчайшие частицы света) вырывают с «фотокатода», изготовленного из светочувствительного щелочного металла, электроны. В фотоумножителе этот слабый фототок усиливается благодаря ускоренному движению электронов к последующим поверхностям (динодам), из которых легко вырываются дополнительные электроны. Рис. 15.10 иллюстрирует этот процесс.

Рис. 15.10. Процесс умножения в ФЭУ.

При таком «электронном умножении» шум первоначального сигнала фототока практически не усиливается. Делитель напряжения обычно рассчитывают так, чтобы между соседними динодами падало по 100 В, при этом усиление на каждом каскаде было равно 10 или общее 106. В конце концов ток собирается на аноде, потенциал которого близок к земле (см. рис. 15.11), и он бывает настолько велик, что шумы последующего усилителя уже не играют роли.

Рис. 15.11. Схема смещения динодов в фотоумножителях.

Наиболее эффективные фотокатодные материалы имеют квантовый выход, превышающий 25 %, и благодаря большому усилению, обеспечиваемому динодами, легко фиксируются отдельные фотоэлектрические акты. Если световой поток очень мал, то сигналы после ФЭУ (фотоэлектронного умножителя) подаются на импульсный усилитель, интегрирующий заряд, дискриминатор (см. подробнее рис. 13.60) и счетчик. При больших световых потоках количество фотоэлектронов становится столь большим, что анодный ток фиксируется как макроскопическая величина. ФЭУ имеют чувствительность порядка 1 А на 1 мкВт, а максимальный анодный ток ФЭУ не должен превышать 1 мА. Таким образом, число фотонов практически ограничивается величиной около 1 млн/с, что при грубой оценке соответствует падающей мощности 2·10-12 Вт!

Обычно выпускаемые электронные приборы работают в режиме как счета импульсов, так и измерения тока на выходе. Например, «квантовый фотометр» фирмы РАР с встроенным источником высокого напряжения работает в обоих режимах. Он имеет 11 диапазонов для счета импульсов (полная шкала от 10 имп./с до 106 имп./с) и 11 диапазонов считывания анодного тока (полная шкала 10 нА-1 мА).

Даже в условиях полной темноты на аноде будет небольшой ток. Он вызывается тепловыми электронами, исходящими из фотокатода и динодов, и его можно уменьшить, если охлаждать ФЭУ до температуры —25 °C и ниже. Обычно темновые токи для светочувствительного катода ФЭУ из щелочноземельных металлов имеют величину примерно 30 ед./(с·см2 площади катода) при комнатной температуре. Охлажденный ФЭУ с небольшим катодом имеет темновой ток меньше единицы в секунду. Следует помнить, что ФЭУ с включенным напряжением питания не должен подвергаться воздействию обычного света; для ФЭУ, в окно которого попал дневной свет даже при отключенном питании, требуется 24 ч или более, чтобы он «остыл» и его темновой ток вернулся к нормальному уровню. В некоторых применениях (например, флуоресцентные измерения) ФЭУ могут известное время подвергаться воздействию ярких вспышек света. В этом случае вы можете минимизировать время восстановления при перегрузке, блокируя ускоряющее напряжение на первых нескольких динодах во время вспышки (некоторые изготовители предоставляют эту возможность соответствующим сочетанием ФЭУ/гнездо).

По сравнению с фотодиодами ФЭУ обладают более высоким квантовым выходом, сохраняя быстродействие (время нарастания обычно равно 2 нс). Однако они громоздки и требуют стабилизированного источника высокого напряжения, поскольку усиление ФЭУ возрастает экспоненциально в зависимости от приложенного напряжения.

Особое значение приобретают ФЭУ при работе с чрезвычайно малыми световыми потоками. Они используются при токах анода порядка микроампера или менее, следовательно, ФЭУ легко «видят» свет, который вы не можете видеть. Фотоэлектронные умножители применяют не только для непосредственного детектирования света, как в астрономии (фотометрия) и биологии (биолюминесценция, флуоресценция), но и в схемах совпадений со сцинтилляторами типа детекторов частиц и детекторов рентгеновского и гамма-излучения, которые будут рассматриваться в разд. 15.07. ФЭУ широко используются в спектрофотометрии, где они в сочетании с призмами, дифракционными решетками или интерферометрами позволяют проводить точные измерения оптических спектров. ФЭУ изготовляются фирмами RCA (Burle), Hamamatsu, EMI и EG&G.

ПЗС, усилители изображения, УКМ, УУКМ и диссекторы изображения. С помощью некоторых новейших искусных методов можно получить изображение на уровне отдельных световых квантов, т. е. можно сформировать изображение с такой же чувствительностью к малым световым потокам, что и в фотоумножителях (не дающих изображение). Эти последние изобретения удивительны. Вы можете сидеть в совершенно темной комнате и смотреть в телевизионный монитор, в котором изображаются, хотя и со множеством «бликов», все предметы в комнате.

Ключевым узлом во всех этих устройствах является электронно-оптический усилитель изображения, на выходе которого формируется яркая реплика входного изображения. Считывание осуществляется либо с помощью обычного видикона (ТВ-камеры) с кремниевой мишенью, либо с помощью матрицы ПЗС. В видиконе изображение, спроецированное на светочувствительную двумерную мишень, считывается сканированием электронного пучка, а в ПЗС-путем сдвига «изображения» по типу аналогового регистра сдвига. Чувствительность телевизионной камеры много ниже уровня отдельных фотонов — это двумерный аналог фотодиода. Поместив перед камерой трубку электронно-оптического усилителя изображения, вы совершите чудо. Схематично этот процесс изображен на рис. 15.12.

Рис. 15.12. Видикон с одним каскадом усиления изображения. 1 — изображения попадают на чувствительный фотокатод, эжекция электронов; 2 — усиленное изображение, формируемое на люминофоре выходного окна ускоренными электронами; 3 — усиление изображение попадает на чувствительную поверхность видикона, считывание осуществляется сканированием электронного пучка.

Электронно-оптические усилители поступают в двух вариантах. В усилителях с первичной генерацией чувствительная поверхность фотокатода такая же, как и в фотоумножителях. Здесь предусмотрена фокусировка электронов и имеется люминофорный экран, расположенный позади так, что фотоэлектроны от катода ускоряются под действием приложенного высокого напряжения и бомбардируют люминофор с энергией, достаточной, чтобы вызвать яркие вспышки света. С помощью такого усилителя вы можете получить на одном каскаде усиление около 50 с разрешением приблизительно 50 линий на 1 мм. Обычно ставятся два, три или четыре каскада, чтобы получить общее усиление света 106 или более. Входное и выходное окна делаются из стекла с внутренним соответственно фоточувствительным или фосфорным покрытием, или же они могут изготовляться из плотной связки оптических волокон. Оптические волокна обладают тем преимуществом, что позволяют сопрягать совершенно плоские входные и выходные поверхности с искривленной поверхностью трубки.

Благодаря волоконной оптике упрощаются внешние оптические узлы, так как можно соединять эти устройства покаскадно, прямо стыкуя их вместе без всяких линз. Электронно-оптические усилители с вторичной генерацией, в которых используются «микроканальные пластинки», позволяют достичь более высоких значений для коэффициента усиления света на одном каскаде, и их лучше всего использовать при низких уровнях световых потоков, когда число «ионных актов» мало. Положительные ионы вырываются из люминофора и движутся к катоду, где производят сильный всплеск. В этих усилителях в пространство между катодом и люминофором помещается микроканальная пластина, представляющая собой связку микроскопических полых трубок, внутренняя поверхность которых покрыта умножающим слоем по типу динодов. Фотоэлектроны от катода ударяются снизу об эти каналы, вырывая вторичные электроны, благодаря чему получается усиление света порядка 10000 (рис. 15.13).

Рис. 15.13. Электронно-оптический усилитель с микроканальной пластиной и с электростатической фокусировкой.

Можно получить разрешение около 20 лин./мм, а используя специфические конфигурации («J-канал», «С-канал», «шеврон»), почти полностью решить проблему дефицита ионных актов. В результате получается усилитель изображения с таким же квантовым выходом, как и фотоумножитель (20–30 %).

Использование почти бесшумного умножения электронов позволяет довести уровень усиленного света до уровня чувствительности видикона или ПЗС. Такие усилители, совмещенные в одной трубке с видиконом, имеющим кремниевую мишень, называют УКМ (усилители с кремниевой мишенью). УУКМ (усилитель + усилитель с кремниевой мишенью) — это УКМ, перед которым с внешней стороны встроен дополнительный усилитель (рис. 15.14). Эти приборы позволяют видеть в темноте и широко применяются как в астрономии, так и для военных действий в ночное время.

Рис. 15.14. Усилитель + усилитель с кремниевой мишенью (УУКМ).

1 — изолирующий «герметизирующий» материал; 2 — люминофор; 3 — высоковольтные выводы; 4 — фотокатод; 5 — магнитная отклоняющая система; 6 — цоколь трубки видикона; 7 — входное окно диаметром 18 мм (связка оптических волокон); 8 — электростатическая фокусировка; 9 — стекловолоконный диск; 10 — кремниевая мишень (видикон); 11 — электронный пучок для сканирующего считывания.

Интересную модель фотоэлектронного усилителя изображения представляет собой так называемый диссектор изображения - хитроумное устройство, которое фактически является предшественником описанных приборов. В нем после площадки чувствительного фотокатода располагается цепочка обычных для фотоумножителей динодов. Между фотокатодом и динодами имеется небольшая диафрагма и несколько отклоняющих электродов так, что любое пятно на фотокатоде может стать активной областью генерации электронов, умножаемых системой динодов. Можете считать, что диссектор изображения — это тот же фотоумножитель, но у которого рабочая область на фотокатоде электронным путем может перемещаться. Квантовый выход и усиление те же, что и у обычных ФЭУ, но от усилительных видиконов, ПЗС и УКМ (у всех у них изображение интегрируется) диссекторы отличаются тем, что между считываниями изображение в пределах входного поля зрения не накапливается. Конечно, детекторные матрицы ПЗС могут использоваться и без усилителя.

Компании EGG Reticon, Kodak, TI, Tektronix, Thomson и Toshiba выпускают их в виде одномерной («линейной») матрицы, содержащей до 4096 ячеек, или же в виде двумерной (плоской) матрицы, содержащей 256К (512x512) и более ячеек (так называемых «пикселов», или «элементов растра»). Toshiba, например, выпускает плоские детекторы с размещением до 2·106 пикселов на один кристалл. Линейные матрицы более удобны как детекторы в спектроскопии; плоские же — для двумерных изображений, в телевизорах.

Все ПЗС являются свето-интегрирующими устройствами, т. е. у них, пока матрица не считывается, заряд в каждом пикселе накапливается. Во время считывания ПЗС ведет себя как аналоговый регистр сдвига с изображением растрового типа, возникающим в виде последовательных аналоговых импульсов на одной шине.

15.03. Деформация и смещение

Измерение таких физических переменных, как положение и сила, само по себе достаточно сложно, и любой измерительный прибор должен включать в себя такие устройства, как тензодатчик, ДПЛП и т. п. Основным здесь является измерение перемещения. Существует несколько прекрасных методов измерения положения, смещения (изменение положения) и деформации (относительное удлинение).

ДПЛП. Весьма распространены ДПЛП (дифференциальные преобразователи линейных перемещений), название которых само объясняет их суть. Они строятся в виде трансформаторов с подвижным сердечником, в которых возбуждается переменным током одна обмотка и измеряется индуцированное напряжение во второй обмотке. Вторичные цепи имеют в середине отвод (или делаются как две отдельные обмотки) и располагаются симметрично по отношению к первичной, как показано на рис. 15.15.

Рис. 15.15. Датчики перемещений. а — дифференциальный преобразователь линейных перемещений (ДПЛП), вид в разрезе; б — схема ДПЛП; в — выходное напряжение ПЛП в зависимости от перемещения; г — схема тензодатчика.

ДПЛП выпускаются различных размеров и охватывают диапазон перемещений от 0,125 до 625 мм, с частотами возбуждения от 50 Гц до 30 кГц и точностью от 1 до 0,1 % или еще лучше. Лидирующей в этой области является фирма Schaevitz, в каталоге которой представлен широкий выбор линейных и угловых («ДПВП») преобразователей, приборов, преобразующих измерения датчиков ДПЛП в давление, силу, ускорение и т. п., а также устройств считывания данных ДПЛП. Если вы работаете в этой области и пользуетесь ДПЛП, у вас может возникнуть желание создать собственную аппаратуру, возможно использующую ИМС, предназначенные для специальных целей. Например, прибор Signetics NE5520/1 «LVDT Signal Conditioner» выдает сигналы синусоидального возбуждения и включает в себя синхронный демодулятор, обеспечивающий выходное напряжение пропорциональное перемещению, измеренному ДПЛП. Устройства 2S54/6 Analog Devices являются синхронными демодуляторами с высокой линейностью (0,01 %), имеющими встроенные А/Ц-преобразователи, обеспечивающие прямые цифровые выходы (14 и 16 бит соответственно).

Тензодатчики. Тензодатчики измеряют удлинение и (или) изгиб сборки из четырех металлических тонкопленочных резисторов, подвергаемой деформации. Они выпускаются в виде законченных комплектов размерами от 0,4 мм до нескольких сантиметров с сопротивлением, обычно равным приблизительно 350 Ом/плечо. Электрическая схема тензодатчиков подобна мосту Уитстона: на два противоположно расположенных зажима подается постоянное напряжение, а с двух других снимается разность потенциалов, как уже рассматривалось в разд. 7.09. Выходные напряжения очень малы, обычно около 2 мВ на 1 В возбуждения при полной шкале деформации, точность от 1 до 0,1 % всей шкалы (см. рис. 15.15, г).

Очень нелегко измерять относительно малые удлинения, и определение величины деформации в этом случае, к сожалению, ненадежно. Небольшие различия в температурных коэффициентах элементов моста влияют на их чувствительность к температуре, что ограничивает точность деформации. Это проблематично даже в условиях контролируемой температуры окружающей среды из-за явления саморазогрева. Например, при возбуждении постоянным током напряжение 10 В 350-омного моста в чувствительном элементе рассеивается 300 мВт, а его температура возрастает на 10 °C (или больше), что вызывает ошибку в реальном сигнале от 0,1 до 0,5 % для всей шкалы.

В последнее время получили распространение полупроводниковые тензодатчики. На выходе они дают сигнал, в 10 раз превышающий сигнал металлопленочных приборов, а их сопротивление составляет несколько сотен омов. И что особенно важно, для их возбуждения можно использовать источник тока, а не источник напряжения, а это дает возможность минимизировать чувствительность к температуре.

Емкостные преобразователи. Очень чувствительный метод измерения перемещений может быть реализован, если использовать преобразователь, состоящий просто из двух близко расположенных друг к другу пластин или из пластины, заключенной между парой внешних пластин. Включив такой конденсатор в резонансную схему или используя мост, возбуждаемый переменным током высокой частоты, можете улавливать и измерять очень малые изменения положения. Емкостные микрофоны используют этот принцип для преобразования акустического давления или скорости его изменения в электрический сигнал звуковой частоты.

Интересные схемные решения применяются в усилителях для конденсаторных микрофонов, и они имеют большое практическое значение, поскольку многие из лучших микрофонов для записи являются просто емкостными датчиками положения, состоящими из тонкой металлизированной пластиковой фольги, расположенной почти вплотную к жестко закрепленной пластине. Конденсатор заряжается через большое сопротивление напряжением от 50 до 100 В, и фиксируются изменения напряжения при движении диафрагмы в звуковом поле.

