Поиск по сайту:
Главная страница » Эталоны » Болмусов Ю.Д., Горбачев П.А., Поляков В.Е., Кожеватов Д.К., Лещенко Ю.М., "Вторичный эталон напряжения переменного тока в диапазоне частот 30-2000 МГц"

Вторичный эталон напряжения переменного тока в диапазоне частот 30-2000 МГц




Ю.Д. Болмусов, доктор технических наук, НПП «РПС», Нижний Новгород, rpis@mail.ru

П.А. Горбачёв, кандидат технических наук, ФБУ «Нижегородский ЦСМ», Нижний Новгород, gorbachev@nncsm.ru

В.Е. Поляков, 
НПП «РПС», Нижний Новгород, rpis@mail.ru

Д.К. Кожеватов, НПП «РПС», Нижний Новгород, rpis@mail.ru

КШ. Лещенко, НПП «РПС», Нижний Новгород, rpis@mail.ru


Широкополосные вольтметры переменного тока с диапазоном частот до 1,5-2 ГГц широко используются при метрологическом обеспечении многих областей радиоизмерительной техники. Поверка и калибровка широкополосных вольтметров, как правило, осуществляется по эталонам 1-го разряда, в качестве которых используются дополнительно аттестуемые вольтметры ВЗ-49, B3-63, ВКЗ-78, В7-83 и калибратор 1-го разряда Н5-6/1. Поверка и калибровка эталонов 1-го разряда на сегодняшний день осуществляется по первичному специальному эталону переменного напряжения ГЭТ 27-2009 [1]. Большой объём работ на первичном эталоне и широкая география дислокации эталонов 1-го разряда сделали актуальной разработку возимого вторичного эталона (ВЭ) для оснащения ведущих метрологических центров страны.

В настоящее время широко распространена концепция технического исполнения ВЭ в форме копии (иногда слегка изменённой) первичного эталона. Воспроизведение вольта как единицы напряжения переменного тока на частотах 30-2000 МГц и в диапазоне напряжений от 0,1 до 10 В в первичном эталоне осуществляется путём компарирования с мерой напряжения постоянного тока [1]. В качестве компараторов применяется набор терморезисторных преобразователей, рассчитанных на разные номинальные напряжения. Использование набора термопреобразователей делает воспроизведение и передачу единицы весьма трудоёмкой и неперспективной для построения современного серийного ВЭ. Опыт создания и эксплуатации серийных калибраторов 1-го разряда Н5-6/1 [2] показывает, что единица напряжения, принятая от первичного эталона, может весьма стабильно храниться и воспроизводиться калибратором, если в нём есть встроенные технические средства для поддержания стабильности. С учётом этого далее описывается ВЭ, построенный по принципу калибратора напряжения, в котором единица напряжения в реперной точке 1 В на всех частотах принимается от первичного эталона, стабильно хранится, а значения напряжения в требуемом диапазоне воспроизводятся относительно реперной точки с помощью встроенного измерителя отношения высокочастотных напряжений.

Основные характеристики ВЭ единицы электрического напряжения:

• диапазон частот 30-2000 МГц;

• номинальные значения напряжения 0,1; 0,3; 1; 3; 10 В;

• среднее квадратическое отклонение результата измерений 0,01-0,015 % (в зависимости от частоты и напряжения);

• погрешность установки частоты генератора* 2x10-6f

• потребляемая мощность 60 В°А;

• габаритные размеры (без персонального компьютера — ПК) 480 х 160 х 460 мм; 

  • масса 12 кг.

Неисключённые систематические погрешности для разных диапазонов частот приведены в табл. 1,2.

Неисключённая систематическая погрешность на частотах 30-600 МГц, %, ±

ВЭ работает на фиксированных частотах 30, 50, 100, 150, 300, 600, 800, 1000, 1250, 1500, 1800 и 2000 МГц и воспроизводит переменное напряжение синусоидальной формы (среднеквадратические значения) в диапазоне напряжений 0,1-10 В в коаксиальном тракте на нагрузке 50 Ом. На частотах выше 1000 МГц максимальное напряжения ограничено значением 3 В. Калиброванное напряжение выводится на встроенные соединители для подключения вольтметров с внешними высокоомными пробниками диаметром 20 мм. Предусмотрено подключение вольтметров с пробниками диаметром 12 и 8 мм к соединителям диаметром 20 мм с помощью специальных переходов - насадок.

