электродинамического прибора возникнет ток, пропорциональный изменению тока в рабочем термисторе А/, а в неподвижной обмотке, связанной со схемой питания рабочего моста, ток уменьшится и станет пропорциональным току /о - А/ (/ - ток в рабочем термисторе при начальном балансе моста). В результате взаимодействия магнитных полей, создаваемых токами в подвижной и неподвижных катушках прибора, подвижная катушка повернется на угол, пропорциональный произведению (2/о - А/) А/, т. е. пропорциональный мощности замещения.

Температурная компенсация в приборе осуществляется следующим образом. При изменении температуры окружающей среды следя-

Рабочий V7vyry~ тот \ I

Калибровка

Отсчетное устройство

Рис- 2.37. Структурная схема самобалансирующегося моста переменного тока с

термокомпенсацией.

щие системы источников питания рабочего и опорного мостов изменяют токи питания настолько, чтобы сохранился баланс мостов. Если термисторы идентичны и расположены в одном приемном преобразователе в непосредственной близости, новые значения токов практически будут одинаковы. Следовательно, и токи, протекающие через образцовые потенциометры, будут одинаковыми. При этом ток в подвижной катушке отсчетного прибора по-прежнему будет равен нулю и выходной индикатор сохранит нулевое показание. Таким образом, с помощью опорного моста достигается температурная компенсация.

Поскольку токи смещения рабочего и опорного термисторов могут отличаться на 20-30%, в схеме предусматривают выравнивание токов, протекающих через потенциометры, с помощью переменного резистора Ra, шунтирующего потенциометр i?2. и соответствующие катушки электродинамического прибора. Неполная идентичность термисторов по чувствительности приводит также к неидеальности термокомпенсации и возникновению температурного дрейфа нуля прибора.

Приведем еще одну схему самобалансирующегося моста с термокомпенсацией (рис. 2.37). В этой схеме в отличие от рассмотренной (рис. 2.36) опорный и рабочий мосты питаются от общего источника переменного тока низкой частоты (10 кГц). Термокомпенсация в таком приборе осуществляется следующим образом. Допустим, что после начальной установки нуля прибора повысилась температура окружающей среды. Если термисторы находятся в равных тепловых условиях, а их тепловые характеристики идентичны, сопротивление каждого

из них изменится нардну и ту же величину. Оба моста разбалансиру-ются. Благодаря положительной обратной связи рабочий мост будет стремиться к восстановлению баланса путем уменьшения мощности источника питания. Это в свою очередь приведет к уменьшению мощности питания опорного моста, и его баланс также восстановится. В результате сохранится нулевое показание отсчетного устройства.

Описанные способы термокомпенсации не полностью исключат дрейф показаний отсчетного устройства. При внешних тепловых воздействиях возникает меняющаяся во времени разница температур в области крепления рабочего и опорного термисторов. Это приводит к дрейфу нуля даже при идентичных термисторах. Практически схемы термокомпенсации позволяют уменьшить дрейф показания прибора, вызванный изменением температуры окружающей среды, в 5-20 раз, причем максимального уменьшения можно добиться подбирая термисторы в пары и подстраивая тепловые характеристики пребразо-вателей в целом.

Чтобы исключить влияние температуры окружающей среды, приемные преобразователи ваттметров также термостатируют. Существующие схемы термостатов позволяют стабилизировать температуру с точностью до тысячных долей градуса. Заключение приемного преобразователя в термостат с такой стабилизацией температуры обеспечивает постоянство тока начального баланса моста во всем интервале рабочих температур и, следовательно, малый дрейф показаний прибора. Однако метод термостатирования имеет недостатки. При нем усложняется конструкция приемных преобразователей; время прогрева достигает 2 ч при нестабильности примерно 1 мкВт/мин.

Мостовые схемы ваттметров с болометрическими приемными преобразователями малого уровня мощности (до 10 мВт) практически ничем не отличаются от термисторных. Для измерения уровней мощности свыше 10 мВт мостовые схемы несколько усложняют. Из-за низкой чувствительности и неизбежного разброса сопротивлений болометров в процессе их изготовления оказывается невозможным установить начальный баланс моста при заданных значениях постоянного и переменного токов низкой частоты. Поэтому наряду с регулировкой мощности для первоначального подогрева болометра в схеме предусматривают регулировку сопротивления плеча моста, симметричного плечу, в которое включен болометр. Одновременно t изменением сопротивления плеча моста корректируют цепи отсчетного устройства, чтобы не нарушалась его-градуировка.