Конденсаторные микрофоны имеют чрезвычайно высокие импедансы источника (типичная капсула имеет емкость около 20 пФ или реактивное сопротивление около 400 МОм при 20 Гц), поэтому шансы, что сигнал сумеет пройти даже через кабель малой длины, практически отсутствуют, если не поместить непосредственно при капсуле предусилитель. На рис. 15.16 представлены два способа усиления напряжения с капсулы, амплитуда которого может принимать значения от 1 мВ до 100 мВ (эфф.) для обычно используемых материалов.

Рис. 15.16. Усилители для емкостных микрофонов.

В первой схеме малошумящий операционный усилитель на полевых транзисторах обеспечивает усиление 20 дБ и низкое выходное сопротивление, необходимое, чтобы возбудить однопроводную экранированную линию. Поскольку усилитель должен располагаться вплотную к капсуле микрофона (в пределах нескольких сантиметров), следует рабочие напряжения (смещение для капсулы, а также питание ОУ) подавать через микрофонный кабель, а в данном случае по дополнительным проводам.

Особенностью этой схемы является плавающая микрофонная капсула, позволяющая упростить задание смещения ОУ. R 1 и С 1 — фильтр напряжения смещения микрофона, a R 2 должен иметь высокое сопротивление по сравнению с капсулой на всех звуковых частотах, R 5 и С 4 образуют фильтр ВЧ, так как линия несбалансирована и в нее, следовательно, могут проникать радиочастотные наводки и помехи.

Эта схема не лишена некоторых недостатков. Она требует 4-жильного кабеля, тогда как промышленностью выпускается стандартный экранированный двухжильный кабель. К этому же плавающая капсула создает чисто технические трудности. Эти недостатки ликвидируются во второй схеме, где смещение на капсулу подается по линии, служащей и для передачи звуковой частоты, причем линия представляет собой согласованную 200-омную пару. Один электрод капсулы заземлен, а p-канальный p-n-полевой транзистор (ПТ) используется в режиме истокового повторителя, работающего на небольшой трансформатор звуковой частоты. Однополюсный выход восстанавливается на удаленном конце, где смещение подается на центральное ответвление трансформатора. Кое-кто может возразить, что увеличение числа трансформаторов - плохая идея, но на практике они прекрасно работают.

Углы. Угол поворота объекта с достаточно хорошей точностью можно преобразовать в электрические сигналы. Например, имеются модификации ДПЛП для измерения углов поворота, весьма популярны вращающиеся синусо-косинусные преобразователи. В обоих случаях используется возбуждение переменным током, и угловое положение легко измеряется вплоть до дуговой минуты. Приложив некоторые усилия, можно измерять углы и на уровне дуговой секунды. В других приборах используется, например, световой пучок, падающий на стеклянный диск с серыми радиальными штрихами.

Интерферометрия. Измерения положения с высокой точностью можно проводить, используя отражение лазерного луча от зеркал, скрепленных с предметом, и считывая число интерференционных полос. Предельная точность таких методов определяется длиной волны излучения, так что приходится приложить большие усилия, чтобы добиться точности, большей чем полмикрона (1 микрон, или микрометр, равен 1/1000 мм). Например, промышленный измеритель на лазере, выпускаемый фирмой Hewlett-Packard, имеет разрешение, приближающееся 10-6 см. Лазерные интерферометры сейчас используют для непрерывных наблюдений, для измерений плоскостности и для решения различных задач в научно-исследовательских лабораториях. В Национальном бюро стандартов большинство прецизионных измерений размеров осуществляется интерференционно с помощью Deslatt. Дислетты, несомненно, прекрасны, когда требуется проводить прецизионные физические измерения, так как они позволяют измерять интервалы до миллиангстрема (10-11 см) и углы в дуговых миллисекундах.

Кварцевые генераторы. Кварцевые кристаллы откликаются на деформацию изменением своей резонансной частоты, таким образом обеспечивая очень точный метод измерения малых смещений или измерений давления. Кварцевые преобразователи давления обеспечивают самое высокое разрешение из всех устройств, имеющихся в настоящее время (об этом см. ниже).

15.04. Ускорение, давление, сила, скорость

Описанные методы позволяют измерять ускорение, давление и силу. Акселерометры содержат в себе тензодатчик, связанный с массивным пробником, или датчик емкостного типа, которые реагируют на изменение в положении пробной массы. В акселерометрах, которые измеряют непосредственно перемещение пробной массы для получения выходного сигнала, приходится демпфировать систему для предотвращения колебаний. В некоторых системах используют обратную связь, препятствующую массе перемещаться относительно тела акселерометра. В этом случае выходной сигнал акселерометра будет соответствовать величине силы, возникающей в петле обратной связи.

ДПЛП, тензодатчики, емкостные преобразователи и кварцевые генераторы применяются для измерений давления в сочетании со специальными устройствами, такими, как манометр Бурдона, полые спиральные кварцевые трубки, которые раскручиваются при заполнении газом. ДПЛП, например, охватывают область измерений от 70 гс/см2 до 7 гс/см2 или больше. Кварцевые осцилляторы обеспечивают самое высокое разрешение и точность. Образцы, выпускаемые фирмой Раroscientific, обеспечивают точность 0,01 % и стабильность 0,001 %. Фирма Hewlett-Packard выпускает кварцевые манометры с полной шкалой 800 кгс/см2 и паспортным разрешением 0,7 гс/см2.

Для измерения силы и веса часто используются ДПЛП, хотя здесь подходит любой метод измерения перемещений. Полная шкала общедоступного ряда приборов охватывает диапазон от 10 г до 250 г с точностью 0,1 %. Для измерения с высокой точностью малых сил в лабораторных условиях используют приборы с торсионным балансированием кварцевой нити, электростатической балансировкой и т. п. Интересный пример современного подхода представляет собой гравиметр разработки фирм Goodkind и Warburton. В нем вес сверхпроводящей сферы под действием магнитного поля грубо компенсируется в нуль, а остаточный небаланс снимается с помощью электростатических датчиков и пластин. Такой метод позволяет измерять изменения гравитационного поля до 10-9 и с легкостью наблюдать изменение барометрического давления, связанное с влиянием воздушных масс на локальное гравитационное поле!

Магнитные преобразователи скорости. Прежде всего следует отметить, что датчики перемещений можно использовать для измерения скорости, которая является производной положения по времени. Однако можно и непосредственно проводить измерения скорости, принимая во внимание, что напряжение, индуцируемое в проволочной петле, движущейся в магнитном поле, пропорционально скорости изменения магнитного потока, пронизывающего петлю. Такие устройства для измерения скорости содержат длинную проволочную катушку с магнитным сердечником, движущимся внутри ее. Чаще всего магнитные датчики скорости используются в промышленных звукозаписывающих и воспроизводящих устройствах: микрофонах (и в обратном варианте — громкоговорителе), кассетных магнитофонах, электромагнитных звукоснимателях, аналоговых записывающих устройствах. Эти датчики обычно дают сигналы очень низкого уровня (несколько милливольт) и требуют своеобразных схемных решений. Чтобы получить высококачественное воспроизведение звука, надо снизить шумы и наводки на 60 дБ и более, т. е. до уровня микровольт. Поскольку в студиях звукозаписи и на радиостанциях эти сигналы проходят по кабелю очень большое расстояние, задача может осложниться.

На рис. 15.17 показаны способы усиления слабых сигналов от микрофонов и магнитных звукоснимателей.

Рис. 15.17. Усилители для динамического микрофона и электромагнитного звукоснимателя.

Динамический микрофон противоположен по принципу громкоговорителю: катушка под действием звукового давления движется в магнитном поле. Выходной импеданс этих приборов 200 Ом, а уровень сигналов от 50 мкВ до 5 мВ (эфф.) для тихой речи и концертного зала соответственно. Всякий соединительный кабель значительной длины представляет собой сбалансированную и экранированную скрученную пару и заканчивается стандартным 3-штырьковым разъемом XLR Cannon для звуковой аппаратуры. На дальнем конце кабеля производится преобразование сопротивления к уровню около 50 кОм с помощью высококачественного звукового согласующего трансформатора, как показано на рис. 15.17, а. Уровень сигнала при этом трансформируется к значениям от 1 мВ до 100 мВ (эфф.), и, как показано, далее сигнал должен усиливаться малошумящим предусилителем. Хотя часто используются предусилители с усилением 40 дБ, но, чтобы получить хорошие параметры при перегрузках, лучше остановиться на усилении 20 дБ. Это особенно справедливо при записи популярной музыки, где певцы часто заканчивают выступление выкриками прямо в микрофон. Использование сбалансированного 200-омного микрофонного кабеля значительно ослабляет помехи благодаря его способности подавлять синфазные сигналы. Хорошие трансформаторы звуковых частот, предназначенные для такого рода применений, имеют электростатический экран между обмотками, что дополнительно уменьшает чувствительность в ВЧ-наводкам. Если радиочастотные помехи недостаточно подавляются этой схемой, как может быть при наличии близко расположенных передающих станций, можно добавить на входе предусилителя низкочастотный фильтр. Наводки можно подавить, если последовательно входу подключить резистор 1 кОм (или небольшой дроссель) и заземленный конденсатор 100 пФ.

Звукосниматели не нуждаются в сбалансированной линии, так как кабель к предусилителю обычно очень короткий. Стандартный способ - это просто использовать одножильный экранированный провод, конец которого заземляется через 47 кОм, что нужно для получения надлежащей частотной характеристики (рис. 15.17, б). Здесь показан также входной фильтр для уменьшения наводок радиочастот, которые являются всеобщей проблемой в городах. ВЧ-сигналы на входе звуковой аппаратуры ставят специфические задачи, так как вследствие нелинейностей усилителя звуковых частот в диапазоне радиочастот происходит их паразитное детектирование, в результате чего возникают помехи на звуковых частотах и искажения. При конструировании ВЧ-фильтра нельзя делать емкость нагрузки большой (не больше 300 пФ, включая емкость кабеля), иначе изменится частотная характеристика полезного сигнала.

Чтобы сохранить уровень шума низким, сопротивление последовательной цепи следует выбирать не более нескольких сотен омов. До некоторой степени большие величины индуктивности можно безбоязненно использовать, поскольку индуктивность самой головки обычно составляет 0,5 Г. Приведенная усилительная схема имеет стандартную характеристику RIAA, используемую для звукозаписи в США.

15.05. Магнитное поле

Точные измерения магнитных полей необходимы в научных исследованиях при наличии измерительной аппаратуры, в которой используются магнитные поля (магнитный резонанс, магнетроны, приборы с магнитной фокусировкой электронов и т. п.), а также в геологии при разведке полезных ископаемых. Для измерений на уровне 1 % достаточно датчиков на эффекте Холла. Эффект Холла вызывает появление поперечного напряжения на токонесущем куске материала (обычно это полупроводник), помещенном в магнитное поле, и полная шкала промышленных магнитометров на основе эффекта Холла перекрывает область от 1 Гс (гаусс) до 10 кГс. Чтобы вы имели представление о масштабе этих величин, скажем, что Земля обладает полем примерно 0,5 Гс, в то время как сильный постоянный магнит - несколько сотен гаусс. Холловские магнитометры дешевы, несложны, небольших размеров и надежны. Например, недорогой TLI73 фирмы TI является законченным линейным датчиком на основе эффекта Холла, размещенным в трехполюсном пластиковом корпусе ТО-92. При питании от +12 В на выходе его постоянное напряжение возрастает на 1,5 мВ на каждый гаусс приложенного магнитного поля. Sprague также выпускает ряд линейных холловских датчиков (серии VG 3500/3600). Эффект Холла используется также при построении бесконтактных распределительных щитов и панелей переключений, как было отмечено в разд. 9.04.

Давно известен метод, в котором многовитковая проволочная катушка либо вращается в магнитном поле с некоторой постоянной скоростью, либо перемещается поступательно. При этом измеряется соответственно или индуцированное переменное напряжение, или интегральный ток. Сама по себе катушка очень проста, и для нее имеется стройная электромагнитная теория, но применение таких катушек делает приборы громоздкими, да и выглядят они старомодно.

Для измерения очень малых магнитных полей нет ничего лучше СКИПа (SQUID — сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор) — весьма хитроумного устройства на сверхпроводниках, легко измеряющего один квант магнитного потока (0,2 мкГс на 1 см2). С помощью СКИПа можно измерить магнитное поле, наводимое в вашем теле, когда вы пьете стакан холодной воды, если это зачем-либо понадобится. Имеются фантастические устройства, требующие значительного оснащения криогенной аппаратурой, жидким гелием и т. п., и здесь нет необходимости их рассматривать. Точные измерения магнитного поля в диапазоне килогаусса лучше всего осуществляются с помощью ЯМР (ядерный магнитный резонанс) — магнитометра. Это устройство, в котором используется прецессия атомных ядер (обычно водорода) во внешнем магнитном поле. Этим методом пользуются физики, и точность измерения без усилий достигается порядка 10-6 или еще лучше. Поскольку выходным сигналом является частота, подходят все методы точного измерения частоты-времени (более подробно об этом сказано ниже).

В таких приборах, как магнитометры с насыщенным сердечником и магнитные усилители, осуществляется еще один способ измерения магнитных полей. В них феррит возбуждается переменным полем, а наблюдаемый сигнал соответствует наложенному внешнему полю.

15.06. Вакуумные манометры

Измерения в вакууме, к счастью, не вызывают затруднений, и вакуум играет немаловажную роль, например, при производстве транзисторов и ИМС, изготовлении тонких пленок и сублимации кофе. Основным измерительным прибором в подобных процессах служит ионизационный манометр Баярда/Алперта, который внешне напоминает вывернутую наизнанку вакуумную лампу-триод (рис. 15.18).

Рис. 15.18. Ионизационный манометр.

Горячая нить накала испускает электроны, которые притягиваются к положительно заряженному аноду. На пути к аноду пучок электронов сталкивается с находящимися в трубке молекулами газа и создает положительно заряженные ионы, которые притягиваются к центральному электроду, потенциал которого близок к потенциалу земли. Ионный ток в точности пропорционален молекулярной плотности газа, т. е. давлению. Ионные манометры используют в тех случаях, когда давление (вакуум!) измеряется в пределах от 10-3 до 10-11 мм рт. ст. (единица давления 1 мм рт. ст. называется также торром, нормальное атмосферное давление равно 760 мм рт. ст.). Для того чтобы поддерживать давление равным 10"10 мм рт. ст., требуется величайшая тщательность в работе, даже наличие отпечатка пальца на внутренней стороне баллона может свести на нет все ваши усилия.

Для измерения более умеренных уровней давления (от 1 мм рт. ст. до 1 мкм рт. ст., такое давление создают с помощью механических форвакуумных насосов) чаще всего используют манометры с термопарой, соединенной с небольшим нагревателем; через нагреватель пропускают некоторый ток и определяют температуру с помощью термопары. «Аппарат» охлаждается остаточным газом, при этом понижается выходное напряжение термопары. Манометры с термопарами обычно используют для того, чтобы узнать, когда можно включать насосы (диффузионные или ионизационные) высокого вакуума. Фирма Cranville-Phillips выпускает улучшенный вариант теплоотдающего манометра, работа которого основана на сходных принципах. Этот манометр называют «конвектроном», с его помощью измеряют давление в диапазоне от 1 мм рт. ст. до атмосферного давления.

