Радиотехнические измерения используют также весьма широко в различных отраслях народного хозяйства. Неэлектрические величины, такие как давление, влажность, температура, линейные удлинения, механические вибрации, число оборотов и другие, можно с помощью специальных датчиков преобразовать в электрические и оценивать их, применяя методы и приборы электрических и радиотехнических измерений.
Радиотехнические измерения охватывают область электрических измерений и, кроме того, включают все виды специальных радиоизмерений.
Радиотехнические измерения используют и для оценки неэлектрических величин. Такие величины как давление, температура, влажность, механические вибрации, линейные удлинения при нагревании и др. можно преобразовать с помощью специальных датчиков в электрические и оценивать их, используя приборы и методы электрических и радиотехнических измерений. Целью же измерений является получение численного значения измеряемой величины.
Предмет радиотехнических измерений, в соответствии с программой, включает следующие разделы: основное метрологические понятия; краткие сведения о погрешностях измерений, способах их учета и уменьшения влияния на результаты измерения; измерение тока, напряжения и мощности в широком диапазоне частот; изучение генераторов измерительных сигналов; электронные осциллографы; измерение фазового сдвига, частоты и интервалов времени; измерение параметров модуляции, нелинейных искажений; измерения в радиотехнических цепях с сосредоточенными и распределенными параметрами; измерения напряженности электромагнитного поля и радиопомех.
Схема лампового вольтметра с компенсационной батареей. Особенности радиотехнических измерений напряжений и токов.
В радиотехнических измерениях часто встречаются систематические погрешности, изменяющиеся во времени. Так, высокочувствительным приборам свойственна систематическая погрешность, вызванная регулярными помехами в виде импульсного или квазигармонического сигнала, наводимого на входные цепи прибора. Для уменьшения уровня наводок принимают конструктивные меры: экранируют входные цепи, рационально выбирают точку заземления. Общий метод уменьшения влияния периодических наводок заключается в усреднении результатов измерения на некотором интервале времени. Усреднение достигается двумя способами, часто используемыми совместно: предварительной фильтрацией входного сигнала и проведением многократных измерений с последующим вычислением среднеарифметического.
При радиотехнических измерениях в диапазонах звуковых, низких и очень низких частот, главным образом, применяют С-генераторы, которые на этих частотах обладают существенными преимуществами по сравнению с LC-гене-раторами. Это объясняется тем, что элементы колебательных контуров LC-генераторов для звуковых частот слишком громоздки (прежде всего катушки индуктивности), а их параметры при изменении температуры нестабильны, что определяет низкую стабильность частоты генерируемых сигналов. Кроме того, частоту LC-генераторов в звуковом диапазоне перестраивать сложно.
В обычных радиотехнических измерениях, производимых в лабораторных условиях, полагают Тт - 292 К (примерно комнатная температура 19 С), а отношение Тш вх / 292 называют шумовым числом.
Внешний вид вольтметра ВВ-5624. При электротехнических и радиотехнических измерениях принято на приборах указывать знак незаземленного провода по отношению к земле; таким образом, здесь применяют противоположное правило знаков.
Внедрение техники радиотехнических измерений совпало с началом развития систем радиосвязи и радиоэлектроники.
Широкое использование радиотехнических измерений в различных областях радиотехники влечет за собой появление новых методов измерений и специальных измерительных приборов. Наиболее специфичными являются измерения на сверхвысоких частотах, что объясняется конструктивными особенностями колебательных систем и линий передачи энергии этого диапазона.
Степень точности радиотехнических измерений, так же как и электрических, определяется погрешностью, или ошибкой измерения.
Излагаются основы радиотехнических измерений. Рассматриваются принципы и методы измерений радиотехнических величин, характеризующих параметры сигналов, систем и устройств радиосвязи и радиовещания во всем применяемом диапазоне частот. Приводятся сведения о построении структурных схем измерительных приборов, погрешностях и способах их учета и уменьшения влияния. Особое внимание уделено приборам цифровым и выполненным на микросхемах. Приведены краткие справочные данные о многих измерительных приборах.
Коллектив отдела радиотехнических измерений (слева направо): первый ряд - инженеры Людмила Викторовна Елягина, Алексей Андреевич Сорокин, Нина Владимировна Тохтарова, Светлана Георгиевна Попова, Айдар Равиевич Гареев, второй ряд - ведущий инженер Лидия Николаевна Вдовина, инженер Зания Шахбаевна Мур-салимова, начальник отдела Наталья Вениаминовна Соловова, инженер Владислав Эминович Элчеев.
В основе радиотехнических измерений лежат как методы, используемые в технике электрических измерений, так и методы, свойственные только измерениям на высоких частотах.
В основе радиотехнических измерений токов и напряжений лежат как методы, используемые в технике электрических измерений, так и методы, свойственные только измерениям на высоких частотах.
Иногда в радиотехнических измерениях, а также при проверке градуировки некоторых радиоизмерительных приборов приходится пользоваться образцовыми емкостями, индуктивностями и сопротивлениями.
Особенно важное значение радиотехнические измерения имеют в астрономии, ядерной физике, ракетной технике и космонавтике.
Базовыми предметами для радиотехнических измерений являются: электротехника и электрические измерения, электронные приборы, электронные усилители, основы радиотехники, автоматика и вычислительная техника. Хорошее знание этих предметов обеспечивает свободное понимание и твердое усвоение курса радиотехнических измерений в отведенное учебным планом время.
Блок-схема осциллографа типа С1 - 1. Рассмотрим некоторые виды радиотехнических измерений, которые могут выполняться с помощью осциллографа такого типа.
Некоторые метрологи в области радиотехнических измерений считают энтропийную погрешность более точной и отвечающей современному информационному подходу к характеристике процесса измерения физических величин. Информационный подход позволяет с единых по - зиций анализировать измерительные устройства как в статическом, так и в динамическом режимах работы, оптимизировать технические характеристики и оценить предельные возможности тех или иных средств измерений.
С 7997 года отдел радиотехнических измерений возглавляет Наталья Вениаминовна Соловова.
В чем заключаются особенности радиотехнических измерений.
Измерение радиопомех отличается от других радиотехнических измерений наличием очень большого числа типов радиопомех, а также разнообразием видов радиосвязи, на которые эти помехи могут оказывать мешающее воздействие.
Во Всесоюзном научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) хранится государственный первичный эталон единицы температуры в диапазоне от 13 81 до 273 15 К. В этом же институте создан и хранится государственный специальный эталон единицы температуры в диапазоне от 4 2 до 13 81 К на основе температурной шкалы германиевого термометра сопротивления.
Во Всесоюзном научно-исследовательском институте физико-химических и радиотехнических измерений ведутся работы по термометрии и унификации значений свойств веществ.
Таким образом, при радиотехнических измерениях надо учитывать многие факторы, иначе невозможно получить достаточно точные результаты. Собственно, в этом и состоит умение пользоваться измерительными приборами и производить измерения.
Ампли-тудно-модулированные колебания требуются для многих радиотехнических измерений. Модулятором снабжают не все генераторы.
Важное значение имеет автоматизация процессов радиотехнических измерений, испытаний и обслуживания радиоаппаратуры.
Включение приборов для измерения токов.| Включение шунта для расширения пределов измерений прибора по току. Магнитоэлектрические приборы, применяемые для радиотехнических измерений, обычно очень чувствительны. Ток, необходимый для полного отклонения стрелки таких приборов, ничтожно мал - доли миллиампера. В этом случае через прибор проходит только часть общего тока цепи.
Регулировочно-настроечные операции базируются на основе различных электротехнических и радиотехнических измерений. Для успешного решения задач регулировки требуется знание приемов и последовательности выполнения регулировочных операций и методов измерений. В связи с этим регулировка аппаратуры поручается наиболее квалифицированным рабочим. Регулировщик должен знать основы электротехники и радиотехники, свободно разбираться в принципиальных и монтажных схемах и хорошо представлять себе принцип действия и взаимосвязь основных элементов регулируемой аппаратуры. При использовании специальных регулировочных стендов регулировщик должен в совершенстве знать их устройство и работу и уметь правильно применять стенд для обеспечения высокой точности регулировки.
Измерительные приборы, используемые в радиотехнических измерениях, называются радиоизмерительными приборами. Радиоизмерительные приборы классифицируются по видам измерений, принципу действия, условиям эксплуатации и точности.
