Автор: Хромой Б.П. Кандинов А.В. Сенявский А.Л.
Теги: электротехника радиотехнические измерения метрология связь радиосвязь
Год: 1986
Текст
«"Радло и связь*
МЕТРОЛОГИЯ,
СТАНДАРТИЗАЦИЯ
И ИЗМЕРЕНИЯ
В ТЕХНИКЕ
СВЯЗИ
Под редакцией Б. П. ХРОМОГО
Допущено
Министерством высшего и среднего
специального Образования СССР
в качестве учебного пособия
для студентов вузов,
х обучающихся по специальностям:
«Автоматическая электросвязь»,
«Радиосвязь и радиовещание»,
«Многоканальная электросвязь»
1
V
Москва
(Е) "Р&ДИ0 И связь»
1986
' л.
ББК 32.842
М54
УДК'[389.1:621.37/.39] (075)
Б. П. ХРОМОЙ, А. В. КАНДИ НОВ, А. Л. СЕНЯВСКИИ, А. А. КОТОВИЧ,
А. С. ВЛАДИМИРОВ, Д. Ф. ТАРТАКОВСКИИ, А. Б. СЕЛИБЕР,
В. И. СОКОЛОВ, Р. В. ЯРАЛОШВИЛИ, Ю. В. АКСЕНТОВ,
Ф. В. КУШНИР, В. Л. ЛЕНЦМАН
Метрология, стандартизация и измерения в технике
М 54 связи: Учеб, пособие для вузов/ Б. П. Хромой, А. В. Кан-
динов/А. Л. Сенявский и др.; Под ред. Б. П. Хромого.—
М.: Радио и связь, 1986. — 424 с.: ил.
Приведены метрологические характеристики методов измерения в радио-
технике и связи, методики измерений (в том числе и цифровых) и обработки
результатов с использованием современной элементной базы. В отличие от
ранее выпущенных учебников рассматриваются общие теоретические вопросы,
позволяющие освоить конкретные измерительные приборы. Введенный раздел
«Стандартизация» увязан с потребностями измерений.
Для студентов вузов, обучающихся специальностям «Автоматическая
электросвязь?, «Радиосвязь» и радиовещание», «Многоканальная электро-
связь».
2402020000-143
М —---------------96-86
046(01)-86
ББК 32.842
Рецензенты: Кафедра «Линии связи и измерения в технике связи»
Куйбышевского электротехнического института связи;
доктор техн, наук, профессор И; Ф. Ш и ш к и и
Редакция литературы по радиотехнике
© Издательство «Радио и связь», 1986
ПРЕДИСЛОВИЕ
В области радиотехники и связи за последние два десятилетия
произошли существенные изменения. Развитие кабельных, радио-
релейных и спутниковых систем связи привело к необходимости
производства аппаратуры, отвечающей исключительно высоким
техническим требованиям. Внедрение цветного телевидения вы-
звало резкий скачок в качестве изготовления не только профес-
сиональной, но и бытовой аппаратуры. Такие устройства, как
передающие камеры, видеомагнитофоны, видеопроигрыватели, вы-
полняются на пределе современных технических возможностей..
К точности изготовления, стабильности характеристик и парамет-
ров ряда изделий современной техники связи предъявляются та-
кие же высокие требования, которые ранее были характерны для
механики и оптики.
Существенную роль в''деле улучшения качества продукции иг-
рает Государственная система стандартизации, являющаяся свое-
образным фильтром, позволяющим отбирать наиболее эффектив-
ную технику, технологические процессы; правила и нормы. Вы-
полнение требований стандартов в области производства, научных
исследований, конструкторских разработок возможно лишь при
наличии метрологического обеспечения. Согласно ГОСТ 1.25—76
метрологическое обеспечение — установление и применение науч-
ных и организацибнных основ, технических средств, правил и
норм, необходимых для достижения единства и требуемой точ-
ности измерений. Таким рбразом имеется тесная связь между
качеством продукции, стандартизацией и метрологией.
Совершенствование техники и, в частности, техники связи не-
возможно без опережающего развития метрологии, поскольку
разработка аппаратуры с улучшенными техническими характе-
ристикам®, освоение новых частотных диапазонов требуют более
точной аппаратуры. Отрасль 'связи в этом отношении занимает
особое положение. Помимо широкой номенклатуры измерительной
аппаратуры общего применения (вольтметров, осциллографов
и т. п.) здесь используют большое число узкоспециализированных
приборов. Иначе говоря, инженер-связист на практике сталки-
3
вается не только с необходимостью решать измерительные задачи
на базе типовых измерительных приборов, но и с разработкой
новых приборов, их метрологической аттестацией, стандартиза-
цией методов Измерений.
Последние годы ознаменовались усилением внимания к стан-
дартизации и метрологии со стороны директивных правитель-
ственных органов. 4 апреля 1983 г. принято постановление Со-
вета Министров СССР № 273 «Об обеспечении единства изме-
ренйй в стране», в котором указывается, «что результаты из-
мерений с использованием технических средств выражаются в
СССР в единицах физических величин, определяемых Государ-
ственным комитетом СССР по стандартам, и используются при
условии оценки их погрешности с необходимой точностью. Един-
ство измерений обеспечивается государственной метрологической
службой, возглавляемой Государственным комитетом СССР по
стандартам, и метрологическими службами министерств и ве-
домств. Порядок выполнения работ по обеспечению единства из-
мерений устанавливается Государственным комитетом СССР по
стандартам». .
Работы по обеспечению единства измерений, проводимые на
предприятиях, в организациях и учреждениях, относятся к ос-
новным видам работ.
Постановлением Совета Министров СССР № 936 от 28 сен-
тября 1983 г. введено в действие «Положение о государственном
надзоре за стандартами и средствами измерений в СССР». «Глав-
ными задачами государственного надзора за стандартами и сред-
ствами измерений в СССР являются обеспечение министерства-
ми, ведомствами, предприятиями, организациями и учреждения-
ми своевременного внедрения и строгого" соблюдения стандартов
и метрологических правил, единства измерений в стране, а так-
же анализ научно-технического уровня стандартов и средств из-
мерений и содействие при их разработке наиболее эффективному
использованию достижений науки и техники с цел^ю повышения
эффективности общественного произиодства, ускорения научно-
технического прогресса, роста производительности труда, повы-
шения технического уровня и качества продукции.»
Вузы страны должны улучшить подготовку студентов в об-
ласти метрологии и стандартизации. Об этом говорится в инст-
руктивном письме № 8 Министерства высшего и среднего спе-
циального образования СССР от 13 февраля 1984 г. Главная за-
дача заключается в обеспечении непрерывной подготовки сту-
дентов, в области стандартизации и метрологии за счет изучения
вопросов стандартизации и метрологии на многоэтапной основе.
Данная книга является результатом попытки авторов (препо-
давателей МЭИС и ЛЭИС) создать, пособие по курсу «Метро-
логия, стандартизация и измерения" в технике связи» для сту-
дентов вузов связи , трех специальностей: 0702, 0703 и 0708. От
ранее изданных учебников и учебных пособий для вузов связи
она отличается более подробным изложением вопросов метроло-
4
гии, которые выделены в специальный раздел. Кроме того, уси-
лено’внимание к вопросам-определения погрешностей и методам
их. минимизации в разделах, посвященных конкретным аппара-
турным решениям. В разделе «Электрорадиоизмерения» сгруппи-
рованы общие задачи электро- и радиотехнических измерений,
которые решаются на основе использования широко распростра-
ненных методов и приборов общего применения. Это создает удоб-
ства для использования книги студентами других специальностей,
например 0701.
Работая над книгой, авторы не шли по пути максимального
«уплотнения» материала с целью изложения возможно большего
числа вопросов. В этом случае книга неизбежно, приблизилась
бы по своему характеру к справочнику по измерительной тех-
нике. Излагая материал, 'авторы большее внимание уделяли во-
просам, освоение которых традиционно Вызывает наибольшие
трудности у студентов И которые важны для понимания других
разделов. В частности, значительное место отведено технике ос-
циллографических измерений не только вследствие того, что в
настоящее время электронный осциллограф самый распростра-
ненный и сложный для освоения прибор, но и потому, что на
тех же принципах основана работа анализатора спектра, изме-
рителей амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик
и других приборов.
Предисловие, главы 1, 7, § 8.6, 9.5, 11.4, 13.7 написаны докт.
техн, наук, проф. Б. П. Хромым; гл. 4, § 5.1, 5.2, 11.1 —11.3—
канд. техн, наук А. Л. Сенявским; § 9.1, 9.2 — канд. техн, наук
А. С. Владимировым; § 9.4, 12.2 — канд. техн, наук А. А. Котови-
чем; § 5.4, 12.1 — канд. техн, наук Ф. В. Кушниром; гл. 10,
§ 13.1^13.6, 13.8—канд. техн, наук В. И. Соколовым; гл. 2, 3,
§ 5.3 — канд. техн, наук А. Б. Селибером; часть IV — докт. техн,
наук Д. Ф. Тартаковским; гл. 6 — канд. техн, наук В. Л. Ленц-
маном; § .12.3—канд. техн, наук Ю.‘ В. Аксентовым; § 11.5 —
канд. техн, наук Р. В. Яралошвили; § 9.6 — канд. техн, наук
А. В. Кандиновым; § 9.3-—А. В. Кандиковым, А. С. Владимиро-
вым; § 8.1—8.5 — В. Л. Ленцманом, Ф. В. Кушниром, Р. В. Яра-
лошвили; (приложения — канд. техн, наук А. Л. Сенявским.
Замечания и предложения по содержанию книги следует на-
правлять по адресу: 101000, Москва, Почтамт, а/я 693, издатель-
ство «Радио и связь».
Часть I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ
Глава 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ МЕТРОЛОГИИ
1.1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ,
ПРИМЕНЯЕМЫЕ В МЕТРОЛОГИИ
Термин метрология произошел от греческих слов: perpov — мера
и Аоуо?; — учение, слово. В современном понимании это наука
об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства
и способах достижения требуемой точности. К основным направ-
лениям метрологии относятся: общая теория измерений; единицы
физических величин и их системы; методы и средства измерений;
методы определения точности измерений; основы обеспечения един-
ства измерений'и единообразия средств измерений; эталоны и
образцовые средства измерений; методы передачи размеров еди-
ниц от эталонов и образцовых средств измерений рабочим сред-
ствам измерений. Часть из них имеют научный характер-. Другая
часть, посвященная комплексам взаимосвязанных и взаимообу-
словленных общих правил, требованиям и нормам, нуждающиеся
в регламентации и контроле со стороны государства и направлен-
ным на обеспечение единства измерений и единообразия средств
измерений, относится к законодательной метрологии. Законода-
тельный характер метрологии обусловливает- стандартизацию ее
терминов и определений.
Термины и определения основных понятий метрологии уста-
новлены ГОСТ. Определение отдельных терминов будут даваться
цо мере необходимости, однако ряд следующих часто применяе-
мых терминов необходимо усвоить на первых этапах изучения мет-
рологии.
Физическая величина — свойство, .общее в качественном отно-
шении многим физическим объектам, но в количественном отно-
шении индивидуальное для каждого объекта.
Измерение — нахождение значения физической величины опыт-
ным путем с помощью специальных технических средств^ Под
измерением понимается процесс экспериментального сравнения
данной физической величины с однородной физической величиной,
значение которой принято за единицу.
Единица физической величины — физическая величина, которой
по определению присвоено числовое значение, равное 1. Единицы
физических величин представляют собой вспомогательный аппа-
6
рат, йрименяемый при изучении объектов природы. Принципиаль-
но можно использовать бесконечное множество единиц физических
величин. Но практика выдвигает требование единства измерений,
которое можно обеспечить при любой системе единиц. Однако
для сопоставления результатов измерений без пересчетов (при
переходе от одной системы единиц к другой) необходимо, чтобы
результаты измерений выражались в узаконенных единицах.
Единство измерений — состояние измерений, при котором их
результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности
измерений известны с заданной вероятностью. Как ясно из опре-
деления, это понятие включает в себя не только выполнение усло-
вия единства используемых единиц физических величин, но и зна-
ние погрешности измерения.
Для проведения измерений требуются специальные технические
средства. Под средствами измерений понимают технические сред-
ства, использумые при измерениях и имеющие нормированные
метрологические свойства. По техническому назначению средства
измерений подразделяются на меры, измерительные приборы, из-
мерительные преобразователи, вспомогательные средства измере-
ний, измерительные установки и измерительные системы.
Мера — средство измерений, предназначенное для воспроизве-
дения физической величины заданного размера. Например, квар- »
цевый генератор может являться мерой частоты электрических
колебаний. Мера, воспроизводящая ряд одноименных величин раз-
личного размера, называется многозначной. Конденсатор постоян-
ной емкости может выполнять роль однозначной меры, а конден-
сатор переменной емкости — многозначной. Часто используется
набор мер — специально подобранный комплект мер>, применяемых
не "только отдельно, но и в различных сочетаниях для воспроиз-
ведения ряда одноименных величин различного размера.
Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное
для выработки сигнала измерительной информации в форме, до-
ступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Изме-
рительные приборы классифицируются по различным признакам.
Например, измерительные приборы можно построить на основе
аналоговой схемотехники или цифровой. Соответственно их делят
на аналоговые и цифровые. Ряд приборов, выпускаемых промыш-
ленностью, допускают только отсчитывание показаний. Эти при-
боры называются показывающими. Измерительные приборы, в ко-
торых лредусмотрена регистрация показаний, носят название ре-
гистрирующих.
Измерительный преобразователь — средство измерений, пред-
назначенное для выработки сигнала измерительной информации в
форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обра-
ботки и хранения, но не поддающейся непосредственному воспри-
ятию наблюдателем. Первичным называют преобразователь, явля-
ющийся первым в измерительной цепи, к нему непосредственно
подводится измеряемая величина. Передающий измерительный
преобразователь предназначен для дистанционной передачи -сиг-
.. ...... 7
нала измерительной информации, масштабный — для измерения
величины в заданное число раз.
Вспомогательное средство измерений — средство измерения ве-
личин, влияющих на метрологические свойства другого средства
измерения при его применении. Эти средства применяют для конт-
роля за поддержанием значений влияющих величин в заданных
пределах.
Измерительная установка — совокупность функционально объ-
единенных средств измерений (мер, измерительных, приборов, из-
мерительных преобразователей) и , вспомогательных устройств,
предназначенная для выработки сигналов измерительной инфор-
мации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблю-
дателем, и расположенная в одном месте.
Измерительная система — совокупность средств измерений
(мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей)
и вспомогательных устройств, соединенных между собой канала-
ми связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной
информации в форме, удобной для автоматической обработки, пе-
редачи и использования в автоматических системах управления.-
1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
Принято различать несколько видов измерений. Их классифи-
кация осуществляется на основе характера зависимости измеряе-
мой величины от времени, условий, определяющих точность резуль-
тата' измерений, и способов выражения этих результатов.
По характеру зависимости измеряемой величины от времени
измерения делятся на статические и динамические. Статические
измерения соответствуют случаю, когда измеряемая величина оста-
ется постоянной, динамические—когда измеряемая величина из-
меняется.
По способам получения результатов различают прямые, косвен-
ные, совокупные и совместные измерения.
Прямыми называют измерения, при которых искомое значение
величины находят непосредственно из опытных данных. При этом
измеряемую величину сравнивают с мерой измерительными при-
борами, градуированными в требуемых единицах. В качестве при-
мера можно привести измерение напряжения вольтметром.
При косвенных измерениях — искомое значение'величины на-
ходят на основании известной зависимости между этой величиной
и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Косвенные из-
мерения широко распространены в тех случаях, когда искомую
величину невозможно или сложно измерить непосредственно или
когда прямое измерение дает менее точный результат. Например,
затухание, вносимое четырехполюсником, обычно вычисляют па
измеренным значениям входного и выходного напряжений.
При совокупных измерениях одновременно измеряют несколько.
одноименных величин и искомые значения величин находят, ре-
8 - ’
шая систему уравнений, получаемых при прямых измерениях раз-
личных сочетаний этих величин. - .
Совместные измерения — производимые одновременно измере-
ния двух или нескольких одноименных величин для нахождения
зависимости между ними.
По способу выражения результатов измерений принято разли-
чать абсолютные и относительные измерения.
Абсолютное измерение основано на прямых измерениях одной
яли нескольких основных величин и (или)„использовании значе-
ний физических констант. Примером абсолютного измерения яв-
ляется измерение силы тока в амперах.
Относительным называют измерение отношения величины к
одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения
величины по отношению к одноименной величине, принимаемой
за исходную. Примером относительного измерения является изме- -
рение коэффициента отражения в линии.
Измерения классифицируются также по используемому методу
•измерения—совокупности приемов использования принципов и
средств измерений. Различают следующие методы измерений.
Метод непосредственной оценку, в. котором значение величины
определяют непосредственно по отсчетному устройству измери-
тельного прибора прямого действия.
Метод сравнения, с мерой, в котором измеряемую величину
сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Этот метод
имеет следующие модификации:
. противопоставления, когда измеряемая величина и величина,
воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор
сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение меж-
ду этими величинами;
дифференциальный, когда на измерительный прибор воздейст-
вует разность измеряемой величины и известной' величины, вос-
производимой мерой;
нулевой, когда результирующий эффект воздействия величин
на прибор сравнения доводят до нуля;
замещения, когда измеряемую величину замещают известной
величиной, воспроизводимой мерой; ’
совпадений, когда разность между измеряемой величиной и ве-
личиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение
отметок шкал или периодических сигналов.
1.3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ИЗМЕРЕНИЙ
Основными характеристиками измерений являются: принцип из-
мерений, метод измерений, погрешность, точность, правильность и
достоверность измерений’
Принцип измерений — физическое явление или совокупность
физических явлений, положенных в основу измерений. Например,
9
измерение мощности с использованием термоэлектрического эф-
фекта.
Погрешность измерений — отклонение результата измерения от
истинного значения измеряемой величины.
Истинное значение физической величины идеальным образом
отражало бы в качественном и количественном отношениях соот-
ветствующие свойства объекта, но оно остается неизвестным, по-
этому с помощью измерений находят так называемое действитель-
ное4'значение, настолько приближающееся к истинному, что для
данной цели может быть использовано вместо него.
Точность измерения — качество измерений, отражающее бли-
зость их результатов к истинному значению измеряемой величины.
Правильность измерений—качество измерений, отражающее
близость к нулю систематических погрешностей результатов (т. е.
таких погрешностей, которые остаются постоянными или законо-
мерно изменяются при повторных измерениях одной и той же
величины). Правильность измерений зависит от того, насколько
были верны средства измерений, используемые при эксперименте.
Достоверность измерения — степень доверия к результатам из-
мерений. Измерения, для которых известны вероятностные харак-
теристики отклонения результатов от истинного значения, отно-
сятся к категории достоверных. Наличие погрешности ограничи-
вает достоверность измерений, т. е. вносит ограничение в число
достоверных значащих цифр числового значения измеряемой вели-
чины и определяет точность измерений.
Сходимость измерений — качество измерений, отражающее бли-
зость друг к другу результатов измерений, выполняемых в оди-
наковых условиях.
Воспроизводимость измерений — качество измерений, отражаю-
щее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых
в различных условиях (в различное время, в различных местах).
1.4. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ
Согласно ГОСТ 16263—70 «Государственная система обеспече-
ния единства измерений. Метрология. Термины и определения» под
физической величиной понимается «свойство, общее в качествен-
ном отношении многим физическим объектам (физическим систе-
мам, их состояниям и происходящих в них процессам), но в коли-
чественном отношении индивидуальное для каждого объекта». Ин-
дивидуальность в количественном отношении следует понимать в
том смысле, что свойство может быть для одного объекта в опре-
деленное число раз больше или меньше, чем для другого.
Развитие наукц и техники, рост научно-технических и экономи-
ческих связей привели к необходимости установления единообра-
зия единиц измерений в международном масштабе. Требовалась
единая система единиц физических величин, практически удобная
и охватывающая различные области измерений. Международный
комитет по мерам и весам выделил из своего состава комиссию
Ю
по разработке. единой Международной системы единиц. Этой ко-
миссией был разработан проект Международной системы единиц,
который был утвержден XI Генеральной конференцией по мерам
и весам. Принятая система была названа Международной систе-
мой единиц, сокращенно СИ (SI — начальные буквы французско-
го наименования Systeme International).
В СССР действует ГОСТ 8.417—81 «Единицы физических ве-
личин». Наиболее употребительные в электрорадиоизмерениях еди-
ницы приведены в табл. 1.1. •
Таблица 1.1
Величина Единица
Наименование Размерность Наимено- вание . Обозначение
Междуна- родное Русское
Энергия, работа, количество теп- лоты L2MT-2 джоуль J Дж
Мощность, поток энергии L2MT~3 ватт W Вт
Количество электричества (элек- трический заряд) TI кулон с Кл
Электрическое- напряжение, элек- трический потенциал, разность электрических потенциалов, элек- тродвижущая сила L2MT-3I-‘ вольт V В
Электрическая емкость. L-2M-‘T4!2 фарад F Ф
Электрическое сопротивление L2MT-3I-2 ОМ С Ом
Электрическая проводимость L-2M-43I2 сименс S См
Индуктивность, взаимная индук- тивность L2MT~2I~2 генри н Гн
Плотность магнитного потока, магнитная индукция MT-2!-1 тесла т Тл
Поток магнитной индукции, маг- нитный поток PMT-2!-1 вебер Wb Вб
Частота T-‘ герц Hz Гц
Сила электрического тока I ампер А А
При разработке системы СИ специалисты исходили из.того, чтобы охватить
системой все области науки и техники; принять удобные для практики разме-
ры основных единиц, уже получившие распространение; выбрать в качестве ос-
новных единицы таких величии, воспроизведение -которых возможно е наиболь-
шей точностью. В системе СИ в качестве основных единиц приняты: метр —
единица длины, килограмм — единица массы, кельвин — единица температуры,
кандела — единица силы света, ампер — единица силы тока, секунда — единица
времени, моль — количество вещества. Остальные единицы являются производ-
ными.
Для выражения результатов измерений в узаконенных единицах размер по-
следних должен либо храниться или воспроизводиться на месте, либо переда-
ваться каким-то образом с места хранения или воспроизведения. В зависимостй
от этого различают централизованное и децентрализованное воспроизведение
единиц физических величин. В первом случае оно осуществляется с помощью
' 11
специальных технических средств, называемых эталонами, а для передачи разме-
ра единиц используются образцовые средства измерений. Во втором случае еди-
ница производной физической величины (например, площади) воспроизводится иа
месте через единицы основных физических величии. Последние хранятся и вос-
производятся только централизованно в соответствии с их определением.
Главной задачей современной метрологии является создание полной системы
взаимосвязанных естественных эталонов на основе использования фундаменталь-
ных физических констант и высокостабильных" квантовых явлений. Важный шаг
в решении этой задачи сделан XVII Генеральной конференцией по мерам и ве-
сам, принявшей в 'Ю83 г. новое определение метра — как длины пути, проходи-
мого светом в вакууме за промежуток времени, равный : 1/299 792 458 с. При
таком подходе единица длины может воспроизводиться децентрализованно, с
помощью фундаментальной физической константы — скорости света — и единицы
времени — секунды, определяемой через период эталонной частоты, передавае-
мой по радио. Единица времени и частоты воспроизводятся сейчас с наимень-
шей погрешностью.
1.5. ЭТАЛОНЫ И ОБРАЗЦОВЫЕ СРЕДСТВА
ИЗМЕРЕНИЙ
Чтобы обеспечить единство измерений, необходима тождест-
венность единиц, в которых проградуированы все средства изме-
рений одной и той же физической величины. Для этого приме-
няют средства измерений, хранящие и воспроизводящие установ-
ленные единицы физических величин и передающие их соответст-
вующим средствам измерений. Высшим звеном в метрологической
цепи передачи размеров единиц являются эталоны.
Эталон единицы — средство измерений (или комплекс средств
измерений), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение
единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной
схеме средствам измерений, выполненное по особой спецификации
и- официально утвержденное в установленном порядке в качестве
эталона.
Эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивыс-
шей в стране (по сравнению с другими эталонами той же еди-
ницы) точностью, называется первичным. Первичный эталон ос-
новной единицы должен воспроизводить единицу в соответствии
с ее определением.
Специальный эталон воспроизводит единицу в особых условиях
и заменяет при этих условиях первичный эталон.
Первичный или специальный эталон, официально утвержден-
ный в качестве исходного для страны, называется государствен-
ным. Примером такого устройства может служить государствен,
ный первичный эталон единицы электродвижущей, силы (ГОСТ
8.027—75). Примером специального эталона является государст-
венный специальный эталон единицы напряжения переменного то-
ка в диапазоне частот от 100 до 1500 МГц (ГОСТ 8072—73 и
-8075—73). Государственные эталоны утверждаются Государствен-
ным комитетом СССР по стандартам.
