Автор: Хрусталёва З.А.
Теги: электротехника электроэнергетика электрические сети метрология
ISBN: 978-5-406-00353-4
Год: 2010
Текст
СРЕДНЕЕ
ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ
ОБРАЗОВАНИЕ
З.А. ХРУСТАЛЕВА
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ
ИЗМЕРЕНИЯ
Рекомендовано
ФГУ «Федеральный институт развития образования»
в качестве учебника для использования
в учебном процессе образовательных учреждений,
реализующих программы среднего профессионального образования
МОСКВА
2010
СРЕДНЕЕ
ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ
ОБРАЗОВАНИЕ
З.А. ХРУСТАЛЕВА
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ
ИЗМЕРЕНИЯ
Рекомендовано
ФГУ «Федеральный институт развития образования»
в качестве учебника для использования
в учебном процессе образовательных учреждений,
реализующих программы среднего профессионального образования
МОСКВА
2010
УД К 621.3(075.32>
ББК 31.294.9я723
Х95
Рецензенты:
А.В. Кочергина, преподаватель спецдисциплин Московского технического кол-
леджа,
В. А. Гурьеа, начальник отдела НПО им. С. А. Лавочкина
Хрусталёва 3. А.
Х95 Электротехнические измерения : учебник / З.А. Хрусталёва. — М. :
КНОРУС, 2010. — 200 с. — (Среднее профессиональное образование).
ISBN 978-5-406-00353-4
Изложены основы электротехнических измерений, принципы и методы из-
мерения электрических и электронных величин, характеризующих параметры
сигналов, цепей, полупроводниковых приборов. Рассмотрены основные метроло-
гические характеристики средств измерений. Приведенье структурные схемы из-
мерительных приборов. Рассмотрены оценка и анализ погрешностей измерения
и с пособы их уме нь ше ни я.
Для студентов техникумов и колледжей, обучающихся ко специальности «Вы-
числительные jwaiuuut«, системы, сети и килгпяекеы* (230101) и «Техническое об-
служивание средств вычислительной техники и «амльютерных сетей» (230104).
УДК 621.3(075.32)
ББКЗЕ294.9я723
Хрусталёва Зоя Абдулвагагговна
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Санитар но-э п идем иологич еское за ключение
№ 779960953 Д 003365 04 09 от 01 04 2009 г
Изд. № 930. Подписано в печать 31.03.2010. Формат 60x90/16.
Гарнитура «PererburgC». Печать офсетная.
Усл. печ. л. 12,5. Уч.-изд. л, 7,6. Тираж 2000 экз. Заказ №
ООО «Издательство КноРуо.
129110, Москва, ул. Большая Переяславская, 46, стр. 7.
Тел.: (495)680-7254,680-0671, 680-1278.
E-mail: oF[ice@knorus.ru hrtp://www.knorus.ru
Отпечатано в ОАО «Московская типография № 2>.
129085, Москва, пр. Мира, 105.
ISBN 978-5-406-00353-4
© Хрусталёва 3. А., 2010
© ООО «Издательство КноРус», 2010
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие...................................................5
Введение.....................................................11
ГЛАВА 1. Основные сведения о метрологии
1.1. Основы теории и практики измерений......................14
1.2. Основы тепрни погрешностей..............................24
Контрольные вопросы..........................................30
ГЛАВА 2. Средства электротехнических измерений
2.1. Особенности цифровых измерительных приборов.............32
2.2. Измерительные генераторы................................38
2.3. Электронные осциллографы................................46
Контрольные вопросы..........................................70
ГЛАВА 3. Измерение основных электротехнических параметров
3.1. Измерение силы тока.....................................73
3.2. Измерение напряжения....................................78
3.3. Измерение мощности......................................99
Контрольные вопросы..........................................104
ГЛАВА 4. Измерение параметров элементов цепей
4.1. Общие сведения..........................................107
4.2. Метод амперметра—вольтметра............................108
4.3. Мостовой метод.........................................112
4.4. Метод дискретного счета................................118
4.5. Резонансный метод.......................................123
Контрольные вопросы..........................................125
ГЛАВА 5. Измерение параметров сигнала
5.1. Общие сведения..........................................127
5.2. Измерение частоты и периода повторения сигнала..........127
5.3. Измерение фазового сдвига...............................138
5.4. Измерение коэффициента нелинейных искажений............150
5.5. Измерение амплитудно-частотных характеристик
четырехполюсников............................................153
Контрольные вопросы..........................................160
ГЛАВА 6. Измерение параметров полупроводниковых
диодов, транзисторов и интегральных микросхем
6.1. Общие сведения.............................................162
6.2. Измерение параметров полупроводниковых диодов..............162
6.3. Измерение параметров биполярных и униполярных транзисторов. . . 167
4
Оглавление
6-4. Измерение параметров интегральных микросхем............169
6.5. Л п гнческие анал иэатпры..............................173
Контрольные вопросы.........................................180
ГЛАВА 7. Автоматизация электротехнических измерений
7.1. Общие сведения.........................................181
7.2. Информационно-измерительные системы....................181
7.3. Измерительно-вычислительные комплексы..................184
7.4. Виртуальные приборы....................................184
7.5. Интеллектуальные измерительные системы.................191
Контрольные вопросы.........................................191
Приложения
Приложение 1. Электрические едини цы измерения,
используемые в электронике...............................193
Приложение 2. Условные обозначения на шкалах
электроизмерительных приборов............................195
Приложение 3. Сведения об аналоговых электронных вольтметрах
некоторых типов..........................................197
Приложение 4. Таблица децибел и отнпшений напряжений (токов)
и мощностей..............................................198
Список литературы...........................................199
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящий учебник предназначен для студентов средних про-
фессиональных учебных заведений приборостроительных специаль-
ностей электронного профиля. В учебнике изложены основы теории
электрических и электронных измерений (радиоизмерений), методы
измерения электрических величин, используемых в электронике, рас-
смотрены средства измерения, а также приведены основные метроло-
гические характеристики приборов, позволяющие из многообразия
измерительных средств выбрать оптимальные для выполнения реаль-
ных метрологических задач.
Учебник написан в соответствии с действующей примерной прог-
раммой Государственного образовательного стандарта и входит в блок
учебных пособий по предмету «Электротехнические измерения». Ра-
нее издательством «КноРус» выпущены лабораторный практикум
и сборник задач того же автора. Материал основан на многолетнем
опыте преподавания названной дисциплины и изложен в доступной
форме с учетом последних достижений в области электротехнических
измерений. Для проверки полученных знаний после каждой главы
приведены контрольные вопросы.
Автор выражает глубокую признательность рецензентам А.В. Ко-
чергиной и В.А. Гурьеву за ценные замечания, высказанные на этапе
рецензирования рукописи.
Отзывы и предложения по содержанию настоящего учебника сле-
дует направлять по адресу: 129110, Москва, Б. Переяславская, 46,
стр. 7, ООО «Издательство КноРус».
Принятые сокращения
АИМС — аналоговая интегральная микросхема
АИП — аналоговый измерительный прибор
AM — амплитудная модуляция
АПП — автономные программируемые приборы
АРУ — автоматическая регулировка усиления
АЦП — аналого-цифровой преобразователь
АЧХ — амплитудно-частотная характеристика
ВАХ — вольт-амперная характеристика
ВЧ — высокие частоты
6
Предисловие
гвч — генератор высоких частот
гзч — генератор звуковых частот
ги — генератор импульсов
глин — генератор линейно-изменяющегося напряжения
гнч — генератор низких частот
ГС — генератор сигналов
гсвч — генератор сверхвысоких частот
ГСП — государственная система приборов
гсс — генератор стандартного сигнала
ГУЗЧ — генератор ультразвуковых частот
ЗУ — запоминающее устройство
34 — звуковые частоты
ивк — измерительно-вычислительный комплекс
иг — измерительный генератор
изч — инфразвуковые частоты
иис — информационно-измерительная система
имс — интегральная микросхема
кво — канал вертикального отклонения луча
кго — канал горизонтального отклонения луча
кис — компьютерно-измерительная система
КС в — коэффициент стоячей волны
ЛА — логический анализатор
мпк — микропроцессорный контроллер
нч — низкие частоты
ОС — обратная связь
оос — отрицательная обратная связь
ОУ — операционный усилитель
ПЗУ — постоянное запоминающее устройство
ПК — персональный компьютер
пос — положительная обратная связь
Предисловие
7
псд РА — плата сбора дан н ых — радиоаппаратура
РЭА — радиоэлектронная аппаратура
СВЧ — сверхвысокие частоты
СИ — синхроимпульсы
УЗЧ — ультразвуковые частоты
УПТ — усилитель постоянного тока
УУ — устройство управления
Ф — формирователь
ФАПЧ — фазовая автоподстройка частоты
ФВ — фазовращатель
ФЛ — фигура Лиссажу
ФВЧ — фильтр верхних частот
ФНЧ — фильтр нижних частот
ЦАП ЦИ ЦИМС — цифро-аналоговый преобразователь — цифровой индикатор — цифровая интегральная микросхема
цип чм — цифровой измерительный прибор — частотная модуляция
ША — шина адреса
шд — шина данных
ШУ — широкополосный усилитель
ЭВ — электронный вольтметр
ЭВМ — электронная вычислительная машина
ЭЛТ — электронно-лучевая трубка
эо — электронный осциллограф
эч — электронный частотомер
Условные обозначения
с — цена деления (постоянная прибора)
S — чувствительность прибора
8
Предисловие
Кш — пересчетный коэффициент шкалы в многопредель- ном приборе
А — показание рабочего прибора
А„ — показание образцового прибора (истинное значе- ние)
а„ ?в Ра — номинальное значение — потребляемая вольтметром мощность — потребляемая амперметром мощность
h ^А — потребляемый вольтметром ток — падение напряжения на амперметре
V — точность измерения
A — абсолютная погрешность
Гд — действительная относительная погрешность
Ynp jfeb &2> — приведенная относительная погрешность — показатели степени
Я — сопротивление резистора
U£ WL С — энергия, запасенная конденсатором — энергия, запасенная катушкой индуктивности — емкость конденсатора
L — индуктивность катушки
f F — высокая (несущая) частота — низкая (модулирующая) частота
Д ^max — максимальное значение измеряемого параметра
Д •'1ГП!П — минимальное значение измеряемого параметра
D; — диапазон измерения по току
Dij Df Руд-/ — диапазон измерения по напряжению — диапазон измерения по частоте — удельное сопротивление по постоянному току мультиметра
Руд™/ — удельное сопротивление по переменному току мультиметра
Предисловие g
А о ▲ — измеряемое сопротивление резистора — установка показаний индикатора на нуль
<▼» — калибровка
— напряжение в децибелах
ст — цена деления масштабной сетки осциллографа по горизонтали
Св — цена деления масштабной сетки осциллографа по вертикали
— чувствительность осциллографа по каналу Y
*Х ав — чувствительность осциллографа по каналу X — значение параметра сигнала по вертикали на экране осциллографа
Аг — значение параметра по горизонтали на экране осциллографа
ка — линейный размер параметра по вертикали в деле- ниях (клетках) масштабной сетки осциллографа
«г — линейный размер параметра по горизонтали в деле- ниях (клетках) масштабной сетки осциллографа
Au(ku) и° — коэффициент усиления по напряжению — уровень логического нуля (значение напряжения в нуле)
и' — уровень логической единицы (значение напряже- ния в единице)
^21Е(^21э) — коэффициент передачи тока в схеме с общей базой (общим эмиттером)
А? во — обратный ток коллектора (ток неосновных носите- лей)
!r Uz h22 Лр — прямое напряжение диода — обратный ток диода — напряжение стабилизации — выходная проводимость — граничная частота
10 Предисловие
Um (l« — выходное напряжение на первом (втором) выходе ИМС
A1OT — напряжение смещения ИМС — потребляемый ток ИМС — входной ток на прямом и инвертирующем входе ИМС
U„„ u„, — напряжение питания — амплитудное значение напряжения
и — среднеквадратичное значение синусоидального на- пряжения
ВВЕДЕНИЕ
Человек стал измерять параметры материального мира еще в до-
исторические времена. В процессе развития торговли, ремесел, техни-
ки, промышленности роль измерений возрастала, и сегодня научно-
технический прогресс без измерений невозможен.
Исторические документы свидетельствуют о том, что по мере раз-
вития человечества возникало и возникает множество проблем, для
решения которых необходимо располагать количественной инфор-
мацией о том или ином свойстве объектов материального мира (про-
цесса, явления, вещества). Для получения такой информации и необ-
ходимы измерения, правильность выполнения которых обеспечивает
достоверный результат.
Без проведения широкого комплекса измерений неосуществим на-
учный поиск, проектирование и изготовление любого сооружения или
изделия (здания, плотины, станка, самолета, ракеты и т.д.).
Важное значение измерений для науки подчеркивали многие уче-
ные мира во все времена. Галилео Галилей говорил: «Измеряй все до-
ступное измерению и делай доступным все недоступное ему$>. Макс
Планк отмечал: «В физике существует только то, что можно изме-
рить$>. Основоположник отечественной метрологии Д.И. Менделеев
значение и роль измерений для науки сформулировал так: «В природе
мера и вес — суть главное оружие познания. Наука начинается с тех
пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры$>. Фи-
зика и химия стали науками лишь тогда, когда были найдены точные
единицы учета, познаны законы их развития. Электричество, напри-
мер, стало достуным для изучения и применения после установления
вольт и ампер.
Проверка правильности показаний измерительных приборов и
средств измерений была, есть и будет важнейшей задачей пользовате-
лей. Значимость поверки измерительных инструментов подтвержда-
ется дошедшими до нас фактами из истории. В Древней Бухаре (Сред-
няя Азия) в XVII в. уже следили за правильностью мер веса и длины.
Очевидец об этом рассказывал так: «Вот едет худой старец в большой
белоснежной чалме, в богатом парчовом халате. Под ним хороший конь
с богатой сбруей, золоченое седло и посеребренные стремена. За ним
следуют быстрым шагом девять здоровых молодых людей с палками.
Это едет блюститель меры веса и длины на базарах, суровый цензор
нравственности "правоверного города". Среди базарного люда — заме-
12
Введение
шательство и любопытство. Вот блюститель въезжает в ряд шелковых
тканей, где сидят купцы, важные и степенные. Он поравнялся с одной
из лавок, попридержал коня и слегка кивнул головой на торговца. Мо-
ментально к тому подбегает кто-нибудь из слуг блюстителя с образцом
базарного аршина и, сравнив последний с тем, что было у купца, бы-
стро возвращается к раису (блюстителю) и показывает, что газ (мера
длины) купца несколько короче установленного образца. Блюститель
называет одну какую-либо цифру (но всегда нечетную), на]гример
одиннадцать. Тогда к продавцу приближаются двое слуг блюстителя
с палками. Один сталкивает его с прилавка и быстро вскидывает себе
на спину, другой закидывает ему халат и рубашку на голову и, спустив
щтаны, начинает наносить палкой удары. Если виновный кричит, то
счет палочных ударов начинают снова с того удара, при котором на-
казуемый перестал кричать. По окончании экзекуции продавец, об-
ливаясь горькими слезами от боли и стыда, с волочащимися по земле
штанами, подходит к блюстителю и целует ему руку. Преступление об-
наружено и преступник наказан. Блюститель едет дальше...».
Невозможной, пожалуй, не нужно искать конкретные даты возник-
новения электронных измерений, или радиоизмерений. Изобретатель
радио А. С. Попов с полным правом может и должен считаться родона-
чальником науки о радиоизмерениях. Им создан первый радиоизме-
рительный прибор — грозоотметчик.
Первая в России лаборатория, изготовлявшая радиоизмеритель-
ные приборы, организована в 1913 г. академиком М.В. Шулейкиным, а
в 1918 г. эта работа была продолжена и расширена коллективом Ниже-
городской лаборатории.
Сами технологические процессы в настоящее время в значитель-
ной мере состоят из измерительных операций. Например, для изготов-
ления современного авиационного двигателя нужно выполнить более
100 тыс. различных технологических операций, почти половина из ко-
торых — контрольные, связанные с теми или иными измерениями.
Разнообразные измерения повседневно количественно характе-
ризуют окружающий нас мир, раскрывают действующие в нем за-
кономерности. В России ежеминутно выполняются миллионы из-
мерений с помощью огромного парка измерительных приборов — от
знакомых каждому торговых весов до сложнейших информационно-
измерительных систем.
Можно выделить три главные функции измерений в современном
мире:
контроль и регулирование технологических процессов;
Введение
13
контроль физических величин, технических параметров, характе-
ристик процессов при научных исследованиях;
учет продукции при различных формах хозяйствования.
Высокая точность при управлении космическими полетами во мно-
гом достигнута благодаря постоянному совершенствованию средств и
методов измерений.
В США 50% ассигнований на космические исследования составля-
ют затраты на измерительную технику. В России 25% бюджета элект-
ронной, авиационной и химической промышленности составляют за-
траты на измерительную технику для этих областей.
Особое место в настоящее время отводится измерениям в борьбе
за экономию ресурсов и повышение качества продукции, а также при
проведении сертификационных испытаний.
Электротехнические измерения широко используются во многих
сферах жизни:
медицине (компьютерная томография, кардиографы и многое дру-
гое);
торговле (весовая измерительная база, терминалы);
службе ГИБДД (определение скорости перемещения автомобиля,
основанное на эффекте Доплера);
службе времени (разнообразные часы);
быту (счетчики для учета расхода воды, электроэнергии, тепла).
Широкое использование электротехнических измерений в смеж-
ных отраслях, например в микроэлектронике для оценки изделий
и технологических процессов, решает проблемы повышения качества
продукции, а качество в условиях рыночной экономики является важ-
нейшим показателем конкурентоспособности любого изделия.
Одно из главных направлений развития современной измеритель-
ной техники — переход на цифровые методы с использованием при-
боров с цифровым отсчетом, автоматизация измерений и дальнейшее
развитие компьютер но-из мерительных систем (КИС), в частности, их
разновидности — виртуальных измерительных приборов.
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ
СВЕДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ
1.1. Основы теории и практики измерений
Общие сведения. Электротехнические измерения представляют
собой совокупность электрических и электронных измерений, кото-
рые можно рассматривать как один из разделов метрологии. Назва-
ние «метрология» образовано от двух греческих слов: metron — мера
и iogos — слово, учение; дословно: учение о мере. В современном пони-
мании метрологией называют науку об измерениях, методах и средствах
обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Огромное количество измерений производится с помощью разных
по принципу действия и точности средств измерения. Результаты из-
мерений, полученные экспериментаторами в разное время и в разных
местах, должны быть сопоставимы между собой. Необходимо также
обеспечить единство измерений в масштабах каждого предприятия
и всего государства в целом. Поэтому орган ы метрологического надзо-
ра наделены законодательными функциями. Нормативно-техническая
документация разрабатывается с учетом норм и правил выполнения
измерений, а также требований, направленных на достижение един-
ства измерений. Порядок разработки и испытаний средств измерения,
термины, определения, единицы физических величин и правила их
применения унифицированы и узаконены стандартами Государствен-
ной системы обеспечения единства измерений (ГСП) и другими обя-
зател ьн ы ми к пр именен и ю н ормати вн ым и до кументами.
Результат измерения любой физической величины представляет
собой значение этой физической величины, полученное путем ее из-
мерения. Результат измерения состоит из двух частей: числа, опреде-
ляющего соотношение между измеряемой величиной и единицей из-
мерения, и наименованием единицы измерения.
Запись любого результата измерения должна содержать пробел
в один символ между частями, в противном случае может появиться
неоднозначность ее прочтения: запись 100 Ом может быть понята как
1000 м и т.д.
Электрон ные измерения, как и электрические, сводятся в конечном
счете к измерению силы тока, напряжения, мощности и частоты. Одна-
ко при этом имеют ряд существенных особенностей:
1.1. Основы теории и практики измерений
15
1. Спектр частот электромагнитных колебаний, используемый
в электронике, простирается от сверхнизких частот (доли Гц)
до частот, соответствующих инфракрасным и световым волнам
(десятки ГГц). В зависимости от частоты для измерения одной и
той же величины требуются измерительные приборы, различные
по конструкции и принципу действия. Например, для измерения
мощности при постоянном токе необходимо знать силу тока и па-
дение напряжения на данном участке цепи или сопротивление:
Р = /. U=P-R=U2/R. (1.1)
В области ВЧ и СВЧ понятия силы тока и напряжения теряют фи-
зический смысл (из-за большой погрешности измерения), поэтому
о мощности судят по энергии, преобразованной в тепло, свет и пр.
Кроме того, на разных частотах сами элементы цепи могут иметь
также различные свойства Например, идеальный конденсатор без
потерь можно представить эквивалентной схемой, показанной на
рис. 1.1, л в виде последовательного соединен и я собствен но конден-
сатора С и катушки индуктивности Lc, создаваемой его выводами.
Рис. 1.1. Эквивалентная схема идеального конденсатора без потерь (о)
и график зависимости сопротивлений а£, гот частоты/(6)
Зависимость индуктивного и емкостного сопротивления конден-
сатора выражается известными формулами:
XL = mlc',
хс= 1/етС,
(1.2)
(1.3)
а общее сопротивление конденсатора формулой
На рисунке 1.1, б показана зависимость сопротивлений JQ, и z
идеального конденсатора от частоты /, из которой следует, что на
16
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕСВЕДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ
частотах от нуля до резонансной <о0 = 1/5JLcC комплексное сопро-
тивление г имеет отрицательный характер, т.е. выполняет роль
конденсатора, а на частотах w > wo общее сопротивление конден-
сатора имеет положительный характер, т.е. теряет свои свойства
и играет роль катушки индуктивности.
2. Диапазон изменения измеряемых величин очень широк: по мощ-
ности — от долей микроватт (10-е) до десятков и сотен мегаватт
(10е); по напряжению — от долей микровольт (10-е) до десятков
киловольт (103); по времени — от нескольких пикосекунд (10-12)
до нескольких секунд. Такие широкие диапазоны не могут быть
перекрыты приборами одного типа, одной конструкции или одно-
го принципа действия.
3. Из-за широкого частотного диапазона измеряемых величин возни-
кают серьезные трудности при устранении влияния разного рода
паразитных индуктивностей и емкостей.
4. Необходимо измерять малые токи, протекающие по большим со-
противлениям, в то время как при электрических измерениях при-
ходится измерять большие токи, протекающие по сравнительно
малым сопротивлениям. С этой особенностью связаны наиболее
жесткие требования к значению входного сопротивления элект-
ронных вольтметров.
5. Необходимо измерять множество параметров, не встречающихся
при электрических измерениях: добротность Q, длительность им-
пульса тангенс потерь tg 8 и др.
6. Основным объектом исследования в электронике является элект-
рический сигнал, в связи с чем возникает необходимость наблю-
дения формы и спектра электрических колебаний, а также гене-
рирования их копий. В практике электронных измерений нашли
широкое применение приборы, позволяющие наблюдать и реги-
стрировать такие колебания: осциллографы, анализаторы спектра,
характериографы; а в качестве источников электрических сигна-
лов применяются измерительные генераторы.
7. Сложность структуры современных электронных устройств и си-
стем, а также множество параметров, описывающих их работу, при-
водят к разнообразию измерений даже в одном эксперименте, что
обусловило необходимость их комплексного проведения быстро
и точно, т.е. решения вопроса об автоматизации измерений.
Основные понятия, термины, определения. Основные метроло-
гические понятия, термины и определения формулируются государ-
ственными стандартами.
1.1. Основы теории и практики измерений
17
Измерение — это процесс нахождения значения физической вели-
чины опытным путем с помощью специальных средств. В зависимости
от способа получения результата измерения делятся на прямые и кос-
венные.
При прямых измерениях искомая физическая величина определя-
ется непосредственно по индикатору прибора: напряжение — вольтме-
тра, частота — частотомера, сила тока — амперметра. Прямые измере-
ния очень распространены в метрологической практике.
При косвенных измерениях интересующая нас величина находится
расчетным путем по результатам измерений других величин, связан-
ных с искомой величиной определенной функциональной зависимо-
стью. Например, измерив силу тока и напряжение, на основании из-
вестной формулы можно определить мощность:
Pr=U I.
Косвенные измерения также часто применяются в метрологиче-
ской практике.
Мера (прибор) — это средство измерения, предназначенное для вос-
произведения физической величины заданного размера. По своему метро-
логическому значению, по той роли, которую они играют в деле обеспече-
ния единообразия и верности, меры делятся на образцовые и рабочие.
Эталон — это тело или устройство самой высокой точности, служа-
щее для воспроизведения и хранения единицы физической величины
и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме. Примером
точности эталона может служить Российский государственный эталон
времени, погрешность которого за 30 000 лет не будет превышать 1с.
Физическая величина — это свойство, общее в качественном от-
ношении для множества объектов, физических систем, их состояний
и происходящих в них процессов, но индивидуальное в количествен-
ном отношении для каждого из них. По принадлежности к различным
группам физических процессов физические величины делятся на элек-
трические, магнитные, пространственно-временные, тепловые и пр.
Значение физической величины — это оценка физической величи-
ны в принятых единицах измерения (например, 5 мА — значение силы
тока, причем 5 — это числовое значение). Именно этот термин приме-
няют для выражения количественной характеристики рассматривае-
мого свойства. Не следует говорить и писать «величина силы тока»,
«величина напряжения», поскольку сила тока и напряжение сами яв-
ляются величинами. Следует использовать термины означение силы
тока», «значение напряжения».
18
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕН ИЯ О МЕТРОЛОГИИ
При выбранной оценке физической величины ее можно охаракте-
ризовать истинным и действительным (измеренным) значением изме-
ряемой физической величины.
fduuu^a физической величины — это физическая величина, кото-
рой по определению присвоено стандартное числовое значение, равное
единице. Единицы физических величин подразделяются на основные
и производные.
Из-за большого диапазона реальных значений большинства из-
меряемых физических величин применение целых единиц не всегда
удобно, поскольку в результате измерений получаются большие или
малые их значения. Поэтому в системе измерений СИ (57 — система
интернациональная) установлены дольные и кратные единицы. В Рос-
сии действует ГОСТ 8.417—2002 <ГСН. Единицы физических вели-
чин», устанавливающий международную систему единиц СИ. В При-
ложении 1 приведены единицы физических величин, используемые
в электротехнике и электронике, а также соотношения кратных или
дольных единиц и основных единиц. Эти соотношения образуются с
помощью множителей.
Кратная единица физической величины всегда больше основной
(системной) в целое число раз. Например, мегаом (106 Ом), киловольт
(103 В).
Дельная единица физической величины меньше основной (си-
стемной) в целое число раз. Например, нанофарад (10-9 Ф), микроам-
пер (10 6 А).
Истинное (действительное) значение физической величины —
это значение, свободное от погрешности. Нахождение истинного зна-
чения является главной проблемой метрологии, так как погрешности
при измерении неизбежны. В связи с этим на практике за истинное
значение принимают показание образцовой меры (прибора), погреш-
ность которой пренебрежимо мала по сравнению с погрешностью при-
меняемых рабочих мер (приборов).
Измеренное значение физической величины — это значение вели-
чины, отсчитанное по рабочей мере (прибору).
Измерительный прибор — это средство измерения, в результате
применения которого измеряемая физическая величина становится
показанием.
Измерительные приборы, используемые в электронике, но принци-
пу действия подразделяются на электромеханические и электронные.
В электронных аналоговых измерительных приборах в качестве стрелоч-
ных индикаторов часто используются электромеханические приборы.
1.1. Основы теории и практики измерений 19
Классификация аналоговых измерительных приборов и их шкал.
По принципу действия все измерительные приборы делятся на две
группы:
электромеханические приборы, используемые в цепях постоян-
ного тока и на низких частотах;
электронные приборы, используемые в цепях постоянного тока
и во всем диапазоне частот.
По способу выдачи результата измерительные приборы подразде-
ляются на аналоговые и цифровые:
аналоговые (со стрелочным индикатором, самопишущие), показа-
ния которых являются непрерывной функцией измерения и изме-
ряемой величины;
цифровые, показания которых образуются в результате автомати-
ческого вырабатывания дискретных сигналов измерительной ин-
формации, представленной в цифровой форме.
Различают измерительные приборы прямою действия и приборы
сравнения.
Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на
индикаторе в единицах этой величины. Изменения рода физической
величины в процессе измерения не происходит. К таким приборам от-
носятся амперметры и вольтметры.
Приборы сравнения (компараторы) служат для сравнения изме-
ряемых величин с величинами, значения которых известны.
По назначению приборы делят на рабочие и образцовые.
Рабочие приборы предназначены только для измерения во всех об-
ластях хозяйственной деятельности.
Образцовые приборы служат для поверки и градуирования рабо-
чих приборов. Погрешность измерения образцовых приборов на 1—2
порядка меньше по сравнению с рабочими приборами.
Стоимость прибора напрямую связана с погрешностью измерения:
если прибор имеет погрешность в 10 раз меньше, то стоит такой при-
бор в 10 раз дороже. Использовать образцовые приборы для массовых
измерений экономически нецелесообразно, поэтому в лабораториях
учебных заведений и на производстве применяются в основном рабо-
чие приборы.
Шкалы АИП классифицируются по следующим признакам.
По признаку равномерности различают равномерные (линейные)
и неравномерные шкалы:
равномерная шкала — это шкала с делениями постоянной длины
и с постоянной ценой деления (рис. 1.2, л). Такую шкалу имеют
20
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕСВЕДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ
электромеханические приборы только магнитоэлектрической си-
стемы;
неравномерная шкала — это шкала с делениями непостоянной
длины и с непостоянной ценой деления (рис. 1.2, б). Такую шкалу
имеют электромеханические приборы выпрямительной, электро-
магнитной, электродинамической, ферродинамической, электро-
статической, термоэлектрической систем.
0 1 10 20 30 а 40 50 1 0 1_ 10 I 20 30 б 40 50 1
0 ^гпД) 100 3 (к£1) 0
1 I в 1 1 1 I |_ г 1 1
0 50 -20 0 20
V
mA
е
Д
Рис. 1.2. Шкаль: аналоговых приборов: равномерная (я), неравномерная (б),
прямая (в), обратная (г), односторонняя (д), двухсторонняя (е), безнулевая (лк)
По признаку направления градуирования различают прямые и об-
ратные шкалы:
• прямая шкала градуирована слева направо, т.е. нуль на шкале рас-
положен слева (рис 1.2, в). Такая шкала является самой распро-
страненной в АИП;
* обратная шкала градуирована справа налево, т.е. нуль на шкале
расположен справа (рис. 1.2, г). Такая шкала используется, напри-
мер, в аналоговых мультиметрах при отсчете значения сопротив-
ления резисторов и емкости конденсаторов.
По положению нуля на шкале и направлению движения стрелки
индикатора различают односторонние, двухсторонние и безнулевые
шкалы:
1.1. Основы теории и практики измерений
21
• односторонняя шкала — это шкала, стрелка индикатора кото-
рой при измерении отклоняется только в одну сторону от нуля
(рис. 1.2, д). Такая шкала является самой распространенной;
• двухсторонняя шкала — это шкала, стрелка индикатора при из-
мерении которой отклоняется как влево, так и вправо от нуля.
Причем отклонение влево от нуля дает отрицательные значения
измеряемой величины, а отклонение вправо — положительные
(рис. 1.2, е). Такую шкалу имеют индикаторы аналоговых измери-
тельных мостов и гальванометры;
• безнулевая шкала — это шкала, на которой отсутствует нулевая
отметка (рис. 1.2, ж). Такую шкалу имеют электромеханические
частотомеры, генераторы, градуированные по частоте, длительно-
сти импульсов, временному сдвигу.
Основные показатели шкал приборов. Электромеханические
и электронные аналоговые измерительные приборы (АИП) доста-
точно широко распространены в метрологической практике. Приборы
и их шкалы характеризуются рядом основных показателей.
Деление шкалы — это промежуток между двумя соседними отмет-
ками шкалы.
Цена деления шкалы (постоянная прибора) с указывает число
единиц измеряемой величины, приходящееся на одно деление шкалы
(рис. 1.3):
п (1.4)
где А], А2 — соседние оцифрованные деления;
п — количество делений между двумя цифрами.
Рис. 1.3. Определение цены деления шкалы
Л3
J
20
На примере (см. рис. 1.3) цена деления шкалы составляет
г_(20-10)В_2 В
5 дел. дел.
В неравномерной шкале цену деления находят на участке шкалы (толь-
ко не в начале) между двумя соседними оцифрованными делениями.
22
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕСВЕДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ
Шаг шкалы — это интервал оцифрованных делений на шкале при-
бора. Например, если на шкале индикатора нанесены оцифрованные
деления 0—10—20—30—40—50, то шаг шкалы равен 10.
Рабочий участок шкалы АИП — это участок, в пределах которого
погрешность прибора не выходит за указанный класс точности. Для
шкалы миллиамперметра, показанной на рис. 1.4, а, рабочим участком
является участок от 10 до 50 мА (он же является диапазоном измере-
ния в однопредельном приборе). Для шкалы вольтметра, показанной
на рис. 1.4 б, рабочим участком является участок от 3 до 10 В. На ра-
бочем участке завод-изготовитель приборов гарантирует заявленный
класс точности с первого оцифрованного деления шкалы аналогового
индикатора.
। । ।_।_।_।__।___।___। ।___।_।__।_।__।_।__।_।__।_।
О 10 И 30 40 50 0 3 4 5 6 7 8 9 1D
(mA) ®
а б
Рис. 1.4. Шкалы аналоговых приборов с разными рабочими
участками: миллиамперметра (о), и вольтметра (б)
Коэффициент школы кш для однопредельных приборов всегда
равен единице, а в многопредельных приборах имеет свое конкретное
значение на каждом пределе. Коэффициентом шкалы называют от-
ношение предельных значений двух пределов измерений: изначаль-
ного, на который градуирован прибор, и текущего, включенного для
конкретного измерения. Например, в трех предельном миллиампер-
метре с пределами 5—20—100 мА шкала прибора (рис. 1.5) градуи-
рована для одного предела — 5 мА. Для трех пределов коэффициент
шкалы будет разным: 1—4—20 соответственно. В результате при от-
клонении стрелки на показатель зЗ» (по шкале з5») прибор покажет:
3-12-60 мА.
100
20
I_______________________I
0 5
Рис. 1.5. Шкала трехпредельного миллиамперметра 0...400 Гц
Номинальное значение шкалы Ан определяется по формуле
1.1. Основы теории и практики измерений 23
^гпзх ^mjn» 0'5}
где Лта;( — верхний предел шкалы;
-Inin — нижний предел шкалы.
В приборах с односторонней шкалой (см. рис. 1.2, я) Ан = Атая =
= 50 В. В приборах с двухсторонней шкалой (см. рис. 1.2, е) Лн = Атах —
— (—Дтл1) = 2Атах = 40 мА. В приборах с безнулевой шкалой (см.
рис. 1.2, Ж) Ан = Атах - Amjn = 10 Гц.
Чувствительность 5 прибора по измеряемому параметру пока-
зывает число делений шкалы, приходящееся на единицу измеряемой
величины, т.е. является величиной, обратной цене деления:
Чувствительность многопредельного прибора определяют на са-
мом малом пределе измерения.
Частотным диапазон прибора необходимо знать для правильного
его использования и для получения наименьшей погрешности изме-
рения. Частотный диапазон — это полоса частот, в пределах которой
погрешность прибора, полученная при изменении частоты сигнала,
не превышает допустимого предела. Различают приборы для работы в
цепях постоянного тока, переменного тока и универсальные (исполь-
зуемые в цепях постоянного и переменного тока).
Для приборов, работающих в цепях постоянного тока, частота равна
нулю; для приборов, работающих в цепях переменного тока, и универ-
сальных приборов на шкале индикатора и в паспорте обычно указы-
вается частотный диапазон. Например, для миллиамперметра, изобра-
жение шкалы которого было приведено ранее (см. рис. 1.5), частотный
диапазон составляет 0...400 Гц.
Внутреннее сопротивление прибора (амперметра, вольтметра)
обычно указывается в паспорте и на лицевой панели (прямо или кос-
венно). Для амперметров характерно малое сопротивление Яд, для
вольтметров — большое сопротивление Яв.
Потребляемая прибором мощность определяется по следующим
формулам:
для амперметра
(1.7)
а для вольтметров
U2
= <18)
24
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕСВЕДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ
Чем потребляемая мощность меньше, тем точнее измерение.
Потребляемый вольтметром ток выражается формулой:
падение напряжения на амперметре формулой
^а = /н^а. (1.10)
Рабочее положение прибора может быть разным:
• горизонтальным (на шкале обозначается символами «П» или
«—>»);
• вертикальным (на шкале обозначается символами или «Т»);
• наклонным (на шкале обозначается символом с указанием
угла наклона).
Если допускается любое рабочее положение, то обозначение отсут-
ствуют.
Рой тока, для работы на котором предназначен прибор, обознача-
ется на шкале:
• постоянный ток — символом «—»;
• переменный ток— символом
• трехфазный ток — символом «аг».
На шкалу универсального прибора наносится символ
Предел измерений параметра — это наибольшее значение диапа-
зона измерений.
Диапазон измерений параметра — это область значений измеряемой
величины, для которой нормированы допускаемые погрешности АИП.
1.2. Основы теории погрешностей
Основные понятия. При любом измерении физической величины
неизбежны погрешности, какими бы точными и совершенными ни
были средства и методы измерения и как бы тщательно ни выполня-
лись эти измерения. Поэтому истинное значение физической величи-
ны определяется только приблизительно.
Погрешность характеризует несовершенство измерения. Характе-
ристикой качества измерения является точность измерения V, отра-
жающая меру близости результата измерения к истинному значению
измеряемой физической величины.
Вопросы погрешности являются основополагающими в теории
и практике метрологии, в которой используются два понятия: по-
грешность результата измерения и погрешность средства измерения.
1.2. Основы теории погрешностей
25
Эти понятия близки друг к другу и классифицируются по одинаковым
признакам.
Погрешность результата измерения — это отклонение результа-
та измерения от истинного значения измеряемой физической величи-
ны. Так как истинное значение измеряемой величины неизвестно, то
при количественной оценке погрешности измерения используют зна-
чение физической величины, найденное экспериментально и настоль-
ко близкое к истинному значению, что в реальной измерительной за-
даче может быть использовано вместо него.
Погрешность средства измерения — это разность [[оказаний сред-
ства измерения и истинного (действительного) значения измеряемой
физической величины. Она характеризует точность измерений, вы-
полняемых с помощью данного прибора.
В электротехнических измерениях различают несколько видов по-
грешностей, которые можно разделить на две большие группы: основ-
ная и дополнительная.
Основная погрешность определяется при нормальных условиях
работы (температуре, давлении и влажности окружающей среды, ча-
стоте, форме и значению питающего напряжения).
Дополнительная погрешность появляется при отклонении значе-
ний, влияющих на результат измерения, от нормальных.
Основная погрешность включает в себя две составляющие: систе-
матическую и случайную.
Систематическая погрешность при повторных измерениях
одной и той же величины одним и тем же прибором остается посто-
янной или изменяется [Ю определенному закону. В обоих случаях она
легко обнаруживается и может быть исключена из результата изме-
рений. Источниками систематической погрешности могут быть сред-
ство измерения (инструментальная составляющая), метод измерения
(методическая составляющая), оператор (субъективная составляю-
щая).
Практическими рекомендациями по уменьшению систематической
погрешности являются предварительная установка показания инди-
катора на нуль, предварительная калибровка прибора и введение по-
правки.
Предварительная (перед измерением) установка показания инди-
катора на нуль может производиться с помощью:
• механического корректора (для электромеханических приборов);
• регулировочного потенциометра, обозначенного символом
(для электронных приборов — аналоговых и цифровых).
26
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕСВЕДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ
Предварительная калибровка (только для электронных приборов)
выполняется с помощью регулировочного потенциометра, выведенно-
го на лицевую панель прибора и обозначенного символом <▼». Значе-
ние калибровочного сигнала обычно указывается на шильдике (лице-
вая панель) и в паспорте прибора.
Введение поправки рассмотрим ниже в этой главе.
Случайная погрешность при повторных измерениях изменяется
случайным образом. Она резко выделяется на фоне систематической
погрешности. Основным способом уменьшения случайной погрешно-
сти является обработка результатов измерений методами статистики
и теории вероятности.
Погрешности прямых измерений. Прямое измерение — это изме-
рение, при котором искомое значение физической величины опреде-
ляют непосредственно по индикатору прибора. Часто под прямым
понимают такое измерение, при котором промежуточное преобразо-
вание не производится. Примером прямых измерений может служить
измерение фазового сдвига и напряжения известными приборами (фа-
зометрами и вольтметрами).
Далее будем рассматривать основную систематическую погреш-
ность, для количественной оценки которой при прямых измерениях
пользуются понятиями и формулами, выражающими абсолютную,
действительную и приведенную относительные погрешности изме-
рения.