15.07. Детекторы элементарных частиц

В ядерной физике и физике элементарных частиц, а также в многочисленных областях науки, использующих в своей практике радиоактивные частицы (медицина, судебная экспертиза, промышленный контроль и т. п.), существенное место отводится вопросам обнаружения, идентификации, спектрального анализа заряженных частиц и фотонов высоких энергий (рентгеновских лучей и гамма-лучей). Сначала рассмотрим детекторы рентгеновского и гамма-излучения, а затем детекторы заряженных частиц.

Детекторы рентгеновского и гамма-излучения. Классический образ искателя урана предполагает седеющего, измученного жарой субъекта, который бродит по пустыне со счетчиком Гейгера в руке. В наши дни в отношении детекторов достигнут значительный прогресс. Во всех современных детекторах используется следующий эффект: энергия поступающего в детектор фотона используется для ионизации какого-либо атома, при этом благодаря фотоэлектрическому эффекту излучается электрон. С этим электроном поступают по-разному в различных типах датчиков.

Ионизационная камера, пропорциональный счетчик, счетчик Гейгера . Эти детекторы состоят из цилиндрической (как правило) камеры, имеющей в диаметре несколько сантиметров, и проходящего в центре тонкого провода. Камера бывает заполнена каким-либо газом или смесью газов. С одной стороны имеется узкое «окошко» из материала, пропускающего интересующее вас излучение (пластик, бериллий и т. п.). Центральный провод имеет положительный потенциал и подключается к некоторой электронной схеме. Типичная конструкция такого детектора представлена на рис. 15.19.

Рис. 15.19. Пропорциональный счетчик частиц.

Когда в камере появляется квант излучения, он ионизирует атом, и тот испускает фотоэлектрон, последний затем отдает энергию, ионизируя атомы газа до тех пор, пока запас энергии не иссякнет. Оказывается, что электрон отдает около 20 В энергии в расчете на создаваемую им пару электрон — ион, следовательно, полный заряд, высвобожденный фотоэлектроном, пропорционален энергии, которую первоначально несло излучение. В ионизационной камере этот заряд собирается и усиливается усилителем заряда (интегрирующим), который работает также как фотоумножитель. Итак, выходной импульс пропорционален энергии излучения. Аналогичным образом работает пропорциональный счетчик, но на его центральном проводе поддерживается более высокое напряжение, следовательно, притягиваемые к нему электроны вызывают дополнительную ионизацию и результирующий сигнал получается большим. Эффект умножения заряда позволяет использовать пропорциональные счетчики при небольших значениях энергии излучения (порядка киловольт и ниже), когда ионизационные счетчики использовать невозможно. В счетчике Гейгера на центральном проводе поддерживается достаточно высокое напряжение, при котором любая начальная ионизация порождает большой одиночный выходной импульс (фиксированной величины). В данном случае вы получаете хороший большой выходной импульс, но не имеете никакой информации об энергии рентгеновского излучения.

В разд. 15.16 вы познакомитесь с интересным прибором, называемым анализатором ширины импульсов, который позволяет преобразовать последовательность импульсов различной ширины в гистограмму. Если ширина импульса является мерой энергии частицы, то с помощью такого прибора получим не что иное, как энергетический спектр! Итак, с помощью пропорционального счетчика (но не счетчика Гейгера) можно проводить спектрографический анализ излучения.

Подобные газонаполненные счетчики используют в диапазоне значений энергии от 1 кэВ до 100 кэВ. Пропорциональные счетчики обладают разрешающей способностью порядка 15 % при значении энергии 5,9 кэВ (распространенная для излучения калибровка, которую обеспечивает распад железа-55). Они недороги и могут иметь как очень большие, так и очень маленькие габариты, но для них требуется высокостабильный источник питания (умножение растет по экспоненциальному закону с напряжением), и они не отличаются высоким быстродействием (максимальная практически достижимая скорость счета грубо определяется величиной 25 000 имп./с).

Сцинтилляторы. Сцинтилляторы преобразуют энергию фотоэлектрона, электрона Комптона или пары электрон-позитрон в световой импульс, который воспринимается подключенным к прибору фотоумножителем. Распространенным сцинтиллятором является кристаллический иодид натрия (Nal) с примесью талия. Как и в пропорциональном счетчике, в этом датчике выходной импульс пропорционален поступающей энергии рентгеновского (или гамма) излучения, а это значит, что с помощью анализатора ширины импульсов можно производить спектрографический анализ (разд. 15.16).

Обычно кристалл Nal обеспечивает разрешение порядка 6 % при значении энергии 1,3 МэВ (распространенная для гамма-излучения калибровка, которую обеспечивает распад кобальта-60) и используется в энергетическом диапазоне от 10 кэВ до нескольких ГэВ. Световой импульс имеет длительность порядка 1 мкс, следовательно, эти детекторы обладают достаточно высоким быстродействием. Кристаллы Nal могут иметь различные размеры, вплоть до нескольких сантиметров, однако они сильно поглощают воду, следовательно, хранить их следует в закрытом виде. В связи с тем, что свет нужно каким-то образом устранять, кристаллы обычно поставляют в металлическом корпусе, имеющем окошко, закрытое тонкой пластинкой алюминия или бериллия, в котором находится интегральный фотоумножитель.

В сцинтилляторах используют также пластики (органические материалы), которые отличаются тем, что они очень недороги. Разрешение у них хуже, чем у иодида натрия, и используют их в основном в тех случаях, когда имеют дело с энергией выше 1 МэВ. Световые импульсы получаются очень короткими — их длительность составляет примерно 10 нс. В биологических исследованиях в качестве сцинтилляторов используют жидкости («коктейли»). При этом материал, исследуемый на радиоактивность, примешивается к «коктейлю», который помещается в темную камеру с фотоумножителем. В биологических лабораториях можно встретить очень красивые приборы, в которых процесс автоматизирован; в них через камеру счетчика одна за другой помещаются различные ампулы и регистрируются результаты.

Детекторы на твердом теле. Как и в других областях электроники, революцию в области обнаружения рентгеновского и гамма-излучения произвели достижения в технологии изготовления кремниевых и германиевых полупроводников. Детекторы на твердом теле работают точно так же, как классические ионизационные камеры, но активный объем камеры заполняется в данном случае непроводящим (чистым) полупроводником. Приложенный потенциал порядка 1000 В вызывает ионизацию и генерирует импульс заряда. При использовании кремния электрон теряет всего около 2 эВ на пару электрон — ион, значит, при той же энергии рентгеновского излучения создается гораздо больше ионов, чем в пропорциональном газонаполненном детекторе, и обеспечивается лучшее энергетическое разрешение благодаря более представительным статистическим данным. Некоторые другие, менее значительные эффекты также способствуют тому, что прибор имеет улучшенные характеристики.

Выпускают несколько разновидностей детекторов на твердом теле: на основе Si(Li) (называются «силли»), Ge(Li) («жилли») и чистого германия (или IG), отличающихся друг от друга материалом полупроводника и примесей, используемых для того, чтобы обеспечить изолирующие свойства. Все они работают при температуре жидкого азота (—196 °C), и все типы полупроводников с примесью лития нужно постоянно держать в холодном состоянии (повышенная температура влияет на детектор так же плохо, как на свежую рыбу). Типовые детекторы на основе Si(Li) имеют диаметр от 4 до 16 мм и используются в энергетическом диапазоне от 1 до 50 кэВ. Детекторы на основе Ge(Li) и IG используют при работе с более высокими значениями энергии, от 10 кэВ до 10 МэВ. Хорошие детекторы на основе Si(Li) обладают разрешением 150 эВ при значении энергии 5,9 кэВ (2,5 %, разрешение в 6–9 раз лучше, чем у пропорциональных счетчиков), германиевые детекторы обладают разрешением порядка 1,8 кэВ при значении энергии 1,3 МэВ (0,14 %).

Для того чтобы проиллюстрировать, что дает такое высокое разрешение, мы бомбардировали лист нержавеющей стали протонами с энергией 2 МэВ и проанализировали полученный рентгеновский спектр. Это явление называют рентгеновской эмиссией за счет протонов, и оно является мощным средством анализа веществ, при котором используется взаимное расположение спектров элементов. На рис. 15.20 показан энергетический спектр (полученный с помощью анализатора ширины импульсов), каждому элементу соответствуют два видимых рентгеновских импульса, по крайней мере при использовании детектора на основе Si(Li).

Рис. 15.20. Рентгеновский спектр листа нержавеющей стали, полученный с помощью аргонового пропорционального счетчика и детектора на основе Si(Li).

На графике можно видеть железо, никель и хром. Если нижнюю часть графика укрупнить, то можно будет увидеть и другие элементы. При использовании пропорционального счетчика получается «каша». Рис. 15.21 иллюстрирует аналогичное положение для детекторов гамма-излучения.

Рис. 15.21. Гамма-спектр кобальта-60, полученный с помощью сцинтиллятора на основе иодида натрия и детектора на основе Ge(Li) .

(Из брошюры Canberra Ge(Li) Detector Systems фирмы Canberra Industries, Inc .)

На этот раз сравниваются между собой сцинтиллятор на основе Nal и датчик на основе Ge(Li). Этот график нам помогли получить коллеги из фирмы Canberra Industries. Выражаем благодарность мистеру Тенчу. Как и в предыдущем случае, преимущество в отношении разрешающей способности оказалось на стороне детекторов на твердом теле. Детекторы на твердом теле обладают самым высоким энергетическим разрешением среди всех детекторов рентгеновского и гамма-излучения, но у них есть и недостатки: маленькая активная область в большом и неуклюжем корпусе (см., например, рис. 15.22), относительно невысокое быстродействие (время восстановления составляет 50 мкс и более), высокая стоимость и, кроме того, для работы с ними нужно запастись большим терпением (но может быть вам и понравится нянчиться с «пожирателем» жидкого азота, кто знает).

Рис. 15.22. Криостат с датчиком Ge(Li) .

(С разрешения фирмы Canberra Industries , Inc.)

Детекторы заряженных частиц. Детекторы, которые мы только что описали, предназначены для определения энергии фотонов (рентгеновских и гамма-лучей), но не элементарных частиц. Детекторы элементарных частиц имеют несколько иной облик; кроме того, заряженные частицы отклоняются электрическим и магнитным полями в соответствии с их зарядом, массой и энергией, благодаря чему измерять энергию заряженных частиц значительно проще.

Детекторы с поверхностным энергетическим барьером. Эти германиевые и кремниевые детекторы аналогичны детекторам из Ge(Li) и Si(Li). Однако их не требуется охлаждать, а это намного упрощает конструктивное оформление прибора. (А у вас появляется шанс получить свободное время!) Детекторы с поверхностным энергетическим барьером выпускают с диаметрами от 3 до 50 мм. Их используют в энергетическом диапазоне от 1 МэВ до сотен МэВ, они обладают разрешением от 0,2 до 1 % при значении энергии альфа-частиц, равном 5,5 МэВ (распространенная энергетическая калибровка, которая обеспечивается при распаде америция-241).

Детекторы Черепкова. При очень высоких значениях энергии (1 ГэВ и выше) заряженная частица может опередить свет в материальной среде и вызвать излучение Черенкова, «видимую ударную волну». Они находят широкое применение при экспериментах в физике высоких энергий.

Ионизационные камеры. Классическую газонаполненную камеру, которую мы рассмотрели выше в связи с рентгеновским излучением, можно использовать также в качестве детектора заряженных частиц. Простейшая ионизационная камера состоит из камеры, заполненной аргоном, и проходящего по всей ее длине провода. В зависимости от того, для работы с какими энергиями предназначена камера, ее длина может составлять от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров; в некоторых разновидностях прибора используют не один, а несколько проводов или пластин и другие газы-наполнители.

Душевые камеры. Душевая камера является электронным эквивалентом ионизационной камеры. Электрон попадает в камеру, заполненную жидким аргоном, и создает «душ» из заряженных частиц, которые затем притягиваются к заряженным пластинам. Специалисты в области физики высоких энергий любят называть такие приборы калориметрами.

Сцинтилляционные камеры. Заряженную частицу можно обнаружить с очень хорошим энергетическим разрешением с помощью фотоумножителей по ультрафиолетовым вспышкам, которые возникают при движении заряженной частицы в камере, заполненной жидким или газообразным аргоном или ксеноном. Сцинтилляционные камеры обладают более высоким быстродействием по сравнению с ионизационными и душевыми камерами.

Дрейфовые камеры. Это новейшее достижение в области физики высоких энергий, которое обусловлено успехами в области быстродействующих диалоговых вычислительных систем. Концепция их проста: камера, в которой под атмосферным давлением находится газ (обычная смесь аргона с этаном) и множество проводов с приложенным к ним напряжением. В камере действуют электрические поля, и когда в нее попадает заряженная частица, ионизирующая газ, ионы оказываются в сфере действия проводов. Отслеживаются амплитуды сигналов и моменты времени по всем проводам (вот здесь и приходит на помощь ЭВМ), и на основе этой информации строится траектория движения частицы. Если в камере действует еще магнитное поле, то можно также определить количество движения. Дрейфовая камера завоевала положение универсального детектора заряженных частиц для физики высоких энергий. Она может обеспечить пространственное разрешение порядка 0,2 мм и выше для объемов, которые могут вместить даже вас.

15.08. Щупы, используемые в биологии и химии

Биологические и химические науки дают немало примеров любопытных измерений: электрохимические методы, в которых используются ионные электроды, электрофорез, вольтаметрия и полярографический анализ, а также хроматография, инфракрасная и визуальная спектроскопия, ЯМР, масс-спектроскопия, рентгеновская спектроскопия, ядерная квадратичная спектроскопия, электронная сканирующая микроскопия и др. Бесполезно пытаться в данной книге представить сколько-нибудь полный перечень этих сложных методов измерений. Более того, такая попытка лишь создаст впечатление, что эти методы не обладают фундаментальностью, присущей физическим измерениям, о которых речь шла выше в этой главе.

Для того чтобы дать представление о проблемах, возникающих при химических и биологических измерениях, опишем простейший вид измерений: определение потенциалов, возникающих на микроэлектроде (используемом для изучения нервных и мускульных сигналов в биологических системах), на ионном электроде (используемом для измерения концентрации определенных ионов в растворе) и на электрохимическом щупе. Как обычно, приходится сталкиваться с некоторыми загадками, если стремиться к тому, чтобы измеряемые величины имели смысл.

Микроэлектроды. Для того чтобы определить напряжение на нервном окончании или в клетке, пользуются электродами с диаметром, равным всего лишь нескольким сотням ангстрем (1 А = 10-8 см, что приблизительно равно размеру атома водорода). Оказывается, в качестве электрода можно использовать стеклянный капилляр, заполненный проводящим раствором. Получается очень хороший щуп, но возникает интересная проблема, связанная с тем, что выходное сопротивление электрода как источника сигнала составляет 100 МОм и выше. Внешние наводки, нагрузка схемой, высокочастотный спад характеристики, обусловленный наличием кабеля и паразитных емкостей, приводят к пагубным последствиям.

Для того чтобы рассмотреть сигналы в нервах или мускулах, желательно иметь хорошую характеристику в области высоких частот, по крайней мере для частот порядка нескольких килогерц (это, конечно, не совсем та высокая частота, о которой шла речь в гл. 13). Усилитель должен обладать очень высоким входным импедансом, желательно также, чтобы входной шум был у него небольшим. Кроме того, он должен быть нечувствителен к синфазным сигналам. Подходящий вариант схемы представлен на рис. 15.23.

Рис. 15.23. Микроусилитель с компенсацией, защитой входов и эталонным каналом.

