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

,    Z₁ Z₃e^i(φ1+φ3)= Z₂ Z₄e ^i(φ2+φ4),

отсюда  Z₁ Z₃= Z₂ Z₄; 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 Z₂ и его аргумента φ₂. 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 (L₀R₀) или измеряемой (L_xR_x) катушки индуктивности и образцового прокалиброванного конденсатора переменной емкости С₀, вводится определенное калиброванное напряжение U₁ от генератора, имеющего широкий диапазон частот. Сопротивление R₁ весьма малой величины ставится для уменьшения сопротивления источника, чтобы не ухудшать параметры контура. При подключении измеряемой катушки индуктивности L_xR_x куметр позволяет непосредственно измерить добротность контура L_xR_xС₀: Q=U_c/U₁. Вследствие этого вольтметр, измеряющий U_c, обычно прокалиброван в значении добротности. Учитывая, что образцовый конденсатор и сопротивление R₁ 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/U₁=ω₀L_x/R_x=1/(ω₀C₀R_x).

Отсюда, зная С₀, Q и регистрируя резонансную частоту ω₀, можно определить L_x и R_x. При измерении неизвестной емкости С_х в контур включается образцовая индуктивность L_оR_o и далее по резонансной частоте и значению добротности определяется емкость С_х=1/(ω₀QR₀).

С помощью куметра можно также измерять активную и реактивную части комплексного сопротивления любого двухполюсника. При его индуктивном характере двухполюсник подключается вместо L_xR_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 С₀ 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 С₀ настраиваются на одну частоту, что фиксируется по нулевым биениям. При подключении С_х частота генератора 2 изменяется и тогда конденсатор С₀ 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 (R₀ или С₀), 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 R₀ 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 R₁R₂ на второй вход сравнивающего устройства подается напряжение E^.₂/(R₁+R₂) = E/2.72. Момент, когда напряжение на конденсаторе в процессе его разряда достигнет значения Е/2,72, наступает при t = τ = С_x R₀. 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 = U₁/U₂=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 Δⁿ=U₁/U_n=e^n/Q. При n=Q имеем Dⁿ= 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 С₀ до амплитуды U₁, после чего начинается затухающий колебательный процесс в контуре, образованном С₀, 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 U₁, 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.

Экспериментальная часть

Экспериментальная установка

В установку входят следующие радиоизмерительные приборы.

1. Звуковой генератор.

2. Генератор стандартных сигналов.

3. Генератор импульсов.

4. Вольтметр переменного тока.

5. Импульсный вольтметр.

6. Низкочастотный и высокочастотный частотомеры.

7. Осциллограф.

3.2. Порядок выполнения работы

До выполнения работы необходимо по данному методическому пособию изучить устройство и принцип действия радиоизмерительных приборов. При выполнении работы перед включением каждого прибора изучить техническое описание прибора и правила его эксплуатации.

3.3. Методические указания

1. Приступать к измерениям можно лишь после подготовки приборов к работе, т. е. прогрева, балансировки, установки нуля и калибровки согласно техническим описаниям к приборам, так как в противном случае результаты измерений будут неверными.

2. Подключение приборов производится коаксиальными экранированными кабелями, у которых экран (внешняя оболочка) заземляется, а центральный проводник используется как «потенциальный». «Земляной» конец при разделке кабеля обычно делают более длинным, окрашивают в темный цвет или помечают значком ‘┴’ или 3. При подключении приборов друг к другу следует «земляную» клемму одного прибора соединять с такой же другого, а «потенциальную» — с «потенциальной», ибо в противном случая произойдет короткое замыкание сигнала через общий провод заземления.

3. При подключении к генератору необходимо учитывать соответствие сопротивления нагрузки выходному сопротивлению генератора (5 Ом, 50 Ом, 600 Ом). При сопротивлении нагрузки, существенно большем выходного сопротивления генератора (например, при подключении осциллографа, вольтметра, частотомера), необходимо включить внутреннюю нагрузку генератора.

4. Обратить внимание, в каких величинах показывает измеритель выходного напряжения (амплитудное, действующее, среднее) и в каких значениях его измеряют осциллограф и вольтметр. Для сопоставления результатов лучше все измерения перевести в одно значение (например, для синусоиды действующее U_g=U_m /1.41).

5. При измерениях обратить внимание на возможные значения параметров сигнала для каждого измерительного прибора. При этом необходимо учитывать не только измеряемый параметр (напряжение для вольтметра и частоту для частотомера, напряжение и частоту для осциллографа), но и сопутствующий параметр (диапазон возможных частот сигналов при измерении напряжения вольтметром и минимальное напряжение сигнала при измерении частоты частотомером). В случае, если у какого-либо прибора не хватает чувствительности или частотного диапазона, необходимо в таблице сделать соответствующую запись.