Абсолютная погрешность измерения А — это отклонение резуль-
тата измерения (показание рабочего прибора Л) от истинного значе-
ния (показание образцового прибора Ли), взятое по модулю:
д=И„-4 (1.И)
Истинное значение измеряемой величины неизвестно, поэтому
вместо него используют так называемое действительное значение —
значение измеряемой величины, найденное экспериментальным путем
с помощью образцового прибора. На практике значение погрешности
измерения можно оценить только приближенно.
Для получения действительного значения измеряемой величины
в ряде случаев учитывают погрешности средств измерений путем вве-
дения поправок.
Поправка с — абсолютная погрешность, взятая с обратным зна-
ком:
с = -А.
(112)
1.2. Основы теории погрешностей
27
Абсолютная погрешность, характеризуя значение полученной по-
грешности, не определяет качество проведенного измерения. Поэтому
используют действительную относительную погрешность измерения.
Действительная относительная погрешность измерения уд —
отношение абсолютной погрешности измерения к показанию рабочего
прибора, выраженное в процентах:
|д|
уд=1->100%+ (1.13)
Л
Действительная относительная погрешность измерения связана
обратной зависимостью с точностью измерения v — высокой точности
измерения соответствует малая погрешность:
V = -J-. (1.14)
•А
Приведенная относительная погрешность улр — это отношение
наибольшей абсолютной погрешности Дтах к некоторому нормирую-
щему (номинальному) значению Ан, выраженное в процентах:
vNi№;. (1Л5)
Л
Номинальное значение Ан определяется по формуле (1.5).
Обобщая полученные сведения, можно утверждать, что в широ-
ко распространенной односторонней шкале номинальное значение
всегда равно верхнему пределу шкалы прибора. В многопредельных
амперметрах и вольтметрах с односторонней шкалой переключатель
пределов указывает номинальное значение.
Анализ формул (1.13) и (1.15) позволяет представить график зави-
симости погрешностей уд и уПр от показания измерительного прибора А
на примере использования прибора с односторонней шкалой.
Из графика зависимости уд=/(А) (рис. 1.6) следует важный вывод,
имеющий практическое значение: действительная относительная по-
грешность измерения максимальна в 1-й четверти шкалы аналогового
прибора и минимальна в 4-й. Следовательно, для получения наимень-
шей погрешности измерения необходимо использовать 4-ю (в крайнем
случае 3-ю) четверть шкалы.
Из графика зависимости улр =/(А) следует, что приведенная отно-
сительная погрешность не зависит от показания аналогового прибора,
поэтому величина улр положена в основу класса точности электромеха-
нических приборов.
28
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕСВЕДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ
Рис. 1.6. График зависимости погрешностей и
от показания измерительного прибора
Электромеханические приборы делятся на девять классов точно-
сти:
—-0,05- 0,1- 0,2— 0,5- 1,0- 1,5- 2,5-——
1-и 9-и
класс класс
Класс точности всегда указывается на лицевой панели (цифрой без
знака «процента) и является сравнительной характеристикой различ-
ных электромеханических приборов.
Класс точности прибора, характеризуя приведенную относительную
погрешность, не является непосредственным показателем точности из-
мерения, так как существующая зависимость между действительной
и приведенной относительными погрешностями выражается формулой
4
Ул Vnp 4 (1.16)
Из формулы (1.16) следует, что погрешность измерения уд зависит
не только от класса точности (улр), но и от показания прибора (положе-
ния стрелки индикатора).
Формулами (1.13) и (1.16) пользуются при определении погреш-
ности измерения.
Погрешности косвенных измерений. Косвенное измерение — это
измерение, при котором искомое значение величины определяется пу-
тем выполнения определенных математических операций, т.е. оценка
погрешности производится по формуле
1.2. Основы теории погрешностей 29
Y« = 1^1 Y«il + YJ + - + YJ. (1Л7)
где^ь ^2.An — показатели степени (могут быть положительными, отрица-
тельными, целыми или дробными числами);
Тдь7д2.Yjr — относительные действительные погрешности прямых изме-
рений.
Анализ формулы (1.17) позволяет сделать вывод, что при косвен-
ных измерениях погрешность, как правило, больше, чем при прямых
измерениях.
Рассмотрим пример. Напряжение 40 В измерено вольтметром с од-
носторонней шкалой; номинальное значение прибора —50 В, 6-й класс
точности (1,0%). Сила тока 2 мА измерена амперметром с односторон-
ней шкалой; номинальным значением прибора — 3 мА, 6-й класс точ-
ности (1,0%). Определить значение измеренного сопротивления рези-
стора, а также относительную и абсолютную погрешности измерения
сопротивления резистора.
Решение. В основе измерения сопротивления резистора лежит фор-
мула закона Ома:
П 40 В
Я = - = = 20000 Ом - 20 кОм.
I 2 - Ю"э А
Измерение сопротивления резистора косвенное, поэтому погреш-
ность измерения определим по формуле
Удя = |^1 Уд1| + Уд2|-
Формулу = запишем в виде Я = t/1 7-1. Из формулы следует,
что = 1, = — 1.
Погрешность Уд! не что иное, как действительная относительная по-
грешность прямого измерения напряжения уду, ауд2 — действительная
относительная погрешность прямого измерения силы тока y^, которые
находим по формуле (1.16):
'-f - и5%
Подставив полученные значения в формулу удЯ, получим
УдЧ = |1 1,25%| + 1-1 1,5%| = 2,75%.
Используя формулу (1.13) в виде = ^-100%,, найдем Ал:
30
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕСВЕДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ
й 100% 100%
Относительные погрешности могут быть положительными и отри-
цательн ыми.
Большинство электронных приборов класса точности не имеют.
Допустимые значения абсолютной и действительной относительной
погрешностей приводятся в техническом паспорте в виде конкретной
цифры или формулы. Например, в паспорте генератора ГЗ-107 при-
ведена формула расчета действительной относительной погрешности
установки частоты:
301
3+v %
IF]
где F — значение устанавливаемой частоты.
В паспорте измерительного генератора ГЗ-34 приведена формула
расчета абсолютной погрешности установки частоты:
AF = +(1 4- 0,02 F) Гц.
Контрольные вопросы
1. Что такое метрология?
2. Чем отличаются электронные измерения от электрических?
3. Что такое измерение?
4. Каково назначение образцовых приборов?
5. Каково назначение рабочих приборов?
6. Что такое физическая величина?
7. Что такое истинное значение физической величины?
8. Что такое мера?
9. Каково назначение эталона?
10. Что такое цена деления шкалы прибора?
И. Что такое чувствительность прибора и как она определяется?
12. Как определяется диапазон измерения параметра у прибора?
13. Как определяется частотный диапазон прибора и для чего он не-
обходим?
14. Как классифицируются шкалы электромеханических приборов?
15. Может ли погрешность средства измерения быть равной нулю?
16. Может ли погрешность измерения быть равной нулю?
17. Погрешность какого измерения больше — прямого или косвен-
ного?
Контрольные вопросы
31
18. Перечислите погрешности средств измерения.
19. Какая погрешность определяет класс точности прибора?
20. Какой прибор измеряет с меньшей погрешностью: 6-го класса точ-
ности (1,0%) или 8-го класса точности (2,5%)?
21. Какую четверть шкалы аналогового прибора следует использовать
для получения наименьшей погрешности измерения?
22. В какой четверти шкалы прибора действительная относительная
погрешность измерения будет наибольшей?
23. Приведите характеристики основной и дополнительной погреш-
ностей.
24. Перечислите причины возникновения случайной погрешности.
25. Перечислите причины возникновения систематической погреш-
ности.
26. Перечислите способы уменьшения систематической погрешно-
сти?
27. Что такое погрешность измерения?
28. Перечислите способы уменьшения случайной погрешности.
29. Как зависит приведенная относительная погрешность от показа-
ния прибора?
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
2.1. Особенности цифровых
измерительных приборов
Общие сведения. Появление цифровых измерительных приборов
(ЦИП) коренным образом изменило представление о возможностях
измерительной техники. Заняв прочное место в практике измерений,
они непрерывно развиваются, вызывая большой интерес пользовате-
лей. Казалось, что аналоговые приборы ^доживают» свой век. Однако
это далеко не так.
Применение ЦИП ограничивается спецификой обработки ре-
зультатов, от которой зависят точность показаний при измерении
среднеквадратичных значений напряжения, инерционность, невоз-
можность фиксировать мгновенные изменения, происходящие в це-
пях, погрешности, связанные с системой индикации, зависящей от
числа квантования и разрядности шины управляющего процессора
и разрядности собственно цифрового индикатора (ЦИ). Поэтому
необходимо иметь сведения о работе не только современных ЦИП,
но и электромеханических приборов магнитоэлектрической и дру-
гих систем.
ЦИП — это средство измерения, в котором непрерывный (аналого-
вый) сигнал автоматически преобразуется в цифровой сигнал измери-
тельной информации. По сравнению с аналоговыми измерительными
приборами (АИП) цифровые имеют ряд преимуществ:
удобство отсчета значений измеряемого параметра;
исключение субъективной ошибки оператора;
возможность полной автоматизации измерений;
высокая скорость измерений;
возможность вывода результата измерений на ЭВМ.
Однако АИП просты и надежны. В случаях когда оператору необ-
ходимо следить за уровнем изменяющихся во времени сигналов, АИП
более удобны, благодаря наглядности информации об изменениях зна-
чения параметра, его минимальном значении, приближении к конк-
ретному пороговому уровню и тд.
Используемые в электронике сигналы можно разделить на анало-
говые, дискретные и цифровые (рис. 2.1).
2.1. Особенности цифровых измерительных приборов
33
Рис. 2.1, Сигналы, используемые в электронике: о —
аналоговый; б — дискретный; в — цифровой
В технике измерений широко используются импульсные измери-
тельные приборы, устройства и системы, принцип работы которых
основан на использовании дискретных сигналов. Простейшей матема-
тической моделью дискретного сигнала ид(£) является последователь-
ность точек на оси времени, в которых заданы значения соответствую-
щего непрерывного сигнала.
Цифровой сигнал является разновидностью дискретного сигнала.
В таком сигнале дискретные значения заменяются числами (чаще все-
го в двоичном коде), представляющими высокий (единица) и низкий
(нуль) уровень напряжения.
Главным преимуществом ЦИП являются более высокий КПД
и мощность потребления по сравнению с АИП, что объясняется клю-
чевым режимом работы активных (усилительных) элементов (АИП
работают в линейном режиме). В ключевом режиме достигается боль-
шая мощность в течение действия импульсов при малой средней мощ-
ности, потребляемой схемой, что заметно сказывается на снижении
массогабаритных размеров ЦИП и повышении их надежности.
Принципы построения. Аналоговый входной сигнал (сигнал из-
мерительной информации), характеризующий физический процесс,
преобразуется в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) в после-
довательность импульсов, которые далее обрабатываются цифровым
устройством. Это преобразование выполняется по одному из трех ва-
риантов: дискретизация, квантование или кодирование.
АЦП является важной частью ЦИП и представляет собой
устройство, автоматически преобразующее аналоговую измеряе-
мую величину в дискретную с последующим цифровым кодирова-
нием. В зависимости от схемы построения АЦП можно разделить
на три группы: последовательные, параллельные, последовательно-
параллельные.
34-
ГЛАВА 2. С РЕД СТВА ЭЛ ЕКТРОТЕХН И Ч ЕС КИХ И 3 М ЕР ЕН И Й
Использование интегральных микросхем высокой степени интегра-
ции замети о расширило фу н к цио нал ьные возможности ЦИП, повыси-
ло их надежность и одновременно снизило потребляемую мощность.
Большинство ЦИП автоматически выбирают пределы измерения, что
позволяет уменьшить погрешность измерения при большом динами-
ческом диапазоне входного сигнала.
Дискретизация — это процесс преобразования аналогового вход-
ного сигнала в дискретный. Преобразование можно выполнять но вре-
мени или по уровню.
Дискретизация по времени выполняется путем взятия отсчетов
сигнала uA(f) в определенные детерминированные моменты времени.
В результате от входного сигнала остается только совокупность от-
дельных значений. Промежуток времени Af между двумя моментами
дискретизации называется ша?олс дискретизации. Как правило, мо-
менты отсчетов по оси времени выбираются равномерными, т.е. шаг
дискретизации Af постоянен.
Квантование — это дискретизация по уровню. Квантование со-
стоит в том, что непрерывное по времени и амплитуде значение за-
меняется ближайшим фиксированным значением по установленной
шкале дискретных уровней. Эти разрешенные уровни образованы по
определенному закону с помощью мер. Разность Af между двумя дис-
кретными уровнями называется шдеолс квантования. Шаг квантова-
ния может быть постоянным и переменным.
Дискретизация аналогового сигнала но времени целесообразна при
измерении его значения во времени. Если входной сигнал неизменен,
то выполняют квантование. Особым случаем является измерение вре-
менного интервала, когда дискретизация не имеет смысла и обеспечи-
вается квантование собственно времени, а последующее преобразова-
ние обеспечивается кодированием.
Кодирование — это процесс представления численного значения
величины определенной последовательностью цифр или сигналов, т.е.
кодом. Для преобразования цифрового кода в напряжения, воздей-
ствующие на цифровой индикатор и формирующие показания ЦИП,
используются дешифраторы.
Цифровой код — это последовательность сигналов или цифр, изме-
няющихся по определенному закону, которая обеспечивает условное
представление численного значения параметра.
Описанные преобразования поясняются графиками, представлен-
ными на рис. 2.2.
2.1. Особенности цифровых измерительных приборов
35
К(Мк0Д
Кодовая
группа
1
Illi III Illi I Illi ill Illi Illi
0 rt, rtj f)g r?7 rtg f)g
Рис, 2.2. Сигналы в процессе аналого-цифрового преобразования: а — входной
аналоговый; б — дискретизированный; в — квантованный; г — кодированный
Входной сигнал jc(t) представляет собой аналоговый сигнал во вре-
мени (см. рис. 2.2, л). Дискретизация выполняется с интервалом At.
Моменты дискретизации обозначены на рисун ке цифрами 1, 2 9. На
36
ГЛАВА 2. С РЕДСТВА ЭЛ ЕКГРОТЕХН И Ч ЕС КИХ И 3 М ЕР ЕН И Й
практике такое преобразование можно обеспечить путем амплитудной
модуляции входным сигналом jr(t). Последовательность коротких
импульсов задается периодом At. Значения сигнала jr(t;), полученные
после дискретизации (см. рис. 2.2, б), точно соответствуют мгновен-
ным значениям функции x(t). Если на этом графике отметить уровни
квантования, отстающие на расстояние Дг, то часть дискретных значе-
ний сигнала оказывается в промежутках между ними.
Процесс квантования по уровню сводится к округлению дискрет-
ных значений, соответствующих ближайшим разрешенным уровням.
В момент 1 мгновенное значение сигнала превышает уровень т3 на ве-
Аг
личину, несколько меньшую Округление производится в сторону
уменьшения, а квантованное значение выбирается равным х3. В мо-
м ент 2 з паче н ие си гнала п ревы шает у рове н ь н а вел и чи ну больше —
и квантованное значение принимается равным дг5. (см. рис. 2.2 в).
Заключительный этап преобразования состоит в преобразовании
квантованного сигнала Jf(t;)KB в цифровой код. Примером цифрового
унитарного кодад^) может служить код, соответствующий значени-
ям квантованного сигнала (см. рис. 2.2, г). При таком кодировании
количество импульсов в кодовой группе (кодовые группы на рисунке
обозначены как и т.д.) прямо зависит от уровня квантованного
сигнала. Например, моменту 7 соответствует уровень кодирования лсе,
а в кодовой группе имеется шесть импульсов.
Из приведенных графиков следует, что при дискретизации и кван-
товании сигнала появляется погрешность преобразования. Аналого-
вая функция x(t) анализируется только в момент дискретизации, при
этом предполагается, что на интервале At между двумя отсчетными
точками сигнал неизменен. Следовательно, при сближении отсчетных
точек уменьшается интервал At, за счет чего можно добиться снижения
погрешности до допустимого значения.
При измерении постоянного во времени параметра погрешность
преобразования, связанная с дискретизацией, отсутствует.
Погрешность, вызванная квантованием аналогового измеряемого
параметра, зависит от конечного числа уровней квантования. Такая по-
грешность — погрешность дискретизации Ад — характеризует все ЦИП.
При равномерном квантовании зга погрешность лежит в границах
О <Дд<Дх
Следующей операцией преобразования в ЦИП является перевод
цифрового кода в показания ЦИ.
2.1. Особенности цифровых измерительных приборов
37
Для этого служит дешифратор, превращающий пакет импульсов
(кодовые группы) в соответствующие значения параметра Кодовые
группы управляют работой ЦИ.
Рассмотренная цепочка преобразований, проходящих в аналого-
цифровом преобразователе, дешифраторе и ЦИ, дает упрощенное
представление о работе ЦИП.
Например, при измерении неизвестного значения параметра доста-
точно одного цикла преобразования, по окончании которого образуется
кодовая группа (пакет импульсов), передаваемая в течение короткого
интервала времени, а результат измерения должен сохраняться на экра-
не ЦИ достаточно долго (до следующего цикла). Этим объясняется не-
обходимость наличия в составе ЦИП запоминающего устройства (ЗУ).
Режимы работы и параметры. Режим однократного измерения
используется в тех случаях, когда значение параметра неизменно. Сиг-
нал на проведение измерения подается оператором. Результат изме-
рения хранится в ЗУ и воспроизводится на ЦИ. ЦИП обеспечивает
квантование и кодирование измерительного сигнала.
Режим периодического измерения используется в тех случаях,
когда процесс измерения повторяется через интервал времени Д£, за-
даваемый оператором. При этом ЦИП выполняет операции дискрети-
зации, квантования и кодирования. На экране ЦИ результат обновля-
ется после каждого цикла измерения.
Следящий режим измерения реализуется в тех случаях, когда
цикл измерения повторяется после того, как изменение измеряемой
величины превысит ступень квантования.
К числу важных параметров ЦИП относятся быстродействие, вре-
мя измерения, помехоустойчивость и погрешность.
быстродействие — это максимальное количество измерений с до-
пустимой погрешностью, выполняемое ЦИП в единицу времени.
У ЦИП очень высокое быстродействие — до 107 преобразований
в секунду. Такое быстродействие оператор, кагоры й воспринимает
лишь 2—3 измерения в секунду, при визуальном наблюдении не может
воспринять, а регистрирующие устройства способны воспринять не
более 100 измерений в секунду.
Время измерения — это интервал от начала цикла преобразования
измеряемого параметра до получения результата.
Помехоустойчивость — это способность ЦИП производить изме-
рения с допустимой погрешностью при наличии помех.
Новое направление в развитии ЦИП — использование микропро-
цессора, обеспечивающего управление собственно процессом измере-
38
ГЛАВА 2. С РЕДСТВА ЭЛ ЕКГРОТЕХН И Ч ЕС КИХ И 3 М ЕР ЕН И Й
ния, автоматическое градуирование по заданной программе, самодиаг-
ностику, а также первичную обработку результата измерения.
В настоящее время активно развиваются и совершенствуются
компьютерно-измерительные системы (КИС) и их разновидность —
виртуальные измерительные приборы.
2.2. Измерительные генераторы
Общие сведения. В электронике нашли широкое применение ис-
точники сигналов разной формы, частоты и мощности. Эти источники
называются измерительными генераторами (ИГ) и классифицируют-
ся по ряду признаков:
фор ме выходи ого си гн ала — ген ераторы гармо н и чес к их и и м п ульс-
ных (различной формы) сигналов;
частотному диапазону — низкочастотные, высокочастотные
и сверхвысокочастотные;
мощности — малой, средней и большой мощности.
В каталоговой классификации измерительные генераторы обозна-
чаются следующим образом: Г1 — образцовые, Г2 — генераторы шума,
ГЗ — низкочастотные, Г4 — высоко- и сверхвысокочастотные, Г5 — им-
пульсные, Гб — генераторы сигналов специальной формы.
Генераторы низких, высоких и сверхвысоких частот являются ис-
точниками гармонического сигнала.
Генераторы гармонических сигналов для средств измерения вы-
полняются в виде генераторов сигналов (ГС), относящихся к низко-
частотным генераторам (группа ГЗ) и генераторов стандартного сигна-
ла (ГСС), у которых значения частоты, напряжения и форма сигнала
стабилизированы и калиброваны. ГСС относятся к высокочастотным
генераторам (группа Г4).
Низкочастотные генераторы. Низкочастотные генераторы, или
генераторы низких частот (ГНЧ), являются источниками синусои-
дального сигнала в разных диапазонах частот: F< 20 Гц (инфразвуко-
вые), 20 П1... 20 кГц (звуковые), 20...200 кГц (ультразвуковые). Диапа-
зон частот может быть расширен до 200 кП{. В приборах некоторых
типов наряду с синусоидальным сигналом вырабатывается сигнал, на-
зываемый .медндроч.
ГНЧ применяются для всестороннего исследования трактов радио-
приемных устройств, для питания мостов переменного тока и пр.
Структурная схема аналогового ГНЧ представлена на рис. 2.3.
2.2. Измерительные генераторы
39
Рис. 2.3. Структурная схема аналогового ГНЧ
Задающий генератор определяет форму и все частотные параметры
сигнала: диапазон частот, погрешность установки частоты, нестабиль-
ность частоты, коэффициент нелинейных искажений.
Если на лицевой панели прибора форма сигнала не указана, то она
всегда синусоидальная. В качестве задающего используются генерато-
ры типа RC, колебательная система которых состоит из фазирующих
RC-цепей. Весь частотный диапазон генератора поделен на3—4 подди-
апазона. Каждому поддиапазону соответствует определен ное значение
сопротивления резистора (рис. 2.4), что позволяет изменять частоту
дискретно. Плавная установка частоты осуществляется конденсато-
ром переменной емкости, который обслуживает все поддиапазоны. За-
дающие генераторы типа RC просты, дешевы, имеют малый коэффи-
циент нелинейных искажений и малые массогабаритные размеры.
Q - -я-1—£—|——I——I—--------------------1
Поддиапазон
О “ *0* *______________t_______________>
Частотный диапазон
Рис. 2.4. Принцип установки частоты задающего генератора
Формула частоты колебаний генератора типа RC:
2яЯС + (2.1)
В некоторых ГНЧ дискретное регулирование частоты осуществля-
ется не резистором, а конденсатором. Тогда плавная установка частоты
обеспечивается переменным резистором-потенциометром.
ослабляет влияние последующих блоков на задающий
генератор, делая его частотные параметры более качественными, обес-
40
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛ ЕКГРОТЕХН ИЧ ЕС КИХ ИЗМЕРЕНИЙ
печивает усиление сигнала по напряжению (мощности) и позволяет
плавно изменять напряжение на выходе.
Согласующий трансформатор предназначен для ступенчатого со-
гласования выходного сопротивления генератора с сопротивлением
подключаемой нагрузки. Наличие у трансформатора средней точки
(с.т.) позволяет получать два одинаковых по значению, но противопо-
ложных по фазе выходных напряжения (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Электрическая принципиальная схема
согласующего трансформатора со средней точкой
Выходной согласующий трансформатор используется в генерато-
рах с повышенным уровнем выходной мощности. У большинства низ-
кочастотных генераторов выходной трансформатор отсутствует.
Переключатель нагрузки обеспечивает согласование выходного со-
противления 7?ВЬ[Х генератора с сопротивлением нагрузки /?н. Если не
выполняется согласование, то напряжение на выходе не соответству-
ет установленному по индикатору генератора, генератор даже может
выйти из строя. Наиболее распространенными значениями /?ВЬ]Х явля-
ются 5, 50, 600 и 6 000 Ом. Для согласования сопротивлений по выходу
1 в комплекте с прибором поставляется специальная нагрузка 50 Ом
с кабелем.
Контроль выходного напряжения обеспечивается электронным
вольтметром типа У—Д либо электромеханическим вольтметром вы-
прямительной системы. Индикатор выходного напряжения всегда по-
казывает среднеквадратичное значение синусоидального сигнала.
Аттенюатор обеспечивает получение на выходе разных по значе-
нию напряжений, изменяющихся дискретно. При этом входное и вы-
ходное сопротивления аттенюатора не меняются и согласование не на-
рушается. Иногда ослабление указывается не в вольтах, а в децибелах.
Ослабление, вносимое аттенюатором, рассчитывается по формуле
l/„(aB) = 201g^^, (2.2)
где tfBJt(B) — напряжение на входе аттенюатора;
£/ВЫх(В) — напряжение на выходе аттенюатора.
2.2. Измерительные генераторы
41
Рассмотрим два примера.
Пример 1. Определить напряжение на выходе генератора в вольтах,
если на входе оно составляет 1 В, а на выходе £7 = 60 дБ.
На основании формулы (2.2) запишем:
ЛЛ1 1В Л . ГВ ,ЛЛЛ ГВ
60дБ = 201я--------;-г; 3= 1g-------г-;-; 1000 =-----
^(В) ^Лв) 17ИК(В)
^(В) = -4-=0.001В=1мВ.
1VUV
Пример 2. Определить значение затухания, вносимого аттенюато-
ром генератора, если напряжение на его входе составляет 1 В, а на вы-
ходе 100 мВ.
На основании формулы (2.2) запишем
IU (дБ) = 201g ^ = 20 дБ.
U,Lr>
Цифровые ГНЧ по сравнению с аналоговыми имеют более каче-
ственные метрологические характеристики: меньшую погрешность
установки и нестабильности частоты, меньший коэффициент нели-
нейных искажений, стабильность уровня выходного сигнала.
Такие генераторы получают все большее распространение по срав-
нению с аналоговыми за счет более высокого быстродействия, упроще-
ния установки частоты, исключения субъективной ошибки в задании
параметров выходного сигнала. Благодаря встроенному микропроцес-
сору в цифровых ГНЧ можно по заданной программе автоматически
перестраивать частоту сигнала.
Работа цифровых ГНЧ основана на принципе формирования число-
вого кода с последующим преобразованием его в аналоговый гармони-
ческий сигнал, который аппроксимируется функцией, моделируемой
с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Структурная
схема цифрового ГНЧ представлена на рис. 2.6.
Задающий генератор импульсов Делитель частоты Счетчик ЦАП Усилитель сфНЧ с*
Рис. 2.6. Структурная схема цифрового ГНЧ
Задающий генератор импульсов с кварцевой стабилизацией часто-
ты вырабатывает короткие импульсы в периодической последователь-
42 ГЛАВА2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
ности, которые поступают на делитель частоты. На выходе делителя
частоты с регулируемым коэффициентом деления образуется после-
довательность импульсов с заданным периодом следования, опреде-
ляющим шаг дискретизации.
Счетчик подсчитывает поступающие на него импульсы, кодовая
комбинация накопленных в счетчике импульсов подается в
лийлогоеыи преобразователь, который вырабатывает соответствующее
напряжение. После переполнения счетчик обнуляется и готов к нача-
лу формирования следующего периода.
Высокочастотные и сверхвысокочастотные генераторы. Высо-
кочастотные и сверхвысокочастотные генераторы, или генераторы
высоких и сверхвысоких частот (ГВЧ и ГСВЧ), являются источ-
никами синусоидального и не менее одного модулированного по
какому-либо параметру сигналов (амплитуд но-модулированного —
AM-сигнал, частотно-модулированного — ЧМ-сигнал) с известны-
ми параметрами. Форма сигналов на выходе ГВЧ представлена на
рис. 2.7.
Рис. 2.7. Синусоидальный (д) и амплитудно-
го дул ированный (б) сигналы на выходе ГВЧ
Если на лицевой панели прибора форма сигналов не указана, то это
всегда синусоидальный и АМ-сигнал.
Приведенные сигналы характеризируются следующими параме-
трами: f — несущая (модулированная) высокая частота, F — модули-
рующая низкая частота, Л/ — коэффициент амплитудной модуляции
(Л/ = д+б ' 100%). ГВЧ и ГСВЧ перекрывают следующие диапазоны
несущих частот: 200 кГц ...30 МГц (высокие) и/ > 30 МГц (сверхвы-
сокие). Диапазон частот может быть расширен до / < 200 кГц.
Такие генераторы применяются для всестороннего исследования
высокочастотных трактов теле- и радиоприемных устройств, для пита-
ния схем напряжением высоких и сверхвысоких частот. Структурная
схема ГВЧ приведена на рис. 2.8.
генератор I определяет значение несущей частоты /
и форму сигнала. В качестве задающего генератора используется
2.2. Измерительные генераторы
43
Рис. 2.8. Структурная схема ГВЧ
генератор типа LC, колебательная система которого представляет
собой параллельный контур, состоящий из катушки индуктивно-
сти L и конденсатора С. Частота колебаний выражается форму-
лой
f =___1___.
(2.3)
Весь частотный диапазон ГВЧ поделен на поддиапазоны, количе-
ство которых может достигать восьми. Каждому поддиапазону соот-
ветствует конкретная катушка индуктивности, а плавная установка
частоты (в границах поддиапазона) осуществляется с помощью кон-
денсатора переменной емкости.
ГВЧ имеет два выхода: микровольтовый и одновольтовый.
С выхода задающего генератора I напряжение поступает на два ка-
нала: основной и вспомогательный.
Основной канал содержит усилитель-модулятор и высокочастот-
ный аттенюатор (выход <spV»). С этого выхода снимается немодули-
рованное синусоидальное или модулированное регулируемое высоко-
частотное колебание, калиброванное по напряжению. Для нормальной
работы ГВЧ в комплект поставки входит согласующая нагрузка 50 Ом.
Как и в ГНЧ, индикатор показывает сред неквадратичное значение си-
нусоидального напряжения.
Вспомогательный канал содержит усилитель и выход <slV>. С этого
выхода снимается неконтролируемое, нем одул и рован ное (т.е. си ну-
44
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛ ЕКГРОТЕХН ИЧ ЕС КИХ ИЗМЕРЕНИЙ
соидальное), нерегулируемое высокочастотное напряжение 1...2 В на
согласующую нагрузку.
Вход AM предназначен для подключения внешнего модулирую-
щего генератора (злдлющего генератора II) при положении тумбле-
ра «Внеш.» или внутреннего модулирующего генератора (задающего
генератора II) при положении тумблера «Внутр.». Обычно значение
модулирующей частоты — фиксированное (400 или 1000 ГЦ). Если на
лицевой панели оно не указано, то принимается равным 1000 Гц.
Особенностью ГСВЧ является использование специальных сверх-
высокочастотных усилительных приборов: клистронов, ЛОВ-ламп
обратной волны, лавинно-пролетных диодов, диодов Ганна, магнитро-
нов, а также колебательных систем на объемном резонаторе или чет-
вертьволновом отрезке волновода, коаксиальной линии.
На калиброванном выходе ГСВЧ мощность не превышает не-
скольких микроватт, а на некалиброванном — нескольких ватт. Кро-
ме синусоидального сигнала, ГСВЧ могут вырабатывать импульсно-
модулированный сигнал (ИМ-сигнал).
Импульсные генераторы. Импульсные генераторы, или генера-
торы импульсов (ГИ), нашли применение при настройке и регулиро-
вании импульсных схем, используемых в телевидении и связи, ЭВМ,
радиолокации и т.д. Широко используются генераторы, обеспечиваю-
щие получение напряжений прямоугольной формы. Параметры им-
пульсного сигнала могут регулироваться в широких диапазонах.
ГИ является источником двух сигналов: основного и дополнитель-
ного (синхронизированных импульсов — СИ). К основным параметрам
этих сигналов, регулируемым в широких пределах (рис. 2.9), относятся
Um — амплитудное значение напряжения, — длительность импульса,
ta — время задержки (временной сдвиг) основных импульсов по отно-
шению к синхроимпульсам, Г — период повторения импульсов.
Рис. 2.9. Параметры выходных сигналов ГИ
2.2. Измерительные генераторы
45
К косвенным (вторичным) параметрам сигналов ГИ относятся —
скважность, которая должна быть > 2 и рассчитывается по формуле
Г 1 1
q = — - ~F — частота повторения импульсов Б = —,
Структурная схема ГИ приведена на рис. 2.10.
Рис. 2.10. Структурная схема ГИ
генератор вырабатывает короткие импульсы с часто-
той F и может работать в автоколебательном (положение ключа <tl>)
или в ждущем (положение ключа «2>) режимах. В режиме внешнего
запуска частота следования импульсов определяется внешним гене-
ратором, подключенным к гнезду зВход>. Разовый запуск обеспечи-
вается нажатием кнопки устройства внешнего и разового запу-
ска.
Блок формирования СИ обеспечивает необходимую форму СИ.
Блок задержки создает временной сдвиг на время ta основных им-
пульсов относительно СИ, поступающих от задающего генератора.
Блок формирования основных импульсов обеспечивает получение на
выходе импульсов необходимой формы и длительности.
Мзылмтель увеличивает амплитуду импульсов, позволяет менять их
полярность и осуществляет согласование по сопротивлению с нагруз-
кой, поставляемой в комплекте с генератором.
46
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛ ЕКГРОТЕХН ИЧ ЕС КИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Дттенюлтор уменьшает амплитуду импульсов в фиксированное
число раз.
Измерительный блок представляет собой вольтметр, контролирую-
щий амплитудное значение импульсного сигнала.
К основным метрологическим характеристикам генераторов, кото-
рые необходимо знать при выборе прибора, относятся следующие:
форма сигнала;
диапазон регулирования параметров;
допустимая погрешность установки каждого параметра;
максимальная допустимая временная нестабильность параметров;
допустимые искажения формы сигнала.
2.3. Электронные осциллографы
Общие сведения. Осциллографы относятся к приборам, позволя-
ющим наблюдать форму различных сигналов и измерять параметры
этих сигналов. Отличительной особенностью осциллографов является
их многофункциональность. С помощью осциллографа можно изме-
рить напряжение, силу тока, сопротивление резисторов, частоту, пери-
од и длительность импульсов, время установления переднего фронта
и заднего среза импульса, фазовый и временной сдвиги, коэффици-
ент амплитудной модуляции и другие параметры, т.е. осциллографы
с полным правом можно назвать универсальными приборами. Все
перечисленные параметры измеряются аналоговыми электронными
осциллографами косвенно.
Современные осциллографы делятся на электромеханические (са-
мописцы) и электронные (злекрон но-лучевые) и различаются между
собой принципом построения, областями измерения, а часто и типами
решаемых задач.
Элекмрамелдекические (вибраторные, шлейфовые) осциллогра-
фы по каталоговой классификации относятся к группе Н и использу-
ются в технике низких частот — до 4...5 кГц. Важным преимуществом
таких осциллографов является возможность наблюдения одновремен-
но нескольких процессов (до 12) в течение длительного времени. Из-
за низкого частотного диапазона такие осциллографы в электронике
не используются.
Электронные осциллографы (ЭО) по каталоговой классификации
обозначаются следующим образом: С1 — универсальные, С7 — стробо-
скопические и скоростные, С8 — запоминающие, С9 — специальные.
ЭО применяются для наблюдения и измерения быстронротекающих
процессов с частотами до десятка гигагерц. Это означает, что изображе-
2.3. Электронные осциллографы
47
ние сигнала на экране аналогового осциллографа появляется практиче-
ски одновременное подачей сигнала на вход. Такие приборы называются
осциллографами реального времени. Для расширения функциональных
возможностей и диапазона измерения параметров сигналов современ-
ные осциллографы часто выполняются со сменными блоками.
В качестве «карандаша», вычерчивающего закон изменения ис-
следуемой величины на люминесцирующем экране, в 30 использует-
ся узкий луч электронов, формируемый внутри электронно-лучевой
трубки (ЭЛТ) особой электронно-оптической системы — электронной
пушкой. Устройство ЭЛТ с электростатическим управлением луча по-
казано на рис. 2.11.
Рис. 2.11. Устройство ЭЛТ с электростатическим управлением луча
Внутри стеклянного баллона, в котором путем откачивания воз-
духа создается вакуум, расположен катод К с прямым или косвенным
подогревом, модулятор М, изменением напряжения на котором регу-
лируется яркость луча, фокусирующий анод At, ускоряющий анод А2
и две пары отклоняющих пластин: горизонтальные — X и вертикаль-
ные — Y. Внутренняя поверхность экрана трубки покрыта слоем лю-
минофора, светящегося под действием бомбардировки электронами.
Электронная трубка, состоящая из К, М, Аь А2, формирует узкий луч
электронов.
Осциллографические трубки имеют следующие параметры: размер
по диагонали, чувствительность
где А — отклонение луча на экране (в делениях);
trBX — значение напряжения на пластинах, вызвавшее отклонение А.
В современных ЭО на лицевой панели указывается коэффициент
отклонения по каналу X или Y:
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛ ЕКГРОТЕХН ИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
, 1 tL в
s h дел. ’
(2-5)
а также ток накала — /н, напряжение накала — Е7Н, время послесвече-
ния — t, запирающее напряжение на управляющем электроде — {/а
и рабочее напряжение на анодах Aj и А2.
Структурная электрическая схема универсального аналогового
осциллографа. Существует большое многообразие универсальных
осциллографов, отдельные модели отличаются друг от друга некото-
рыми параметрами. Однако структурная схема, определяемая особен-
ностями ЭЛТ, у них общая (рис. 2.12). ЭЛТ, используемые в универ-
сальных осциллографах, относятся к низковольтным — 1...3 кВ.
Рис. 2.12. Упрощенная структурная схема универсального
аналогового осциллографа
Универсальный осциллограф состоит из ЭЛТ с электростатическим
отклонением луча, трех элекгрических каналов (Y, X, Z) и блока питания.
По каналу У подается исследуемое напряжение, отклоняющее
электронный луч в вертикальном направлении. Отличительным при-
2.3. Электронные осциллографы
49
знаком входа канала Y является указание значения входного импедан-
са (7?вх, Свх) на лицевой панели прибора (рядом со входом).
По каналу X подается вспомогательное напряжение, отклоняющее
электронный луч в горизонтальном направлении. Вход канала X, как
и вход канала Y, расположен на лицевой панели прибора.
По канолу Z подается напряжение, управляющее яркостью луча.
Вход канала Z расположен па задней панели осциллографа, так как
этот вход используется реже, чем входы каналов Y и X.
Блок питания обеспечивает питание различными по значению нап-
ряжениями не только ЭЛТ, но и все остальные блоки осциллографа.
Входной делитель, блок задержки и усилитель образуют канол вер-
тикального отклонения луча (КВО). Исследуемое напряжение доста-
точного значения может быть подано непосредственно на пластины Y.
Капал горизонтального отклонения луча (КГО) содержит входной
делитель, генератор развертки, блок синхронизации и усилитель КГО,
в котором формируется развертывающее пилообразное напряжение,
подаваемое непосредственно или через КГО на горизонтальные от-
клоняющие пластины канала X.
Для проверки работоспособности осциллографа в структурную
схему прибора введен калибратор — устройство, формирующее пе-
риодический импульсный сигнал с известными высокостабильными
параметрами (амплитудой, частотой и длительностью), используемый
для снижения погрешности измерений.
Входы каналов вертикального и горизонтального отклонения вы-
полнены с переходными конденсаторами (закрытый вход —) либо без
них (открытый входе*). Открытый вход канала Y обеспечивает совпа-
дение линии развертки (на экране) и оси времени и па практике ис-
пользуется в подавляющем большинстве случаев.
Осциллографические развертки. Напряжение, обеспечивающее
перемещение электронного луча по горизонтали (оси времени), на-
зывается в осциллографах развертывающим напряжением', траек-
тория, описываемая на экране ЭЛЛ' при отсутствии исследуемого на-
пряжения, — разверткой; время, в течение которого описывается эта
траектория, — длительностью развертки, а ее линейный размер по
оси времени — длиной развертки.
Развертки, применяемые в современных аналоговых осциллогра-
фах, различаются по нескольким признакам:
по форме развертывающего напряжения — пилообразные и сину-
соидальные;
50
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛ ЕКГРОТЕХН ИЧ ЕС КИХ ИЗМЕРЕНИЙ
• по форме траектории на экране ЭЛТ (при одновременной подаче
исследуемого и развертывающего напряжений) — линейные, кру-
говые и спиральные;
• по временным соотношениям — непрерывные, ждущие, ждуще-
зад ержанные (лупа времени) и однократные.
Наиболее широко используется линейная развертка, создаваемая
напряжением t/д пилообразной формы и вырабатываемая генератором
развертки. В зависимости от режима работы генератора развертки, как
уже отмечалось ранее, линейная развертка может быть непрерывной
или ждущей.
Непрерывная линейная развертка применяется для исследова-
ния гармонических процессов. Генератор развертки вырабатывает сиг-
нал даже при отсутствии на его входе запускающего сигнала. К пла-
стинам канала Y подводится исследуемое напряжение, а к пластинам
канала X — напряжение, нарастающее (или убывающее) линейно, т.е.