Использование эталонного электрода, подключенного вблизи точки измерения, устраняет возможность того, что постороннее воздействие будет воспринято как нормальный дифференциальный сигнал. На входах, как можно ближе к микроэлектродам, включены буферные усилители, в качестве которых использованы интегральные операционные усилители ИС 1 и ИС 2 со входами на полевых транзисторах и с низким уровнем шума. Они также используются для задания следящей связи на экраны кабелей, чтобы уменьшить эффективную емкость кабеля. Обратите внимание, что основной экран снаружи еще дополнительно экранирован.

Для того чтобы получить высокий входной импеданс и небольшой шумовой ток на входе, следует использовать усилители со входами на полевых транзисторах; типы интегральных схем, приведенные в примере, выбраны потому, что они обеспечивают небольшое шумовое напряжение на входе (максимальное значение 2 мкВ от пика до пика при частотах 0,1-10 Гц), обычно этот параметр создает трудности при работе с усилителями на полевых транзисторах и на полевых транзисторах с МОП-структурами. Пара прошедших через буферные усилители сигналов подается на стандартную схему дифференциального усилителя, построенного на основе ОУ с низким уровнем шума и с небольшим дрейфом; регулируемый стабильный сдвиг величиной 100 мВ обеспечивается ИС 6 .

Итак, мы имеем усилитель со следующими параметрами: коэффициент усиления дифференциального сигнала равен 10, удовлетворительный уровень шума, хорошее подавление синфазного сигнала и малый входной ток (< 1 пА). Однако, несмотря на то, что емкость со стороны входа определяется входной емкостью буферов и микроэлектрода, схема имеет неудовлетворительное быстродействие. Например, при сопротивлении источника 100 МОм, работающего на емкость 20 пФ, точке —3 дБ соответствует частота, равная всего лишь 80 Гц. Выйти из положения помогает активная компенсация, осуществляемая с помощью цепи положительной обратной связи, в которую входят ИС 3 и ИС 4 и конденсаторы С 1 и С 2 . На практике приходится регулировать коэффициент усиления по напряжению в усилителях ИС 3 и ИС 4 для получения хорошей характеристики в области высоких частот вплоть до нескольких килогерц.

Ионные электроды. Классическим примером ионного электрода служит измеритель кислотности рН-метр, с помощью которого определяют напряжение между эталонным электродом и тонким пластинчатым электродом из стекла, через который могут проникать ионы водорода. Снова мы сталкиваемся с тем, что источник имеет очень большое сопротивление, правда, здесь проблемы не столь серьезны, как в случае с микроэлектродами, так как частотная характеристика в данном случае не играет такой важной роли.

Промышленность выпускает более 20 видов электронных систем, например, для анализа активности ионов К+, Na+, NH4+, CN-, Hg++, SCN-, Br-, Сl-, F-, I-, Са++ или Сu++. В общем в этих системах используют два электрода: эталонный электрод, обычно имеющий серебряное покрытие из хлорида серебра (он погружается в концентрированный раствор хлорида калия, который соединяется с исследуемым раствором с помощью пористого штыря или геля) и электрод, несущий определенный заряд. Последний обычно представляет собой электрод, погруженный в концентрированный раствор, содержащий интересующие вас ионы и отделенный от испытываемого раствора мембраной, которая может пропускать только исследуемые ионы. Мембраной обычно служит специальное стекло, избирательно пропускающее те или иные ионы, или органическая жидкость, содержащая подвижные органические молекулы, способные перемещать ионы. Задача состоит в том, чтобы измерить напряжение в диапазоне от 0 до 2 В с точностью до милливольт, при этом величина тока не должна превышать 100 пА. Положение дел осложняется тем, что величина температурного коэффициента напряжения достигает нескольких процентов при изменении температуры на один градус (по шкале Цельсия). Можно попытаться устранить влияние температуры, если использовать компенсационную схему с термистором. Для того чтобы перейти от измеренной ионной активности к значениям концентрации, необходимо обратить внимание на общую ионную силу образца и на чувствительность заряженного электрода к другим ионам, присутствующим в растворе. Во всяком случае, любой химик подтвердит, что более качественные результаты можно получить лишь в том случае, если перед началом и по завершении измерений выполнить калибровку на каком-нибудь стандартном растворе. Если выполнять измерения тщательно, то можно анализировать концентрации величиной 0,1 миллионной доли и получать при измерениях точность порядка 1 % в растворах умеренной концентрации.

Электрохимические измерения. В области электрохимии выполняют аналитические измерения концентрации определенных ионов путем измерения токов в электродах (скорости реакции) относительно приложенного к раствору напряжения. Изменяя приложенное напряжение, вы задаете среди прочих такие потенциалы, при которых возникает определенная реакция, при этом возникают скачки и пики сигнала. Методы подобных аналитических измерений определяются такими терминами, как циклическая вольтаметрия, полярография, анодная вольтаметрия (ASV). Одним из наиболее чувствительных является метод ASV, в котором используется ртутный капельный электрод. На этот обновляемый электрод на некоторое время подается относительно высокий потенциал, затем направление тока меняется на противоположное, и производится последовательное выделение отдельных элементов. Этот метод позволяет обнаруживать такие элементы, как свинец и кадмий в концентрациях порядка 10-9, и его следует рассматривать наравне с другими методами обнаружения элементов, такими, как нейтронная активация, спектроскопия пламени, рентгеновские и ионные микроизмерения.

Метод, при котором измеряется небольшой ток, в то время как в системе поддерживается фиксированное напряжение, называют «фиксацией напряжения». Он находит применение в исследованиях нервной и клеточной физиологии. Мембраны нервных окончаний (аксонов) имеют каналы, чувствительные к напряжению, через которые происходит диффузия определенных ионов. Физиологи измеряют напряжения, при которых открываются эти каналы. Для этого используют метод фиксации напряжения и микроэлектроды.

При работе с электрохимическими препаратами используют такой же метод измерений, но токи измеряют не в микроамперах, а в амперах. Здесь также задача состоит в том, чтобы вызвать определенную реакцию и получить ее продукт с помощью приложенного к системе напряжения. На рис. 15.24 показана простая схема стабилизатора напряжения (или схема фиксации напряжения).

Рис. 15.24. Схема электрохимических измерений (фиксатор напряжения).

Электролитичеcкая ячейка состоит из электрода для инжекции тока (электрода-счетчика), общего электрода (рабочего электрода) и небольшого щупа для измерения напряжения в растворе вблизи рабочего электрода (эталонный электрод). Схема ИС 1 поддерживает напряжение между эталонным и рабочим электродами равным U ЭТ за счет соответствующего изменения тока в электроде счетчика (при измерениях потенциала мембраны два верхних электрода должны находиться внутри клетки, а рабочий электрод — вне ее).

Схема ИС 2 поддерживает на рабочем электроде потенциал мнимого заземления и преобразует ток в выходное напряжение. Диапазон напряжений составляет обычно ±1 В; в аналитических измерениях диапазон токов определяется значениями 1 нА и 1 мА, для электрохимических препаратов диапазон определяется значениями 1 мА и 10 А.

Для того чтобы можно было производить сканирование, напряжение U ЭТ должно формироваться генератором пилообразного напряжения. При слаботочных измерениях в мембранах следует тщательно экранировать входные провода, для получения определенной частотной характеристики рекомендуется также организовывать положительную обратную связь с помощью конденсатора подобно тому, как это было сделано в схеме на рис. 15.23.

 

Эталоны точных величин и прецизионные измерения

В гл. 7 мы познакомили вас с приемами, которыми пользуются в точных приборах для обеспечения малых сдвигов и небольшого дрейфа, например, при усилении очень малых напряжений. Там мы коснулись только аналоговой электроники, вопросов усиления постоянно изменяющихся напряжений и токов. По ряду причин оказывается, что цифровые измерения таких величин, как частота, период, временной интервал, дают значительно более высокую точность, чем аналоговые измерения. В последующих разделах мы рассмотрим точность принятых в электронике эталонов (таких величин, как время, напряжение, сопротивление), и вы узнаете, как производить аналоговые измерения с высокой точностью, используя эти эталоны. Основное внимание при обсуждении будет уделено вопросам измерения времени/частоты, так как в этих измерениях точность имеет наибольшее значение, а также потому, что аналоговые схемы мы уже рассмотрели более или менее подробно в гл. 7.

15.09. Эталоны частоты

Посмотрим, как можно получить стабильный эталон частоты, каким образом задать частоту и как ее поддерживать.

Кварцевые генераторы. Ранее в разд. 5.12-5.19 мы упоминали о том, какую стабильность может обеспечить эталон частоты, начиная от простейшего релаксационного RС-генератора и кончая атомным эталоном на основе рубидия или цезия. Для любой более или менее серьезной времязадающей схемы нужно использовать устройство, не менее стабильное, чем кварцевый генератор. К счастью, среди кварцевых генераторов есть очень недорогие, и их точность определяется миллионными долями. Например, за 50 долл. можно приобрести хороший кварцевый генератор с температурной компенсацией, стабильность которого определяется отношением 1:106 при изменении температуры от 0 до 50 °C. При более высоких требованиях следует использовать термостатированные кристаллы; стоимость таких генераторов колеблется от пары сотен долларов до 1000 долл. Если вас интересует стабильность, оцениваемая миллиардными долями, то следует побеспокоиться о таком параметре, как «старение», которым определяется тенденция кварцевого генератора к дрейфу частоты с более или менее постоянной скоростью с момента начала эксплуатации прибора. Генераторы серии 105 В, выпускаемые фирмой Hewlett-Packard, представляют собой стандартные генераторные модули, стабильность которых определяется отношением 2:100 x 106 в полном температурном интервале, а скорость старения — отношением 0,5:109 за день.

Некомпенсированные кварцевые генераторы и даже кварцевые генераторы с температурной компенсацией представляют собой лишь логические блоки небольших приборов. Более совершенные генераторы на термостатированных кристаллах кварца, как правило, представляют собой самостоятельные приборы.

Атомные эталоны. В настоящее время используют три атомных эталона: рубидий, цезий и водород. Рубидий поглощает микроволновые колебания на частоте 6 834682 608 Гц, цезий - на частоте 9192 631770 Гц, а водород — на частоте 1420405 751768 Гц. Эталон частоты на основе одного из перечисленных атомов представляет собой гораздо более сложное и дорогое устройство, чем хороший кварцевый генератор.

Рубидиевый эталон . Эталон на основе рубидия представляет собой стеклянную колбу, заполненную парами рубидия. Ее нагревают и помещают в микроволновую камеру со стеклянными окошками на торцах. Камера просвечивается рубидиевой лампой, свет, прошедший через камеру, фиксирует фотоэлемент. Одновременно на камеру подается модулированный микроволновый сигнал, полученный с помощью стабильного кварцевого генератора. Используя для обнаружения переданной световой энергии метод захвата (см. разд. 15.15), можно точно совместить микроволновый сигнал с резонансной частотой рубидия, так как оптическое поглощение газа рубидия изменяется на резонансной частоте. Частота кварца связана с резонансной частотой рубидия определенным соотношением, и таким образом генерируется эталонная частота, например 10 МГц. (На самом деле есть некоторые сложности, на которых мы не будем заострять внимание.)

Эталоны частоты на основе рубидия обладают большей стабильностью, чем кварцевые генераторы с термостатированным кристаллом, правда, им присущ один недостаток — старение. Имеющиеся в продаже устройства обладают стабильностью порядка 1:1011 в полном температурном интервале, а старение для них определяется отношением 1:1011 за месяц. Рубидиевые эталоны используют в лабораторных условиях, вы можете встретить их в обсерваториях и других местах, где выполняют наблюдения с очень высокой степенью точности. Следует отметить, что эталоны частоты на основе рубидия, так же как и кварцевые генераторы, должны быть откалиброваны, так как изменение условий внутри резонансного контура изменяет частоту в отношении 1:109.

Цезиевый эталон. Цезиевый эталон частоты практически представляет собой атомную лабораторию в миниатюре, в которой атомы цезия запускаются из нагревательной в вакуумную камеру. В последней они пропускаются через магнитный селектор постоянного спина и переменного электрического поля, а потом детектируются с помощью ионизационного детектора с нагретой проволокой. Как и в рубидиевом генераторе, в данном случае микроволновый сигнал, определяемый стабильным кварцевым генератором, резонансно захватывается за счет сигнала обратной связи, снимаемого с фазового детектора, а выходная частота снимается с кварцевого генератора.

Цезиевые генераторы эталонной частоты не отличаются миниатюрностью и дешевизной. Но они представляют собой первичные стандартные эталоны; для них не требуется выполнять калибровку. В соответствии с международным соглашением цезиевый генератор частоты определяет продолжительность времени в одну секунду: это продолжительность 9 192631 770 периодов излучения, соответствующего переходу атома цезия-133 между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Цезиевые часы служат стандартом официального времени в стране, с их помощью выполняют калибровку временных сдвигов. Цезиевые часы представляют собой очень сложные устройства, даже коммерческие цезиевые генераторы обладают исключительными характеристиками: для генератора модели 5061В фирмы Hewlett-Packard (стоимостью 32500 долл.) старение и воспроизводимость определяются отношением 3:1022.

Водородный эталон. Для нейтральных атомов водорода резонансная частота составляет примерно 1420 МГц, и в отличие от других генераторов эталонной частоты на основе других атомов на атомах водорода можно непосредственно построить генератор. Как и в случае с атомами цезия, создается поток атомов, который пропускают сначала через магнитные селекторы. Затем он попадает в кварцевую колбу с тефлоновым покрытием, которая находится в микроволновой камере. Внутри этой «колбы-хранилища» атомы находятся в активном движении в течение приблизительно 1 с. За это время они отдают достаточное количество энергии ВЧ для поддержания колебаний в камере. Благодаря этому облегчается возможность фиксации кварцевого генератора с помощью схем ФАПЧ и смесителей. Такой прибор называют водородным мазером (он обеспечивает микроволновое усиление за счет индуцированного излучения).

Водородные мазеры обладают очень высокой стабильностью на коротких промежутках времени (не более нескольких часов), их стабильность оценивается отношением 1:1015. Тем не менее они не заменяют цезиевые генераторы в качестве устройств первичного отсчета времени, так как с ними связана не решенная пока проблема влияния объема камеры на частоту, кроме того, в этих приборах наблюдается долговременный дрейф, связанный с изменением свойств поверхности колбы — хранилища. Всемирно признанным лидером в деле создания водородных часов является Р. Весот из Смитсоновской астрофизической обсерватории (Кембриджский университет) — им создано более двух десятков этих приборов; цена одной такой «штуки» 0,5 млн. долл.

Метановый лазер. Этот четвертый по счету эталон частоты используется для инфракрасного диапазона длин волн и называют его стабилизированным метаном гелий-неоновым лазером. Его стабильность сравнима со стабильностью других атомных эталонов частоты, но он работает на частоте 8,85·1013 Гц (длина волны 3,39 мкм), и его нельзя использовать в качестве эталона радиочастот.

Последние достижения. Последние научные исследования, связанные со стабильными эталонами частоты, открыли две новые многообещающие темы: «ионные ловушки» и криогенные водородные лазеры. Сторонники новых направлений говорят, что если все пойдет хорошо, то можно будет обеспечивать стабильность, определяемую отношением порядка 1:1018.