12
В метрологической практике широко используют вторичные эта-
. лоны, значения которых устанавливаются по первичным эталонам.
Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хране-
ния единиц и передачи их размера. Они создаются”и утверждаются
й тех случаях, когда это необходимо для обеспечения наименьшего
износа государственного эталона.
Вторичные эталоны по своему назначению делятся на эталоны-
копии, эталоны сравнения, эталоны-свидетели и' рабочие эталоны.
Эталон-копия предназначен для передачи размеров единиц ра-
бочим эталонам. Эталон-копия не всегда является физической ко-
пией государственного эталона.
Эталон-свидетель предназначен для проверки сохранности го-
сударственного эталона и для замены его в случае порчи или ут-
раты.
Эталон сравнения применяют для сличения эталонов, которые
по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сли-
чаемы друг с другом. Примером его является так называемый
нормальный элемент, используемый для сличения государственно-
го эталона вольта СССР с эталоном вольта Международного бюро
мер и весов.
Рабочий эталон применяют для передачи размера единицы об-
разцовым средствам'измерений высшей точности, а в отдельных
случаях — наиболее точным рабочим средствам измерений.
Образцовое средство измерений — мера, измерительный прибор
или измерительный преобразователь, служащие для поверки по
ним других средств измерений и утвержденные в качестве образ-
цовых.
Поверка средств измерений — определение метрологическим ор-
ганом погрешности средств измерений и установление его пригод-
ности к применению. . - .
Образцовые средства измерений могут иметь разные разряды.
.Между разрядами образцовых средств измерений существует со-
. подчиненность: образцовые средства, измерений 1-го разряда по-
веряют, как правило, непосредственно по рабочим эталонам, образ-
цовые средства измерений, аттестуемые в качестве образцовых
2-го и последующих разрядов, подлежат проверке по образцовым
средствам измерений непосредственно предшествующих разрядов.
Для разных видов измерений устанавливается, исходя из требо-
ваний практики, различное число разрядов образцовых средств"
измерений.
Рабочее средство измерений применяют для измерений, не свя-
занных с передачей размеров единиц.
Метрологическая цепь передачи размеров единиц от первичных эталонов ра-
. бочим эталонам, от них—разрядным образцовым средствам измерений и далее
рабочим средствам измерений, показана на рис. il.l. Передача размеров единиц
осуществляется посредством измерений. Утвержденный в установленном поряд-
ке документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размера
единицы от эталона или образцового средства измерений, рабочим средствам,
13
Эталоны
Образцовые средства
измерений 1-го разряда
Образцовые средства
измерений 2 го разряда
Образцовые средства
измерений, заимствованные
из других поверочных схем
Образцовые средства
Измерений 3-го разряда
Рабочие средства измерений
Рис. 1.1
14
называется поверочной схемой и оформляется в виде чертежа н текстовой части.
Поверочные схемы подразделяют на государственные, ведомственные н локаль-
ные. Государственная поверочная схема распространяется на все средства из-
мерений конкретной физической величины, применяемые в стране ведомствен-
ные схемы используются в рамках отрасли, а локальные относятся к опреде-
ленным метрологическим органам. Государственные поверочные схемы разра-
батываются метрологическими институтами, утверждаются в качестве госу-
дарственных стандартов СССР и. служат основанием для составления ведомст-
венных н локальных поверочных схем. Ведомственные* поверочные схемы пред-
ставляют собой ведомственный нормативно-технический документ, а локаль-
ные — нормативно-технический документ предприятия или организации. Допус-
кается разрабатывать их соответственно в виде отраслевых стандартов i(OCT) н
стандартов предприятия (СТП).
Чертеж государственной поверочной схемы (рис. 1.1) состоит из поля эта-
лонов, полей образцовых средств измерений 1-го н последующего разрядов, а
также заимствованных из других поверочных схем, и поля рабочих средств из-
мерений. Поля соответствуют ступеням передачи размера единицы. Они распо-
ложены друг под другом и разделены штриховыми линиями. Наименование по-
лей указывают в левой части чертежа. На рнс. 1.1 обозначено: 1 — государст-
венный эталон; 2—метод передачи размера единицы; 3 — эталон-копня; 4 —
эталон сравнения (для, международных сличений); 5 — рабочий эталон; 6—8 —
образцовые средства измерений соответствующих разрядов; 9—образцовые
средства измерений, заимствованные из других поверочных схем, и 10 — рабо-
чие средства измерений.
Как отмечалось ранее, высшим звеном в метрологической цепи передачи
размеров единиц являются эталоны. Эталоны основных единиц воспроизводят
единицы в соответствии с нх определением. Например, государственный первич-
ный эталон единицы силы тока — ампера—основан на измерении с помощью
токовых весов силы взаимодействия между двумя проводниками с током. Для
представления о совершенстве эталонов1 приведем метрологические характерис-
тики первичного эталона силы тока: среднее квадратическое отклонение резуль-
тата не превышает 4- IO-6, неисключенная систематическая погрешность состав-
ляет 8-10-6.
Государственные эталоны относятся к ценностям особой государственной
значимости. Их стоимость составляет от 0,7 до 1,6 млн. руб., а государственный
первичный эталон единиц времени н частоты стоит около '20 млн. руб. Хранят
и применяют эталоны в метрологических институтах страны, в специальных
так называемых эталонных помещениях, где поддерживается строгий режим по
влажности, вибрациям н другим влияющим величинам. Применять эталоны н
образцовые средства для практических измерений запрещается. ’
1.6. МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ СЛУЖБА СССР
В развитии отечественной метрологии можно отметить четы-
ре'э,тап а [3]. Первый этап охватывает почти весь XIX век. Этот "
период характерен активизацией метрологической деятельности и
началом широкого участия русских ученых в работе междуна-
родных метрологических организаций. В 1842 г. на территории
Петропавловской крепости в специально построенном помещении
15
было открыто первое централизованное метрологическое и пове-
рочное учреждение России — Депо образцовых мер и весов, в
котором хранились эталоны длины и массы (платиновая сажень
и платиновый фунт), их копии, а также образцы различных ино--
странных мер. В Депо изготавливались образцовые меры, про-
водилась поверка и сличение их с’ иностранными мерами. Эта
деятельность регламентировалась «Положением о мерах и весах»
(1842 г.), которое заложило основы государственного подхода к
обеспечению единства измерений.
Для русских ученых этого времени характерно, глубокое пони-
мание роли места метрологии в науке и жизни. В 1869 г. Пе-
тербургская академия наук направила в Парижскую академию
наук доклад, в котором предлагалось с целью обеспечения един-
ства измерений в международном масштабе изготовить новые
международные прототипы метра и килограмма и распределить
их однотипные копии между заинтересованными государствами.
Это предложение было принято, и в результате последующей
работы ученых разных стран была подписана 1 марта 1’875 г.
Метрическая конвенция. Она способствовала унификации мер и
расширению метрологической деятельности в национальном и меж-
дународном масштабе.' В соответствии с конвенцией Россия по-
лучила платино-иридиевые эталоны единицы массы № 12 и 26
и эталоны единицы длины № 11 и 28.
В 1892 г. управляющим Депо был назначен Д. И. Менделеев,
который так много сделал для отечественной метрологии, что пе-
риод с 1892 г. по 1917 г. называют менделеевским этапом раз-
вития метрологии. В 1893 г. он преобразует Депо образцовых
мер и весов в Главную палату мер и весов — одно из первых
в мире научно-исследовательских учреждений метрологического
профиля. Лишь через семь лет в Англии было организовано мет-
рологическое отделение Национальной физической лаборатории, а
год спустя в США — Национальное бюро эталонов. Под руко-
водством Д. И. Менделеева была начата работа по созданию
русской системы эталонов и сличению их с английскими мет-
рическими мерами, а также государственной метрологической
службы, реализована широкая программа научных исследований
в области метрологии. Собственные работы Д. И. Менделеева
по метрологии не утратили своего значения и в наше время.
Ему принадлежит высказывание—«Наука начинается с тех пор,
как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры».
Основанные Д. И. Менделеевым научные направления на дол-
гие годы определили пути развития отечественной метрологии,
обеспечили ей передовые позиции и 'высокий авторитет на меж-
дународной арене. Но даже Д. И. Менделееву не удалось в усло-
виях даризма внедрить в России метрическую систему. С 1899 г.
она применялась в стране факультативйо, наряду со старой рус-
ской и британской (дюймовой) системами.
Коренные изменения в метрологической деятельности стали
возможны только при Советской власти. Декрет «О введении меж-
16
дународной метрической системы мер и весов» был принят Со-
ветом Народных Комиссаров (СНК) уже 14 сентября 1918 г.
С' введением метрической системы начался третий этап•в разви-
г тии отечественной метрологии, который продолжался до Великой
Отечественной войны. Главным его содержанием является пере-
ход к государственной метрологической деятельности. Государст-
венный характер советской метрологии принципиально отличает
г ее от метрологии зарубежной.
С первых лет Советской власти правительство уделяло боль-
шое внимание упорядочению состояния измерений в стране.
В. И. Ленин придавал большое значение развитию метрологии
и организации поверочного дела. Ряд постановлений Совета На-
* родных Комиссаров и Совета труда и обороны (СТО) обеспе-
чил систематическое и планомерное развитие научной и организа-
f ционно-технической деятельности в области метрологии. В 1925 г.
СНК СССР принимает постановление «О признании заключенной
в Париже 20 мая 1875 г. Международной метрической конвенции
для обеспечения международного единства и усовершенствования
метрической системы, имеющей силу в СССР». Тем самым возоб-.
новлялись международные связи нашей страны в области метро-
логии. В этом же году создается Комитет по стандартизации при
'СТО, председателем которого назначается В. В. Куйбышев.
К 1927 г. завершилась метрическая реформа в СССР.
Четвертый, послевоенный период, характеризуется небывалым
? размахом всей метрологической деятельности в стране. Отличи-
' тельной его особенностью является повсеместное внедрение стан-
дартизации как главной организационно-правовой формы обеспе-
11 чения единства измерений. Разработана и внедрена Государствен-
ная система стандартизации (ГСС). Организационные принципы
построения и основные задачи метрологической службы страны
в рамках ГСС регламентируются установленной Госстандартом в
1973 г. структурой метрологической службы и основополагающим
” ГОСТ 1.25—76 «ГСС. Метрологическое обеспечение. Основные по-
ложения». Государственная метрологическая служба состоит из
почти полутора десятков институтов и более 400 территориальных
органов, возглавляемых Государственным Комитетом по стандар-
там с 15 республиканскими управлениями.
Главным центром Государственной метрологической службы является Все-
союзный научно-исследовательский институт метрологической службы
1 (ВНИИМС), осуществляющий разработку научно-методических, технико-эко-
номических, организационных и правовых основ метрологического обеспечения
и научно-методическое руководство метрологической службой, развитием эталон-
ной базы и образцовых средств измерений, проведением государственных испы-
таний, стандартизацией в области обеспечения единства измерений, работами
‘-1 по международному сотрудничеству в области метрологии. Главными центрами
государственных эталонов являются Научно-производственное объединение «Все-
союзный научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева»
t (ВНИИМ); (Всесоюзный научно-исследовательский дсдт^т физико-технических
17
Q
и радиотехнических измерений |(|ВНИИФТРИ), НПО «Метрология» 1(г. Харь-
ков); Сибирский государственный научно-исследовательский институт метрологии
(СНИИМ) и др. Производственной базой Государственной метрологической
службы является Всесоюзное объединение «Эталон», опытные н эксперименталь-
ные производства метрологических институтов.
Министерство связи СССР по сравнению с другими министерствами и ве-
домствами располагает значительным парком измерительных приборов, в том
числе узковедомственного назначения. Метрологическая служба Министерства
Министерство
Главное научно-техническое управление
• I_______________________
Центральная головная организация
метрологической службы
Подразделение, возглавляемое
главным метрологом
i I
! I ------------------
I
_______________I______-
Головные организации
Служба главного метролога
“1
Главные управления
(управления) министерства
1
Главный метролог
главного управления
(управления)
метрологической службы
Подразделение,
возглавляемое главным
метрологом
-------- 1------------
--------1—--------
Министерства связи союзных республик
— Техническое управление (отдел) —
Главный метролог
Объединения и управления связи
(СУР, УР, ПТУС)
А---------;--------
Главный метролог
----------1--------
Базовые организации
метрологической службы
Метрологическая лаборатория
по поверке и ремонту
средств измерений
I ।___________J_______
Предприятия, учреждения,
входящие в состав управлений
Метрологическая служба
административное
подчинение
-------функциональные
связи
Рис. 1..
связи СССР (рис. 1.2) выполняет комплекс работ по обеспечению единства и
требуемой точности измерений, что содействует улучшению качества приема и
передачи информации. 'Координацию и организационно-методическое руководст-
во по метрологическому обеспечению в системе Министерства связи СССР, а
также научно-методическое руководство по метрологическому обеспечению в
проводной связи осуществляет головная организация ЦНИИС, а научно-мето-
дическое руководство по, метрологическому обеспечению радиосвязи, радиове-
щания и телевидения — головная организация НИИР. Главные отраслевые уп-
равления Министерства связи СССР, министерства связи союзных республик,
производственно-технические управления связи (ПТУС), территориальные цент-
ры управления магистральными связями и телевидением (ТЦУМС); союзные уз-
лы радиовещания (СУР) и другие предприятия также входят в структуру мет-
рологической службы Министерства связи СССР.
1.7. МЕЖДУНАРОДНЫЕ
МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ОРГАНИЗАЦИИ
Рост культурных и экономических связей между странами по-
требовал решения задачи единообразия мер в международном
масштабе. Начало международного сотрудничества по вопросам
метрологии было положено в 1870 г., когда в Париже по предло-
жению Петербургской Академии наук состоялось совещание, ко-
торое должно было «принять меры для привлечения внимания
правительств разных стран к необходимости установления про-
тотипов мер». В 1875 г. 17 государств, в том числе Россия, на
Международной Дипломйтической конференции по метру подпи-
сали Метрическую конвенцию, в соответствии с которой устанав-
ливалось международное сотрудничество стран. Было создано
Международное бюро мер и весов. Это научное учреждение долж-
но было содержаться на средства всех стран, подписавших Метри-
ческую конвенцию. Был учрежден Международный комитет мер
и весов в составе ученых разных стран, осуществляющих руко-
водство деятельностью Международного бюро мер и весов. Меж-
дународное бюро мер и весов, находящееся в Севре (близ Пари-
жа), хранит международные прототипы мер (метра, килограмма)
и международные эталоны различных единиц, организует регуляр-
ные международные сличения национальных эталонов, в том чис-
ле эталонов электродвижущей силы и электрического сопротив-
ления. ;
В 1956 г. была подписана межправительственная концепция
об учреждении Международной организации законодательной
метрологии (МОЗМ). При организации существует Международ--
ное бюро законодательной метрологии, находящееся в Париже.
Его деятельностью руководит Международный комитет законода-
тельной метрологии. МОЗМ решает целый ряд задач, имеющих
международное значение, таких как установление характеристик
и качеств, которые должны быть присущи измерительным прибо-
рам, рекомендованным для применения в международном мас-
штабе, создание центра документации и информации о нацио-
19
нальных службах контроля за измерительными приборами, пере-
вод и издание текстов законодательных правил об измерительных
приборах и их использовании, изучение задач в области законода-
тельной метрологии, представляющих международный интерес.
В 1965 г. комиссия СЭВ по стандартизации на своем 10-м
заседании признала целесообразным включить вопросы метроло-
гии в сферу своей деятельности. Объем и характер работ в об-
ласти метрологии в рамках СЭВ существенно изменились в связи
с принятием в 1971 г. Комплексной прог-раммы дальнейшего уг-
лубления и совершенствования сотрудничества и развития социа-
листической экономической интеграции стран — членов СЭВ, в ко-
торой была поставлена задача широкого осуществления совмест-
ных работ членов СЭВ в области метрологии по созданию единой
системы эталонов СЭВ, проведению взаимных сличений нацио-
нальных эталонов, научно-исследовательских работ с целью дове-
дения точности эталонов СЭВ до современного мирового уровня,
разработке уникальных высокоточных измерительных установок и
совместному использованию их странами — членами СЭВ. Про-
граммой предусмотрено проведение унификации нормативно-тех-
нической документации по поверке и клеймению приборов в от-
дельных странах, по разработке единых норм точности и др.
Для решения поставленных Комплексной программой задач в
области метрологии комиссия СЭВ по стандартизации в 1971 г.
приняла решение о создании в ее рамках секции по метрологии.
Комиссия приняла свыше 100 рекомендаций СЭВ по стандарти-
зации в области метрологии для различных областей измерений,
в том числе рекомендации СЭВ по стандартизации на повероч-
ные схемы, методы поверки рабочих и образцовых средств изме-
рений, термины и определения. В период 1976—1980 гг. было соз-
дано 9 эталонов СЭВ, разработан перечень, состоящий из 35 эта-
лонов, которые предстоит создать в период 1986—1990 гг.
В 1979 г. на 92-м заседании исполнительного комитета СЭВ бы-
ло принято решение -о создании в институте СЭВ по стандартиза-
ции отдела метрологии,’ который в настоящее время принимает
• активное участие в решении сложных и актуальных проблем в об-
ласти метрологического обеспечения мероприятий по сотрудниче-
ству стран — членов СЭВ.
Глава 2. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ И ИХ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
! - Средство измерений (СИ) — техническое средство, используемое
при измерениях и имеющее нормированные метрологические ха-
рактеристики (MX). Метрологическими называют характеристики,
оказывающие влияние на результат и погрешность измерения. Оии
входят в состав технических характеристик, определяющих другие
( свойства СИ (например, диапазон частот, габаритные размеры, вид
электропитания и др.). Под нормированием MX понимается коли-
чественное задание определенных номинальных значений и допу-
стимых отклонений от этих значений. Нормирование MX позво-
ляет оценить погрешность измерения, достичь взаимозаменяемости
средств-измерений, обеспечить возможность сравнения средств из-
мерений между собой и оценку погрешностей измерительных сис-
тем и установок на основе MX входящих в их состав средств изме-
рений. Именно нормирование MX отличает СИ от других подобных
технических средств (например, измерительный трансформатор от
силового трансформатора, измерительный усилитель от обычного
усилителя).
, Как уже указывалось в § 1.1, в соответствии с ГОСТ-все СИ де-
лятся на шесть видов: меры, измерительные преобразователи, из-
мерительные приборы, вспомогательные СИ, измерительные уста-
। ’ новки'и измерительные системы. Наиболее многочисленной груп-
~ пой СИ являются измерительные приборы и преобразователи, ко-
торые обобщенно называют измерительными устройствами (ИУ).
В силу большого разнообразия их классифицируют по различным
признакам: по используемым физическим процессам, по физичес-
► кой природе измеряемой величины, по виду измеряемой величины
или сигнала измерительной информации, по используемым мето-
дам измерений, по особенностям структурных схем и др.
По используемым физическим процессам ИУ
разделяют на механические, электромеханические, электронные,
4 оптоэлектронные и т. д.
По физической природе измеряемой величины разли-
, чают, например, вольтметры, амперметры, омметры и т. д. Клас-
сификация по этому признаку электронных радиоизмерительных
приборов, их наименование и обозначение даны в ГОСТ 15094—69.
По виду измеряемой величины или сигнала изме-
рительной информации, а также по способу обработки
>• сигнала приборы делятся на аналоговые и цифровые. В ана-
логовых приборах показания являются непрерывной функцией
размера измеряемой величины, т. е. могут так же, как и из-
меряемая величина, принимать бесконечное множество значений.
2»
При этом во времени показания могут быть как непрерывной,
так и дискретной (прерывистой) функцией измеряемой величи-
ны, т. е. различают приборы непрерывного и дискретного дейст-
вия. В цифровом приборе непрерывная по размеру и во вре-
мени величина преобразуется в дискретную, квантуется, коди-
руется и цифровой код отображается на цифровом отсчетном
устройстве. В результате показания цифрового прибора явля-
ются дискретными во времени и квантованными по размеру,
т. е. могут принимать лишь конечное число значений.
Внешним признаком аналоговых или цифровых приборов яв-
ляется наличие аналогового или цифрового показывающего или
регистрирующего устройства. Соответственно приборы принято
также разделять на показывающие, допускающие только отсчи-
тывание показаний, и регистрирующие, в которых предусмотрена
автоматическая регистрация показаний. Среди последних, в свою
очередь, различают самопишущие и печатающие. В самопишущих
приборах, являющихся аналоговыми, показания измеряемых зна-
чений величины записываются в виде графика — осциллограм-
мы, показывающей изменение значения величины во времени,
в печатающих, являющихся цифровыми приборами, результаты
из-мерений печатаются в цифровой форме.
Аналоговые показывающие устройства электронных приборов
обычно представляют из себя электромеханический преобразо-
ватель и аналоговое отсчетное устройство. Последнее состоит из
шкалы, проградуированной с помощью меры и играющей роль
меры при измерении, и указателя, совершающего линейное или
угловое перемещение. В качестве указателя используется либо
стрелка, либо луч света.
Роль показывающего устройства может выполнять и элект-
ронно-лучевая трубка (ЭЛТ), обладающая чрезвычайно малой
инерционностью, что позволяет наблюдать высокочастотные про-
цессы (до сотен мегагерц, импульсы длительностью до наносе-
кунд). В качестве аналоговых регистрирующих устройств в диа-
пазоне частот до 10 Гц используются самописцы, содержащие
электромеханический преобразователь, обеспечивающий переме-
щение записывающего узла со специальным пером. Запись осу-
ществляется специальными чернилами (пастами) на бумаге, дви-
жущейся перпендикулярно наиравлёнию перемещения пера. В не-
которых случаях используют термо-, электро- и химочувствитель-
ные бумаги. В диапазоне до 20 кГц применяют светолучевые
осциллографы, в которых запись осуществляется с помощью спе-
циальных гальванометров лучом света на фотобумаге или фо-
топленке, а также ультрафиолетовым лучом на специальной бу-
маге, самопроявляющейся на свету. Хорошая точность, чувст-
вительность, многоканальность (до 10 каналов и более), малые
габаритные размеры явились причиной широкого применения этих
приборов. Для регистрации более высокочастотных процессов ис-
пользуют электронно-лучевые осциллографы с фотографирова-
нием процесса с экрана ЭЛТ. Для регистрации однократных про-
22
цессов применяют также специальные запоминающие ЭЛТ, поз-
воляющие хранить изображение десятки часов.
Цифровое отсчетное устройство обычно состоит из цифровых
знаковых индикаторов, обеспечивающих воспроизведение десятич-
ных цифр, и алфавитных индикаторов, позволяющих указать еди-
ницу измеряемой величины. В цифровых регистрирующих при-
борах, как правило, осуществляется печатание показаний с по-
мощью алфавитно-цифровых печатающих устройств со скоростью
до 103 знаков в секунду. Для долговременного хранения ин-
. формации используются также различные виды запоминающих
устройств.
Сравнивая точность аналоговых и цифровых приборов, сле-
дует отметить, что цифровое отсчетное или регистрирующее уст-
ройство никак не ограничивает точность цифрового прибора,
так как цифровой код без какой-либо погрешности может быть
отображен на цифровом отсчетном устройстве. Точность анало-
говых приборов ограничивается погрешностями измерительных
преобразователей, создающих перемещение указателя, погрешно-
стями шкалы и личными (субъективными) погрешностями, вно-
симыми оператором (из-за конечной толщины указателя, длины
деления шкалы и разрешающей способности глаза, из-за пара-
докса,* из-за погрешности интерполирования при положении ука-
зателя между отметками делений шкалы). В результате погреш-
ность аналоговых приборов составляет обычно не менее 0,5%.
В то же время погрешность цифровых приборов удается умень-
шить до 10-6%, а при измерении частотно-временных парамет-
ров и менее.
Однако не всегда цифровое отсчетное или регистрирующее
устройство лучше аналогового. При большом числе одновремен-
но измеряемых величин (контроль сложного объекта) Показания
аналоговых приборов воспринимаются легче, так как независимо
от цифр на шкале пространственное положение указателя и ха-
рактер его перемещения или осциллограмма регистрируемого
процесса позволяют более оперативно проводить анализ контро-
лируемого процесса. Подтверждением большей информативности
аналогового отсчетного устройства является разработка для не-
которых цветовых приборов шкалы в виде расположенных в ли-
нию светодиодов, управляемых цифровой схемой. Эта шкала вос-
- принимается оператором как аналоговая, хотя прибор является
целиком цифровым.
Наряду с точностью важной характеристикой является быст-
родействие ИУ, характеризуемое числом измерений (преобразо-
. ваний) в единицу времени либо временем одного измерения.. При
измерении изменяющихся во времени величин повышение быстро-
действия играет важную роль. В общем случае повышение быст-
родействия ИУ ограничивается быстродействием используемой
элементной базы.