Это чрезвычайно важный вопрос при радиотехнических измерениях и, надо сказать, весьма сложный. Ведь возникает и обратная реакция: не только измерительный прибор воздействует на исследуемые цепи, но и они могут изменить условия работы измерительного прибора.
Измерение импульсных напряжений является распространенным видом радиотехнических измерений. Очень часто при настройке и регулировке импульсной аппаратуры используются осциллографические методы измерений, которые позволяют не только измерять параметры импульсов, но и наблюдать одновременно их форму. Наличие в осциллографе калибратора с плавной регулировкой выходного напряжения позволяет использовать следующие методы измерений амплитудных параметров импульсных сигналов: калиброванной шкалы, сравнения и компенсационный.
Схема резонансного волномера, связанного с контуром для измерения в последнем частоты тока. Подтвердим последнее на следующем примере из практики радиотехнических измерений.
Следует отметить, что в силу особенностей радиотехнических измерений и различных требований к точности измерений погрешность радиоизмерительных приборов и измерений колеблется в значительных пределах.
В январе 2000 года в отдел поверки радиотехнических измерений переходят Л.Н. Вдовина, А.А. Сорокин, С.Г. Попова, чтобы в новом подразделении выполнять государственный метрологический контроль.
Форма подвижной пластины логарифмического конденсатора.| V. а Последовательная эквивалентная схема конденсатора о потерями, б векторная диаграмма для нее. Это свойство логарифмического конденсатора оказывается ценным при радиотехнических измерениях.
Для правильного монтажа и регулировки такой аппаратуры необходимы самые разнообразные радиотехнические измерения, в результате которых количественно оцениваются какие-либо величины. Измеряемая величина сравнивается с единицей измерения с помощью измерительных приборов, которые в свою очередь сравниваются с эталоном путем градуировки.
Для студента, приступающего к изучению принципов и методов основных радиотехнических измерений, вполне достаточно тех знаний об источниках питания, используемых при радиоизмерениях, которые известны ему из ранее пройденных курсов.
Характерной особенностью технологии регулировоч-но-настроечных операций является большое разнообра зие электрических и радиотехнических измерений. В процессе регулировки радиоаппаратуры или ее составных частей (каскадов), как правило, обнаруживаются и устраняются различные неисправности, не замеченные или пропущенные при контроле, например: неправильный монтаж, плохое качество пайки, отсутствие токо-проводимости через контактное соединение, а также дефекты в виде недоработки самой схемы.
Воспроизведение формы колебаний является важной задачей, решаемой в радиотехнических измерениях, поскольку по форме можно сразу оценить многие параметры колебаний. Для воспроизведения формы колебаний служат осциллографы.
Рассматриваемая аппаратура объединяет приборы, используемые как автономно при различных радиотехнических измерениях, так и в составе комплектов, установок и систем при специализированных частотно-временных измерениях. Синтезаторы частот и дополнительные приборы, расширяющие возможности синтезаторов частот, применяют для измерения параметров высокостабильных по частоте сигналов, контроля характеристик четырехполюсников и узкополосных трактов радиотехнических устройств, анализа спектра радиосигналов, калибровки частотных шкал приемников и передатчиков.
Учебное пособие предназначено для учащихся средних специальных заведений по специальностям Радиотехнические измерения, Электротеплотехнические измерения:, Механические измерения, а также может быть использовано специалистами, работающими в области измерительной техники.
ВНИИФТРИ-54 была установлена в 1954 г. во Всесоюзном научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений. В области от 10 7 до 94 9 К термодинамические тем-ры были нанесены на четыре платиновых термометра. Тем - pa кипения кислорода была принята в этой шкале равной 90 19 К.
Общим недостатком реактивных делителей тока, ограничивающим их использование в радиотехнических измерениях, является значительное падение напряжения на измерительном устройстве.
Студентам радиотехнических факультетов втузов связи наряду с другими дисциплинами читается курс радиотехнических измерений. Предлагаемая вниманию читателей книга написана по программе этого курса.
Погрешности резонансных схем и способы их уменьшения рассматриваются в литературе по радиотехническим измерениям.
Радиоэлектронные измерения и радиоизмерительные приборы широко используются в работе физика-экспериментатора и инженера-исследователя любой специальности. Измерение - это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. В радиоэлектронике объектами измерений являются параметры и характеристики радиоэлектронных цепей и сигналов, а средствами измерений являются радиоизмерительные приборы. Радиоэлектронные измерения имеют следующие особенности.
1. Разнообразие по характеру.
С этой точки зрения радиоэлектронные измерительные приборы подразделяются на четыре группы:
Первая группа - измерительные генераторы. Они служат для имитации сигналов при наладке и настройке радиоэлектронной аппаратуры, измерения некоторых параметров сигналов методами сравнения, питания и калибровки измерительной аппаратуры.
Вторая группа - приборы для измерения параметров и характеристик сигналов. Особенностью этой группы приборов является необходимость подачи на вход прибора измеряемых сигналов. На выходе прибора получается количественная информация о том или ином параметре сигнала. К этой группе относятся такие измерительные приборы, как осциллографы, электронные вольтметры, частотомеры, фазометры, анализаторы спектра и др.
Третья группа - приборы для измерения характеристик и параметров четырехполюсников, а также различных узлов радиоэлектронных схем. Особенностью приборов этой группы является наличие в них генераторов сигналов определенной формы, питающих исследуемый четырехполюсник или узел, и измерительных устройств, позволяющих оценивать прохождение этих колебаний через данный четырехполюсник или узел. Примером приборов третьей группы являются измерительные мосты, Q-метры, измерители частотных характеристик (характериографы) и др.
Четвертая группа - элементы измерительных схем. К ней относятся выполненные отдельно и прокалиброванные аттенюаторы, фазовращатели, измерительные трансформаторы и пр.
2. Широкий диапазон измерительной величины, иногда достигающий 10-12 порядков.
3. Малая мощность измеряемых сигналов.
В процессе измерения определяемая величина сравнивается с известной величиной, принятой за единицу и называемой образцовой мерой. Для этого шкала измерительных приборов калибруется. При измерении снимается отсчет - число, указываемое индикатором прибора. Показание - физическая величина, соответствующая отсчету и получаемая в результате умножения отсчета на переводной множитель.
2.2. Измерительные генераторы .
В измерительном генераторе частота, форма и напряжение имитируемого сигнала устанавливаются равными необходимому значению и могут перестраиваться в широких пределах. По форме выходных сигналов измерительные генераторы подразделяются на генераторы синусоидальных сигналов, генераторы импульсных сигналов и генераторы шумовых сигналов.
Генераторы синусоидальных сигналов в свою очередь разделяются на низкочастотные (звуковые) с частотой 20 Гц ÷ 200 кГц, высокочастотные с частотой 100 кГц ÷ 30 МГц и сверхвысокочастотные.
Звуковые генераторы (ГЗ) вырабатывают сигнал напряжением от десятков микровольт до 30 вольт. Эти генераторы обычно выполнены по многокаскадной схеме (рис. 1), что позволяет устранить влияние нагрузки на стабильность вырабатываемого сигнала и получить на нагрузке достаточную мощность. Задающий генератор обычно представляет собой двухкаскадный RС-автогенератор с цепочкой Вина в обратной связи. Ступенчатое изменение частоты осуществляется переключением емкости С, а плавное - изменением сопротивления R. Широкополосный усилитель представляет собой двухтактный усилитель мощности, связанный с задающим автогенератором через фазоинверсный каскад.
Рис. 1. Структурная схема генератора синусоидальных сигналов
Далее сигнал поступает на выходное устройство, состоящее из аттенюатора и согласующего устройства. Аттенюатор - делитель напряжения с коэффициентом ослабления сигнала, не зависящим от частоты. Выходной аттенюатор изменяет напряжение ступенями, а в пределах каждой ступени (диапазона) плавная регулировка осуществляется в широкополосном усилителе. Измеритель напряжения включен к выходу усилителя, что значительно упрощает его конструкцию, так как в этом случае он работает только в одном диапазоне напряжений сигнала. Напряжение на выходе равно напряжению на измерителе, умноженному на коэффициент деления аттенюатора. Для стабильности коэффициента деления аттенюатора нагрузка на его выходе должна быть постоянной (обычно 600 Ом). При отличии сопротивления нагрузки от этого значения оно согласуется с аттенюатором с помощью согласующего устройства, состоящего из трансформатора и внутренней нагрузки. Внутренняя нагрузка включается, если сопротивление нагрузки с учетом коэффициента трансформации существенно превышает 600 Ом. Трансформаторный выход, кроме того, позволяет легко получить симметричный выход. В последнем случае заземляется середина вторичной обмотки выходного трансформатора. При измерениях часто используется не напряжение сигнала, а его уровень в децибелах, определяемый по формуле:
U=20 lg(U/U 0) (дБ).