Калибровка часов. Если вы не являетесь счастливым обладателем цезиевого генератора эталонной частоты, то вам нужно знать, каким образом можно воспользоваться стабильным калибровочным сигналом. Кроме того, иногда может потребоваться абсолютное значение как времени, так и частоты, т. е. может возникнуть необходимость установить часы, после того как они уже проработали какое-то время с нужной скоростью. Для этого предусмотрены следующие службы. На восточном побережье Соединенных Штатов и в некоторых других областях можно принять навигационный сигнал на частоте 100 кГц, лорановский сигнал (Loran-C), с помощью которого можно определить частоту и время. Лорановский сигнал генерируют цезиевые часы, этот сигнал сравнивается с сигналом, который генерируют главные цезиевые часы в Морской обсерватории; Морская обсерватория ежемесячно публикует поправки. Еще одна служба времени именуется WWVB, ею заведует Национальный институт стандартов и технологии (бывшее Национальное бюро стандартов) в шт. Колорадо. Она формирует сигналы на частоте 60 кГц, которые можно принимать на всей территории Соединенных Штатов. Оба низкочастотных сигнала можно синхронизировать с точностью до 1 мкс и выше, если вы находитесь в пределах действия сигнала, распространяющегося по поверхности земли (в пределах нескольких сотен миль), но влияние ионосферы (смена дня и ночи, солнечные ветры и т. п.) приводит к тому, что синхронизация с помощью «воздушного сигнала» обеспечивает меньшую точность (10–50 мкс). Из недавно появившихся служб времени можно назвать сигнал Омега, который передается на очень низкой частоте (около 10 кГц) и может быть принят в любой точке с точностью около 10 мкс. Геостационарные метеорологические спутники, известные под названием «GOES», передают в диапазоне УКВ (497 МГц) сигналы временных отсчетов, которые можно использовать для синхронизации с точностью до мс, при условии, что вы находитесь в зоне видимости одного из таких спутников (зона видимости — это вся Северная и Южная Америка).

Если вы используете эти сигналы, то сможете сравнивать частоту, которую вы получаете с помощью своего генератора, с эталоном. В продаже имеются хорошие приборы, воспользовавшись которыми вы можете не ломать себе голову над тем, как выполнить сравнение — все будет сделано без вашего вмешательства, а вы даже получите красивые графики с результатами. Немного сложнее обстоит дело с установкой часов. Самый надежный способ заключается в том, чтобы отнести свое устройство в службу времени, где могут выполнить такую установку.

Вернувшись на место, следует обнаружить в эфире лорановский сигнал или какой-нибудь другой и определить временную задержку распространения от передатчика до вас. Полученное число нужно запомнить! (Мы до сих пор помним магическое число 53,211 мкс, которое определяет задержку распространения лорановского сигнала из Нантукета до 60-дюймового телескопа в Гарварде.) И если только между передатчиком и вами не образуется неожиданно новая гора, вы можете выдавать отсчеты точного времени.

Недавно появившаяся Система Глобального Позиционирования (СГП или «NAVSTAR») состоит из 121 спутника. Эти спутники находятся на 12 часовых орбитах с высоким отклонением, на их бортах установлены атомные часы. Когда эта система будет запущена в действие полностью, она позволит определять время (с точностью до 20 нc) и местоположение (с точностью до 10 м) любой точки на земле. Для решения этих задач будет использоваться «умное» приемное устройство Системы с небольшой антенной в форме круглой дверной ручки, имеющее небольшой диапазон L-частот (от 1,2 ГГц до 1,6 ГГц). В незавершенном виде эта Система уже использовалась для синхронизации часов в мировом масштабе с точностью до 50 нc. Полная Система, безусловно, сможет обеспечить время передачи порядка 2 нc, при условии, что будут приняты предложения по ее модернизации.

К другим методам синхронизации времени и частоты, о которых вы можете услышать, относят синхронизацию с помощью микроволновых повторителей, телевизионных сигналов, спутников связи и наблюдений за пульсарами.

15.10. Измерения частоты, периода и временных интервалов

Оказывается, что измерять частоту и период колебаний с высокой степенью точности на редкость просто — для этого достаточно иметь генератор эталонной частоты и несложную цифровую схему.

Измерение частоты. На рис. 15.25 показана основная схема счетчика частоты. Триггер Шмитта преобразует аналоговый входной сигнал в логические уровни, после этого производится стробирование вторым импульсом, получаемым от кварцевого генератора с делителем, длительность которого точно равна 1 с. Частота в герцах определяется числом импульсов, зафиксированным многоразрядным двоично-десятичным счетчиком. Между интервалами счета полезно зафиксировать полученное число и произвести сброс счетчика.

Рис. 15.25. Схема измерения частоты с помощью счетчика.

На практике времязадающую схему можно построить так, чтобы можно было выбирать короткие и длинные интервалы: 0,1, 1, 10 с. Можно также устранить интервал длительностью 1 с между измерениями. Схема может быть усовершенствована: можно включить регулируемый предусилитель с перестраиваемым уровнем срабатывания и гистерезисом и панель, на которую поступает выход дискриминатора и с помощью которой можно контролировать уровень срабатывания на осциллографе; выход двоично-десятичного счетчика можно подключить к ЭВМ или регистрирующему устройству, может быть предусмотрена возможность для подключения внешнего генератора в тех случаях, когда имеется прецизионный эталон; полезно предусмотреть возможность ручного старт-стопного режима при простом счете (суммировании).

Микроволновые счетчики. Используя современные цифровые интегральные схемы, можно работать с частотами порядка 3 ГГц. В частности, фирма GigaBit Logic выпускает серию счетчиков с чрезвычайно высоким быстродействием — до 3 ГГц. На более высоких частотах можно использовать гетеродинный метод для смешения микроволнового входного сигнала с частотой счета, или так называемый метод переходного генератора, при котором входной сигнал «захватывается» по фазе n-й гармоникой ГУН, затем частота ГУН измеряется и умножается на n.

Ошибка при счете ±1. Недостаток представленной счетной схемы состоит в том, что на низких частотах нельзя обеспечить высокую точность из-за того, что при счете имеет место ошибка, равная ±1. Например, если частота сигнала равна приблизительно 10 Гц, а время стробирования составляет 1 с, то результат будет правильным только на 10 %, так как вы получите или 9, или 10, или 11. Можно производить измерение на более длинном интервале времени, но вам понадобится целый день, чтобы получить приличную точность (определяемую отношением 1:106), а если бы частота сигнала была равна, например, 1 МГц, то для проведения измерений потребовалась бы всего одна секунда. Существует несколько способов решения этой задачи: измерение периода (вместо частоты), использование методов интерполяции, использование ФАПЧ с умножением частоты.

Два первых способа мы рассмотрим в следующих разделах, так как на самом деле их нельзя отнести к непосредственным измерениям частоты.

На рис. 15.26 показано применение схемы ФАПЧ для измерения частоты методом «увеличения разрешающей способности с помощью умножения частоты».

Рис. 15.26. Увеличение разрешающей способности при измерениях низких частот с помощью схемы ФАПЧ.

Стандартная схема ФАПЧ синтезирует частоту, которая превосходит частоту входного сигнала, скажем, точно в 100 раз, затем такой сигнал поступает на счетчик, работу которого мы описали выше. На точность этого метода накладывает ограничение «дребезг фазы» в фазовом детекторе и компенсационные параметры петли. Например, если сигнал, имеющий частоту 100 Гц, умножается на 1000, время счета составляет 1 с, а дребезг в фазовом детекторе оценивается величиной 1 % за цикл (3,6°) иле 100 мкс, то точность измерения будет определяться отношением 1:100000, хотя  разрешающая способность оценивается отношением 1:1000000.

А теперь мы скажем несколько слов о двух других способах повышения точности при измерении частоты: речь идет об измерениях периода и о методе интерполяции при измерениях временных интервалов.

Измерение периода («обратный счет»). Один из способов повышения разрешающей способности при измерении низких частот состоит в том, что входной сигнал (или некоторая его часть) используется для стробирования часов. На рис. 15.27 показана стандартная схема такого счетчика периода.

Рис. 15.27. Схема измерения периода.

Число периодов измерения обычно можно задавать с помощью переключателя в виде одной из степеней основания 10 (1, 10, 100 и т. д.). Обычно число периодов выбирают так, чтобы измерения занимали удобный отрезок времени, как правило 1 с, а полученный за это время результат должен содержать около семи значащих цифр. Само собой разумеется, результат будет измеряться в единицах времени, а не частоты, поэтому необходимо выполнить обратный пересчет для получения искомого значения. Для того чтобы выполнить преобразование, не нужно даже уметь делить, так как в современных счетчиках используют микропроцессоры, предназначенные для выполнения преобразования периода в частоту.

Отметим, что точность измерений периода существенно зависит от стабильности срабатывания триггера Шмитта и от отношения сигнал/шум. Сказанное иллюстрирует рис. 15.28.

Рис. 15.28.

Основное достоинство метода «обратного счета» состоит в том, что он обеспечивает постоянное разрешение Δf/f для заданной продолжительности измерения независимо от входной частоты. С помощью графика, изображенного на рис. 15.29, можно сравнить разрешающую способность частотного и периодического (обратного счета) методов измерения частоты при продолжительности измерения, равной 1 с, и при использовании таймера с частотой 10 МГц.

Рис. 15.29. Разрешающая способность для счетчиков частоты и периода.

График, соответствующий методу периода, на самом деле должен представлять собой слегка волнистую линию, так как обычно приходится иметь дело с приближениями к степени числа 10 для осредняемого числа периодов. Но даже этот недостаток отходит в область предания с появлением «умных» счетчиков» на микропроцессорах (например, дешевый счетчик фирмы Hewlett-Packard типа 5315А), которые обеспечивают плавную регулировку времени стробирования; они сами знают, по какому числу периодов производилось осреднение, и самостоятельно выполняют деление результата на нужное число. Кроме того, они сами определяют, когда необходимо перейти от режима измерений периода к режиму прямого измерения частоты. Такое переключение выполняется в том случае, когда входная частота превышает частоту таймера и позволяет получать оптимальное разрешение при любой частоте входных сигналов.

Еще одно достоинство метода измерений частоты по периоду состоит в возможности внешнего управления временем стробирования. Это достоинство проявляется, например, когда возникает необходимость измерить частоту короткого тонового импульса. В этом случае простой счетчик частоты даст неправильный результат, так как его интервал стробирования не совпадает с импульсом. Метод счета периода позволяет стробировать измерения извне и даже за счет высокой разрешающей способности выполнять измерения в различных точках импульса.

Возникает вопрос: можно ли получить более высокую разрешающую способность, чем Δf/f ~= 1/f таймера T (для периодических измерений) или 1/f входа T (для частотного счетчика) при относительной ошибке по частоте, равной Δf/f для интервала счета Т? Оказывается, можно. На практике применяют несколько хитроумных схем. Некоторые из них мы рассмотрим в следующем подразделе (посвященном измерению временных интервалов), а сейчас, просто для того чтобы показать, как можно этого добиться, мы приводим рис. 15.30, который иллюстрирует метод измерения частоты 1 МГц — генератора с разрешающей способностью 1:1012 при продолжительности измерений, равной 1 с.

Рис. 15.30. Сравнение частот с высоким разрешением.

Неизвестная частота смешивается со стабильной эталонной частотой, имеющей небольшой сдвиг относительно 1,0 МГц, например, 1,000001 МГц (для этого можно использовать схему ФАПЧ). На выходе смесителя получаем частоту, равную сумме, и частоту, равную разности. Пропустив сигнал через фильтр НЧ, получим частоту 1 Гц, которая определяет разность частот двух генераторов. Ее нетрудно измерить с помощью счетчика периода, разрешающая способность при этом будет определяться отношением 1:106 при продолжительности измерений, равной 1 с. Иными словами, мы измерили частоту 1 МГц с точностью до 1 мкГц за 1 с.

Этот метод измерения предполагает, что в схеме обеспечено хорошее отношение сигнал/шум; на практике приходится беспокоиться об уровне низкочастотного шума, времени установления фильтра и т. п., и фактическая разрешающая способность определяется отношением 1:1010 за 1 с. Но и такая разрешающая способность значительно лучше, чем при использовании счетчика частоты (или при счете периода). Кроме того, точность будет ниже, чем разрешающая способность, если точность эталонного генератора хуже, чем 1:1012 (такую точность при современном уровне технологии получить можно, но это не просто). При желании эту схему можно рассматривать как схему для сравнения отношения частот двух генераторов.

Измерение временных интервалов. Простейшее изменение в схеме счетчика периода позволяет измерять интервалы времени между событиями. Рис. 15.31 иллюстрирует сказанное.

Рис. 15.31. Измерение временных интервалов.

На практике желательно, чтобы в схему был включен синхронизатор, как показано на второй схеме, для предотвращения действия небольших импульсов помехи. Очевидно, что самое хорошее разрешение получается при работе генератора на максимально возможной частоте. Имеющиеся в продаже счетчики используют эталонную частоту порядка 500 МГц, а во внутренней схеме ФАПЧ используется стабильный кварцевый генератор с частотой 5 или 10 МГц. Эталон 500 МГц обеспечивает разрешение 2 нс.

Как уже упоминалось выше, существуют приемы, с помощью которых можно преодолеть ограничение по разрешающей способности, присущее методу обратного счета, при измерении временных интервалов. Для этого используют дополнительную информацию о точках, в которых входной сигнал пересекает нулевой уровень по отношению к сигналу-эталону. В схеме сравнения частот двух генераторов, которую мы привели выше, используется та же самая информация, но в неявном виде. На эти схемы должен подаваться чистый сигнал с очень низким уровнем шума. В коммерческих приборах используют два интерполяционных метода: линейную интерполяцию и верньерную интерполяцию.

Линейная интерполяция. Допустим, требуется измерить интервал времени между стартовым и стоповым импульсами, показанными на рис. 15.32.

Рис. 15.32. Линейная интерполяция (при измерении временных интервалов),  τ = T ТАКТ [ n + ( n 0 /1000) — ( n 1 /1000)].

Вы измеряете число импульсов синхронизации τ за время t, как показано на временной диаграмме (при наличии синхронизатора вы начнете и закончите счет по первому синхронизирующему импульсу, поступающему после соответствующего изменения входного сигнала). Для того чтобы улучшить разрешение, вам нужно знать только длительность интервалов Т 0 и T 1 , определяющих задержку синхронизирующих импульсов относительно каждого входного импульса. Если используемый в системе таймер работает с максимальной приемлемой для счета скоростью, то для того, чтобы измерить нужные нам интервалы времени, их нужно расширить. Для этого прибегают к помощи треугольного импульса, имеющего разные углы наклона: на искомых интервалах конденсатор накапливает заряд, а затем разряжается со скоростью, равной небольшой доле скорости заряда, например 1/1000, при этом искомый интервал увеличивается в 1000 раз. На расширенных интервалах подсчитывается число синхронизирующих импульсов n 0 и n 1 . Окончательно искомый интервал времени определяется из следующего выражения:

τ = T ТАКТ (n + n 0 /1000 — n 1 /1000).

которое явно свидетельствует об улучшении разрешения. Точность этого метода ограничена точностью интерполяторов и часов, используемых в системе. Примером приборов такого типа служит счетчик типа 5334В фирмы Hewlett-Packard, который отображает 9 цифр (значение частоты или времени) за секунду счета.

Верньерная интерполяция. Верньерная интерполяция представляет собой цифровой метод, который позволяет определить, в какой момент периода синхронизации появился входной импульс. На рис. 15.33 показаны временные диаграммы, соответствующие этому методу.

Рис. 15.33. Верньерная интерполяция (при измерении временных интервалов).