2.3.7. Питание термистора импульсным напряжением. Цифровой отсчет *

В качестве отсчетного устройства термисторных ваттметров длительное время использовали стрелочные приборы постоянного тока. Следует отметить, что такие отсчетные устройства в некоторых случаях вносят в погрешность измерений значительно большую долю, чем все измерительное устройство. Применением цифрового отсчета можно существенно повысить точность. Кроме того, цифровой отсчет незаменим в тех случаях, когда ваттметры являются узлами цифровых ин-

формационных систем. При простейшем способе цифровой индикации в схему ваттметра вместо стрелочного прибора вводят аналого-цифровой преобразователь, преобразующий выходное напряжение постоянного тока в цифровой код, и цифровой индикатор. Такое решение является, однако, не единственным и не всегда лучшим. Цифровая индикация возможна, например, при питании моста от источника импульсного напряжения прямоугольной формы [56-64], управляемого по частоте и длительности импульсов. Нетрудно показать, что при опре- деленных параметрах импульсного сигнала (амплитуда, длительность, частота следования импульсов), питающего термисторный мост, мож-

Формирующее устройство 1-

Генератор управляемой частоты

Реверсивный счетчик

Устройство вычитания

Опорный генератор

Рис. 2.38. Структурная схема термисторного ваттметра с цифровым отсчетом.

но достигнуть состояния баланса. Если длительность и амплитуда импульсов постоянны, то мощность, рассеиваемая термистором при балансе моста, пропорциональна частоте следования F:

Р = kF. (2.34)

Отсюда приращение мощности равно

АР = kAF. (2.35)

Из (2.35) следует, что замещающая мощность линейно зависит от изменения частоты следования импульсов.

Таким образом, в мостовых схемах, питаемых источниками импульсного напряжения, измерение СВЧ мощности может быть сведено к измерению изменения частоты следования импульсов.

Рассмотрим структурную схему термисторного ваттметра с цифровым отсчетом ( рис. 2.38). До подачи СВЧ мощности на термистор мост сбалансирован. При этом частоту опорного генератора устанавливают равной частоте генератора управляемой частоты, счетчик показывает нуль. После подачи СВЧ мощности следящая система будет поддерживать баланс моста при новом (меньшем) значении частоты импульсов за счет воздействия выходного сигнала пикового детектора на генератор управляемой частоты. Разностную частоту сигнала, об-

разующегося на Выходе устройства Вычитания, пропорциональную замещающей мощности, измеряет счетчик.

В термисторных ваттметрах с цифровым отсчетом питание моста может быть комбинированным: от источников постоянного тока и дву-полярных прямоугольных импульсов [58]. Эти ваттметры обладают тем достоинством, что при одном интервале частот управляемого генератора имеют несколько пределов измерения благодаря изменению энергии одного импульса. В отсутствие измеряемой СВЧ мощности мостовую схему ваттметра уравновешивают изменяя величину постоянного тока подогрева термистора. При этом на термистор поступают импульсы с начальной (опорной) частотой следования, например 20 кГц. После подачи СВЧ мощности на термистор мостовая схема ваттметра управляет частотой импульсного генератора и соответственно изменяет мощность последовательности импульсов.

Соотношение между измеряемой мощностью и частотой следования импульсов может быть записано в виде

/СэРсвч = Рзам = Wo (/оп - (2.36)

где - энергия одного двуполярного импульса; Fn - опорная частота следования импульсов; - частота следования импульсов при включенной СВЧ мощности.

Погрешность измерительного устройства термисторного ваттметра с цифровым отсчетом может составлять ±0.5% и менее.

2.3.8. Возможности и достоинства метода

Болометрический метод используют в диапазонах метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых длин волн. Диапазон частот отдельных приборов определяется приемными преобразователями, входящими в комплект.