Для показывающих приборов обычно не требуется высоко-
го быстродействия в силу ограниченных возможностей операто-
23
ра при приеме информации. Для регистрирующих приборов, а
также измерительных преобразователей требование быстродейст-
вия является существенным, особенно когда обработка инфор-
мации осуществляется с помощью ЭВМ. В этом случае циф-
ровые ИУ обеспечивают большее быстродействие, так как циф-
ровой код может непосредственно, без участия оператора, вво-
диться в цифровые ЭВМ. .Исключение составляют электронные
осциллографы, позволяющие наблюдать и проводить анализ фор-
мы столь быстро протекающих процессов, преобразование кото-
рых в цифровой код сопряжено с большой погрешностью, либо
вообще невозможно из-за ограниченного быстродействия цифро-
вых логических элементов (ключей, коммутаторов и т. д.). Име-
ются методы увеличения быстродействия цифровых СИ (парал-
лельная обработка), однако они приводят к усложнению прибо-
ра. Как видно из рис. 2.1, где показаны зависимости точно-
сти от быстродействия для аналоговых (----------) и цифровых
(--------) ИУ, последние точнее аналоговых до определенного
предела. При достаточно высоком быстродействии возможности
получения высокой точности уравниваются (точка а). Одиако
при увеличении быстродействия (кривые правее точки а) цифро-
вые приборы имеют меньшую точность или вообще ие могут быть
реализованы, в то время как аналоговые приборы осциллогра-
фического типа обеспечивают измерения.
Таким образом цифровые СИ обеспечивают, как правило,
большую точность и быстродействие, а также удобство отсче-
та и возможность полной автоматизации процесса измерения
и обработки измерительной информации с помощью ЭВМ. К не-
достаткам цифровых приборов следует отнести их сравнитель-
но высокую стоимость. Однако совершенствование интегральной
технологии, введение интегральных схем большой степени инте-
грации постепенно снижают стоимость цифровых приборов, а
внедрение микропроцессоров и микро-ЭВМ открывает широкие
перспективы дальнейшего, их совершенствования.
По структурному принципу различают ИУ прямого
действия (преобразования), в которых реализуется метод не-
посредственной оценки, и ИУ сравнения, работа которых осно-
вана на методе сравнения. В ИУ прямого действия (рис. 2.2)
преобразование сигнала происходит в одном направлении по-
следовательно. В данной структурной схеме П] и П2 — преоб-
Рис. 2.1
24
Рис. 2.2
*
Рис. 2.3
разователи с коэффициентами передачи К\ и Кг- Если выход-
ной сигнал у получается в форме, доступной для непосредст-
венного восприятия, рассмотренная структурная схема характе-
ризует прибор, если сигнал у предиазиачеи Для дальнейшей
обработки или хранения, — преобразователь. Структурная схема
преобразователя, построенного на методе сравнения, представ-
лена на рис. 2.3. Операция сравнения осуществляется с помощью
сравнивающего устройства (СУ), в котором обычно одна ве-
личина вычитается из другой. Используя выходной сигнал СУ,
с помощью преобразователя П можно управлять мерой и реа-
лизовать нулевой метод сравнения. Поскольку в ИУ, основан-
ных на методе сравнения, измеряемая величина уравновешива-
ется (компенсируется) величиной, воспроизводимой мерой, их
также называют ИУ с уравновешивающим (компенсационным)
преобразованием. •
Сравнивая свойства ИУ сравнения и непосредственной оцен-
ки, можно отметить, что первые в общем случае за счет исполь-
зования меры имеют более высокую точность., Следует также
отметить различие требований к отдельным преобразователям
ИУ с точки зрения обеспечения точности ИУ. Так, в ИУ не-
посредственной оценки общий коэффициент передачи К=К\Кг
(рис. 2.2) и его точность определяется соответствующей точно-
стью всех преобразований. В ИУ сравнения имеет место отри-
цательная обратная связь и его коэффициент передачи К=
=Л/(11+£Р), где k и р — коэффициенты передачи прямой и об-
ратной цепей. При ^Р^>1 получаем km 1/р и, следовательно, точ-
ность ИУ определяется главным образом точностью* преобразо-
вателей в цепи обратной связи (т. е. меры), в то время как
коэффициент передачи k может быть нестабильным, лишь бы
было большим петлевое усиление k$. При этом нестабильность
6 коэффициента передачи всего ИУ будет в &р раз меньше не-
стабильности коэффициента передачи прямой ветви бь:
К (1 + 6ft) „
1 + /С (l+6ft) Р = ~
К 1 + К Р(1 + 6h) ~ КР ’
Приборы сравнения могут быть выполнены с развертывающим
или следящим уравновешиванием. При развертывающем уравно-
вешивании величина хм на выходе меры изменяется по одному
и тому же закону, от одного и того же начального зна'чеиия
до наступления уравновешивания ..
(рис. 2.4,а, где хм — сигнал дис- &
кретно регулируемой меры). При
следящем уравновешивании после
первого цикла уравновешивания
в дальнейшее осуществляется ав-
томатическое слежение за изме-
нением входной величины (рис.
2.4,6). Следящее уравновешива-
Рис. 2.4
'25
Рис. 2.5 Рис. 2.6
ние позволяет точнее отследить изменение измеряемой величины,
однако в устройстве со следящим уравновешиванием возможно са-
мовозбуждение.
По структурным признакам ИУ также можно клас-
сифицировать по числу каналов и по временной последователь-
ности преобразований входных сигналов. В зависимости от чиС'
ла входных сигналов, несущих информацию об измеряемой ве-
личине, ИУ бывают с одним (например, вольтметр), двумя (фа-
зометр) и более входами, т. е. соответственно одно- (рис. 2.2),
двух- (рис. 2.5) и многоканальными (рис. 2.6). В зависимости
от временной последовательности преобразований входных сиг-
налов (если их более двух) различают ИУ с одновременным
(параллельным) преобразованием и последовательным. При по-
следовательном преобразовании сигналы обрабатываются пооче-
редно, причем за цикл измерения каждый сигнал через входное
переключающее устройство (коммутатор) подается на вход пре-
образователя один раз. Разновидностью последовательного пре-
образования является периодическое, когда за время одного цик-
ла измерения сигналы переключаются многократно. Последова-
тельное преобразование позволяет уменьшить аппаратурные за-
траты за счет перехода от многоканальной структуры к одно-
канальной с входным коммутатором. Помимо снижения аппара-
турных затрат одноканальная структура ИУ позволяет умень-
шить ряд погрешностей, обычно вызываемых неидентичностыо
характеристик разных каналов.
По точности ИУ можно разделить на образцовые, ис-
пользуемые для поверки других ИУ и утвержденные в качест-
ве образцовых, и рабочие, используемые непосредственно в прак-
тических измерениях, не связанных с передачей размера еди-
ниц. По частотному диапазону ИУ можно разделить
на низкочастотные, высокочастотные и СВЧ И У', по ширине по-
лосы частот — на широкополосные и избирательные (селектив-
ные). По месту использования ИУ можно разделить яа
лабораторные и производственные, которые резко отличаются
по условиям эксплуатации, по техническим и метрологическим
характеристикам.
Целесообразно дополнить классификацию измерительных пре-
образователей. Их многообразие определяется различием требу-
емых видов преобразований. Преобразователи физического рода
26 '
сигнала используются тогда, когда измеряемая величина не-
удобна для непосредственного измерения. Так, многие неэлект-
рические величины предварительно преобразуются в электриче-
ские, или. одни электрические величины в другие (например,
сопротивление в напряжение). Название таких преобразовате-
лей определяется либо принципом действия, либо родом вход-
ного и выходного сигналов, например термоэлектрический пре-
образователь, преобразователь «напряжение—частота». Функцио-
нальные преобразователи обеспечивают необходимую зависи-
мость между информативными 'параметрами входного и выход-
ного сигналов. Такие преобразователи носят название: диффе-
ренцирующий, интегрирующий, суммирующий, логарифмирующий
и т. п. Согласование по уровню (размеру) входного сигнала
осуществляется с помощью масштабных преобразователей. К ним
относятся делитель, усилитель, трансформатор тока (напряже-
ния). Согласование по сопротивлению обеспечивается с помощью
согласующих преобразователей, например согласующий транс-
форматор, эмиттерный повторитель. По месту включения в оо-
щей цепи преобразователи делятся на первичные, к которым
подводится измеряемая величина, промежуточные и передающие,
предназначенные для дистанционной передачи сигналов. По ви-
ду характеристики преобразования преобразователи делятся на
линейные и нелинейные.
2.2. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
И ИХ НОРМИРОВАНИЕ
Для каждого вида СИ, исходя из их специфики и назна-
чения, нормируется определенный комплекс метрологических ха-
рактеристик, указываемый в нормативно-технической документа-
ции на СИ. В этот комплекс должны включаться такие ха-
рактеристики, которые позволяют определить г погрешность дан-
ного СИ в известных рабочих условиях его применения. Об-
щий перечень основных нормируемых метрологических характе-
ристик СИ, формы их представления и способы нормирования'
установлены в ГОСТ 8.009—72. В него входят:
пределы измерений, пределы шкалы;
цена деления равномерной шкалы аналогового прибора или
многозначной меры, при неравномерной шкале — минимальная
цена деления;
выходной код, число разрядов кода, номинальная цена еди-
ницы наименьшего разряда цифровых СИ;
номинальное значение однозначной меры, номинальная ста-
тическая характеристика преобразования измерительного преоб-
разователя; .
погрешность СИ;
27
вариация показаний прибора или выходного сигнала преоб-
разователя;'
полное входное сопротивление измерительного устройства;
полное, выходное сопротивление измерительного преобразова-
теля или меры;
неинформативные параметры выходного сигнала измеритель-
ного преобразователя или меры;
динамические характеристики СИ;
функции влияния;
. наибольшие допустимые изменения метрологических характе-
ристик СИ в рабочих условиях применения.
Нормирование метрологических характеристик необходимо
для решения следующих задач: придания всей совокупности од-
нотипных СИ требуемых одинаковых свойств и уменьшения их
номенклатуры, обеспечения возможности оценки инструменталь-
ных погрешностей и сравнения СИ по точности, обеспечения воз-
можности оценки погрешности измерительных систем по погреш-
ностям отдельных СИ. Погрешности, присущие конкретным эк-
земплярам СИ, устанавливаются только для образцовых СИ при
их аттестации.
Рассмотрим указанные характеристики, а также ряд важных
понятий, связанных с ними.
Отсчетные устройства приборов. Отсчетное устройство анало-
гового прибора представлено на рис. 2.7: Делением шкалы на-
зывается промежуток Л/ между двумя соседними отметками
шкалы. Длина деления шкалы — расстояние между осями двух
соседних отметок. Цена деления шкалы — разность значении ве-
личины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Шка-
лы бывают равномерными и неравномерными. Равномерная шка-
ла в отличие от неравномерной — шкала с делениями, постоян-
ной длины и с постоянной ценой деления. Отсчетом называют
число, определенное по отсчетному устройству. Показание прибо-
ра — значение величины, определяемое по отсчетному устройст-
ву и выраженное в принятых единицах этой величины. В мно-
гопредельных приборах, где одна и та же шкала использует-
ся на разных пределах измерения, показание прибора равно
отсчету, умноженному на цену деления для соответствующего
предела измерения. В некоторых случаях показание определя-
ется с помощью отсчета по прилагаемой к прибору градуиро-
ЯзШШРй предел
_ измерений
Шпала
Верхний предел
измерений
Уназателр
Рис. 2./
28
вочной характеристике — зависимости между отсчетом и значе-
нием величины на входе прибора, представленной в виде таб-
лицы, графика или формулы. Диапазон показаний (ДП) — об-
ласть значений шкалы, ограниченная конечным (наибольшим) и
начальным (наименьшим) значениями физической величины, ука-
занными на шкале. Диапазон измерений (ДИ) — область зна-
- чеиий измеряемой величины, для'которой нормирована погреш-
ность средства измерений. Предел измерений — наибольшее или
наименьшее значение диапазона измерений. Диапазон показа-
ний и диапазон измерений могут не совпадать, как показано иа
рис. 2.7.
Отсчетйое устройство цифрового прибора характеризуется
числом десятичных разрядов и ценой единицы младшего разря-
да, которая, очевидно, не может быть меньше шага квантова-
ния. Цифровое отсчетное устройство эквивалентно равномерной
шкале, так как одинаковому приращению цифрового кода соот-
ветствует одинаковое приращение показаний. Поэтому наличие
нелинейности преобразования измеряемой величины в код при-
водит к погрешности цифрового прибора. Соответственно к пре-
образователям цифровых приборов предъявляется требование вы-
сокой линейности. В то же время в аналоговом приборе нели-
нейная зависимость перемещения указателя от изменения изме-
ряемой величины может быть учтена введением соответствую-
щей нелинейности (неравномерности) шкалы.
Параметры входного и выходного сигналов средств измерений,
влияющие величины, функции- влияния. Входной и выходной сиг-
налы СИ характеризуются информативными и неинформативны-
ми параметрами. Информативный параметр входного сигнала яв-
ляется самой измеряемой величиной или величиной функцио-
нально связанной с измеряемой. Неинформативный параметр не
связан функционально с измеряемой величиной, но влияет на
метрологические характеристики СИ (в частности, на погреш-
ность). Например, при измерении амплитуды .напряжения ин-
формативным параметром является амплитуда сигнала, а неин-
формативным— его частота. Выходной сигнал преобразователя
также может быть охарактеризован информативными и неин-
формативными параметрами.
На метрологические характеристики СИ сильно влияют внеш-
ние физические воздействия (климатические, механически^, элект-
ромагнитные) и изменения параметров источников питания —
влияющие величины. По условиям применения СИ различают нор-
мальные и ра&очие условия. Они отличаются диапазоном измене-
ния неинформативных параметров входного сигнала и влияющих
величин. Нормальными называют условия, для которых нормиру-
ется основная погрешность СИ. При этом влияющие величины и
неинформативные параметры входного сигнала имеют нормальные
значения. Например, для генератора определенного типа установ-
лены нормальные температурные условия +10...+35°С. В этом
температурном диапазоне гарантируется основная погрешность
29
прибора, указанная в его паспорте. Однако прибор может рабо-
тать и в более широком диапазоне температур, Например от 0 до
+ 40° С. Этот диапазон, называемый рабочим, шире нормального.
Для нормальных условий нормируется основная погрешность СИ,
для рабочих — дополнительная. Условия эксплуатации СИ огова-
ривают в соответствующих стандартах и делят на группы, разли-
чающиеся значениями влияющих величин.
Зависимость изменения метрологической характеристики СИ
от изменения влияющей величины или неинформативного парамет-
ра входного сигнала в пределах . рабочих условий эксплуатации
называется функцией влияния. Функция влияния может нормиро-
ваться в виде формулы, графика или таблицы. Например, для вы-
сокочастотного 1вольтметра дополнительная погрешность' от часто-
ты обычно задается в виде графика.
Наряду с условиями применения для всех СИ задаются пре-
дельные условия транспортирования и хранения, не изменяющие
метрологические свойства СИ после его возвращения в рабочие
условия.
Характеристики преобразования, быстродействие СИ. Связь,
выражающая зависимость информативного параметра выходного
сигнала от постоянного информативного параметра входного сиг-
нала, называется статической характеристикой преобразования
СИ. Ее можно представить в аналитическом виде, графическом
или табличном. В аналитическом виде характеристика преобразо-
вания — уравнение y = F(x), которое может быть линейным (рис.
2.8;а) или нелинейным (рис. 2.8,6, в). Заметим, что для прибора,
шкала которого проградуирована в значениях измеряемой вели-
чины, всегда у=х (показание равно измеряемой величине) и гра-
фически характеристика преобразования представляет собой пря-
мую под углом 45° относительно оси х. В то же время угол откло-
нения указателя аналогового отсчетного устройства этого прибора
при наличии нелинейных преобразователей (например, в квадра-
тичном вольтметре) будет нелинейной функцией х. В цифровых
приборах из-за квантования сигнала характеристика преобразо-
вания является ступенчатой функцией (рис. 2.8,г), определяемой
выражением i/ = nAx, где у — показание прибора, Ах — шаг
квантования, п — цифровой код измеряемой величины х. 'При не-
линейных преобразователях необходимо линеаризовать характе-
ристики преобразования прибора. В аналоговых приборах для
этого используют шкалу с соответствующей неравномерностью. В
цифровых приборах отсчетное устройство эквивалентно равномер-
ной шкале для линеаризации характеристики преобразования не-
обходимо в прибор вводить аналоговые линеаризующие преобразо-
ватели либо вычислительные средства, выполняющие необходи-
мое преобразование цифрового кода.
Динамические характеристики СИ определяют инерционные
свойства СИ и представляют собой зависимость информативного
параметра выходного сигнала от меняющихся" во времени пара-
метров входного сигнала. К числу динамических относятся харак-
теристики: импульсная являющаяся реакцией преобразовате-
ля на дельта-функцию &(/); переходная h(t) — реакция на еди-
ничный ступенчатый сигнал; дифференциальное уравнение СИ; пе-
редаточная функция, являющаяся отношением операторных изоб-
ражений выходной величины к входной К(р) =у(р)/х(р); ампли-
тудно- и фазочастотная. Динамические свойства СИ характеризу-
ются также быстродействием — скоростью и временем измерения
(временем установления показаний).' Скорость измерения (преоб-
разования) определяется максимальным числом измерений (пре-
образований) в единицу времени, выполняемых с нормированной
погрешностью. Время измерения (преобразования) — время, про-
шедшее с момента начала измерения (преобразования) до полу-
чения результата с нормированной погрешностью.
Чувствительность, порог чувствительности, разрешающая спо-
собность СИ. Чувствительностью СИ называют отношение измене-
ния выходной величины (информативного параметра) к вызываю-
щему его изменению входной величины (информативного парамет-
ра входного сигнала). Различают абсолютную и относительную
чувствительность. Абсолютная чувствительность равна произвол-
ной от характеристики преобразования СИ: S=dyldx—Ay!Ax. При-
ближенное равенство для определения чувствительности через ко-
нечные приращения Ах и Аг/ используется при экспериментальном
определении чувствительности. Для линейных СИ \y=kx) чувст-
вительность постоянна S=k и может быть определена как 5 =
=х/у (рис. 2.8,а), для нелинейных чувствительность зависит от
входного сигнала (рис. 2.8,6,в). Для показывающих приборов
признаком линейности или нелинейности характеристики преобра-
зования является равномерность или неравномерность шкалы. В
ряде случаев (например, в мостах) для характеристики чувстви-
тельности используется относительная чувствительность
= Ау/(Ах/х), где Ax/Jt — относительное изменение входной вели-
чины.
Наименьшее значение входной величины, которое можно обна-
ружить с помощью данного СИ, называется его порогом чувстви-
31
тельности. Разрешающей способностью СИ называют наименьшее
различимое с помощью данного СИ изменение измеряемой вели-
чины, или наименьшее различимое отличие друг от друга двух од-
ноименных величин. Порог чувствительности и разрешающая спо-
собность имеют размерность измеряемой величины и обычно оп-
ределяются уровнем- его внутренних шумов и нестабильностью
элементов.. У цифровых приборов порог чувствительности и раз-
решающая способность, как правило, равны цене единицы млад-
шего разряда.
Погрешность средств измерений. Погрешность прибора харак-
теризует отличие его показаний от истинного или действительно1
го значения измеряемой величины. Погрешность преобразователя
определяется отличием номинальной (т. е. приписываемой преоб-
разователю) характеристики преобразования или коэффициента
преобразования от их истинного значения. Погрешность меры ха-
рактеризует отличие номинального значения меры от истинного
значения воспроизводимой ею величины. Точность СИ — качество,
отражающее близость к нулю его погрешности. Например, при
погрешности прибора б = 10_4 (0,01%) точность —104. Возникно-
вение погрешности СИ объясняется рядом причин, в том числе
приближенностью расчетов характеристик, отличием параметров
элементов и узлов прибора от требуемых расчетных значений, ста-
рением элементов и узлов, паразитными параметрами элементов,
внутренними шумами, изменениями влияющих величин и неинфор-
мативных параметров входного сигнала и др. Погрешности . СИ
оцениваются при его поверке. Поверка СИ — определение мет-
рологической организацией погрешностей СИ и установление его
пригодности к применению. Поскольку погрешность во времени
может изменяться, проверку проводят с определенной периодич-
ностью.
Классификация погрешностей СИ осуществляется по незави-
симым признакам, которые, характеризуют различные свойства
погрешностей СИ. По способу выражения различают
абсолютную, относительную и приведенную погрешности. Абсо-
лютная погрешность прибора — разность между показаниями
прибора Хп и истинным (действительным) значением измеряемой
величины X'. А=хп—х. Относительная погрешность прибора — от-
ношение абсолютной погрешности прибора к истинному (дейст-
вительному) значению измеряемой величины: б=А/х,. или в про-
центах — б=А100/х, где еоли х>А, то вместо х с достаточной'
степенью точности можно использовать значение хП. Приведенная
погрешность прибора — отношение в процентах абсолютной пог-
решности прибора к нормирующему значению: у = А100/хно^-
Нормирующее значение хнорм в соответствии с ГОСТ 8.401—80
принимается равным; большему из пределов измерений или боль-
шему из модулей пределов измерений для СИ с равномерной или
степенной шкалой, если нулевая отметка находится на краю или
вне диапазона измерений; арифметической сумме модулей пре-
делов измерений, если нулевая отметка находится внутри диапд-
32 . •
зона измерений; установленному номинально- , Z
му значению для СИ с установленным номи- , / ZrH t
нальным значением измеряемой величины;
всей длине шкалы для приборов с существенно
неравномерной шкалой, при этом абсолютную | I
погрешность также выражают в единицах дли- '
ны; во всех остальных случаях нормирующее ,р*
значение устанавливается стандартами для со-
ответствующих видов СИ. Рис. 2.9
Для преобразователей определение абсолютных и относитель-
ных погрешностей несколько сложнее. Они определяются по вхо-
ду Двх и выходу Двых и характеризуют отличие реальной харак-
теристики преобразования yp = Fv(x) от номинальной yn = Fn(x].
Смысл определения погрешностей по входу и выходу поясняется
рис. 2.9. Для оценки погрешности по выходу находят значения уР
и уа при-заданной величине'х. Абсолютная погрешность по выхо-
ду Авых“Ур //н, а относительная бвых=Авых///н. Абсолютная пог-
решность преобразователя по входу Двх=хн—х, где хн =-F-1H («/р)>
определяется через значение ур и функцию, обратную FH, т. е.
хн — такое значение х, которое при номинальной характеристике
дало бы на выходе значение уР. Относительная погрешность бвх^
=|Двх/Х.
Уже показывалось, что в зависимости от условий
применения СИ погрешности делятся на основную (при нор-
мальных условиях) и дополнительную (при рабочих условиях). В
зависимости от поведения измеряемой величи-
ны во времени различают статическую и динамическую
погрешности, а также погрешность в динамическом режиме. Ста-
тическая погрешность СИ (Дст) — погрешность СИ, используемо-
го для измерения постоянной величины, например амплитуды пе-
риодического сигнала. Погрешность в динамическом режиМ;е
(Дднн.р) — погрешность СИ, используемого для измерения пере-
менной во времени величины. Динамическая погрешность СИ
(Длин) — разность между погрешностью СИ в динамическом ре-
жиме и его статической погрешностью, соответствующей значению
ВеЛИЧИНЫ В ДаННЫЙ МОМеНТ Времени: Ддин = Дднн.р—Дет- ’
По характеру зависимости от измеряемой ве-
личины погрешности можно разделить на аддитивные (не за-
висящие от х) и мультипликативные (зависящие от х). Целесооб-
разно выделить нелинейные погрешности, которые являются муль-
типликативными, но характеризуются нелинейной зависимостью
от х. На рис. 2.10,а—г показаны примеры зависимостей соответ-
ственно аДДИТИВНОЙ Дадд, МуЛЬТИПЛИКаТИВНОЙ ЛИНеЙНОЙ Дмульт,
мультипликативной нелинейной ДНел и суммарной Д погрешностей
от х. Суммирование выполнено при предположении, что все пог-
решности имеют систематический характер. Из рисунков видно,
что аддитивная погрешность постоянна во всем диапазоне изме-
рений, в том числе и при х=0. Поэтому ее часто называют пог-
решностью нуля. На рис. 2.10,д—з показано влияние этих погреш-
2—10 33
Рис. 2.10
^нел
ностей на характеристику преобразования СИ. На них.у — FH (х) —
номинальная характеристика преобразования, a y = Fp(x) — ре-
альная, полученная за счет учета соответствующих погрешностей.