Т = Т 1 + Т 3 — Т 2 = n 1 Т 0 (1 + 1/16) + ( n 0 T 0 — n 2 T 0 (1 + 1/16) = T 0 [ n 0 + ( n 1 — n 2 )(1 + 1/16)]

Используются три времязадающие схемы: главные эталонные часы, работающие непрерывно с периодом Т0, равным, например, 5 нc; входной импульс СТАРТ запускает второй генератор, период которого больше, чем период эталонного генератора в (1 + 1/n) раз (для нашего примера мы взяли n = 16); входной импульс СТОП запускает третий генератор с таким же периодом, как и второй запускаемый генератор. Быстродействующая схема следит за тем, когда произойдет совпадение импульсов запущенных генераторов и главных часов, и подсчитывает число импульсов (n 1 , n 2 ), которые проходят до момента совпадения. Арифметический подсчет представлен вместе с диаграммами; интервал между импульсами СТАРТ и СТОП определяется с точностью до (1/n) — й длительности импульса главных часов.

В счетчике типа 5370В фирмы Hewlett-Packard используется этот метод, Т0 = 5 нc, n = 256. Разрешение при измерении временных интервалов определяется величиной 20 нc. Этот же метод можно использовать для измерения периодов, так как период представляет собой не что иное, как продолжительность одного цикла входного колебания. В этом случае только что описанный счетчик дает разрешение по частоте до 11 цифр за 1 с!

Осреднение по временному интервалу. Существует третий способ улучшения разрешения при измерении временных интервалов, он состоит в многократном повторении измерений и определении среднего значения. Ошибка счета, равная ±1, при этом усредняется, и результат стремится к реальной величине интервала при условии, что скорость повторения импульсов СТАРТ непропорциональна скорости главных часов (таймера). В некоторых счетчиках для того, чтобы наверняка избежать такого соотношения, используют «подпрыгивающие часы».

Спектральный анализ. В связи с измерениями частоты следует упомянуть и такой мощный метод, как спектральный анализ, с помощью которого анализируются сигналы в частотной области. Анализаторы спектра измеряют частоту (особенно они незаменимы, когда требуется определить частоту слабого сигнала на фоне более сильных сигналов), а кроме этого выполняют и многие другие функции. Мы рассмотрим их в разд. 15.18.

15.11. Эталоны напряжения и сопротивления и их измерение

Как уже упоминалось выше, аналоговые эталоны и измерения не могут иметь точность, подобную той, с которой мы только что имели дело. Здесь вы должны довольствоваться точностью, равной 1:106. Аналоговые эталоны существуют для напряжения и сопротивления, используя их, можно определить, если потребуется, и ток.

По традиции в качестве эталона напряжения используют ячейку (элемент) Уэстона — электрохимический прибор, дающий выходное напряжение, предназначенное для использования исключительно в качестве эталонного (потребляемый от устройства ток не должен превышать 10 мкА, а лучше, чтобы ток вообще не потреблялся). Снимаемое с выводов напряжение составляет 1,018636 В при температуре 20 °C. К сожалению, ячейки Уэстона требуют больших хлопот при эксплуатации. Их следует эксплуатировать при точном соблюдении температурного режима, так как они обладают большим температурным коэффициентом [40 мкВ/°С), что значительно хуже, чем у интегральных источников эталонного (или опорного) напряжения] и еще большей чувствительностью к изменениям температуры (на отдельных «участках» температурный коэффициент ячейки составляет приблизительно 350 мкВ/°С). Эталоны напряжения хранятся с соблюдением всех предосторожностей в Национальном институте стандартов и технологий, с ними производится сравнение вторичных эталонов. В настоящее время существуют очень стабильные эталоны на твердом теле с управляемым выходным напряжением. Их можно использовать для того, чтобы перенести измерения из «тепличных» условий, необходимых для ячейки Уэстона, в реальные. Типичными являются такие характеристики: месячная стабильность определяется величиной 10 млн. долей, годовая стабильность — 30 миллионных долей.

Для выполнения прецизионных измерений напряжения используют прецизионные делители напряжения (известные под названием «делители Кельвина — Варлея»), линейность которых лежит в диапазоне 0,1 млн. доли. Делитель используется для формирования точной доли неизвестного напряжения, которая будет использоваться для сравнения с эталоном напряжения. Для выполнения сравнения используют точные детекторы нуля и приборы для компенсации сопротивления проводов. Если точность определяется миллионными долями, то периодически проводят калибровку.

В последнее время измерения с использованием стандартной ячейки в качестве источника эталонного напряжения уступили место измерениям, основанным на использовании перехода Джозефсона, обладающего свойствами сверхпроводимости. Если тщательно соблюдать все требования, то можно измерять напряжения с точностью до нескольких долей в 1010. Этот метод привлекает своей простотой — нужно лишь измерить частоту и использовать значения физических констант h (постоянная Планка) и е (заряд электрона). Хотя технология измерений всегда считалась слишком сложной для использования в качестве эталона напряжения, в настоящее время ситуация изменяется: Национальный институт стандартов и технологии (НИСТ, бывшее НБС) разработал вполне доступную микросхему, содержащую 19000 последовательных переходов, напряжение на которых может достигать 10 В и выше. Те, кому всерьез нужны эталоны напряжения теперь могут себе позволить собственный эталон, основанный на использовании перехода Джозефсона. Если еще недавно трудности с эталонами напряжения сдерживали развитие научной мысли в области сверхпроводимости, то теперь каждая лаборатория может позволить себе эталон напряжения Джозефсона.

Эталоны сопротивления, как и эталоны напряжения, хранятся в Национальном институте стандартов и технологии. Используя мостовую схему Уитстона, можно откалибровать вторичный эталон и обеспечить точность порядка миллионных долей.

Отметим некоторые ограничения, которые не позволяют получать при аналоговых измерениях такую же высокую точность, как и при измерении временных интервалов. Аналоговые измерения основаны на физических свойствах, таких, как электрохимические потенциалы, напряжение пробоя и сопротивление, а все они зависят от температуры и от времени. Побочные эффекты, такие, как шум Джонсона и шум 1/f, токи утечки и термоэлектрические потенциалы (эффект термопары), усложняют измерения. Для того чтобы измерить напряжение с точностью, сравнимой с точностью классических измерений времени и частоты, для напряжения 1 В нужно обеспечить точность порядка пиковольт. На основании этого не следует делать вывод, что аналоговые методы никуда не годятся, просто в области времени/частоты достигается невероятно высокая точность. На практике по возможности следует отдавать предпочтение преобразованию время/частота и соответствующим измерениям, а не измерениям напряжения/сопротивления.

 

Методы сужения полосы пропускания

15.12. Отношение сигнал/шум

До настоящего момента мы говорили о различных количественных величинах, которые можно обнаружить, о том, как можно их измерить, и о том, на какие компромиссы приходится идти. К счастью или несчастью, чаще всего случается так, что сигналы, которые нужно измерить, перемешаны с шумами или помехами настолько сильно, что их даже трудно увидеть на осциллографе. В тех случаях, когда шумы не создают проблем, обнаружение сигнала может быть затруднено его собственной статистической природой, например при наблюдении за распадом ядер в слабом источнике радиоактивности за минуту на счетчик поступает всего несколько импульсов. И наконец, в том случае, когда сигнал обнаруживается нормально, может возникнуть необходимость усилить его для того, чтобы выполнить более точные измерения. Во всех перечисленных случаях необходимо принять меры для улучшения отношения сигнал/шум; как вы увидите, все приемы направлены на то, чтобы сузить ширину полосы пропускания при обнаружении и сохранить тем самым нужный сигнал, сократив одновременно общее количество принимаемых шумовых сигналов.

Первое, что приходит на ум при разговоре о сужении полосы пропускания, — это использовать на выходе простой фильтр НЧ для усреднения шума. В некоторых случаях этот прием может оказаться полезным, но в большинстве случаев толку от него будет мало по двум причинам. Во-первых, сам сигнал может включать в себя некоторые высокочастотные составляющие или его центральная частота может лежать в области высоких частот. Во-вторых, даже если сигнал на самом деле изменяется медленно или является статичным, никуда не денешься от того, что плотность шумового сигнала определяется величиной 1/f, а значит, сужение полосы пропускания и исключение из нее высокочастотных составляющих большой пользы не принесут. Электронные и физические системы требуют к себе особого подхода.

Известно несколько методов сужения полосы пропускания, которые получили широкое распространение на практике. Эти методы имеют следующие названия: усреднение сигнала, переходное усреднение, метод интегрирования, многоканальное уплотнение, амплитудный анализ импульсов, детектирование с захватом, фазовое детектирование. Все эти методы предполагают, что сигнал является периодическим; это условие не создает трудностей, так как почти всегда сигнал можно сделать периодическим. Каким же образом производят сужение полосы пропускания?

15.13. Усреднение сигнала и многоканальное усреднение

Отношение сигнал/шум можно существенно улучшить, если просуммировать повторяющийся сигнал во времени. Этот процесс принято называть «усреднением сигнала» и его часто используют для аналоговых сигналов. Рассмотрим сначала ситуацию, которая, может быть, не очень похожа на реальную, а именно последовательность импульсов, скорость которых пропорциональна изменению амплитуды некоторого колебания во времени. Мы начинаем с этого примера, так как с ним связаны наиболее простые расчеты. На самом деле такие примеры встречаются и в жизни, они характерны, например, для электронных систем, предназначенных для подсчетов импульсов, — детекторы элементарных частиц или фотоумножители для низких уровней света.

Многоканальные счетчики (уплотнители). Мы начинаем с многоканального уплотнения, так как этот метод лежит в основе всех остальных и, кроме того, с ним связаны простые и понятные количественные соотношения. Многоканальный счетчик-уплотнитель — это аппаратное средство, которое включает в себя набор запоминающих регистров (обычно 1024 или больше), каждый из которых может хранить число, значение которого может достигать миллиона (20 двоичных разрядов или 24 разряда при двоично-десятичном представлении) или около того. На вход многоканального уплотнителя поступают импульсы (или аналоговые напряжения, о которых речь пойдет позже); дополнительно на него поступает сигнал (импульс) выборки канала и многоразрядный адрес канала в виде параллельного кода. Всякий раз, когда появляется входной импульс, уплотнитель увеличивает на единицу содержимое памяти канала, к которому в этот момент производится обращение. Дополнительные входы позволяют производить сброс адреса, очистку памяти и т. п.

Для того чтобы можно было использовать многоканальный уплотнитель, необходимо, чтобы сигнал повторялся через некоторый интервал времени. Предположим, что наблюдаемое явление само по себе периодично и период равен Т; хотя в большинстве случаев периодичность приходится организовывать собственными усилиями, в жизни все-таки можно найти примеры строго периодических явлений, например излучение света пульсаром. Допустим, что на вход поступают импульсы со скоростью, пропорциональной изменению сигнала во времени, и фоновые шумовые импульсы с высокой скоростью, т. е. импульсы, случайно распределенные во времени (это предположение снова вполне справедливо для пульсаров, сигналы от которых смешиваются со светом ночного неба).

Посылая синхроимпульсы на входы выборки и сброса каналов, мы создаем такой режим работы, при котором многоканальный уплотнитель подключается к каждому из 1024 каналов один раз за каждые Т секунд и при каждом обращении в память каналов добавляется новая величина (сигнал плюс шум). С течением времени сигнал будет увеличивать содержимое памяти по всем каналам, так как время прохода через весь набор каналов выбрано таким, что оно совпадает с периодом исследуемого сигнала. Следовательно, сигнал добавляется сам к себе и увеличивает накопленную сумму при каждом повторении.

Определение отношения сигнал/шум. Рассмотрим, что же происходит. Пусть скорость фоновых импульсов такова, что при каждом подключении к сумме в каждом канале добавляется величина n ф , а сигнал добавляет величину n с в тех каналах, на которые приходятся его пики (рис. 15.34).

Рис. 15.34. Многоканальное усреднение сигнала (импульсный вход),

а — «сигнал» (если аналоговое измерение возможно); б — отсчеты по сигналу (доказательство того, что число импульсов пропорционально амплитуде «сигнала»); в — фоновые отсчеты (доказательство того, что фоновые импульсы распределены случайно); г — за время одного прохода на интервале «всплеска» сигнала сигнал добавляет в среднем n с отсчетов; за время одного прохода на любом интервале фон добавляет в среднем n ф отсчетов.

Допустим, что отношение сигнал/шум является плохим, т. е. n с  << n ф , а это значит, что большая часть накопленной суммы определяется шумом, а не сигналом. Если теперь изобразить содержимое памяти графически, то сигналу будут соответствовать «всплески» на фоне шума. Можно ли считать, что число импульсов в канале сигнала должно быть сравнимо с числом импульсов шума в этом же канале? Нет, это предположение неверно, так как средняя величина суммы, обусловленной шумом, совершенно случайна; играет роль лишь величина флуктуации этой суммы относительно среднего значения.

Следовательно, плохое отношение сигнал/шум на самом деле характеризуется соотношением n с  << √n ф , которое означает, что в одном проходе по каналам сигнал нельзя отличить от шума, представленного на графике волнистой линией. Для простоты расчетов допустим, что n с = 10 и n ф = 1000. Тогда за один цикл работы предварительно сброшенный многоканальный уплотнитель накопит в каждом канале в среднем величину 1000, а в каналах, соответствующих пикам сигналов, будет присутствовать еще дополнительная величина 10. В связи с тем, что флуктуации в канале оцениваются величиной 31 (корень квадратный из 1000), то после первого цикла «всплеск» сигнала будет потерян на фоне шума. После, например, 1000 циклов средняя сумма в канале составит примерно 1 000 000, а флуктуации будут оцениваться величиной 1000. В каналах, соответствующих пикам сигналов, дополнительная сумма будет равна 10000 (1000 циклов x 10 имп./цикл) для отношения сигнал/шум, равного 10. Отсюда видно, что сигнал будет выделяться на фоне шума.

Пример: резонанс Мессбауэра. Рис. 15.35 иллюстрирует результаты как раз такого анализа для резонансного сигнала Мессбауэра, состоящего из шести отрицательных выбросов, которые возникают, когда на железную фольгу, обогащенную изотопом железа-57, воздействует гамма-излучение от радиоактивного кобальта-57. В данном случае приблизительно n ф = 0,4 и n с = 0,1, что соответствует плохому отношению сигнал/шум. Сигнал Мессбауэра полностью теряется на фоне шума после 10 или 100 циклов уплотнения; он становится различимым лишь после примерно 1000 циклов.

Приведенные результаты соответствуют 1000, 10000 и 100000 циклам, причем масштаб для каждого графика выбран так, чтобы величина сигнала сохранялась одинаковой. Обратите внимание, что «базовая ось» графика поднимается по мере того, как стабилизируется шум и одновременно заметно улучшается отношение сигнал/шум.

Рис. 15.35. Спектр поглощения Мессбауэра , иллюстрирующий эффект усреднения сигнала.

Нетрудно заметить, чем обусловлено увеличение отношения амплитуды сигнала к фоновым флуктуациям сигнала (шума) с течением времени. Амплитуда сигнала увеличивается пропорционально времени t; среднее число фоновых импульсов (базовая ось) также увеличивается пропорционально времени t, но при этом флуктуации в количестве импульсов фона (шум) увеличиваются только пропорционально корню квадратному из t. Следовательно, отношение сигнала к флуктуациям фона увеличивается как отношение t к корню квадратному из t. Иными словами, увеличение отношения сигнал/шум пропорционально корню квадратному из времени.