За нулевой уровень принимают чаще всего такое напряжение U 0 , которое на сопротивлении 600 Ом создает рассеиваемую мощность 1 мВт. Иногда за нулевой уровень принимают напряжение, равное одному вольту.
Генераторы стандартных сигналов (ГСС, группа Г4) выдают калиброванные по частоте, выходному напряжению и форме синусоидальные сигналы высокой частоты (несущей), которые могут быть промоделированы как от внутреннего, так и от внешнего генератора низкой частоты. Источником высокочастотного напряжения является перестраиваемый автогенератор высокой частоты (рис. 2), который представляет собой LС-генератор синусоидальных колебаний.
Рис. 2. Структурная схема генератора стандартных сигналов
Усилитель-модулятор представляет собой усилитель высокой частоты, который в режиме модуляции выполняет и функции модулятора. Выходное устройство состоит из плавного аттенюатора, затем ступенчатого и иногда выносного делителя, находящегося на конце кабеля. Положение плавного аттенюатора калибруется с помощью шкалы. Измеритель напряжения несущей и глубины модуляции представляет собой электронный вольтметр с детекторами высокочастотного (ВЧ) и низкочастотного (НЧ) сигналов. Выходное сопротивление ГСС в большинстве случаев составляет десятки Ом и согласовано с кабелем.
Генераторы импульсов (ГИ, группа Г5) являются источником импульсных сигналов определенной формы (чаще всего прямоугольной). Схема типичного ГИ приведена на рис. 3. Задающий генератор вырабатывает импульсы, необходимые для запуска блока формирования импульсов, а также для выхода синхроимпульсов от данного прибора. В качестве задающего генератора могут использоваться автогенераторы синусоидальных колебаний с последующим двухсторонним ограничением или релаксационные генераторы. Запуск формирователя основного импульса осуществляется с устанавливаемой задержкой во времени относительно выхода импульса синхронизации. Задержка основного импульса относительно импульса синхронизации широко используется при применении генераторов. Так, при использовании осциллографа синхроимпульсом запускается развертка осциллографа, а основной импульс подается на исследуемую схему и через нее на осциллограф. При этом на экране осциллографа хорошо виден передний фронт импульса.
Рис. 3. Структурная схема генератора импульсов
Принцип действия блока формирования импульсов состоит в следующем. Запускающий импульс, поступая на релаксатор и вызывая его опрокидывание, формирует передний фронт измерительного импульса. Одновременно запускающий импульс, проходя через внутреннюю линию задержки, равную длительности импульса τ, подается на другой вход данного релаксатора, вызывая его опрокидывание в первоначальное состояние и тем самым формируя задний фронт основного импульса длительностью τ. Выходной усилитель представляет собой широкополосный усилитель, обеспечивающий получение на выходе измерительных импульсов нужной амплитуды. Выходное устройство состоит из фазоинверсного каскада для получения на выходе импульсов нужной полярности, эмиттерного повторителя для обеспечения заданной величины внутреннего сопротивления генератора и аттенюатора. Измерители амплитуды работают обычно по методу сравнения с образцовым напряжением.
2.3. Электронно-лучевые осциллографы .
Осциллограф предназначен для визуального наблюдения электрических сигналов и измерения их параметров. Это универсальный прибор, позволяющий измерять напряжение, частоту, разность фаз, временные интервалы и другие параметры сигналов. На рис. 4 приведена структурная схема осциллографа. Основным узлом осциллографа является электронно-лучевая трубка, формирующая узкий электронный луч, попадающий на люминесцирующий экран и описывающий форму исследуемого сигнала, подаваемого на вертикально отклоняющие пластины при условии, что на горизонтально отклоняющие пластины подано линейно изменяющееся напряжение, обеспечивающее движение электронного луча в горизонтальном направлении с постоянной скоростью, т. е. прямо пропорционально времени. Формирование электронного луча осуществляется модулятором (М), работающим по аналогии с управляющей сеткой электронной лампы и регулирующим количество электронов в луче (яркость). Аноды A1 и А2 предназначены для фокусировки электронов на экране трубки. Анод АЗ служит для увеличения скорости электронов в луче, что важно для возбуждения люминофора экрана.
Рис. 4. Структурная схема электронно-лучевого осциллографа
Рассмотрим кратко работу и назначение остальных узлов осциллографа. Исследуемый сигнал по коаксиальному кабелю через входной делитель подается на эмиттерный повторитель, нагрузкой которого является линия задержки (обычно отрезок кабеля). Эмиттерный повторитель имеет высокое входное сопротивление и малую входную емкость, что способствует отсутствию искажения слабых сигналов. Благодаря своему низкому выходному сопротивлению он согласован с волновым сопротивлением линии задержки. Задержка поступления сигнала относительно начала действия развертки дает возможность наблюдать передний фронт сигнала, особенно в режиме внутреннего запуска развертки от самого исследуемого сигнала при достижении им определенного уровня. После усиления сигнал поступает на вертикально отклоняющие пластины трубки, отклоняя луч на экране по вертикали пропорционально напряжению сигнала. Горизонтальное смещение луча, пропорциональное времени, осуществляется пилообразным напряжением, вырабатываемым генератором развертки и подаваемым на горизонтально отклоняющие пластины. Режим запуска генератора развертки может быть ждущим и периодическим. Запуск развертки при ждущем режиме осуществляется либо от внешнего синхронизирующего сигнала с входа Х (внешний запуск), либо от исследуемого сигнала (внутренний запуск). При периодическом режиме генератор развертки запускается периодически либо от сети, либо работает автоматически с собственной, но регулируемой частотой. Некоторые осциллографы имеют усилитель горизонтального отклонения (усилитель Х), который может подключаться к горизонтально отклоняющим пластинам вместо генератора развертки. В этом случае отклонение луча по горизонтали становится пропорциональным напряжению на входе Х. Это позволяет получать на экране зависимости сигнала Y от сигнала X, например, вольт-амперные характеристики устройств. К вспомогательным устройствам относятся калибраторы амплитуды и длительности. У многолучевых осциллографов электронно-лучевая трубка имеет несколько формирователей электронных лучей, общие для всех лучей горизонтально отклоняющие пластины, но отдельные для каждого луча вертикально отклоняющие пластины. При этом имеется несколько входов Y и несколько усилителей вертикального отклонения (по числу лучей). Эти осциллографы позволяют получать одновременно развертку нескольких сигналов. У многоканальных осциллографов трубка обычная, однолучевая, только сигналы на нее подаются поочередно от нескольких входов Y с помощью коммутатора. Запоминающие осциллографы имеют устройство памяти, запоминающее сигнал и затем подающее его на пластины уже после действия сигнала. Это позволяет наблюдать развертку сигналов очень малой длительности (наносекунды) в течение продолжительного времени (минуты).
2.4. Измерения напряжения и тока.
Измерения тока и напряжения являются основными при исследовании различных устройств и контроле их работы. Однако в радиотехнике преобладающее значение имеет измерение напряжения, а к измерению токов прибегают в довольно редких случаях, стараясь заменить измерением напряжения на известном сопротивлении и затем определяя ток по закону Ома. Измеряемые переменные напряжение и ток оцениваются следующими параметрами (рис. 5): амплитудой, средним, средневыпрямленным и действующим (эффективным) значениями.
Рис. 5. Параметры переменного напряжения
Амплитуда (пиковое значение) U m определяется как наибольшее значение напряжения за период. Для несимметричного относительно нуля напряжения вводят понятия пиковых отклонений вверх U m+ и вниз U m- . Среднее значение переменного напряжения U ср есть его постоянная составляющая:
.
Средневыпрямленное значение U св определяется как постоянная составляющая напряжения после его двухполупериодного выпрямления:
.
Действующее или эффективное значение U эф оценивается по среднеквадратичному значению измеряемого напряжения:
.