Для рассмотренных случаев на рис. 2.10,и—м построены зависи-
мости относительных значений погрешностей от х. Как видно из
рисунков, 6адд убывает с ростом х, а бмульт постоянна. Смысл рас-
смотренных составляющих погрешностей можно проследить на
примере операционных усилителей, широко используемых в раз-
личных СИ. Аддитивную погрешность обусловливает смещение ну-
ля усилителя и его дрейф, а мультипликативную — погрешность
сопротивления нагрузки и его нестабильность (например, под
влиянием температуры) и нелинейную — нелинейность амплитуд-
ной характеристики, . „
34 ’ •- ••1
По характеру проявления погрешность СИ разде-
ляют на систематическую и случайную составляющие. Системати-
ческой (Ас) называют составляющую погрешности, величина и
знак которой постоянны или изменяются закономерно. Например,
при усилении постоянного напряжения тем же операционным уси-
лителем неполная компенсация смещения нуля приведет к появ-
лению систематической погрешности, которая для данного СИ бу-
дет постоянной. В принципе эту погрешность можно определить и
осуществить дополнительную компенсацию смещения. В процес-
се изготовления СИ именно и идут по такому пути, причем ком-
пенсацию выполняют до определенного предела, при котором зна.-
чения систематической погрешности таковы, что ими можно пре-
небречь по сравнению со всеми остальными погрешностями!. В
любом случае компенсацию можно выполнить лишь с конечной
точностью и какая-то остаточная, неисключенная систематическая
погрешность будет иметь место.
Систематическая погрешность отдельного СИ является детер-
минированной величиной, ее абсолютное значение может зада-
ваться числом (если преобладает аддитивная составляющая) или
функцией, графиком и таблицей, характеризующими зависимость
Ас от влияющих величин или неинформативных параметров сиг-
нала (при условии, что они детерминированы, так как в против-
ном случае и. погрешность будет случайной). Однако у различ-
ных СИ одного типа значения неисключенных систематических
погрешностей будут разными, отличаясь случайным образом. По-
этому неисключенная систематическая погрешность всех СИ дан-
ного типа будет случайной величиной, которую характеризуют
пределом допускаемого значения Ас.пред или математическим ожи-
данием Af(Ac) и средним квадратичным значением ст(Ас).
Характерной особенностью систематической погрешности явля-
ется принципиальная возможность ее определения и последую-
щего учета в виде поправки к результату измерения. Поправка
Ап — значение величины, одноименной с,измеряемой, прибавляе-
мое к полученному при измерении значения величины хп для иск-
лючения систематической погрешности, т. е. Ап = —Ас. - Иногда
вместо поправки используется поправочный множитель бп — чис-
ло, на которое умножают полученное при измерении значение,
чтобы исключить систематическую погрешность. Поправка И по-
правочный множитель определяются либо путем индивидуальной
градуировки СИ, либо путем учета функции влияния величин,
имеющих известные или контролируемые при измерениях значе-
ния.
Другим способом уменьшения систематических погрешностей
является калибровка СИ перед измерениями. При этом обычно на
вход прибора последовательно подают образцовую измеряемую
величину с нулевым значением (для этого вход закорачивают) и
значением, равным конечному значению диапазона измерения от
специальной меры, обычно встроенной в прибор. Такая калибров-
ка позволяет устранить как аддитивную, так и мультипликативную
2* 35
составляющие погрешности. В настоящее время автоматизация
такой калибровки на базе микро-ЭВМ часто позволяет осуществ-
лять ее перед каждым измерением за доли секунды. В результа-
те устраняется не только систематическая погрешность, но и та
составляющая случайной погрешности, которая во время калиб-
ровки и последующего измерения остается неизменной. В част-
ности, это позволяет снизить температурное влияние, случайные
изменения которого происходят сравнительно с малой скоростью.
Систематическую погрешность можно существенно уменьшить,
используя специальные методы измерения, например методы за-
мещения и компенсации погрешности по знаку. При методе заме-
щения сначала измеряют неизвестную величину, а затем одноимен-
ную воспроизводимую регулируемой мерой. Регулируя меру, до-
биваются получения тех же показаний прибора хП. Тогда хм —
величина, воспроизводимая мерой, равна измеряемой и система-
тическая погрешность устраняется. Для компенсации погрешности
тго знаку проводят два измерения одной и той же величины х та-
ким образом, чтобы систематическая погрешность была с разны-
ми знаками. Результат измерения определяется как полусумма
полученных показаний xni и хП2 и "не содержит систематической
погрешности: 0,5(Хп1+л?п2) = 0,5[(х+Ас) + (х—Ас)] =х.
Случайная погрешность СИ А — это погрешность, значение
которой изменяется случайным образом. Наличие случайной по-
грешности СИ обусловлено, как правило, действием большого чис-
ла случайных причин и обнаруживается при проведении- повтор-
ных измерений неизменной величины в виде случайных отклонений
отдельных наблюдений от некоторого среднего значения. Значение
случайной погрешности отдельного измерения в отличие от систе-
матической не может быть заранее определено и учтено в виде
поправки к результату измерения. Единственным путем снижения
влияния случайной погрешности СИ на результат измерения яв-
ляется проведение многократных наблюдений * и их статистичес-
кая обработка. Однако этот прием имеет смысл, если чувстви-
тельность СИ достаточно велика и позволяет фиксировать изме-
нение показаний СИ из-за случайной погрешности.
Наиболее полной характеристикой случайной погрешности, как
и любой случайной величины, является ее функция распределе-
ния. Следует отметить, что случайная погрешность сложных СИ
часто определяется большим числом отдельных независимых слу-
чайных составляющих, которые обусловлены ‘погрешностями от-
дельных узлов СИ и соизмеримы по значениям (к этому по воз-
можности стремятся при разработке СИ). Тогда на основании
нейтральной предельной теоремы теории вероятностей можно по-
лагать закон распределения случайной погрешности таких СИ нор-
мальным (или близким к нормальному). Однако э'то справедли-
*Наблюдение при, измерении — операция, в результате которой, получают' одно
значение из группы значений величины, подлежащих совместной обработке для
получения результата измерения.
36
во только для указанных условий, которые могут и не выполнять-
ся, и соответственно может иметь место какой-либо другой закон
распределения.
Функция распределения вероятностей случайной погрешности
СИ должна представляться в виде формулы, таблицы, графика,
либо стандартными аппроксимациями по ГОСТ 8.011—72 (см.
§ 4.3), либо доверительным интервалом с указанием доверитель-
ной вероятности. В виду сложности задания и использования
функций распределения, вместо них случайная составляющая пог-
решности СИ может характеризоваться пределом допускаемого
значения среднего квадратического отклонения. Доверительным
называется такой интервал значений погрешности ДН^Д^ДВ
<ДН — нижняя, Дв -=- верхняя границы интервала), за который не
выходит значение случайной погрешности СИ с заданной довери-
тельной вероятностью РДОв. Отсюда вытекает, что доверительная
вероятность — вероятность принятия случайной погрешностью
значения, входящего в доверительный интервал. Доверительная
вероятность характеризует надежность задания случайной погреш-
ности в виде доверительного интервала и выбирается исходя из
требований практики. При симметричной функции распределения
погрешности доверительный интервал также задают симметричным
±Ддов(Дн=—Ддов, Д8 = Ддов). Таким образом, доверительный ин-
тервал определяется функцией распределения погрешности, дове-
рительной вероятностью и находится из выражения:
О О
РДовГ(Лн’<7АЖ Ав) = J f (A) d Д = F (Дв) - F = 2 F (\дов)»
‘lCi г" ’! дн
где Г'(Д) — функция распределения случайной погрешности;
f (Д) — плотность распределения вероятности случайной погреш-
ности. При этом принято выражать доверительный интервал че-
рез среднее квадратическое значение ст случайной погрешности
(Ддов=^ст) — важнейшую характеристику случайной величины.
На рис. 2.11,а показан доверительный интервал для некоторой
симметричной функции .распределения / и заданной доверитель-
ной вероятности РЛ. Чем больше требуемая доверительная веро-
ятность, тем, очевидно, больше и доверительный интервал. Нап-
ример, для нормального закона- распределения центрированной
случайной погрешности
^-^Uexpr-A/Ay-1 .
аД/2я. F L 2 \ а / J
Как видно из рис. 2.11,6, где показана связь между Ддов и РДОв,
при нормальном законе распределения, случайная погрешность
СИ не. выйдет, например, за пределы ДдОв = Зст с доверительной
вероятностью Рдов~ 0,997, т. е. из" 1000 измерений в 997 погреш-
ность СИ Д^Зст и только в 3 измерениях может быть больше.
37
Рис. 2.11
Специфйческой является по-
грешность из-за вариации показа-
ний прибора (выходного сигнала
преобразователя). Вариация по-
казаний прибора — разность меж-
ду значениями информативного
1 fp/A параметра входного сигнала, со-
ответствующими данной точке ди-
$ апазона измерения уп (шкалы),
при двух направлениях его мец-
ленного изменения в, процессе
подхода к данной точке шкалы.
Причинами вариации могут являться трение, гистерезис в магнит-
ных материалах и др. Для определения, вариации необходимо,
несколько раз медленно изменяя значение измеряемой величины
сначала со стороны меньших значений хм,, а затем со стороны
больших значений |хб<|, подойти к данной точке шкалы хп. Ва-
риация равна Ь = |хм—хц |, где х — средние значения для подходов
с каждой стороны. При реальных измерениях установление пока-
заний происходит произвольным образом и соответствующая пог-
решность Ав из-за вариации имеет случайный характер. Обычно
ее закон распределения считают равномерным в интервале ±Ь/2.
Систематическая и случайная составляющие погрешности вы-
сокоточных СИ обычно нормируются отдельно. Наряду с таким'
строгим нормированием для большинства СИ, предназначенных
для технических измерений, производится более грубое нормиро-
вание, по пределу допускаемого значения суммы систематической
и случайной погрешностей. На основе этого -устанавливаются
классы точности СИ.
Классы точности. Класс точности — обобщенная характеристика точности
СИ. В соответствии с ГОСТ 8.401—80 классы точности устанавливаются чдля
СИ, у которых суммарная погрешность i (содержащая систематическую и слу-
чайную составляющие) нормируется в виде пределов допускаемой основной и
дополнительной погрешностей. Эти пределы могут выражаться в форме абсо-
лютных, относительных нлн приведенных погрешностей в зависимости от харак-
тера их нзмеиення в пределах диапазона измерения, а также условий приме-
нения и назначения СИ.
Пределы допускаемой абсолютной
одночленной или двучленной формуле:
Рис. 2.12
основной погрешности устанавливают по
: А = ±а или А = ±(а+йх), где х—
номинальное значение меры, показание
прибора или сигнал на выходе преобра-
зователя, а и b — постоянные числа. Од-
нозначная формула используется, когда
у СИ преобладает аддитивная состав-
ляющая погрешности, двучленная — ког-
да необходимо учитывать и мультипли-
кативную составляющую. На рис. 2.12
показаны области значений погрешности
38
СИ для обеих формул. В обоснованных случаях могут применяться н более слож-
ные формулы, а также графики нли таблицы. При нормировании абсолютных
значений классы точности принято обозначать буквами латинского алфавита илн
римскими цифрами.
Прй одночленной формуле предел допускаемого значения погрешности мо-
жет быть выражен также в виде относительного 6 и приведенного у значений
в процентах:
Д ч-ц A
5 =-----100 = — -100= ±q, ----.100= —------100 =
X X *норм ’‘Норм
= _±£_. 100=±р,
•^норм
а при двучленной формуле — в виде относительного значения:
А ± (а±Ьх) I / х,, \ 1
6=-----Ю0=—----------100= c + d —— — 1 ,
х - х [ \ х / J
где q, р, с и d — положительные числа в процентах, причем d=a -Ф00/1 хк|, с=
= 6-100+d.
Для СИ, пределы допускаемых погрешностей которых выражают в виде
относительных илн приведенных погрешностей, значения q, р, с и d выбираются
из ряда чисел, определяющих пределы допускаемых погрешностей и применяе-
мых-для обозначения классов точности: 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5 и 6X10", где
п= + 1; 0; —'1; —2 и т. д. Это позволяет упорядочить требования к СИ по
-точности и ограничить их номенклатуру. Числа указанного ряда используются в
условных обозначениях классов точности, применяемых в документации на СИ,
а также обозначениях, наносимых на них. Примеры принятый обозначений клас-
сов точности приведены в табл. 2.1. Пределы всех дополнительных погрешно-
стей и другие свойства СИ, влияющие иа точность результатов измерений, так-
же связаны с их классом точности. Эта связь раскрывается в стандартах.
Оценка погрешностей СИ. На этапе разработки СИ необходи-
мо теоретически оценить ожидаемую погрешность СИ. Эта задача
решается путем анализа уравнения преобразования y = F(x, ki),
Т а б л и ц а 2.1
Форма выражения погрешности Предел допу- скаемой пог- решности Обозначение класса точно- сти
У / Приведенная Нормирующее значение выражено в едини- цах измеряемой величины Нормирующее значение принято равным длине шкалы 1,5% ±0,5% > 1,5 0,5
6 Относительная Постоянная Возрастает с уменьшением измеряемой ве- личины ±0,5% ±[0,02± ±(|хн/х|—1)] 0,5* 0,02/0,01
-) На циферблате прибора эта цифра размещена внутри кружочка.
39
отражающего функциональную зависимость выходной величины
СИ у от входной х, и параметров преобразователей входящих
в СИ. Погрешности этих преобразователей приводят' к появлению
погрешности СИ Ау. Погрешности отдельных преобразователей
Aki, обусловленные погрешностями реализации их элементов и
действием влияющих величин, могут быть известны заранее из
технической литературы или имеющейся для этих преобразовате-
лей документации, либо в свою очередь могут определяться через
их собственные уравнения преобразования или путем дополнитель-
ных экспериментальных исследований. При известных значениях
Aki и постоянном значении измеряемой величины х определение
статической погрешности СИ подобно определению погрешности
косвенных измерений (см. гл. 4).
Для экспериментального определения погрешности СИ исполь-
зуется образцовое СИ, (или мера измеряемой величины) и искомая
погрешность определяется как разность показаний обоих СИ А =
= хп—х0 (или исследуемого СИ и меры: А=хп—хм). При этом
случайная погрешность образцового СИ -должна быть в 3... 5 раз
’ или еще меньше случайной погрешности исследуемого СИ (дос-
таточно в 3 раза, так как^случайная погрешность разности пока-
заний обоих СИ определяется геометрической суммой их погреш-
ностей). Оценка последней через средние квадратические значения
дает: о2 = (о2п + (т2о)1/2= [о2п + (оъ/З)2] 1/2= 1,05<тп, т. е. практически
равна погрешности оп исследуемого СИ.
Общая методика оценки систематической и случайной состав-
ляющих основной погрешности СИ в заданной точке х диапазона
измерения сводится к следующему. -Сначала необходимо обеспе-
чить нормальные условия работы СИ. Затем измеряемая величи-
на подается на оба СИ и путем ее регулировки устанавливается
требуемое показание хп по шкале исследуемого СИ и одновремен-
но определяется показание образцового СИ х0. Указанный процесс
повторяется N раз. Погрешность г-го наблюдения А{=хп—х0, где
i=l... N, содержит в общем случае систематическую (Ас) и слу-
чайную (Аслг) составляющие: Аг = Ас+АСлг- В качестве оценки
систематической погрешности СИ Ас берется среднее значение А:
Ас=А=2Аг/У, поскольку значения Аслг имеют разные знаки и по-
этому lim А”= lim 2(Ас+Асл О/^-^Ас. Затем вычисляются'слу-
чайные ПОГреШНОСТИ КаЖДОГО Измерения Аслг—Ai—Ас~Аг—А и
оценка среднего квадратического значения случайной погрешнос-
ти о= [2А2сл it (N— 1)]1/2.
i
Для оценки доверительного интервала случайной погрешности
АДов = ^<т необходимо определить значение коэффициента k\f,
Рдов), определяющегося функцией распределения вероятностей f
и, требуемой доверительной вероятности РДОв. Если функция рас-
пределения известна, то коэффициент k определить не трудно.
Чаще всего случайная погрешность СИ определяется действием
40 -
большого числа (>5) частных случайных погрешностей отдель-
ных преобразователей, входящих в СИ, значения которых соизме-
римы. Тогда в соответствии с центральной предельной теоремой
Ляпунова функцию ее распределения можно принять нормальной,
независимо от функций распределения частных погрешностей.
При этом значение коэффициента k при малом числе измерений
(^<17) необходимо определять, используя распределение Стью-
дента, которое по мере увеличения N приближается к нормально-
му (см. гл. 4). Если же закон распределения неизвестен, решение
о его виде принимается путем проверки гипотезы о его характере
(см. гл. 4, ГОСТ 11.006—74 и 8.207—76) на основе полученных
реализаций случайной погрешности. В принципе для любой функ-
ции распределения справедливо неравенство Чебышева РД0ВХ
X (| Дел i| 1—i/k2. Однако это очень грубая оценка, приво-
дящая к завышенному значению доверительного интервала. Нап-
ример, для Рдов=99% получим.k= 10, что почти в 4 раза больше,
чем при нормальном законе распределения.
На основании полученных значений оценок систематической
Ас и случайной Ддов составляющих погрешности СИ в заданной
точке диапазона измерений можно определить интервал значений
погрешности СИ в виде: Дс—Ддов^Д^Дс+Ддов. Учитывая, что
наряду с аддитивной погрешностью может иметц место и мульти-
пликативная, указанные исследования необходимо провести во
всем диапазоне измерения. Обычно берут не менее трех точек: в
начале, в середине и конце диапазона.
Полные входные и выходные сопротивления. Входное сопро-
тивление определяет реакцию входного сигнала на подключение
СИ к источнику входного сигнала с фиксированным выходным
сопротивлением. Выходное сопротивление преобразователя или
меры определяет реакцию ее выходного сигнала на подключение
к выходу фиксированной нагрузки.
Подключение СИ к источнику сигнала вызывает потребление
энергии от объекта измерения и, как следствие, изменение вели-
чины, подлежащей измерению, и соответственно появление пог-
решности измерения. В электрических цепях можно выделить два
основных способа подключения СИ к объекту-измерения: после-
довательный (например, амперметр, включаемый последователь-
но в разрыв цепи) и параллельный (вольтметр, подключаемый па-
’ раллельно некоторому участку цепи). Для уменьшения энергии,
потребляемой СИ от объекта, при последовательном включении
необходимо стремиться к уменьшению входного сопротивления
СИ, так как P = I2R. При параллельном подключении стремятся
обеспечить высокое входное сопротивление, так как P = V2IR.
Погрешность Д, обусловленную потреблением энергии от объекта
измерения, в общем случае можно' определить следующим обра-
зом. Пусть величина, подлежащая измерению, есть x(j<o), а вы-
ходное сопротивление объекта измерения, включая сопротивление
линии связи объекта с СИ, —гВЫх(1®). На вход СИ будет Носту-
41
пать величина, значение которой определяется выражением:
x*(j<o) = х(j<(o)Zbx(j®)/[Zbx(j<o) +£вых(}со)], где ZBX(j(£>) — входное
сопротивление СИ. Соответствующая погрешность, характеризую-
щая отличие величин:
Д = х* (j ®)— х (j «£= —х (j<о)/[14-zBX (j®)/zBbIX (jсо)].
Одной из распространенных измерительных задач в технике
связи является измерение напряжения в широком диапазоне час-
тот от 0 до 109 Гц. С помощью выражения, полученного выше, для
относительной погрешности измерения напряжения при отношении
ZBx(j®)/ZBbix(j®) > 1 получим
g __ А _ -1/1 j | ZBX (j I _________ (j со) I
X (j со) I ZBL1X (j ю) I ~ I ZBX (j со) I
Очевидно, ЧТО ДЛЯ ПОСТОЯННОГО тока —Лвых/Явх.
Для обеспечения высокого входного сопротивления измерите-
лей напряжения (вольтметров, осциллографов) во входных цепях
используются эмиттерные (катодные) повторители, обеспечиваю-
щие /?вх = 0,5... 10 МОм, и полевые транзисторы, обеспечивающие
на постоянном токе 7?вх до 109 Ом. Емкость Свх=10... 40 пФ. На
переменном токе сопротивление является комплексным. Эквива-
лентная схема входной цепи (рис. 2.13) состоит из сосредоточен-
ных индуктивности £Вх, емкости Свх и сопротивления /?вх. При
частотах /<100 МГц влиянием индуктивности можно пренебречь
и zBX=i/?Bx/(l+j®CBXJ?Bx), а практически, начиная с нескольких
килогерц, zBX«l/j®CBX. На частотах />100 МГц индуктивность
и емкость образуют колебательный контур с собственной резонан-
сной частотой /0= 1/2лК^вхСвх. Очевидно, что при резонансе нап-
ряжение на емкости будет в Q раз больше, чем входное. Поэто-
му частота сигнала / должна быть-существенно (3... 10 раз) мень-
ше собственной резонансной частоты резонанса. При /<С/о отно-
сительная погрешность, обусловленная резонансом, 6/«/3//20. Для
увеличения верхнего предела частотного диапазона принимают,
специальные меры по уменьшению Лвх и Свх: уменьшают длину
входных проводов,' исключают входные клеммы и т. п. Таким пу-
тем удается повысить резонансную частоту до
ft---—----------Г* 1,5 ...22 ГГц.
z#x ,х = = П Измерительный прибор соединяется с изме-
*____х у ряемым объектом с помощью линии, обычно
® * * отрезка гибкого кабеля с волновым сопротив-
Рис. 2.13 лением 75 или 150 Ом и длиной 1,0... 1,5 м
Рис. 2.14
42
(рис. 2.14,а). В результате к измеряемому объекту подключается
не сопротивление измерительного прибора znp, а входное сопротив-
ление линии zBx, нагруженной на сопротивление прибора:
= Р Ich у I + (p/znp) sh у Z]/[sh у I + (p/znp) ch у 7],
где р, у(р, а) и I — волновое сопротивление, постоянная распро-
странения и длина соединительной линии соответственно. Прак-
тически ZnpXp и p/»«Z, поэтому Zbx^p cth pZ. Входное сопротив-
ление уменьшается с увеличением частоты вследствие возрастания
коэффициента р = ш]/ LC. В диапазоне частот до нескольких со-
тен килогерц при длине соединительных проводов не более 1,5 м
zBX остается достаточно высоким. На частотах выше 1 МГц не-
обходимо применять специальные меры по устранению влияния
соединительных проводов. Для этого измерительный прибор под-
ключают к измеряемому объекту через выносной блок (головку,
пробник), обеспечивающий высокоомное входное сопротивление
(рис. 2.14,6). Длина соединительных проводов от входных зажи-
мов пробника до измеряемого объекта в данном случае состав-
ляет всего 2...3 см. На частотах выше 30...50 МГц длина кабе-
ля, соединяющего измерительный прибор с пробником, становит-
ся соизмеримой с длиной волны электрических колебаний. В
этом случае в вольтметрах входной сигнал детектируется в проб-
нике; что уменьшает погрешности, так как по кабелю передается
постоянный ток.
Рассмотренные погрешности, вызванные изменением zBX, ха-
рактерны для измерения напряжения. Однако если информацион-
ным параметром является частота этого же напряжения, то при
том же zBX никакой погрешности вноситься не будет. Таким об-
разом, при измерениях любых величин надо хорошо понимать
, принцип действия объекта измерения и влияние на него подклю-
чения СИ.
<
Глава 3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
3.1. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ
В ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВАХ
Цифровой измерительный прибор (ЦИП) автоматически выраба-
тывает дискретные сигналы измерительной информации, показа-
ния которого представлены в цифровой форме, т. е. преобразует
непрерывную во времени и по размеру измеряемую величину в
цифровой код. Этот процесс, включающий в себя дискретизацию,
квантование и кодирование непрерывной входной величины, на-
43
зывают аналого-цифровым преобразованием, а измерительный
преобразователь, автоматически осуществляющий этот процесс и
вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации
о числовом значении входной, величины, — аналого-цифровым
преобразователем (АЦП).
Дискретизацией называется процесс преобразования непрерыв-
ного во времени сигнала измерительной информации x(t) в диск-
ретный равный мгновенным значениям исходного сигналу
только в определенные моменты времени tt — моменты дискре-
тизации (рис. 3.1). Дискретизация может выполняться путем вы-
деления отсчетов сигнала в определенные детерминированные мо-
менты времени. Таким образом от сигнала измерительной инфор-
мации, сохраняется только совокупность его отдельных значений.
Промежуток времени А/ между двумя моментами дискретизации
называется шагом дискретизации, (а обратная величина 1/At=fz—
частота дискретизации). Обычно моменты отсчетов на оси вре-
44
ряд •
мени. выбираются с постоянным шагом дискретизации, т. е. име-
ет место равномерная дискретизация. Применяется и неравномер-
ная дискретизация.