Метод применим для измерения малых уровней мощности - от единиц микроватт до десяти милливатт при использовании термисторных и болометрических (на базе проволочных болометров) преобразователей и до сотен милливатт при использовании болометрических преобразователей с пленочными плоскими болометрами. Болометрические преобразователи имеют меньшую чувствительность, поэтому их динамический диапазон обычно меньше, чем у термисторных.

Погрешность измерения определяется следующими основными составляющими;

- погрешностью измерения мощности замещения 6, т.е. погрешностью измерительной схемы (измерительные устройства существующих самобалансирующихся ваттметров обеспечивают измерение замещающей мощности с погрешностью ± (0,5 - 1,5%));

- погрешностью определения коэффициента эффективности приемного преобразователя б/Сэ (при использовании калибраторов обеспечивают измерение действительного значения коэффициента эффективности с погрешностью ± (2,0 - 5,0%));

- погрешностью, обусловленной дрейфом, 62 (в установившемся режиме при наличии схемы высококачественной температурной компенсации она не превышает 0,5 мкВт за полминуты);

- погрешностью за счет отражения мощности от приемного преобразователя 63 (если в результат измерений вносят поправку на отраженную мощность, то неисключенный остаток погрешности для прибора общего применения составит не более ± 0,5%);

X:

Рис. 2.39. Общий вид ваттметра МЗ-22.

- погрешностью из-за рассогласования брасс (данную погрешность рассчитывают по формуле (2.14) или определяют по графику (рис. П. 10) исходя из значений коэффициентов отражения генератора и ваттметра).

Учитывая законы распределения составляющих, погрешность измерения можно рассчитать по формуле (2.15) или (2.16). Без учета погрешности за счет рассогласования погрешность измерения мощности с помощью термисторных ваттметров составляет ± (2,5-10) %.

К достоинствам метода следует отнести: применимость в широком диапазоне частот; малое время установления показаний, что позволяет применять его в автоматизированных устройствах.

Недостатками метода являются: существенный температурный дрейф; ограниченный сверху динамический диапазон; низкий коэффициент эффективности на высоких частотах (порядка 0,5 на 78 ГГц).

Приведем краткое описание термисторного ваттметра МЗ-22 (рис. 2.39). Прибор предназначен для измерения малых уровней мощности СВЧ сигналов НГ и среднего значения мощности импульсно-модулированных СВЧ сигналов в коаксиальных и волноводных трактах. Измepитeл>ный мост ваттметра в сочетании с калибраторами мо-56

жет быть использован для измерения коэффициента эффективности приемных преобразователей.

Ваттметр состоит из измерительного блока (моста) и комплекта термисторных преобразователей (рис. 2.40). Основу измерительного бюка составляют два последовательно включенных самобалансирующихся моста - рабочий и опорный (компенсационный). В схему рабочего моста включен рабочий термистор Rfj, приемного преобразователя, а в схему опорного моста - опорный термистор д. Оба термистора однотипны и их характеристики близки. Рабочий мост вы-

I Отпсчетный прибор

4-о-->-

Источник тока подогрева со следящей системой

Преобразователь термисторный

Источник тока замещения со следяией системой

Рис. 2.40. Структурная схема ваттметра МЗ-22.

полнен в виде двойного моста, благодаря чему развязаны источники тока подогрева / и тока замещения 2. Следящие системы, входящие в источники, автоматически поддерживают баланс мостов.

При подаче СВЧ мощности на вход преобразователя сопротивление рабочего термистора уменьшается, что приводит к разбалансу рабочего моста и появлению напряжения разбалгГНса на входе источника замещения. На выходе последнего создается ток замещения такой величины и такого направления, что при поступлении его в рабочий мост результирующее значение постоянного тока в рабочем термисторе уменьшается и почти полностью восстанавливается начальный баланс моста.

Величину замещающей мощности при измерении индицирует фер-родинамический ваттметр, который выполняет операцию подсчета мощности исходя из значения токов в обмотках, пропорциональных току начального подогрева рабочего термистора и току замещения соответственно.

Основные характеристики ваттметра:

- диапазон частот 0,15-78,3 ГГц;