Закону изменения напряжения соответствуют определенные количественные соотношения между U m , U св, U эф, оцениваемые коэффициентами амплитуды К а = U m / U эф и формы К ф = U эф / U св. Так, для гармонического напряжения К а =1.41, К ф =1.11.
Прямоугольное колебательное напряжение - меандр - без постоянной составляющей характеризуется как К а =К ф =1. При достаточно большой мощности измеряемого напряжения и тока они могут быть измерены приборами магнитоэлектрической системы в сочетании с дополнительными устройствами. Так, постоянный ток и среднее значение переменного тока (и напряжения) могут быть измерены непосредственно магнитоэлектрическим прибором.
Средневыпрямленное значение измеряют приборами магнитоэлектрической системы в сочетании с диодным выпрямителем мостового типа.
Рис. 6. Термоэлектрический преобразователь
Эффективные значения токов и напряжений измеряют приборами магнитоэлектрической системы с термоэлектрическими преобразователями, представляющими собой сочетание термопары и подогревателя, по которому протекает ток (рис. 6). Подогреватель 1 соединен с рабочим (горячим) спаем термопары. К нерабочим (холодным) спаям подключен магнитоэлектрический прибор. Из-за тепловой инерции подогревателя можно считать, что его температура в установившемся режиме практически не меняется при изменении мгновенной мощности, так что прибор измеряет эффективное значение тока. Термопреобразователь часто помещают в вакуум для уменьшения теплоотдачи и увеличения чувствительности. Частотный диапазон (до 200 МГц) ограничен емкостью прибора относительно земли, собственной индуктивностью и скин-эффектом в подогревателе.
Электронные вольтметры (В2 - постоянного тока, В3 - переменного, В4 - импульсного, В5 - фазочувствительные, В6 - селективные, В7 - универсальные).
С целью повышения чувствительности и расширения диапазона измеряемых значений напряжений разработаны специальные приборы - электронные вольтметры. В соответствии с измеряемым параметром различаются вольтметры амплитудного значения (пиковые), среднего (постоянного напряжения), средневыпрямленного и действующего значений. Электронные вольтметры обладают большим входным сопротивлением, достигающим 10 МОм, имеют широкий частотный диапазон до 1-3 ГГц, способны выдерживать большие нагрузки. Типичные структурные схемы электронных вольтметров приведены на рис. 7. Входное устройство электронных вольтметров состоит из эмиттерного повторителя, чаще всего смонтированного в выносном пробнике для уменьшения влияния проводов на высоких частотах, и аттенюатора, представляющего собой резистивный делитель напряжения.
Рис. 7. Структурные схемы электронных вольтметров:
а) переменного напряжения; б) постоянного напряжения;
в) переменного и постоянного напряжения
Усилители в электронных вольтметрах предназначены для повышения чувствительности при измерении малых напряжений. Для повышения стабильности коэффициента усиления усилителя и уменьшения нелинейных искажений обычно используется многокаскадный усилитель, охваченный отрицательной обратной связью.
Детектор вольтметра предназначен для преобразования измеряемого напряжения в постоянную или пульсирующую форму, измеряемую магнитоэлектрическим прибором. В зависимости от закона преобразования детекторы подразделяются на пиковые (амплитудные), детекторы действующего значения и детекторы средневыпрямленного значения.
Рис. 8. Схема пикового детектора и график напряжений
В пиковом детекторе параметры схемы (рис. 8) подобраны так, что постоянная времени заряда конденсатора τ 3 = R i* С (R i - внутреннее сопротивление диода) намного меньше постоянной цепи разряда τ р = R * С, которая много больше периода колебаний входного напряжения: τ р >>Т. Вследствие этого через несколько периодов колебаний конденсатор зарядится до напряжения U с со средним значением U ср, близким к амплитудному значению U m .
Детектор действующего значения должен иметь квадратичную вольт-амперную характеристику.
Рис. 9. Схема квадратичного детектора с кусочно-гладкой аппроксимацией ВАХ
Квадратичным участком вольт-амперной характеристики обладают почти все активные элементы: лампы, транзисторы, диоды; однако протяженность этого участка небольшая. Для ее увеличения применяют кусочно-гладкую аппроксимацию параболической кривой на К-участках, каждый из которых обеспечивается начальным квадратичным участком данного активного элемента. На рис. 9 показана схема такого детектора. Количество участков аппроксимации соответствует количеству диодных цепочек, в которых на каждый последующий диод подается ступенчато увеличивающееся напряжение обратного смещения (Е см), что вызывает открытие каждого из них при входном U вх >Е см.
Рис. 10. Схема детектора средневыпрямленного значения
Детектор средневыпрямленного значения представляет собой двухполупериодный выпрямитель, собранный обычно по мостовой схеме (рис. 10). Чтобы ток в этом детекторе был пропорционален средневыпрямленному значению измеряемого напряжения, необходимо, чтобы амплитуда входного напряжения, подаваемая на диоды, значительно превышала квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода, т. е. чтобы детектирование было линейным, а не квадратичным. Рассмотрим некоторые специальные типы вольтметров.
Избирательный (селективный) электронный вольтметр предназначен для измерения синусоидального напряжения определенной (избранной) частоты в спектре других частот. Принцип действия такого вольтметра основан на выделении напряжения нужной частоты из спектра других частот, усилении и дальнейшем измерении напряжения выделенной частоты.
Применение цифрового отсчета повышает скорость и точность измерения, позволяет автоматизировать процесс измерения. Основным узлом цифровых приборов является аналого-цифровой преобразователь, преобразующий непрерывную измеряемую величину в цифровой код. Рассмотрим структурную схему цифрового вольтметра с времяимпульсным преобразователем (рис. 11).
Рис. 11. Структурная схема цифрового вольтметра
В начале цикла измерения импульс от управляющего устройства сбрасывает на нуль показания электронного счетчика и запускает схему генератора линейно-изменяющегося напряжения, одновременно открывая электронный ключ. С момента открытия электронного ключа на вход электронного счетчика через электронный ключ поступают счетные импульсы с частотой следования f от генератора счетных импульсов. Линейно-изменяющееся напряжение подается на один из входов сравнивающего устройства, на второй вход которого поступает измеряемое напряжение. Сравнивающее устройство в момент равенства измеряемого и линейно-изменяющегося напряжения выдает импульс, закрывающий электронный ключ. Таким образом, измеряемое напряжение будет пропорционально интервалу времени Dt работы электронного ключа, а следовательно, и количеству счетных импульсов, зарегистрированных электронным счетчиком. При большом числе счетных импульсов (большая их частота) точность измерения напряжения будет высокой.
2.5. Измерение частоты.
Измерение частоты является одной из важнейших задач, решаемых в радиоэлектронике, так как, с одной стороны, частота является одной из основных характеристик сигнала, а с другой - техника измерения частоты является наиболее точной по сравнению с техникой измерений любой другой величины, что и послужило предпосылкой для сведения измерений других физических величин к измерению частоты и временных интервалов. Разработаны несколько методов измерения частоты: мостовой, заряда и разряда конденсаторов, резонансный, гетеродинный, электронно-счетный.
R 3 /R 4 =(R 1 +1/(iω 0 C 1))/(1/ R 2 + iω 0 C 2) -1 или R 3 /R 4 = R 1 /R 2 +С 1 / С 2 +i(R 1 ω 0 C 2 -1/(R 2 ω 0 C)).
Приравнивая действительную и мнимую части, получим
R 1 /R 2 + С 2 / С 1 = R 3 /R 4 и R 1 ω 0 C 2 -1/(R 2 ω 0 C 1)=0.
Из второго равенства определяется частота, при которой наступает равновесие моста:
ω 0 =1/(R 1 R 2 С 2 С 1) 1/2 .
Рис. 12. Схема моста Вина для измерения частоты
Условие равновесия моста R 1 R 2 фиксируется по минимуму показания индикаторного прибора (ИП) при изменении значения сопротивлений R 1 R 2 и емкостей С 1 С 2 . Обычно R 1 =R 2 =R, С 1 =С 2 =С, ω 0 =1/(RС), значения R и С градуируют в значениях частоты, причем R 1 и R 2 изменяются одновременно и имеют плавную регулировку, а С 1 и С 2 являются множителями для шкалы частот при одновременном скачкообразном изменении.