- Основным вопросом, который решается при дискретизации из-
меняющегося во времени сигнала x(t), является правильный вы-
бор частоты дискретизации. Результатами измерения в цифровых
приборах являются значения сигнала x(ft) лишь в моменты дис-
кретизации ti. Но зачастую важная информация может быть в
сигнале и между этими моментами. Очевидно, чем чаще следуют
моменты дискретизации, тем легче решить эту задачу. Однако та-
кой подход может привести к неоправданному увеличению часто-
ты дискретизации, что с одной стороны, приведет- к избыточности
информации, с другой — к ужесточению требований к быстродей-
ствию АЦП и соответственно к его усложнению. Задача опреде-
ления промежуточных значений сигнала x(t) является интерполя-
ционной. Под правильно выбранной частотой дискретизации сле-
дует понимать такую частоту, при которой погрешность интерпо-
ляции будет не более заданной. .
Как показал В. А. Котельников, непрерывная функция x(t) с
ограниченным спектром частот от 0 до fm может быть однозначно
определена при шаге дискретизации 1/2 Доказательство ос-
новано на представлении спектра функции в виде ряда Фурье, ре-
зультатом обратного преобразования которого является
х (/) = у х (I Д t) sincOm (Z~~ZAZ)- ,
где A/=l/2f-1TO — шаг дискретизации; fm — верхняя
спектра частот; x(iAt) — отсчеты функции в моменты
зации = Указанный ряд однозначно задает наибольший шаг
дискретизации, при котором теоретически можно точно опреде-
лить любые промежуточные значения функции x(t) по ее отсче-
там x(iAt)=x(ti). Уменьшение же шага дискретизации ведет
только к избыточности.
Однако практическое использование этого ряда наталкивается
на трудности. Все реальные сигналы ограничены во времени. Сле-
довательно, во-первых, ряд будет содержать .лишь конечное чис-
ло ч-ленов i=0... 2fmTc, где Тс — длительность сигнала; во-вторых,
спектр такого сигнала будет бесконечен, в то время как для раз-
ложения в ряд,спектр должен быть ограничен. Это протийоречие
можно преодолеть, если выбрать наивысшую частоту спектра fm
так, что в диапазоне частот от 0 до fm будет сосредоточена основ-
ная часть энергии спектра. Энергия «отсекаемой» части спектра
будет характеризовать погрешность интерполяции. Дисперсия
приведенной погрешности:
Г-Ь J |S (j
где числитель — средняя мощность отсекаемой части спектра;
45
граница
дискрети-
Цтах •^mln)’ >
Тс — длительность функции x(Z); хтах и Xmin — экстремальные
значения функции. Из этого выражения можно найти ат при из-
вестных значениях прочих величин. Сложность "Применения ряда
Котельникова в качестве интерполирующего полинома в значитель-
ной мере вызвана и сложным видом входящих в него функций, что
затрудняет вычислительную процедуру. Это обусловливает ис-
пользование и других интерполяционных полиномов.
Простейшим видом интерполяции является ступенчатая (рис.
3.2,а). Именно по этому закону изменяются показания ЦИП.
Максимальную погрешность интерполяции А легко выразить Че-
рез максимальную скорость изменения функции и шаг дискрети-
зации АЛ | А| тах^ |х7(/) | тахАЛ Задаваясь допустимой погреш-
ностью А, можно определить шаг и частоту дискретизации: Д/=
=А/|х'(0 |шах. Погрешность можно снизить’при помощи кусочно-
линейной интерполяции, для которой все точки кривой исходной
функции, соответствующие моментам дискретизации, соединяются
отрезками прямых (рис. 3.2,6): . ')А|гаах= |х"(/) |шахА£2/8, откуда,
задаваясь допустимой погрешностью, получаем шаг дискретизации
Д/=/8А/|х"(0|тах. Можно использовать полиномы и более вы-
сокого порядка, но простота определения промежуточных значе-
ний с помощью кусочно-линейной интерполяции обусловливает ее
частое использование.
Квантование — это преобразование непрерывной по размеру
величины x(ti) в квантованную хкв(Л) путем замены ее мгновен-
ных значений ближайшими квантованными значениями (рис.
3:1,а). Иначе говоря, процесс квантования сводится к округлению
значений дискретного сигнала до ближайших квантованных зна-
чений — уровней квантования. Эти уровни квантования образова-
ны по определенному закону с помощью мер. Разность Ах между
двумя уровнями называют шагом (ступенью) квантования. Шаг
Рис. 3.2
46
квантования может быть как постоянным >(равномерное кванто-
вание), так и переменным (неравномерное квантование). При
равномерном квантовании значение квантованного сигнала
Хкв (ti) =пДх, где /г = 0... N — номер соответствующего уровня
квантования. Процесс квантования, связанный с округлением зна-
чения сигнала, всегда ведет к появлению погрешности квантова-
ния, носящей методический характер.
На рис. 3.3,а приведена характеристика преобразования АЦП,
представляющая ступенчатую функцию у=п\х, где Ах — шаг
квантования. Из ее сравнения с идеальной функцией преобразо-
вания у — х видно, что погрешность |АКВ | 0,5Дх, т. е. не превос-
ходит половины шага квантования. Это обеспечивается, во-первых,
за счет того, что нулевой уровень квантования совпадает с нуле-
вым значением х(/), а во-вторых, тем, что первый уровень кван-
тования, с которым сравнивается измеряемая величина, сдвинут
относительно нулевого всего на половину»шага квантования. В
результате, когда х лежит в пределах 0,5Дх... 1,5Дх, выходной
результат у=1Ах и т. д. Следует отметить, что указанные условия
не всегда выполнимы. Так, при измерении интервалов времени
методом .счета числа периодов им1пульсов известной частоты за
этот интервал времени погрешность- квантования достигает цело-
го шага квантования: |Дкв|^Дх. Для ее уменьшения необходимо
синхронизировать начало временного интервала и приход перво-
го импульса, задержав его на половину периода относительно на-
чала этого интервала.
При квантовании сигнала х погрешность Акв> часто называе-
мая шумом квантования, имеет характер ломаной линии (рис.
3.3,6) и ее максимальное абсолютное значение равно 0,5Дх. Если
считать, что шум квантования имеет форму зубцов с амплитудой
0,5Дх, то средняя мощность за длительность каждого зубца сос-
тавит Рш.Кв=Дх2/12. Данное выражение полностью характеризует
среднеквадратическое значение погрешности квантования. Так как
в АЦП нет однозначной связи между выходными и входными ве-
личинами, то, зная выходной код, можно говорить лишь о веро-
ятности того или иного значения аналоговой величины в пределах
одного кванта. Однако при большом числе-уровней квантования
плотность вероятности мгновенных значений может быть принята
равномерной, что соответствует равной плотности вероятности
погрешности квантования в пределах ±0,5Д*х. В этом случае дис-
персия погрешности квантования по уровню о2кв = (0,5Ах)2/3 =
= /эш.кв, а среднее квадратическое значение погрешности оКв =
=Ах/2рлЗ, т. е. в Y3 раз меньше максимальной.
Следующим преобразованием измерительного сигнала являет-
ся кодирование. Цифровым кодом называют последовательность
цифр или сигналов, подчиняющихся' определенному закону, с по-
мощью которой осуществляется условное представление числен-
ного значения квантованной величины (рис. 3.1,г). При этом чис-
ло импульсов в кодовой группе равно номеру я соответствующего
47
Цифровой выход
Рис. 3.4
уровня квантования. Например, моменту дискретизации (отсчету)
7 соответствует уровень квантования х& и в кодовой группе со-
держится 6 импульсов. Отметим, что при кодировании получаемый
цифровой код всегда однозначно соответствует номеру п выбран-
ного уровня квантования и процесс кодирования не вносит допол-
нительной погрешности.
Обобщенная структурная схема цифрового измерительного
прибора представлена на рис. 3.4. Аналоговый преобразователь
преобразует измеряемую величину x(t) в величину, обеспечиваю-
щую нормальный режим работы АЦП. Это могут'быть масштаб-
ные преобразования (усиление, ослабление) или преобразования
рода физической величины (например, сопротивления в напряже-
ние). С выхода АЦП цифровой код поступает на цифровое отсчет-
ное устройство и цифровой выход, позволяющий исйользовать
цифровой измерительный прибор в качестве преобразователя, а
также подключать Цифровые регистрирующие устройства. Метро-
логические характеристики ЦИП и АЦП во многом определяются
методом аналого-цифрового преобразования. Различают следую-
щие преобразования:
пространственное, при котором измерительный сигнал предва-
рительно преобразуется в перемещение, угол поворота и т. п. не-
которого указателя, положение которого определяется с помощью
специальной «кодовой маски» (кодовые диски и линейки, элект-
ронно-лучевые трубки и т. п.);
число-импульсное, при котором измеряемая величина (напри-
мер, частота, временной интервал) предварительно преобразуется
в пропорциональное количество импульсов, число которых подсчи-
тывается цифровым счетчиком;
время-импульсное, при котором измеряемая величина предва-
рительно преобразуется в интервал времени, значение которого
определяется путем заполнения импульсами опорной частоты и
подсчета этих импульсов цифровым счетчиком;
частотно-импульсное, при котором измеряемая величина пре-
образуется в частоту электрических сигналов, определяемую под-
счетом числа этих сигналов за известный интервал времени^циф-
ровым счетчиком;
амплитудное, при котором измеряемая величина преобразует-
ся в амплитуду электрического сигнала, определяемую сравнени-
ем с набором опорных электрических величин последовательно
или одновременно;
4S '
уравновешивающее (компенсационное), при котором измеряе-
мая величина уравновешивается величиной, воспроизводимой циф-
ро-аналоговым преобразователем (ЦАП), выполняющим роль ме-
ры измеряемой физической величины. ЦАП преобразует цифровой
код в непрерывную во времени и квантованную по значению физи-
ческую величину (например, напряжение, ток, сопротивление). По
.алгоритму уравновешивания различают развертывающее и следя-
щее уравновешивания.
В приборах, основанных на развертывающем уравновешивании,
шаг дискретизации At задается принудительно. При этом он не
должен быть меньше времени, необходимого для выполнения ана-
лого-цифрового преобразования, которое определяется как быстро-
действием отдельных входящих в состав прибора дискретных уст-
ройств, так и временем, Необходимым для завершения переходных
процессов установления сигналов в аналоговых звеньях (усилите-
ля и т. п.). Кроме того, время преобразования существенно зави-
сит от закона изменения уравновешивающей величины на выходе
ЦАП-до наступления момента равновесия. При последовательном
переборе всех значений в диапазоне преобразования для получе-
ния высокой точности необходимо много времени. Время уравно-
вешивания значительно (на несколько порядков) сокращается при
использовании метода поразрядного уравновешивания (см. напри-
мер, § 5.3).
В приборах, основанных на принципах следящего уравновеши-
вания (см. § 2.1), дискретизация осуществляется не принудитель-
но, а по мере изменения измеряемой величины. Быстродействие
этих приборов можно характеризовать максимальным временем
разового преобразования при подключении на вход измеряемой
величины. Однако такая характеристика не отражает основной
особенности использования следящих цифровых приборов — воз-
можности слежения за измеряемыми величинами, изменяющимися
с достаточно большими скоростями. Поэтому для оценки быстро-
действия следящих цифровых приборов указывается максимально
допустимая скорость изменения измеряемой величины, при кото-
рой еще сохраняется гарантируемая прибором точность измерения.
3.2. СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ И КОДЫ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ЦИФРОВЫХ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ
Дискретизированные и квантованные значения сигнала в циф-
ровых измерительных приборах подвергаются кодированию. На
рис. 3.1,г был показан унитарный код, при котором число переда-
ваемых импульсов пропорционально квантованному значению из-
меряемой величины. Поэтому такой код еще называют число-им-
пульсным. Представление числового значения в унитарном коде
имеет недостатки, в частности различное число импульсов в кодо-
вых группах. Громоздкость данного кода привела к распростране-
нйю других систем счисления и кодор. Под системой счисления по- ,
нимают совокупность цифровых знаков и правил, применяемых
для однозначного представления Чисел. Системы счисления, коды
разделяются на непозиционные и позиционные. К непозиционным
кодам относят, например, унитарный код.
Более компактно и удобно выражаются числа в позиционных
системах, к которым относятся десятичная, двоичная, двоично-де-
сятичная и др. В общем случае в позиционной системе любое чис-
ло N можно представить в виде
_tNb = anbn + an^1bn-' + ... + а1Ь1 + а0Ь° +
4-+ ...-\-а~тЬ-т = .у] а(Ь‘,
i=—m
где b — основание системы счисления, равное числу знаков в дан-
ной системе (например, для десятичной 6 = 10, для двоичной Ь =
=2), i=—т...п — номер разряда (позиции), й’ — весовой коэф-
фициент i-ro разряда, а = 0... (b— 1) — разрядный коэффициент.
При записи числа N в позиционной системе используются толь-
ко разрядные коэффициенты, а весовые не указываются, так как
определяются порядковой позицией разрядного коэффициента.
Например, число 920,1 в десятичной системе содержит’ 4 разряд*
ных коэффициента с весовыми коэффициентами 102, 101, 10° и 10-1:
920,1 =9-1024-2-lO'H-O-10°4-1 • 10-1. Это. делает представление ин-
формации в-позиционном коде наиболее компактным. Заметим,
что запись числа 920 с помощью унитарного кода потребовала бы
920 знаков.
Десятичная система используется в ЦИП. ддя отображения ре-
зультата измерения. Однако все промежуточные операции в циф-
ровом приборе предпочитают проводить в двоичной системе счис- '
ления, поскольку электронные устройства с двумя устойчивыми
состояниями отличаются простотой и высокой помехоустойчи-
востью. В двоичной системе для представления цифр разряда ис-
пользуются два символа:* 0 и 1. Перевод числа, записанного в
двоичной, системе, в привычную для нас десятичную требует про-
ведения вычислительной процедуры: 11011,01 = l*24-|-:l-23-|-0-22-f-
+ Ь214-1-2°+0-2-1 + 1-2-2=27,25.
Из приведенного примера видно, что в двоичной системе счис-
ления весовой коэффициент старшего разряда превышает весовой
коэффициент предыдущего (младшего) разряда в 2 раза, т. е.
они образуют ряд 1, 2, 4, 8, 16, 32 и т. д.
Однако число, записанное в двоичной системе, неудобно для
визуального отсчета, а перевод его в десятичное чйсло требует
затрат времени и вызывает определенные технические сложности.
Поэтому в цифровых измерительных приборах широко пользуют-
ся двоично-десятичным кодом, который образуется путем пред-
ставления каждой цифры десятичного чиода соответствующим дво-
.ичным числом. Например, число 27 преобразуется следующим об-
разом. Цифра 2 записывается как 0010, а цифра 7 — как 0111,
50
-г. е. 27i0 = 0010 01112/ю- Здесь индекс 10 свидетельствует о записи
в десятичной системе, а 2/10 — о записи в двоично-десятичной.
Представление числа в двоично-десятичной системе менее эконом-
но, чем в двоичной. Так, для числа 27 в двоично-десятичной систе-
ме надо иметь 8 символов, а в двоичной только пять (11011).
Однако простота его преобразования в десятичный код компенси-
рует этот недостаток.
В двоично-десятичном коде представление каждой десятичной цифры требу-
ет четыре символа. Меньше нельзя, так как с помощью трех символов можно
лслучить лишь 8 комбинаций, а число возможных цифр в каждом разряде деся-
тичного числа равно 10 (аю = 0... 9). Вместе с? тем четыре символа позволяют
построить 16 комбинаций,' т. е. шесть комбинаций являются лишними и их мож-
но удалить. Вполне естественным кажется удаление комбинаций, выражающих
цифры более 9. Код I, содержащий ilO начальных комбинаций (табл. 3.1), назы-
вают кодом 8421. Он является наиболее распространенным, но не единственно
Таблица 3.1
й10 I(8421) II (2421) а10 1(8421) 11 (2421 )
0 0000 0000 . 5 0101 Топ
1 0001 0001 6 оно 1100
2 ' 0010 0010 7 0111 . 1101
3 0Q11 ООН 8 1000 1110
4 0100 0100 9 1001 1111
возможным. Для каждой из десяти цифр допустимо совершенно произвольное
закрепление кодовых комбинаций, поэтому число принципиально возможных
кедов довольно' велико. Код II (весовые коэффициенты 2421) имеет разрыв
между цифрами 4 и б. В этом месте проходит ось симметрии. Кажд’ая кодовая
комбинация над осью отличается от симметричной комбинации под осью ин-
версными значениями разрядных -коэффициентов, нацрнмер десятичное чцело 3
воспроизводится кодовой комбинацией .0110; симметрично расположенное отно-
сительно оси число 7 — комбинацией 1001, которая может быть получена из
.0110 путем замены нулей единицами и единицы нулями. Это свойство полезно
при реализации арифметических операций. Находят применение и другие виды
кодов.
Для многих АЦП выходным является унитарный код. Для
его преобразования в двоичный код используется обычный дво-
ичный счетчик, а для преобразования в двоично-десятичный код —
двоично-десятичный счетчик. В последнем каждые четыре тригге-
ра охвачены такими обратными связями, при которых осуществля-
ется счет не до 24= 16, а до 110, при этом четыре последовательно
включенных триггера образуют счетную декаду.
В зависимости от способа1 передачи коды делятся на последо-
вательные, параллельные и последовательно-параллельные. При
последовательном коде все его разряды передаются последова-
тельно во времени по. одной цепи. При параллельном коде все
разряды передаются одновременно, каждый по своей цепи. Это
51
требует больше цепей, но соответственно сокращает время на пе-
редачу. При большой разрядности кода целесообразно компро-
миссное решение — последовательно-параллельная передача, при
которой все разряды кода делятся на группы (например, часто в
группу входит 8 бит — байт). Биты внутри группы передаются
одновременно по параллельным цепям, а группы последовательно
во времени.
При передаче цифровых сигналов на значительные расстояния
код может искажаться под действием импульсной помехи. Для
обнаружения этих ошибок можно использовать различные коды.
Простейшим является применение двоичных кодов с проверкой на
четность. Для этого в код вводится дополнительный разряд, кето-
рому присваивается значение 1, если сумма единиц всех остальных
разрядов нечетна, и значение 0, если сумма четна. Тогда переда-
ваемая комбинация всегда содержит четное число единиц. На
приемном конце проверяется четность числа единиц в принятом
коде. Отсутствие четности свидетельствует о возникшей ошибке
(однократной или любой нечетной кратности).
3.3. ЦИФРОВЫЕ ИНДИКАТОРЫ
И ЦИФРОВОЕ ОТСЧЕТНОЕ УСТРОЙСТВО
В настоящее время известно большое число цифровых индика-
торов: газоразрядных, электролюминесцентных, светодиодных, на
жидких кристаллах и др. В газоразрядных индикаторах (типа
ИН) анод выполнен в виде тонкой и редкой металлической сетки,
а катод в виде цифры из тонкой проволочки (рис. 3.5). Катоды
расположены стопкой, один под другим. Объем внутри баллона
заполнен инертным газом, например неоном. Если между катодом
и анодом действует достаточное напряжение, возникает тлеющий
разряд, форма которого повторяет конфигурацию катода. Так как
индикатор показывает цифры от 0 до 9, на цоколе необходимо
иметь десять сигнальных выводов плюс один вывод для подачи
напряжения на общий анод. Одновременно должна высвечиваться
только одна цифра, поэтому при индикации управляющее напря-
жение действует только между общим выводом и одним из сиг-
’ нальных. Главным недостатком газораз-
Рис. 3.5
рядных цифровых ламп является необхо-
димость подачи достаточно высокого уп-
равляющего напряжения.
Современная электроника создала эле-
менты индикации, характеристики кото-
рых совместимы с выходными характери-
стиками низковольтных маломощных
транзисторов и интегральных микросхем.
К ним относятся светодиоды и элементы
на жидких кристаллах. Эти типы инднка-
торов имеют семи- или десятисегментную
конструкцию. На рис. 3.6 показаны семи-
52
Рис. 3.6
сегментные индикаторы. Все сегменты размещены на общей под-
ложке и имеют отдельные выводы. Как видно из рис. 3.6, для по-
лучения цифры 7 необходимо сигналы (1) подать на входы 1, 5
и 7. На остальных входах должен быть 0. Низкие управляющие на-,
пряжения, малая потребляемая мощность и долговечность привели
к широкому распространению этих приборов.
На рис. 3.6 показан пример построения трехразрядного цифрового отсчетно-
го устройства на семисегментрых. цифровых индикаторах. Пусть входным сиг-
налом является унитарный код. Этот код с .помощью двончно-десятичного счет-
чика преобразуется в параллельный двоично-десятичный код. Для этого счетчик,
содержит три декады, каждая из которых состоит из четырех триггеров, рабо-
тающих в счетном режиме и соединенных последовательно. Применение обрат-
ных связей позволяет обеспечить последовательный счет десяти импульсов, по-
ступающих на вход декады. После десятого импульса все триггеры возвращают-
ся в исходное состояние (0), при этом на выходе счетной декады появляется
сигнал 1, который поступает на следующую декаду. Таким образом первая де-
када единицы, вторая — десяткц, третья — сотни. На сигнальных выходах четы-
рех триггеров имеются сигналы, состоящие из 0 и 0 и отражающие число им-
пульсов, подсчитанных декадой. Подбирая обратные связи, можно получить ото-
бражение числа поступивших на вход импульсов в любом из кодов, представ-
ленных в табл. 3.1. На рис. 3.6 показан результат счета N=527 импульсов в>
коде 8421: 0101 0010 0111. Получейный код поступает на дешифраторы, которые-
' 53-
преобразуют его в параллельный семиразрядный код, управляющий семисегмеит-
адымн индикаторами. При использовании других индикаторов, например типа
ИН, необходимы другие дешифраторы, обеспечивающие получение параллельно-
го десятичного кода.
3.4. СТРУКТУРНЫЕ МЕТОДЫ
УМЕНЬШЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ
Снижение погрешностей является наиболее важной задачей со-
вершенствования СИ. Существующие способы ее решения можно
разделить на технологические, конструктивные и структурные. Ме-
тоды борьбы с погрешностями существенно зависят от характера
этих погрешностей. Погрешность СИ может быть выражена через
номинальную yH = FH(x) и реальную y=Fp(x) функции преобразо-
вания (|риб. 3.7): A = Fp(x)=—FH(x\. Параллельное смещение ха-
рактеристики преобразования приводит к появлению аддитивной
составляющей погрешности (Дадд=а), изменение ее наклона — к
мультипликативной (Дмульт = ^х), зависимость наклона от значения
измеряемой величины — к нелинейной составляющей (Диел). Все
эти составляющие могут случайным образом меняться во времени.
Технологический способ заключается в совершенствовании из-
готовления существующих и разработке новых элементов ИУ,
имеющих меньший разброс параметров и повышенную стабиль-
ность их. Однако его возможности ограничены и, кроме того, ус-
ложнение технологии изготовления и отбраковки элементов при-
водит к их удорожанию.
Конструктивные способы предопределяют такое построение
•схем, узлов и самих ИУ, при котором погрешности минимальны.
Их отличительной чертой является отсутствие структурной избы-
точности, т. е. СИ состоит только из таких измерительных преоб-
разователей, без которых процесс измерения невозможен. К наи-
более общим из конструктивных методов следует отнести приме-
нение отрицательной обратной связи (ООС) и уравновешивающе-
го (компенсационного) преобразования, при котором ООС охва-
тывает все ИУ (см. § 2.1).
Рис. 3.7
Как известно, применение
ООС позволяет на не-
сколько порядков (в Кр раз,
где ' К И р — коэффициен-
ты передачи соответствен-
но прямой цепи и цепи
ООС) уменьшить состав-
ляющие погрешности ИУ:
мультипликативную путем
уменьшения нестабильно-
сти коэффициента преоб-
разования, нелинейную пу-
тем снижения нелинейности
характеристики преобразо-
-54
X
Измерительное
устройство
Вычислитель
Выход
Рис. 3.8
вания. Введение ООС целесообразно только, когда погрешность,
коэффициента передачи цепи ООС существенно ниже погрешности
коэффициента передачи цепи прямого преобразования. Необходи-
мо также учитывать, что ООС снижает чувствительность ИУ (в
раз) и не позволяет уменьшить аддитивную составляющую, пог-
решности.
Структурные методы коррекции погрешностей основаны на-
введении структурной и (или) временной избыточности, т. е. на
использовании в СИ дополнительных устройств и проведения на-
ряду с измерением искомой величины дополнительных измерений,,
обработка результатов которых позволяет уменьшить погрешность
измерения искомой величины. Структурные методы позволяют
снизить систематическую погрешность и ту составляющую случай-
ной погрешности, которая во время всех дополнительных измере-
ний мало изменяется, т. е. корректируют относительно медленно’
меняющуюся составляющую случайной погрешности. Например,
при автоматизации процесса измерения, когда время измерения
обычно составляет доли или единицы секунд, можно осуществить
коррекцию температурной погрешности, случайные изменения ко-
торой происходят достаточно медленно. Заметим, что быстро из-
меняющаяся составляющая случайной погрешности такими мето-
дами не уменьшается. Для этого можно использовать только мно-
гократные наблюдения и их статистическую обработку.