6. Для получения устойчивой осциллограммы синусоидальных сигналов необходимо развертку осциллографа переключить в режим «ждущей» от внутреннего источника самого сигнала. Частота сигнала определяется по измеренному периоду f=1/T. При измерении частоты и амплитуды несущей во втором задании можно выключить модуляцию (М=0). Для определения глубины амплитудной модуляции (M≠0) по осциллограмме можно пользоваться формулой М =(A- a)/(A+ a), где А — наибольший размах осциллограммы на оси «Y», a — наименьший. Частота модуляции также определяется по периоду модуляции, при этом развертку осциллографа нужно установить такую, чтобы на экране полностью помещался один или несколько периодов модуляции (несущая при этом размывается на осциллограмме в сплошной светлый фон).

7. При выполнении третьего задания осциллограф должен быть включен в режиме ждущей развертки с внешней синхронизацией. На вход внешней синхронизации осциллографа подается сигнал с выхода импульсов синхронизации генератора импульсов, а на вход «Y» осциллографа — сигнал с основного выхода генератора.

4. Лабораторные задания

4.1. Задать на выходе звукового генератора по заданию преподавателя сигнал, получить на осциллографе его осциллограмму, измерить по ней амплитуду и частоту. С помощью электронного вольтметра измерить напряжение сигнала, а частотомером — частоту.

По техническим описаниям приборов определить в каждом конкретном измерении максимальную величину абсолютной погрешности каждого измеренного и выставленного на генераторе значения. Сделать вывод, какой прибор измеряет или выдает сигнал по данному параметру более точно.

4.2. Получить на генераторе стандартных сигналов сигнал с заданными преподавателем амплитудой, частотой и глубиной модуляции. Получить на осциллографе осциллограммы сигнала на разных развертках, чтобы были видны несущая и модулирующая частоты. Измерить амплитуду и частоту несущей, глубину модуляции и ее частоту. С помощью электронного вольтметра измерить напряжение сигнала, а высокочастотным частотомером — частоту несущей.

4.3. Получить на генераторе импульсов заданный преподавателем сигнал. Получить на осциллографе осциллограмму сигнала, измерить по ней амплитуду и длительность импульса, частоту повторения, а также задержку основного импульса относительно импульса синхронизации. Электронным вольтметром измерить пиковое значение (амплитуду) импульсов. Электронным частотомером измерить частоту сигнала.

4.4 Построить фигуру Лиссажу. Подать на вход CH1 сигнал с генератора синусоидальных сигналов Г! с частотой 100 kHz, на вход CH2 подать сигнал с генератора Г2 с частотой 100 kHz.Зафиксировать форму фигуры. Изменить частоту генератора Г2 до 200, 300 kHz. Зафиксировать форму фигуры Лиссажу.

 

Содержание отчёта

Отчёт должен содержать зарисованные осциллограммы и измеренные параметры сигналов по трём заданиям.

6. Контрольные вопросы

1. Для чего служит звуковой генератор, и что он вырабатывает?

2. Что такое аттенюатор, и каково его устройство и назначение?

3. Для чего в звуковом генераторе ставится внутренняя нагрузка? В каких случаях она включается, а в каких нет?

4. Приведите блок-схему звукового генератора и объясните назначение каждого блока.

5. Для чего применяется ГСС? Примерные диапазоны частоты и напряжения у широко распространенных ГСС. Блок-схема ГСС.

6. Для каких целей применяется генератор импульсов? Какой формы и сколько сигналов он вырабатывает? Блок-схема генератора импульсов.

7. Блок-схема осциллографа.

8. Что такое и как работает развертка осциллографов? Как осуществляется синхронизация развертки?

9. Как осциллографом измеряется амплитуда сигнала?

10. Как осциллографом измеряются интервалы времени?

11. B каких случаях применяют электронные вольтметры? Чем они отличаются от обычных вольтметров?

12. Блок-схема вольтметров постоянного и переменного тока.

13. Блок-схема цифрового вольтметра.

14. Какие существуют методы измерения частоты периодических сигналов?

15. Как работает гетеродинный частотомер?

16. Блок-схема цифрового частотомера.

17. Как работает частотомер с перезарядом конденсатора?

 

 

Литература

1. Комлик В. В. Радиотехника и радиоизмерения. Киев:, Выща: шк., 1978.

2. Мирский Г. Я. Радиоэлектронные измерения. М.: Энергия, 1975.

3. Кушнир Ф. В., Савенко В. Г. Электрорадиоизмерения. Л.: Энергия, 1975.

4. Дворяшин В. В., Кузнецов Л. И. Радиотехнические измерения. М.: Советское радио, 1978.

Лабораторная работа № 2