Метод заряда и разряда конденсатора основан на измерении среднего тока заряда или разряда конденсатора, который при неизменном напряжении источника сигнала пропорционален его частоте (рис. 13). Усилитель-ограничитель усиливает слабые и ограничивает сильные сигналы до определенной амплитуды U 0 , одинаковой для всех сигналов. Постоянную времени заряда конденсатора С выбирают много меньшей половины периода входного напряжения, так что конденсатор даже на самых высоких частотах успевает разрядиться.
Рис. 13. Схема периодического заряда и разряда конденсатора
Количество электричества перезаряда равно Q =СU 0 . Таким образом, среднее значение тока i=fQ=cfU 0 , проходящего через диод и магнитоэлектрический прибор, пропорционально частоте. Частотомеры данного типа работают в диапазоне от десятков герц до единиц мегагерц. Переход с предела на предел достигается сменой емкости.
Рис. 14. Резонансный волномер:
а) структурная схема; б) колебательная система с контуром; в) коаксиальный резонатор
Резонансный волномер основан на получении явления резонанса на измеряемой частоте в перестраиваемой колебательной системе. Этот метод применяется на высоких и сверхвысоких частотах, начиная от 50 кГц. На частотах до сотни мегагерц применяются резонансные контуры с сосредоточенными параметрами, а на более высоких частотах - резонаторы или отрезки коаксиального кабеля. Состояние резонанса определяется магнитоэлектрическим прибором по максимуму напряжения. Значение измеряемой частоты считывается со шкалы конденсатора. В коаксиальном резонаторе длина волны определяется по механическому перемещению поршня. Условие резонанса - l=(kλ)/2, где k - целое число. Добротность коаксиального резонатора - 10 3 -10 4 .
Гетеродинный частотометр основан на сравнении измеряемой частоты с известной частотой перестраиваемого калиброванного генератора (гетеродина).
Рис. 15. Структурная схема гетеродинного частотометра
При измерении на смеситель поступает напряжение измеряемой частоты с входного устройства и напряжение от гетеродина переменной частоты. Меняя частоту гетеродина, добиваются появления на выходе нулевых биений, регистрируемых индикатором (телефоны или стрелочный индикатор). Получение на выходе нулевых биений свидетельствует о равенстве измеряемой частоты с частотой гетеродина, которая определяется по шкале. Для градуировки шкалы гетеродина служит кварцевый генератор, напряжение с выхода которого подается на смеситель. Частота гетеродина устанавливается равной частоте кварцевого генератора (или его гармоники) подстройкой с помощью построечных конденсаторов.
Электронно-счетный частотометр.
Обычно схема прибора (рис. 16) строится таким образом, чтобы можно было измерять непосредственно как частоту, так и период колебаний.
Рис. 16. Структурная схема цифрового частотометра
При измерении частоты f x напряжение неизвестной частоты подается на вход 1. Входное устройство представляет собой делитель напряжения и широкополосный усилитель для усиления напряжения до величины, достаточной для работы формирующего устройства. Формирующее устройство преобразует синусоидальное напряжение в прямоугольные импульсы с крутыми фронтами, постоянной амплитуды, с частотой, равной частоте сигнала. Эти импульсы через электронный ключ подаются на электронный счетчик. С другой стороны, на электронный ключ через управляющее устройство поступают импульсы калиброванных интервалов времени длительностью Δt, которые формируются декадными делителями частоты из высокостабильных по частоте колебаний, вырабатываемых кварцевым генератором. Эти импульсы открывают электронный ключ на время Δt, в течение которого на электронный счетчик подаются счетные импульсы измеряемой частоты; последние подсчитываются и на устройстве цифрового отсчета выдаются в виде отсчета f x =n/Δt. При измерении периода колебаний напряжение неизвестной частоты подается на вход 2 и далее на формирующее устройство, вырабатывающее интервалы времени Δt=Т x , в течение которых управляющее устройство открывает электронный ключ. Счетными импульсами в данном случае являются калиброванные во времени прямоугольные импульсы, полученные в формирующем устройстве после предварительного умножения частоты высокостабильного кварцевого генератора. Количество этих импульсов, поступающих за время Δt на электронный счетчик, и будет пропорционально периоду неизвестной частоты Т x =n/f. Точность измерения периода тем выше, чем больше период, т. е. ниже частота сигнала, в то время как точность измеряемой частоты по входу 1 тем выше, чем выше частота сигнала.
2.6. Измерение разности фаз .
Измерение разности фаз между двумя гармоническими напряжениями одной частоты широко применяется в радиоэлектронике при исследовании различных четырехполюсников. Рассмотрим некоторые методы измерения разности фаз. Осциллографические методы наглядно представлены на рис. 17.
Рис. 17. Осциллографические методы измерения разности фаз:
а) развертка обоих сигналов на двухлучевом (двухканальном) осциллографе Δφ=2π Δt/T;
б) использование фигур Лиссажу при одинаковом усилении по X и Y (одноканальный осциллограф с усилителем по X), sinφ=h/H, tg(φ/2)=b/a,
где a и b – большая и малая полуоси эллипса
Метод сравнения (компенсации) состоит в сравнении измеряемого фазового сдвига на выходе исследуемого четырехполюсника с фазовым сдвигом калиброванного фазовращателя, питаемых от одного источника гармонических колебаний (pис.18).
Рис. 18. Структурная схема измерителя фазового сдвига по методу компенсаций
Напряжение, прошедшее исследуемый четырехполюсник, и такое же напряжение, прошедшее калиброванный фазовращатель и регулятор амплитуды, подаются на компенсационный узел, представляющий собой обычный дифференциальный трансформатор. При равенстве входных напряжений по фазе и амплитуде напряжение на выходе компенсационного узла равно нулю, о чем свидетельствуют нулевые показания индикатора напряжения. Сдвиг фазы определяется по шкале фазовращателя, затухание сигнала в четырехполюснике определяется по шкале регулятора амплитуды.
Цифровой метод (метод дискретного счета) основан на измерении количества счетных импульсов калиброванной частоты за время Δt=T Δφ/2π, пропорциональное фазовому сдвигу.
Рис. 19. Структурная схема цифрового фазометра
Формирователи преобразуют гармонические колебания, между которыми нужно измерить сдвиг фаз, в остроконечные однополярные импульсы, передний фронт которых соответствует моментам перехода гармонических колебаний через нуль. Управляющее устройство открывает электронный ключ на время сдвига Δt между импульсами с различных входов, и счетчик подсчитывает количество прошедших за это время импульсов.
Отметим, что при измерении разности фаз на высоких и сверхвысоких частотах предварительно производится понижение частоты с помощью гетеродинного преобразователя, имеющего два одинаковых смесителя и один общий гетеродин (рис. 20). Затем в области низких частот производится измерение разности фаз одним из рассмотренных выше способов.
Рис. 20. Схема преобразования частоты
Сдвиг фазы напряжений на выходе смесителя такой же, как и входных напряжений:
U 1 = U 1 sin[(ω-ω r)t+φ 1 -φ r ]; U 2 = U 2 sin[(ω-ω r)t+φ 2 -φ r ].
2.7. Спектроанализаторы .
Спектроанализаторы предназначены для визуального наблюдения спектра сигнала. Наиболее часто применяют спектроанализаторы последовательного анализа с двумя структурными схемами: схемой с перестраиваемым фильтром и супергетеродинной схемой.
В спектроанализаторе с перестраиваемым фильтром спектр исследуемого сигнала просматривают путем автоматической перестройки фильтра, выделения составляющих спектра, детектирования, усиления и наблюдения на кране ЭЛТ (рис. 21).
Рис. 21. Спектроанализатор с перестраиваемым фильтром
Перестройка фильтра осуществляется изменяющимся напряжением развертки, вследствие чего изображение спектра на экране получается неподвижным. Недостатком схемы является ее узкодиапазонность.
Супергетеродинная схема (рис. 22) обеспечивает электрическую перестройку в широком диапазоне частот. Принцип действия ее сводится к линейному последовательному переносу спектра исследуемого сигнала в область промежуточной частоты и перемещению его относительно средней частоты настройки фильтра. При этом фильтр неизменно настроен на промежуточную частоту, а последовательное перемещение спектра сигнала получается благодаря изменению частоты гетеродина, представляющего собой генератор качающейся частоты (ГКЧ), управляемый напряжением генератора развертки. За период качания ГКЧ на экране ЭЛТ наблюдается спектр исследуемого сигнала в виде светящихся линий, каждая из которых пропорциональна средней мощности для данной гармоники спектра исследуемого сигнала.