Конструктивно ВЭ построен по принципу агрегатирования функционально и конструктивно законченного приборного блока и внешнего ГК (рис. 1, 2). В приборный блок входят функциональные узлы: калибратор напряжения переменного тока (далее - калибратор напряжения), измеритель отношения высокочастотных напряжений (далее - измеритель отношения, ИО), устройство управления и блок питания.

Формирование фиксированных частот в диапазоне 30-2000 МГц осуществляется с помощью формирователя дискретных частот (ФДЧ). Формирователь построен на базе высокоинтегрированного синтезатора частоты (СЧ) с опорным кварцевым генератором (ОГ1). На выходе СЧ включён дискретно-управляемый аттенюатор (А1), позволяющий регулировать уровень сигнала на всех формируемых частотах в пределах от 0 до минус 32 дБ с шагом 1 дБ. Он используется для обеспечения стабильной работы системы автоматической регулировки амплитуды (АРА) в широком диапазоне частот и напряжений. Назначение системы АРА - установка и поддержание стабильным высокочастотного (ВЧ) напряжения на выходе калибратора. В систему АРА входят: плавный электронно-управляемый аттенюатор (А), широкополосный усилитель мощности (УМ), блок фильтров (БФ), коммутаторы (К2, КЗ), диодные сборки (ДС1, ДС2), дифференциальные усилители (ДУД ДУ2) и коммутатор (К1). Система АРА выполнена двухподдиапазон-ной: 0,1-1 и 1-10 В. В первом поддиапазоне сигнал с плавного аттенюатора А поступает на вход УМ. С выхода УМ после фильтрации гармоник в БФ через реле (К2 и КЗ) сигнал поступает на соединитель «С->1», а также через делитель напряжения на высокочастотных резисторах R1, R2 на вход одного из диодов ДС1. На второй диод ДС1 от генератора низких частот (ГНЧ) через делитель образцовый (ДО) подаётся низкочастотный (НЧ) опорный сигнал 10 кГц. Разность ВЧ и НЧ напряжений после детектирования диодами ДС1 усиливается ДУ1 и через коммутатор К1 подаётся на управляющий вход плавного аттенюатора А. Полярность выходного напряжения ДУ1 и регулировочная характеристика аттенюатора выбраны таким образом, что увеличение ВЧ напряжения относительно НЧ приводит к ослаблению А. При достаточно большом усилении ДУ ВЧ напряжение в точке «С» всегда стремится к значению НЧ напряжения в точке «6» на выходе ДО. Поэтому, если вольтамперные характеристики диодов идентичны, усиление в кольце регулирования большое, резисторы R1 и R2 стабильны, то точность и стабильность установки ВЧ напряжения в точке «С», а следовательно и в точке «А», будет определяться точностью и стабильностью установки НЧ напряжения в точке «В». Система стабилизации с использованием двухканального детектора позволяет многократно уменьшить погрешность установки выходного напряжения, обусловленную температурным дрейфом вольтампер-ной характеристики детектора обратной связи.

В поддиапазоне 1-10 В сигнал с электронного аттенюатора А (ослабление дискретного аттенюатора А1 при работе во втором поддиапазоне примерно на 20 дБ меньше) через УМ, БФ и коммутатор К2 поступает на соединитель «С->И», а также на вход одного из диодов ДС2. На 2-й диод ДС2 с выхода ДО поступает НЧ опорный сигнал 10 кГц. Сигнал с выхода ДУ2 подаётся через коммутатор К1 на управляющий вход плавного аттенюатора А, и далее система АРА работает аналогично поддиапазону 0,1-1 В.

В качестве опоры, обеспечивающей стабильное воспроизведение выходного напряжения в условиях воздействия различных дестабилизирующих факторов, используется сигнал ГНЧ. Синусоидальный сигнал ГНЧ с частотой 10 кГц формируется цифровым синтезом с помощью 14-разрядного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и высокостабильного источника постоянного напряжения. Поэтому, стабильность переменного напряжения, формируемого ГНЧ, определяется стабильностью опорного источника постоянного напряжения. Кроме опоры в системе АРА сигнал ГНЧ выполняет функцию компарирования ВЧ напряжения на соединителе
«С->1» по контрольному детектору (ДК). При ком-парировании напряжение уровнем 1 В с выхода ГНЧ через коммутатор КЗ подаётся на нагрузку и ДК. Поскольку ток на низкоомную (50 Ом) нагрузку значителен {- 20 мА), то для исключения падения напряжения на подводящих проводах и контактах реле напряжение с соединителя «С->1» с помощью обратной связи снова подаётся на управляющий вход ГНЧ. В результате НЧ напряжение 1 В поддерживается на соединителе «С->1» при компарировании с погрешностью ±0,015 % в широком диапазоне температур и изменений сопротивления внешней нагрузки.