изменяющееся пропорционально времени. Рассмотрим основные па-
раметры идеального и реального линейного развертывающего напря-
жения (рис. 2.13).
Рис. 2.13. Примеры линейно-нарастающего (д) и линейно-убывающего
(б) идеального и реального развертывающего напряжения
Параметрами непрерывного реального развертывающего напряже-
ния являются tpx — время рабочего (прямого) хода луча, Гох — время
обратного хода луча, 7д — период повторения развертывающего нап-
ряжения.
Под действием только реального развертывающего напряжения
электронный луч перемещается слева направо по экрану за время fpx
2.3. Электронные осциллографы
51
и быстро (так как «tpX) возвращается в исходное положение (спра-
ва налево). Развертывающее напряжение — периодическое, с периодом
Гх = ГРх + Г(К, (2.6)
поэтому перемещение луча на экране будет повторяться. Из-за инер-
ционности ЭЛТ и человеческого глаза движение электронного луча
незаметно, на экране будет видна светящаяся горизонтальная линия
развертки.
При одновременной подаче исследуемого (на пластины канала Y)
и развертывающего (на пластины канала X) напряжения электронный
луч будет перемещаться по экрану в соответствии с законом исследуе-
мого сигнала. На рисунке 2.14 показан о пол учение осциллограммы ис-
следуемого сигнала при идеальной форме развертывающего напряже-
ния и при Fx = Fy. Положения 0, 1,2... осциллограммы на экране ЭЛТ
в соответствующие моменты времени определяются мгновенными
значениями исследуемого и развертывающего напряжения.
Рис. 2.14. Осциллограмма исследуемо го с и гнала при
идеальной форме развертывающего напряжения
Если при Fy = Fx использовать реальное развертывающее напряже-
ние, то осциллограмма на экране будет искажена. Обратный ход раз-
52
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛ ЕКГРОТЕХН ИЧ ЕС КИХ ИЗМЕРЕНИЙ
вертки fox 0 приводит к получению неполного периода синусоиды,
так как за время foX электронный луч возвращается в исходное положе-
ние не мгновенно. Для уменьшения искажений, вносимых foXj на время
его действия, выключают электронный луч подачей запирающего им-
пульса на вход канала Z.
При нарушении линейности развертывающего напряжения мас-
штаб времени непостоянен, так как скорость изменения (соответ-
ственно, и скорость движения электронного луча по горизонтали) все
время уменьшается. В результате первый пол у пери од исследуемого
сигнала будет непомерно растянут по сравнению с оригиналом, а по-
следующие — сжаты, как показано на рис. 2.15.
Рис. 2.15. Осциллограмма исследуемо го с и гнала при
реальной форме развертывающего напряжения
Для получения возможно меньших искажений осциллограммы раз-
вертывающее напряжение должно иметь высокую линейность с воз-
можно меньшим временем foX.
Ждущая линейная развертка применяется для исследования им-
пульсных сигналов. При этом генератор развертки запускается только
с помощью сигнала запуска. На рисунке 2.16 приведено реальное жду-
2.3. Электронные осциллографы
53
щее линейное развертывающее напряжение, в котором к уже извест-
ным временным параметрам добавляется fOBt — время ожидания. Под
действием ждущего напряжения электронный луч, проделав за время
tpX один прямой ход (слева направо) и за время Гох — один обратный
ход, остается некоторое время fOBt в состоянии ожидания (покоя). За-
тем процесс перемещения луча повторится. В результате на экране бу-
дет светящаяся горизонтальная линия развертки.
Рис. 2.16. Реальное ждущее линейное развертывающее напряжение
В осциллографах начало ждущей развертки несколько задержано
относительно фронта исследуемого импульса Uy. Поэтому для наблю-
дения короткого фронта исследуемый сигнал задерживают во вре-
мени в канале вертикального отклонения с помощью блока задержки
(см. рис. 2.12).
Преимущества ждущей развертки по сравнению с непрерывной
при исследовании импульсных сигналов рассмотрим на примере
(рис. 2.17). Полученные осциллограммы показывают, что при исполь-
зовании непрерывной линейной развертки размеры импульса по гори-
зонтали будут занимать Уюо часть длины развертки, т.е. длительность
импульса оказывается сжатой по оси времени настолько, что его вер-
шина превращается в светящуюся точку, а сам импульс — в вертикаль-
ную линию. При таком масштабе невозможно наблюдать форму сигна-
ла и измерить его временные параметры (длительность импульса —
время установления переднего фронта — ^ф, время установления зад-
него среза — £ср).
При использовании ждущей развертки того же периода следования
и амплитуды, но с tpX + toX = 2 мкс длительность исследуемого импульса
становится сопоставимой с гЖр. В результате размеры исследуемого им-
пульса займут по горизонтали половину всей длины линии развертки,
т.е. произойдет увеличение длительности импульса примерно в 50 раз
(без учета времени обратного хода).
Ждущая развертка должна отвечать некоторым требованиям:
54
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛ ЕКГРОТЕХН ИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
я б
Рис. 2.17. Осциллограммы исследуемого импульсного си гнала при
использовании непрерывной (я) и ждущей (d) разверток
• для получения минимальных искажений исследуемого сигнала
развертка должна быть линейной (неэкспоненциальной), как и не-
прерывная пилообразная, с возможно меньшим обратным ходом;
• для получения неподвижной осциллограммы при использовании
ждущей и непрерывной линейной развертки необходимо приме-
нять синхронизацию.
• для получения исследуемого сигнала в крупном масштабе по гори-
зонтали необходимо выбрать положение органа управления, задаю-
щего масштаб, — переключателя ^Длительность» («Время/дел.»).
Например, необходимо исследовать и измерить импульсный сиг-
нал прямоугольной формы длительностью = 5 мкс осциллографом,
у которого переключатель 4 Время/дел.» имеет положения 0,1—0,2—
0,5—1—2—5—10—20—50 ps -0,1 -0,2-0,5-1 -2-5-10-20-50 ms.
На рисунке 2.18 представлены осциллограммы импульсного сигнала
с £и = 5 мкс при разных положениях переключателя для четырех значе-
ний калиброванной развертки: 0,5—1—5 мкс—50 р.5.
Анализ этих осциллограмм показывает, что из всех положений пе-
реключателя «Время/дел.» оптимальным является положение 41 рз»,
поскольку при этом положении хорошо видна форма сигнала и дли-
тельность импульса можно измерить с наименьшей погрешностью.
Синхронизация развертки — зто принудительная 4подгонка» ча-
стоты развертки к кратности частоты сигнала.
2.3. Электронные осциллографы
55
Наблюдать исследуемый сигнал на экране осциллографа и изме-
рить его параметры можно только при неподвижной осциллограмме,
что обеспечивается при условии равенства или кратности частот (пе-
риодов) развертывающего и исследуемого сигналов, т.е. при
FY = nFx или Гх = пТу, (2.7)
где п — коэффициент частоты (периодов) сигнала: я = 1,2,3 ...
Для выполнения этого условия и необходима синхронизация.
Внутренняя синхронизация осуществляется от внутреннего ис-
точника осциллографа. В качестве источника внешней синхрониза-
ции используется напряжение внешнего генератора. Синхронизация
осуществляется короткими импульсами, вырабатываемыми блоком
синхронизации, запускающими генератор развертки (см. рис. 2.12)
и управляющими его работой. Эти импульсы можно синхронизиро-
вать не только с t/y, но и со специальным внешним сигналом, посту-
пающим на блок синхронизации при установке переключателя вида
синхронизации в положение «Внеш.>.
Например, в качестве исследуемого сигнала взята синусоида Uv
и рассмотрены три варианта соотношения периодов развертывающе-
го напряжения {/х (рис. 2.19). Изображение синусоидального сигнала
будет неподвижным при кратности я = 1, Fx =FY (см. рис. 2.19, я). При
отсутствии кратности оно скользит влево (см. рис. 2.19, б) либо вправо
(см. рис. 2.19, в) — в зависимости от соотношения частот и Гу.
На практике при внутренней синхронизации неподвижность обеспе-
чивается регулировкой зСтаб.», выведенной на лицевую панель прибора.
Лучшие результаты по обеспечению постоянства кратности частоты сиг-
нала дает синхронизация частоты генератора развертки частотой исследу-
емого напряжения или другой стабильной частотой, кратной частоте /у
Круговая развертка применяется при измерении частоты и фа-
зовых сдвигов после подачи на пластины канала X синусоидального
56
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛ ЕКГРОТЕХН ИЧ ЕС КИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Рис. 2.19. Графики, поясняющие движение изображения синусоидального
сигнала: а — неподвижное; б — скользит в лево; в — скользит в право
напряжения. Круговая развертка формируется с помощью внешнего
генератора синусоидального напряжения и вспомогательной фазо-
Рис. 2.20. Схема
формирования
круговой
синусоидал ь ной
развертки
сдвигающей RC-цепи (рис. 2.20) при отклю-
ченном внутреннем генераторе линейной раз-
вертки.
При прохождении синусоидального тока
через последовательное соединение резистора
и конденсатора падения напряжений на них
оказываются сдвинутыми по фазе на 90°. При
равенстве сопротивлений плеч RC-цепи
R = xc= 1/юС (2.8)
напряжения будут равные по амплитуде.
Z7y = Ur = sin (2.9)
Un = Uc = Um- cos raf. (2-Ю)
2.3. Электронные осциллографы
57
Рассмотрим пример подачи синусоиды на пластины канала Y и ко-
синусоиды на пластины канала X. Синусоида и косинусоида имеют
одинаковую частоту и сдвинуты по фазе на 90° (рис. 2.21).
Рис. 2.21. Осциллограммы круга при использовании
синусоидальной круговой развертки
На рисунке 2.22 приведены осциллограммы для разных соотноше-
ний частот и фазовых сдвигов синусоидальных напряжений. Пред-
ставленные осциллограммы получили название фигур Лиссажу по
имени французского физика Жюля Антуана Лиссажу.
В основу осциллографических методов измерения частоты поло-
жен принцип сравнения частоты сигнала с известной высокостабиль-
ной частотой образцового развертывающего напряжения. Различают
два метода: метод фигур Лиссажу и метод яркостной модуляции. По-
грешность обоих методов измерения частоты зависит от стабильности
частоты образцового генератора.
При измерении частоты методом фигур Лиссажу напряжение
измеряемой (неизвестной) частоты Fx и образцовой частоты Fo при
выключенной внутренней развертке подается на пластины каналов Y
и X соответственно. Изменением образцовой частоты добиваются по-
58
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛ ЕКГРОТЕХН ИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
лучения на экране неподвижной фигуры Л и ссажу той или иной слож-
ности.
Для определения Fy проводят горизонтальную и вертикальную
касательные к фигуре и подсчитывают число касаний фигуры с го-
ризонталью (я,. = 2) и вертикалью («в = 1), как показано на рис. 2.23.
Соотношение частот двух гармонических колебаний определяется как
от ношение количества точек касания с вертикалью к количеству точек
касания с горизонталью. Для примера, приведенного на рисунке, при
Fo = 50 Гц
Гх=^-; (2.11)
^_ = ^. = 50Di = 1; f 5o Гц. 2^100 Гц.
Л Fx 2
Метод фигур Лиссажу применяется для сравнительно малых со-
отношений частот Fx и *о (не более 5—6): при большем соотношении
частот усложняется подсчет количества точек касания. Точность этого
метода измерения частоты оказывается высокой и определяется ста-
бильностью частоты образцового генератора.
2.3. Электронные осциллографы
59
Рис. 2.23. Определение соотношения частот методом фигур Лиссажу
Для больших соотношений частот удобнее пользоваться методом яр-
костной модуляции (методом пунктирного круга) круговой развертки.
При измерении частоты методом яркостной модуляции источник
напряжения с искомой частотой Fx используется для формирования на
экране ЭЛТ осциллографа круговой развертки (с помощью RC-цепи),
а напряжение генератора образцовой частоты подается на третий элек-
трический вход осциллографа — модулятор (вход Z), показанный на
рис. 2.24, а. Результирующее напряжение на модуляторе в этом слу-
чае будет изменяться с частотой Fo, модулируя яркость изображения
на экране с той же частотой. Если частоты Fx и Fo равны или кратны,
то на экране появится неподвижное пунктирное изображение круга
(рис. 2.24, б). При известных образцовой частоте Fo и количестве п под-
свеченных дуг, можно записать
Тх = « То?
откуда
Fx = F0/«. (2.12)
Рис. 2.24. Определение соотношения частот методом яркостной модуляции
60
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛ ЕКГРОТЕХН ИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Если поменять местами источники частот сигналов и Л)> то ис-
ко мая частота определяется по формуле
= (2-13)
Этот метод применим для соотношения частот 15—25. При боль-
шем соотношении безошибочный подсчет числа подсвеченных дуг по
контуру круга затруднен.
Двухлучевые, двухканальные, скоростные, стробоскопические,
запоминающие и цифровые осциллографы. Двухлучевые осцил-
лографы позволяют одновременно наблюдать за двумя сигналами,
характеризующими исследуемый объект, благодаря получению до-
। гол н ительно й и нф орма| щ и. Эту задачу мож новы пол н ить также и од-
нолучевым осциллографом с внешним электронным коммутатором.
Основными узлами, отличающими двухлучевой осциллограф от
однолучевого, является особая ЭЛТ, внутри которой помещены две
отдельные электронно-оптические системы и две отдельные системы
отклоняющих пластин, т.е. двухлучевая трубка представляет собой две
од но лучевые трубки, работающие на общий экран. Соответственно,
в двухлучевом осциллографе имеются два канала вертикального от-
клонения и один общий генератор развертки. Калибратор амплитуды
и длительности чаще всего также общие для двух лучей.
Для получения неподвижной осциллограммы (синхронизации) не-
обходимо обеспечить кратность исследуемых сигналов:
(214)
Двухлучевой осциллограф отличается от однолучевого внешними
признаками: он имеет два входа канала Y и по две регулировки -«Яр-
кость», «Фокус», «Астигматизм», «Перемещение по вертикали I».
Двухканальные осциллографы позволяют получить на экране
изображение двух исследуемых сигналов с помощью электронного
коммутатора, который периодически включает разные входы осцил-
лографа. В таком осциллографе имеется также два одинаковых кана-
ла вертикального отклонения и одполучевая ЭЛТ. В зависимости от
режима работы коммутатора реализуется один из режимов работы
осциллографа: одноканальный (когда на экране виден один сигнал, по-
даваемый на один из входов — Y1 или Y2) или поо^гередный (когда на
экране видны оба сигнала за счет переключения коммутатора во время
каждого обратного хода развертки). По такому же принципу, как двух-
канальные осциллографы, строятся многоканальные осциллографы (с
количеством каналов до восьми).
2.3. Электронные осциллографы
61
Двухканальный осциллограф отличается от двухлучевого та-
ким внешним признаком, как наличие по одной регулировки: «Яр-
кость», «Фокус», «Астигматизм».
Двухканальные осциллографы намного проще схематически
и дешевле двухлучевых.
Скоростные осциллографы имеют ряд преимуществ по срав-
нению с универсальными, полоса пропускания которых — не более
50 МГц, при исследовании импульсных сигналов длительностью
до сотых долей микросекунды. В электронике широко используе-
ются импульсы наносекундного (10-9с) и даже пикосекундного
(10-1гс) диапазонов. Спектр частот таких сигналов простирает-
ся до десятков гигагерц и выше. Такие сигналы (сверхвысоко-
частотные) имеют малую амплитуду (порядка единиц-десятков
милливольт) и при их исследовании возникают сложности, не
позволяющие применять универсальные осциллографы для ис-
следования СВЧ-сигналов. Эти сложности вызваны следующими
факторами:
индуктивность подводящих проводов и паразитный резонанс.
Частота резонанса должна быть намного больше высшей гар-
моники исследуемого сигнала;
влияние емкости пластин ЭЛТ на крутизну фронта исследуе-
мого сигнала;
влияние конечного времени пролета электронов между пла-
стинами ЭЛТ (примерно 1...10 нс). Если за это время сигнал
изменится, то отклонение электронного луча станет непред-
сказуемым;
необходимость для исследования СВЧ-сигналов очень широ-
кой полосы пропускания по входу канала Y, которая прибли-
женно может быть рассчитана по формуле
9
2Д/ = —. (2.15)
*м
Тогда при длительности импульса = 1 нс полоса пропускания бу-
дет 2Д/= 2 ГГц;
необходимость для наблюдения СВЧ-сигналов и импульсов
наносекундного диапазона высоких скоростей движения луча
по экрану. Например, для получения изображений импульса
длительностью 5 нс на экране трубки шириной I = 100 мм
скорость движения луча должна быть до 20 000 км/с (£/ =
= I / t„);
62
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛ ЕКГРОТЕХН ИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
нечеткость изображения сигнала на экране из-за огромной ско-
рости вычерчивания осциллограммы лучом.
Перечисленные факторы должны быть учтены при разработке ско-
ростных осциллографов, работающих в реальном масштабе времени.
В таких осциллографах вместо ЭЛТ используют специальные прибо-
ры — лампы бегущей волны. При этом невозможно получить высокую
чувствительность по каналу вертикального отклонения = 1 мм/В.
Создание высокоскоростных разверток также затруднено, так как необ-
ходим о увеличивать напряжение развертки до нескольких сотен вольт.
Отечественные скоростные осциллографы имеют верхнюю граничную
частоту не более 5.. .7,5 ГГц, обладают низкой чувствительностью и потому
непригодны для исследования СВЧ-сигналов с малыми амплитудами.
Стробоскопические осциллографы и приставки к универсальным
осциллографам дают лучшие результаты: позволяют получить эквива-
лентную полосу частот до нескольких гигагерц при фактической полосе
1гропускания усилителя КВО в несколько мегагерц и даже килогерц.
В стробоскопическом осциллографе искусственно уменьшает-
ся скорость развертки и полоса пропускания усилителя КВО. Такие
осциллографы работают по принципу использования амплитудного
временного анализа исследуемого на|гряжения с 1гомощью узких им-
пульсов — строб им пульсов.
Стробимпульсы позволяют получить представление о форме ис-
следуемого сигнала не в виде непрерывной кривой, а в виде преры-
вистых дискретных значений сигнала — по одному на каждый период
в соответствии с моментом действия стробимпульса.
Процесс 1греобразования масштаба времени осциллограммы в стро-
боскопическом осциллографа показан на рис. 2.25.
При поступлении исследуемого сигнала Ц. (длительность^, период
следования 71,.) и узких стробимпульсов t/2 (играющих роль перенос-
чиков информации о сигнале) на стробоскопический смеситель пре-
образователя происходит амплитудно-импульсная модуляция, т.е. на
выходе преобразователя амплитуда стробимпульса пропорциональна
определенному мгновенному значению исследуемого сигнала.
При равенстве периодов входных напряжений преобразователя
его выходные импульсы имеют постоянную амплитуду. Если же эти
периоды отличаются друг от друга на постоянную величину Д f (шаг
считывания), то амплитуда выходных импульсов преобразователя из-
меняется. Период повторения стробимнулъсов составляет Гст = Т,- + А £
Длительность шага считывания выбирают из условия Д t = tH/ п (где
п — целое число).
2.3. Электронные осциллографы
63
U,f
О
я
Расширитель
б
Рис. 2.25. Процесс л реобразования масштаба времени
осциллограммы в стробоскопическом осциллографе: а — временные
диаграммы; б — структурная схема преобразования
В результате преобразования первый стробим пульс Uz совпадает
с началом первого (1) импульса £7С; второй стробимпульс сдвинут от
нач ал а второго ( 2 ) и м п ульса t/c на Д t; третий строби м пул ьс сдви нут от
начала третьего (3) импульса на 2Д t и т.д.
На выходе смесителя появляются короткие импульсы £/3, совпа-
дающие по времени со стробимпульсами t/2, но имеющие амплитуду,
равную амплитуде исследуемых импульсов £/с в момент поступления
стробимпульсов Uz. Поэтому импульсы £/3 называют стробимпульса-
ми, пром одул ированны ми по амплитуде исследуемым сигналом {/с.
При этом огибающая этих импульсов по форме соответствует иссле-
дуемому сигналу и имеет укрупненный масштаб времени.
Степень укрупнения масштаба времени наблюдаемого импуль-
са (временное преобразование) характеризуется коэффициентом
трансформации масштаба времени:
£гр = И- Гст/Г„, (2.16)
где п — количество стробимпульсов, считывающих импульсы Uc.
Поскольку
Я = —Ф
Д£
64
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛ ЕКГРОТЕХН ИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
то
Рис. 2.26. Устройство
лоте н ц иалоскопа
Современные стробоскопические осциллографы имеют вы-
ражаемый десятками тысяч, благодаря чему можно при обычных
развертках исследовать импульсы наносекундного диапазона с ча-
стотами до нескольких гигагерц и с амплитудами от нескольких мил-
ливольт.
Запоминающие осциллографы позволяют запомнить сигнал на
экране. В состав таких осциллографов входят блок памяти и специаль-
ная полутоновая запоминающая ЭЛТ — потенциалоскоп (рис. 2.26).
Перед люминесцентным экраном 1 рас-
положена сетчатая мишень 2, представ-
ляющая собой мелкоструктурную сетку,
покрытую слоем диэлектрика. Трубка
имеет два прожектора. Записывающий
прожектор 7 создает сфокусированный
пучок электронов и сканирует поверх-
ность мишени. Воспроизводящий про-
жектор 6 создает широкий расфокуси-
рованный пучок, непрерывно облучающий всю поверхность мишени.
Внутри трубки помещена коллимирующая линза 5.
Потенциал мишени подобран таким образом, чтобы при отсут-
ствии записанного изображения медленные электроны воспроиз-
водящего пучка не могли через нее пройти. При наличии потенци-
ального рельефа в этих точках мишени часть электронов проходит
к экрану, вызывая его свечение. На экране появляется осциллограм-
ма, повторяющая форму потенциального рельефа мишени. Запись
стирается путем подачи на коллекторную сетку 3 (зафиксированную
крепежным кольцом 4) отрицательного импульса, выравнивающего
потенциал мишени.
Запоминающие осциллографы имеют следующие особенности:
способность хранить информацию в обесточенном состоянии дли-
тельное время (от нескольких минут до нескольких суток);
возможность индикации при высоких уровнях внешней освещен-
ности, так как яркость изображения на экране сохраняется даже
при попадании прямых солнечных лучей;
возможность исследования однократных и редко повторяющихся
сигналов.
2.3. Электронные осциллографы
65
Аналоговые осциллографы имеют такие недостатки, как косвен-
ность измерений параметров сигналов, относительно бол ьшая погреш-
ность (10... 15%) и трудоемкость измерения.
Цифровые осциллографы позволяют наблюдать сигнал на экране
и получать информацию о численном значении ряда параметров сиг-
нала с меньшей погрешностью, чем с помощью аналоговых осцилло-
графов. Достоинства цифровых осциллографов обеспечиваются тем,
что параметры сигналов измеряюгся непосредственно на входе осцил-
лографа, в то время как в аналоговом осциллографе параметры сигнала
измеряются только после прохождения его через канал вертикального
отклонения и с большой погрешностью.
Сопряжение цифровых осциллографов с микропроцессором по-
зволяет наряду с традиционными параметрами сигналов (амплитудой,
частотой, длительностью) определять среднеквадратичное значение
напряжения сигнала и даже вычислять и отображать на экране ЭЛТ
преобразование Фурье для любого сигнала.
В цифровых осциллографах обеспечивается |[олная цифровая об-
работка сигнала, поэтому в них чаще используются не ЭЛТ, а инди-
каторные панели, отображение результата измерения на которых осу-
ществляется несколькими способами:
одновременным наблюдением изображения сигнала на экране
и высвечиванием на индикаторной панели численных значений
параметров;
определением значения параметра собственно оператором, кото-
рый подводит к изображению сигнала на экране световые метки
так, чтобы отметить измеряемый параметр по цифре на соответ-
ствующей регулировке;
применением специальных кинескопов (например матричных ин-
дикаторных панелей) и формированием изображения исследуе-
мых сигналов и цифровой информации с помощью растра (растро-
вый метод).
В цифровых осциллографах обеспечивается автоматическая уста-
новка оптимальных размеров изображения на экране.
Структурная схема осциллографа приведена на рис. 2.27.
Параметры исследуемого сигнала определяются с помощью
встроенных измерителей. По результатам измерений контроллер
вычисляет требуемые коэффициенты отклонения по вертикали
и горизонтали и через два интерфейса задает эти коэффициенты
аппаратной части КВО и КГО, что обеспечивает неизменность раз-
66
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛ ЕКГРОТЕХН ИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
меров изображения по обоим направлениям и автоматическую син-
хронизацию сигнала.
Рис. 2.27. Структурная схема цифрового осциллографа
Кроме того, контроллер отслеживает положение органов управле-
ния на лицевой панели, и результаты опроса после кодирования вновь
поступают в контроллер, который через интерфайс включает соот-
ветствующий режим автоматического измерения. Результаты измере-
ния отображаются на отдельном световом табло (которое может быть
встроено в экран ЭЛТ) одновременно с отображением амплитудного
и временных параметров сигнала.
Методика измерения параметров сигналов осциллографом. Для
получения возможно меньшей погрешности измерения осциллограф
должен соответствовать основным метрологическим характеристи-
кам.
К основным метрологическим характеристикам осциллографа от-
носятся чувствительность (либо коэффициент отклонения), полоса
пропускания, значение импеданса по входу канала Y, погрешность вос-
произведения формы сигнала и измерения его параметров.
Чувствительность s выражается формулой
В техническом паспорте прибора приводится чувствительность по
обоим каналам: по вертикальному каналу — sY и горизонтальному ка-
налу - 5К.
2.3. Электронные осциллографы
67
В современных осциллографах наиболее широкое применение на-
шел отклонения, связанный с чувствительностью об-
ратной зависимостью;
A = -W
s Lnml '
(2.19)
Полоса пропускания характеризует частотный диапазон сигналов,
исследуемых и наблюдаемых на конкретном осциллографе. В этом
частотном диапазоне сигнал измеряется с допустимой погрешностью.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) прибора приведена на
рис. 2.28, где /н и fB — нижняя и верхняя граничные частоты соответ-
ственно. Узкополосные осциллографы, как правило, обладают боль-
шей чувствительностью, чем широкополосные.
Рис. 2.28. Амплитудно-частотная характеристика осцилло графа
Значение импеданса по входу канала У — это активная /?вх и ре-
активная (емкостная) Свх составляющие входного сопротивления
осциллографа. Достоинством осциллографа является большее значе-
ние входного сопротивления, что влечет за собой малое собственное
потребление мощности от источника исследуемого сигнала. Значение
входной емкости прямо пропорционально связано с полосой пропу-
скания осциллографа: чем меньше входная емкость прибора, тем шире
частотный диапазон.
Погрешность воспроизведения формы сигнала (искажение)
и измерения его параметров обусловлена кривизной экрана, труд-
ностью точного отсчета линейных размеров по вертикали и горизон-
тали, неумением оператора настроить прибор. Такая погрешность мо-
жет достигать 10... 15% и является главным недостатком аналоговых
осциллографов.
Рассмотрим алгоритм подготовки осциллографа к работе:
включить тумблер зСеть>. При этом должна загореться индика-
торная лампочка;
66
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛ ЕКГРОТЕХН ИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
через 1—2 мин после прогрева прибора |гри повороте ручки «Яр-
кость» вправо на экране должна появиться светящаяся линия раз-
вертки. Если на экране появилась не линия развертки, а точка, то во
избежание выхода из строя ЭЛТ яркость свечения следует умень-
шить до едва различимой и включить внутреннюю синхронизацию
для получения на экране линии развертки. Если 1госле выполнения
описанных |[роцедур на экране не появится линия развертки или
точка, то следует проверить, установлены ли регулировочные органы
«*——►» и «J» в среднее положение. Если и тогда на экране ничего не
появится, то следует i [Обращать регулировки «Уровень» и «Стаб.»;
с помощью регулировок «Яркость», «Фокус» и «Астигматизм»
установить оптимальные значения перечисленных параметров
горизонтальной линии развертки: линия развертки должна быть
буквально волосяной, тогда измерение линейных размеров пара-
метров обеспечит минимально возможную погрешность;
поскольку выбор режима работы осциллографа определяет-
ся характером и значением исследуемого сигнала, то гармо-
нические сигналы исследуются, как правило, при положении
«Внутр.» (□) переключателя вида синхронизации, а импульс-
ные — при положении «Внеш.» (->□). При этом на разъем «Вход
X» подаются импульсы синхронизации от внешнего источника;
переключатель iro входу Y «— —» устанавливают чаще всего в по-
ложение «±i», что обеспечивает связь с источником исследуемого
сигнала ио постоянному току и дает возможность совместить ли-
нию развертки с осью времени;
осциллограф готов к работе, и можно подавать исследуемый сиг-
нал через специальный кабель на вход Y. Если значение напря-
жения исследуемого сигнала даже приблизительно неизвестно,
то необходимо переключатель «Волы/дел.» установить в мак-
симальное положение (чтобы не сгорела входная цепь), затем
вывести его в положение, обеспечивающее оптимальный размер
по вертикали. Во избежание появления большой погрешности
перед измерением необходимо ручки плавного регулирования
усиления по X и Y установить в крайнее правое положение «Ка-
л ибр».
В современных аналоговых осциллографах при измерен ии парамет-
ров сигналов используется метод масштабной сетки, помещенной на
экране ЭЛТ. Цена одного деления сетки перед измерением устанавли-
вается с помощью калибраторов амплитуды и длительности («Вольт/
дел.» и «Время/дел.»).
2.3. Электронные осциллографы 69
На размеры осциллограммы по вертикали влияют следующие ор-
ганы управления: многоступенчатый переключатель 4Вольт/дел.>, а
в некоторых осциллографах — тумблер «Усилитель^ на два положе-
ния (например 4X1 — х10>). Произведение положений переключателя
«Вольт/дел.» и тумблера 4Усилитель> определяет цену одного деле-
ния масштабной сетки — св.
Все прямые вертикальные параметры исследуемого сигнала в лю-
бой момент времени рассчитываются по формуле
Лв = свпвр (2.20)
где «в — линейный размер измеряемого параметра оо вертикали в делениях
масштабной сетки.
На размеры осциллограммы по горизонтали влияют два органа
управления: многоступенчатый переключатель зВремя/дел.» и тум-
блер 4 Разверткам на два положения (например «Х1 — х0,2>). Произ-
ведение положений этих органов управления определяет цену одного
деления масштабной сетки осциллографа сг
Все прямые горизонтальные параметры исследуемого сигнала
определяются по формуле
4, = ^-^ (2.21)
где пг — линейный размер измеряемого параметра по горизонтали в делениях
масштабной сетки.
Рассмотрим пример измерения параметров синусоидального сиг-
нала с помощью масштабной сетки осциллографа (рис. 2.29) при сле-
дующем положении масштабозадающих органов управления: пере-
ключатели «Вольт/дел.» — 42 В/дел.», «Время/дел.» — «50 мкс/дел.м,
тумблер «Разверткам — «х0,2».
Определим амплитудное значение синусоидального напряжения
по формуле (2.20):
= 2 В/дел. 2 дел. = 4 В.
Определим период повторения исследуемого сигнала по формуле
(2.21):
Т= 50 мкс/дел. 0,2 -8 дел. = 80 мкс.
С и ну сои дал ьн ый сигнал характер изу ется средне к вадрати чн ы м
значением напряжения и частотой. Эти параметры являются вторич-
ными и определяются на основе найденных прямых параметров по из-
вестным зависимостям.
70
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛ ЕКГРОТЕХН ИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Рис, 2-29. Определение параметров сигнала с помощью
масштабной сетки осциллографа
Определим среднеквадратичное значение синусоидального напря-
жения:
£7 = 0,7- £/ffl = 0,7- 4 В = 2,8 В.
Определим частоту повторения синусоидального сигнала:
1
Г
=----— = 12,5 кГц.
80 Ю^с
Контрольные вопросы
1. Каковы достоинства ЦИП по сравнению с АИП?
2. Перечислите недостатки ЦИП по сравнению с АИП.
3. Что такое дискретизация?
4. Что такое квантование?
5. Что такое кодирование сигнала?
6. Какие сигналы используются в электронике?
7. Приведите определение ЦИП.
8. В чем состоят преимущества дискретных и цифровых сигналов
в ЦИП по сравнению с аналоговыми?
9. По какому параметру выполняется дискретизация?
10. Что такое цифровой код?
11. В каких режимах может работать ЦИП?
12. Перечислите основные параметры ЦИП.
Контрольные вопросы
71
13. Что такое погрешность дискретизации?
14. Как классифицируются АЦП?
15. Какое новое направление появилось в технике измерений?
16. Каков диапазон частот ГНЧ?
17. Какой параметр синусоидального напряжения показывает анало-
говый индикатор ГНЧ?
18. Какую функцию выполняет задающий генератор в составе ГНЧ?
19. Какой тип задающего генератора используется в ГНЧ?
20. Почему LC-генераторы не применяются на низких частотах?
21. Каково назначение высокочастотных генераторов?
22. Напряжение какой формы вырабатывает ГВЧ?
23. Назовите тип задающего генератора несущей частоты в составе
ГВЧ.
24. В чем состоит отличие генератора стандартного сигнала от генера-
тора сигнала?
25. Какой параметр синусоидального напряжения показывает анало-
говый индикатор ГВЧ?
26. В чем состоит отличие модулирующей и несущей частот?
27. Какие параметры сигнала регулируются в широких пределах
в ГИ?
28. Что такое скважность импульсного сигнала?
29. В чем состоит отличие импульсов, снимаемых с выходов 1 : 1
и 1 : 10 генератора?
30. Какой параметр является одинаковым у сигналов, снимаемых
с выходов 1: 100 и СИ?
31. Перечислите виды осциллографических разверток.
32. Каким требованиям должна соответствовать непрерывная линей-
ная развертка?
33. Для исследования каких процессов используют непрерывную ли-
нейную развертку?
34. Для исследования каких процессов используют ждущую линей-
ную развертку?
35. Где применяется синусоидальная развертка?
36. Перечислите осциллографические методы измерения частоты.
37. Перечислите достоинства осциллографов.
38. Как обеспечивается неподвижность осциллограммы при исполь-
зовании линейной (пилообразной) развертки?
39. Что такое синхронизация развертки?
40. Как обеспечивается синхронизация при круговой (синусоидаль-
ной) развертке методом фигур Лиссажу?
72 ГЛАВА2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
41. Какие органы управления определяют размеры осциллограммы по
вертикали?
42. Какие органы управления определяют размеры осциллограммы по
горизонтали?
43. Какие причины вызывают искажение осциллограммы исследуемо-
го напряжения?
44. В каких случаях применяются стробоскопические осциллографы?
45. Как по внешним признакам можно отличить двух канальный
осциллограф от двухлучевого?
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ
3.1. Измерение силы тока
Общие сведения. Основной единицей измерения силы тока яв-
ляется ампер (А). Ампер — большая единица измерения силы тока,
поэтому при электронных измерениях чаще используются дольные
единицы:
миллиампер (1 мА = 10-3А);
микроампер (1 мкА = 10-еА).
Между народные обозначения единиц измерения силы тока приве-
дены в Приложении 1.
В каталоговой классификации отечественные электронные ам-
перметры обозначаются следующим образом: А1 — образцовые,
А2 — постоянного тока, АЗ — переменного синусоидального тока,
А4 — переменного импульсного тока, А5 — фазочувствительные,
А6 — селективные, А7 — универсальные.
Например, в обозначении электронного амперметра А7-8 цифра
^7> указывают на его универсальность (возможность использования в
цепях переменного и постоянного тока), а цифра «8» через дефис — на
номер модели, т.е. это универсальный амперметр.
На лицевых панелях электромеханических амперметров отече-
ственного и импортного производства применяются следующие обо-
значения: А — амперметр; mA — миллиамперметр; цА — микроампер-
метр.
В электронике требуется измерять силу тока от единиц микроам-
пер до единиц ампер в диапазоне частот от нуля до десятков мегагерц.
Для измерения силы тока в таких широких диапазонах применяются
амперметры, различающиеся по принципу работы.
Измерение силы постоянного тока и тока низких частот. Для из-
мерения силы постоянного тока низких частот применяются элек-
тромеханические амперметры, миллиамперметры, микроамперметры,
мультиметры, электронные амперметры 2-й и 7-й подгрупп (А2 и А7).
При измерении силы постоянного тока используются приборы
только магнитоэлектрической системы.
74
ГЛАВАЗ. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Любой измерительный прибор при подключении к цепи не должен
изменять параметры и режим работы исследуемой цепи. Поэтому не-
обходимо, чтобы амперметр обладал возможно меньшим сопротив-
лением и подключался последовательно с нагрузкой (рис 3.1, я). При
этом через прибор и нагрузку протекает один и тот же ток.
а б
Рис. 3.1. Схема подключения амперметра в цепь (д),
схема подключения шунта к амперметру (6)
При малом сопротивлении амперметра падение напряжения и по-
теря мощности на нем также малы. Сила тока в показанной цепи до
подключения амперметра составляет
(3.1)
а после подключения
‘ (3.2)
где (7 — напряжение подключенного источника питания;
Яд — внутреннее сопротивление амперметра;
Ян — сопротивление нагрузки.
Только при ЯА « Ян будет 7* 1Х.
Таким образом, погрешность, возникающая в результате подключе-
ния амперметра к исследуемой цепи и обусловленная потребляемой
им мощностью, имеет систематическую методическую составляющую,
а также инструментальную составляющую, которая зависит от вели-
чины внутреннего сопротивления используемого амперметра.
Для расширения диапазона измерения по току применяются шун-
ты, которые представляют собой сопротивление, подключаемое парал-
лельно с амперметром (рис. 3.1, б).
Очевидно, падение напряжения на приборе и шунте одинаково:
Яш = /д ЯА, (3.3)
3.1. Измерение силы тока
75
где 7Ш —сила тока через шунт;
Яш — сопротивление шунта;
7А — сила тока амперметра.
Из равенства (3.3) следует, что
(3.5)
(3.6)
но поскольку /ш = I - ZA (по 1-му закону Кирхгофа), то сопротивление
шунта можно выразить как:
где 7 — измеряемая сила тока.
Разделив числитель и знаменатель на /А, получим
или
А.] Р”1
гдер — шунтирующий множитель, показывающий, во сколько раз расширяет-
ся предел измерения амперметра:
Р = -/- (3.7)
* А
Из анализа формулы (3.6) следует, что для расширения диапазона
измерения силы тока вр раз необходим шунте сопротивлением в (р - 1)
раз меньшим сопротивления амперметра.
Амперметр с несколькими шунтами называется многопредель-
ным.
При изготовлении шунтов используются проволока, ленты или
стержни. Шунты могут быть внутренними и наружными.
Для измерения силы переменного тока низких частот использу-
ют электронные амперметры 3-й и 7-й подгрупп (АЗ, А7) и электроме-
ханические амперметры. Применимость электромеханических ампер-
метров целесообразно рассматривать по частотным диапазонам.
При измерении силы тока промышленных частот 50, 100, 400
и 1000 Гц применяются электромеханические амперметры электро-
магнитной, электродинамической, ферродинамической, выпрями-
тельной и термоэлектрической систем. В диапазоне частот 1...5 кГц
используются амперметры выпрямительной, электродинамической
и термоэлектрической систем. В диапазоне частот от 5 кГц до единиц
76
ГЛАВАЗ. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
мегагерц амперметры выпрямительной и электродинамической си-
стем допускают значительную погрешность, обусловленную индук-
тивностью катушек и паразитной емкостью выпрямителей, поэтому
для измерения силы тока лучше использовать амперметры термоэ-
лектрической системы.
Электромеханические амперметры всех систем обычно градуируют
в среднеквадратичных значениях при синусоидальной форме кривой тока.
Расширение диапазона измерений амперметров перечисленных си-
стем возможно с помощью измерительных трансформаторов тока, так
как падение напряжения в этих приборах в несколько раз больше, чем
в амперметрах магнитоэлектрической системы, и требовались бы гро-
моздкие и дорогостоящие шунты.
термостати чес кого
преобразователя:
1 - термопара; 2 -
терморезистор
Амперметр термоэлектрической системы (термостатический пре-
образователь) представляет собой изме-
рительный механизм магнитоэлектриче-
ской системы в сочетании с термопарой
(рис. 3.2), предназначенной для измерения
температуры t проволоки (терморезистора,
или нагревателя), через которую протекает
измеряемый переменный ток. Индуктив-
ность терморезистора незначительна, этим
и объясняется применение амперметров
термоэлектрической системы при измере-
нии силы тока высоких частот.