Внедрение в цифровые СИ вычислительной техники открывает
широкие возможности использования структурных методов. Пос-
ледние делятся на методы образцовых мер, методы обратных пре-
образований и тестовые методы.
Метод образцовых мер. Для рассмотрения метода образцовых
мер представим реальную характеристику преобразования в виде'
полинома y = ai-,ra2x+ ... +апхп-1, где щ — коэффициенты, пос-
тоянные на протяжении, времени измерения. Идея метода образ-
цовых мер заключается в последовательном измерении величины
х и известных величин Li, L2, ..., Ln, воспроизводимых мерами
(рис. 3.8). В результате одного цикла измерений можно составить-
систему уравнений:
Уч = Gi + я2 х + + ап хП^1 ,
Ув — ai + аг + ••• + ап f
Уп «1 + ^2 + • • • + ап ,
55»
где неизвестными являются х и аг. Система уравнений решается
вычислительным устройством относительно измеряемой величины
х. Очевидно, что при правильном выборе числа мер в системе по-
лучается необходимое число уравнений, позволяющих при реше-
нии исключить неизвестные коэффициенты at.
Если погрешность СИ содержит только одну аддитивную сос-
тавляющую (характеристика преобразования yt на рис. 3.7), то
достаточно произвести одно вспомогательное измерение с мерой
7-1 = 0. Система имеет вид:
Уо = а1 + х,
У1 ~ ai + Li, х
откуда x=z/o—z/i + Li|b1 =о=Уо—г/1.
Если погрешность СИ содержит и аддитивную, и мультиплика-
тивную составляющие (характеристика преобразования yz на рис.
3.7), то необходимо произвести два вспомогательных измерения с
мерой Li = 0 и с мерой 7г (ее значение обычно берут близким к
верхнему пределу диапазона измерения). Решив систему из трех
уравнений с тремя неизвестными at, az и х, нолучим
x = L1 + (L2-L1)^—^ = L2y-^-*±.
. У2 — У1 У2 — У1
Этот алгоритм очень прост и часто используется на практике для
автоматической коррекции аддитивной и мультипликативной сос-
тавляющих погрешности.
Если имеет место и нелинейная составляющая погрешности, то
.для ее коррекции число мер существенно возрастает. Одновремен-
но возрастает порядок аппроксимирующего полинома, что услож-
няет вычисления. Для преодоления этой трудности обычно прибе-
гают к кусочно-линейной аппроксимации характеристики преобра-
зования (z/з'на рис. 3.7): y3=aij + a2jX, где /=1, 2, ..., т — номер
участка аппроксимации. Процесс измерения и вычисление осуще-
ствляют так же, как и в предыдущем случае, только образцовые
меры Li, и Ьц выбирают не Произвольно, а в зависимости от ре-
зультата первого измерения х. Результат измерения позволяет оп-
ределить номер / участка аппроксимации и выбрать меры в нача-
ле и конце этого участка. При этом требуется m+d образцовых
мер.
Рис. 3.9
Таким образом рассмотренный
метод позволяет осуществлять кор-
рекцию всех составляющих погреш-
ности, но уменьшение нелинейной
составляющей может требовать зна-
чительного числа мер. Обычно этот
метод используется для измерения
величин, для которых легко создать
образцовые меры.
Итерационные методы. Эти мето-
ды относятся к методам обратных
преобразований, так как в них ис-
пользуется высокоточный ЦАП, с
помощью которого выходной цифро-
вой сигнал преобразуется в физиче-
скую величину, однородную с изме-
ряемой, и подается на вход (рис.
3.9). Эти методы называются итера-
ционными, так как в них осущест-
вляется последовательное прибли-
жение результатов измерения к ис-
тинному значению величины. Су-
ществует много разновидностей ите-
рационных методов. Рассмотрим од-
ну из распространенных.
В соответствии с приведенным
алгоритмом (рис. 3.10) сначала про-
изводится преобразование измеряе-
мой величины х. Полученное значе-
ние у запоминается, а ко входу из-
мерительного устройства (ИУ) под-
ключается выход обратного преоб-
разователя. Затем' при первом шаге
итерации (i=l) величина уСкоро = У
поступает на обратный преобразова-
тель (F-1H — функция его передачи,
обратная функции FH). Полученная
величина xf=i преобразуется ИУ в
у,=1 и вычисляется уСкор1 — первый
скорректированный результат, ко-
Рис. 3.10
торый запоминается. При втором'
шаге итерации он поступает на обратный преобразователь и про-
цесс-повторяется. Общий алгоритм вычисления i-ro скорректиро-
ванного результата: уСкор i=Ускор i-i—yt + y— из предыдущего скор-
ректированного результата вычесть результат последнего преобра-
зования и прибавить результат первого преобразования.
Рассмотрим процесс коррекции погрешности ИУ при наличии
аддитивной и мультипликативной составляющих, пренебрегая
погрешностью высокоточного ЦАП. В соответствии с рис. 3.7 при
57
япЪдаче на вход ИУ измеряемой величины х получим y = Fp(x) —
= a+x(l+b), в то время как при отсутствии погрешности имели
«бы yn = Fn(x) =х. Соответственно погрешность составит Л=у—уи =
= а+Ьх. При первом шаге итерации: Xi=F~\(yCKOp0) =р-1я(у) =у-
Jfi=Fp(xi) =a+xi(l+b); z/«opi = z/скоро—У1+у = 2у—yi=x—(а +
+xb)b. Погрешность первого шага итерации составит ACKopi =
= г/скор1—т/н = — (a+xb)b, т. е. при Ь<1 уменьшилась по сравне-
нию с погрешностью А в 1/Ь раз. При втором шаге итерации: х2=
F н (Т/скор1) = I/скорГ,. i/2 = ^P(^2) = И + Х2 ( 1 + Ь) J Йскор2 = Ускор!—У2~\~
+у=х+ (a+xb)b2. Погрешность результата второго шага итера-
ции составит Аскор2=Ускор1—Ун= (a+xb)b2, т. е. уменьшилась по
•сравнению с начальной в 1/Ь2 раз. Если продолжить итерации, то
можно убедиться, что для п шагов итерации погрешность умень-
шится в 1/Ьп раз. Если, например, b = 0,1, то для трех шагов ите-
рации получим уменьшение погрешности в 103 раз, т. е. процесс
.итерации быстро сходится.
В [4] показано, что итерационный метод позволяет корректи-
ровать и нелинейную составляющую погрешности.
При применении итерационных методов результирующая пог-
решность практически определяется погрешностью обратного пре-
образователя. Это позволяет использовать в прямой цепи весьма
грубые преобразователи. Наличие образцового обратного преоб-
разователя делает этот метод похожим на метод уравновешиваю-
щего преобразования. Однако в последнем, как уже отмечалось,
ше Осуществляется коррекция аддитивной составляющей погреш-
ности прямой ветви.
Тестовый метод. Этот метод основан на дополнительных изме-
рениях с использованием специальных измерительных сигналов —-
тестов, аддитивных и мультипликативных. Аддитивный тест фор-
мируется в виде суммы Ai(x)=x + 0f, где 0f — постоянная состав-
.ляющая, не зависящая от х, мультипликативный формируется в
виде произведения А{(х)=М\ где ki — независимый от х коэф-
фициент преобразования (например, реализуемый путем усиления
величины х в k раз). Иначе говоря, указанные тесты получаются
в результате преобразований самой измеряемой величины х. Важ-
ным преимуществом тестового метода является возможность
уменьшения числа требуемых тестов при кусочно-полиномиальной
аппроксимации характеристики преобразования, так как тесты
функционально связаны с измеряемой величиной и переносятся
вместе с ней на нужный участок аппроксимации. Наиболее прос-
то это поясняется на примере кусочно-линейной аппроксимации,
получившей наибольшее распространение. Характеристика преоб-
разования на /-м участке описывается уравнением у = ац+а2]Х
(/=1, 2, ...; т), где т — число участков (рис. 3.7). При линейной
аппроксимации необходимо иметь два теста Ai(x) и Аг(х), адди-
тивный и мультипликативный, дополнительные преобразования ко-
торых позволяет определить неизвестные параметры и а2з. Ре-
шая систему уравнений
58
Уо = A J 4~ Aj ’
У1= aij 4~ a2j (х) I
У 2 ~ A j “Ь А? ^2 W>
получим алгоритм тестового метода при кусочно-линейной аппрок-
симации: *
у = У1 А2 (х)~У2 Ai (х) t х Уг — У!
° AW —A.W А (х)—А (х)
На рис, 3.11 приведена структурная схема измерительного уст-
ройства, работающего по данному алгоритму с одним аддитивным
и одним мультипликативным тестами. Процесс измерения состо-
ит из трех тактов. В первом ключи Ki и Кг разомкнуты, а Кз-
замкнут и на вход измерительного устройства поступает измеряе-
мая величина х. На втором также замыкается ключ Ki и на вход
поступает аддитивный тест х.+0. На третьем такте Кг замыкает-
ся, а остальные размыкаются, подключая на вход измерительного
устройства мультипликативный тест с величиной kx. Результаты:
Уо, Уь У2 преобразований поступают с выхода измерительного уст-
ройства в вычислительное, реализующее алгоритм, который может-
быть получен из указанного постановкой Л1(х)=х+0 и А2(х)=-
= kx:
' х= У2—У0 е
. У1 — Уо k~l
•Отметим, что данный метод является универсальным. Как и>
метод образцовых мер, он позволяет уменьшить аддитивные и
мультипликативные составляющие, а также составляющую пог-
решности, связанную с нелинейностью характеристики преобра-
зования. Его достоинством по сравнению с остальными структур-
ными методами является отсутствие требования большого числа
Рис. 3.11
59 •
«образцовых мер, а также отключения измеряемой величины от
входа прибора, что важно при измерении некоторых неэлектричес-
ких величин. Более подробно со структурными методами умень-
шения погрешностей можно ознакомиться в [5, 6] .
Глава 4. ПОГРЕШННОСТИ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
ИЗМЕРЕНИЙ
4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ
Результат измерения, т. е. значение величины, найденное путем
-ее измерения, всегда содержит погрешность. Из повседневного
опыта' ясно, что малой погрешностью можно пренебречь, но при
этом возникает вопрос: как оценить погрешность, и, как следст-
вие, какую погрешность можно считать малой. Это и составляет
смысл теории и практики обработки результатов измерений.
Погрешность измерения проявляется в совокупной виде, т. е.
•на практике присутствует суммарная погрешность, обусловленная
рядом факторов, влияющих на процесс измерения. Первым шагом
«а пути изучения погрешностей является классификация состав-
ляющих суммарной погрешности, выявление закономерностей и
причин появления этих составляющих с целью нахождения спо-
собов уменьшения их влияния на результат измерения.
Для классификации необходимо ввести критерий, в соответст-
вии с которым суммарную погрешность можно разделить на сос-
тавляющие. Далее будут рассмотрены наиболее распространенные
’классификационные признаки и соответствующие им составляю-
щие суммарной погрешности. Отметим, что эти критерии не явля-
ются единственно возможным и носят условный характер. Этим
объясняется многочисленные попытки ввести новые подходы к
классификации (например, рекомендации 70-й ‘сессии Междуна-
родного комитета мер и весов (МКМВ) в 1981 г., где классифи-
кационным признаком предлагалось считать возможность или не-
возможность определения погрешностей статистическими метода-
ми). Естественно, что рассмотрены будут те классификации, кото-
рые нашли отражение в нормативно-технической документации и
утвердились в научно-технической литературе.
Для проведения любого измерения должен быть выбран метод,
•средства измерения и оператор, следовательно, по источникам
возникновения различают методические, инструментальные
и субъективные погрешности. Методические погрешности возника-
ют из-за несовершенства метода измерения, что может быть след-
ствием недостаточного знания теории явлений, положенных в ос-
60
кову измерения; из-за приближенности используемых для оценки
измеряемой величины соотношений; из-за несоответствия метода;
из-за ограниченности материальных ресурсов; из-за несоответст-
вия алгоритма измерения Методу и т. п. Как правило, методичес-
кие погрешности можно уменьшить в результате теоретического
исследования метода и аналитических зависимостей, описывающих
объект измерения, что приводит к улучшению метода или выводу
о необходимости его замены. Инструментальные погрешности за-
висят от погрешностей применяемых средств измерений и чаще
всего проявляются в том, что аппаратура не точно выполняет те
операции, которые заложены в методику измерения; характеристи-
ки аппаратуры имеют разброс параметров от экземпляра к экзем-
пляру, за счет старения элементов и т. п. Субъективные погреш-
ности обусловлены индивидуальными особенностями оператора,
проводящего измерения, его утомляемостью, условиями работы.
Конкретным проявлением этих погрешностей являются погреш-
ности отсчитывания, интерполяции при отсчитывании, от парал-
лакса. Совершенствование конструкции отсчетных устройств
средств измерений приводит к их уменьшению.
Как известно, измерение — нахождение значения физической
величины опытным путем с помощью специальных технических
средств — предполагает сравнение измеряемой величины с одно-
родной с ней физической величиной, значение которой принято за
единицу, преобразование к виду, удобному для сравнения, и фик-
сацию результата сравнения. Отсюда основными составляющими
процесса измерения являются: воспроизведение единицы, преобра-
зование сигнала об измеряемой величине, сравнение и фиксация.
Поэтому важным признаком классификации являются состав-
ляющие измерения, в соответствии с которыми различают:
погрешность меры, под которой понимают разность между номи-
нальным значением и истинным значением воспроизводимой ею
величины; погрешность преобразования-, погрешность сравнения-,
погрешность фиксации результата сравнения.
Погрешность СИ входит составной частью в суммарную пог-
решность измерения и учитывается как инструментальная пог-
решность (см. гл. 2 и 3).
Классификация погрешностей измерений и средств измерений
отражена в табл. 4.1.
В заключение отметим одно направление метрологической дея-
тельности, особенно важное при проведении больших объемов'из-
мерений в различных условиях, что характерно для техники свя-
зи. На практике часто оказывается, что погрешность СИ состав-
ляет малую долю погрешности результата измерений. В то же
время вся сложная и дорогая, измерительная техника нужна толь-
ко, для получения результатов измерения, к точности которых
предъявляются определенные требования, и поэтому зачастую за
точность результатов измерений ощибочно принимают погреш-
ность применяемых СИ. Это приводит к большим экономическим
потерям, так как не отражает реального состояния объекта изме-
61
Таблица 4.1. Классификация погрешностей измерений и средств измерений
Классификационный признак Виды тЖгрешиостей
Измерений 1 Средств измерений
Источник возникновения Методическая Инструментальная Субъективная 1 1 1
Составляющие измерения — Меры Преобразования Сравнения Фиксация результата срав- нения
Условия применения средств измерения: нормальные рабочие — Основная Дополнительная (меры, из- мерительного преобразова- теля, изменение показаний под действием" влияющей величины)
Характер поведения из. меряемой величины в процессе измерения — Статическая В динамическом режиме Динамическая
Способ выражения Абсолютная Относительная Абсолютная: меры, измери- тельного преобразователя, прибора. Относительная: меры, изме- рительного преобразователя, прибора. Приведенная измерительно- го прибора
Характер проявления 4 Систематическая Случайная Грубая Систематическая Случайная
рений. Эффективным способом решения комплекса задач по йра-г
вильной оценке Погрешностей результатов измерений является
применение единых, хорошо проработанных методов измерений и .
обработки результатов> т. е. стандартизация методик выполнения
измерений и обработки полученных результатов. Следование ме-
тодике измерения позволяет официально признать правильным по-
лученный таким образом результат измерения. В этом заключает-
ся правовая сущцОсть методики измерения.
Методикой ^Мерений называют не только совокупность требо-
ваний к методам, средствам, условиям и алгоритму измерений, но
и сам нормативно.техниЧеский документ, в которой эти требова-
ния сформулироваНЬ1. Методики измерений стандартизуют или ат-
62
тестуют в соответствии с ГОСТ 8.010—72, в котором регламенти-
рованы порядок аттестации и оформления ее результата, а так-
же требования к содержанию стандартов и аттестатов методики
измерения. Аттестация методики — это метрологическое исследо-
вание точности измерений с целью определения соответствия за-
данным требованиям. Соблюдение методики измерений позволяет
еще до измерения знать оценки погрешностей или алгоритмы их
получения с использованием данных,, характеризующих условия
измерения. Поэтому йсем министерствам и ведомствам постанов-
лением Советом Министров СССР № 273 от 4.04.1983 г. вменено
в обязанность обеспечивать унификацию и стандартизацию мето-
дик измерения и проводить работы по оценке погрешностей изме-
рений с необходимой точностью.
4.2. СИСТЕМАТИЧЕСКИЕ ПОГРЕШНОСТИ
Исключение систематических погрешностей — одна из глав-
ных задач при планировании, подготовке, проведении измерений
и обработке их результатов. На этапе планирования и подготов-
ки принципиальным является выбор метода и средства измерений,
определение источников и разновидностей систематических пог-
решностей и при необходимости — осуществление- мероприятий
по уменьшению влияющих факторов (термостатирование, экрани-
рование и т. д.).
Для исключения систематических погрешностей в процессе из-
мерения применяют ряд способов, которые были рассмотрены в
гл. 2 и 3 при оценке погрешностей СИ. Эффективным способом
уменьшения систематических погрешностей является их рандоми-
зация, т. е.- перевод в случайные. Например, если измерять нап-
ряжение несколькими вольтметрами 'разных типов одновременно
и усреднять результаты наблюдений, то можно ожидать, что сис-
тематические погрешности (методические и инструментальные),
присущие каждому прибору вследствие случайного выбора при-
боров, в какой-то мере скомпенсируются. Этого же эффекта мож-
но добиться, изменяя случайным образом методику и условия экс-
перимента или параметры, от которых зависит не значение изме-
ряемой величины, но могут зависеть систематические погрешности
этой величины.
Во время обработки результатов наблюдений обнаруживаю^ и
оценивают те систематические погрешности, которые не удалось
исключить, и в результат измерения вносят поправки.
Но любые методы, как правило, не позволяют полностью • иск-
лючить систематическую составляющую погрешности, поэтому на
практике всегда остается неисключенная составляющая результа-
та измерения и встает задача оценки этих погрешностей. Спосо-
бы оценки неисключенной систематической составляющей пог-
решности результата измерения регламентируются ГОСТ и будут
рассмотрены далее. ,
63
4.3. СЛУЧАЙНЫЕ ПОГРЕШНОСТИ
Случайные погрешности вызываются большим числом неизве-
стных причин, действие которых на каждое наблюдение различно-
и не может быть учтено заранее. Хотя исключить случайные пог-
решности нельзя, теория случайных явлений позволяет уменьшить-
влияние этих погрешностей на результат измерения. Далее будет-
показано, что для этого необходимо провести серию (группу) наб-
людений, причем чем меньшее значение погрешности допустимо-
оставить неисключенной, тем больше должна быть эта серия..
Нужно четко понимать, что если случайная погрешность, получен-
ная для- серии измерений, окажется значительно меньше погреш-
ности, определяемой классом точности прибора, то, очевидно, нет-
смысла пытаться еще уменьшать значение случайной составляю-
щей погрешности: все равно результаты измеренйи не станут от-
этого точнее. И, наоборот, если случайная погрешность больше ин-
струментальной, то следует произвести ряд наблюдений, чтобы:
уменьшить влияние случайной погрешности измерения и сделать-
эту погрешность меньше или одного порядка с погрешностью при-
бора.
Рассмотрим, как проявляют себя случайные погрешности, по-
лагая, что в результатах наблюдения исключена систематическая
составляющая погрешности, т. е. имеем дело с исправленным ре-
зультатом наблюдений . Пусть проводится прямое измерение ка-
кой-либо неизменной величины А. Так как в каждом наблюдении
присутствует погрешность, то эти результаты отличаются от ве-
личины А. Обозначим результат i-ro наблюдения а<=А+Даг, где
Аа, — абсолютная погрешность t-ro наблюдения. Наглядное пред-
ставление о поведении результатов наблюдений, содержащих слу-
чайную погрешность, дает полигон или гистограмма, являющиеся
графическим отображением статистического ряда [1]. На рис. 4J1
показаны гистограмма (штриховая линия) и полигон (сплошная
линия), которые при увеличении числа наблюдений (в пределе
и—>оо) и уменьшении интервалов (А,-*-0) вырождаются в плот-
ность распределения. *
Рассмотрим, как связано распределение результатов наблюде-
ний, содержащих случайную погрешность, с распределением самой
случайной погрешности. Так как результат i-ro наблюдения и со-
держащаяся погрешность связаны соотношением Aai = a{—А, то
каждый результат наблюдения и погрешность этого наблюдения
отстоят на постоянную величину, а значит, на эту величину сдви-
нуты и распределения, тйк как прибавление постоянной величины
к случайной не меняет характера распределения. Таким образом,
распределение погрешностей Аа» и результатов наблюдения at те
же, но сдвинуты по оси абсцисс друг от друга на величину А, как
* Исправленный результат наблюдения (измерения) — результат наблюдения
(измерения), полученный после внесения поправок в неисправленный результат
(ГОСТ 8.207—76, приложение № 3).
64
Рис. 4.1
Рис. 4.2
Рис. 4.3
это показано на рис. 4.2. Вид самого распределения — объектив-
но существующая и наиболее полная характеристики случайной
величины. На практике для описания распределения пользуются
стандартными аппроксимациями. ГОСТ 8.011—72 для аппроксима-
ции функций распределения плотности вероятностей случайных
погрешностей рекомендует применять следующие стандартные
функции: нормальную (усеченную нормальную), треугольную
(Симпсона), трапециевидную, равномерную, антнмодальную 1, ан-
тимодальную 2, Рэлея. Эти распределения показаны на рис. 4.3.
Задача обработки результатов измерений в технике ставится
следующим образом. На основе теории статистической обработки
по конечному числу результатов наблюдений, которое редко бы-
вает большим, находят оценки параметров распределения, кото-
рое, как правило, считается известным из практических соображе-
ний. Обычно достаточно бывает найти оценку истинного значения
и разброса, характеризующую плотность группировки вокруг ис-
тинного значения.
Оценки — это наилучшие в каком-то смысле приближения к ис-
комой величине, которые можно получить в данной конкретной
реализации из-за неопределенности за счет случайного характера
результатов наблюдений. Не останавливаясь подробно на свойст-
вах оценок, которые рассматриваются в математической статисти-
ке [1, 10], отметим, что оценки должны обладать следующими
свойствами: несмещенности — математическое ожидание оценки
равно оцениваемому параметру; эффективности — при. заданном
числе измерений п оценка имеет наименьшую дисперсию по срав-
нению с любыми другими; состоятельности — при числе измере-
3—10 65
ний, стремящемся к бесконечности, оценка по вероятности стре-
мится к оцениваемому параметру.
Задачу оценки параметра можно разделить на две части: во-
первых, определить, какую величину, подсчитанную по имеющей-
ся выборке, принять в качестве значения параметра распределения
(точечная оценка), и, во-вторых, найти интервал вокруг этой ве-
личины, в котором с заданной надежностью будет заключен иско-
мый параметр (интервальная оценка). Оценки будем обозначать
теми же буквами, что и оцениваемые параметры, но со значком
тильда, например оценка истинного значения А будет обозначать-
ся А.
Оценка случайных погрешностей прямых измерений при нор-
мальном распределении результатов наблюдений. Как показыва-
ет опыт, наиболее часто результаты реального физического изме-
рения распределены по закону, который может быть аппроксими-
рован нормальным. Плотность распределения результатов наблю-
дений в этом случае может быть записана в виде
/ \ 1 г [«£—М (а,)]2 ) /л
* р = 17т—г ехр { ~ 0 2 ~ ’ (4-
JZ 2 ла2 I 2 a2 J
где Af(ai)'i — математическое ожидание; о2 — дисперсия.
Математическое ожидание представляет значение, относитель-
но которого происходит разброс случайных величин, и является
абсциссой оси симметрии кривой нормального распределения.
Дисперсия характеризует разброс случайных величин вокруг ма-
тематического ожидания. Пусть проведено п случайных наблюде-
ний величины А. Запишем эти результаты в виде
= Д + А а)( а2== Д + Л а2> - , ап = А + Л ап. (4.2)
Суммируя почленно левые и правые части равенств (4.2), полу-
чаем
3 аг = п Д-f- У] Ааг. (4-3)
(=1 ’i=l
Путем простых преобразований найдем из выражения (4.3) то-
чечную оценку истинного значения:
Д= J- V цг-А 2 Ааг. (4.4)
« i=i п i=i
Если число наблюдений достаточно велико (строго говоря, п—>оо),
то в силу нормальности распределения абсолютные погрешности
одинаковой величины, но с разным знаком, встречаются одинако-
во часто (плотность распределения симметрична относительно
математического ожидания), а значит, второй член в правой час-
ти равенства (4.4) будет равен нулю, т. е.
Jim — у Аа;==О. (4-5)
. «-♦» П (=1
66
Таким образом, из (4.4) следует, что при бесконечно большом
числе наблюдений истинное значение измеряемой величины рав-
но среднему арифметическому значению всех результатов наблю- .