В соединителе «С->1» к точке подключения пробника поверяемого вольтметра подключены распределённая нагрузка 50 Ом и широкополосный ДК на диодах Шоттки. Распределённая нагрузка (5 ВЧ чип-резисторов включены звездой) уменьшает погрешность из-за ориентации пробника в вертикальной плоскости (относительно оси соединителя). Детектор позволяет устанавливать при компарировании напряжение непосредственно в плоскости подключения пробников поверяемых вольтметров и тем самым минимизировать погрешность рассогласования [3]. Контрольный детектор выполнен на термокомпенсированной схеме с использованием двухдиодной сборки. Неравномерность его частотной характеристики в диапазоне рабочих частот для уровня напряжения 1 В учитывается поправочными коэффициентами, записанными в память контроллера УУ. Поправочные коэффициенты определяются по результатам сличения с первичным эталоном.

ВЧ напряжение с соединителей «С->1» «С->П» через делители на высокочастотных резисторах и аттенюаторы А2 или АЗ подаётся на вход ИО. Ослабление аттенюатора АЗ выбрано больше ослабления аттенюатора А2 на 20 дБ. Такое решение уменьшает динамический диапазон сигналов, подаваемых на ИО, на 20 дБ.

ИО предназначен для точного измерения отношения двух попеременно подаваемых значений напряжения и представляет собой специализированный измеритель ослабления (рис. 3) на основе супергетеродинного приёмника. С помощью синтезированного гетеродина и смесителя (СМ) входной сигнал переносится на низкую промежуточную частоту (порядка 5 кГц), фильтруется фильтром нижних частот (ФНЧ), усиливается ма-лошумящим усилителем (МШУ) и масштабным усилителем (МУ) до уровня порядка 2 В, линейно детектируется детектором среднеквадратичес-ких значений (Дет. СКЗ) и измеряется АЦП УУ. Гетеродин ИО выполнен по схеме, идентичной синтезатору частоты ФДЧ, и перестраивается синхронно с ним по частоте. Фиксированное значение низкой промежуточной частоты на каждой из частот, формируемых ФДЧ, обеспечивается небольшой расстройкой частоты опорного кварцевого генератора (ОГ2) гетеродина. Для корректировки частотной характеристики 1/10 в диапазоне частот и аттестации ИО по линейности на входе смесителя включён управляемый ступенчатый аттенюатор А4.



Вторичный эталон напряжения переменного тока



Структурная схема вторичного эталона напряжения переменного тока: УУ - блок управления узлами; АЦП - аналого-цифровой преобразователь

Принцип воспроизведения напряжения с использованием ИО достаточно прост. Пусть на соединителе «С->1» установлено напряжение в реперной точке 1 В. Сигнал на выходе детектора СКЗ ИО измеряется АЦП, запоминается (по команде с панели управления) и отображается на табло как 1 В. При установке другого значения ВЧ напряжения на соединителе «С->1» в силу линейности передаточной характеристики ИО на табло будет отображаться установленное значение ВЧ напряжения в вольтах. Изложенное справедливо, если ИО от входа до выхода, включая АЦП, имеет линейную передаточную характеристику. В реальном ИО на погрешность измерения отношений ВЧ напряжений могут влиять нелинейность смесителя, нелинейность детектора СКЗ, нелинейность характеристики преобразования АЦП, шумы измерительного тракта, паразитное «пролезание» сигнала на смеситель (минуя тройниковые переходы). Не останавливаясь на детальном анализе указанных составляющих погрешности ИО, отметим следующее. Погрешность из-за нелинейности смесителя определяется выбором типа смесителя, уровнем ге-
теродинного напряжения и уровнем сигнала на входе смесителя. Для среднеуровневого смесителя (точка компрессии 1 дБ при уровне мощности входного сигнала +13 дБм) погрешность из-за нелинейности смесителя не превышает 0,01 % при напряжении на входе смесителя 1 мВ.

Страница 1 из 2 Следующая

Добавить комментарий


Главная страница » Эталоны » Болмусов Ю.Д., Горбачев П.А., Поляков В.Е., Кожеватов Д.К., Лещенко Ю.М., "Вторичный эталон напряжения переменного тока в диапазоне частот 30-2000 МГц"