Рис. 3.3. Эквивалентная
схема замещения амперметра
для измерения силы тока
высоких частот: А, Б —
входные зажимы прибора;
Cal Сы — емкости входных
зажимов А и Б относительно
общей точки (корпусах);
£а, га - индуктивное
и акти в floc со । jpon-t в лен ие
рабочей части прибора; САБ -
емкость между входными
зажимами амперметра
Электромеханические амперметры
имеют существенный недостаток — боль-
шое собственное потребление мощности
из исследуемой цепи, которое заметно
меньше у электронных амперметров.
Измерение силы тока высоких ча-
стот. В отличие аг схемы замещения ам-
перметра для измерения силы тока низ-
ких частот, когда эквивалентная схема
амперметра представляет собой активное
сопротивление /?А, за счет которого воз-
никает методическая и инструментальная
погрешности, схема замещения ампер-
метра для измерения силы тока высоких
частот не является точной, а имеет вид,
показанный на рис. 3.3.
3.1. Измерение силы тока
77
Из приведенной схемы замещения следует, что с повышением
частоты увеличиваются токи утечки не через рабочую часть прибо-
ра, а следовательно, растет погрешность измерения силы тока. Для
уменьшения погрешности измерения необходимо соблюдать следую-
щие рекомендации:
использовать только высокочастотные амперметры (термоампер-
метры), значения паразитных индуктивности и емкостей которых
минимальны благодаря конструкции прибора;
подключать амперметр к исследуемой цепи в точку с наименьшим
потенциалом относительно земли.
Рассмотрим пример, представленный на рис. 3.4.
а б
Рис. 3.4, Включение амперметра к цепи в точке с наибольшим
(я) и наименьшим (б) потенциалом относительно земли
Подключение амперметра приводит к изменению силы тока в цепи.
Кроме того, часть протекающего в цепи тока ответвляется через
САБ, СБ±. Следовательно, токи 12 и /3 будут различны для схемы, пока-
занной на рис 3.4, л. В схеме, показанной на рис 3.4, б одной паразитной
емкостью СА меньше, так как она оказывается замкнутой накоротко.
В области сверхвысоких частот эквивалентная схема замещения
амперметра усложняется, а погрешность измерения возрастает на-
столько, что измерение силы тока теряет физический смысл.
При выборе прибора для измерения силы тока нет необходимости
знать все метрологические характеристики, указанные в паспорте, —
нужны только основные:
параметр тока, измеряемый прибором (среднеквадратичное, ам-
плитудное или средне вы прямлен ное значение);
диапазон измерения силы тока;
частотный диапазон;
78
ГЛАВАЗ. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
допустимая погрешность;
входной импеданс (активная и реактивная составляющие входного
сопротивления — 7?нх, Снх).
3.2. Измерение напряжения
Общие сведения. Необходимость измерения напряжения на прак-
тике возникает очень часто. В электротехнических и радиотехниче-
ских цепях и устройствах чаще всего измеряют напряжение постоян-
ного и переменного (синусоидального и импульсного) тока.
Напряжение постоянного тока (рис. 3.5, я) выражается как и(0 =
= const. Источниками такого напряжения являются генераторы по-
стоянного тока и химические источники питания.
Рис. 3.5. Временные диаграммы напряжений: постоянного (я),
переменного синусоидального (б) и переменного импульсного (в) тока
Напряжение переменного синусоидального тока (рис. 3.5, б) выра-
жается как u(£) = sinotf и характеризуется среднеквадратичным (£7)
и амплитудным (t/ffl) значениями:
[7 = ^ = 0,1U„, UK = ^2U
Источниками такого напряжения являются низко- и высокочастот-
ные генераторы, электросеть.
Напряжение переменного импульсного тока (рис. 3.5 в) характе-
ризуется амплитудным Um и средним (постоянная составляющая)
значениями напряжения. Источником такого напряжения являются
импульсные генераторы с сигналом разной формы.
Основной единицей измерения напряжения является вольт (В).
В практике электротехнических измерений широко используются
дольные и кратные единицы:
киловольт (1 кВ = 103 В);
милливольт (1мВ = 10-3 В);
микровольт (1 мкВ = 10-е В).
3.2. Измерение напряжения
79
Международные обозначения единиц измерения напряжения при-
ведены в Приложении 1.
В каталоговой классификации электронные вольтметры обознача-
ются следующим образом: В1 — образцовые, В2 — постоянного тока,
ВЗ — переменного синусоидального тока, В4 — переменного импульс-
ного тока, В5 — фазочувствительные, В6 — селективные, В7 — уни-
версальные.
На шкалах аналоговых индикаторов и на лицевых панелях (на пе-
реключателях пределов) отечественных и зарубежных электронных
и электромеханических вольтметров применяются следующие обо-
значения: V — вольтметры, kV — киловольтметры, mV — милливольт-
метры, pV — микровольтметры.
Измерение напряжения постоянного тока. Для измерения напря-
жения постоянного тока используются электромеханические вольт-
метры и мультиметры, электронные аналоговые и цифровые вольт-
метры, электронные осциллографы.
Электромеханические вольтметры непосредственной оценки
измеряемой величины составляют большой класс приборов аналого-
вого типа и имеют следующие достоинства:
возможность работы без подключения к источнику питания;
малые габаритные размеры;
меньшая цена (по сравнению с электронными);
простота конструкции и удобство эксплуатации.
Чаще всего при электротехнических измерениях в сильноточных
цепях используются вольтметры на основе электромагнитной и элек-
тродинамической систем, в слаботочных цепях — магнитоэлектриче-
ской системы. Поскольку все названные системы сами являются из-
мерителями силы тока (амперметрами), то для создания на их основе
вольтметров необходимо увеличить внутреннее сопротивление при-
бора, т.е. подключить последовательно с измерительным механизмом
добавочный резистор гдсб (рис. 3.6, я).
Вольтметр подключается к исследуемой цепи параллельно
(рис. 3.6, б), и его входное сопротивление должно быть достаточно
большим.
Для расширения диапазона измерения вольтметра также использу-
ют добавочный резистор, который подключают к прибору последова-
тельно (рис. 3.6, в).
Значение сопротивления добавочного резистора определяется по
формуле
80
ГЛАВАЗ. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Гдоб Б
Рис. 3.6. Схема создания вольтметра на основе амперметра (о), подключение
вольтметра к нагрузке (б), подключение добавочного резистора к вольтметру (в)
jtf-
Б А
8
Гдоб =ГВ(Р - 1).
(3-8)
гдер — число, показывающее, во сколько раз расширяется предел измерения
вольтметра:
v U’
(3.9)
где t'H — исходный предел измерения;
ZJHi — новый предел измерения.
Добавочные резисторы, размещенные внутри корпуса прибора, на-
зываются внутренними, подключенные к прибору снаружи — внешни-
ми. Вольтметры могут быть многопредельными. Между пределом из-
мерения и внутренним сопротивлением многопредельного вольтметра
существует прямая зависимость: чем больше предел измерения, тем
больше сопротивление вольтметра.
Электромеханические вольтметры имеют следующие недостатки:
ограниченный диапазон измерения напряжений (даже в много-
предельных вольтметрах);
малое входное сопротивление, следовательно, большое собствен-
ное потребление мощности из исследуемой цепи.
Этими недостатками электромеханических вольтметров обуслов-
лено предпочтительное использование для измерения напряжения
в злекгроникеэлектронных вольтметров.
Элекмрокньге аналоговые вольтметры постоянного тока по-
строены по схеме, представленной на рис. 3.7. Входное устройство со-
стоит из эмиттерного повторителя (для увеличения входного сопро-
тивления) и аттенюатора — делителя напряжения.
Преимущества электронных аналоговых вольтметров по сравне-
нию с электромеханическими очевидны:
3.2. Измерение напряжения
81
Рис. 3.7. Структурная схема электронного аналогового вольтметра
постоянного тока
" широкий диапазон измерения напряжений;
большое входное сопротивление, следовательно, малое собствен-
ное потребление мощности из исследуемой цепи;
высокая чувствительность благодаря наличию усилителя на входе
прибора;
невозможность перегрузок.
Вместе с тем электронные аналоговые вольтметры имеют ряд не-
достатков:
наличие источников питания, большей частью стабилизирован-
ных;
большая, чем у электромеханических вольтметров, приведенная
относительная погрешность (2,5...6%);
большие массогабаритные размеры, более высокая цена.
В настоящее время аналоговые электронные вольтметры постоян-
ного тока применяются недостаточно широко, так как по своим пара-
метрам заметно уступают цифровым вольтметрам.
Измерение напряжения переменного тока. Для измерения напря-
жения переменного тока используются электромеханические вольт-
метры и мультиметры, электронные аналоговые и цифровые вольт-
метры, электронные осциллографы.
Рассмотрим недорогие и достаточно точные электромеханиче-
ские вольтметры. Делать это целесообразно по частотным диапазо-
нам.
На промышленных частотах 50, 100, 400 и 1000 Гц широко приме-
няются вольтметры электромагнитной, электродинамической, ферро-
динамической, выпрямительной, электростатической и термоэлектри-
ческой систем.
На низких частотах (до 15...20 кГц) применяются вольтметры вы-
прямительной, электростатической и термоэлектрической систем.
На высоких частотах (до единиц—десятков мегагерц) используют-
ся приборы электростатической и термоэлектрической систем.
Для электротехнических измерений широко используются универ-
сальные приборы — мультиметры.
82
ГЛАВАЗ. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Мрльжилдогры (тестеры, ампервольтомметры, комбинированные
приборы) позволяют измерять множество параметров: силу постоянного
и переменного тока, напряжение постоянного и переменного тока, сопро-
тивление резисторов, емкость конденсаторов (не все приборы), некото-
рые статические параметры маломощных транзисторов (Л2ь 4эо< и 622 )•
Мультиметры выпускаются с аналоговым и цифровым отсчетом.
Широкое использование мультиметров объясняется следующими их
преимуществами:
многофункциональность, т.е. возможность использования в каче-
стве амперметров, вольтметров, омметров, фарадомеров, измерите-
лей параметров маломощных транзисторов;
широкий диапазон измеряемых параметров благодаря наличию
нескольких пределов измерения по каждому параметру;
возможность использования в качестве переносных приборов, по-
скольку отсутствует сетевой источник питания;
небольшие массогабаритные размеры;
универсальность (возможность измерения переменных и постоян-
ных токов и напряжений).
Мультиметры имеют также ряд недостатков:
узкий частотный диапазон применимости;
большое собственное потребление мощности из исследуемой
цепи;
большая приведенная погрешность у аналоговых (1,5; 2,5 и 4)
и у цифровых мультиметров;
непостоянство внутреннего сопротивления на различных пределах
измерения силы тока и напряжения.
По отечественной каталоговой классификации мультиметры име-
ют обозначение Ц43 и далее номер модели, например, Ц4352.
Для определения внутреннего сопротивления аналогового мульти-
метра на включенном пределе измерения в паспорте прибора может
быть приведено удельное сопротивление. Например, в паспорте тесте-
ра Ц4341 удельное сопротивление = 16,7 кОм/В, пределы измере-
ния по напряжению постоянного тока составляют 1,5—3—6—15 В.
В этом случае сопротивление мультиметра на пределе 6 В постоян-
ного тока определяют по формуле
= 16,7 кОм/В 6 В ~ 100 кОм.
В паспорте прибора могут быть приведены сведения, необходимые
для расчета сопротивления по закону Ома. Если тестер используется
как вольтметр, то его входное сопротивление определяется по формуле
3.2. Измерение напряжения
83
Лв=^-, (3.10)
где (Л — выбранный предел измерения;
I — значение силы тока в выбранном о ределе (указанное на задней пане-
ли прибора или в его паспорте).
Если тестер используется как амперметр, то его входное сопротив-
ление определяется по формуле
₽ и
R*=T’ (3.11)
где 7Н — выбрани bi й предел измерения;
U— значение напряжения, приведенное на задней оанели орибора или
в его паспорте.
Например, в паспорте тестера Ц4341 приведено падение напря-
жения на приборе, равное 0,3 В в пределах 0,06—0,6—6—60—600 мА
постоянного тока, и падение напряжения 1,3 В в пределах: 0,3—3—
30—300 мА переменного тока. Входное сопротивление мультиметра
в пределе 3 мА переменного тока составит
*--£гв,о“
Элекмрокньге аналоговые вольтметры переменного тока по-
строены по одной из структурных схем (рис. 3.8), которые различа-
ются последовательностью расположения основных блоков — усили-
теля и преобразователя (детектора) напряжения переменного тока в
напряжение постоянного тока. Свойства этих вольтметров во многом
зависят от выбранной схемы.
Рис. 3.8. Структурные схемы электронных аналоговых вольтметров
переменного тока типа У -Д (д) и типа Д - У (б)
84
ГЛАВАЗ. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Вольтметры первой группы — типа усилитель—детектор (У— Д) —
имеют высокую чувствительность, что связано с наличием дополни-
тельного усилителя. Поэтому все микро- и милливольтметры построе-
ны по схеме У—Д. Однако частотный диапазон таких вольтметров
неширок (до единиц мегагерц), так как создание широкополосного
усилителя переменного тока связано с определенными трудностями.
Вольтметры типа У—Д относятся к неуниверсальным (подгруппа ВЗ),
т.е. могут измерять только напряжение переменного тока.
Вольтметры второй группы — типа детектор—усилитель (Д — У) —
имеют широкий частотный диапазон (до единиц гигагерц) и низкую
чувствительность. Вольтметры этого типа относятся к универсаль-
ным (подгруппа В7), т.е. измеряют напряжение не только перемен-
ного, но и постоянного тока; могут измерять напряжение значитель-
ного уровня, так как обеспечить большое усиление с помощью У ПТ
несложно.
В вольтметрах обоих типов важную функцию выполняют преоб-
разователи напряжения переменного тока в напряжение постоянного
тока — детекторы, которые по функции преобразования входного на-
пряжения в выходное можно классифицировать на три ти|[а: ампли-
тудного, среднеквадратичного и средневыпрямленного значения.
От типа детектора во многом зависят свойства прибора. Вольт-
метры с детектором амплитудного значения являются самыми высо-
кочастотными; вольтметры с детектором среднеквадратичного значе-
ния позволяют измерять напряжение переменного тока любой формы;
вольтметры с детектором средневыпрямленного значения пригодны
для измерения напряжения только гармонического сигнала и являют-
ся самыми простыми, надежными и недорогими.
Детектор амплитудного значения представляет собой устройство,
напряжение на выходе которого соответствует амплитудному значе-
нию измеряемого сигнала, что обеспечивается путем запоминания на-
пряжения на конденсаторе.
Чтобы цепь реальной нагрузки любого детектора эффективно от-
фильтровывала полезный сигнал и подавляла нежелательные высоко-
частотные гармоники, следует выполнить условие
1
хс Ь1ЛИ -----
с" ' «с.
(3.12)
где Сн — емкость выходного фильтра;
Ян — сопротивление нагрузки детектора.
Второе условие хорошей работы детектора:
3.2. Измерение напряжения
85
/?H»/?ova- (3.13)
На рисунке 3.9 приведены структурная схема и временные диа-
граммы выходного напряжения детектора амплитудного значения
с параллельным включением диода и закрытым входом. Детектор с за-
крытым входом имеет последовательно включенный конденсатор, не
пропускающий постоянную составляющую. Рассмотрим работу та-
кого детектора при подаче на его вход синусоидального напряжения
u(t) = sin со t.
Рис. 3.9. Структурная схема детектора амплитудного
значения с параллельным включением диода и закрытым
входом (д) и временные диаграммы напряжений (б)
При поступлении положительной полуволны синусоиды конденса-
тор С заряжается через диод VD, который в открытом состоянии имеет
малое сопротивление 7?0 Vd « Ян- Постоянная времени заряда конден-
сатора траа = Яо vd С мала, и конденсатор быстро заряжается до макси-
мального значения При смене полярности входного сигнала диод
закрыт и конденсатор медленно разряжается через сопротивление на-
грузки /?н, которое выбирается большим — 50... 100 МОм. Таким обра-
зом, постоянная разряда траа = /?н С оказывается значительно больше
периода синусоидального сигнала Г = 2гс / со. В результате конденсатор
остается заряженным до напряжения, близкого к {/с = = t/Hb]X.
Изменение напряжения на нагрузочном резисторе Ян определяется
разностью амплитуд входного напряжения и напряжения на кон-
денсаторе Ц? = t/r - Uс- В результате выходное напряжение £/д бу-
дет пульсирующим с удвоенной амплитудой измеряемого напряжения
(см. рис. 3.9, б). Это подтверждается следующими математическими
выкладками:
U = Um sin cof - Uc- Um sin (of -
86
ГЛАВАЗ. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
t/д = 0 при sin w t = 1, t/д = при sin щ t = О, = -2Um при
sin w t = -1.
Для выделения постоянной составляющей сигнала U = -Uc вы-
ход детектора подключен к емкостному фильтру, подавляющему все
остальные гармоники тока.
На основании изложенного следует вывод: чем меньше период ис-
следуемого сигнала (чем больше его частота), тем точнее выполняется
равенство Uc = Um, что объясняет высокочастотные свойства детектора.
При использовании в работе вольтметров с детектором амплитудного
значения следует иметь в виду, что эти приборы чаще всего градуиру-
ются в среднеквадратичных значениях синусоидального сигнала, т.е.
показания индикатора прибора равны частному отделения амплитуд-
ного значения на коэффициент амплитуды синусоиды:
у = u„/k„
где — коэффициент амолитуды.
Детектор среднеквадратичного значения (рис. 3.10) преобразу-
ет напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, про-
порциональное квадрату среднеквадратичного значения измеряемого
напряжения. Следовательно, измерение среднеквадратичного напря-
жения связано с выполнением трех операций: возведения в квадрат
мгновенного значения сигнала, усреднения его значения и извлечения
корня из результата усреднения (последняя операция обеспечивается
градуировкой шкалы вольтметра). Возведение в квадрат мгновенного
значения сигнала обычно осуществляется диодной ячейкой путем ис-
пользования квадратичного участка его характеристики.
е б
Рис. 3.10. Детектор среднеквадратичного значения:
а - диодная ячейка; б - ВАХ диода
В диодной ячейке VD, /?1 (см. рис. 3.10, л) постоянное напряжение
U2 приложено к диоду VD таким образом, что он оказывается закры-
тым до тех пор, пока измеряемое напряжение (£) на резисторе /?2 не
превысит значение U2.
3.2. Измерение напряжения
87
Начальный участок вольт-амперной характеристики диода имеет
малую протяженность (см. рис. 3.10, б), поэтому квадратичную часть
искусственно удлиняют методом кусочно-линейной аппроксимации
(гутем использования нескольких диодных ячеек.
При конструировании вольтметров среднеквадратичного значения
возникают трудности с обеспечением широкого частотного диапазона.
Несмотря на это такие вольтметры являются самыми востребованны-
ми, так как ими можно измерять напряжение любой сложной формы.
Детектор средневыпрямленного значения преобразует напряжение
переменного тока в напряжение постоянного тока, пропорциональное
средневыпрямленному значению напряжения. Выходной ток измери-
тельного прибора с таким детектором аналогичен выходному току вы-
прямительной системы.
Напряжения переменного тока, действующие в электронных
устройствах, могут изменяться во времени по различным законам. На-
пример, напряжение на выходе задающего генератора связного радио-
передатчика изменяется по синусоидальному закону, на выходе генера-
тора развертки осциллографа импульсы имеют пилообразную форму,
синхроимпульсы полного телевизионного сигнала прямоугольные.
На практике приходится проводить измерения в различных участ-
ках схем, наггряжения в которых могут отлагаться по значению и по
форме. Измерение напряжения несинусоидальной формы имеет свои
особенности, которые необходим о учитывать, чтобы не допустить оши-
бок. Очень важно ]гравильно выбрать тип прибора и способ пересчета
показаний вольтметра в значеггие необходимого параметра измеряемо-
го напряжения. Для этого необходимо четко представлять себе, каким
образом производится оценка и сравнение напряжений переменного
тока и как влияет форма напряжения назначения коэффициентов, свя-
зывающих между собой отдельные параметры напряжения.
Критерием оценки ]гапряжения переменного тока любой формы
служит связь с соответствующим напряжением постоянного тока гго
одинаковому эффекту теплового действия (среднеквадратичное зна-
чение £7), определяемое выражением
V О
(3.14)
где Т — период повторения сигнала;
«(f) — функция, описывающая закон изменения мгновенного значения на-
пряжения.
Далеко не всегда в распоряжении оператора может оказаться вольт-
метр, с помощью которого можно измерить нужный параметр цапря-
86
ГЛАВАЗ. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
жения. В таком случае необходимый параметр напряжения измеряется
косвенно с помощью имеющегося вольтметра, с использованием коэф-
фициентов амплитуды и формы 6ф. Рассмотрим пример расчета не-
обходимых параметров напряжения синусоидальной формы.
Необходимо определить амплитудное ((/л) и средневыпрямленное
(£4Н) значения напряжения синусоидальной формы вольтметром, гра-
дуированным в среднеквадратичных значениях напряжения синусои-
дальной формы, если прибор показал = 10 В.
Расчет выполняем следующим образом. Так как вольтметр градуи-
рован в среднеквадратичных значениях Ц то в приложении 3 для дан-
ного прибора показание 10 В соответствует прямому отсчету по шкале
среднеквадратичного значения, т.е. = 10 В, U = 1,41 10В =
- 14,1 В,= В.
til
Переменное напряжение характеризуется средним, амплитудным
(максимальным) и среднеквадратичным значениями.
Среднее значение (постоянная составляющая) за период пере-
менного напряжения:
(3.15)
о
Максимальное значение — это наибольшее мгновенное значение
переменного напряжения за период сигнала:
Ст = (3.16)
Средневыпрямленное значение £7СН — это среднее напряжение на вы-
ходе двух полу периодного выпрямителя, имеющего на входе перемен-
ное напряжение u (t):
(3.17)
J о
Соотношение среднеквадратичного, среднего и максимального зна-
чений напряжения переменного тока зависит от его формы и в общем
виде определяются двумя коэффициентами:
к
- (коэффициент амплитуды),
(3.18)
U (коэффициент формы).
(3.19)
3.2. Измерение напряжения
69
Значения этих коэффициентов для напряжений разной формы
и их соотношения приведены в табл. 3.1
Таблица 3.1
Значения &а и Лф для напряжений разной формы
Форма сигнала Коэффициен- ты амплитуды и формы Соотношение значе- ний параметров
и
у
/й I \ Ад= 1,41 = 1,41 U = 1,57 Г:а;
\ / г = 1,11 t/0=o
и
*а = 2 ^ = 2(/=3,14 t/o;
ц Аф = 2,22 иса = t/o
0 г
и
Ц, *.= М1 ит= 1,41 U= 1,57 Го;
й Аф = 1,11 иса = иа
и
и
Ц,
Аа= 1,73 t^ = t,73r=2t/0;
/ / = 1,16 Uclt = Uo
г t
и
i.= t,73^ U„ = t.73^U = l4U0-,
/ ^Ф = М6^
* г 1 *
и
0 £а = 1 ^ = ^ = t/ca;
и" Аф = 1 t/0=o
' т ’ t=77B
и
у (Л. - п Ц. = ^ = 9и„;
<4 0 Ш LL t - V# ^Н=0
Примечание, q — скважность: q -—.
90 ГЛАВАЗ. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
В ряде приборов напряжение оценивают не в абсолютных едини-
цах измерения (В, мВ, мкВ), а в относительной логарифмической еди-
нице — децибеле (dB, или дБ). Для упрощения перевода абсолютных
единиц в относительную и, наоборот, большинство аналоговых вольт-
метров (автономных и встроенных в другие приборы: генераторы,
мультиметры, измерители нелинейных искажений) наряду с обычной
шкалой имеют децибельную. Эта шкала отличается четко выраженной
нелинейностью, что при необходимости позволяет получать резуль-
тат сразу в децибелах, без соответствующих расчетов и применения
таблиц перевода. Чаще всего у таких приборов нуль шкалы децибел
соответствует входному напряжению 0,775 В.
Напряжение больше условного нулевого уровня характеризуется
положительными децибелами, меньше этого уровня — отрицательны-
ми. На переключателе пределов каждый поддиапазон измерения от-
личается по уровню от соседнего па 10 дБ, что соответствует кратности
по напряжению 3,16.
Показания, снятые по шкале децибел, алгебраически складываются
с показаниями на переключателе пределов измерения, а не перемно-
жаются, как в случае абсолютного отсчета напряжений.
Например, переключатель пределов установлен на «-10 dBs>, при
этом стрелка индикатора у ста повилась на отметку з-0,5 d В >>. Суммар-
ный уровень составит: -10 + (-0,5) = -10,5 dB. В основу перевода на-
пряжения из абсолютных значений в относительные положена фор-
мула
(3.20)
где Го (В) = 0,775 В.
Поскольку бел — большая единица, то на практике применяют
дольную (десятую) часть бела — децибел.
Импульсные и цифровые вольтметры. При измерении импульс-
ных напряжений с малой амплитудой применяют предварительное
усиление импульсов. Структурная схема аналогового импульсного
вольтметра (рис. 3.11) состоит из выносного пробника с эмиттерным
повторителем, аттенюатора, широкополосного предварительного уси-
лителя, детектора амплитудного значения, усилителя постоянного
тока (УПТ) и электромеханического индикатора. Вольтметры, реа-
лизованные по этой схеме, непосредственно измеряют напряжение
1 мВ ... 3 В с погрешностью ±(4 — 10)%, длительностью импульсов
1 ... 200 мкс и скважностью 100 ... 2500.
3.2. Измерение напряжения 91
Рис. ЗЛ1. Структурная схема импульсного вольтметра
Для измерения малых напряжений в широком диапазоне длитель-
ностей (от наносекунд до миллисекунд) применяют вольтметры, рабо-
тающие на основе автокомпенсационного метода.
Электронные цифровые вольтметры имеют существенные преиму-
щества перед аналоговыми:
высокая скорость измерений;
исключение возможности возникновения субъективной ошибки
оператора;
малая приведенная погрешность.
Благодаря этим преимуществам цифровые электронные вольтмет-
ры широко используются для измерения. На рисунке 3.12 приведена
упрощенная структурная схема цифрового вольтметра.
Рис. 3.12. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра
Входное устройство предназначено для создания большого вход-
ного сопротивления, выбора пределов измерения, ослабления помех,
автоматического определения полярности измеряемого напряжения
постоянного тока. В вольтметрах переменного тока входное устрой-
ство включает в себя также преобразователь напряжения перемен-
ного тока в постоянный. С выхода входного устройства измеряемое
напряжение подается на янллого-цифровои преобразователь (АЦП), в
котором напряжение преобразуется в цифровой (дискретный) сигнал
в виде электрического кода или импульсов, количество которых про-
порционально измеряемому напряжению. Результат появляется на
табло цифрового индиклгиорл. Работой всех блоков управляет устрой-
ство управления.
Цифровые вольтметры в зависимости от типа АЦП подразделяют-
ся на четыре группы: кодоимпульсные, времяимпульсные, частотно-
импульсные, пространственного кодирования.
92
ГЛАВАЗ. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
В настоящее время широко применяются цифровые времяим-
пульсные вольтметры, преобразователи которых выполняют про-
межуточное преобразование измеряемого напряжения в пропорцио-
нальный интервал времени, заполняемый импульсами с известной
частотой повторения. В результате такого преобразования дискретный
сигнал измерительной информации на входе АЦП имеет вид пачки
счетных импульсов, количество которых пропорционально измеряе-
мому напряжению.
Погрешность времяимпульсных вольтметров определяется по-
грешностью дискретизации измеряемого сигнала, нестабильностью
частоты счетных импульсов, наличием порога чувствительности схе-
мы сравнения, нелинейностью преобразованного напряжения на вхо-
де схемы сравнения.
Различают несколько вариантов схемотехнических решений
при построении времяимпульсных вольтметров. Рассмотрим прин-
цип работы время им пульс нога вольтметра с генератором линейно-
изменякицегося напряжения (ГЛИН).
На рисунке 3.13 представлены структурная схема цифрового вре-
мяим пульс кого вольтметра с ГЛИН и временные диаграммы, пояс-
няющие его работу.
Дискретный сигнал измерительной информации на выходе преоб-
разователя имеет вид пачки счетных импульсов, количество которых «
пропорционально значению входного напряжения £7'. С выхода ГЛИН
на входы 1 устройств сравнения поступает линейно нарастающее во
времени напряжение £7ГЛИН. Вход 2 устройства сравнения II соединен
с корпусом.
В момент равенства £7гЛИН = 0 на входе устройства сравнения II и на
его выходе возникает импульс, который подается на единичный вход
триггера (Т), вызывая появление сигнала на его выходе. Триггер воз-
вращается в исходное положение импульсом, поступающим с выхода
устройства сравнения II. Этот сигнал появляется в момент равенства
линейно нарастающего напряжения £/глин и измеряемого £7' . Сфор-
мированный таким образом сигнал ^длительностью Д f = и' s (где
s — коэффициент преобразования) подается па вход 1 схемы логиче-
ского умножения И, а па вход 2 поступает сигнал Г/рси с генератора
счетных импульсов (ГСИ). Импульсы следуют с частотой Fo = 1/Г0.
Импульсный сигнал Ц.ч появляется тогда, когда на обоих входах есть
импульсы, т.е. счетные импульсы проходят при наличии сигнала на
выходе триггера.
3.2. Измерение напряжения 93
я
и
Рис. 3.13. Структурная схема (д) и временные диаграммы (б)
цифрового время импульсного вольтметра с ГЛИН
Счетчик импульсов подсчитывает количество прошедших импуль-
сов и = A f / Го (с учетом коэффициента преобразования). Результат
измерения отображается на табло цифрового индикатора (ЦИ). Приве-
денная формула не учитывает погрешность дискретности из-за несовпа-
дения появления счетных импульсов с началом и концом интервала Д t.
Кроме того, большую погрешность вносит фактор нелинейности
коэффициента преобразования s. В результате цифровые времяим-
пульсные вольтметры с ГЛИН являются наименее точными среди
цифровых вольтметров.
Цифровые вольтметры с двойным интегрированием отличают-
ся отвремяимпульсных вольтметров принципом работы. В них в тече-
ние времени цикла измерения Т формируются два временных интер-
94-
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
вала — Г] и Тг. В первом интервале обеспечивается интегрирование
измеряемого напряжения £7^ во втором — опорного напряжения. Вре-
мя цикла измерения Г = ^ + Тг предварительно устанавливают крат-
ным периоду действующей на входе помехи, что приводит к улучше-
нию помехоустойчивости вольтметра.
На рисунке 3.14 приведены структурная схема цифрового вольтме-
тра с двойным интегрированием и временные диаграммы, поясняю-
щие его работу.
о1-------------------------=-
t
IIIIIIIL
t
t
ir"
6
Рис. 3.14. Структурная схема (д) и временные диаграммы (б)
цифрового вольтметра с двойным интегрированием
3.2. Измерение напряжения
95
При t = £0 (в момент начала измерения) управляющее устройство
вырабатывает калиброванный импульс LT с длительностью
Т\ = то-к, (3.21)
где Го — период повторения счетных импульсов;
А — емкость счетчика.
В момент появления фронта импульса LT ключ переводится
в положение 1 и с входного устройства на интегратор поступает на-
пряжение U* , пропорциональное измеряемому напряжению На
интервале времени = £•] - £0 интегрируется напряжение , про-
порциональное измеряемому напряжению t/r В результате на выходе
интегратора нарастающее напряжение составит
£ГИ U'x dt. (3.22)
to
При t - ti управляющий сигнал £7у1р переводит ключ в положение 2
и от источника образцового напряжения (ИОН) в интегратор подает-
ся образцовое отрицательное напряжение {/иОН. Одновременно с этим
управляющий сигнал опрокидывает триггер Т.
Интегрирование напряжения t/ион происходит быстрее, посколь-
ку |(/иОн|>I*11 продолжается до тех пор, пока выходное напряжение
интегратора снова не станет равным нулю (при этом Т? = £2 - £j). В ре-
зультате в течение времени второго интервала на выходе интегратора
формируется убывающее напряжение
^и==-кон'^
<1 (3.23)
Длительность интервала интегрирования Т? тем больше, чем выше
амплитуда измеряемого напряжения .
В момент времени £ = t2 напряжение на выходе интегратора
становится равным нулю, устройство сравнения выдает сигнал, по-
ступающий на триггер, и возвращает последний в исходное состояние.
На выходе триггера сформированный импульс напряжения {/т дли-
тельностью Г2 подается на вход схемы логического умножения И, на
другой вход которой поступает сигнал с ГСП. По окончании импульса
триггера {/т измерение прекращается.
Трансформация измеряемого временного интервала Т2 в эквива-
лентное число импульсов п осуществляется так же, как в предыдущем
методе — заполнением интервала Т2 периодическими импульсами
96
ГЛАВА3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
ГСИ и подсчетом их числа счетчиком. На счетчике, а следовательно,
и на ЦИ, записывают количество импульсов п^сч, прямо пропорцио-
нальное измеряемому напряжению {//
= (3.24)
Г0
Это выражение приводит к следующему:
r2 = r„-n;tr- т;^[7ион. Tlt (3.25)
откуда
(7' (3.26)
1 к
Из полученных соотношений следует, что погрешность резуль-
тата измерения зависит только от уровня образцового напряже-
ния, а не от нескольких параметров (как в кодоимпульсном вольт-
метре), но здесь также имеет место погрешность дискретности.
Преимуществами вольтметра с двойным интегрированием яв-
ляются высокая помехозащищенность и более высокий класс точ-
ности (0,005...0,02%) по сравнению с вольтметрами с ГЛИН.
Цифровые вольтметры со встроенным микропроцессором
являются комбинированными и относятся к вольтметрам наи-
высшего класса точности. Принцип их работы основан на методах
поразрядного уравновешивания и время им пульс но го интегрирую-
щего преобразования.
Микропроцессор и дополнительные преобразователи, вклю-
ченные в схему такого вольтметра, расширяют возможности при-
бора, делая его универсальным в части измерения большого числа
параметров. ТЪкие вольтметры измеряют напряжение постоянного
и переменного тока, силу тока, сопротивление резисторов, часто-
ту колебаний и другие параметры. При использовании совместно
с осциллографом могут измерять временные параметры: период,
длительность импульсов и т.д. Наличие в схеме вольтметра микро-
процессора позволяет осуществлять автоматическую коррекцию
погрешности измерений, диагностику отказов, автоматическую
калибровку.
На рисунке 3.15 приведена структурная схема цифрового вольт-
метра со встроенным микропроцессором.
3.2. Измерение напряжения
97
Рис. 3.15. Структурная схема цифрового вольтметра со встроенным
м и кропро цессором
С помощью соответствующих преобразователей блок нормали-
зации сигналов приводит входные измеряемые параметры (^77, Я)
к унифицированному сигналу £7_, поступающему на вход АЦП, ко-
торый выполняет преобразование методом двойного интегрирования.
Выбор режима работы вольтметра для заданного вида измерений осу-
ществляет блок управления АЦП с дисплеем. Этот же блок обеспечи-
вает нужную конфигурацию системы измерения.
Микропроцессор является основой блока управления и связан
с другими блоками через сдвигающие регистры. С помощью клавиа-
туры, находящейся на панели управления, обеспечивается управление
микропроцессором. Управление может осуществляться также и через
стандартный интерфейс подключаемого канала связи. В постоянном
запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится программа работы микро-
процессора, которая реализуется с помощью оперативного запомина-
ющего устройства (ОЗУ).
Встроенные высокостабильные и точные резистивные делители
опорного напряжения, дифференциальный усилитель (Д У) и ряд внеш-
них элементов (аттенюатор, устройство выбора режима, блок опорного
напряжения {/огт) выполняют непосредственно измерения. Все блоки
синхронизируются сигналами от генератора тактовых импульсов.
96
ГЛАВАЗ. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Включение в схему вольтметра микропроцессора и ряда допол-
нительных преобразователей позволяет выполнять автоматическую
коррекцию погрешностей, автоматическую калибровку и диагностику
отказов.
Основными параметрами цифровых вольтметров являются точ-
ность преобразования, время преобразования, пределы изменения
входной величины, чувствительность.
Точность преобразования определяется погрешностью квантова-
ния по уровню, характеризуемой числом разрядов в выходном коде.
Погрешность цифрового вольтметра имеет две составляющие. Пер-
вая составляющая (мультипликативная) зависит от измеряемой вели-
чины, вторая составляющая (аддитивная) не зависит от измеряемой
величины.
Тхкое представление связано с дискретным принципом измерения
аналоговой величины, так как в процессе квантования возникает абсо-
лютная [югрешность, обусловленная конечным числом уровней кванто-
вания. Абсолютная погрешность измерения напряжения выражается как
Ду = ± (уд + т знаков) или Ду = ± (уд {/н + т знаков), (3.27)
где у,. — действительная относительная погрешность измерения;
Uд — значение измеряемого напряжения;
LrH — конечное значение на выбранном пределе измерения;
т знаков — значение, ооределяемое единицей младшего разряда ЦИ (аддитив-
ная погрешность дискретности).
Основную действительную относительную погрешность измере-
ния можно представить и в другом виде:
ул = ±(Я+ *£/„/£/„), (3.28)
где л, b — оостоянные числа, характеризующие класс точности прибора.
Первое слагаемое погрешности (л) не зависит от показаний при-
бора, а второе (6) увеличивается при уменьшении {/д.
Время преобразования — это время, затрачиваемое на выполнение
одного преобразования аналоговой величины в цифровой код.
Пределы изменения входной величины — это диапазоны [[реобра-
зования входной величины, которые полностью определяются числом
разрядов и звесомо наименьшего разряда.
Ч^есжеижблъкостъ (разрешающая способность) — это наименьшее
различимое преобразователем изменение значения входной величины.
К основным метрологическим характеристикам вольтметров, ко-
торые необходимо знать для правильного выбора прибора, относятся
следующие характеристики:
3.3. Измерение мощности
99
параметр измеряемого напряжения (среднеквадратичное, ампли-
тудное);
диапазон измерения напряжения;
частотный диапазон;
допустимая погрешность измерений;
входной импеданс (Явх, Свх).
Эти характеристики приводятся в техническом описании и паспор-
те прибора.
3.3. Измерение мощности
Общие сведения. Измерение мощности весьма распространено
в практике электрических и электронных измерений на постоянном
и переменном токе во всем освоенном диапазоне частот — вплоть до
миллиметровых и более коротких волн.
Особое значение имеет измерение мощности в диапазоне СВЧ,
поскольку мощность является единственной характеристикой элект-
рического режима соответствующего тракта, когда измерение тока
и напряжения на СВЧ из-за большой погрешности практически не-
возможно.
Мощность измеряется ваттметрами в пределах от долей микроватт
до единиц — десятков гигаватт.
В зависимости от измеряемых мощностей приборы делятся на ватт-
метры малой (<10 мВт), средней (10 мВт... 10 Вт) и большой (>10 Вт)
мощности.
Основной единицей измерения мощности является ватт (Вт). Ис-
пользуются также кратные и дольные единицы:
гигаватт (1 ГВт = 10э Вт);
мегаватт (1 МВт = 106 Вт);
киловатт (1 кВт = 103 Вт);
милливатт (1 мВт = 10-3 Вт);
микроватт (1 мкВт = 10-G Вт).
Международные обозначения единиц измерения мощности приве-
дены в Приложении 1.
Мощность может измеряться не только в абсолютных, но и в отно-
сительных единицах — децибелах:
Р(дБ) = 10 1g -Р(Вт) / Pq. (3.29)
Для измерения мощности используют косвенные и прямой методы.
В каталоговой классификации электронные ваттметры обозначаются
100
ГЛАВАЗ. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
следующим образом: Ml — образцовые, М2 —проходящей мощности,
М3 —поглощаемой мощности, М4 — мосты для измерителей мощно-
сти, М5 — преобразователи (головки) ваттметров.
Электромеханические ваттметры классифицируются в соответ-
ствии с единицами измерения мощности, указанными на их шкалах
и лицевых панелях: W — ваттметры; kW — киловаттметры; mW —
милли ваттметры; pW — микроваттметры.
Измерение мощности в цепях постоянного и переменного тока
низких частот. Для измерения мощности в цепях постоянного и пере-
менного тока промышленных частот используются чаще всего элект-
ромеханические ваттметры электродинамической и ферродинамиче-
ской систем.
В лабораторной практике применяются в основном ваттметры
электродинамической системы 3, 4 и 5-го классов точности (0,1; 0,2;
0,5). В промышленности при технических измерениях применяют
ваттметры ферродинамической системы 6, 7 и 8-го классов точности
(1,0; 1,5 и 2,5).
