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 τ₃= 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.

Цифровые вольтметры.

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.

Мостовые методы измерения частоты применяются только на низких частотах (до 50 кГц), так как на высоких частотах трудно сбалансировать мост из-за влияния паразитных индуктивностей и емкостей соединительных проводов и монтажа. Суть метода основана на том, что баланс моста зависит от частоты подведенного напряжения. Таким образом, балансируя мост для каждой новой частоты, можно проградуировать изменяемый для баланса параметр в значениях частоты. Рассмотрим условие равновесия моста в схеме моста переменного тока Вина (рис. 12):

R₃/R₄=(R₁+1/(iω₀C₁))/(1/ R₂+ iω₀C₂)^-1 или R₃/R₄= R₁/R₂+С₁/ С₂+i(R₁ω₀C₂-1/(R₂ω₀C)).

Приравнивая действительную и мнимую части, получим

R₁/R₂+ С₂/ С₁= R₃/R₄  и R₁ω₀C₂-1/(R₂ω₀C₁)=0.

Из второго равенства определяется частота, при которой наступает равновесие моста:

ω₀=1/(R₁R₂С₂С₁)^1/2.

 

Рис. 12. Схема моста Вина для измерения частоты

 

Условие равновесия моста R₁R₂ фиксируется по минимуму показания индикаторного прибора (ИП) при изменении значения сопротивлений R₁R₂ и емкостей С₁С₂. Обычно R₁=R₂=R, С₁=С₂=С, ω₀=1/(RС), значения R и С градуируют в значениях частоты, причем R₁ и R₂ изменяются одновременно и имеют плавную регулировку, а С₁ и С₂ 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 U₀, 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 =СU₀. Таким образом, среднее значение тока i=fQ=cfU₀, 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 — 10³—10⁴.

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:

U₁= U₁sin[(ω-ω_r)t+φ₁-φ_r]; U₂= U₂ sin[(ω-ω_r)t+φ₂-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