Рис. 22. Схема спектроанализатора супергетеродинного типа
2.8. Измерители амплитудно-частотных характеристик (характериографы).
Применение характериографов позволяет заменить довольно длительный и трудоемкий процесс снятия по точкам амплитудно-частотных характеристик с помощью измерительного генератора и вольтметра непосредственным наблюдением амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) на экране электронно-лучевой трубки. Особенно очевидно преимущество характериографов при использовании их для настройки четырехполюсников, так как влияние изменения тех или иных параметров в процессе настройки сразу же видно на экране характериографа по изменению формы амплитудно-частотной характеристики.
Рис. 23. Схема измерителя амплитудно-частотных характеристик
Качание частоты автогенератора обычно осуществляется с помощью варикапа или магнитного модулятора. Так как прибором перекрывается широкий диапазон частот, то некоторые узлы в измерителе выполнены по принципу преобразования частоты - на смеситель подается два сигнала: один от диапазонного генератора, другой - от частотно-модулированного генератора (ГКЧ). На выходе смесителя фильтры низких частот выделяют разностную частоту с таким же качанием, как и в ГКЧ. С переключателя частотно-модулированный сигнал поступает на широкополосный усилитель с системой автоматической регулировки усиления (АРУ), где усиливается до напряжения 1 В, и далее через аттенюатор подается на исследуемый четырехполюсник. С выхода четырехполюсника сигнал поступает на детекторную головку, а после детектирования - на усилитель вертикального отклонения ЭЛТ. Так как развертка трубки по горизонтали осуществляется синхронно с модуляцией (качанием) частоты автогенератора, то на экране воспроизводится АЧХ исследуемого четырехполюсника.
Для калибровки частоты в схеме могут формироваться частотные метки, которые образуются в блоке меток в результате нулевых биений между ГКЧ и гармониками калиброванных частот: 0,1; 0,5; 1; 5 МГц.
2.9. Измерение параметров элементов радиотехнических цепей (R, L, С, tgδ=1/Q)
Метод вольтметра-амперметра не требует специальных приборов (рис. 24).
Рис. 24. Схема измерения комплексного сопротивления методом вольтметра-амперметра
При питании схемы от источника переменного тока с частотой f можно определить модуль полного сопротивления:
,
где R U - внутреннее сопротивление вольтметра. Активную часть сопротивления определяют измерением на постоянном напряжении. После этого можно рассчитать реактивную часть сопротивления. Обычно используют электронный вольтметр и термоэлектрический амперметр. При включении в качестве конденсатора или катушки индуктивности, зная частоту f питающего генератора, можно определить L и C: 1) X c =1/(ωC)=U/I и C=I/wU, 2) X L =ωL=U/I и L=U/wI.
Мостовые методы применяются в диапазоне низких радиочастот и позволяют достичь наибольшей точности измерения полных сопротивлений. Индикатор равновесного состояния должен иметь большое сопротивление, чтобы исключить влияние его на работу моста. Таким индикатором может быть электронный осциллограф или вольтметр. Равновесие моста наступает при условии
Z 1 Z 3 e i(φ1+φ3) = Z 2 Z 4 e i(φ2+φ4) ,
отсюда Z 1 Z 3 = Z 2 Z 4 ; φ1+φ3= φ2+φ4. Если принять за измеряемое сопротивление , а за образцовое - , то в мосте переменного тока для достижения равновесия должны быть две регулировки: модуля образцового сопротивления Z 2 и его аргумента φ 2 . Следует учитывать, что эти параметры при регулировке взаимосвязаны. Отсюда следует, что балансировку моста необходимо вести методом последовательного приближения, одновременно регулируя активную и реактивную составляющие.
Рис. 25. Схема моста переменного тока
Резонансным методом можно измерять индуктивности, емкости, сопротивления потерь в них, а также активную и реактивную составляющие комплексного сопротивления любого двухполюсника. Так как почти во всех случаях при определении названных параметров приходится измерять добротность эквивалентного контура, то такие приборы получили название измерителей добротности или куметров.
Рис. 26. Принципиальная схема куметра
В измерительный последовательный колебательный контур, состоящий из образцовой (L 0 R 0) или измеряемой (L x R x) катушки индуктивности и образцового прокалиброванного конденсатора переменной емкости С 0 , вводится определенное калиброванное напряжение U 1 от генератора, имеющего широкий диапазон частот. Сопротивление R 1 весьма малой величины ставится для уменьшения сопротивления источника, чтобы не ухудшать параметры контура. При подключении измеряемой катушки индуктивности L x R x куметр позволяет непосредственно измерить добротность контура L x R x С 0: Q=U c /U 1 . Вследствие этого вольтметр, измеряющий U c , обычно прокалиброван в значении добротности. Учитывая, что образцовый конденсатор и сопротивление R 1 имеют очень малые потери, найденная добротность контура будет равна добротности катушки. При резонансе в контуре, отмечаемом по максимуму, показания вольт-метра U c , можно записать как
Q=U c /U 1 =ω 0 L x /R x =1/(ω 0 C 0 R x).
Отсюда, зная С 0 , Q и регистрируя резонансную частоту ω 0 , можно определить L x и R x . При измерении неизвестной емкости С х в контур включается образцовая индуктивность L о R o и далее по резонансной частоте и значению добротности определяется емкость С х =1/(ω 0 QR 0).
С помощью куметра можно также измерять активную и реактивную части комплексного сопротивления любого двухполюсника. При его индуктивном характере двухполюсник подключается вместо L x R x , при емкостном характере - вместо С х.
Гетеродинный метод основан на зависимости частоты колебаний автогенератора от индуктивности и емкости его колебательного контура и сравнении частоты данного генератора с частотой перестраиваемого с помощью образцового конденсатора С 0 генератора по нулевым биениям, что позволяет получить высокую точность.
Рис. 27. Схема гетеродинного метода измерения емкости и индуктивности
До подключения измеряемой индуктивности или емкости оба генератора с помощью образцового конденсатора С 0 настраиваются на одну частоту, что фиксируется по нулевым биениям. При подключении С х частота генератора 2 изменяется и тогда конденсатор С 0 подстраивается, чтобы частоты совпали. При одинаковых индуктивностях в контурах измеряемая емкость будет равна изменению емкости образцового конденсатора. Погрешность 0.2-0.5%.
Метод дискретного счета (цифровой) основан на подсчете калиброванных по частоте импульсов в течение определенного интервала времени. В зависимости от того, как формируется этот интервал, применяют две разновидности схем: 1) схема, в которой используется апериодический разряд конденсатора на резистор с использованием временного интервала, равного постоянной времени разряда; 2) схема, в которой используется процесс затухания колебаний в колебательном контуре. В первой схеме, в зависимости от того, что выбрано эталонным (R 0 или С 0), можно измерять С х и R x . Перед началом измерений конденсатор С x заряжается до напряжения Е (переключатель в положении 1). Затем переключатель переводится в положение 2 и начинается разряд конденсатора С x на резистор R 0 по экспоненциальному закону U c =E e - t / τ . В момент переброса переключателя в положение 2 на цифровой измеритель временных интервалов поступает импульс, открывающий счет времени. С делителя R 1 R 2 на второй вход сравнивающего устройства подается напряжение E . 2 /(R 1 +R 2) = E/2.72. Момент, когда напряжение на конденсаторе в процессе его разряда достигнет значения Е/2,72, наступает при t = τ = С x R 0 . В это время сравнивающее устройство выдает второй импульс, прекращающий счет времени. Погрешность измерения ±0,1 %.
По второй схеме строятся цифровые куметры (рис. 29).
Рис. 28. Схема измерения С x R х по постоянной времени τ = С x R х
Принцип действия основан на следующем: отношение двух амплитуд затухающего колебания, разделенных временным интервалом, равным одному периоду, равно Δ = U 1 /U 2 =e δT , где δ=R x /(2L x) – декремент затухания, Т - период колебаний. Отсюда Т=lnΔ/ δ, так что добротность контура равна
Q=(2π L x)/(TR x)= (2L x /R x)(π δ/ lnΔ)=π/ lnΔ.
Отсюда lnΔ≈π/Q и D≈exp(π/Q). Отношение амплитуд затухающих колебаний первой и n-й равно Δ n =U 1 /U n =e n / Q . При n=Q имеем D n = e π =23,14, откуда U n = Q =0.0432.