Шкалы однопредельных ваттметров градуированы в значениях
измеряемой величины (ваттах, киловаттах и т.д.). Многопредельные
ваттметры имеют неградуированную шкалу. Перед использованием
таких ваттметров при известных номинальном значении тока /н и но-
минальном значении напряжения £7Н выбранного предела, а также
количестве делений шкалы пшк применяемого ваттметра необходимо
определить его цену деления с (постоянную прибора) при cos ф = 1 по
формуле
с = ^.
(3.30)
Зная цену деления для данного ваттметра в выбранном пределе, не-
сложно произвести отсчет значения измеряемой мощности. Измерен-
ное значение мощности будет составлять
Р=сп, (3.31)
где п — отсчет количества делений по шкале орибора.
Ваттметры электродинамической системы применяются для из-
мерения мощности в цепях постоянного и переменного тока частотой
до нескольких килогерц.
Ваттметры ферродинамической системы применяются для изме-
рения мощности в цепях постоянного и переменного тока промышлен-
ных частот.
3.3. Измерение мощности
101
На постоянном и переменном токе низких, средних и высоких ча-
стот используются косвенные методы измерения мощности, т.е. напря-
жения, сила тока и фазовые сдвиги определяются путем последующего
вычисления мощности. Активная мощность двухфазного переменного
тока в цепи с комплексной нагрузкой определяется по формуле
Р= 17♦ / cos® =----cos© = • cos©,
т Я v (3.32)
где (7,1 — среднеквадратичное значение наоряжения и силы тока;
cos <р — фазовый сдвиг между силой тока и напряжением.
В цепи с чисто активной нагрузкой /?н, когда ф = 0, cos ф = 1, мощ-
ность переменного тока составляет
ГУ2
(з.зз)
мощность импульсного тока:
Рн = ^=^. (3.34)
На практике обычно измеряется средняя мощность за период сле-
дования импульсов:
= ' ^н Т-= (3.35)
гм
где t? — скважность: q = Т/
— длительность импульсов;
£ф — коэффициент формы имоульсов < 1;
Г— период следования имоульсов.
Высокочастотные методы измерения мощности. Возможны два
типовых метода измерения мощности (в зависимости от ее вида: по-
глощаемая или проходящая).
Поглощаемая мощность — это мощность, потребляемая нагруз-
кой. В этом случае нагрузка заменяется ее эквивалентом, а измеряе-
мая мощность полностью рассеивается на этом эквиваленте нагрузки,
и далее измеряется мощность теплового процесса. Нагрузка ваттметра
полностью поглощает мощность, поэтому такие приборы называются
ваттметрами поглощаемой мощности (рис. 3.16, я). Так как нагрузка
полностью должна поглощать измеряемую мощность, то прибор может
использоваться только при отключенном потребителе. Погрешность
измерения будет тем меньше, чем более полно обеспечено согласование
102
ГЛАВАЗ. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
входного сопротивления ваттметра с выходным сопротивлением иссле-
дуемого источника или волновым сопротивлением линии передачи.
Рис. 3.16. Методы измерения ваттметрами поглощаемой (о)
и проходящей мощности (б)
Проходящая мощность — это мощность, передаваемая генерато-
ром в реальную нагрузку. Приборы, ее измеряющие, называются ватт-
метрами проходящей мощности. Такие ваттметры потребляют незна-
чительную долю мощности источника, а основная ее часть выделяется
в реальной полезной нагрузке (рис. 3.16, б).
К ваттметрам проходящей мощности относятся приборы на преоб-
разователях Холла, с поглощающей стенкой и другие приборы.
В диапазоне высоких и сверхвысоких частот косвенные методы из-
мерения мощности не применяются, так как в разных сечениях линии
передач значения силы тока и падения напряжения различны; кроме
того, подключение измерительного прибора меняет режим работы
измерительной цепи. Поэтому на СВЧ используются другие методы:
например, преобразования электромагнитной энергии в тепловую (ка-
лориметрический метод), изменения сопротивления резистора (тер-
мисторный метод).
Калориметрический метод измерения мощности характеризует-
ся высокой точностью. Этот метод используется во всем радиотехни-
ческом диапазоне частот при измерении сравнительно больших мощ-
ностей, когда имеет место потеря тепла. Калориметрический метод
основан на преобразовании электрической энергии в тепловую, когда
нагревается некоторая жидкость в калориметре ваттметра (рис. 3.17).
Далее мощность оценивается путем определения по известной разно-
сти температур и известному объему жидкости, протекающей через
калориметр:
(3.36)
где k — коэффициент исоользуемой жидкости;
V — объем нагретой жидкости.
3.3. Измерение мощности
103
эователь
Рис. 3.17. Устройство калориметрического ваттметра
Погрешность калориметрического метода составляет 1...7%.
Терлшсигоркьш (болометприческми) метод измерения мощности
основан на использовании свойства терморезисторов изменять свое
сопротивление под воздействием поглощаемой ими мощности элек-
тромагнитных колебаний. В качестве терморезисторов используют
термисторы и болометры.
Термистор представляет собой полупроводниковую пластину (или
диск), заключенную в стеклянный баллон. Чёрмисторы имеют отрица-
тельный температурный коэффициент, т.е. с повышением температу-
ры их сопротивление падает.
Болометр представляет собой тонкую пластину из слюды или
стекла с нанесенным на нее слоем (пленкой) платины. Пленоч-
ные болометры обладают очень высокой чувствительностью (до
10-Э...10-11 Вт). Болометры имеют положительный температурный
коэффициент, т.е. с повышением температуры их сопротивление
растет.
Чувствительность и надежность термисторов выше, чем боломет-
ров, однако параметры болометров стабильнее, поэтому они применя-
ются в образцовых ваттметрах (подгруппа Ml).
Чёрмисторный метод обеспечивает высокую чувствительность,
поэтому его применяют для измерения малых и средних мощностей.
Использование ответвителей и делительных устройств позволяет
применять метод и для измерения больших мощностей. Погрешность
термисторных ваттметров составляет 4... 10% и чаще всего зависит от
степени согласованности нагрузки.
К основным метрологическим характеристикам ваттметров, кото-
рые необходимо знать при выборе прибора, относятся следующие:
104
ГЛАВАЗ. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
• тип прибора (поглощаемой или проходящей мощности);
* диапазон измерения мощности;
• частотный диапазон;
• допустимая погрешность измерений;
• коэффициент стоячей волны (КС В) входа измерителя мощности
или модуль коэффициента отражения.
Контрольные вопросы
1. Приведите правило включения амперметра в исследуемую цепь.
2. Каково назначение шунтов?
3. Как изменяется сопротивление амперметра с подключением
шунта?
4. Как шунт подключается к амперметру?
5. Амперметры какой системы чаще используются при измерении
силы постоянного тока?
6. Амперметры какой системы используются при измерении силы
переменного тока высоких частот?
7. Какие правила необходимо соблюдать при измерении силы тока
высоких частот?
8. Приведите эквивалентную схему амперметра для измерения силы
тока низких частот.
9. Приведите эквивалентную схему амперметра для измерения силы
тока высоких частот.
10. Перечислите основные параметры амперметра.
И. Какое требование предъявляется к внутреннему сопротивлению
амперметра?
12. Почему нельзя использовать электромеханический амперметр
электродинамической системы при измерении силы переменного
тока высоких частот?
13. Перечислите достоинства амперметров магнитоэлектрической си-
стемы.
14. Перечислите недостатки амперметров магнитоэлектрической си-
стемы.
15. Сколько шунтов содержит электромеханический амперметр с пя-
тью пределами измерения?
16. В чем состоит принципиальное отличие вольтметра от ампер-
метра?
17. Как вольтметр включается в цепь?
18. Каково назначение добавочных резисторов?
Контрольные вопросы
105
19. Что необходимо сделать для расширения диапазона измерения на-
пряжения электромеханического вольтметра?
20. Перечислите достоинства и недостатки электромеханических
вольтметров.
21. По каким признакам классифицируются электронные аналоговые
вольтметры?
22. По каким структурным схемам строятся электронные аналоговые
вольтметры?
23. Перечислите достоинства и недостатки электронных аналоговых
вольтметров.
24. Почему вольтметры типа У—Д имеют высокую чувствитель-
ность?
25. Почему вольтметры типа Д—У имеют широкий частотный диапа-
зон?
26. Каковы преимущества электронных цифровых вольтметров по
сравнению с электронными аналоговыми?
27. Зачем электронные аналоговые вольтметры имеют шкалу, градуи-
рованную в децибелах?
28. По каким основным метрологическим характеристикам выбирают
вольтметр?
29. В каких единицах измеряется напряжение?
30. Что представляют собой мультиметры?
31. Какими приборами можно измерить мощность в цепях постоян-
ного тока?
32. Какими приборами можно измерить мощность в цепях переменно-
го синусоидального тока промы шлейных частот?
33. Каким методом можно измерить малую мощность в СВЧ-
диапазоне?
34. Каким методом можно измерить большую мощность в СВЧ-
диапазоне?
35. Что необходимо знать при определении мощности импульсного
сигнала?
36. Определите мощность, выделенную на резисторе /? = 1 кОм при
протекании постоянного тока силой 5 мА.
37. Определите рассеиваемую резистором 7? = 2 кОм мощность, если
через него протекает синусоидальный ток амплитудой 4 мА.
38. В чем состоит калориметрический метод измерения мощности?
39. В чем состоит термисторный метод измерения мощности?
40. Что такое болометр и где он используется?
106 ГЛАВАЗ. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
41. Укажите достоинства термистора по сравнению с болометром.
42. Укажите недостатки термистора по сравнению с болометром.
43. Перечислите достоинства и недостатки электродинамических
ваттметров.
44. К какой группе и подгруппе относятся ваттметры поглощаемой
мощности?
45. Какую часть энергии потребляют ваттметры проходящей мощно-
сти?
ГЛАВА 4. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕПЕЙ
4.1. Общие сведения
С точки зрения соотношения размеров цепей и рабочей длины вол-
ны электрических колебаний различают цепи с сосредоточенными
и распределенными постоянными (параметрами).
Цепи с сосредоточенными постоянными — это цепи, физические
размеры которых много меньше рабочей длины волны колебаний. Их
характеристики фактически не зависят от конфигурации выводов пас-
сивных и активных элементов и размеров соединительных проводов.
Цепи с распределенными постоянными — это цепи, физические
размеры которых соизмеримы с рабочей длиной волны колебаний.
Каждый элемент или соединительный провод в таких цепях обладает
сопротивлением, индуктивностью и емкостью. Такие цепи называются
также длинными линиями, или СВЧ-тракгами.
В данной главе будут рассмотрены методы измерения в цепях с со-
средоточенными постоянными.
Основными параметрами, характеризующими электрические
и электронные цепи, являются активное сопротивление Я резисто-
ров, емкость С конденсаторов и индуктивность L катушек. Поскольку
не всегда удается определить значение этих параметров напрямую, то
в ряде случаев определяют косвенные (вторичные) параметры эле-
ментов и цепей: проводимость g (величина, обратная сопротивлению),
полное сопротивление Z, добротность Q, тангенс угла потерь tg б, соб-
ственная емкость CL катушек индуктивности, характеристическое со-
противление р.
Добротность характеризует колебательную систему, катушки ин-
дуктивности и конденсаторы и является безразмерным параметром.
Тангенс потерь характеризует потери в диэлектрике конденсатора
и является безразмерным параметром.
Для резисторов основной единицей измерения является ом (Ом).
Ввиду его малости в электротехнических измерениях применяются
и кратные единицы: килоом (1 кОм = 103 Ом), мегаом (1 МОм = 106
Ом), гигаом (1 ГОм = 10э Ом).
10В
ГЛАВАД. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛ НИ ЕНГОВ ЦЕП В?!
Для конденсаторов основной единицей измерения является фарад
(Ф). Ввиду того, что фарад является крупной единицей, применяются
в основном дольные единицы: микрофарад (1 мкФ = 10-G Ф), нанофа-
рад (1 нФ = 10-э Ф), пикофарад (1 нФ = Ю12 Ф).
Для катушек индуктивности и дросселей основной единицей из-
мерения является генри (гн). Так как эта единица очень большая, то
используют дольные единицы: миллигенри (1 мГн = 10-3 Гй), микро-
генри (1 мкГй = 1О'е Гн).
Измерители параметров в цепях с сосредоточенными постоянны-
ми по каталоговой классификации обозначаются следующим образом:
Е1 — образцовые приборы (установки для поверки), Е2 — измерители
полных сопротивлений и проводимости, ЕЗ — измерители индуктив-
ности катушек, Е4 — измерители добротности, Е6 — измерители со-
противления резисторов (омметры), Е7 — универсальные измерители
параметров (мосты), Е8 — измерители емкости конденсаторов.
В зависимости от измеряемого параметра, погрешности измерения,
частотного диапазона и некоторых других характеристик применяют-
ся различные методы измерений, которые можно разделить на низко-
частотные и высокочастотные.
К методам измерений относятся метод
амперметра—вольтметра (вольтметра—амперметра), мостовой методи
метод дискретного огета.
К высока лсгиотяыл* методам измерений относятся метод
амперметра—вольтметра и резонансный метод.
4.2. Метод амперметра—вольтметра
Метод амперметра—вольтметра является одним из наиболее про-
стых, но и менее точных методов измерений и может использовать-
ся в цепях постоянного и переменного тока. Для реализации этого
метода в цепях постоянного тока используют амперметры и вольт-
метры магнитоэлектрической системы, в цепях переменного тока
промышленных частот — приборы электромагнитной и электроди-
намической систем, в цепях, питаемых звуковыми и высокими ча-
стотами, — приборы термоэлектрической системы. Во всех случаях
использования приборы высокого класса точности дают меньшую
1гогрешность измерения.
Метод амперметра—вольтметра является косвенным, так как octto-
ван на использовании закона Ома, по которому измеряемое сопротив-
ление прямо пропорционально падению напряжения на нем и обратно
1гропорционально силе тока, протекающего по нему.
4.2. Метод амперметра—вольтметра
109
Измерение сопротивления резисторов выполняется по одной из
схем, приведенных на рис. 4.1.
а б
Рис. 4.1. Схемы измерения сопротивления резисторов при
измерении методом А—V (а) и методом V—А (б)
Для первой схемы (см. рис. 4.1, л) искомое сопротивление на-
ходится по формуле
я =!L=_u___и_
1 4 i-h !_и:
(4.1)
где — внутреннее сооротнвленне вольтметра.
Для второй схемы (см. рис. 4.1, б) измеряемое сопротивление 7?г
определяется по формуле
R'~ Т ~т~^-
(4.2)
где J?A — внутреннее сооротнвленне амперметра.
При использовании обеих схем имеет место методическая погреш-
ность, обусловленная собственным потреблением мощности прибора-
ми (рис. 4.2).
Из анализа формул (4.1) и (4.2), а также из графиков зависимости
(см. рис. 4.2) следует, что метод амперметра-
вольтметра (А—V) необходимо использовать
при измерении малых сопротивлений рези-
сторов, когда Яг « Яв, а метод вольтметра-
амперметра (V—А) — при измерении боль-
ших сопротивлений, когда 7?г» Яд-
Погрешность обоих методов достаточ-
но велика (1,5...2%) и напрямую зависит от
стабильности напряжения источника пи-
тания и от класса точности используемых
приборов.
зависимости
погрешности измерений
от сопротивления
резистора при измерении
методами А—V и V—А
110
ГЛАВА 4. И 3 МЕР ЕН И Е ПАРАМ ЕТР О В ЭЛ ЕМ ЕНТО В ЦЕП ЕЙ
Измерение емкости конденсаторов также возможно методами V—А
и А—V. Для питания схем используется источник напряжения только
переменного тока, так как в цепях постоянного тока реактивное со-
противление X/, катушки индуктивности будет равно нулю, а реактив-
ное сопротивление хс конденсатора стремится к бесконечности. Эти
утверждения основываются на известных зависимостях:
xL = 2 itFL; хс= 1 / 2nFC.
Измерение емкости конденсаторов выполняется по одной из схем,
приведенных на рис. 4.3.
Рис. 4.3. Схема измерения емкости конденсаторов
методом А—V (д) и методом V—А (б)
Если пренебречь влиянием сопротивления утечки конденсатора, то
=U2itF С,
откуда
I / 2nFU.
(4.3)
А
'С,
Рис. 4.4. Схема измерения
индуктивности катушек
Из формулы (4.3) следует, что при измерении емкости конденсато-
ров необходимо знать частоту источника питания схемы.
В зависимости отзначения емкостного сопротивления измеряемого кон-
денсатора можно уменьшить влияние внутреннего сопротивления вольт-
метра на результат измерения, используя первую схему (см. рис. 43, я),
а для конденсаторов большой емкости — вторую схему (см. рис. 4.3, б).
Измерение индуктивности катушек
выполняется методом V—А при соотно-
шении /?£ « Х£ (активное сопротивление
катушки должно быть значительно мень-
ше ее реактивного сопротивления). На
рисунке 4.4 приведена схема измерения
индуктивности катушек.
4.2. Метод амперметра—вольтметра
111
На основании закона Ома
откуда
<7 _ <7
х£ 2nFLx*
L —♦
' 7 2nF
(4.4)
Измерение индуктивности на низких частотах будет приблизи-
тельным, так как не учтено активное сопротивление катушки /?£, а на
высоких частотах погрешность измерения обусловлена влиянием соб-
ственной емкости Q катушки и входной емкости Св вольтметра, кото-
рая, как известно, складывается с С£:
Собщ = CL + Св.
В результате образуется параллельный колебательный контур
с собственной частотой колебаний:
f_______1—
" С
При приближении частоты источника питания схемы к /0 сопро-
тивление контура возрастает, что соответствует увеличению индук-
тивности катушки L.
Метод V—А (А—V) реализуется с помощью широко распростра-
ненных приборов в условиях, соответствующих режиму работы эле-
ментов цепи. К недостаткам метода следует отнести его косвенность,
трудоемкость измерений, большую погрешность измерений (единицы
процентов), ограниченный диапазон измерения параметров. В связи
со столь существенными недостатками этот метод не получил широко-
го распространения.
Лучшие результаты при измерении
сопротивления резисторов показывают
электронные омметры (Е6), которые вы-
полняются на основе УПТ, охваченного
отрицательной обратной связью и имею-
щего очень большое входное сопротивле-
ние (рис. 4.5).
Напряжение на выходе усилителя ом-
метра
Рис. 4.5. Принципиальная
схема эл е ктрон но го ом метра
112
ГЛАВА 4. И 3 МЕР ЕН И Е ПАРАМ ЕТР О В ЭЛ ЕМ ЕНТО В ЦЕП ЕЙ
__
и‘ш ki(i+i/vP)’ (4'5)
где ky — коэффициент усиления У ПТ без цепи обратной связи;
Р — коэффициент передачи цепи обратной связи:
Я1 + Д/
При большом коэффициенте усиления произведение р) » 1
и выходное напряжение
р
и™=иг1 <4-6>
В результате шкала аналогового прибора получается равномер-
ной и практически не зависит от внешних элементов, подключенных
к усилителю. Погрешность измерения аналоговых омметров боль-
шая — примерно
В тпераомметрах резисторы /?1 и Яг меняются местами и шкала
аналогового индикатора становится обратной (нуль шкалы — справа).
^ВЫТ U (4.7)
Погрешность тераомметров при измерении достигает 10%.
К достоинствам электронных омметров следует отнести прямой от-
счет и широкий диапазон измерения сопротивления резисторов.
4.3. Мостовой метод
Мостовой метод положен в основу работы измерительных мостов
(Е7), которые являются универсальными приборами. С их помощью
можно измерять сопротивление резисторов, емкость конденсаторов,
индуктивность катушек, добротность и тангенс потерь.
Название «мост» прибор получил потому, что между двумя парал-
лельными ветвями (z1,Z2hZ3,Z4) индикаторная диагональ образует
как бы мост.
Ветви, в которые включены комплексные сопротивления
Zl, Z2, Z3h Z4, называют плечами моста. В одну диагональ моста вклю-
чен генератор Г питающего напряжения, в другую — индикатор И рав-
новесия (баланса) моста.
Схемы четырех плеч но го моста показаны на рис. 4.6.
4.3. Мостовой метод
113
а б
Рис. 4.6. Схемы четырехплечного моста в общем виде (я)
и для измерения сопротивления резисторов (б)
Измерение сопротивления резисторов выполняют в цепях посто-
янного и переменного тока. Вовсе плечи моста включены чисто актив-
ные сопротивления.
Условием равновесия моста является равенство произведений со-
противлений двух противоположных плеч:
ЯГЯ1 =Я2ЯЗ,
откуда
= (4.8)
Признак равновесия моста — отсутствие показаний на индикаторе.
Если поменять местами индикаторную диагональ и диагональ пи-
тания, то равновесие моста не нарушится.
Процесс уравновешивания моста постоянного тока достигается
изменением (подбором) отношения /?2 / /?1 переключателя «Множи-
тель» и плавным изменением сопротивления потенциометра /?3 — ре-
гулировки «Отсчет», что позволяет значительно расширить диапазон
измерения. Уравновешивание моста считается законченным при пол-
ностью использованном значении напряжения питания (регулировка
«Чувствительность») генератора.
Результат измерения представляет собой произведение от умно-
жения показания регулировки «Отсчет» на показание переключателя
«Множитель».
Чувствительность моста зависит от чувствительности используемого
индикатора и значения напряжения источника питания. Поэтому в каче-
стве и ндикатора в а налоговых мостах используется прибор магн итоэлект-
рической системы с двухсторонней шкалой (с нулем посередине).
Измерение емкости конденсаторов выполняется мостом только
переменного тока. Сопротивление четырех плечного моста в общем
виде носит комплексный характер, поэтому условия равновесия моста
114
ГЛАВА 4. И 3 МЕР ЕН И Е ПАРАМ ЕТР О В ЭЛ ЕМ ЕНТО В ЦЕП ЕЙ
переменного тока будут определяться двумя условиями: по модулю
и по фазе.
Мосты перемен ного тока чаще всего питаются от внутреннего гене-
ратора со звуковой частотой 100 или 1000 Гц (если на лицевой панели
моста частота не указана, то это всегда 1000 Гц). Возможно питание от
внешнего генератора, для чего предусмотрены гнезда (обычно на зад-
ней панели). При питании напряжением звуковой частоты еще мало
сказывается влияние паразитных емкостей и индуктивностей на по-
грешность измерения.
В качестве индикатора равновесия моста служат электромехани-
ческий индикатор выпрямительной системы или электронный вольт-
метр типа У—Д, в точных мостах — электронный осциллограф (в мо-
мент равновесия моста на экране ЭЛТ будет только горизонтальная
линия развертки).
Конденсаторы различаются не только значением емкости и рабо-
чим напряжением, но и активными потерями в диэлектрике, которые
характеризуются тангенсом угла потерь tg б. Эквивалентные схемы
конденсатора без потерь (идеального конденсатора), с малыми и боль-
шими потерями представлены на рис. 4.7.
tg8=0 tg8<0,01 tg8>0,01
абв
Рис. 4.7, Эквивалентные схемы конденсаторов без потерь (я),
с малыми (б) и с большими потерями (в)
Отечественная промышленность и зарубежные фирмы выпускают
множество разнообразных конденсаторов с малыми и большими по-
терями. Рассмотрим функциональную схему моста для измерения ем-
кости конденсаторов с малыми потерями (рис. 4.8, л).
Рис. 4.8. Функциональные схемы мостов для измерения емкости
конденсаторов с малыми (я) и с большими потерями (б)
4.3. Мостовой метод
115
Условие равновесия моста в комплексном виде выражается как:
Я1 |ЯР0+
= К2 Л +
1
Раскрыв скобки и приравняв отдельно вещественные и мнимые ча-
сти, получим: /21 ЯРО = R2 Rx,
откуда - ЯР0 * — ^по (4.9) Я1 R2 >Cq >Ст'
откуда
С =Со- — (
х 7?1 (по модулю).
(4.10)
С помощью рассматриваемой схемы моста можно измерять tg$. Элек-
трическая цепь левого верхнего плеча моста показана на рис. 4.9, а.
Цг'Яс i
a б
Рис. 4.9. Электрическая цепь левого верхнего плела моста (я)
и векторная диаграмма тока и напряжений в плече (б)
В векторной диаграмме (рис. 4.9, б) угол ф — фазовый сдвиг между
током и напряжением в левом плече, угол 6 — угол потерь в диэлек-
трике:
<0 Сх „ а
tg6 = —------------------- - toC. .
(4.11)
116
ГЛАВА 4. И 3 МЕР ЕН И Е ПАРАМ ЕТР О В ЭЛ ЕМ ЕНТО В ЦЕП ЕЙ
Определим tg$ через известные (образцовые) параметры элементов
цепи. Для этого перемножим уравнение (4.9) и (4.10), умножив левую
и правую части на w:
<oCA=«>Co*o=t88- (4Л2)
Из выражения (4.12) следует, что при <о = const и Со = const сопро-
тивление образцовой цепи /?о можно градуировать непосредственно
в значениях tg б.
Рассмотрим функциональную схему моста для измерения емкости
конденсаторов с большими потерями (см. рис. 4.8, б).
Условие равновесия моста в комплексном виде выражается форму-
лой
Я1 _ R2
* соСо
откуда
г -г R2
д 1 (помодулю), (4.13)
R -R *1
й2(п°Фазе)- (4.14)
Тангенс угла потерь конденсатора находим по формуле
1 = Др
й)Сх соСо +
Условие равновесия моста зависит от частоты, поэтому мостовые
схемы измерения предназначены для работы на одной (реже — на
двух) фиксированной частоте.
Измерение индуктивности катушек выполняется мостом только
переменного тока. Измерение возможно путем сравнения с индуктив-
ностью £0 образцовой катушки или с емкостью Со образцового конден-
сатора. Образцовые катушки переменной индуктивности изготовить
трудно, и надежность их невысока, поэтому на практике используют
схемы сравнения с образцовыми конденсаторами. Функциональная
схема моста для измерения индуктивности катушки приведена на
рис. 4.10.
4.3. Мостовой метод
117
Рис. 4.t0. Функциональная схема
моста для измерения индуктивности катушек
Условие равновесия моста:
Я1-Л2 = Z„-Zr; Zx=Rx+jmLt-, Zo = Я0/1 + >С0Я0,
где — сопротивление оотеръ в измеряемой катушке;
Я1 R2 = (Я±+ jraiJ —,
откуда
Rl-R2 = R,-Jk R = — Л2;
1 Йо
ju>LxR,., = ja>C0R,.,RtR2,
откуда
Ls =CqR1R2.
(4.16)
(4.17)
С помощью рассматриваемого моста можно измерять также доб-
ротность Q катушек. Известно, что Q = wL/R. Разделив уравнение
(4.17) на уравнение (4.16) и умножив их левые и правые части на щ,
получим
Q - о * - юСо-Йф,
(4.18)
Ъпсим образом, мостовая схема для измерения параметров /?, L, С,
Q tg6 применяется в так называемых универсальных мостах, пред-
ставляющих собой сочетание мостов постоянного и переменного тока.
Источниками погрешности при измерении параметров элементов
цепей мостовым методом являются неточность уравновешивания мо-
ста, нестабильность значения напряжения и частоты источника пита-
ния моста, погрешность значений образцовых элементов.
11В
ГЛАВА 4. И 3 М ЕР ЕН И Е ПАРАМ ЕТР О В ЭЛ ЕМ ЕНТО В ЦЕП ЕЙ
К достоинствам мостового метода относятся универсальность
мостов при измерении параметров; к недостотаткам — большая по-
грешность (до 3%) аналоговых мостов, невозможность измерения
параметров на рабочих частотах, трудоемкость измерений. Меньшую
погрешность (0,2%) и возможность автоматизации измерений обеспе-
чивают цифровые мосты.
4.4. Метод дискретного счета
Цифровые измерители (как и аналоговые) широко используются
при определении линейных параметров электрических цепей. Наряду
с этим при регулировании и ремонте электронной аппаратуры возни-
кает необходимость измерения параметров пассивных элементов.
Преобразования линейных параметров выполняются одним из
двух основных способов: прямым или уравновешивающим. Прибо-
ры для преобразования также подразделяются на приборы прямого
и уравновешивающего преобразования.
Прибор прямого преобразования сочетает в себе аналоговый преоб-
разователь какого-либо параметра элемента цепи в активное значение
и цифрового прибора для его последующего измерения.
Цифровые измерители параметров цепей классифицируются в за-
висимости от вида промежуточного преобразования — другого спосо-
ба реализации метода дискретного счета при измерении параметров
пассивных элементов цепи. Этот способ состоит в предварительном
преобразовании значений этих параметров в частоту (период) гармо-
нического сигнала. Исследуемый элемент цепи включают в частотно-
зависимую цепь, задающую частоту колебаний генератора.
Приборы уравновешивающего преобразования — это цифровые
мосты постоянного (для измерения 7?) и переменного (для измерения
L, С, 7?) тока. Преобразование этих параметров в напряжение — один
из самых простых методов. Исследуемый элемент включают в изме-
рительную цепь, которая подключается к источнику образцового тока
или напряжения.
В практике измерений пассивных элементов получили распростра-
нение способы развертывающего преобразования, основанные на фор-
мировал ии определенной развертывающей функции, математическая
зависимость которой содержит в себе измеряемый параметр. При этом
фиксируются моменты времени, в которые функция достигает предва-
рительно заданных значений. Измеренный временной интервал оказы-
вается функционально связанным с преобразуемым параметром. Такое
преобразование отличается высокой точностью, скоростью, линейно-
4.4. Метод дискретного счета
119
стью функции преобразования, удобным для дальнейшего преобразо-
вания в цифровой код видом выходного сигнала (частота, период или
временной интервал At). Этот способ обычно используется в сочетании
с предварительным преобразованием параметров Я, L, Св напряжение, и
тогда развертывающая функция также представляет собой напряжение.
На рисунке 4.11, л представлена принципиальная схема простей-
шего преобразователя параметров Я, L, С в период сигнала меандр.
Рис. 4.ti. Принципиальная схема простейшего преобразователя параметров
Я, L и С (я) и временные диаграммы его работы в период сигнала меандр (6}
Измерительная цепь (ИЦ) с постоянной времени Тг = Яо Сг (Со Ял или
Яо Дг) запитывается выходным напряжением операционного усили-
теля (на микросхеме — DA), который выполняет функцию сравниваю-
щего устройства (компаратора). Порог срабатывания задается рези-
стивным делителем Я1 и Я2, обеспечивающим коэффициент передачи
цепи положительной обратной связи (ПОС). На рисунке 4.11, б пред-
ставлены временные диаграммы работы описанного преобразователя
параметров.
В момент времени t0 происходит интегрирование напряжения Со из-
мерительной цепью. На инвертирующий вход операционного усилите-
ля (ОУ) подается развертывающая функция. В момент времени ti при
достижении этой функцией порогового значения +С0 &о компаратор
срабатывает, изменяя на выходе ОУ знак напряжения Со на противопо-
ложный, что соответствует интервалу времени интегрирования t„i.
На следующем интервале времени t„2 = ta - ti происходит форми-
рование развертывающей функции с противоположным знаком. Оче-
видно, что при равенстве положительного и отрицательного порогов
срабатывания +С0 &о = - Со интервалы времени и t„2 равны. При
этом период сигнала меандр на выходе ОУ составляет
120
ГЛАВА 4. И 3 МЕР ЕН И Е ПАРАМ ЕТР О В ЭЛ ЕМ ЕНТО В ЦЕП ЕЙ
7L = tHi + tK2 (4.19)
и измеряется цифровым измерителем интервалов.
Результат измерения периода сигнала Гг пропорционален значению
определяемого параметра (С* или £г).
Такие цифровые приборы получили распространение при измере-
нии параметров пассивных элементов цепей с погрешностью измере-
ния (0,005 ...0,1%).
Рассмотрим метод уравновешивающего преобразования изме-
ряемых параметров. Сравнение измеряемой величины с образцовой
производится путем уравновешивания мостовой измерительной цепи,
в одно из плеч которой включен исследуемый элемент. В смежное пле-
чо моста подключают образцовый элемент, представляющий собой на-
бор квантованных образцовых элементов, соответствующих весовым
коэффициентам разрядов используемого цифрового кода. Варьируя
параметрами образцового элемента, добиваются нулевого напряжения
в измерительной диагонали. Уравновешивание моста может быть как
следящим, так и развертывающим.
Такие приборы имеют широкий динамический диапазон и малую
погрешность измерения. Вместе с тем из-за использования контакт-
ных ключей для формирования с высокой точностью параметров об-
разцового элемента эти приборы имеют низкую скорость измерения.
Функциональная схема цифрового моста постоянного тока уравно-
вешивающего типа для измерения активного сопротивления резисто-
ра приведена на рис. 4.12.
Рис. 4,12. Функциональная схема цифрового моста постоянного тока
Измеряемый резистор сопротивлением образцовые резисторы
Я1, Я2 и преобразователь кода в сопротивление образуют мост, кото-
рый подключен к источнику напряжения постоянного тока. Разбаланс
моста фиксируется компаратором. Устройство управления анализиру-
ет выходной сигнал компаратора и в зависимости от его знака увеличи-
вает или уменьшает цифровой код 2V, выдаваемый на преобразователь
4.4. Метод дискретного счета
121
кода. Уравновешивание производится до тех пор, пока напряжение
в выходной диагонали моста не станет меньше порога чувствительно-
сти компаратора. Измеряемое сопротивление выражается формулой
jj _ ' Атк _ ' ^тк ь W
1 *2 R2 ’ 020)
где £пк — коэффициент преобразования: Лпк = Япк / N;
Япк — сопротивление ореобразователя кода.
Как следует из формулы (4.20), результат измерения, отображае-
мый цифровым индикатором, не зависит от значения напряжения ис-
точника питания моста. Путем изменения отношения сопротивлений
резисторов Я1, Я2 цепи положительной обратной связи расширяют
диапазон измерения. Погрешность измерения зависит от стабильно-
сти величины сопротивления образцовых резисторов 7?1, /?2 и от точ-
ности преобразователя кода.
Цифровые мосты постоянного тока имеют погрешность измерения
~ 0,01% и применяются для точного измерения сопротивления резис-
торов.
Для измерения комплексного сопротивления, индуктивности кату-
шек и емкости конденсаторов на фиксированной частоте применяют-
ся мосты переменного тока, выполняющие уравновешивание по двум
параметрам.
На рисунке 4.13 представлена функциональная схема цифрового
моста переменного тока, которым измеряют параметры 7?, L, С. Про-
цесс измерения основан на определении временного интервала, равно-
го постоянной цепи разряда конденсатора емкостью Сг через резистор
с сопротивлением J?3, причем одна из величин является измеряемой,
а другая образцовой. При рассмотрении его работы будем считать, что
измеряемой является емкость конденсатора С^..
Рис. 4.13. Функциональная схема цифрового моста переменного тока
122
ГЛАВА 4. И 3 МЕР ЕН И Е ПАРАМ ЕТР О В ЭЛ ЕМ ЕНТО В ЦЕП ЕЙ
При установке тумблера SA в положение 1 конденсатор заряжа-
ется до напряжения £ стабилизированного источника питания. В мо-
мент измерения тумблер SA переводится в положение 2 и конденсатор
разряжается через образцовый резистор ЯЗ по экспоненциальному за-
кону:
икз = Е-е"'', (4.21)
где е = const;
Т — постоянная времени цепи разряда: т = ЯЗ Q.
Одновременно специальный управляющий импульс открывает элект-
ронный ключ и на счетчик импульсов начинают поступать импульсы от
образцового генератора импульсов с частотой /о- Для этого использует-
ся кварцевый генератор в сочетании со схемой формирования.
Напряжение t/дз подается на один вход компаратора, а на другой
вход подается напряжение с образцового делителя Я1, Я2. Значения
сопротивлений этих резисторов выбирают так, чтобы соблюдалось со-
отношение
R2 1
где^ =--^0,37.
2,7
Тогда напряжение, снимаемое с делителя, будет составлять
Ц» = „ £ = ~ = 0,37Я. (Л
Я1 + Я2 е '4jLi)
Через интервал времени То = ЯЗ С*, напряжение на конденсаторе
уменьшится в е раз, следовательно, станет равным напряжению Ujq.
В момент равенства двух подведенных напряжений компаратор вы-
рабатывает короткий импульс, запирающий электронный ключ. Счет
импульсов прекращается.
Очевидно, что подсчитанное число импульсов в определенном мас-
штабе соответствует постоянной времени т0:
•и
У=т0=с1тгз
Л
откуда
где п — число подсчитанных импульсов;
/0 — частота следования импульсов.
4.5. Резонансный метод
123
При заданном значении /0 можно подобрать значение /?3 так, чтобы
цифровой индикатор был градуирован непосредственно в единицах
емкости.
Расширение пределов измерения достигается изменением значе-
ния /?3.
Измерение ^отличается от измерения только тем, что образцо-
вый резистор заменяется образцовым конденсатором.
Погрешность таких мостов определяется нестабильностью частоты
кварцевого генератора (обычно не хуже 10-5... 10-6), нестабильностью
образцового элемента и ошибкой дискретности (в единице младшего
разряда).
Существенным недостатком цифровых мостов является возмож-
ность измерения только на рабочей частоте.
4.5. Резонансный метод
Резонансный метод является высокочастотным и основан на ис-
пользовании электрического резонанса в колебательной системе.
На низких частотах колебательные системы с достаточно высокой
добротностью создать трудно, поэтому невозможна точная фикса-
ция момента настройки контура в резонанс. Кроме того, габариты
колебательной системы на низких частотах непомерно увеличива-
ются.
Резонансный метод положен в основу работы куметров (Q — ха-
рактеристика добротности катушек индуктивности, контуров, конден-
саторов). Функциональная схема куметра представлена на рис. 4.14.
Прибор состоит из ГВЧ, измерительного контура LC, индикатора
резонанса V2 и вольтметра VI, контролирующего величину входно-
го напряжения. Генератор и индикатор V2 слабо связаны с измери-
тельным контуром, чтобы вносимые ими сопротивления не влияли
на параметры контура. Для этого генератор и индикатор V2 соеди-
124 ГЛАВА4. ИЗМЕРЕН ИЕ ПАРАМ ЕТРОВ ЭЛ ЕМ ЕНТОВ ЦЕП ЕЙ
няются с контуром через емкостные делители напряжения Cl, С2.
В качестве индикатора резонанса используется электронный воль-
тметр типа Д—У или электромеханический индикатор выпрями-
тельной системы.
Методика измерения заключается в определении резонансной ча-
стоты измерительного контура, состоящего из измеряемого элемента
(катушки индуктивности £х) и образцового элемента (конденсатора
Со). Значение £т(или Сд.) вычисляется по формуле Томпсона:
, 1
2к4ъс'
При измерении индуктивности катушки ее подключают к зажимам
1—2. При этом измерительный контур образован катушкой £хс актив-
ными потерями межвитковой емкостью ее проводов CL и перестра-
иваемой образцовой емкостью Со. Резонанс в контуре на заданной ча-
стоте достигается изменением емкости Со образцового конденсатора.
Момент резонанса контура определяется по индикатору V2. Значение
определяется косвенно по расчетной формуле
4 = 4я7=Со' <424)
С помощью приведенной схемы куметра можно определять пара-
метры С, Q, tg 6 и /?, подключая измеряемый конденсатор или резистор
к зажимам 3—4:
с =--------,
1 4</%
При измерении Сх контур составляется из образцовой катушки Lo и
измерительного конденсатора С*.
Измерение добротности Q можно выполнять методом вольтме-
тров или методом расстройки частоты.
Метод вольтметров состоит в следующем. В контур вводится на-
пряжение 1^ известного значения. В момент резонанса измеряется на-
пряжение на контуре. Поскольку U2 больше в Qpaa, то
Q=^- при U1 = const. (А26)
При постоянстве входного напряжения вольтметр V2 можно граду-
ировать в единицах добротности. Следовательно, этот метод является
Контрольные вопросы
125
прямым. Диапазон измерения регулируется изменением подводимого
к контуру напряжения Up
Метод расстройки частоты (косвенный) состоит в следующем.
Контур настраивают в резонанс на частоту/0 (рис. 4.15), при этом фик-
сируется максимальное показание индикатора резонанса по V2. За-
тем контур расстраивают до частот ft и /2 от резонансной до значения
О-7 Оши, тогда
А
2ДА/
е=
(4.27)
Рис, 4.15. Резонансная кривая при измерении
добротности методом расстройки частоты
К достоинствам куметров относится необходимость проведения
измерений на рабочих частотах и измерения большого количества па-
раметров; к недостаткам — трудоемкость измерений, большая погреш-
ность измерения (1...5%), причинами которой являются нестабиль-
ность напряжения и частоты ГВЧ, неточность градуировки шкалы
образцового конденсатора С01 погрешность приборов V1 и V2, погреш-
ность считывания показаний.