дений:
А= — V ai = a = A . (4.6)
П-*оо П
Смысл выражения (4.6) в следующем: точечной оценкой ис-
тинного значения измеряемой величины в случае нормального
распределения является среднее арифметическое. Но на практике
число наблюдений не бесконечно. Рассмотрим подробнее связь
между истинным значением измеряемой величины Л и ее точечной
оценкой — средним арифметическим значением А = а. Чем мень-
ше число наблюдений п, тем больше величина а зависит от от-
дельных результатов наблюдений, но так как результаты наблю-
дений — случайные величины, то среднее арифметическое по ко-
нечному числу наблюдений также будет случайной величиной.
Обозначим через Ad отклонение точечной оценки от истинного
значения;
Аа = А—А=А — а. (4.7)-
Из (4.7) видно, что из-за случайности средних случайными будут
и отклонения Ad. Однако с увеличением числа усредняемых значе-
ний влияние величины каждого отдельного наблюдения на сред-
нее значение а становится меньше, т. е. оценка А обретает так на-
зываемую статистическую устойчивость, а значит, отклонение
оценки от истинного значения Ad меньше зависит от величин от-
дельных наблюдений. По смыслу Ad — та погрешность, которую
мы допускаем, взяв вместо истинного значения 'его оценку —
среднее арифметическое а. Эта погрешность, как было уже отме-
чено, тоже случайная и также описывается нормальным распре-
делением с нулевым средним, но с другой дисперсией о2-:
2 . 2
р(Ац) = (2ЗТО^)->/2ехр[-(Аа)2/2ог]. (4.8)
Нормальность распределения Ad можно строго доказать на ос-
нове центральной предельной теоремы Ляпунова *>. Из (4.7) оче-
видно, что среднее а также распределено по нормальному здкону
с той же дисперсией о2—. Выразим дисперсию о2^ через диспер-
сию результатов наблюдений о2. Среднее есть линейная комбина-
ция независимых случайных величин а,; дисперсия линейной ком-
* Эта теорема утверждает, что сумма большого числа независимых случайных
величии подчиняется нормальному закону даже- тогда, когда слагаемые ие обя-
зательно распределены по нормальному закону. Поэтому (4.8) справедливо в бо-
лее широком смысле, чем рассматриваемом. Эта теорема справедлива, если ни
одно из слагаемых ие доминирует над другими.
3* х 67
бинации независимых случайных величин может быть выражена
через дисперсии слагаемых [1] в следующем виде:
(1 п \ | п t 2
- I] fli=T 2 T. e. ol=— . (4.9)
n / И2 n2 a n
Таким образом, дисперсия среднего и^ п наблюдений в п раз
меньше дисперсии результата наблюдения. Иными словами, если
за результат измерения принять единично'е наблюдение, то раз-
брос такой оценки будет характеризоваться дисперсией о2, а если
усреднить результаты наблюдений и принять среднее по п наб-
людениям за оценку измеряемой величины, то дисперсия ее будет
о2-.
а
Введем понятие доверительного интервала (А—е; А + е), в ко-
торый попадает результат измерения с заданной вероятностью
Рсл. Доверительный интервал — величина неслучайная и его мож-
но рассматривать в качестве допустимого значения погрешности
измерения величины А, т. е. Л=А±е с вероятностью Рс~. Ясно,
что чем больше размер доверительного интервала е, тем с боль-
шей вероятностью в доверительный интервал попадает значение
измеряемой величины. С другой стороны, чем больше разброс,
характеризуемый дисперсией распределения оценки, тем меньше
доверительная вероятность при том же значении доверительного
интервала, как это видно из рис. 4.4. Вероятность попадания в ин-
тервал равна площади под кривой, и в случае меньшей дисперсии
эта площадь больше. Связь между доверительной вероятностью
и доверительным интервалом можно выразить соотношением
e = ko— (4.10)
где k — коэффициент, который находят по интегралу вероятнос-
тей:
ф (£) = 2 (2 л)-1/2 j ехр ( —= Рсл-
о \ 2 ’
Этот коэффициент табулирован и его можно найти, задавшись до-
верительной вероятностью Рсл (приложение I). \
Но для определения доверительного интервала по (4.10) неиз-
вестна дисперсия о — , а ее нужно выразить через результаты наб-
людений, т. е. самое большее, что можно сделать, — это найти
ее оценку. Так как мы считаем
р' функцию распределения результа-
тах тов наблюдений известной, то для
о >е нахождения оценки дисперсии мож-
2 1 но воспользоваться методом макси-
мального правдоподобия [10, 11].
Вероятность получить результат на-
---------* блюдения в интервале ai±0,5Ai рав-
на p(a.i, А, о)Аг, где /?(•)—плот-
Рис. 4.4 ность распределения результатов
68
наблюдений, зависящая от о — дисперсий и А — истинного значе-
ния измеряемой величины. Так как результаты наблюдений неза-
висимы, то вероятность получить все п результаты в этом интер-
вале равна
п
П Pi (fli, А, о) Дг. (4.11)
£=1
Смысл метода максимального правдоподобия заключается в
том, что за оценку параметра распределения берут то его значе-
ние, при котором вероятность Р будет максимальной. Для этого ча-
стную производную Р по оцениваемому параметру приравнива-
ют к нулю, т. е. находят значение параметра, соответствующего
экстремуму. Для упрощения, так как постоянные сомножители не
влияют на положение экстремума, рассматривают только произ-
ведение функций р, которое называют функцией правдоподобия:
п
L (аг ... ап, А, о) = J] Pi (ai - «п, А, о).
£=1
В рассматриваемом случае
Pi (Ч, А, ст) = (2 по2) 2 exp £ — (Oi2J)2
Поэтому
п
L — (2 по2) 2 ехр
(Й;-Л)2
Функция L будет максимальна при -^-=0, т. е.
д о2
— = _ + -Ц 2 (й,—Л)2 = о
о2 2 о2 2 о4
о2=-L (йг-Л)2.
п <=|
(4.12)
(4.13)
(4-14)
(4.15)
(4.16)
(Для упрощения математических выкладок обычно максими-
зируют In L, так как г/ = 1пл — строго возрастающая функция.)
Полученная оценка дисперсии применима только в тех случаях,
когда точно известно математическое ожидание, например, когда
разброс показаний измерительного прибора оценивают, проводя
ряд измерений точно известной величины. На практике определе-
ние измеряемого параметра является целью измерений и самое
большее, что’о нем можно узнать — это оценку. Заменим в (4.16)
неизвестное значение А его оценкой а:
„ 1 п _
о2= — 2 (й;-й)2. (4.17)
69
Оценка (4.17) является состоятельной, но смещенной. Получим и
состоятельную и несмещенную оценку дисперсии. Для этого най-
дем выражение, связывающее оценки (4.16). и (4.17); преобразу-
ем квадрат суммы (4.16):
S (аг—Л2) = J K«i—а) + (а—Л)]2 = 2 (а~о)2 + 2
1=1 i=l 1=1 i=l
-Л)2 + 2 2 (а-Л)(а{-а) = 2 (аг-а)2 + п (а-Л2Н-
L 1=1 1=1 .
+ 2 (а—А) 2 («;—«)•
1=1
Так как сумма отклонений результатов наблюдений от своего сред-
п
него по определению равна нулю: S (а,—а)=0, то получим
i=l
2 («.—И)2= 2 (аг—Л)2-п (а-Л)2 (4.18)
i=i i=i
или
. -±_ 2 («г-а)2= — 3 (а,—Л)2~(а—Л)2. (4.19)
« 1=1 п &
Отсюда следует, во-первых, состоятельность оценки о2:
-1 У («—«)2 —-а2, (4-20)
п п->0°
так как слагаемые в (4.19) сходятся по вероятности
— 2 (ai—Л)2 —Р-* О2 ; (а—Л)2 —Р-> О,
п ZJ ' * ' п-+ао ' п-*ос
1=1
и, во-вторых, выражение (4.19) позволяет найти математическое
ожидание оценки о2 и убедиться в том, что она смещена:
М — V (аг—aj2 = — М У (аг—Л)2— М (а—А)* =
« 1=1 «
= — по2 (аг)—о2 (а) = о2 (аг)—о2 (а). (4.21)
И
Но в соответствии с (4.19) а2 (а) — о2 (at) [п. Тогда
М [о2] = о (аг) — а2 (аг)/п = (п —-1) а2/п. (4.22)
Для Получения несмещенной оценки достаточно (4.22) умножить на
величину п[(п—1) и тогда
S2= У (аг—а)2 . ' • (4-23)
п—1 i=i
70
Эта оценка, по-прежнему состоятельная, так как множитель
п/(п—1) стремится к 1 при п->-оо, называется выборочной или эм-
пирической дисперсией, т. е. ее значение вычисляется по резуль-
татам наблюдений. Но так как точечной оценкой истинного значе-
ния является среднее * а, которое также является случайной ве-
личиной с дисперсией о2-, связанной с дисперсией результатов на-
блюдений о2 выражением (4.9), то оценка дисперсии S2(A):
= S1 (Я) = 3 (о, - . (4.24)
Вернемся к определению величины доверительного интервала
е, который был введен формулой (4.10). Теперь в это выражение
вместо неизвестной дисперсии серии можно подставить ее оценку
(4.24), полученную по данным наблюдений. Но при малом числе
наблюдений оценка сама будет случайной величиной, следователь-
но, будет случайной величиной и доверительный интервал, а это-
го не может быть по определению. Поэтому (4.10) справедливо
лишь при известной дисперсии. ПрЦ неизвестной дисперсии (т. е. в
реальном случае, когда число измерений не бывает большим) вво-
дят новый коэффициент ta (п) — коэффициент Стьюдента.
Рассмотрим случайную величину
t = (А = A a/S (Л). (4.25)
Эта величина — отношение двух случайных величин, и ее распре-
деление есть совместная плотность, равная произведение' функций
распределения S (А) и Ad. Опуская вывод, который можно найти
в [1, Ю], получаем функцию распределения этой величины t, на-
зываемую распределением Стьюдента:
p(t, n) = Bn[l+
где Вп = Г /Уп (п—0 Г — нормирующий множи-
тель, необходимый для того, чтобы площадь под кривой (рис. 4.5)
равнялась единице; Г(-) —
гамма-функция.
Из (4.26) видно, что рас-
пределение Стьюдента опреде-
ляется параметром п — числом
наблюдений и не зависит от не-
известных значений А и о—#
Отметим, что ,в некоторых слу-
чаях распределение Стьюдента
записывают как функцию чи-
(4.26)
* Эту оценку можно получить также формально при помощи метода максималь-
ного правдоподобия, если взять частную производную ----=0.
да
71
ела степеней свободы k, равного k = n—1. На рис. 4.5 показаны
кривые плотности распределения Стьюдента для разных значений
п. При п->-оо распределение Стьюдента переходит в нормальное.
Поскольку p(t, п) —четная функция от t, вероятность попадания
t в заданный интервал ±ta равна
Р
А— а
S (л)
\ *0.
< ta = 2 j р (t, п) dt = a.
I о
(4.27)
С помощью распределения Стьюдента устанавливается связь
между доверительным интервалом е и надежностью, т. е. по задан-
ному значению интервала при данном числе наблюдений можно
установить надежность (доверительную вероятность) либо, наобо-
рот, по доверительной вероятности а и числу наблюдений находить
величину доверительного интервала:
1 е=/а(п)5(Л). (4.28)
Если сравнить (4.28) и (4.10), то видно, что в выражении (4.28)
дисперсия а-заменена своей оценкой S (А), а вместо коэффициента
k, не зависящего от числа наблюдений, стоит коэффициент 7а (п),
определяемый по распределению'Стьюдента и зависящий от п. Та-
ким образом, интервальная оценка (4.28) является функцией чис-
ла наблюдений и может быть найдена по результатам этих наблю-
дений. Коэффициент ta(n) табулирован (см. приложение II). Ва-
жно отметить, что для малого числа наблюдений (п<30) замена
ta (п) на k приводит к грубым ошибкам — к кажущемуся сужению
интервала. Например, при п=5 и а=0,99 /а(п)=4,6, a k=2,60:r
т. е. доверительный интервал для распределения Стьюдента в 1,8
раз шире, чем для нормального. При увеличении п эта разница
уменьшается, так как, как отмечалось, распределение Стьюдента
переходит в нормальное, т. е. ta(n) =k при и—>-оо.
Рассмотрим пример практического вычисления доверительного
интервала. Предварительно укажем полезный прием, облегчаю-
щий вычисления. Для .этого используются формулы:
— 1 "
а=а0Н-----2 (аг —а0)- (4.29)>
(4.30)
где а0 — «произвольное среднее», т. е. число, выбранное так, что-
бы разности а,—а0 содержали как можно меньше значащих цифр.
Тождественность (4.29) й (4.30) формулам для определения а и
S (Л) нетрудно доказать. Например,
_ 1 п 1 п пП 1 П
а= at — -Д 2 (а0 + «;-«0)=— + —2
п i=i « п п
Аналогично доказывается справедливость. (4.30)..
72 ’
Пример. Получено пять результатов наблюдений: 17,32; 17,54; 17,20; 17,67;
17,41. Требуется получить оценку измеряемой величины, считая, что результаты
наблюдений распределены по нормальному закону. Точечная и интервальная
оценки соответственно равны:
~ 1 "
А = А -|-е,
2 . В ка-
где e = t a(n)S(A) (при заданном a); S (А) =
. 1 3(а— а,-)2
п(п— 1)
честве произвольного среднего возьмем «0=17,4, результаты вычислений сведем
в таблицу:
п 1 2 3 4 S
di 17,34 17,54 17,20 17,67 17,41
Ui—ао —0,08 0,14 -0,20 0,27 0,01
(at~a0)2 0,0064 0,0197 0,04 0,0729 0,0001
Находим: а%17,428'и S(A) =0,082. Для надежности а=0,95 и п—5 по
таблицам (приложение II) находим /а(п)=2,78. Значение доверительного ин-
тервала:
е=t а (и)S(А) = 2,78 0,082 = 0,288.
Результат измерения А =117,426±0,228.
Найдем то же для надежности, большей а=0,999. В этом случае ta(n) —
= 8,61, 8=0,706, А = 17,428±0,706. Видно, что при увеличении надежности рас-
тут границы доверительного интервала, что и должно быть.
Интервальная оценка дисперсии результата измерений. В техни-
ке связи и в радиоэлектронике часто требуется определить степень
разброса какого-либо параметра, например нестабильность остаточ-
ного затухания, случайные изменения параметров или характери-
стик устройства. Было показано, что дисперсия является показа-
телем разброса, но при малом числе наблюдений её оценка — сред-
нее квадратическое отклонение — является случайной величиной,
а следовательно, необходимо выяснить степень доверия этой оцен-
ки, т. е. ввести доверительный интервал. Рекомендации по опреде-
лению доверительных границ для дисперсии и среднего квадрати-
ческого отклонения дает действующая нормативно-техническая до-
кументация (ГОСТ 11.004—74. Правила определения оценок и до-
верительных границ для параметров нормального распределения).
По-прежнему будем считать, что результаты наблюдений рас-
пределены по нормальному закону. Раньше были получены точеч-
ные оценки дисперсий:
1 " —
для результатов наблюдений S2—----------- (at— а)2~^ о2 ;
п 1 (=1
73
для результатов измерений (серия из п наблюдений)
S2 (Л) = — =------!---V (аг—а)2 —<7 4 •
v ' п п(п— 1) ^1 " а
Вычислим интервальные оценки, т. е. такой неслучайный интер-
вал, в котором точечная оценка дисперсии будет находиться с за-
данной 'вероятностью. Методика вычисления аналогична предыду-
щей: введем распределение случайной величины, связанное с дис-
персией, и определим границы, вероятность попадания в пределы
которых будет равна заданной вероятности а. Введем случайную
величину;
X2=v =^S2, (4.31)
\ а / а2
где а,—а распределена по нормальному закону; о — постоянная ве-
личина. Следовательно; и введенная величина %2 представляет сум-
му квадратов нормированных нормально распределенных величин.
В [1,, 10] показано, что такая случайная величина имеет «хи-кваД-
рат» распределение (^-распределение):
k—2
р(Х2)=[2*/2.гШр‘(х2) 2 expf-^-V - (4.32)
где k — число степеней свободы распределения, связанное с чис-
лом наблюдений соотношением k=n—1. На рис. 4.6 приведены кри-
вые х2-распределения для разных значений k. Они асимметричны,
начиная с £>2 есть максимумы при x2max—k—2. Для больших
значений k распределение х2 переходит в нормальное с математиче-
ским ожиданием V %k—1 и дисперсией 1.
Из формулы (4.31) можно, выразить: o3=foS2/x2—y2«S2, где у—
=kj%2. Границы доверительного интервала для о2 могут быть най-
дены с помощью х2;распределения, как показано на рис. 4.7, где
а — вероятность попадания в интервал (надежность), р— вероят-
ность непопадания в интервал- (01 слева от x2i и р2 справа от хМ-
Естественно, что полная вероятность a+Pi+p2=l. Если положить
вероятность непопадания в доверительный интервал слева и спра-
ва одинаковой, т. е. р1==р2= (1— а)/2, то можно записать систему
неравенств:
k
X2 = — с вероятностью 01,
k
<Х2 = — с вероятностью а+Рь
V2
(4.33)
(4.34)
Исходя из этих неравенств, можно Найти
X2i<Z<X22 или 1/у22<
^S2/o2^ l/y2i, откуда y2i=Co2/S2^y22. Вероятность выполнения
всех этих неравенств равна разности площадей (рис. 4.7) (a+Pi) —
—Pj==a. Таким образом, значение дисперсии с надежностью а бу-
дет находиться в доверительном интервале, определяемом неравен-
74
ством y21S2^o2^y22S2. Значения у2! и у22 табулированы (см. при-
ложение III). Мы нашли доверительный интервал для дисперсии
результата наблюдения. Аналогично дисперсия результата изме-
рения, состоящего из п наблюдений, может быть оценена из нера-
венств у2152(А)<о2-^722£2(ду
Пример. В серии из 7 наблюдений получено среднее квадратическое откло-
нение S2(A) =5. Интервальная оценка будет: для а=0,9 5 • 0,496^ а—^3,23 X
а
Х5, т. е; 2,49^0-^16,16; для а=0,96 5-0,345^0-^7,08-5, т. е. H,725sgo-^
а а ’ а
^35,4.
Выявление и исключение грубых погрешностей измерений. Чем
меньшее число наблюдений, тем больше влияние величины каж-
дого на результат усреднения, т. е. тем больше оценка зависит от
разброса каждого результата наблюдения. Поэтому наличие грубой
погрешности в результатах наблюдений, особенно при малой серии,
может сильно исказить оценку определяемого параметра, получа-
емую, как было показано, на основе статистического усреднения
результатов.
Грубой называют погрешность измерения, существенно превы-
шающую ожидаемую при данных условиях. На ее появление повли-
ял какой-то фактор, несвойственный условиям измерения; это да-
ет основание исключить результат, содержащий такую погрешность.
Но чтобы результат исключить, нужно установить критерий, т. е.
четко определить, что считать грубой погрешностью, а что нет. Ведь
резкое отличие от других значений может быть следствием есте-
ственного (законного для данного распределения) разброса. Дейст-
вительно, если считать, что результаты наблюдений подчинены нор-
мальному закону распределения вероятностей, они могут с опреде-
ленной вероятностью значительно отличаться от среднего. Более
того, чем больше число наблюдений, тем большее отклонение за-
конно, т. е. их вероятность согласуется с законом распределения.
Докажем это. Пусть результат наблюдения попадает в довери-
тельный интервал с вероятностью аь Вероятность не попасть в этот
интервал равна 01 = 1—аь Но при п наблюдениях вероятность по-
падания всех п результатов в тот же доверительный интервалТрав-
на а=Па1 = ап1 (как вероятность одновременного совершения п
независимых событий). Тогда вероятность непопадания в этот же
интервал при п наблюдениях 0=1—ani = [1 — (1—0i)"] = l—1 +
75
4-n.pi—...«nPi, так как PiCl, и можно пренебречь степенями вы-
ше первой. Получается, что при малых вероятность попадания в
интервал возрастает в п раз; таким образом, вероятность больших
статистических отклонений (т. е. законных для данного распреде-
ления отклонений) растет с ростом числа наблюдений. Другими
словами, чем больше п, тем большее по абсолютному Значению от-
клонение нельзя считать грубой погрешностью. Поэтому при при-
нятии решения об исключений или сохранении резко отклоняющих-
ся результатов наблюдений нужно проявить большую осторож-
ность и перед этим внимательно проанализировать условия, при ко-
торых получился резко отклоняющийся результат наблюдения.
Когда определенно известно, что резкое отклонение одного из
результатов наблюдений возникло при воздействии факторов, не
свойственных условиям получения остальных результатов, следу-
ет исправить этот результат пересчетом его для условий, при кото-
рых исключается несвойственный фактор. Если такой прием ока-
зывается невозможным, то нужно обратиться к методам статисти-
ческой оценки.
Если результаты наблюдений подчинены нормальному закону,
методы статистической оценки регламентирует ГОСТ 11.002—73.
Правила Оценки анормальности результатов наблюдений. Принцип
решения вопроса об анормальности сводится к тому, что по резуль-
татам наблюдений рассчитывается определенная функция случай-
ной величины, для которой известно распределение вероятностей.
Вычисленное по выборочным данным значение этой функции срав-
нивается с ее предельным значением, соответствующим заранее при-
нятой малой вероятности, называемым уровнем значимости. Если
при этом выясняется, что вероятность подозреваемого в анор-
мальности результата наблюдения меньше принятой, то выносится
решение, что оцениваемый результат анормален и подлежит иск-
лючению; в противном случае его считают нормальным и не исклю-
чают.
Для проверки анормальности результаты наблюдений упорядо-
чивают, т. е. записывают в виде ai^.a2^.a3... ^ап, и подсчитывав
ют среднее и среднее квадратическое-отклонение:
a = -L^at,S = -L- S (аг-а)* .
п i=l Ln —1 1=1 J
Чтобы оценить принадлежность крайних значений ап или at к
данной нормальной совокупности и принять решение об исключе-
нии или оставлении an(at) в составе выборки, находят отношение
(7п = (ап—a),IS или [71 = (а—aJ/S, (4.35)
Результаты сравнивают с величиной р, взятой из таблиц' (прило-
жение IV) для данного числа наблюдений п и принятого уровня
значимости а. Если Un^£>, то подозреваемый результат наблю-
дения анормален и может быть исключен, в противном случае его
считают нормальным и не исключают. Оценка результата fit про-
изводится аналогично.
76
Практические методы проверки нормальности распределения. До сих пор
мы считали, что случайные погрешности распределены по нормальному закону, и
в соответствии с этим строили методы обработки результатов. Как отмечалось,
хотя в большинстве случаев измерения физических величии предположение о
нормальности оправдано, бывает необходимо проверить, а так ли это в данной
конкретной ситуации. Способы определения статистических характеристик выте-
кают из основных понятий теории вероятностей. IB соответствии с этим никаких
точных утверждений о параметрах распределения по результатам наблюдения
делать нельзя. Можно лишь высказать предположение о них, т. е. выдвинуть ги-
потезу. Задача проверки гипотезы заключается в том, чтобы установить, проти-
воречит ли выдвинутая гипотеза данным эксперимента или нет. Степень соот-
ветствия между выдвинутой гипотезой и результатами наблюдений устанавлива-
ется с помощью критерия согласия.
Действующая нормативно-техническая документация [7, 8] устанавливает
правила проверки согласия распределения случайной величины, полученной по
результатам наблюдений, с предполагаемым теоретическим распределением. В
соответствии с этими документами наблюдения должны производиться в прак-
тически одинаковых условиях, исследуемая совокупность результатов должна
быть однородной. Для наблюдений должны применяться средства измерений с
ценой деления не более 0,2 от предполагаемого значения среднего квадратиче-
ского отклонения исследуемого распределения. При числе наблюдений и >1100
рекомендуется применять критерий Колмогорова и %2; если и>50, то критерий
<й2. Данные критерии позволяют проверять соответствие полученных данных ие
только нормальному распределению. При числе наблюдений л<50 нормаль-
ность их распределения проверяют при помощи составного критерия, состоящего
из двух критериев.
Критерий 1. Вычисляют отношение
14 11/2
' i — A)2
S*= —3(а.-
L п <=1
(4.36)
— смещенная оценка среднего квадратического
где
отклонения. Результаты наблюдения группы считаются распределенными нор-
мально, если справедливо неравенство di^gi^2<3<rfg^2> где и “
квантили распределения, получаемые из таблицы (приложение V) для числа
наблюдений п, q\/2 и 4—qip, причем <?i— заранее выбранный уровень значимо-
сти критерия.