Многоканальный анализ аналоговых сигналов (усреднение сигнала). Тот же метод можно использовать и для анализа аналоговых сигналов, нужно всего лишь подключить на вход преобразователь напряжения в частоту. В коммерческих схемах многоканальных уплотнителей часто бывает предусмотрена возможность задания аналогового или импульсного режима работы. Такие устройства часто называют усреднителями сигнала или переходными усреднителями. Одна из фирм (ТМС) использовала для этих устройств название CAT (сокращение от английских слов computer of averged transients — вычислитель среднего значения поступающих сигналов), которое кое-где вошло в обиход.

Можно создать полностью аналоговый многоканальный уплотнитель, если для хранения накапливаемого сигнала использовать набор интеграторов. Наиболее простой интегратор представляет собой аналоговый усреднитель сигнала с единственным «скользящим каналом». Если учесть, что стоимость цифровой памяти в последнее десятилетие существенно уменьшилась, то оказывается, что нет смысла использовать аналоговые устройства для усреднения сигналов, за исключением, может быть, некоторых особых случаев.

Многоканальное уплотнение как средство сужения полосы пропускания. В начале нашего обсуждения мы предположили, что существует прямая связь между «магическими» методами улучшения отношения сигнал/шум и сужением полосы пропускания при измерениях. Эту связь нетрудно проследить. Представим себе, что на входе действует некоторый посторонний сигнал (помехи) с периодом Т, который немного отличается от периода основного сигнала Т. После нескольких циклов этот сигнал также начинает накапливаться, угрожая неприятностями. Но немного терпения, и вы увидите, что постепенно соответствующие ему всплески начинают «расползаться» и увеличивать содержимое счетчиков по всем каналам. Он распространится по всем каналам через время t = 1/Δf, где Δf — это разность частот 1/Т = 1/Т' основного и постороннего сигналов.

Упражнение 15.1. Получите этот результат сами.

Иными словами, накапливая данные в течение времени t (определяемого согласно приведенному выше выражению), можно добиться, чтобы посторонний сигнал равномерно распределился по всем каналам. Если взглянуть на полученный результат с другой точки зрения, то можно сказать, что ширина полосы измеряемых частот уменьшилась приблизительно на величину Δf = 1/t после накопления данных в течение времени t.

Итак, если проводить накопление, то ширина полосы пропускания уменьшится, а все посторонние сигналы будут исключены! На деле исключается также большая часть шума, так как он равномерно распределен по всем частотам. С этой точки зрения эффект многоканального уплотнения проявляется в сужении полосы принимаемых частот, при этом мощность принимаемого сигнала остается неизменной, а мощность шума заметно снижается.

А теперь выполним необходимые расчеты. Через время t ширина полосы пропускания уменьшается на величину Δf = 1/t. Если плотность мощности шума р ш составляет ватт на герц, а мощность сигнала Р с не изменяется в пределах измеряемой полосы частот, то через время t отношение сигнал/шум составит k с/ш = 10log(Р с t /р ш ). Чуть выше, рассматривая поведение сигнала и его флуктуации, мы установили, что амплитуда сигнала пропорциональна корню квадратному из t (3 дБ на каждое удвоение t).

15.14. Получение периодического сигнала

В самом начале было упомянуто, что для всех методов усреднения сигнала необходимо, чтобы сигнал повторялся многократно, только тогда можно будет уменьшить отношение сигнал/шум. Так как в большинстве случаев приходится измерять периодические по своей природе функции, то обычно повторение сигнала вызывают принудительным путем. Для этого известно немало приемов, которые зависят от конкретных случаев измерений. Проще всего привести несколько примеров, а не пытаться вывести правила для всех случаев жизни.

Измеряемую величину, которая зависит от некоторого внешнего параметра, очень просто сделать периодической - для этого нужно сделать изменяемым этот внешний параметр. Рассмотрим ядерный магнитный резонанс. Резонансная частота изменяется по линейному закону под воздействием приложенного поля, поэтому используют следующий стандартный прием — модулируют ток в небольшой дополнительной обмотке. В случае резонанса Мессбауэра изменяется интенсивность источника. В случае квадропульного резонанса можно произвести развертку генератора.

В других случаях можно использовать собственный явно выраженный переходный процесс, а запуск производить внешним сигналом. Классическим примером служит импульс деполяризации в нервном волокне. Для того чтобы получить чистый импульс такого рода, нужно просто возбудить нерв внешним импульсом напряжения и одновременно запустить многоканальный уплотнитель (или произвести «упреждающий» запуск уплотнителя, а затем возбудить нерв задержанным импульсом); в этом случае период повторения устанавливается достаточно большим для того, чтобы перед приходом следующего импульса полностью завершилось восстановление нерва. Последний пример дает наглядное представление о том, что источником информации для усреднения сигнала служит повторяющееся явление; если подопытная лягушка отправилась на небеса, то чему бы ни было равно отношение сигнал/шум его уже не измерить!

Следует отметить, что те явления, в которых наблюдается явно выраженная собственная периодичность, на самом деле труднее всего измерить, так как нужно точно знать, чему равен период. В качестве примера рассмотрим «световую кривую» (зависимость яркости от времени), которая представлена на рис. 15.36.

Рис. 15.36. Зависимость яркости пульсара Крабовидной туманности от времени (световая кривая).

Эта кривая получена с помощью многоканального уплотнителя, подключенного к выходу фотоумножителя, установленного в фокусе 60-дюймового телескопа, и работающего совершенно синхронно с вращением пульсара. Даже при наличии телескопа такого размера требовалось в среднем около 5 млн. циклов для получения такой чистой кривой, так как среднее число фотонов для каждого полного импульса пульсара приблизительно равно 1. Такая малая величина периода предъявляет очень высокие требования к схеме переключения каналов уплотнителя, в данном случае требовалась стабильность порядка одной миллиардной доли и предусматривалась подстройка часов для компенсации неравномерности вращения Земли.

Стоит еще раз подчеркнуть, что суть метода усреднения сигналов состоит в сужении полосы пропускания, а для этого продолжительность эксперимента должна быть большой. По горизонтальной оси откладывается время эксперимента; конкретная скорость сканирования или модуляции обычно большого значения не имеет, так как она достаточно далека от величины 1/f, характерной для шума вблизи частот постоянного тока.

Модуляцию можно представить себе как простой сдвиг сигнала, который необходимо измерить, из области частот постоянного тока в область модулирующей частоты. Эффект длительного накопления данных сводится в этом случае к концентрированию полосы шириной Δf = 1/T на частоте f мод , а не к смещению ее в область частот постоянного тока.

15.15. Обнаружение путем захвата

Этот метод достаточно сложен для понимания. Для того чтобы разобраться с ним, необходимо уделить немного внимания фазовому детектору, который мы первоначально рассмотрели в разд. 9.27.

Фазовые детекторы. В разд. 9.27 мы описали фазовый детектор, выходное напряжение которого пропорционально разности фаз между двумя цифровыми сигналами (логическими уровнями). Для того чтобы перейти к обнаружению путем захвата, необходимо познакомиться с линейными фазовыми детекторами, так как почти всегда приходится иметь дело с аналоговыми уровнями напряжения. Основная схема представлена на рис. 15.37. Аналоговый сигнал проходит через линейный усилитель, знак коэффициента усиления которого изменяется на противоположный под воздействием прямоугольного опорного сигнала, управляющего переключателем на полевом транзисторе. Выходной сигнал проходит через RС-фильтр низких частот. Вот и все, о чем можно здесь сказать. Посмотрим, что же это нам дает.

Рис. 15.37. Фазовый детектор для линейных входных сигналов. Эта принципиальная схема использована в микросхеме AD630 .

Выход фазового детектора. Для того чтобы проанализировать работу фазового детектора, допустим, что на вход подается сигнал Е с cos (ωt + φ) и соответствующий ему опорный сигнал представляет собой прямоугольное колебание. В тех точках, где функция sinωt проходит через нуль, происходит изменение полярности прямоугольного колебания, т. е. в точках t = 0, π/ω, 2π/ω и т. д. Предположим далее, что мы усредняем выходной сигнал U вых , пропуская его через фильтр низких частот, постоянная времени которого превышает величину одного периода τ = RC >> Т = 2π/ω. Тогда выход фильтра низких частот описывается следующим выражением:

где скобки  использованы для представления среднего значения, а знак «минус» объясняется тем, что в двух половинах периода сигнала U оп коэффициент усиления имеет противоположные знаки. В качестве упражнения можете показать, что

 Упражнение 15.2. Получите выражение для коэффициента усиления, равного единице. Для нахождения средних значений выполните интегрирование.

Полученный результат позволяет сделать следующий вывод: для входного сигнала, имеющего такую же частоту, что и опорный сигнал, усредненный выходной сигнал пропорционален амплитуде Ес и синусу относительного сдвига фазы.

Прежде чем идти дальше, нам нужно получить еще один результат: каким будет выходное напряжение в случае, когда частота входного сигнала близка (но не равна) частоте опорного сигнала? Ответить на этот вопрос нетрудно, используя предыдущие выражения и приняв, что теперь величина φ есть медленно меняющаяся переменная. При частоте, слегка отличающейся от опорной (на Δω), имеем

cos(ω + Δω)t = cos(ωt + φ), φ = tΔω.

Теперь выходной сигнал представляет собой медленно меняющуюся синусоиду:

U вых  = (2E c /π)sin(Δω)t

которая проходит через фильтр НЧ почти без изменений при условии, что Δω < 1/τ = 1/RC, и значительно ослабляется при условии, что ω < 1/τ.

Метод захвата. Теперь для увеличения чувствительности введем так называемый усилитель захвата (фазочувствительный усилитель). Сначала искусственно создадим слабый периодический сигнал, как обсуждалось выше, взяв его частоту вблизи 100 Гц. Этот слабый сигнал, засоренный шумами, усилим и продетектируем по фазе относительно сигнала модуляции.

Рассмотрим рис. 15.38.

Рис. 15.38. Обнаружение путем захвата.

Будем проводить опыт при «двойном управлении» сигналом: во-первых, должна быть быстрая модуляция, которая нужна для фазового детектирования, и, во-вторых, медленная развертка по интересующим нас параметрам сигнала (при ядерном магнитному резонансе, например, для быстрой модуляции можно использовать модуляцию магнитного поля небольшим сигналом с частотой 100 Гц, а для медленной — использовать 10-минутную развертку, охватывающую все резонансы). Фазосдвигающая цепь отрегулирована так, чтобы выходной сигнал был максимальным, а постоянная времени фильтра низких частот имеет достаточно большое значение, которое выбирается с учетом отношения сигнал/шум. Спад характеристики фильтра низких частот определяет ширину полосы пропускания, например если сопрягающая частота равна 1 Гц, то схема будет пропускать посторонние сигналы и шум, частота которых лежит в пределе 1 Гц относительно частоты исследуемого сигнала (100 ±1 Гц). Ширина полосы пропускания ограничивает также скорость медленной модуляции, так как нет смысла устанавливать для развертки более короткое время, чем время отклика фильтра. Обычно величина постоянной времени лежит в пределах от долей секунды до десятков секунд, и часто для медленной модуляции используют часовой механизм, которым управляют с помощью выведенной куда-нибудь ручки.

Обратите внимание, что обнаружение путем захвата фазы сводится к сужению полосы пропускания, причем ширину полосы пропускания устанавливает оконечный фильтр НЧ. Как и в случае с усреднением сигнала, эффект модуляции заключается в центрировании сигнала на частоте быстрой модуляции, а не на частоте постоянного тока, при этом удается устранить шумы с фактором 1/f (фликкер-шум, дрейф, дребезг и т. п.).

Два метода быстрой модуляции. Существуют два способа быстрой модуляции: в качестве модулирующего колебания можно использовать очень слабое синусоидальное колебание или очень сильное, по сравнению с искомым сигналом, прямоугольное колебание; их иллюстрирует рис. 15.39.

Рис. 15.39. Методы модуляции при захвате, а — малый синусоидальный сигнал модуляции; б — большой прямоугольный сигнал модуляции.

В первом случае выходной сигнал фазового детектора пропорционален наклону сигнала (т. е. его производной), а во втором случае — сигналу (при условии, что нет других спектральных линий, связанных с модулирующим колебанием). По этой причине все эти простые резонансные кривые, наблюдаемые при ядерном магнитном резонансе, выглядят как дисперсионные кривые (рис. 15.40).

Рис. 15.40. Дифференцирование сигнала при обнаружении путем захвата.

При модуляции прямоугольным колебанием с большим фазовым сдвигом существует хороший метод подавления сигнала прямого прохождения, применяемый в тех случаях, когда это явление создает трудности в работе. На рис. 15.41 показано модулирующее колебание. Сдвиги выше и ниже центрального значения уничтожают сигнал и создают модуляцию типа «включен/выключен» на удвоенной частоте по отношению к основной несущей. Этот метод предназначен для специальных случаев и не следует прибегать к нему ради красоты.

Рис. 15.41. Схема модуляции для подавления сигнала прямого прохождения.

Модуляцию с прямоугольными колебаниями большой амплитуды очень часто используют в инфракрасной астрономии, где для переключения изображения инфракрасного источника приводят в движение вторичные зеркала телескопа. Этот метод популярен также в радиоастрономии и известен здесь под названием переключений Дикке.

Промышленные усилители с захватом имеют источники модулирующих колебаний с перестраиваемой частотой, следящий фильтр, оконечный фильтр с коммутируемой постоянной времени, высококачественный усилитель с низким уровнем шума и широким динамическим диапазоном (если бы шум не имел значения, то не нужно было бы и использовать обнаружение с захватом), а также линейный фазовый детектор с хорошими характеристиками. Кроме того, они допускают возможность использования внешнего источника модуляции. С помощью ручки можно регулировать фазовый сдвиг, следовательно имеется возможность максимально увеличить обнаруженный сигнал. Весь прибор заключают в красивый корпус, на котором имеется шкала для считывания выходного сигнала. Обычно цена этих приборов составляет несколько тысяч долларов. Их производят такие фирмы, как EG&G Princeton Applied Research, Ithaco и Stanford Research Systems. Бортовые компоненты среди прочих производит фирма Evans Electronics. Для того чтобы наглядно продемонстрировать возможности метода захвата фазы, мы обычно показываем студентам такой эксперимент. Мы используем захват фазы для выделения модулированного сигнала от небольшого светодиода, подобного тем, которые используют для индикации на панелях приборов. Частота модуляции имеет порядок несколько килогерц. Ток очень мал, и свечение диода при нормальном комнатном освещении можно заметить с трудом. На расстоянии около 2 м установлен фототранзистор, направленный в сторону светодиода, а его выход подается на схему захвата фазы.

Если свет в комнате выключить, то с фототранзистора на частоте модуляции будет сниматься очень слабый сигнал (смешанный с шумами), который легко обнаруживает схема захвата при условии, что постоянная времени равна нескольким секундам. Затем мы выключаем свет в комнате (флуоресцентное освещение), и в тот же момент фототранзистор начинает формировать колебания с частотой 120 Гц, амплитуда которых больше примерно на 50 дБ. Теперь с помощью осциллографа обнаружить сигнал от светодиода невозможно, а схема захвата спокойно обнаруживает этот сигнал. Для того чтобы убедиться, что схема действительно работает, достаточно поместить руку между светодиодом и детектором. Впечатление огромное!