Контрольные вопросы
1. Перечислите достоинства аналоговых мостов.
2. Перечислите недостатки аналоговых мостов.
3. Какие методы измерения параметров цепей относятся к низкоча-
стотным?
4. Какие методы измерения параметров цепей относятся к высоко-
частотным?
5. Сколько условий равновесия необходимо выполнить при измере-
нии сопротивления резисторов мостовым методом?
6. Сколько условий равновесия необходимо выполнить при измере-
нии емкости конденсаторов мостовым методом?
126
ГЛАВА 4. И 3 МЕР ЕН И Е ПАРАМ ЕТР О В ЭЛ ЕМ ЕНТО В ЦЕП ЕЙ
7. Почему нельзя использовать мостовой метод на высоких часто-
тах?
8. Какой принцип положен в основу мостового метода?
9. Где применяют метод V—А при измерении параметров Я, L, С?
10. На каких частотах используется резонансный метод?
И. Какая формула положена в основу измерения L, С резонансным
методом?
12. Индикатор какого типа используется в аналоговых мостах посто-
янного и переменного тока?
13. Индикатор какого типа используется в аналоговых измерителях
добротности?
14. От чего зависит погрешность измерения параметров мостовым ме-
тодом?
15. Какую погрешность измерения параметров дает резонансный ме-
тод?
ГЛАВА 5. ИЗМЕРЕНИЕ
ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
5.1. Общие сведения
Различные по форме (следовательно, и по назначению) сигналы
характеризуются разнообразными параметрами. К числу наиболее
известных и подлежащих измерению параметров относятся рассмот-
ренные ранее напряжение, сила тока и мощность. К важным параме-
трам относятся также частота и связанные с ней период и длина волны
электромагнитных колебаний, фазовый сдвиг, временные интервалы,
коэффициент нелинейных искажений и ряд специфических параме-
тров, характерных для модулированных сигналов и сигналов СВЧ-
устройств. Измерение этих параметров выполняется с помощью со-
ответствующих приборов (частотомеров, фазометров, измерителей
нелинейных искажений, измерителей АЧХ) и связано с решением
многих научных и практических задач.
5.2. Измерение частоты и периода
повторения сигнала
Основной единицей измерения частоты сигнала является герц, но
ввиду его малости в электронике используют кратные единицы:
килогерц (1 кГц= Ю3 Гц);
мегагерц (1 МГц = 10G Гц);
- гигагерц (1 ГГц = 109 Гц).
Частота сигнала измеряется электронными и электромеханически-
ми частотомерами.
В каталоговой классификации электронные частотомеры обозна-
чаются следующим образом: 41 — образцовые (стандарты частоты
и времени), 42 — резонансные, 43 — электронные, 44 — гетеродин-
ные волномеры (сняты с производства), 45 — преобразователи часто-
ты, 46 — синтезаторы, делители, умножители частоты.
Электромеханические частотомеры независимо от используемой
системы преобразования обозначаются по единице измерения — Гц
(международное обозначение — Hz).
В практике электротехнических измерений в большинстве случаев
измеряют линейную частоту, которую исторически в радиоэлектрони-
12В
ГЛАВА 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
ке обозначают буквой / (высокие частоты) или буквой F (низкие ча-
стоты). Гармонические сигналы характеризуются также угловой (кру-
говой) частотой w:
ю = 2л/[рад/с[. (5.1)
Угловая частота равна изменению фазы сигнала <р(£) в единицу вре-
мени. Для низких частот угловая частота записывается как Q = 2тгР,
для высоких — как со = 2л/.
При непостоянстве частоты используется понятие мгновенной
угловой частоты:
где/(t) — мгновенная циклическая частота.
При описании методов измерения частоты будем подразумевать ее
среднее значение за время измерения.
Под линейной частотой понимают число колебаний в единицу вре-
мени
7- П
F = ~. (5.2)
Наряду с частотой на ВЧ и СВЧ часто используют длину волны
электромагнитных колебаний к, которая связана с линейной частотой
зависимостью
£
х=7’ <53)
где с — скорость света: с = 3 j 10s м/с.
Реже измеряют период электромагнитных колебаний Г, связанный
с линейной частотой обратной зависимостью:
г<5'4>
Таким образом, параметры F, Т и X связаны между собой и при не-
обходимости можно измерить любой из них.
Приборы, измеряющие частоту сигнала, называются частотомера-
ми, длину волны — волномерами, период — периодомерами.
Так как все три параметра электрических сигналов являются важ-
нейшими в электронных и телекоммуникационных системах, то при-
боры, используемые для частотно-временных измерений, образуют
5.2. Измерение частоты и периода повторения сигнала
129
единый комплекс аппаратуры, позволяющей проводить измерения
с непосредственной их привязкой к Государственному эталону часто-
ты и времени, что гарантирует высокую точность измерений.
Наряду с названными в соответствии с каталоговой классификацией
приборами, частоту можно измерять осциллографическими (косвен-
ными) методами, которые были рассмотрены ранее.
Спектр частот электромагнитных колебаний, используемый
в электронике, простирается от долей герца до десятков гигагерц.
Этот спектр условно можно разделить на два диапазона:
низкие частоты, к которым относятся инфразвуковые — ниже
20 Гц, звуковые — 20 Гц... 20 кГц, ультразвуковые — 20 ... 200 кГц;
высокие частоты, к которым относятся собственно высокие —
200 кГП ... 30 МП<, ультра- или сверхвысокие — выше 30 МГц.
В зависимости от участка спектра частот электромагнитных коле-
баний применяются различные методы измерения, кагоры е подразде-
ляются на низко- и высокочастотные. Приборы для измерения низких
и высоких частот также называются низко- и высокочастотными.
При измерении низких (промышленных) частот (до 1000 Гц) ши-
роко используются электромеханические частотомеры на основе элек-
тромагнитной, электродинамической, ферродинамической, выпрями-
тельной, вибрационной систем.
Электромеханические частотомеры имеют малые габаритные раз-
меры, не требуют источников питания, недороги, однако имеют су-
щественный недостаток — ограниченный диапазон измерения частот,
поэтому используются в основном как контролирующие приборы.
Для измерения низких частот применяют осциллографические
методы (методы сравнения), используемые чаще для градуировки
шкал генераторов различных измерительных приборов. При реали-
зации этого метода требуется генератор образцовой частоты более
высокой точности и осциллограф. К осциллографическим методам
относятся метод фигур Лиссажу, метод яркостной модуляции и ме-
тод использования калиброванной линейной развертки осциллогра-
фа. Все названные методы рассмотрены достаточно подробно ранее.
Погрешность измерения третьим методом зависит от нелинейности
развертывающего напряжения, а также от погрешности отсчета ли-
нейных размеров периода и качества фокусировки и яркости луча на
экране осциллографа.
В настоящие время для измерения низких частот широко исполь-
зуются электронные цифровые частотомеры (43), практически вытес-
нившие конденсаторные частотомеры.
130
ГЛАВА5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
Цифровые частотомеры, в основу измерения которыми положен
метод дискретного счета, характеризуются очевидными достоинства-
ми:
высокой точностью измерений, т.е. малой относительной погреш-
ностью измерения частоты (10-G...10-S);
возможностью успешного использования на низких и на высоких
частотах (от десятых долей герц до сотен мегагерц);
исключением субъективной ошибки оператора;
возможностью обработки результатов измерения с помощью
микропроцессора и персонального компьютера;
возможностью наряду с измерением частоты измерения периода
повторения сигнала, отношения частот, длительности импульсов.
На рисунке 5.1 приведена упрощенная структурная схема цифро-
вого частотомера и временные диаграммы, поясняющие его работу
в режиме измерения частоты.
Рис. 5.1. Упрощенная структурная схема цифрового частотомера («) и временные
диаграммы, поясняющие его работу в режиме измерения частоты сигнала (б)
При измерении частоты сигнала методом дискретного счета иссле-
дуемый сигнал с частотой подается на входное устройство, в кото-
5.2. Измерение частоты и периода повторения сигнала
131
ром усиливается или ослабляется до значения, необходимого для ра-
боты блока формирования сигнала.
Поступающий в блок формирования 1 гармонический сигнал
Ui преобразуется в последовательность коротких однополярных
1
импульсов U2 со счетным периодом повторения 7^ =—. Передние
।
фронты счетных импульсов практически совпадают с моментом пе-
рехода сигнала через нулевое значение на оси времени при его воз-
растании.
Затем счетные импульсы поступают на один из входов временного
селектора (электронного ключа), а на другой его вход с выхода кварце-
вого генератора подаются импульсы прямоугольной формы, калибро-
ванные по длительности, с периодом повторения То > Гг для последую-
щего их формирования в блоке формирования 2. Временной селектор
открывается импульсом t/з и в течение времени его действия пропу-
скает пакет импульсов ЭД на вход счетчика. В результате на счетчик
импульсов поступает п импульсов напряжением ЭД. То есть метод дис-
кретного счета состоит в подсчете числа периодов измеряемой частоты
Ггза известный высокостабильный интервал времени То В результате
измерения получим
Го
п = —
Т
* -н
откуда
F - П
(^)
В счетч и ке ч ис ло про ш ед ш их и м пул ьсов фи кси ру ется в в ид е з лекг-
рического кода, который затем преобразуется в десятичный код, вы-
свечиваемый на цифровом индикаторе.
Действительная относительная погрешность измерения частоты
определяется формулой
1
к? р • т * (5.6)
Из анализа формулы (5.6) следует, что чем ниже значение измеряе-
мой частоты Гт, тем больше должна быть погрешность. Поэтому для
получения меньшей погрешности измерения низких частот увеличи-
вается время измерения Го. Следовательно, измерение низких частот
требует большего времени измерения.
132
ГЛАВА5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
Для варьирования Го в составе делителя кварцевого генератора
имеется декадный делитель частоты с коэффициентом £д (каждая де-
када уменьшает частоту кварца Fo в десятки раз). Период импульсов на
выходе блока формирования 2 и длительность строб импульса равны
периоду сигнала на выходе делителя частоты, т.е.
*0
и выражение (5.5) можно представить в виде
(5.7)
Отношение изменяют варьированием £д, т.е. за счет изменения
числа декад делителя.
Погрешность измерения частоты имеет систематическую и слу-
чайную составляющие. Систематическая составляющая обусловлена
главным образом долговременной нестабильностью частоты кварце-
вого генератора Fo, которую уменьшают термостатированием кварца
или применением в генераторе термокомпенсирующих элементов. По-
грешность за счет неточности установки частоты Fo уменьшают калиб-
ровкой генератора по сигналам эталонных значений частоты, пере-
даваемых по радио или с помощью мобильных квантовых стандартов
частоты. Относительная погрешность калибровки кварцевого генера-
тора не превышает (1...5) 1О-10.
В ряде случаев требуемая стабильность частоты достигается введе-
нием в генератор фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
Рассмотрим пример подсчета частоты сигнала цифровым частото-
мером.
Частота кварцевого генератора Fo = 1 МГц, что соответствует Го =
=1 /Го = 1 мкс.
Предположим, что на счетчик за это время прошло 10 импульсов,
тогда в соответствии с формулой (5.5) Fx—п/ Го = 10 / 10-ес = 107 Гц =
= 10 МГц.
Диапазон измеряемых цифровым прибором частот ограничивается
снизу погрешностью дискретизации, а сверху — быстродействием ис-
пользуемых счетчиков-делителей. Верхний предел измерения в коли-
чественном выражении не превышает 200 МП{. Расширения верхнего
предела добиваются переносом измеряемой частоты в область более
низких частот (гетеродинное преобразование).
5.2. Измерение частоты и периода повторения сигнала
133
В состав цифрового частотомера обязательно входит схема автома-
тического регулирования усиления (АРУ) и схема подавления внеш-
них помех. Для обеспечения устойчивой работы частотомера в пас-
порте прибора приводится важный параметр — чувствительность
(минимальное значение напряжения, ][ри котором частотомер уже
может измерить частоту). При меньшем значении напряжения изме-
рение прекращается и показания счетчика (следовательно, и цифрово-
го индикатора) обнуляются. Уровень значения напряжения входного
сигнала также ограничивается максимальным значением, превышать
которое нельзя. В противном случае частотомер «зависаете, т.е. надол-
го перестает измерять. В связи с этим в приборе предусмотрены меры
защиты от перегрузок.
Наличие в последних моделях цифровых частотомеров синтезато-
ров частот позволяет получать с и шалы с дискретной сеткой частот.
Программное управление синтезаторами частот и введение встроен-
ных микропроцессоров открывает новые возможности таких приборов
в части уменьшения погрешности измерения, расширения диапазона
измеряемых частот и упрощения включения их в автоматизированные
измерительные системы. Цифровые частотомеры способны измерять
частоту гармонических и импульсных сигналов.
Измерение периода повторения сигнала методом дискретного счета
рассмотрим на примере гармонического (синусоидального) сигнала.
В основу измерения периода положен принцип заполнения его
импульсами, следующими с известным периодом То, задаваемым об-
разцовым кварцевым генератором, и подсчет количества этих импуль-
сов
На рисунке 5.2 приведена упрощенная структурная схема цифро-
вого частотомера и временные диаграммы его работы в режиме изме-
рения периода повторения сигнала.
Исследуемый синусоидальный сигнал Ц с периодом 7^. после про-
хождения через входное устройство поступает на блок формирова-
ния 1, где преобразуется в последовательность коротких импульсов
U2 (с тем же периодом), поступающих на устройство управления.
В устройстве управления из поступивших импульсов формирует-
ся стробимпульс (Уз прямоугольной формы с длительностью, равной
измеряемому периоду Далее стробимпульс поступает на один из
входов электронного ключа, на второй вход которого от кварцевого
генератора подаются короткие импульсы с известным высокоста-
бильным образцовым периодом повторения То для последующего пре-
образования сигнала по форме в блоке формирования 2. Электронный
134
ГЛАВА5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
а
б
Рис. 5.2. Упрощенная структурная схема цифрового частотомера («) и временные
диаграммы его работы в режиме измерения периода повторения сигнала (б)
ключ в течение времени длительности стробимпульса пропускает на
счетчик счетных импульсов с напряжением U^. Очевидно, что изме-
ряемый период прямо пропорционален количеству счетных импуль-
сов иг и образцовому периоду повторения То-
7^ = + Д£д, (5.8)
где Aft — суммарная абсолютная оогрешность дискретизации: Aft = Aft + Aft;
AtH — погрешность дискретизации начала периода
Aft — погрешность дискретизации конца периода 7Т-
Без учета погрешности Aft в формуле (5.8) число поступивших на
счетчик импульсов пх = Тх / Го, а измеряемый период прямо пропор-
ционален т.е.
Тг = пх • То-
(5.9)
5.2. Измерение частоты и периода повторения сигнала 135
Число прошедших импульсов фиксируется в виде электрического
кода, поступающего на цифровой индикатор, в котором показание со-
ответствует измеряемому периоду
Погрешность измерения периода повторения сигнала зависит от
стабильности частоты кварцевого генератора и от погрешности диск-
ретизации.
Резонансный метод измерения частоты сигнала относится к вы-
соко- и сверхвысокочастотным методам и заключается в сравнении
измеряемой частоты /г с собственной резонансной частотой измери-
тельной колебательной системы, в качестве которой используется ко-
лебательный контур или резонатор.
Приборы, принцип работы которых основан на этом методе, назы-
ваются резонансными волномерами (реже — частотомерами), так как
в большинстве случаев они измеряют длину волны.
На рисунке 5.3 представлена упрощенная структурная схема резо-
нансного волномера, которая состоит из входного устройства, колеба-
тельного контура с градуированным механизмом настройки и индика-
тора резонанса.
Входное Колебательный
устройство контур
Рис. 5.3. Упрощенная структурная схема резонансного волномера
Индикатор
резонанса
В зависимости от диапазона частот конструкция колебатель-
ной системы различна: на частотах < 200 МГц применяются парал-
лельные контуры с сосредоточенными параметрами, состоящие из
катушки индуктивности и конденсатора переменной емкости; на
частотах 200...1000 МГц применяются контуры смешанного типа
(емкость сосредоточена, а индуктивность распределена); на часто-
тах > 1 ГГц применяются контуры с распределенными параметра-
ми — отрезки коаксиальной, волноводной линий или объемные
резонаторы.
Связь измерительного контура с источником измеряемой частоты
должна быть слабой (рис. 5.4, я), что обеспечивает большую симмет-
рию резонансной кривой и делает ее более острой, так как уменьшает
вносимое в измерительный контур волномера затухание. При сильной
связи (рис. 5.4, б) в контур частотомера вносится также добавочное
реактивное сопротивление, что вызывает расстройку контура, и резо-
нанс получается уже на другой частоте.
136
ГЛАВА5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
а б
Рис. 5.4. Резонансные кривые при слабой (о) и сильной (б) связи
измерительного контурно источником измеряемой частоты
Рассмотрим работу резонансного волномера. Сигнал с измеряемой
частотой/г возбуждает перестраиваемый колебательный контур через
входное устройство и при резонансе fx = /0 резко увеличивает интен-
сивность и амплитуду колебаний. Момент резонанса регистрируется
по индикатору резонанса, который связан с колебательным контуром,
а значение измеряемой частоты отсчитывают по градуированной шка-
ле механизма настройки.
Погрешность измерения составляет 10-3...1(Н% и зависит от точ-
ности настройки колебательного контура, в резонанс, чувствительно-
сти индикатора, степени связи частотомера с источником измеряемой
частоты, а также от температуры и влажности окружающей среды. Для
уменьшения влияния параметров внешней среды колебательный кон-
тур помещают в термостат и герметизируют.
В качестве индикатора резонанса применяются механизм выпря-
мительной системы или электронный индикатор.
Достоинство резонансных волномеров — их простое устройство
и удобство эксплуатации, а недостаток — трудоемкость измерения
(продолжительность настройки колебательного контура в резо-
нанс).
Последние разработки измерительных приборов на основе микро-
процессорных контроллеров позволяют проводить измерения частоты
сигнала, периода его повторения и других параметров на единой осно-
ве. Рассмотрим принцип работы измерителя частоты сигнала и интер-
валов времени со встроенным микропроцессором (рис. 5.5).
Центральным узлом структурной схемы является микропроцес-
сорный контроллер (МПК), состоящий из вычислительного управля-
ющего устройства, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ),
постоянного (программируемого) запоминающего устройства (ПЗУ).
Селектор прибора из входного сигнала формирует измеряемый ин-
тервал времени, а из сигнала образцовой частоты от кварцевого гене-
5.2. Измерение частоты и периода повторения сигнала
137
ратора — эталонный интервал времени, равный измеряемому с точно-
стью до длительности периода сигнала образцовой частоты.
Канал
Рис. 5.5. Структурная схема измерителя частоты сигнала
и интервалов времени со встроенным микропроцессором
Интерполятор предназначен для расширения импульсов, отражаю-
щих погрешности дискретизации, и последующего измерения методом
счета числа колебаний образцовой частоты и содержит два одинако-
вых канала. Формирователь готовности включает в себя дешифратор
управления, селектор и счетчики числа импульсов и вырабатывает
специальный сигнал, определяющий время работы селектора.
Блок регистров содержит основную часть счетчиков, дешифратор
управления, который вырабатывает сигнал сброса регистров, установ-
ки в исходное состояние селектора, приема и выдачи информации. Схе-
ма совпадения выдает сигнал в момент переполнения счетчика. Сигнал
с выхода схемы совпадения подготавливает окончание времени счета
прибора. В данной схеме узел ЦАП предназначен для измерения уровня
запуска прибора в режиме ручного управления и для установки требуе-
мого уровня запуска в режиме дистанционного управления прибором.
Блок управления и индикации предназначен для управления ра-
ботой блока индикатора и преобразования командных сигналов, по-
ступающих с МП К, в управляющие сигналы прибора. Он содержит
цифровой индикатор и клавиатуру для ввода данных. Интерфейс обе-
спечивает работу прибора в системах с каналом общего пользования
(КОП). Блок питания вырабатывает необходимые питающие напря-
13В
ГЛАВА5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
жения. Синтезатор частоты с кварцевым генератором является источ-
ником стабильных гармонических колебаний разной частоты.
Технические характеристики МПК определяются параметрами
стандартных современных отечественных или иностранных микро-
процессоров и КМОП интегральных микросхем, на которых построе-
но большинство устройств сопряжения. МПК подключается к устрой-
ству памяти непосредственно через приборную магистраль, а к другим
устройствам измерительного прибора — иногда через приборную ма-
гистраль и блок управления.
В приборе предусмотрен режим самоконтроля путем измерения
частоты или периода собственного образцового сигнала с частотой
100 МГц от кварцевого генератора. Для обеспечения внутренних
связей и подключения к внешним устройствам (например к компью-
теру) в описываемом приборе имеются цифровые магистрали трех
видов: шина управления (ШУ), адресная шина(ША) и шина данных
(ШД).
К основным метрологическим характеристикам частотомеров, ко-
торые необходимо знать при выборе прибора, относятся следующие:
диапазон измерения частот;
чувствительность — минимальное напряжение (мощность), при
котором может работать прибор;
допустимая погрешность измерения.
5.3. Измерение фазового сдвига
Единицами измерения фазового сдвига являются радиан и градус:
1° = д/180 рад.
В каталоговой классификации электронные измерители разности
фаз и группового времени запаздывания обозначаются следующим
образом: Ф1 — образцовые приборы, Ф2 — фазометры, ФЗ — измери-
тельные фазовращатели, Ф4 — измерители группового времени запаз-
дывания, Ф5 — измерители корреляции.
Электромеханические фазометры на лицевой панели имеют знак Дер.
Фаза характеризует состояние гармонического процесса в данный
момент времени:
ы(£) = Um sin (wt-ь ф).
Фазой называется весь аргумент синусоидальной функции
(c*tf и- ф). Обычно измерение Дф производится для колебаний одной
и той же частоты:
5.3. Измерение фазового сдвига
139
wi(0 = t/msin(wt+ «рО;
ы2(0 = tfmsin (wf+ <р2).
В этом случае фазовый сдвиг
Дф = (wt+ <pd) -(atf-фз) = <pt -ф2. (5.10)
Для упрощения принимают начальную фазу одного колебания за
нуль (например <р2 = 0), тогда Дер = <pd.
Приведенное понятие фазового сдвига относится только к гармо-
ническим сигналам. Для негармонических (импульсных) сигналов
применимо понятие временного сдвига (время задержки £3), диаграм-
мы которого приведены на рис. 5.6.
Рис. 5.6. Диаграммы напряжений с временным сдвигом
Измерение фазового сдвига широко используется на промышлен-
ных и сверхвысоких частотах, т.е. во всем диапазоне частот.
Фазовый сдвиг возникает, например, между входным и выходным
напряжениями четырехполюсника, а также в силовых цепях перемен-
ного тока между током и напряжением и определяет коэффициент
мощности (сов ср), следовательно, и мощность в исследуемой цепи.
Для измерения фазового сдвига на промышленных частотах ши-
роко используют электромеханические фазометры электродинамиче-
ской и ферродинамической систем. Недостатками таких фазометров
являются сравнительно большая потребляемая мощность от источни-
ка сигнала и зависимость показаний от частоты. Относительная при-
веденная погрешность электромеханических фазометров — не более
±0,5%.
В зависимости от требуемой точности измерения фазового сдвига
и частоты сигнала применяют один из следующих методов: осцилло-
графические (один из трех), компенсационный, электронный метод
дискретного счета, метод преобразования фазового сдвига в импульсы
140
ГЛАВА5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
тока, метод измерения с использованием фазометров на основе микро-
процессорной системы, метод преобразования частоты сигнала.
Осциллографические методы, в свою очередь, разделяются на
три: линейной развертки, синусоидальной развертки (эллипса) и кру-
говой развертки.
Для реализации .методл линейной развертки используют двухка-
нальный или двухлучевой осциллограф (или однолучевой осцилло-
граф с электронным коммутатором). На экране получается изображе-
ние синусоидальных сигналов (рис. 5.7).
Рис. 5.7. Осциллограммы двух синусоидальных сигналов при
измерении фазового сдвига методом линейной развертки
Сигналы «i(t) и 1*2(£) подаются на входы Y1 и Y2 осциллографа.
Для обеспечения неподвижности осциллограмм необходимо синхро-
низировать развертку одним из исследуемых сигналов.
По измеренным отрезкам Од и 06 рассчитывается фазовый сдвиг из
соотношения
Дф _ 0а
Зб(Г“оК'
откуда
Д<р = ~360“. (5.11)
Метод линейной развертки позволяет определить знак фазового
сдвига, охватывает полный диапазон его измерения — О-.-ЗбО’. Погреш-
ность метода составляет ± (5...7°) и определяется нелинейностью раз-
вертывающего напряжения, неточностью измерения линейных раз-
меров отрезков Ол и Об, качеством фокусировки и яркости луча (т.е.
умением оператора).
Метод синусоидальной развертки реализуется с помощью одно-
лучевого осциллографа. Исследуемые сигналы с напряжением 14^(0
и M2(t) подаются на входы X и Y осциллографа при выключенном
внутреннем генераторе линейной развертки. На экране появится фи-
5.3. Измерение фазового сдвига
141
гура в виде эллипса (рис. 5.8), форма которого зависит от фазового
сдвига между двумя напряжениями и их амплитуд. Фазовый сдвиг
определяется по формуле
(5.12)
. уа
(Дф) - arcsm—— -агсзШ’гг'.
А_. г_
Рис. 5.8. Результирующая осциллограмма при измерении
фазового сдвига методом синусоидальной развертки
Для уменьшения погрешности перед измерением выравнивают ам-
плитуды и Хп плавным их регулированием по каналам Y и X.
Метод синусоидальной развертки позволяет измерять фазовый
сдвиг в пределах от 0...180’ без определения знака.
Погрешность измерения Дф методом синусоидальной развертки
(методом эллипса) зависит от точности измерения отрезков, входя-
щих в уравнение (5.12), от качества фокусировки и яркости луча на
экране ЭЛТ. Эти причины оказывают заметное влияние при фазовом
сдвиге, близком к нулю и к 90°.
Оба рассмотренных метода являются косвенными и достаточно
трудоемкими.
Метод круговой развертки — наиболее удобный осциллографиче-
ский метод измерения фазового сдвига. При этом определяется знак
фазового сдвига во всем диапазоне измерения угла (0...3600). Погреш-
ность измерения постоянна во всем диапазоне.
Структурная схема осциллографа при измерении фазового сдвига
методом круговой развертки приведена на рис. 5.9, а.
142
ГЛАВА5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
Рис. 5.9. Структурная схема реализации метода круговой развертки (я), отсчет
угла (б) и эпюры синусоидальных сигналов (в) при измерении фазового сдвига
На входы X и Y осциллографа подаются синусоидальные сигналы с на-
пряжением tZ] и {/3, сдвинутые относительно друг друга на 90° с помощью
фазовращателя, состоящего из резистора и конденсатора. При равенстве
сопротивлений плеч амплитуды напряжений t/j и t/3 также равны и на
экране будет наблюдаться осциллограмма в виде круга (рис. 5.9, б).
Сравниваемые сигналы ьи(0 и Ыз(0 подаются на входы двух оди-
наковых формирователей, которые преобразуют синусоидальные на-
5.3. Измерение фазового сдвига
143
пряжения в последовательность коротких однополярных импульсов
с напряжением {/4 и (рис. 5.9, в) с крутыми фронтами. Начала им-
пульсов совпадают с моментом перехода синусоид через ось времени
при их возрастании. Сигналы с напряжением Ut и поступают на ло-
гическую схему ИЛИ, где суммируются, и на выходе появляется по-
следовательность импульсов с напряжением t/6, которые подаются на
управляющий электрод (модулятор) трубки, управляя яркостью луча
в точках 1 и 2, и на окружности в точках 1 и 2 наблюдаются точки по-
вышенной яркости.
Фазовый сдвиг между сигналами происходит следующим образом
(см. рис. 5.9, б). При измерении центр прозрачного транспортира со-
вмещают с центром круга, полная длина окружности которого соот-
ветствует 360’. За период Т исследуемых сигналов с напряжением
и U2 электронный луч описывает круг. Дугу между точками 1 и 2, дли-
на которой равна некоторому углу а, луч описывает за время задержки
этих сигналов: Д£ - АфТ/ 360’, откуда а = Аф.
Абсолютная погрешность измерения методом круговой развертки
достигает 2...5’ и зависит от точности определения центра круга, точ-
ности измерения фазового сдвига с помощью транспортира и от степе-
ни идентичности порога срабатывания обоих формирователей.
.метод (метод наложения) реализуется с помо-
щью осциллографа. Схема метода приведена на рис. 5.10, л.
Рис. 5,10. Схема реализации компенсационного метода (о) и
осциллограмма (б) при измерении фазового сдвига
Сигналы с напряжением {/t и U2 подаются на входы Y и X осцилло-
графа, причем на вход Y — через градуированный фазовращатель, а на
вход X подается непосредственно.
Фазовый сдвиг между исследуемыми напряжениями и U2 опре-
деляется путем изменения фазы сигнала с напряжением фазовра-
щателем до тех пор, пока на экране не появится прямая наклонная ли-
ния (рис. 5.10, б), что свидетельствует о равенстве фаз обоих сигналов.
Определяемый фазовый сдвиг Дф отсчитывают по шкале фазовраща-
144
ГЛАВА5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
теля относительно первичного положения, соответствующего поворо-
ту фазы на 180е. Для уменьшения погрешности измерения необходимо
произвести коррекцию фазовых сдвигов, создаваемых усилителями
каналов вертикального и горизонтального отклонения луча осцилло-
графа. Эта процедура осуществляется в той же последовательности,
что и при измерении фазового сдвига методом синусоидальной раз-
вертки (см. рис. 5.8). В качестве индикатора нуля можно использовать
электронный вольтметр.
Погрешность измерения компенсационным методом небольшая
(0,2...0,5°) и определяется главным образом качеством градуировки
фазовращателя.
Компенсационный метод применяют и в диапазоне СВЧ при из-
мерении фазового сдвига, вносимого каким-либо элементом, допол-
нительно включаемым в тракт СВЧ (фильтром, отрезком волновода).
Структурная схема измерения фазового сдвига компенсационным ме-
тодом представлена н а р ис. 5.11.
Рис. 5.11. Структурная схема измерения фазового сдвига
в диапазоне СВЧ компенсационным методом
Процесс измерения производится в следующем порядке. При от-
ключенном исследуемом элементе Z СВЧ-тракт на выходе фазовра-
щателя замыкают заглушкой накоротко. При включении генератора в
тракте устанавливается стоячая волна. Поскольку минимум стоячей
волны более резко выражен, чем максимум, то настройкой фазовра-
щателя так перемещают узел стоячей волны относительно поперечной
плоскости расположения зонда, чтобы выпрямительный прибор (мил-
лиамперметр) показал минимум, и отмечают показания (pt фазовраща-
теля. Затем между фазовращателем и заглушкой включают исследуе-
мый элемент Z, создающий смещение узла напряжения стоячей волны,
и снова фазовращателем добиваются минимального показания инди-
катора, которое составит фз при отсчете по шкале фазовращателя.
Фазовый сдвиг, вносимый исследуемым элементом Z в СВЧ-тракг,
определяется по формуле
ЛФ = Ф.- у.
(5.13)
5.3. Измерение фазового сдвига
145
Вместо фазовращателя и зонда в рассматриваемой схеме может
быть использована измерительная линия. Описанный компенсацион-
ный метод является косвенным.
Двухканальный фазометр позволяет измерить фазовый сдвиг непо-
средственно. Принцип работы двухканального фазометра основан на
преобразовании фазового сдвига в импульсы прямоугольной формы.
Структурная схема двухканального фазометра, временные диаграммы
сигналов, поясняющие его работу, и график зависимости показаний
индикатора относительного Дф представлены на рис. 5.12.
Рис. 5.12. Структурная схема двухканального фазометра («),
временные диаграммы сигналов, поясняющие его работу (б) и график
зависимости показаний индикатора относительно Дф (я)
Фазометр состоит из преобразователя Дф во временной сдвиг Д£,
равный искомому фазовому сдвигу Дф и измерительного индикатора.
Преобразователь состоит из двух одинаковых формирователей сигна-
ла и сумматора, в качестве которого используется триггер.
Исследуемые сигналы с напряжением i7i и Uj с фазовым сдвигом Дф
подаются на входы двух одинаковых формирователей, которые преоб-
146
ГЛАВА5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
разуют поступившие синусоидальные сигналы в последовательность
коротких импульсов с напряжением и Импульсы с напряжени-
ем t/з запускают триггер, а импульсы с напряжением устанавливают
его в исходное положение. В итоге на выходе образуется периодиче-
ская последовательность импульсов, период повторения и длитель-
ность которых равны периоду повторения Г и сдвигу во времени At
исследуемых сигналов с амплитудой .
В качестве измерительного индикатора чаще всего используется
микроамперметр магнитоэлектрической системы, показания которого
пропорциональны среднему значению силы тока за период повторе-
ния сигнала Т.
Как видно из временной диаграммы /=/(t) (см. рис. 5.12,6), в цепи
измерительного прибора получаются прямоугольные импульсы дли-
тельностью At. Следовательно, среднее за период значение силы тока,
протекающего через приборы, пропорционально удвоенному относи-
тельному временному интервалу:
/cp = /m2At/F,
откуда
At_ /р
Из графика (см. рис. 5.12, 6) следует, что фазовый сдвиг между ис-
следуемыми сигналами с напряжением и U2 соответствует времен-
ному сдвигу At и может быть выражен формулой
А, q At
= <oAt= 2л—,
Т
из которой следует, что фазовый угол линейно зависит от отношения
At/Г:
(5.15)
Подставив уравнение (5.15) в выражение (5.14), получим
Дф=360°у=-^--180°. (5.16)
При постоянном значении амплитуды выходных импульсов шка-
ла индикатора, измеряющего среднее значение силы тока /о, градуи-
руется в значениях Дф. При этом шкала индикатора фазометра будет
(5.14)
Дф = 360°—
г
5.3. Измерение фазового сдвига
147
линейной. Достоинством двухканального фазометра является прямое
измерение Дер в диапазоне ±180°.
Элекмрокный метод дискретного счета положен в основу ра-
боты цифрового фазометра и состоит из двух основных этапов: пре-
образование фазового сдвига в соответствующий интервал времени и
измерение этого интервала времени методом дискретного счета.
Упрощенная структурная схема цифрового фазометра и временные
диаграммы, поясняющие его работу, представлены на рис. 5.13.
Рис, 5.13. Структурная схема фазометра при измерении
фазового сдвига методом дискретного счета (я), и временные
диаграммы сигналов, поясняющие его работу (б)
Вырабатываемый кварцевым генератором синусоидальный сигнал
подается на блок формирования, на выходе которого образуются счет-
ные импульсы, поступающие на один вход временного селектора. На
другой его вход поступает преобразованная последовательность им-
пульсов длительностью Ate периодом повторения исследуемых сиг-
налов Г. Селектор открывается только на время, равное длительности
Д f импульсов с напряжением £/з и пропускает на счетчик импульсы
14В
ГЛАВА5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
с напряжением от генератора. Временной селектор формирует па-
кеты импульсов с напряжением (не изменяя периода Г), поступаю-
щих на счетчик в одном пакете.
п = Д£/Т0, (5.17)
где Го — период повторения счетных импульсов кварцевого генератора.
П одстави в в фор мулу (5.17) соотношени е для Д£ из формул ы ( 5.16 ),
определяем Дф для сигналов с напряжением и U2.
Дф = п-36О’То/Г (5.18)
Общая погрешность измерения этим методом зависит от погреш-
ности дискретности, которая связана с тем, что интервал Д£ измеряется
с точностью до одного периода То, и от нестабильности времени сраба-
тывания преобразователя.
Большими возможностями обладают фазометры со встроенным
микропроцессором, которыми можно измерять фазовый сдвиг между
двумя периодическими сигналами за любой выбранный период.
На рисунке 5.14 представлена структурная схема фазометра со
встроенным микропроцессором и временные диаграммы сигналов, по-
ясняющие его работу.
После входного устройства синусоидальные сигналы с напряжени-
ем и U2 поступают на входы импульсного преобразователя, в ко-
тором преобразуются в короткие импульсы с напряжением Щи U2.
С помощью первой пары данных импульсов формирователь 1 выра-
батывает импульс с напряжением длительностью ДГ, которая равна
временному сдвигу сигналов с напряжением 1^ и U2. Этим импуль-
сом открывается временной селектор 1, и в течение его действия на
вход счетчика 1 проходят счетные импульсы с периодом повторения
Го, которые вырабатываются микропроцессором. Прошедший на вход
счетчика 1 пакет импульсов с напряжением показан на рис. 5.14, б.
Число импульсов в пакете выражается формулой
п = Дг/Т0. (5.19)
Одновременно с этим формирователь 2 вырабатывает импульсы с
напряжением £/$, с длительностью, равной периоду повторения иссле-
дуемых сигналов с напряжением и U2. Этот импульс открывает се-
лектор 2 (на время своего действия) и пропускает от микропроцессора
на счетчик 2 пакет импульсов с напряжением t/6 и с периодом То, число
которых в пакете составляет
jv=r/ro.
(5.20)
5.3. Измерение фазового сдвига
149
б
Рис. 5.14. Структурная схема фазометра со встроенным микропроцессором
(я) и временные диаграммы сигналов, поясняющие его работу, (б)
Для определения искомого значения фазового сдвига Дф за выб-
ранный период повторения сигнала Г необходимо найти отношение
величин (5.19) и (5.20), равное
n/N=bt/T,
затем с учетом основной формулы Дф = 360’ ДГ / Г умножить это от-
ношение на 360’:
Дф = п/У-360’. (5.21)
Данное вычисление выполняется микропроцессором, на который
передаются вырабатываемые счетчиками 1 и 2 коды чисел п и У. При
150
ГЛАВА5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
соответствующей программе микропроцессора на дисплее высвечи-
вается значение фазового сдвига Дф для любого выбранного периода
Г. Благодаря сравнению таких сдвигов в разных периодах появляется
возможность наблюдать флуктуации Дф и оценивать их статические
параметры, к которым относятся математическое ожидание, диспер-
сия, среднеквадратичное отклонение, измеренное среднее значение
фазового сдвига.
При измерении фазометром со встроенным микропроцессором
среднего значения фазового сдвига Дф за заданное количество /Г пе-
риодов Т в счетчиках 1 и 2 накапливаются коды числа импульсов, по-
ступивших на их входы за /Г периодов, т.е. кодов чисел пХ и JVK соот-
ветственно, передаваемых в микропроцессор.
Малую погрешность измерения Дф данным фазометром можно по-
лучить только на достаточно низкой частоте исследуемых сигналов.
Расширить частотный диапазон позволяет предварительное (гетеро-
динное) преобразование сигналов.
К основным метрологическим характеристикам фазометров, кото-
рые необходимо знать при выборе прибора, относятся следующие:
назначение прибора;
диапазон измерения фазового сдвига;
частотный диапазон;
допустимая погрешность измерения.
5.4. Измерение коеффициента
нелинейных искажений
Для низкочастотных измерительных генераторов особенно важно
иметь малый коэффициент нелинейных искажений (коэффициент
гармоник Д-), так как при снятии различных характеристик низкоча-
стотных устройств на их вход желательно подавать колебания, близ-
кие по форме к синусоиде, т.е. без гармоник. Искажения возникают,
главным образом, вследствие прохождения сигнала в усилительных
и детекторных каскадах из-за нелинейности их вольт-амперных ха-
рактеристик (ВАХ) при работе диодов и транзисторов на нелинейном
участке ВАХ.
В результате в сигнале появляются новые (дополнительные) выс-
шие гармонические составляющие, вызывающие искажение синусои-
дальной формы:
5.4. Измерение коэффициента нелинейны к искажений
151
+[/ж1 * sin ой+[Л,? * sin2«rf+L7 sin3«tf+...
\ / U Ptl________________| t>f4___________J Oto____________J
1-ятфиотппса 2-i Зя
... +1/^- sinntoL
Для количественной оценки искажений используют специальные
аналоговые и цифровые приборы — измерители нелинейных искаже-
ний (С6 по каталоговой классификации).
Коэффициент гармоник &г представляет собой отношение средне-
квадратичного значения всех высших гармоник (начиная со второй)
напряжения или силы тока к среднеквадратичному значению напря-
жения или силы тока первой гармоники:
k e k; e . 100%. (5.23)
Упрощенная структурная схема измерителя нелинейных искаже-
ний представлена на рис. 5.15. Принцип действия измерителя основан
на сравнении среднеквадратичного значения напряжения высших гар-
моник, начиная со второй, со среднеквадратичным значением всего ис-
следуемого напряжения.