Рис. 29. Структурная схема цифрового куметра
От генератора импульсов с большой скважностью заряжается конденсатор контура С 0 до амплитуды U 1 , после чего начинается затухающий колебательный процесс в контуре, образованном С 0 , L х и R x . Одновременно пороговое устройство 1 открывает временной селектор и счетчик импульсов считает количество периодов импульсных колебаний, сформированных в формирующем устройстве из затухающих колебаний в контуре. Когда амплитуда затухающих колебаний достигнет значения 0,0432 U 1 , при котором n=Q, пороговое устройство 2 закрывает селектор и счет импульсов прекращается. Показания счетчика через некоторое время, определяемое линией задержки, сбрасываются. Погрешность измерения 0,1-0,2% и зависит только от точности срабатывания пороговых устройств.
Cтраница 1
Радиотехнические измерения используют также весьма широко в различных отраслях народного хозяйства. Неэлектрические величины, такие как давление, влажность, температура, линейные удлинения, механические вибрации, число оборотов и другие, можно с помощью специальных датчиков преобразовать в электрические и оценивать их, применяя методы и приборы электрических и радиотехнических измерений.
Радиотехнические измерения охватывают область электрических измерений и, кроме того, включают все виды специальных радиоизмерений.
Радиотехнические измерения используют и для оценки неэлектрических величин. Такие величины как давление, температура, влажность, механические вибрации, линейные удлинения при нагревании и др. можно преобразовать с помощью специальных датчиков в электрические и оценивать их, используя приборы и методы электрических и радиотехнических измерений. Целью же измерений является получение численного значения измеряемой величины.
Предмет радиотехнических измерений, в соответствии с программой, включает следующие разделы: основное метрологические понятия; краткие сведения о погрешностях измерений, способах их учета и уменьшения влияния на результаты измерения; измерение тока, напряжения и мощности в широком диапазоне частот; изучение генераторов измерительных сигналов; электронные осциллографы; измерение фазового сдвига, частоты и интервалов времени; измерение параметров модуляции, нелинейных искажений; измерения в радиотехнических цепях с сосредоточенными и распределенными параметрами; измерения напряженности электромагнитного поля и радиопомех.
Особенности радиотехнических измерений напряжений и токов.
В радиотехнических измерениях часто встречаются систематические погрешности, изменяющиеся во времени. Так, высокочувствительным приборам свойственна систематическая погрешность, вызванная регулярными помехами в виде импульсного или квазигармонического сигнала, наводимого на входные цепи прибора. Для уменьшения уровня наводок принимают конструктивные меры: экранируют входные цепи, рационально выбирают точку заземления. Общий метод уменьшения влияния периодических наводок заключается в усреднении результатов измерения на некотором интервале времени. Усреднение достигается двумя способами, часто используемыми совместно: предварительной фильтрацией входного сигнала и проведением многократных измерений с последующим вычислением среднеарифметического.
При радиотехнических измерениях в диапазонах звуковых, низких и очень низких частот, главным образом, применяют С-генераторы, которые на этих частотах обладают существенными преимуществами по сравнению с LC-гене-раторами. Это объясняется тем, что элементы колебательных контуров LC-генераторов для звуковых частот слишком громоздки (прежде всего катушки индуктивности), а их параметры при изменении температуры нестабильны, что определяет низкую стабильность частоты генерируемых сигналов. Кроме того, частоту LC-генераторов в звуковом диапазоне перестраивать сложно.
В обычных радиотехнических измерениях, производимых в лабораторных условиях, полагают Тт - 292 К (примерно комнатная температура 19 С), а отношение Тш вх / 292 называют шумовым числом.
При электротехнических и радиотехнических измерениях принято на приборах указывать знак незаземленного провода по отношению к земле; таким образом, здесь применяют противоположное правило знаков.
Внедрение техники радиотехнических измерений совпало с началом развития систем радиосвязи и радиоэлектроники.
Широкое использование радиотехнических измерений в различных областях радиотехники влечет за собой появление новых методов измерений и специальных измерительных приборов. Наиболее специфичными являются измерения на сверхвысоких частотах, что объясняется конструктивными особенностями колебательных систем и линий передачи энергии этого диапазона.
Степень точности радиотехнических измерений, так же как и электрических, определяется погрешностью, или ошибкой измерения.
Излагаются основы радиотехнических измерений. Рассматриваются принципы и методы измерений радиотехнических величин, характеризующих параметры сигналов, систем и устройств радиосвязи и радиовещания во всем применяемом диапазоне частот. Приводятся сведения о построении структурных схем измерительных приборов, погрешностях и способах их учета и уменьшения влияния. Особое внимание уделено приборам цифровым и выполненным на микросхемах. Приведены краткие справочные данные о многих измерительных приборах.
В книге рассмотрены основные методы измерений электрических и радиотехнических величин на постоянном токе и переменном в широком диапазоне частот. Описаны измерительные схемы, их принципы построения и приведены технические характеристики наиболее широко распространенных измерительных приборов. Даны примеры расчетов, облегчающие усвоение материала. Учебник может быть использован при профессиональном обучении рабочих на производстве.
Основные определения. Особенности и методы измерений.
Общее в качественном отношении свойство многих физических объектов (физических систем, их состояний, происходящих в них процессов) называют физической величиной. В электро- и радиотехнике физическими величинами являются электрическое напряжение, сила тока, мощность, энергия, а также электрическое сопротивление, электрическая емкость, индуктивность, частота.
Физическая величина может иметь различные значения. Определенное значение принимают в качестве единицы измерения физической величины. Как правило, таким значением является единица
Измерение данной физической величины - это определение ее значения опытным путем. Количественный результат, т.е. результат измерений, получают, сравнивая найденное значение физической величины с единицей ее измерения.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава первая. Общие сведения об измерениях
§1. Основные определения. Особенности и методы измерений
§2. Физические величины и их единицы измерения
§3. Погрешности измерений
§4. Классификация и система обозначений измерительных приборов
Глава вторая. Электромеханические измерительные приборы
§5. Общие сведения
§6. Приборы магнитоэлектрической системы
§7. Приборы электромагнитной системы
§8. Приборы электро-, ферродинамической и индукционной систем
§9. Приборы электростатической системы
Глава третья. Измерение постоянного тока и напряжения
§10. Измерение постоянного тока магнитоэлектрическим прибором
§11. Измерение постоянного тока электронным микроамперметром
§12. Измерение постоянного напряжения магнитоэлектрическим прибором
§13. Измерение постоянного напряжения электронными приборами
Глава четвертая. Измерение переменного тока и напряжении
§14. Общие сведения
§15. Приборы термоэлектрической системы
§16. Приборы выпрямительной системы
§17. Амперметры и вольтметры выпрямительной системы
§18. Комбинированные приборы
§19. Электронные вольтметры
§20. Цифровые вольтметры
Глава пятая. Измерение параметров элементов электрических н радиотехнических цепей
§21. Общие сведения
§22. Прямопоказывающие омметры
§23. Метод вольтметра - амперметра
§24. Мостовой метод
§25. Резонансный метод
Глава шестая. Измерение параметров диодов, транзисторов и электронных ламп
§26. Измерение параметров диодов
§27. Измерение параметров биполярных транзисторов
§28. Измерение параметров полевых транзисторов
§29. Испытание электронных ламп
Глава седьмая. Измерительные генераторы
§30. Общие сведения
§31. Генераторы сигналов низких частот
§32. Генераторы сигналов высокой частоты
§33. Генераторы сигналов сверхвысокой частоты
§34. Генераторы импульсных сигналов
Глава восьмая. Электронные осциллографы
§35. Общие сведения
§36. Электронно-лучевая трубка
§37. Осциллографические развертки
§38. Генераторы линейно нарастающего напряжения
§39. Каналы управления
§40. Измерение напряжений и временных интервалов
Глава девятая. Измерение частоты
§41. Общие сведения
§42. Осциллографический метод сравнения частот
§43. Сравнение частот по нулевым биениям
§44. Резонансный метод измерений частоты
§45. Прямопоказывающие аналоговые частотомеры
§46. Прямопоказывающие электронно-счетные частотомеры
Глава десятая. Измерение параметров модулированных колебаний и спектра
§47. Измерение параметров модулированных колебаний
§48. Исследование спектра
§49. Измерение нелинейных искажений
Глава одиннадцатая. Измерении в цепях с распределенными постоянными
§50. Измерительные линии
§51. Измерение мощности
Литература.