15.16. Амплитудный анализ импульсов

Работа анализатора амплитуды импульсов основана на простом расширении принципа работы многоканального уплотнителя; этот прибор играет важную роль в ядерной и радиационной физике. Идея метода на редкость проста: импульсы, амплитуды которых лежат в некотором диапазоне, поступают на вход схемы пикового детектора с АЦП, которая преобразует относительную амплитуду импульса в адрес канала. Многоканальный уплотнитель затем наращивает выбранный адрес на единицу. В результате получаем график, который представляет собой гистограмму амплитуд импульсов. Вот и вся хитрость.

Широкое распространение анализаторов амплитуд импульсов обусловлено тем, что величина выходных импульсов многих датчиков заряженных частиц, рентгеновского и гамма-излучения пропорциональна энергии излучения, воспринятого датчиком (примером могут служить пропорциональные счетчики, детекторы на твердом теле, детекторы с поверхностным барьером, сцинтилляторы, рассмотренные в разд. 15.07). Таким образом, анализатор амплитуды импульсов преобразует выход детектора в энергетический спектр.

Анализаторы амплитуды импульсов обычно разрабатывались как специальные приборы, в состав которых входили интегральные схемы и отдельные дискретные компоненты. В настоящее время все более широко стали использовать мини-компьютеры и быстродействующие АЦП с импульсным входом. При этом в вашем распоряжении оказываются разнообразные полезные для дела аппаратные и программные возможности ЭВМ, такие, как вычитание фоновых сигналов, энергетическая калибровка и идентификация линий, память на дисках и лентах, управление экспериментом в интерактивном режиме. Это устройство заставляет микролуч потока протонов сканировать образец в двумерной плоскости, обнаруживает появившиеся рентгеновские лучи, сортирует их по химическим элементам и запоминает картину распределения по каждому элементу в образце; одновременно вы имеете возможность наблюдать рентгеновский спектр и само формирование картины распределения. Всем процессом управляет анализатор амплитуды импульсов, который и не подозревает, что на самом деле он представляет собой ЭВМ.

На входе анализатора амплитуды импульсов используется АЦП, с которым связана одна интересная особенность этой системы. Оказывается, что в данном случае нельзя использовать АЦП с последовательными приближениями, несмотря на его высокую скорость. Это связано с тем, что вы не сможете добиться точного равенства ширины каналов, плавная последовательность входных сигналов излучения даст волнистую базовую линию. Во всех анализаторах амплитуды импульсов используют так называемый преобразователь Уилкинсона, принцип работы которого основан на преобразовании входного сигнала с единственным углом наклона - входной импульс заряжает конденсатор, который затем разряжается постоянным током, а во время разряда быстродействующий счетчик (обычно используется частота 200 МГц) подсчитывает адрес. Недостаток такого анализатора состоит в наличии «мертвой зоны», величина которой зависит от амплитуды последнего импульса, а его достоинство — в точном равенстве ширины каналов.

Входы многих анализаторов амплитуды импульсов позволяют использовать эти устройства в качестве многоканальных уплотнителей. А почему бы и нет? Все необходимые элементы здесь в наличии. Среди крупных производителей анализаторов амплитуды импульсов такие фирмы, как Canberra, EG&G, Nuclear Data и Tractor-Nothern.

15.17. Преобразователи времени в амплитуду

В ядерной физике приходится определять распределение времени распада частиц с коротким временем жизни. Эту задачу помогает решить время-амплитудный преобразователь (ВАП), подключаемый на входе анализатора амплитуды импульсов. ВАП запускает генератор линейно-изменяющегося сигнала, когда на один из его входов приходит импульс, и останавливает его, когда импульс появляется на другом входе, при этом происходит разряд конденсатора и формируется выходной импульс, пропорциональный интервалу времени между импульсами запуска и останова. Достигаемое при этом разрешение измеряется в пикосекундах. Рис. 15.42 иллюстрирует измерение продолжительности жизни мюона, выполненное студентом путем определения времени задержки между захватом мюона космического излучения сцинтиллятором и его последующим распадом.

Рис. 15.42. Измерение продолжительности жизни мюона на основе спектра временных интервалов (преобразователь времени в амплитуду + амплитудный анализатор импульсов).

Каждое обрабатываемое событие сопровождается вспышкой света, а ВАП используется для преобразования интервалов времени в импульсы. В приборе нашего студента распад космического мюона происходил в среднем один раз в 1 мин, поэтому для того, чтобы установить, что продолжительность жизни составляет 2,198 ± 0,02 мкс, ему пришлось потратить 18 дней (более точным является значение 2,197134 + 0,00008 мкс). Обратите внимание на использование логарифмического масштаба для построения графика и на систематическое уменьшение ошибки, пропорциональной n1/2 (ошибки счета). Изображенный график соответствует распаду, который описывается выражением n(i) = n 0 exp(-t/τ).

 

Спектральный анализ и преобразование Фурье

15.18. Анализаторы спектра

На практике, особенно в диапазоне радиочастот, широко используют прибор, называемый анализатором спектра. Это устройство формирует изображение на осциллографе в координатах XY, причем координата Y представляет интенсивность сигнала (обычно используется логарифмический масштаб, т. е. децибеллы), а координата X служит для представления частоты. Иначе говоря, анализатор спектра позволяет рассматривать частотную область и строить график зависимости значения входного сигнала от частот.

Можно также считать, что производится разложение входного колебания на гармонические составляющие (если вы имеете представление о таком разложении), или можно рассматривать график как отклик, который получается при настройке высококачественного приемника (имеет широкий динамический диапазон, высокую стабильность и чувствительность) в частотном диапазоне. Эта возможность очень полезна при анализе модулированных сигналов, изучении результатов взаимной модуляции составляющих сложных сигналов и искажений, анализе шума и сдвигов, при точных измерениях частоты слабых сигналов в присутствии более сильных сигналов и при выполнении множества других измерений.

Существуют две основные разновидности анализаторов спектра: с разверткой частоты и с реальным масштабом времени. Анализаторы с разверткой частоты распространены наиболее широко, и принцип их работы иллюстрирует рис. 15.43.

Рис. 15.43. Анализатор спектра на основе локального генератора с разверткой.

Схема представляет собой аналог супергетеродинного приемника (см. разд. 13.16) с локальным генератором (ЛГ), для развертки которого используется пилообразное колебание, сгенерированное внутри схемы. По мере того как производится развертка частоты ЛГ, результаты ее смешения с различными входными частотами поступают на усилитель ПЧ и затем на фильтр. Например, представим, что для анализатора спектра промежуточная частота составляет 200 МГц, а частоту ЛГ можно разворачивать в диапазоне от 200 до 300 МГц. Когда частота ЛГ равна 210 МГц, входной сигнал с частотой 10 МГц (± ширина полосы пропускания фильтра ПЧ) проходит на детектор и создает напряжение вертикального отклонения на осциллографе. Сигналы с частотой 410 МГц (с «зеркальной» частотой) также будут проходить через эту цепочку, поэтому на входе установлен фильтр НЧ. В любой момент времени детектируются входные частоты, лежащие ниже частоты ЛГ на 200 МГц.

Реальные анализаторы спектра обладают большой гибкостью в отношении частоты развертки, центральной частоты, ширины полосы пропускания фильтра, масштаба изображения и т. д. Обычно диапазон входной частоты охватывает значения от герц до гигагерц, а избираемая полоса частот может иметь ширину от герц до мегагерц. Кроме того, в сложных современных анализаторах спектра предусмотрены такие возможности, как калибровка амплитуды, запоминание спектров для предотвращения мерцания при развертке, дополнительная память для выполнения сравнения и нормализации и отображение на экране цифровой информации. Эти замечательные анализаторы спектра позволяют рассматривать изменение фазы относительно частоты, формировать частотные маркеры, программировать работу от микропроцессорной шины IEЕЕ 488, а также включать следящие генераторы (для работы в увеличенном динамическом диапазоне), выполнять прецизионные измерения частоты в спектре, генерировать напряжения шумов для возбуждения исследуемых систем и даже выполнять усреднение сигнала (что особенно полезно при наличии шума).

Отметим, что анализатор спектра с разверткой частоты рассматривает в каждый момент времени только одну частоту и генерирует полный спектр путем развертки во времени. Иногда это может создавать большие неудобства, например при исследовании переходных процессов. Кроме того, при работе с узкой полосой пропускания скорость развертки должна быть небольшой. И наконец, в каждый момент времени используется только небольшая часть входного сигнала.

Эти недостатки анализаторов спектра с разверткой частоты устранены в анализаторах спектра, работающих в реальном времени. Здесь также существует несколько подходов. Один громоздкий метод основан на использовании набора узкополосных фильтров, которые позволяют выделять различные частоты диапазона одновременно. В последнее время большую популярность приобретают сложные анализаторы, основанные на методах цифрового анализа Фурье (в частности, используется известное быстрое преобразование Фурье). Эти приборы преобразуют аналоговый входной сигнал (после смешения и других процедур) в числа с помощью быстродействующего аналого-цифрового преобразователя. Затем специализированная вычислительная машина осуществляет соответствующие операции и формирует цифровой частотный спектр. Этот метод позволяет обрабатывать все частоты одновременно, в связи с этим он обладает очень высокой чувствительностью и высоким быстродействием и его можно использовать для анализа переходных процессов. Он особенно полезен при анализе тех сигналов, для которых быстродействие анализаторов спектра с разверткой частоты оказывается слишком низким. Кроме того, он позволяет выделить корреляцию между сигналами. В связи с тем что результаты представляются в цифровом виде, естественно в полной мере использовать усреднение сигналов, и эта возможность заложена в некоторых приборах, предназначенных для широкого применения.

Следует отметить, что цифровые анализаторы спектра имеют ограничения по скорости вычислений и обладают гораздо более узкой полосой пропускания, чем радиочастотные анализаторы спектра (ЛГ с разверткой частоты). Например, популярный анализатор типа 3561А фирмы HP работает на частотах от 125 мкГц до 100 кГц. Конечно, можно сделать так, чтобы анализатор работал с полосой 100 кГц, отцентрированной на более высокой частоте — преобразование этой полосы к более низкой частоте выполняется с помощью гетеродина.

В некоторых анализаторах спектра, работающих в реальном времени, используют так называемое импульсное Z-преобразование. Для этого метода в анализаторе с разверткой (рис. 15.43) полосовой фильтр ПЧ заменяют диспергирующим фильтром (в котором время задержки пропорционально частоте). При согласовании скорости развертки ЛГ с дисперсией фильтра на выходе будет получена картина, очень похожая на ту, которую дает спектроанализатор с разверткой на частоте, — линейная развертка частоты по времени. Однако в отличие от анализатора с разверткой эта схема собирает сигналы по всей ширине полосы пропускания. Еще один интересный пример анализатора спектра, работающего в реальном времени, представляет собой ячейка Брэгга (или «акустико-оптический спектрометр»), в которой сигнал промежуточной частоты используется для генерации акустических колебаний в прозрачном кристалле. Эти деформации дифрагируют лазерный луч и формируют частотный спектр в реальном масштабе времени в виде зависимости интенсивности света от местоположения. Схему анализатора завершает решетка фотодетекторов на выходе. Брэгговские спектрометры используют в радиоастрономии.

Типовой прибор имеет полосу пропускания шириной 2 ГГц, которая распределяется по 16000 каналам, ширина полосы пропускания каждого составляет 125 кГц. При выборе типа анализатора спектра следует решить, какие параметры имеют для вас решающее значение — ширина полосы пропускания, разрешающая способность, линейность или динамический диапазон.

На рис. 15.44 представлены радиочастотные спектры, полученные с помощью анализатора спектра, который должен понравиться тем, кто имеет дело с частотами выше 1 МГц. Четыре первых спектра представляют генераторы: а формирует чистые синусоидальные колебания, б имеет искажения (на что указывают гармонические колебания, в характеризуется наличием шумов по краям спектра и г обладает некоторой частотной нестабильностью (дрейфовая или остаточная ЧМ). Можно измерить составляющие внутренней модуляции, как на примере д, где частоты внутренней модуляции второго, третьего и четвертого порядка видны на выходе усилителя, на которой подается тестовый «двухтоновый» сигнал, состоящий из чистых синусоидальных колебаний с частотами f 1 и f 2 . И наконец, пример е иллюстрирует необычное поведение смесителя с двойной балансировкой; наблюдается наводка как от ЛГ, так и от входного сигнала, помимо того, сказывается искажение на частотах (f ЛГ ± 2f с  f ЛГ ± 3f с ). Этот спектр на самом деле может характеризовать вполне приемлемую работу смесителя в зависимости от масштаба, выбранного для вертикальной оси. Анализаторы спектра разрабатывают с очень большим динамическим диапазоном (составляющие внутренних искажений ослабляются на 70 дБ, а при наличии предварительной избирательной схемы — на 100 дБ), благодаря чему можно наблюдать недостатки даже очень хороших схем.

Пример ж на рис. 15.44 показывает, что произойдет, если слишком быстро производить развертку ЛГ в анализаторе с разверткой. Если развертка ЛГ такова, что сигнал проходит через полосу пропускания фильтра Δf за более короткое время, чем Δt ~= 1/Δf, то его частотный спектр расширится примерно на Δf' = 1/Δt.

Рис. 15.44. Спектры, полученные с помощью анализатора спектра.

15.19. Автономный спектральный анализ

Быстрое преобразование Фурье, использованное применительно к цифровым данным, полученным на основании эксперимента, представляет собой мощный метод анализа сигналов и особенно распознавания слабых сигналов с ярко выраженной периодичностью на фоне посторонних сигналов и шумов или же обнаружения дрожания и колебаний. Например, метод быстрого преобразования Фурье использовали для обнаружения пульсаров, анализа сигналов в звуковом диапазоне частот, увеличения разрешения астрономических наблюдений, для поиска сигналов от внеземных цивилизаций. В последнем случае усилитель на полевых транзисторах (GaAs), подключенный к приемнику диаметром 84 фута, управляет гетеродинным приемником, в котором подвергается анализу (в реальном масштабе времени) полоса шириной 400 кГц. Сигнал подается одновременно на 8 млн. каналов с полосой 0,05 Гц. Цифровой анализатор спектра состоит из 20000 ИС и полмиллиона твердых переходов (сделанных вручную). За 20 с он обнаруживает узкополосные сигналы, которые на 60 дБ слабее, чем шум приемника. А это соответствует потоку радиоволн, имеющему полную мощность менее 1 нВт и огибающему весь земной шар!

 

Схемы, не требующие пояснений

15.20. Идеи схем

На рис. 15.45 собраны схемы, которые могут быть полезны при измерениях и в задачах управления.

Рис. 15.45. а — выравнивает характеристику мостовой схемы, минимизируя влияние U сдв ; отметим, что во многих мостовых схемах (например, в полупроводниковом тензометре) сопротивления R обладают высоким значением температурного коэффициента;

Рис. 15.45. б — усилитель с положительной обратной связью с высоким значением Z вх для пьезоэлектрического преобразователя;

Рис. 15.45. в — схема с малой утечкой, предназначенная для защиты зарядного усилителя по входу;

Рис. 15.45. г — преобразователь тока в напряжение, реагирующий на ток величиной 35 пА, способен сохранять контроль над суммирующим переходом вплоть до значений ±150 мА;

Рис. 15.45. д — стабилизирующие усилители на фотодиодах: борьба с малыми значениями С и большими значениями R ;

Рис. 15.45. е — еще один усилитель на фотодиодах;

Рис. 15.45. ж — сбалансированные усилители на фотодиодах, предназначенные для длинных детекторных кабелей;

Рис. 15.45. з — прецизионный усилитель для напряжения +200 В (из фирменной технической документации).