«Измерение»
Рис, 5.15. Структурная схема измерителя нелинейных искажений
(коэффициента гармоник)
Принцип действия прибора основан на подавлении первой гармо-
ники с помощью активного режекторного фильтра и измерении сред-
неквадратичного значения напряжения высших гармоник.
Исследуемый сигнал подается на входное устройство, служащее для
согласования входного сопротивления прибора с источником измеряе-
мого сигнала. Перед измерением прибор должен быть калиброван («▼>).
С помощью усилителя значение измеряемого напряжения доводят до
фиксированного уровня по индикатору (когда Д- = 100%), при котором
индикатор среднеквадратичного значения электронного вольтметра бу-
дет градуирован в значениях коэффициента Вольтметр измеряет сред-
неквадратичное значение напряжения исследуемого сигнала:
152
ГЛАВА5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
= + (5.24)
После проведения калибровки переключатель SA переводят в по-
ложение «Измерением и настраивают активный режекгорный фильтр
на достаточно равномерное пропускание напряжений всех высших
гармоник и подавление напряжения 1-й (основной) гармоники путем
дискретной и плавной установки его частоты U-}. Признаком полного
подавления 1-й гармоники является минимальное показание индика-
тора, которое соответствует среднеквадратичному значению суммы
всех высших гармоник:
и, =^+Ul+... + U^. (5.25)
При нелинейных искажениях меньше 10% (что обычно и быва-
ет на практике), например в измерительных усилителях < 1„.2%,
а в обычных усилителях < 7...8%, коэффициент гармоник может
быть найден по приближенной формуле:
(Ы6)
Коэффициент гармоник связан с коэффициентом £г' формулой
*г=-4=,
№
которой следует пользоваться в том случае, когда
kr >^'£10%. (5.27)
Прибор содержит внутренний генератор с перестраиваемой часто-
той (плавно и дискретно). Для ослабления влияния сетевых помех при
измерениях выше 1 кГц предусмотрен фильтр верхних частот с часто-
той среза 1 кГц.
Для повышения точности измерения используют электронный
вольтметр высокой чувствительности типа У—Д, который в измери-
теле может применяться не только для определения нелинейных ис-
кажений, но и для измерения напряжений звуковой частоты в режиме
«Вольтметрм.
Погрешность измерения аналоговым прибором лежит в границах
0,1...5%.
5.5. Измерение амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников 153
К достоинствам аналоговых измерителей следует отнести пря-
мой отсчет; к недостаткам — трудоемкость и относительно большую
погрешность измерения.
В цифровых измерителях погрешность снижена, измерения про-
водятся автоматически, за счет чего достигается высокая скорость из-
мерения.
К основным метрологическим характеристикам измерителей нели-
нейных искажений (коэффициента гармоник), которые необходимо
знать при выборе прибора, относятся следующие характеристики:
диапазон частот основной гармоники;
диапазон измерения коэффициента гармоник;
диапазон входных напряжений;
допустимая погрешность измерений;
входной импеданс;
диапазон измеряемых напряжений;
диапазон частот электронного вольтметра;
приведенная относительная погрешность электронного вольтметра.
|1А
I U
Вход
Выход
Рис. 5.16. Схема
четырехполюсника
(5.28)
5.5. Измерение амплитудно-частотных
характеристик четырехполюсников
При контроле технического состояния электронных устройств важ-
ное место занимает измерение частотных характеристик различных их
узлов, а именно АЧХ.
В электронике широко используют линейные четырехполюсники,
АЧХ которых определяется зависимостью модуля коэффициента пе-
редачи от частоты сигнала.
Коэффициент передачи А в цепях с со-
средоточенными постоянными представля-
ет собой отношение комплексных ампли-
туд выходного и входного гармонических
напряжений одной частоты при условии
отсутствия отражения на входе, как показа-
но на схеме четырехполюсника (рис. 5.16):
А _
"IV
Если U2 < 1^, то происходит ослабление сигнала при прохождении
его через четырехполюсник (в этом случае — пассивный), а коэффици-
ент передачи А < 1.
154
ГЛАВА5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
Если > t/t, то сигнал усиливается, четырехполюсник является
активным, а£> 1.
Значения коэффициента передачи четырехполюсника и частоты
сигнала, на которой проводится его измерение, образуют точку в си-
стеме соответствующих координат, а совокупность таких же точек об-
разуют АЧХ в рассматриваемом частотном диапазоне.
Измерения параметров АЧХ четырехполюсника выполняются од-
ним из двух методов:
снятием зависимости модуля коэффициента передачи от частоты
по точкам с последующим интерполированием кривой АЧХ;
получением панорамного изображения АЧХ с использованием ге-
нератора качающейся частоты и индикатора.
На практике при исследовании четырехполюсников определяют
чаще всего АЧХ (рис. 5.17), которая отражает его свойства в исследуе-
мой полосе частот — полосе пропускания, в которой модуль коэффи-
циента передачи не должен быть меньше 0,7 £тах. Полоса пропускания
линейного четырехполюсника ограничивается нижней /н и верхней /н
частотой, поэтому его ширина составляет
Д/=/.-Л (5.29)
Метод снятия АЧХ по точкам реализуется с помощью диапазонно-
го генератора синусоидального сигнала и вольтметра (рис. 5.18). Из-
меняя частоту гармонических колебаний в исследуемой полосе частот,
измеряют вольтметром напряжение на выходе проверяемого четырех-
полюсника при постоянстве значения входного напряжения.
Модуль коэффициента передачи рассчитывается по формуле (5.28).
По результатам измерений графически строят АЧХ. Рассмотренный
метод имеет ряд недостатков:
5.5. Измерение амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников 155
Диапазонный генератор Исследуемая цепь Вольтметр
Рис- 5.18. Структурная схема соединения приборов при
снятии АЧХ четырехполюсника по точкам
трудоемкость измерения, связанная со снятием АЧХ по точкам,
количество которых прямо пропорционально требуемой точности
измерения;
влияние длительных измерений на характер кривой АЧХ, измене-
ния температуры окружающей среды и питающего напряжения,
которые искажают достоверную кривую (рис. 5.19, л);
возможность пропуска резких изменен ий кривой в п ромежу тках меж-
ду точками (рис. 5.19, б) из-за дискретности воспроизведения АЧХ.
Рис. 5.19. Достоверная кривая АЧХ четырехполюсника
(«) и кривая, снятая по точкам (б)
Метод получения панорамного изображения лежит в основе рабо-
ты специальных панорамных приборов — характериографов (XI по ка-
талоговой классификации). Этот метод лишен недостатков, присущих
методу снятия АЧХ по точкам, но имеет меньшую точность измерения
из-за короткого времени измерения в каждой точке кривой АЧХ.
Структурная схема простейшего измерителя АЧХ (рис. 5.20) состо-
ит из генератора качающейся частоты (ГКЧ), частота которого плавно
изменяется по определенному закону в рассматриваемой полосе ча-
стот, и индикатора, воспроизводящего кривую АЧХ. В качестве инди-
катора обычно используется осциллограф.
Рис. 5.20. Структурная схема простейшего измерителя АЧХ
156
ГЛАВА5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
Сигнал с ГКЧ подается на вход исследуемого четырехполюсника.
Поскольку модуль коэффициента передачи четырехполюсника зави-
сит от частоты сигнала на входе, то на его выходе сигнал изменяется
по амплитуде. Огибающая этого сигнала, выделяемая детектором,
который входит в состав индикатора, управляет отклонеЕ]ием луча
индикатора по вертикали, изображая кривую АЧХ. Одновременно
блок модулирующего на ее ряжения синхроЕ]Изирует работу ГКЧ и ин-
дикатора и управляет частотой ГКЧ и отклонением луча индикатора
по горизонтали.
В рассмотренном измерителе АЧХ горизонтальное отклонение
луча па экране индикатора соответствует частоте на входе исследуе-
мого четырехполюсника, а вертикальное — значению модуля коэф-
фициента передачи на этой частоте. В результате на экране автомати-
чески воспроизводится кривая АЧХ исследуемого объекта.
Форма модулирующего напряжения в этом случае может быть
любой, но чаще применяется пилообразное напряжение, обеспечи-
вающее одинаЕ<овую яркость всех участков АЧХ. Важно, чтобы закон
изменения частоты совпадал с законом отклонения луча индикатора
по горизоЕЕтали — только при этом условии создается линейный ча-
стотный масштаб.
Для обеспечеЕ]ИЯ отсчета частоты формируется система частот-
ных меток, которые получают в результате детектирования сигнала,
прошедшего через резонансный частотомер, либо смешиванием сиг-
налов ГКЧ и встроенного кварцевого генератора.
Измерение модуля коэффициента передачи основано на методе
замещения. Для этого перед началом измерения прибор калибруется
сигналом, подаваемым с ГКЧ непосредственно на индикатор, а име-
ющийся на выходе ГКЧ аттенюатор устанавливается в положение
максимального ослабления, условно принимаемого за нуль. После
подключения четырехполюсника восстанавливают показания ин-
дикатора, которые соответствовали его положению при калибровке,
изменяя ослабление аттенюатора ГКЧ, определяют ослабление или
усиление четырехполюсника. При заранее калиброванной шкале
осциллографического индикатора также можно провести измерение
АЧХ, не отключая четырехполюсник.
Для повышения качества измерений и расширения Е^ункциональ-
ных возможностей прибора в структурную схему панорамного изме-
рителя АЧХ вводятся доЕЮЛнительныеузлы (рис. 5.21).
Центральным узлом измерителя АЧХ является ГКЧ, который в за-
висимости от предъявляемых к нему требований выполняется в двух
5.5. Измерение амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников 157
Рис. 5.21. Структурная схема панорамного измерителя АЧХ
вариантах. Для получения большой выходной мощности и малых не-
линейных искажений колебания вырабатываются непосредственно
задающим автогенератором качающейся частоты. Для обеспечения
широкого диапазона частот без разделения его на поддиапазоны ис-
пользуется принцип смешивания сигналов фиксированной и пере-
страиваемой частоты.
В целях обеспечения постоянства значения выходного сигнала во
всем диапазоне качания частоты предназначен блок автоматического
регулирования амплитуды. Одновременно часть сигнала с ГКЧ посту-
пает на блок частотных меток, который вырабатывает целый спектр
калибровочных меток в границах рабочего диапазона ГКЧ. При совпа-
дении частоты ГКЧ с любой из калибровочных частот образуются сиг-
налы, подаваемые в индикатор. Эти сигналы наблюдаются на экране
в виде амплитудных меток.
Для получения калиброванного изменения напряжения на выходе
ГКЧ предназначен аттенюатор.
В измерителе АЧХ может использоваться детекторная головка
одного или двух видов:
высокоомные — для измерения сигнала с минимальным влиянием
на четырехполюсник;
согласованные детекторные — для измерения на выходе согласо-
ванных трактов. Эти головки содержат детектор и нагрузочное со-
противление;
проходные детекторные — для измерения сигнала на выходе изме-
рителя АЧХ или в согласованных трактах без нарушения их одно-
родности.
При исследовании АЧХ высокоселективных устройств возникает
потребность наблюдения одновременно на экране измерителя боль-
15В
ГЛАВА5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
ших перепадов уровня сигнала. В таких случаях между детекторной
головкой и индикатором включаются широкополосные логарифмиче-
ские усилители.
В качестве индикатора чаще всего используется дисплей. В зави-
симости от скорости качания частоты ГКЧ выбирают дисплеи с нор-
мальным или длительным послесвечением, с электромагнитным или
с электростатическим управлением луча.
На уменьшение погрешности измерения АЧХ и увеличение разре-
шающей способности прибора оказывают влияние размеры рабочей
части дисплея. Для получения двух или более кривых АЧХ используют
многоканальный индикатор, что заметно расширяет функциональные
возможности таких приборов, как характериографы. В отечественной
каталоговой классификации они обозначаются XI.
В зависимости от ширины полосы качания характериографы под-
разделяются на узкополосные, широкополосные и комбинирован-
ные.
Узкополосные характериографы обеспечивают полосу качания, со-
ставляющую доли и единицы процента центральной частоты; широ-
кополосные имеют полосу качания, составляющую полный диапазон
частот прибора; комбинированные объединяют в себе функции узкопо-
лосных и широкополосных.
Характериографы классифицируются еще по нескольким парамет-
рам:
по допустимым значениям основных частотных и амплитудных
параметров — на классы точности;
числу одновременно исследуемых АЧХ — одно- и многоканальные;
динамическому диапазону воспроизведения АЧХ — с линейным и
логарифмическим масштабом по амплитуде.
Использование в составе характериографов встроенного микропро-
цессора (рис. 5.22) позволяет повысить уровень их автоматизации.
Такие приборы способны выполнять следующие функции:
замена жесткой логики на программную, в результате чего прибор
со встроенным микропроцессором при прочих равных условиях
имеет меньшие габаритные размеры и более высокую надеж-
ность;
обеспечение диалога оператора с прибором и представление изме-
рительной информации в более удобном цифровом виде;
обеспечение контроля правильности действия оператора и само-
контроля прибора, что повышает производительность и снижает
ошибки в работе оператора;
5.5. Измерение амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников 159
организация интерфейса, что позволяет применять измеритель
в составе больших автоматизированных измерительных систем;
уменьшение погрешности измерений за счет учета при вычисле-
нии результата измерения факторов, влияющих на точностные ха-
рактеристики измерителя АЧХ.
Рис. 5.22, Структурная схема характериографа со встроенным
м и кропро цессором
Микропроцессор выполняет функции управления характериогра-
фом и обработки измерительной информации и решает следующие за-
дачи управления:
установка поддиапозонов частот и перестройка частоты в полосе
качания;
запуск частотомера;
у стан овка коэффициента передач и у п равля ем ого ус ил ителя;
установка поддиапозона детектора;
индикация результатов измерения и функционирования измери-
теля.
На основе поступающей в микропроцессор информации об
уровне выходного сигнала с аттенюатора, о частоте выходного
сигнала с частотомера и уровне измеряемого сигнала с детектора
производится расчет параметров АЧХ исследуемого четырехпо-
люсника. Одновременно обеспечивается линеаризация частотно-
го масштаба и осуществляется коррекция неравномерности соб-
ственно АЧХ, что снижает погрешность измерения. При работе на
малых уровнях сигнала для уменьшения влияния шумов и помех
предусмотрен режим многократной выборки и усреднения резуль-
татов измерения.
Прибор управляется через устройство сопряжения с помощью кла-
виатуры на передней панели прибора по двенадцатиразрядной инфор-
мационной шине, трехразрядной шине управления и трехразрядной
адресной шине.
160
ГЛАВА5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
Контрольные вопросы
1. Приведите определение частоты сигнала.
2. Приведите определение периода повторения сигнала.
3. Приведите формулу частоты сигнала.
4. Приведите формулу периода повторения сигнала.
5. Приведите формулу длины волны.
6. Перечислите низкочастотные методы измерения частоты сигнала.
7. Перечислите высокочастотные методы измерения частоты сигнала.
8. Укажите группу и подгруппу электронных частотомеров.
9. Какие частоты относятся к НЧ (цифровое значение)?
10. Какие частоты относятся к ВЧ?
11. Какие частоты относятся к СВЧ?
12. Назовите основную единицу измерения частоты сигнала.
13. Назовите основную единицу измерения периода повторения сиг-
нала.
14. Назовите основную единицу измерения длины волны.
15. Электромеханические приборы каких систем используются для
измерения фазового сдвига?
16. Какую функцию выполняют фазовращатели?
17. Как определяется Дф методом синусоидальной развертки?
18. Как определяется Дф методом линейной развертки?
19. Как определяется Дф методом круговой развертки?
20. Назовите область применения осциллографических методов из-
мерения Дф.
21. Назовите достоинства и недостатки осциллографических методов
измерения Дф.
22. Как Дер определяется двухканальным фазометром?
23. Назовите достоинства и недостатки двухканальных фазометров.
24. Какой метод измерения положен в основу работы цифрового фа-
зометра?
25. Какие преимущества имеют цифровые фазометры по сравнению с
двухканальными фазометрами?
26. Назовите достоинства и недостатки компенсационного метода из-
мерения Дф.
27. Какие преимущества имеют фазометры со встроенным микропро-
цессором?
28. В чем заключается принцип работы фазометра со встроенным ми-
кропроцессором?
29. Назовите недостатки фазометров со встроенным микропроцессором.
Контрольные вопросы
161
30. Приведите определение коэффициента гармоник.
31. Определите значение ^напряжения, мгновеиное значение которо-
го выражено зависимостью «(f) = 40 sin wf + 2 sin 2wt + sin 3wt.
32. Как защищают измеритель от влияния сетевых помех?
33. Какие причины вызывают искажение формы гармонического сиг-
нала?
34. Какая связь существует между номером гармоники и величиной ее
амплитуды?
35. В чем состоит измерение коэффициента £г?
36. Как определить через амплитудные значения гармонических со-
ставляющих исследуемого напряжения?
37. Почему в измерителях используется вольтметр среднеквадра-
тичных, а не амплитудных значений?
38. Объясните последовательность измерения прибором, структур-
ная схема которого представлена на рис. 5.15.
39. К какой группе и подгруппе относятся отечественные измери-
тели 6Г?
40. Можно ли назвать измеритель многофункциональным прибо-
ром?
41. Перечислите основные метрологические характеристики измери-
теля £г.
42. Из каких основных узлов состоит измеритель £г?
43. Перечислите достоинства и недостатки аналоговых измерителей
44. Как можно уменьшить трудоемкость измерения и повысить его
точность и скорость?
45. Что представляет собой АЧХ?
46. Перечислите методы измерения параметров АЧХ четырехполюс-
ника.
47. Перечислите недостатки снятия АЧХ по точкам.
48. Что такое полоса пропускания четырехполюсника?
49. Какими частотами ограничивается полоса пропускания линейного
четырехполюсника?
50. Как в каталоговой классификации обозначаются характериогра-
фы?
51. Из каких основных узлов состоит измеритель АЧХ?
52. Перечислите достоинства характериографов.
53. Перечислите недостатки характериографов.
54. Какую функцию выполняет ГКЧ в характериографе?
55. По каким признакам классифицируются характериографы?
ГЛАВА 6. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ПО ЛУП РОВО ДН И КО ВЫХ
ДИОДОВ, ТРАНЗИСТОРОВ
И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
6.1. Общие сведения
Современные сложные электронные устройства различного назначе-
ния характеризуются высокой надежностью и малыми габаритными раз-
мерами благодаря применению в них диодов, транзисторов и интеграль-
ных микросхем (ИМС), выполняющих вполне конкретные функции.
Входящие в состав ИМС диоды, транзисторы, резисторы и конден-
саторы оказывают влияние на свойства микросхем и при недостаточно-
сти информации об их параметрах, особенностях эксплуатации, схемах
включения не обеспечивают наилучшие режимы работы электронного
устройства в целом. Разброс параметров и характеристик полупровод-
никовых приборов и ИМС одного и того же типа, чувствительность
к перегрузкам, влияние изменения температуры приводят к необходи-
мости перед установкой в электронную схему проводить их испытание.
Полупроводниковые приборы классифицируются по функцио-
нальному назначению, мощности и граничной частоте применимости.
6.2. Измерение параметров
полупроводниковых диодов
Промышленность выпускает плоскостные и точечные полупрово-
дниковые диоды, отличающиеся конструкцией, технологией изготов-
ления и значением характеризующих их параметров.
Измерение параметров диодов принципиально отличается от рас-
смотренных ранее измерений аналогичных параметров, что объясня-
ется зависимостью свойств полупроводниковых приборов от внешних
условий (главным образом, от температуры) и нелинейностью вольт-
амперных характеристик полупроводниковых приборов.
В соответствии с первой причиной следует учитывать разогрев р-п-
перехода проходящим током во время измерения, что требует обеспе-
чения отвода тепла исследуемого диода (теплоотвод) и ограничения
времени измерения.
6.2. Измерение параметров полупроводниковых диодов
163
Вторая причина обязывает выполнять измерения при определен-
ных значениях напряжения и силы тока.
Параметры полупроводниковых диодов определяются свойствами
р-п-перехода.
Сила тока, протекающего через диод, зависит от знака и значения
приложенного напряжения. Эта зависимость наглядно представляет-
ся вольт-амперной характеристикой, где по оси ординат откладывают
значение силы тока диода, а по оси абсцисс — приложенное напряже-
ние. Поскольку прямой ток обычно превышает обратный в тысячи раз,
то ВАХ диодов строят в разных масштабах: прямой ток откладывают
в миллиамперах, обратный — в микроамперах. Масштаб обратного
напряжения выбирают более крупным, чем масштаб прямого напря-
жения.
ВАХ полупроводникового диода представлена на рис. 6.1, а, где
хорошо видно, что при большом обратном напряжении резко возрас-
тает обратный ток. Это явление сопровождается тепловым необрати-
мым пробоем диода и выходом его из строя. На ВАХ имеются обла-
сти с различным дифференциальным сопротивлением /?днф = At// А/,
поэтому необходимая точность определения параметров может быть
достигнута при соблюдении некоторых условий измерения. При изме-
рении параметров на прямой ветви ВАХ (рис. 6.1, б) следует задавать
постоянный ток /лр и измерять падение прямого напряжения t/np. Это
условие означает, что внутреннее сопротивление источника питания
должно быть много больше сопротивления диода, чтобы изменение
напряжения на диоде (VD) не вызывало изменений тока, выходящих
за пределы заданной погрешности измерений, т.е. источник питания
должен быть источником тока по отношению к диоду. Условие необхо-
димо выполнять на всех участках ВАХ (при измерении напряжения),
где дифференциальное сопротивление мало.
Рис. 6.1, ВАХ диода (д), схема измерения на прямой (б) и обратной (а) ветвях
164
ГЛАВА 6. ИЗ М ЕР ЕН И Е ПАРАМ ЕГРО В П О ЛУП РО В ОД Н И КО В ЫХ ДИ ОДО В...
Стабилизированный источник питания постоянного тока обеспе-
чивает дискретные значения прямого тока в диапазоне изменения
прямого напряжения для испытуемого диода. Измерение £7лр выпол-
няет высокоомный вольтметр постоянного тока; контроль дискретных
значений тока обеспечивается миллиамперметром магнитоэлектриче-
ской системы.
При измерении параметров диода на обратной ветви ВАХ
(рис. 6.1, в) необходимо задаваться силой обратного тока /о6р и из-
мерять обратное натгряжение t/o6 . При этом источник питания F, ко-
торым задается режим измерения, должен иметь малое внутреннее
сопротивление — в противном случае незначительные изменения об-
ратного тока вызовут большую погрешность при измерении обратно-
го напряжения.
Со стабилизированного источника на диод VD подаются заданные
значения обратного напряжения, которые контролируются вольт-
метром магнитозлекгри'геской системы. Сила обратного тока диода
измеряется микроамперметром постоянного тока.
Таким образом, в справочнике на диоды в качестве электрических
характеристик указываются координаты точек характеристики на пря-
мой и обратной ветвях.
Прямую ветвь характеризуют следующие параметры: £7лр — прямое
□адение напряжения на диоде при заданной силе постоянного прямого
тока /п ; /?днф — дифференциальное сопротивление.
Обратную ветвь характеризуют следующие параметры: £/об — по-
стоянное обратное натгряжение на диоде при заданной силе постоян-
ного обратного тока, протекающего через диод; /обр — сила постоянного
обратного тока, протекающее через диод при подаче на него постоян-
ного обрати ого напряжения {/о- ; max - наибольшее допустимое об-
ратное напряжение (предельное напряжение).
Эффективность выггрямления определяют расчетом коэффициен-
та выпрямления по результатам измерений:
^выпр / /эбр ^обр / ^пр' (6.1)
Исследование ВАХ диодов по точкам оказывается трудоемким
и не всегда целесообразным. Поэтому на практике требуемые па-
раметры измеряют в определенных точках. Например, £7 , /пр, /о6р
измеряют с помощью специальных измерителей параметров дио-
дов.
Для оценки частотных свойств диода снимают частотные характе-
ристики /НЫПр (/) (рис. 6.2).
6.2. Измерение параметров полупроводниковых диодов
165
Рис. 6.2. Схема измерения частотной характеристики диода
Основным параметром, определяющим частотные свойства диода,
является граничная рабочая частота/ф, при которой сила выпрямлен-
ного тока уменьшается на 30% относительно номинального значения,
измеренного на низкой частоте.
Для определения граничной рабочей частоты исследуемый диод
VD включается в схему однополупериодного выпрямителя с активно-
емкостной нагрузкой. На вход схемы подается переменное напряже-
ние неизменной амплитуды различной частоты, контролируемое на
выходе генератора вольтметром. Резистор Я1 обеспечивает согласова-
ние сопротивления генератора и сопротивления нагрузки. Сила конт-
ролируемого выпрямленного тока измеряется миллиамперметром.
На высоких частотах (более 100 кГц) должны быть приняты меры
для уменьшения погрешности, вносимой паразитными индуктивно-
стями.
Значение емкости С конденсатора выбирается таким, чтобы ем-
костное сопротивление при минимальной частоте подводимого напря-
жения было значительно меньше сопротив-
ления резистора 7?1.
Проходная емкость диода ограничивает
применение полупроводниковых диодов на
высоких частотах.
Емкость р-п-перехода диода измеряют
при определенном напряжении смещения,
так как она существенно зависит от этого на-
пряжения (рис. 6.3).
Погрешность измерения емкости зависит от точности задания ра-
бочей точки, в которой измеряется емкость, и точности измерения на-
пряжения.
Все рассмотренные измерения выполняют при температуре окру-
жающей среды +20... +50 °C, если это не оговорено особо.
Изменение температуры заметно влияет на все основные парамет-
ры диода. С повышением температуры уменьшается прямое и обратное
сопротивление, увеличивается проходная емкость диода из-за умень-
Рис. 6,3. Зависимость
емкости р-н-перехода от
напряжения смещения
166
ГЛАВА 6. ИЗ М ЕР ЕН И Е ПАРАМ ЕГРО В П О ЛУП РО В ОД Н И КО В ЫХ ДИ ОДО В...
шения контактной разности потенциалов, что приводит к некоторому
ухудпгению частотных свойств диода. С повышением температуры
особенно резко меняется обратное сопротивление, что является основ-
ным фактором, определяющим температурный предел работы диодов,
а дальнейшее повышение температуры приводит к необратимому из-
менению его параметров. Исследуемый диод помещают в термостат,
поддерживая заданную температуру (для германиевых — не выше
70 °C, для кремниевых — не выше 125 °C). На основании анализа по-
лученных результатов определяют’ максимально и минимально допу-
стимые температуры для диода конкретного типа.
У выпрялшжелъкых диодов измеряют все указанные параметры,
для которых необходимо знать предельно допустимые эксплуатацион-
ные режимы, при которых диод должен работать с заданной надежно-
стью в течение установленного срока.
Предельно допустимые режимы выпрямительных диодов характе-
ризуются максимальной силой прямого тока /Пр.тах и обратного напря-
жения t/rfp-max, максимально допустимой мощностью Ртах, рассеивае-
мой на диоде, диапазоном температур окружающей среды.
Измерение силы прямого тока и обратного напряжения описано
ранее, а значение рассеиваемой на диоде мощности определяется как
сумма мощностей при протекании прямого и обратного токов:
Р = Рпр + Робр- (6.2)
Из-за малости обратного тока значением Ро6р обычно пренебрегают
и тогда
Р = РПр = 217пр,.р./Пр.ср. (6.3)
У высокочастотных диодов измеряют практически все те же па-
раметры, которые рассматривались ранее. Однако СВЧ-диоды из-за
чувствительности к тепловым и электрическим воздействиям должны
храниться в экранирующей защитной оболочке, и в процессе измере-
ния параметров диод должен быть защищен от воздействия электро-
магнитного поля.
У илт#лъ€нъ£г duo doe наряду с параметрами ВАХ измеряют спе-
циальные параметры (характеризующие инерционность диодов): вре-
мя восстановления обратного сопротивления, заряд переключения,
максимальное импульсное прямое падение напряжения.
У детекторных диодов измеряют 1гу ветвите л ьность по току, со-
противление в рабочей точке, коэффициент стоячей волны, шумовое
отношение.
6.3. Измерение параметров биполярных и униполярных транзисторов
167
У слсвеижелъиых диодов измеряемыми параметрами являются по-
тери преобразования, выходное сопротивление, коэффициент стоячей
волны, шумовое отношение, нормированный коэффициент шума.
У параметрических и ^.множительных диодов с управляемой
емкостью наряду с емкостью диода, силой обратного тока и предель-
но допустимым напряжением измеряют добротность диода на задан-
ной частоте и собственную индуктивность диода.
У стабилитронов (стабисторов) измеряют напряжение стабили-
зации.
6.3. Измерение параметров биполярных
и униполярных транзисторов
Поведение транзисторов в электронных устройствах определяется
их свойствами, которые можно представить различными системами
характеристик и параметров.
Расчет транзисторных схем возможен, если известны определенные
параметры, наиболее полно характеризующие транзистор как элемент
электрической цепи. К таким параметрам предъявляют следующие
требования: удобство расчета схем на транзисторах, возможность из-
мерения в широком диапазоне частот с заданной погрешностью, про-
стота методики измерения.
Широко распространена методика представления транзистора
в виде четырехполюсника, который описывается несколькими систе-
мами уравнений. В настоящее время в практике измерений широко
распространена так называемая система Л-параметров транзистора.
Она реализуется в том случае, если при снятии семейства статических
характеристик транзистора рассматривать входное напряжение и силу
выходного тока как функции выходного напряжения и силу входного
тока.
Применительно к схеме включения биполярного транзистора
с общей базой, которую чаще используют для этого семейства харак-
теристик, можно записать:
U^KJ.+^U^,
Л = + (6.4)
где Д — ток эмиттера
Ан — входное со противление;
А|2 — коэффициент обратной связи;
А2| — статический коэффициент передачи тока;
А22 — выходная ороводимость.
16В
ГЛАВА 6. ИЗ М ЕР ЕН И Е ПАРАМ ЕГРО В П О ЛУП РО В ОД Н И КО В ЫХ ДИ ОДО В...
Учитывая, что Л-параметры имеют разную размерность, получен-
ную систему часто называют системой сметанных параметров. Из-
мерение смешанных параметров является основным и характеризует
свойства конкретного транзистора в одной рабочей точке. Свойства
транзистора во всем диапазоне изменения напряжений и токов, воз-
можных для данного прибора, отображаются семейством статических
ВАХ, дающих представление о поведении транзистора при различных
сочетаниях токов и напряжений.
На основании построенного семейства характеристик можно опре-
делить основные ггараметры транзистора в любой рабочей точке.
Снятие ВАХ по точкам обеспечивает сравнительно малую погреш-
ность измерений (5... 10%), но является весьма трудоемким процессом.
Кроме того, длительное нахождение транзистора под током приводит
к его нагреву и неизбежному изменению параметров в ходе измерения.
Указанные недостатки отсутствуют у характериографов, позво-
ляющих в короткое время получить ВАХ и оценить транзистор при
практически неизменной температуре р-п-перехода, что исключает по-
грешности, обусловленные изменением параметров транзистора.
Недостатками получения ВАХ с помощью характериографов (по
сравнению со снятием ВАХ по точкам) являются сложность приме-
няемой аппаратуры и сравнительно большая погрешность измерений
(15...20%). Однако в подавляющем большинстве случаев эта погреш-
ность допустима.
Наилучшие результаты при измерении параметров транзисто-
ров дают специальные испытатели (Л2 по каталоговой классифика-
ции отечественных измерительных приборов), позволяющие быстро
и с малой погрешностью измерить основные параметры транзистора:
/сэо-
В отличие от биполярного транзистора униполярный (полевой)
транзистор управляется не током, а напряжением. Его особенностью
является высокое входное сопротивление, которое в зависимости от
тока транзистора колеблется в пределах 6...15 Ом.
Основой полевого транзистора является пластина полупроводника
р-тина, ограниченная на концах металлическими контактами. С двух
противоположных сторон в эту пластину введены примеси п-титга,
соединенные между собой и образующие один электрод — затвор. Два
других электрода образуют металлические контакты — исток и сток.
Если накоротко соединить затвор с истоком, подключив к истоку
источника питания, а к стоку «-», то по цепи потечет ток /с. При
увеличении напряжения {/с, приложенного к стоку, увеличивается сила
6.4. Измерение параметров интегральных микросхем
169
тока При достижении напряжения определенного значения нас
(на пряжен и я насыщения) ток стока /с достигает значения /с нас (мак-
симальный ток стока, или ток насыщения) и перестает увеличиваться.
Если к затвору подключить з+>, а к истоку «-» источника смещения
f/a, то насыщение будет происходить при меньшем значении
Частотные свойства полевых транзисторов определяются главным
образом межэлектродными емкостями транзистора.
Измерение параметров полевых транзисторов быстро и качествен-
но с допустимой погрешностью выполняют специальными испытате-
лями (группа Л2), позволяющими измерять ток утечкиток стока/СТ1
напряжение затвора CZ,, входную, выходную и проходную емкости (Ссв,
СЕ111Х, Спрох) и некоторые другие параметры с погрешностью 5... 15%.
6.4. Измерение параметров
интегральных микросхем
Классификация интегральных микросхем. В зависимости от тех-
нологии изготовления ИМС делятся на полупроводниковые и пленоч-
ные. Сочетание технологий позволяет реализовать еще одну группу —
гибридные.
Полупроводниковые ИМС характеризуются повышенным количе-
ством элементов и защищены от влияния внешней среды. Пленочные
ИМС — схемы с пассивными элементами. В гибридных ИМС пленоч-
ными являются пассивные элементы и соединения, а активные эле-
менты — бескорпусные диоды и транзисторы, выполненные на отдель-
ных полупроводниковых кристаллах.
Сложность ИМС определяется количеством содержащихся в ней
элементов и компонентов — степенью интеграции.
По степени интеграции различают следующие ИМС:
маломасштабные (МИС) — 20—40 элементов;
среднемасштабные (СИС) — 50—150 элементов;
большие (БИС) — 150—900 элементов;
сверхбольшие (СБИС) — более 1000 элементов.
Благодаря развитию технологии униполярных МОП- или МДП-
транзисторов существенно повышена степень интеграции микросхем.
Относительная простота технологии изготовления, малая потреб-
ляемая мощность, невысокая стоимость, а также ряд ценных схемо-
технических средств позволяют на основе ИМС создавать устройства
различной сложности и степени ответственности — от микропроцессо-
ров до сложнейших приборов, работающих в космосе.
170 ГЛАВА 6. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ...
ИМС различаются по двум признакам: по конструкции корпуса и рас-
положению выводов (с планарными выводами — DIR PDIP; со штырько-
выми выводами — SOI С) и по функциональному назначению (аналого-
вые, или линейные — АИМС; цифровые — ЦИМС).
АИМС предназначены для преобразования и обработки сигналов,
изменяющихся по закону непрерывной функции, и используются
в усилителях сигналов низких и высоких частот, в генераторах, смеси-
телях, детекторах, т.е. в устройствах, где активные элементы работают
в линейном режиме.
ЦИМС предназначены для преобразования и обработки сигналов,
изменяющихся по закону дискретной функции. Активные элементы
ЦИМС работают в ключевом режиме. ЦИМС используются в ЭВМ,
в устройствах дискретной обработки информации, системах автома-
тики. Одним из видов ЦИМС являются логические элементы, которые
предназначены для выполнения логических операций над переменны-
ми и способны принимать только два уровня напряжения — логиче-
ский «О» и логическую «1s*. Логическому «0s* соответствует низкий
уровень напряжения, алогической «1s* — высокий.
Несколько простейших логических функций можно реализовать
с помощью основных логических элементов:
• логическое сложение (дизъюнкция, или операция ИЛИ) заключает-
ся в том, что функция принимает значение, равное «1s*, если хотя
бы на одном входе присутствует «1s*;
• логическое умножение (конъюнкция, или операция И) заключается
в том, что функция принимает значение, равное «1s*, если на всех
входах одновременно присутствует «1»;
• логическое отрицание (инверсия, или операция НЕ) заключается
в получении переменной, противоположной данной.
На рисунке 6.4 приведены условное графическое обозначение (У ГО)
элементов И, ИЛ И, Н Е и таблицы исти н ности. В табл ице истин ности «1»
означает наличие сигнала на входах и выходе, а «0» — его отсутствие.
Рис. 6.4. УГО и таблицы истинности для логических
элементов И (а), ИЛИ (б) и НЕ (в)
6.4. Измерение параметров интегральных микросхем
171
Помимо функциональных элементов одноступенчатой логики су-
ществуют элементы двухступенчатой и трехступенчатой логики.
Измерение параметров и проверка кондиционности АИМС. Из
множества АИМС широко применяются дифференциальные и опера-
ционные усилители (ОУ), а также видеоусилители и другие широко-
полосные усилители. ОУ представляют собой усилитель постоянного
тока (УПТ) с двумя входами (прямым и инвертируемым) и одним вы-
ходом. Вводя в такой усилитель разнообразные обратные связи, мож-
но получить электронное устройство, реализующее различные функ-
ции [|реобразования сигнала. Типичной является подача на оба входа
ОУ парафазного (дифференциального) сигнала. Эти два воздействия
могут быть различными, вплоть до того, что один из входов (инверти-
рующий или неинвертирующий) может быть заземлен.
ОУ являются многокаскадными усилителями, в которых первый
каскад — дифференциальный; выходной каскад строится так, 1ето6ы
обеспечить достаточно большой динамический диапазон; промежу-
точные каскады обеспечивают дополнительное у си лени ей сдвиг уров-
ня. Сдвиг уровгЕЯ необходим для того, чтобы при отсутствии сигналов
на входах напряжение на выходе равнялось нулю.
Отклонение значения t/Bb[X от нуля при отсутствии сигналов на вхо-
дах должно быть минимальным (доли милливольта).
Другими важными характеристиками ОУ являются следующие:
• большое входное сопротивление (в десятки — сотни килоом), обе-
спечиваемое входным дифференциальным каскадом;
• малое выходное сопротивление (сотни ом);
• боль шой козффи Е1ие нт ус илен ия ei о нап ряжени ю (десятк и — сотни
тысяч);
• малая потребляемая мощность (десятки милливатт);
• большая полоса пропускания ОУ (десятки тысяч килогерц и бо-
лее);
• слабое влияние температуры.
ОУ имеют большое количество параметров, измеряемых сг1ециаль-
ными испытателями (группа Л2), с помощью которых измеряются ка-
чественные Егараметры линейных ИМС: (/си — напряжение смещения,
4x1,2 — входные токи, — коэффициент усиления по напряжению,
t/Bb[X — напряжение на выходе, /потр — потребляемый ток.
Измеренные параметры сравнивают со справочными и делают
вывод о годности и кондиционности АИМС. /одной и кондиционной
считается микросхема, измеренные параметры которой полностью со-
ответствуют справочным; годной и некондиционной (ограниченно год-
172
ГЛАВА 6. ИЗ М ЕР ЕН И Е ПАРАМ ЕГРО В П О ЛУП РО В ОД Н И КО В ЫХ ДИ ОДО В...
ной) — микросхема, измеренные параметры которой не соответствуют
справочным; негодной — микросхема, параметры которой klt или £7ВЬ]Х
равны нулю.
Измерение параметров и проверка работоспособности ЦИМС.
Испытания ЦИМС проводятся одним из трех основных методов: ста-
тическим, динамическим, тестовым (функциональным).
Статические испытания выполняются на постоянном токе путем
измерения статических параметров ЦИМС.
Динамические (импульсные) испытания выполняются в импульс-
ных режимах путем измерения динамических параметров.
Тестовые (функциональные, или стендовые) испытания обеспечива-
ют моделирование рабочих режимов, которое позволяет имитировать
реальные рабочие режимы. Работоспособность ЦИМС определяется
в рабочих условиях. Тестовые испытания реализуются с помощью
промышленных испытателей (группа Л2), характерными особенно-
стями таких испытателей являются проверка логических элементов
одно-, двух- и трехступенчатой логики; необходимость составления
для каждой конкретной логической ЦИМС индивидуальной прог-
раммы испытаний — таблицы истинности, основываясь на законах ал-
гебры логики.
Такой испытатель не позволяет проверять триггеры, регистры,
счетчики, дешифраторы и микропроцессоры.
Для проведения тестовых испытаний необходимо выполнить под-
готовительную работу, выписав из справочной литературы следую-
щую информацию:
• тин корпуса ИМС с указанием номера 1-го вывода для правильно-
го последующего подключения микросхемы к адаптеру;
• номера выводов, на которые необходимо подать напряжение пита-
ния микросхемы;
* значение наЕгряжения питания;
• номер вывода заземления;
• значения напряжений, соответствующих уровням логической «1»
и логическою «О» (Гг1 и £7°);
• номера выводов, соответствующих входам и выходам ИМС;
• структурну ео с хему ЦИМС.