Основные параметры средств измерений
Любой измерительный прибор должен иметь определенные параметры, которые обеспечивали бы получение более точных результатов измерения. К наиболее общим параметрам измерительных приборов относятся:
Чувствительность - отношение изменения сигнала на выходе прибора к вызвавшему его изменению измеряемой величины.
Порог чувствительности - минимальное значение измеряемой величины на входе прибора, при котором еще можно произвести ее отсчет.
Амплитудный диапазон - минимальное и максимальное значения измеряемой величины, измеряемые с заданной точностью.
Входное сопротивление - сопротивление между зажимами прибора, к которым подключается объект измерений. Этот параметр имеет важное значение для вольтметров, осциллографов и других приборов, которые при измерении создают дополнительную нагрузку для исследуемой цепи. Для генераторов этот параметр называется выходным сопротивлением.
Точность измерения - параметр, отражающий близость результата измерения к действительному значению измеряемой величины.
Быстродействие - время установления показаний прибора.
Вид уравнения шкалы - наиболее удобна шкала с линейной зависимостью,
Измерение какой-либо физической величины заключается в определении ее значения с помощью специальных технических средств путем сравнения с некоторым значением этой величины, принятым за единицу.
Все средства, используемые непосредственно при измерении, называют измерительной аппаратурой и делят по характеру участия в процессе измерения на три группы: меры, измерительные приборы и измерительные приспособления. Меры и измерительные приборы подразделяются на образцовые и рабочие.
Образцовые меры и измерительные приборы служат для воспроизведения и градуировки различных мер и измерительных приборов. Те образцовые меры и измерительные приборы, которые предназначены для осуществления и хранения единиц измерения величин с наивысшей достижимой при данном состоянии техники точностью, называют эталонами.
Рабочие меры и измерительные приборы служат для практических целей измерения и делятся на лабораторные и технические. Лабораторные меры и измерительные приборы стоят выше технических, так как при их применении производится учет точности измерения с помощью поправочных таблиц или формул.
В своей практической деятельности радиомеханик использует электрические и радиотехнические измерения для проверки, регулировки, настройки и ремонта бытовой радиотелевизионной аппаратуры. При отыскании простых неисправностей часто ограничиваются измерениями напряжений, токов и сопротивлений. Для нахождения сложных неисправностей, а также настройки и регулировки радиотелевизионной аппаратуры применяют более сложные измерения.
Метрологическая надежность - параметр, зависящий от неявных отказов прибора, связанных с уходом параметров за пределы допуска в течение времени.
В нашей стране с 1 января 1982 г. введен в действие ГОСТ 8.417-81 ГСИ. Единицы физических величин, которым предусмотрен переход на обязательное применение единиц Международной системы (СИ), представляющей собой основу для унификации единиц физических величин во всем мире. Основные единицы этой системы следующие: длина (метр), масса (килограмм), время (секунда), сила электрического тока (ампер), термодинамическая температура (кельвин), количество вещества (моль) и сила света (кандела).
Наряду с основными единицами СИ применяются производные от них, а также десятичные кратные (больше в 10, 100, ... раз) и дольные (меньше в 10, 100, ... раз) единицы. Приведем наименования некоторых основных и производных единиц: электрический ток - ампер (А), электрическое напряжение - вольт (В), электрическая мощность - ватт (Вт), электрическое сопротивление- ом (Ом), электрическая проводимость - сименс (См), электрическая емкость - фарад (Ф), индуктивность - генри (Гн), частота - герц (Гц), время - секунда (с).
Наименования и обозначения десятичных кратных и дольных единиц образуются путем добавления следующих приставок:
Атто (а) 10 -18 , фемто (ф) 10 -15 , пико (п) 10 -12 , нано (н) 10 -9 , микро (мк) 10 -6 , милли (м) 10 -3 , санти (с) 10 -2 , деци (д) 10 -1 , дека (да) 10, гекто (г) 10 2 , кило (к) 10 3 , мега (М) 10 6 , гига (Г) 10 9 , тера (Т) 10 12 .
Целью измерения являются получение числового значения измеряемой величины и оценка допущенной погрешности. Погрешность; неизбежна даже при самых тщательных измерениях. Поэтому истинное значение измеряемой величины получить невозможно.
Чтобы определить погрешности измерений, вместо истинного применяют действительное А Д значение измеряемой величины, которое определяется образцовым прибором или как среднее арифметическое А ср результатов большого числа п измерений:
Абсолютной погрешностью измерения ΔА называется разность между результатом измерения А и действительным значением из меряемой величины А Д: АΔ = А - А Д.
Абсолютная погрешность с обратным знаком, называемая поправкой, используется при работе с лабораторными приборами.
Применение абсолютной погрешности для оценки точности измерения неудобно, поскольку она неодинакова на разных пределах измерений. Поэтому абсолютную погрешность сравнивают с одним из полученных значений измеряемой величины, т. е. определяют относительную погрешность.
Различают действительную относительную погрешность Y Д %, которая определяется как отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины:
Y Д = (ΔА/А Д) 100, и приведенную относительную погрешность Y Д %, которая определяется как отношение абсолютной погрешности к максимально возможному значению измеряемой величины А пр т. е. к верхнему пределу измерений:
Y пр = (ΔА/А пр) ∙ 100
Если используются многопредельные приборы, то необходимо выбирать такой предел измерений, при котором отклонения указателя индикатора располагаются ближе к концу шкалы. При этом действительная погрешность близка к приведенной. При установке указателя в начале шкалы резко возрастает действительная погрешность при неизменной приведенной.
Точность измерительных приборов оценивается по наибольшему значению допустимой погрешности, которая указывается на шкале и в паспорте прибора в виде абсолютной, действительной или приведенной погрешностей. Для электроизмерительных приборов наибольшая приведенная погрешность определяет класс их точности. Установлено девять классов точности: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.
Радиоизмерительные приборы не имеют класса точности, поскольку в некоторых из них отсутствует стрелочный индикатор, а там, где он есть, на его показания влияет электронная схема, с которой он используется. Для оценки точности радиоизмерительных приборов применяются абсолютная и относительная погрешности.
Абсолютная погрешность прибора указывается в виде одного значения (например, ±1 Гц - уход частоты генератора при колебаниях сети) или в виде суммы, двух значений, из которых одно зависит, а другое не зависит от измеряемой величины (например, 0,1 F +4 , Гц,- погрешность установки частоты следования импульсов генератора).
Относительная погрешность прибора указывается в процентах одним значением (например, ±6%,- погрешность вольтметра при измерении переменного напряжения) или в виде суммы двух значений, из которых первое определяет погрешность при больших измеряемых величинах, а второе при малых (например, 1 + 6R,%,- погрешность универсального моста при измерении сопротивлений).
В зависимости от условий измерения абсолютная и относительная погрешности могут быть основными и дополнительными. Основная - это погрешность прибора, который работает при нормальных условиях (температуре, влажности, давлении). Основная погрешность зависит от конструктивных особенностей прибора, качества его изготовления, точности градуировки шкалы и пр. Дополнительная - это погрешность прибора, работающего в условиях, отличных от нормальных. Значение дополнительной погрешности указывают в виде слагаемого к основной погрешности или поправочного множителя к результату измерений.
В зависимости от причин возникновения погрешности разделяют на систематические и случайные. Первые обусловлены неточностью градуировки шкал приборов, их неисправностью, влиянием механических, тепловых или иных факторов. Эти погрешности повторяются при последующих измерениях, их можно обнаружить и исключить при обработке результатов измерения. Случайные погрешности возникают по многим причинам, учесть которые невозможно (например, нерегулярные колебания напряжения источников питания, случайные изменения внешних условий и т. д.).
При неоднократных измерениях случайные погрешности получаются различными как по значению, так и по знаку. Для уменьшения влияния случайных погрешностей на результат измерения необходимо повторить измерения п раз, рассчитать среднее арифметическое результатов измерения А ср и принять его как действительное значение. Для оценки влияния случайной погрешности используют среднюю квадратическую погрешность о, которую рассчитывают по формуле
Чем меньше средняя квадрэтическая погрешность, тем точнее измерение и меньше влияние случайной погрешности на результат измерения.