На основании справочных сведений ею двум последним пунктам
составляют программу испытаний (таблицу истинности с дополни-
тельной графой для записи результатов измерения наЕгряжения).
К каждому выходу ЦИМС последовательно подключают электрон-
ный вольтметр, которым измеряется выходное напряжение л огическо-
6.5. Логические анализаторы
173
го элемента при разных комбинациях сигналов на входе микросхемы
(в соответствии с составленной программой испытаний).
Сравнение ожидаемого значения напряжения с измеренным значе-
нием позволяет сделать выводе работоспособности ЦИМС.
Испытатели ЦИМС, работа которых octEOBatia на тестовой про-
верке, позволяют проверить общую работоспособность микросхемы
и требуют продолжительного времени при подготовке и собственно
испытаний.
6.5. Логические анализаторы
Широкое использование в современной электронной аппаратуре
логических ИМС привело к созданию особых (специальных) измери-
тельных приборов — логических анализаторов (по квалификационной
классификации — ЛА), которые, в отличие от осциллографа, позво-
ляют просматривать одновременно несколько десятков сигналов, т.е.
логический анализатор является эквивалентом осциллографа, специ-
ально приспособленного для проверки ЦИМС.
В логических анализаторах не требуется измерять напряжение
контролируемых сигналов: при работе с логическими ИМС достаточ-
но знать в каком состоянии находится конкретный узел (в состоянии
логической «1» или логического «0s*).
В отличие от осциллографа, показывающего значение Ejanряжения
в зависимости от времени, логический анализатор показывает логи-
ческое состояние в зависимости от количества прошедших тактовых
импульсов. В результате аЕ]ализаторы проверяют работу логических
узлов в режиме реального времени, воспринимая двоичные сигналы
и представляя их в форме, удобной для оператора.
Логические анализаторы применяются при разработке, произ-
водстве, эксплуатации и ремонте электронной аппаратуры, при от-
ладке средств математического обеспечения приборов и больших
информационно-измерительных систем.
Работа логических анализаторов заключается в том, что измене-
ние логических состояний в контрольных точках, переход из одного
логического состояния в другое при воздействии внешних сигналов
записываются во внутреннюю память анализатора для последующего
воспроизведения на экране индикатора в удобной для оператора фор-
ме. Наличие в анализаторе внутренней памяти позволяет отслеживать
периодические и одЕЕОкратные логические процессы.
В зависимости от наличия внутреннего генератора и вида индика-
ции различают анализаторы логических состояний (АЛС) и анализа-
торы временных диаграмм (АВД).
174
ГЛАВА 6. ИЗ М ЕР ЕН И Е ПАРАМ ЕГРО В П О ЛУП РО В ОД Н И КО В ЫХ ДИ ОДО В...
АЛС используются для записи во внутреннюю память сигнала,
внешнего по отношению к прибору. В качестве такого сигнала чаще
используются стимулирующие сигналы, изменяющие логические со-
стояния проверяемых микросхем. В АВД предусмотрено наличие внут-
реннего тактового генератора, который используется для записи логи-
ческого состояния в данной точке во внутреннюю память прибора. На
рисунке 6.5 приведены структурные схемы анализаторов двух видов.
Рис. 6.5. Структурные схемы АЛС (я) и АВД (б)
С помощью анализатора сведения о логическом состоянии испы-
туемого узла на рабочей частоте заносятся во внутреннюю память,
преобразуясь в удобный для индикации вид, и отображаются на ин-
дикаторе в виде квазивременнбй диаграммы (для АВД) либо в виде
таблицы истинности (для АЛС).
В первом случае данные заносятся в память синхронно с измене-
нием логического состояния испытуемого узла, а во втором случае —
асинхронно. Поэтому АВД часто называют синхронными анализа-
торами, а АЛС — асинхронными. На рисунке 6.6 приведен пример
информации, отображаемой на индикаторе.
QOOQ 0000
0001 0001
0010 0010
0011 0011
0100 0100
0101 0101
0110 0110
0111 0111
1000 1000
1001 1001
1010 1010
Рис\ 6.6. Таблица истинности для АЛС (я)
и квазивремеиная диаграмма для АВД (б)
6.5. Логические анализаторы
175
Чтобы не потерять информацию в АВД, следует ввести запись
в память с частотой, в несколько раз превышающей рабочую часто-
ту испытуемого узла. Следовательно, тактовая частота АВД всегда
дол ж еея быть больше тактовой частоты АЛ С. Кроме того, для ееолного
воспроизведения программы изменения логических состояний вну-
тренняя память должна быть заметно больше, чем у АЛ С. Например,
у наиболее известных моделей АЛС объем памяти составляет 64 бита
на канал, а у АВД — 2048 бит на канал.
На начальной стадии проектирования и при отладке аппаратных
средств чаще всего используют АВД, которые позволяют оценить от-
носительные задержки между каналами. Благодаря большому объе-
му Е1амяти и специальной схеме детектирования коротких импульсов
с помощью АВД можно обнаружить короткие паразитные импуль-
сы, существующие между тактовыми имЕ1ульсами.
АВД удобеЕ1 при работе с асинхронными устройствами, например
для контроля синхронизации канала общего пользования (КОП).
На завершающей стадии проектирования ап паратной части и при
отладке средств математического обеспечения приборов используют
АЛС, на индикаторе которого отображается фрагмент программы
в двоичном коде. Многие АЛС позволяют отображать информацию
не только в двоичном коде, но и в восьмеричном и даже в шестнад-
цатеричном коде. Ряд АЛС имеют в своем составе дополнительные
блоки преобразования информации, что дает возможность видеть на
экране индикатора таблицу команд (листинг программы) на языке
программирования высокого уровня.
Наряду с рассмотренными анализаторами выпускают специали-
зироваЕ1ные, используемые для решения более узкого круга задач.
Например, анализатор ЛА814 позволяет только контролировать
прохождение сигнала по КОП. Также имеются анализаторы, поз-
воляющие контролировать прохождение информации по шинам ми-
кропроцессоров конкретного типа.
Характеристиками логических анализаторов являются многока-
нальность, быстродействие и способ запуска.
Л/ногоклнольностъ — это количество каналов, ограничиваемое
объемом внутренней памяти и габаритами индикатора. Современные
анализаторы имеют от двух до ста и более каналов. Использование
многоканальных анализаторов удобно при регулировании и ремон-
те печатных плат с комбинационной и последовательной логикой,
к которым относятся регистры, счетчики, сумматоры. МногокаЕЕаль-
ность анализаторов необходима при проверке плат памяти, разно-
176
ГЛАВА 6. ИЗ М ЕР ЕН И Е ПАРАМ ЕГРО В П О ЛУП РО В ОД Н И КО В ЫХ ДИ ОДО В...
образных интерфейсных плат и микропроцессорных устройств, где
только адресная шина (ША) занимает 16 и более каналов. Например,
для 8-разрядного микропроцессора, имеющего 16-разрядную ША,
8-разрядную шину данных (ШД) и ряд других линий, потребуется не
менее чем 32-канальный анализатор.
Быстродействие позволяет избежать потерь информации: испы-
тание устройства будет корректЕгым только в том случае, если оно
проводится на рабочей частоте. Следовательно, чем выЕне быстродей-
ствие анализатора, тем лучше. Быстродействие подавляющего боль-
шинства АЛС составляет (10...20) МГц и выше, что достаточно для
современных микропроцессоров. Быстродействие современных АВД
достигает 600 МГц с тенденцией дальнейшего роста.
Выбирая АВД ею быстродействию, необходимо учитывать тот
факт, что все анализаторы имеют возможность генерировать узкие
паразитные выбросы, существующие между тактовыми импульсами.
Чем выше рабочая частота анализатора, тем более узкие импульсы
он способен захватывать. Например, анализатор с частотой 100 МГц
способен различать паразитные импульсы длительностью 3...5 нс,
а аЕ1ализатор с частотой 50 МГц — длительностью 5... 10 нс.
Способ запуска — третья хара ктер исти ка л оги чески х а н ал изаторо в.
Самым простым способом запуска, который использовался в первых
анализаторах, является комбинаЕЩОнный запуск (по параллельному
коду слова), который позволяет просматривать периодические и не-
периодические сигналы одновременно по всем каналам. При пра-
вильном выборе запускающего слова анализатор дает стабильную
картину, так как запуск осуществляется всегда в одном и том же месте
проходящей информации. Запускающее слово выбирается так, что-
бы оно было единственным в длинной последовательности данных.
В целях выявления момента за пуска в анализаторах любо го тип а вве-
ден компаратор кодов, в котором сравнивается код приходящей ин-
формации и код, вводимый с передней панели. В момсеет совпадения
кодов вырабатывается сигнал, запускающий анализатор. Ввод кода
запускающего слова обеспечивается непосредственЕЕО с клавиатуры
либо с еюмощью переключателей. Таблица истинности и временная
диаграмма при вводе запускающего слова (комбинационный запуск)
приведены на рис. 6.7.
При конструировании цифровых устройств, когда имеет место длин-
ная последовательность логических сигналов, возникает необходимость
просмотра окна данных, далеко отстоящего от запускающего слова. Та-
кой просмотр обеспечивается цифровой задержкой, которая позволяет
6.5. Логические анализаторы
177
Момент
запуска
таблица
истинности
Канал 5
1! 010100
: 011ЮО
1. 011101
J 010111
! 010111
1: 0ООЮ1
3 оооюо
п! 000101
°: оооцо
оз roooj i 1 ><—।
! ОООООб
п’ 101000
; 100110
Y 11Ю10
1ЮООО
110000
Запускающее слово, установ-
Запускающее
ленное переключателями — слово —
Рис. 6.7. Таблица истинности с временной диаграммой при
вводе запускающего слона (комбинационный запуск)
передвигать окна данных на необходимое количество тактовых импуль-
сов. Таблица истинности и временная диаграмма при вводе запускаю-
щего слова (запуск с цифровой задержкой) приведены на рис. 6.8.
Канал О
Канал 1
Канал 2
Канал 3
Канал 4
Канал б
Тактовые
импульсы
Окно данных
Задержка п импульсов
Таблица
истинности
10Ю11
100011
100010
101000
10Ю00
11 Ю10
111011
111010
1110О1
11Ю00
111111
010111
011001
000101
001111
011111
Рис. 6.8. Таблица истинности с временной диаграммой при вводе
запускающего слова {запуск с цифровой задержкой)
17В
ГЛАВА 6. ИЗ М ЕР ЕН И Е ПАРАМ ЕГРО В П О ЛУП РО В ОД Н И КО В ЫХ ДИ ОДО В...
Цифровая задержка позволяет также при одном и том жезаЕгускаю-
щем слове исследовать программу по частям, определив с абсолютной
точностью окно данных, которое необходимо для наблюдения. Зна-
чение цифровой задержки у анализаторов разных типов колеблется
в пределах 1О4...1Ое импульсов. Существует связь между длиной запу-
скающего слова и значеЕЕием Е1ифровой задержки: чем длиннее заЕ1у-
скающее слово, тем короче цифровая задержка. Это объясняется тем,
что в длинной последовательности данных всегда можно выбрать за-
пускаЕощее слово, отстоящее недалеко от необходимого окна данЕ1ых.
Наряду с цифровой задержкой в анализаторах реализован режим
отрицательной задержки, Е<оторая позволяет при: пропускании инфор-
маЕ(ИИ через внутреннЕою память, с ностуЕ1леЕЕием запускающего слова
остановить запись. При этом в памяти сохранится информация, пред-
шествующая моменту запуска. Этот режим можно использовать при
отыскании многих неисЕгравностей, когда имеется сбой в одном и том
же месте программы. Если в качестве заЕ1ускающего слова исеюльзо-
вать код сбоя, то появляется возможность еiроанализировать условия,
которые этому сбою предшествовали.
При работе с микропроцессорными системами, в которых программа
содержит циклы, запускающее слово может повторяться несколько раз. Во
многих анализаторах введена возможность задержки запускающего cjeo-
ва на определенное количество слов. В случае необходимости просмотра
информации внутри цикла после программного n-го цик?Еа используется
задержка запускающего слова. При этом запускающее слово выбирается
В] Еутри ци кла и вводится задержка на п слов. Окно дайны х будет указывать
информацию внутри цикла после прохождения п циклов программы.
На рисунке 6.9 в условной форме ггриведены все рассмотренные ре-
жимы работы анализатора.
Обобщенная структурная схема анализаторов АЛС и АВД Ефиве-
дена на рис. 6.10. Тактовые импульсы могут быть ВЕЕутренними и внеш-
ними. В зависимости от типа анализатора некоторые узлы структур-
ной схемы могут отсутствовать.
Показанные на схеме узлы имеют следующее назначение:
• компараторы сортируют информацию на логический «О» и логи-
ческую «1»;
• помять записывает информацию с помощью внешнего (АЛС) или
внутреннего (АВД) тактового импульса;
• ком паратор кодов сравн и вает посту ei аю ЕЦу ю и нформ аци ю с и н фор-
мацией, вводимой с передней панели. При приходе запускающего
слова вырабатывается сигнал на устройство запуска;
6.5. Логические анализаторы
179
Рис. 6.9. Режимы работы анализатора: а — начало, после момента запуска;
б — конец, до момента запуска; в — сдвиг, до и после момента запуска; г — после
задержки на и тактовых импульсов; 3 — после прихода трех запускающих слов;
е — после прихода двух запускающих слов и задержки на п тактовых импульсов
Уровень компэрировэния
Рис. 6.10. Обобщенная структурная схема анализаторов АЛС и АВД
• устройства запуска разрешает запись приходящей информации
в память;
• счетчик цифровой задержки задерживает разрешение записи в па-
мять на заданное число тактовых импульсов;
• счетчик задержки запуска задерживает разрешение записи в па-
мять на заданное число запускающих слов;
180
ГЛАВА 6. ИЗ М ЕР ЕН И Е ПАРАМ ЕГРО В П О ЛУП РО В ОД Н И КО В ЫХ ДИ ОДО В...
• схема преобразования информации преобразует информацию, за-
писанную в память, в удобную для восприятия форму;
• индикшпор высвечивает информацию в виде таблицы истинности
или временной диаграммы.
Контрольные вопросы
1. Что такое вольт-амперная характеристика полупроводникового
диода?
2. Какие электрические параметры определяют прямую ветвь ВАХ
диода?
3. Какие электрические параметры определяют обратную ветвь ВАХ
диода?
4. Каким параметром характеризуется эффективность выпрямления
полупроводникового диода?
5. Какими преимуществами обладают характериографы при иссле-
довании ВАХ?
6. Какие системы параметров транзисторов применяются на практике?
7. Как в характериографе можно получить одновременно целое се-
мейство характеристик?
8. Для чего измеряют граничную частоту у транзисторов, диодов?
9. Назовите методы измерения ВАХ диодов или транзисторов.
10. Как проверяются полупроводниковые приборы на отсутствие об-
рывов и коротких замыканий?
11. Как проверяются линейные ИМС?
12. Как проверяются цифровые ИМС в статическом режиме?
13. По каким признакам и параметрам классифицируются ИМС?
14. В чем состоит проверка цифровых ИМС методом вольтметра?
ГЛАВА 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
7.1. Общие сведения
Усложнение современных объектов исследований, рост числа и ди-
апазонов измеряемых параметров, повышение требований к точности
измерений и их быстродействию диктуют новые подходы к органи-
зации измерений и контроля параметров, поскольку предъявляемые
требования невозможно удовлетворить традиционными методами.
Контроль каждого параметра индивидуальным измерительным при-
бором весьма затруднителен: оператор физически не может отследить
показания множества контролирующих приборов и даже небольшого
числа приборов, если процессы протекают слишком быстро. Несмо-
тря ни на что измерительная информация, поступающая от средств
измерений, должна быть собрана, обработана и в доступной форме
представлена оператору для дальнейшего анализа. Решение этих за-
дач возможно только путем автоматизации электротехнических из-
мерений. К тому же автоматизация измерений позволяет разгрузить
оператора.
Первой ступенью автоматизации измерений считаются автономные
непрограммируемые цифровые приборы (АНП), которые работают по
жесткой программе и используются для измерений определенных па-
раметров и характеристик. В них автоматически выполняется некото-
рая часть измерительных операций: определение полярности сигнала,
выбор предела измерения, собственно измерение.
7.2. Информационно-измерительные системы
Вторая ступень автоматизации — создание гибких измерительных
систем (ГИС) на основе цифровой техники. В ГИС программным (soft)
способом перестраивают систему, способную измерять различные па-
раметры и менять режим измерений без изменения аппаратной (/?«rrf)
части системы. Такие системы — измерительно-информационные си-
стемы (И ИС) — представляют собой совокупность средств измерения
нескольких физических величин и вспомогательных устройств. За-
дача ИИС заключается в получении измерительной информации об
исследуемом объекте в динамике (в условиях функционирования или
хранения).
182
ГЛАВА7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОТНХНИЧЕСКИХИЗМЕРЕНИЙ
ИИС предназначены для целевого оптимального проведения изме-
рений и обеспечивают достоверной информацией смежные системы
высшего уровня. В их задачу входит получение измерительной инфор-
мации об исследуемом объекте, преобразование входной информа-
ции в выходную, передача и представление полученной информации
оператору (компьютеру), отображение, запоминание и формирование
управляющих воздействий.
Унификация функциональных узлов (блоков, модулей), из кото-
рых состоит ИИС, позволяет образовать агрегатные комплексы 1Ъсу-
дарственной системы промышленных приборов и средств автоматиза-
ции (ГСП).
По назначению ИИС разделяются на несколько групп:
• системы сбора измерительной информации по исследуемому объ-
екту — измерительные системы;
• системы автоматического контроля за работой узлов, технологиче-
ских процессов, агрегатов;
• системы диагностики и выявления неисправностей изделий;
• системы телеметрии, обеспечивающие сбор измерительной инфор-
мации с удаленных объектов.
По структуре ГИС разделяются на интерфейсные, микропроцес-
сорные и компьютерно-измерительные.
Современные ИИС строятся по агрегатному принципу, что по-
зволяет значительно сократить время разработки системы и ввода
ее в действие. В процессе эксплуатации система легко перенастраи-
вается при изменении требований к ней. При агрегатном построе-
нии ИИС упрощается замена функциональных узлов на более со-
вершенные.
По способу обмена сигналами взаимодействия, обеспечивающими
согласованное преобразование информации всеми функциональными
узлами системы, по способу управления и по структуре построения
ИИС разделяются на децентрализованные и централизованные.
Децентрализованные ИИС имеют постоянный состав функцио-
нальных узлов и режим их работы. Возможности таких систем ограни-
чены, но они отличаются простотой, малыми габаритными размерами
и низкой стоимостью. В настоящее время децентрализованные ИИС
практически не применяются.
Централизованные ИИС содержат цен трал ьное устрой ство уп рав-
ления (контроллер), задающее режим работы функциональных узлов
путем изменения их состава, количества и связей между ними, в ре-
зультате чего изменются функциональные возможности системы.
7.2. Информационно-измерительные системы
183
Централизованные ИИС весьма раз-
нообразны и по структуре подразделя-
ются на радиальные, магистральные,
радиально-цепочечные и радиально-
магистральные. На рисунке 7.1, а пред-
ставлена схема ИИС радиальной струк-
туры.
Через контроллер осуществляется
обмен сигналами взаимодействия меж-
ду функциональными узлами (ФУ), что
позволяет программировать их путем
подачи соответствующих сигналов от
контроллера и изменять порядок обра-
ботки информации. В ИИС радиальной
структуры каждый ФУ подключается
к контроллеру с помощью индивиду-
альных шин. Недостатком радиальной
б
Рис. 7.1. Схемы ИИС
радиальной (о)
и магистральной (б) сгруктуры
структуры являются трудности в нара-
щивании функциональных узлов из-за усложнения контроллера. По-
этому более широкое применение нашли ИИС магистральной струк-
туры, схема которой приведена на рис. 7.1, б.
Наличие однопроводной или многопроводной шины (магистрали)
является общей чертой всех ФУ. По магистрали передаются сигналы
взаимодействия, причем каждый такой сигнал адресуется к конкрет-
ному ФУ. В магистральной структуре легко наращивать количество
ФУ в системе, что позволяет использовать ее для решения задач по ав-
томатизации различных экспериментальных исследований.
Использоваание современных цифровых средств привело к изме-
нению структуры ИИС, позволяющей максимально перенести обра-
ботку измерительной информации к месту ее формирования. Такое
решение получило название конвейерной обработки измерительной
информации в ИИС.
ИИС включает в себя комплекс первичных преобразователей,
устройства сбора и обработки информации, устройства вторичной об-
работки информации, средства управления и контроля, средства связи
с другими системами, накопители информации.
Работа ИИС основана на использовании систем нескольких видов:
с заранее заданным алгоритмом работы (жесткая система), програм-
мируемые (гибкая система), адаптивные, виртуальные, интеллекту-
альные.
184
ГЛАВА7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОТНХНИЧЕСКИХИЗМЕРЕНИЙ
Любая И ИС с вычислительными комплексами включает в себя ма-
тематическое, программное и информационное обеспечение, а также
метрологическое обеспечение, обслуживающее всю измерительную
систему.
Определяющими в эксплуатации ИИС являются эргономические
показатели дисплея и управляющих элементов — интерфейсов поль-
зователя. Интерфейс пользователя — это устройство сопряжения,
осуществляющее взаимодействие персонального компьютера (ПК)
со средствами измерений и другими внешними техническими систе-
мами.
7.3. Измерительно-вычислительные комплексы
Важнейшей разновидностью ГИС являются измерительно-
вычислительные комплексы (ИВК), представляющие собой автома-
тизированные средства измерений и обработки измерительной ин-
формации. ИВК используются для измерения параметров сложных
объектов.
Отличительными особенностями ИВК являются наличие свобод-
но программируемой ЭВМ (для обработки результатов измерений
и управления собственно процессом измерений, а также для управле-
ния воздействием на объект исследования), нормирование метроло-
гических характеристик, программное управление измерительными
средствами, блочно-модульная структура.
ИВК применяются для реализации прямых, косвенных, совмест-
ных и совокупных методов измерений физических величин; для пред-
ставления результатов измерений оператору в необходимом (удобном)
виде; для управления процессом измерений и воздействия на объект
измерений.
7.4. Виртуальные приборы
Виртуальные приборы относятся к пятому поколению
информационно-из мерительных систем и строятся на базе ПК с ис-
пользованием современного программного и математического обеспе-
чения.
ПК оснащен аппаратными средствами ввода-вывода сигналов
и соответствующего программного обеспечения, которое определяет
конфигурацию и функции системы. ПК работает в режиме реально-
го времени и способен выполнять все функции специализированного
оборудования, сохраняя гибкость и перенастраиваемость интерфейса.
7.4. Виртуальные приборы
185
Специальная плата сбора данных (ПСД), устанавливаемая в слот ISA
или PCI (или внешнее устройство), и внешние интерфейсы образуют
виртуальный измерительный прибор.
Виртуальные приборы на базе ПСД, устанавливаемые в системный
блок ПК, уже широко используются в устройствах сбора и обработки
информации, в контрольно-диагностических и измерительных систе-
мах для промышленных и лабораторных приложений.
Виртуальный прибор можно успешно использовать для ре-
шения целого ряда измерительных задач на одном ПК. Для это-
го достаточно лишь подобрать программное обеспечение и платы
сбора данных в соответствии с техническими требованиями экс-
перимента. Необходимую часть виртуальных приборов составляет
программа — интерфейс человека с ПК и с самим прибором. Эта
программа поддерживает следующие концепции программного
обеспечения:
• программный интерфейс, внешне очень похожий на операционную
систему Windows и использующий ее возможности;
• программа, создающая лицевую управляющую панель стационар-
ного автономного прибора.
Каждый из вариантов имеет свои достоинства и недостатки, и фир-
ма предлагает реализацию виртуальных приборов обоих видов.
Рассмотрим прибор с интерфейсом, похожим на Windows. Такой
подход допустим, если компьютер должен измерять параметры внеш-
них аналоговых сигналов, а оператор неплохо разбирается в подклю-
чении к ПК различных нестандартных измерительных устройств.
В этом случае необходимо иметь несколько плат, включаемых соот-
ветствующим образом.
Программное обеспечение, поставляемое вместе с ПСД, состоит
из стандартных программ, драйверов и примеров программирования.
Такой набор программ позволяет решать широкий круг прикладных
задач по исследованию сигналов и сбору данных с различных датчи-
ков и внешних устройств. Версии для Windows обладают удобным
интерфейсом и благодаря интеграции друг с другом и с другими при-
ложениями Windows значительно облегчают получение результатов
измерения и их документальное оформление в виде отчетов, графи-
ков, диаграмм. Если этих стандартных программ недостаточно для
решения конкретной задачи, то пользователь, умеющий хорошо прог-
раммировать, создает более приспособленную для своей задачи прог-
рамму. Здесь просто необходимы драйверы для управления платами и
примеры программирования.
186 ГЛАВА7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Существую!’ готовые виртуальные приборы, например осцилло-
граф (рис. 7.2) и спектроанализатор (рис. 7.3) с возможностью сбора
данных.
Рис. 7.2. Виртуальный осциллограф
Программа 4 Осциллографа позволяет видеть сигнал, измеряемый
с помощью АЦП, в реальном времени и производить спектральный
анализ собранных данных. В верхней части окна программы сосредо-
точены основные элементы управления ее работой и отображением
данных. Большинство элементов управления снабжены всплывающи-
ми подсказками. Программа обеспечивает выбор частоты дискретиза-
ции, размера блока измеряемых данных и числа каналов, синхрони-
зацию устройств без аппаратной синхронизации, поддержку режима
аппаратной синхронизации, поддержку некоторых специфических
функций устройств (кадровый сбор, включение внешней частоты дис-
кретизации), сохранение файлов с данными «как есть» и в форматах
ASCII и WAV, воспроизведение сохраненных данных из файлов с дан-
ными 4как есть» и в формате WAV.
Как любое измерительное устройство, программа «Осциллограф»
снабжена осями (шкалами). Вертикальная ось слева градуирована в
единицах младшего значащего разряда АЦП или вольтах, которые ото-
бражаются в левом верхнем углу окна осциллографа. Нижняя гори-
зонтальная ось может быть градуирована по числу измеренных точек
7.4. Виртуальные приборы
187
Рис. 7.3. Окно спектроанализатора (я) и спектр кназигармонического сигнала (б)
или в единицах времени (секундах, милли-, микро-, наносекундах).
Единица измерения горизонтальной оси приводится в левом нижнем
углу окна осциллографа. На осях подписываются значения, соответ-
ствующие текущему активному каналу. При этом надписи на верхней
горизонтальной оси соответствуют точкам в районе курсора. Значе-
ние в точке, над которой расположен курсор, подсвечивается прямоу-
гольником того же цвета, что и текущий активный канал. Для удобства
18В
ГЛАВА7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОТНХНИЧЕСКИХИЗМЕРЕНИЙ
оценки промежуточных значений оси, кроме крупных клеток, имеют-
ся по девять засечек на каждую такую клетку.
Графическая часть — основная для осциллографа, и там отобража-
ется в реальном времени график сигнала, подаваемого на вход или вхо-
ды платы. Графическая часть может быть разделена по горизонтали на
две части двойным щелчком мыши. В верхней части графики сигналов
отображаются в нормальном виде, а в нижней — в увеличенном. При
этом в зону увеличенного просмотра попадает та часть графика, ко-
торая находится внутри выделенного квадратика. Его размер можно
изменять, передвигая мышь и удерживая нажатой ее правую кнопку,
а положение — перемещая мышь и удерживая нажатой ее левую кноп-
ку. Двойное нажатие левой кнопки мыши возвращает окно осцилло-
графа в нормальный режим.
В режиме анализа спектра сигнала горизонтальная ось градуирует-
ся в килогерцах, вертикальная — в децибелах. Для просмотра парамет-
ров спектра квази гармон и чес ко го сигнала (см. рис. 7.3, б) необходимо
маркерами Ml и М2 выделить участок спектра, содержащий, напри-
мер, основную гармонику.
Программа *Генератор» предназначена для управления платой
аналогового выводаЛА-ЦАПнЮи совместное ней образует виртуаль-
ный прибор, который [[О своим функциональным возможностям соот-
ветствует приборам класса генераторов сигналов специальной фор-
мы (группа Гб). Генератор позволяет формировать синусоидальные,
прямоугольные, треугольные и более сложные выходные сигналы.
Сигналы генерируются за счет последовательного вывода временных
отсчетов сигналов, записанных в циклический буфер памяти платы.
Взаимодействие с программой происходит только в моменты измене-
ния этого буфера при записи в него нового сигнала, считываемого из
файла и формируемого программно.
Реж и м ге н ераци и кан ал а изме пяется только тогда, когда изме н я ется
состояние какого-либо относящегося к нему управляющего элемента.
После запуска генератора открывается его главное окно, графически
выполненное в виде приборной панели (рис. 7.4). Управление генера-
тором осуществляется через это окно, а также через дополнительные
диалоговые окна, открывающиеся через меню главного окна.
Примерами виртуальных вольтметров с Windows-интерфейсом
(рис. 7.5) могут служить программы для управления платами ЛА-н10
и ЛА-и24. Эти виртуальные приборы предназначены для измерения
среднеквадратичного значения напряжения в диапазоне частот до
50 МП; в двухканальном режиме и 1 кГц—в трехканальном.
7.4. Виртуальные приборы
189
Рис. 7.4. Виртуальный генератор сигналов специальной формы
Рис. 7.5. Вольтметре Windows-интерфейсом
Все описанные виртуальные приборы удобны и просты в управле-
нии для тех, кто постоянно работает с компьютером. Для начинающих
пользователей компьютеров созданы стандартные измерительные
190 ГЛАВА7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
приборы, подключать и применять которые не сложнее, чем обыч-
ные стандартные устройства. Примером могут служить виртуальные
приборы, имеющие прототипы среди стационарных приборов и очень
похожий программный интерфейс: осциллограф, спектроанализатор
и вольтметр.
Виртуальные приборы максимально просты в управлении и имеют
те же п анел и, расп ол ожен н ы е в тех же местах, те же орган ы у п равл ен ия,
что и обычные приборы-аналоги. Графический интерфейс программы
создает переднюю панель известного измерительного прибора. В прог-
рамме вольтметра стандартного типа (рис. 7.6) с платой ЛА-нЮ для
начала работы необходимо только установить переключатели в нуж-
ное положение и начать измерять входные сигналы по двум каналам.
Рис. 7.6. Виртуальный вольтметр стандартного типа
Таким образом, наличие двойного подхода к программному интер-
фейсу виртуальных приборов позволяет пользователям с разной ква-
лификаций полностью использовать возможности устройств с АЦП,
ЦАП или цифровыми входам и-вы ходам и для решения измеритель-
ных задач.
Достоинством виртуальных приборов по сравнению с микропро-
цессорными является доступ пользователя к обширным объемам при-
кладных программ, возможность использовать внешнюю память боль-
Контрольные вопросы
191
шой емкости и различные устройства документирования результатов
измерений. Кроме того, использование виртуальных приборов эконо-
мически эффективно, так как любая ПСД и программное обеспечение
обработки измерительной информации дешевле любого измеритель-
ного прибора.
7.5. Интеллектуальные
измерительные системы
Интеллектуальные измерительные системы (интеллектуальные
ИС) характеризуются тем, что их можно индивидуально программи-
ровать на выполнение специальных задач, используя программируе-
мый терминал для ввода параметров конфигурирования.
Такие измерительные системы могут выполнять все функции из-
мерения и контроля в режиме реального времени, что позволяет
осуществлять функции измерения и контроля высокого уровня без
использования больших компьютеров. При автономном функциони-
ровании такая система обеспечивает непрерывные измерения и кон-
троль заданных параметров, сбор данных и обработку сигналов.
Интеллектуальные ИС отличаются от традиционных следующими
преимуществами:
высокое быстродействие контуров управления процессом измере-
ния и высокая скорость сбора данных;
возможность использования стандартных интерфейсов с любыми
системами и оборудованием;
надежность на каждом системном уровне за счет применения уни-
версальных методов обеспечения безотказной работы;
возможность взаимозаменяемости, так как интеллектуальные ИС
являются стандартными устройствами.
Контрольные вопросы
1. Почему необходима автоматизация измерений?
2. В чем состоит суть первой ступени автоматизации?
3. В чем состоит суть второй ступени автоматизации?
4. Приведите классификацию ИИС.
5. Чем отличаются ГИС от АНП?
6. Приведите классификацию ГИС.
7. Что такое И ВК?
8. Каков принцип построения современных ИИС?
9. Что такое де централ изованн ые И И С ?
192 ГЛАВА7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
10. Чем отличаются централизованные ИИС от децентрализован-
ных?
11. Перечислите разновидности централизованных ИИС.
12. Какие задачи выполняет современная ИИС?
13. Расскажите о виртуальных приборах.
14. Приведите варианты концепций программного обеспечения вир-
туальных приборов.
15. Каковы достоинства и недостатки виртуальных приборов по срав-
нению с микропроцессорными?
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Электрические единицы измерения,
используемые в электронике
Электрическая величина Единицы измерения Coot- ношение кратных или доль- ных и основ- ных единиц
Наиме- нование Сим- вол зна- чения Основная Кратная или дольная
Наи- мено- вание Рус- ское зна- чение Меж- дуна- родное обо- значе- ние Наиме- нование Рус- ское обо- зна- чение Меж- дуна- род- ное обо- зна- чение
Сооро- тивле- ние /г, г ом Ом Я мегаом килоом МОм кОм МО кО 1 МОм = = 10gQm 1 кОм = = Ю3Ом
Сила тока 1,1 ампер А А милли- амоер микро- амоер мА мкА mA ИА < и < 11 7 < 7 < ° а ° S S и и
Напря- жение и ЭДС U,u Е, е вольт В V кило- вольт милли- вольт микро- вольт кВ мВ мкВ kV mV pV 1 кВ = = to3 В 1 мВ = 10"3В 1 мкВ = = io-gb
Мощ- ность Р ватт Вт W гигаватт мега- ватт кило- ватт милли- ватт микро- ватт ГВт МВт кВт мВт мкВт GW MW kW mW pW 1 ГВт = = 10э Вт 1 МВт = = 10gBt 1 кВт = = 103 Вт 1 мВт = 10 3 Вт 1 мкВт = = 10-G Вт
194
ПРИЛОЖЕНИЯ
Окончание
Электрическая величина Единицы измерения Coot- ношение кратных или доль- ных и основ- ных единиц
Наиме- нование Сим- вол зна- чения Основная Кратная или дольная
Наи- мено- вание Рус- ское зна- чение Меж- дуна- родное обо- значе- ние Наиме- нование Рус- ское обо- зна- чение Меж- дуна- род- ное обо- зна- чение
Емкость С фарад Ф F микро- фарад нанофа- рад оикофа- РВД мкФ нФ пФ pF nF PF и е е ® л e II га II S ” а е и и и
Индук- тив- ность L генри Гн Н милли- генри микро- генри мГн мкГн mH pH 1 мГн = IO 3 Пн 1 мкГн = = 10-G Гн
Частота p-f герц Гц Hz гига- герц мега- герц кило- герц ГГц МГц кГц GHz MHz kHz 1 ГГЦ = = 10э Гц 1 МГц = = 10еГц 1 кГц = = 103 Гц
Период т секун- да с S милли- секунда микро- секунда наносе- кунда мс МКС нс E 3. £ 1 мс = = 10-3с 1 мкс = = 10-Gc 1 нс = = 10-° с
Длина волны к метр м m милли- метр санти- метр деци- метр мм см дм mm cm dm II р* II — II — О 2 о я о я л II II d, II 2 2 2
Сдвиг фаз Ду ради- ан рад rad градус •Л * 1° = — 180 paj
Приложение 2
195
Приложение 2
Условные обозначения на шкалах
электроизмерительных приборов
Наименование Условное обозначение Буквенный шифр
Прибор магнитоэлектрической системы с подвижной рамкой М
Прибор электромагнитной системы э
Прибор электродинамической системы д
u
Прибор ферродинамической системы д
Прибор электростатической системы ( L С
Прибор выпрямительной системы с вы- орямителем (выпрямительный орибор) В
Прибор магнитоэлектрический с элек- тронным преобразователем в измери- тельной цепи (электронный прибор) —
Прибор термоэлектрической системы fi. т
196
ПРИЛОЖЕНИЯ
Окончание
Наименование Условное обозначение Буквенный шифр
Прибор вибрационной системы \ / -
Ток постоянней — -
Ток переменней ( однофаз ней) -
Ток постоянней и переменный (универ- сальный орибор) -
Ток трехфазный оеременней (общее обозначение) -
Прибор применять при вертикальном ооложении шкале J -
Прибор применять при горизонтальном ооложении шкале I L —► -
Наклонное (с углом 60*) ^60* -
Класс точности орибора, например 1,5 1,5 1^ @ -
Напряжение испытательное, например 2 кВ -
Прибор защищен от влияния внешнего магнитного поля ([ категория защищен- ности) -
Прибор защищен от влияния внешнего электрического поля ([ категория защи- щенности) -
Внимание! Смотри указания в инструк- ции по эксплуатации прибора л -
Приложение 3
197
Приложение 3
Сведения об аналоговых электронных
вольтметрах некоторых типов
Шифр прибора Тип вольт- метра Тип детектора Показание шкалы Примечание
B3-38 ВЭ-41 ВЗ-56 ВЭ-39 ВЗ-44 Средневы- орям лен- ных значе- ний Линейный Г2 = £/свх х 1,11 Обеспечивают наиболее высокую точность при изме- рении напряжения с малым уровнем гармонических со- ставляющих
ВЗ-40 ВЗ-42 B3-4S Среднеква- дратичных значений U Квадратичный и2 = и Обеспечивают наи- большую точность при измерении напряжения произ- вольной формы
B3-43 В7-26 В4-43 B4-1S ВК7-15 В4-12 Амплитуд- ных значе- ний Пиковый = ^/1,41
19В
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 4
Таблица децибел и отношений
напряжений (токов) и мощностей
Децибел Отношение напряжений (токов) Отноше- ние мощ- ностей Децибел Отношение напряжений (токов) Отноше- ние мощ- ностей
0 1,0 1,0 14 5,012 25,12
0,1 1,012 1,023 15 5,623 31,62
0,2 1,023 1,047 16 6,31 39,81
0,3 1,035 1,072 17 7,079 50,12
0,4 1.047 1,096 18 7,943 63,1
0,5 1,059 1,122 19 8,913 79,43
0,6 1,072 1,0148 20 10,0 100,0
0,7 1,084 1,175 25 17,78 316,2
0,8 1,096 1,202 30 31,62 1000,0
0,9 1,109 1,23 35 56,23 3162,0
1 1,122 1,259 40 100,0 10*
2 1,259 1,585 45 177,8 3,162 10*
3 1,413 1,995 50 316,2 to5
4 1,585 2,512 55 562,3 3,162 ‘ 10*
5 1,778 3,162 60 10э to6
6 1,995 3,981 65 1.778j 103 3,162 Ю6
7 2,239 5,012 70 3,162, Ю3 to7
8 2,512 6,310 80 10* 10s
9 2,818 7,943 90 3,162, Ю4 10э
10 3.162 10,0 100 Ю5 to10
И 3,548 12,59 110 3,162, Ю5 10|]
12 3,981 15,85 120 to6 ю12
13 4,467 19,95 150 3,162, Ю7 to15
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Винокуров В.И., Каплин С.И., Петелин И.Г. Электрорадиоизмере-
ния/ под ред. проф. В. И. Винокурова М.: Высшая школа, 1986.
2. Дворяшин Б.В. Основы метрологии и радиоизмерения. М. : Радио
и связь, 1993.
3. Измерения в электронике : справочник / под ред. д-ра техн, наук,
проф. В. А. Кузнецова. М.: Энерго из дат, 1987.
4. Классен КБ. Основы измерений. Электронные методы и приборы
в измерительной технике. М.: Постмаркет, 2000.
5. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных
системах : учебник / В.И. Нефедов [и др. [; под. ред. В.И. Нефедо-
ва. М.: Высшая школа, 2001.
6. Метрология, стандартизация и измерения в технике связи /
Б.П. Хромой [и др.] ; под. ред. Б.П. Хромого. М.: Изд-во стандар-
тов, 1986.
7. Метрология. Основные термины иопределения РМГ29-999. ИПК.
М.: Изд-во стандартов, 2000.
8. Мирский Г.Я. Электронные измерения. М.: Радио и связь, 1986.
9. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. Л.: Энергии, 1978.
10. Хайт X. Введение в измерительную технику : пер. с нем. М.: Мир,
1999.
11. Хрусталева З.А., Парфенов С.В. Электрические и электронные из-
мерения в задачах, вопросах и упражнениях. М. : Издательский
центр «Академия», 2009.