Критерий 2. Можно считать, что результаты наблюдений принадлежат нор-
мальному распределению, если не более т разностей | а,—А| превзошли значе-
ние Zp/zS, где -
1/2
1 п ~
;=i .g"’1-’1’
S =
(4.37)
— оценка среднего квадратического отклонения, Zpp— верхняя квантиль рас-
пределения нормированной функции Лапласа, отвечающая вероятности. р/2 (на-
помним, что точка гР, в которой интегральная функция распределения F пе-
реходит от значений, меиыцих Р, к значениям, большим Р, Р<^(0,4), называется
квантилью порядка Р: F(zP)^P, F(zP+0) >Р). Значения Р определяются из
77
таблицы ((приложение VI) по выбранному уровню значимости q2 и числу резуль-
татов наблюдений л. При уровне значимости, отличном от приведенных в таб-
лице, значения Р находят путем линейной интерполяции.
Если при проверке нормальности распределения результатов наблюдений
группы для критерия -1 выбран уровень значимости q\, а для критерия '2— уро-
вень q2, то результирующий уровень значимости составного критерия q^qi+q2.
Если хотя бы один из критериев не соблюдается, то считают, что распределение
результатов наблюдений не соответствует нормальному.
Обработка результатов измерений, распределение которых нель-
зя считать нормальным. Результаты наблюдений, нормальность рас-
пределения которых не подтверждается, также должны обрабаты-
ваться для получения оценок измеряемой величины. Здесь можно
рассмотреть два случая. Во-первых, если удается выяснить вид рас-,
пределения результатов наблюдений и оно отлично от нормально-
го, то задачу оценивания интересующих параметров и в том числе
оценку измеряемого значения можно решить на основе принципа
максимума правдоподобия. Во-вторых, чаще всего, если распреде-
ление нельзя считать нормальным, то не удается установить и функ-
ции распределения. В этом случае предлагаются различные мето-
ды, исходя из предположения симметричности закона распределе-
ния. Общий вывод заключается в том, что за оценку измеряемой
величины для симметричных распределений практически всегда
можно, принять среднее арифметическое результатов наблюдений.
Погрешность такой оценки снижается с увеличением числа наблю-
дений в. силу предельной центральной теоремы.
4.4. СУММИРОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ
Прямые измерения. Погрешность так называемого «исправлен-
ного результата измерения» складывается из случайной составля-
ющей и неисключенной систематической погрешности. В соответ-
ствии с ГОСТ 8.207—76 считают, что неисключенная систематиче-
ская погрешность результата образуется неисключенными система-
тическими погрешностями метода, СИ и другими источниками. За
границы этих составляющих неисключенной систематической по-
грешности принимают, например, пределы допускаемых основных
н дополнительных погрешностей СИ, если случайными составляю-
щими можно пренебречь в силу их малости. При суммировании их
неисключенные систематические погрешности СИ каждого типа
рассматривают как случайные величины. Если данные о виде функ-
ции распределения этих погрешностей отсутствуют, то распределе-
ния считаются равномерными.
Границы доверительного интервала неисключенной системати-
ческой погрешности результата измерения вычисляют с помощью
композиции законов распределения неисключенных составляющих.
При равномерном законе распределения составляющих эти гра-
ницы (без учета знака) можно вычислять по формуле 6 =
78
т
=k[' S 02i]1/2, где 0i — границы доверительного интервала i-й не-
i=i
исключенной систематической погрешности; k — коэффициент, оп-
ределяемый принятой доверительной вероятностью а и числом сум-
мируемых составляющих т. Обычно используют усредненные по
т значения коэффициентов (погрешность от замены усредненными
коэффициентами точных коэффициентов не превышает 10%), при-
веденные в табл. 4.2 для т>4.
Таблица 4.2
а 0,90 0,95 0,98 0,99
k 0,95 1,10 1,30 1,40
Если т<4, то k определяются более сложно (см. ГОСТ 8.207—76).
В § 4.3 было показано, как находить границы доверительного
интервала е. ГОСТ 8.207—76 регламентирует процесс установления
границ суммарной погрешности Д. В соответствии с этим рассмот-
рим два случая: во-первых, если одна из составляющих преобла-
дает над другой, то меньшей составляющей пренебрегают, и, во-
вторых, если составляющие соизмеримы, то специальным образом
учитывается влияние каждой из них на границу суммарной по-
грешности измерения.
В первом случае рекомендуется оценивать следующим обра-
зом: если 0/5(4) <0,8, то неисключенными' систематическими пог-
решностями пренебрегают по сравнению со случайными и устанав-
ливают, что граница погрешности результата Д==е; если 0/5 (А) >
>8, то случайной погрешностью по сравнению с систематически-
ми пренебрегают и устанавливают, что граница погрешности ре-
зультата Д=0. Доказано, что при выполнении указанных нера-
венств погрешность, возникающая за счет пренебрежения одной из
составляющих, не превышает 15%.
Во втором случае, если указанные неравенства не- выполняют-
ся, то границу погрешности результата измерения находят путем
построения композиции распределений случайной и неисключенных
систематических составляющих, рассматриваемых как случайные
составляющие в соответствии с § 4.3. Если доверительные грани-
цы случайных, погрешностей найдены, границы погрешностей ре-
зультата измерения Д (без учета знака) можно вычислять по фор-
муле
A = kSs, (4.38)
где
k = (е + 0) / 5(A) +
1/2
(4.39)
79
— коэффициент, зависящий от соотношения случайной и неисклю-
ченной систематической погрешностей;
S2 =
п д2
3 -f+«а(А)
i=i л
(4.40)
— оценка суммарного среднего квадратического отклонения резуль-
тата измерения.
В простейшем случае результат измерения с указанием его точ-
ности и правильности записывают в виде: А= ... ; 0== .... ; S(A) =
= ...; п= ... ; где 0 — границы неисключенного остатка система-
тических погрешностей, определяемых по ГОСТ 8.207—76. Другие
формы представления результатов измерений регламентированы
ГОСТ 8.011—72.
Косвенные измерения. Простейшим уравнением косвенного из-
мерения является [1]
Q—F(4, В). (4.41)
где F— известная функция величин А и В, определяемых прямыми
измерениями. Переходя к оценкам этих величин и вводя в рассмо-
трение суммарную погрешность А, представим (4.41) в виде
Q 4- А = F (А -Т Ад, В Ав).
Полагая малыми Ад и Ав, разложим функцию F в ряд Тейлора:
Л|Л с /“л о\ д F . д F . Id2/7.,.
Q-f-A = F(A, В)= — Ад 4- — АвН--------Д2 +
v ' д А д В 2 д А2 А
+ ±^д2 + 2£_
2 дВ2 в дАдВ
Ад Ав И-
Отсюда сразу следует, что
Q = F(A, В), (4.42)
Дисперсия оценки Q будет минимальной, если из всех возмож-
ных оценок А и В будут выбраны те, которые имеют наименьшую
дисперсию (эффективные оценки). Эффективными будут средние
арифметические результатов наблюдения этих величин. Поэтому
эффективная оценка косвенно измеряемой физической величины
получается в результате подстановки в уравнение измерения сред-
них арифметических значений величин, определяемых прямыми из-
мерениями.
✓Представим погрешности Д в виде суммы систематической 0 и
случайной е составляющих:
А = 0 + е. , (4.43)
Тогда
© + 8 = — (6д + 8л) + д~ (9в + ев) +
О А о D
+ т S{0л+ел)2+т S(0в+ев)г+- (4-44)
80
Выражения для систематической погрешности получим, усред-
нив правую и левую части этого уравнения:
е= — еЛ+ — ев+ — — (ел + еА)2 +
д А д В 2 д А2
+ 4 ?^0в+ев)г+- <4-45)
2 О О
Отсюда видно, что при косвенном измерении систематическая
погрешность определяется не только систематическими погрешно-
стями прямых измерений. Даже при 0а=0в=О 0=И=О, и в резуль-
тат косвенного измерения нужно вводить поправку q. Ее значение
находят из (4.45). Ограничимся первыми членами разложения и
вычтем (4.45) из (4.44):
Усреднение квадрата правой и левой части этого выражения поз-
воляет найти дисперсию результата косвенного измерения:
о2 = е2 =
д F\2 , , о д F д F . д F\2 9
— е2 4-2--------ел ев+ — ) е2 =
дА) А дАдВ \д В) в
„ . / d F\.2 2 । о д F д F
где гав — коэффициент корреляции между результатами наблюде-
ний А и В; ол и ов — средние квадратические отклонения резуль-
татов измерения величин А и В. Если гЛв=0, то
и соответственно
°=+' «•«)
д F dF д F д F ,
где — <тл и — ав — частные погрешности, а — и — —функции
влияния.
’ Доверительный интервал при заданной доверительной вероятно-
сти или доверительная вероятность при заданном доверительном
t< интервале находят при большом числе наблюдений нормально рас-
пределенных независимых величин, определяемых прямыми измере-
- ниями, с помощью интегральной функции нормированного нормаль-
ного распределения Ф(&), ибо в этом случае можно считать, что
результат косвенного измерения также имеет нормальное распре-
ж деление При малом числе нормально распределенных результа-
тов наблюдений следует пользоваться функцией распределения
Стьюдента с числом степеней свободы k\ определяемым чи-
слом наблюдений при прямых измерениях, их средним квадратиче-
f ским отклонением и функциями влияния.
81
Результат косвенного измерения вместе с показателями качест-
ва .может быть записан в виде Q = Q + ^±ito; р = ..., где Р — дове-
рительная вероятность.
Совокупные и совместные измерения. При совокупных и сов-
местных измерениях искомые Qi, Q2,..., Qm и полученные в i-м
опыте в результате прямых или косвенных измерений значения фи-
зических величин A,, Bi,... связаны между собой уравнениями ви-
да Л(<21, Q2,..., Qm, Ai, Bi,...)=0, i=l, 2,..., n. После подстанов-
ки в каждое такое уравнение значений Ai, Bi,... получим
FtiQi, Q2,, Qm)=0, (4.47)
где знак равенства имеет уже чисто условный характер, ибо полу-
ченные в результате измерений коэффициенты, входящие в (4.47),
содержат погрешности. Поэтому уравнения вида (4.47) называют
условными.
Если в каждое уравнение ввести слагаемое Vi, обращающее его
в строгое тождество и называемое «невязкой», то задача будет со-
стоять в том, чтобы найти такие оценки Qi, Q2,..., Qm, при кото-
рых сумма квадратов невязок будет минимальной, т. е. в уравне-
ниях
Ft Q2, - , Qm) + Vi = 0
п
величины Vi будут удовлетворять условию min 2 v2.
i=l
Так как —Vi=Fi(Qi, Q2,..., Qm), то требование минимизации
суммы квадратов невязок можно записать в виде
min 2 v? = min 2 ^(Qi, Q2, - , Qm)-
i=i 1=1
Функция нескольких переменных F2j достигает минимума в точ-
ке, где все частные производные, ее равны нулю. Поэтому оценки
интересующих нас физических величин Q, находятся из системы
уравнений
п Я Р.
V Fj — =0, / = 1, 2, ... , т.
& д di
4.5. ПОРЯДОК ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ПРЯМЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Резюмируем основные результаты, приведенные в данной главе в
виде рекомендаций по обработке прямых измерений, так как имен-
но прямые измерения являются исходными для более сложных и
имеют самостоятельное значение.
Если выполняется измерение с однократным наблюдением, то
обычно ограничиваются указанием класса точности или иных не-
обходимых метрологических характеристик использованного СИ.
При измерениях с многократными наблюдениями обработка их ре-
зультатов проводится по-разному в зависимости от числа серий на-
82
блюдений, а также от условий и числа наблюдений в каждой се-
рии, значимости систематических погрешностей, законов распре-
деления случайных погрешностей и ряда других факторов. В про-
стейшем случае, когда выполнена одна серия наблюдений с и<15
и невозможно оценить и исключить систематические погрешности,
ограничиваются вычислением среднего арифметического результа-
тов наблюдений А (4.6) и оценки его среднего квадратического от-
клонения {4.24). Результат записывается в виде: А, а—.
Во всех остальных случаях в соответствии с ГОСТ 8.207—76 вы-
полняют следующие операции:
1. Исключение известных систематических погрешностей из ре-
зультатов наблюдений, пользуясь рекомендациями § 4.2 и гл. 2 и 3.
2. Вычисление среднего арифметического исправленных резуль-
татов наблюдений (т. е. после исключения систематических погреш-
ностей), принимаемого за результат'измерения (4.6).
3. Вычисление оценки среднего квадратического отклонения ре-
- зультата наблюдения (4.16).
4. Вычисление оценки среднего квадратического отклонения ре-
зультата измерения (4.24).
5. Проверка гипотезы о том, что результаты наблюдений при-
надлежат нормальному распределению (§ 4.3).
6. Вычисление границ доверительного интервала случайной по-
грешности (случайной составляющей погрешности) результата из-
мерения (4.38).
7. Вычисление границ неисключенной систематической погреш-
ности (неисключенных остатков систематической погрешности) ре-
зультатов измерения (§ 2.2).
8. Вычисление границ доверительного интервала погрешности
результата измерения (§ 2.4).
Указанный стандарт рекомендует также проверять гипотезу о
нормальности результатов наблюдений при уровнях значимости q
от 10 до 2% и указывать конкретно взятое значение а в использу-
емой методике. Для определения доверительных границ погрешно-
сти результата измерения доверительную вероятность (надежность)
Р принимают равной 0,95; допускается указывать границы дове-
рительного интервала для доверительной вероятности Р=0,99. В
особых случаях, например при измерениях, результаты которых
имеют значение для здоровья людей, допускается вместо Р=0,99
принимать более высокую доверительную вероятность. ГОСТ
8.011—72 устанавливает количественные показатели точности из-
мерений, способы их выражения и формы представления результа-
тов. В соответствии с этим точность измерения после обработки ре-
зультатов наблюдений должна выражаться одним из следующих
способов:
интервалом, в котором с установленной вероятностью находит-
ся суммарная погрешность измерения. В этом случае форма пред-
ставления результатов имеет вид
А; Д от Дн до Дв; Р,
83
где А — результат измерения в единицах измеряемой величины;
Д, Дв, Дн — соответственно погрешность измерения с нижней и верх-
ней границами в тех же единицах; Р— установленная вероятность,
с которой погрешность измерения находится в этих границах. На-
пример: 130 В; Д от — 5 до 7 В; Р=0,95.
При симметричном относительно результата измерения интер-
вале погрешности результата измерений представляются в виде
Л=А±Д, Р.
Числовое значение результата измерения должно оканчиваться
цифрой того же разряда, что и значение погрешности Д;
интервалом, в котором с установленной вероятностью находится
систематическая составляющая погрешности измерения, стандарт-
ной аппроксимацией функции распределения случайной составля-
ющей погрешности измерения и средним квадратическим, отклоне-
нием случайной составляющей погрешности измерения;
стандартными аппроксимациями функции распределения сис-
тематической и случайной составляющих погрешности измерения
и их средними квадратическими отклонениями;
функциями распределения систематической и случайной состав-
ляющих погрешности измерения.
При отсутствии данных о виде функций распределений состав-
ляющих погрешности результата и при необходимости дальнейшей
обработки результатов или анализа погрешностей результаты из-
мерений записываются в форме
A: A; 8(A), п, 0,
где 8(A) —оценка среднего квадратического отклонения результа-
та измерения; л —число наблюдений; 0 — граница неисключениой
систематической составляющей погрешности результата измерения,
причем если граница вычислена в соответствии с § 4.47, то следу-
ет указать доверительную вероятность Р. Оценки 8(A) и 0 могут
быть выражены в абсолютной и относительной (отнесенной к А)
формах.
Выбор способа, которым выражается точность измерения, и фор-
ма записи результата определяются назначением измерений и рег-
ламентируются соответствующими нормативно-техническими до-
кументами.
Часть II. ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ
Глава 5. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА, НАПРЯЖЕНИЯ,
МОЩНОСТИ
5.1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ТОКОВ
И НАПРЯЖЕНИЙ, источники
ПОГРЕШНОСТЕЙ
Измерение напряжений является наиболее распространенным вл
практике электрорадиоизмерений; токи измеряются реже.
Включение измерительного прибора в цепь не должно (в иде-
але) изменять режимов этой цепи, другими словами, измеритель-
ный прибор не должен потреблять мощности из измеряемой цепи.
Отсюда следует, что приборы, включаемые в цепь последователь-
но (например, амперметры), должны обладать минимальным вход-
ным сопротивлением; приборы, включаемые параллельно (вольт-
метры, осциллографы и т. д.) — максимально возможным.
Напряжение и ток являются процессами, протекающими во вре-
мени, и во времени они могут оставаться неизменными или ме-
няться. Вольтметры (амперметры) измеряют определенные интег-
ральные параметры текущего значения напряжения или тока. На-
иболее распространенными в измерительной практике являются че-
тыре параметра напряжения или тока: пиковое, среднее, средне-
выпрямленное, среднеквадратическое. Далее для определенности*
будет говорить о параметрах напряжения — это же однозначно от-
носится к токам.
Пиковое значение — наибольшее или наименьшее значение сиг-
нала за время измерения:
Um = max {«(/)}, (5-1)
т
где max — операция нахождения максимального (минимального)
т ' , .
значения сигнала u(t) на интервале измерения Т. Это операция ин-
тегральная в том смысле, что для ее осуществления необходим ана-
лиз и запоминание в течение времени измерения Т.
Среднее за время измерения Т значение определяется выраже-
нием
1 о
По смыслу среднее значение — это постоянная составляющая,
сигнала u(t) за время измерения Т. Графически это среднее зна-
85.
пение за время Т, равное разности площадей под и над осью вре-
мени.
Средневыпрямленное за время измерения значение определяет-
ся выражением
= dt. (5.3)
7 о
Геометрически это сумма площадей, ограниченная кривой над и
«под осью времени за время измерения Т. При таком определении
считается, что операция нахождения средневыпрямленного значе-
ния осуществляется с помощью двухполупериодного детектора
средневыпрямленных значений. При однополярном измеряемом на-
пряжении Uср и Ucp.e равны между собой.
Отметим, что в измерительной практике используется и однопо-
лупериодное детектирование (положительных и отрицательных зна-
чений). Если нет специальных оговорок, то выпрямление считает-
ся двух'полупериодным.
Среднеквадратическое за время измерения значение определя-
ется выражением
(5-4)
' 1 о
Квадрат среднеквадратического значения напряжения численно
равен средней мощности, рассеиваемой на сопротивлении 1 Ом.
Связь между рассмотренными параметрами описывается тремя
коэффициентами:
амплитуды (пик-фактор), равным отношению пикового значе-
ния к среднеквадратическому:
Ka=tW; (5.5)’
формы (форм-фактор), равным отношению среднеквадратиче-
«с.кого значения к средневыпрямленному:
КФ=и/исР.в; (5.6)
. усреднения, равным отношению пикового значения к средне-
выпрямленному:
Ку ='Um! Uср. в. (5.7)
Для указанных коэффициентов очевидно формальное равенство
Ку=КфКа.
Кроме того, для этих коэффициентов справедливо неравенство
Знак равенства выполняется для сигналов постоянного напря-
жения и сигналов типа «меандр».
Для каждой формы физически реализуемого сигнала все три
коэффициента определены, и их значение не зависит от парамет-
ре
ров сигнала. Так, для сигнала синусоидальной формы с любой ам-
плитудой, частотой и начальной фазой:
Кф = эт/2]/й« 1,11; Ха = /2» 1,41; Ку = л/2«1,57.
Для сигнала пилообразной формы вида u(t) = UmtlT,
КФ=2//3«1,16; Ка = /3 « 1,73; Лу = 2.
Для прямоугольных импульсов со скважностью Q:
КФ = Ка = /0; Ky=Q.
Показания любого вольтметра или амперметра пропорциональ-
ны размеру одного из параметров. Вид параметра, на который ре-
агирует вольтметр, определяет название этого вольтметра. Так, пи-
ковый вольтметр измеряет размер пикового значения сигнала, т. е.
его показание пропорционально пиковому значению измеряемого^
напряжения; показание вольтметра среднеквадратических значе-
ний (квадратичный вольтметр) пропорционально размеру средне-
квадратического значения измеряемого сигнала.
Очевидно, что все рассмотренные параметры для постоянных
тока и напряжения равны между собой и аналогичные названия*
не имеют смысла для приборов постоянного тока. Такие приборы
называются просто вольтметрами (амперметрами) постоянного то-
ка или напряжения.
По классификации (ГОСТ 15094—69. Приборы электронные ра-
диоизмерительные. Классификация, наименования, обозначения)
буква указывает подгруппу, к которой относится прибор: А — ам-
перметр, В — вольтметр и т-. д. Первая цифра обозначает вид: 1 —
постоянный ток (напряжение); 2 — переменный,..., 7 — универ-
сальный прибор.
Как и любые средства измерения, вольтметры и амперметры мо-
гут реализовать метод непосредственной оценки, или метод сравне-
ния.
Рассмотрим особенности вольтметров в соответствии с реали-
зуемым методом.
Вольтметры непосредственной оценки. Эти приборы можно пред-
ставить в виде последовательно соединенных измерительного пре-
образователя и отсчетного устройства.
На вход преобразователя подается измеряемый сигнал, поД дей-
ствием которого на его выходе образуется отклик, пропорциональ-
ный размеру одного из четырех параметров сигнала на входе. На-
пример, в электромеханическом аналоговом вольтметре' средне-
выпрямленных значений входной электрический сигнал преобра-
зуется в механическую величину — угол отклонения стрелки, про-
порциональный средневыпрямленному значению. Чтобы оценить-
размер входного сигнала в принятых единицах, измерения, необ-
ходимо получить на регистрирующем устройстве показание, т. е.
снять отсчет со шкалы, проградуированной в соответствующих,
единицах. Такая модель вольтметра удобна для рассмотрения вли-
87“
х(Г) Преобразователь а Регистрирующее устройство А п
(детектор) (шкала)
Рис. 5.1
яния формы кривой напряжения (или тока) на результат измере-
ния. Для рассмотрения остановимся подробнее на процессе граду-
ировки вольтметров. Полученные при этом выводы могут быть пе-
ренесены на амперметры.
Принятая модель вольтметра представлена на рис. 5.1, где
x(t) —сигнал, подлежащий измерению; а —отклик на выходе пре-
образователя, функционально связанный с измеряемым сигналом
x(t) одним из выражений (5.1) — (5.4) в зависимости от вида пре-
образователя; Ап.— показание, снятое с отсчетного устройства.
Не останавливаясь на специфических, особенностях процесса
градуировки, можно рассмотреть этот процесс с помощью схе-
гмы на рис. 5.2. На этой схемё обозначено: Г — генератор сигнала
с регулируемым значением амплитуды; ОВ — образцовый вольт-
метр, по которому градуируются исследуемые вольтметры; Bi, В2,
В3— градуируемые вольтметры, состоящие в соответствии с при-
нятой моделью на рис. 5.1 из преобразователей и градуируемой
шкалы; Ani, ЛП2, Апз — показания соответствующих вольтметров.
Будем считать вольтметр Bi— пиковым, В2— средневыпрямленных
значений и В3 — среднеквадратических значений и соответственно
использовать в дальнейших формулах индексы 1, 2 и 3. Меняя
амплитуду сигнала на выходе генератора, мы будем менять пока-
зания образцового и градуируемых вольтметров, иначе говоря,
градуировка в данном случае заключается в том, что измеренное
образцовым вольтметром значение переносится на шкалы граду-
ируемых для различных значений амплитуды выходного напряже-
Рис. 5.2
•88
ния генератора. Но так как у градуируемых вольтметров преобра-
зователи разные, то на один и тот же сигнал генератора при од-
ном и том же показании образцового вольтметра у градуируемых,
вольтметров будут разные отклонения. Следовательно, градуиро-
вочные характеристики вольтметров с разными преобразователя-
ми будут различными.
Обычно градуировку проводят на сигнале синусоидальной фор-
мы, а шкалу градуируют в среднеквадратических значениях си-
нусоидального напряжения. В некоторых случаях градуировка
возможна и в других значениях синусоидального напряжения —
например, пиковый вольтметр градуируют в амплитудных значе-
ниях синусоидального напряжения, но тогда это специально ого-
варивается. Для схемы на рис. 5.2 это означает, что Г — генератор
синусоидального сигнала, ОВ — образцовый вольтметр, показания
которого есть среднеквадратическое значение напряжения гене-
ратора. При входном синусоидальном сигнале после проведенной
таким образом градуировки показания всех вольтметров будут
среднеквадратическим значением; т. е. для синусоидального изме-
ряемого сигнала можно записать следующие зависимости:
= U= Cj Um Sin;
^sin = ^-2 ^cp.B.sin', (5.8)1
^D3 = ^sln = C3 Usim
где Ci, C2, C3— градуировочные коэффициенты соответствующих
вольтметров. Выразим их через коэффициенты амплитуды и фор-
мы (5.6) и (5.7):
= Usin/Um sin = 1/Ка sin = 0,707;
= ^sln/^ср.в sin = Кф sin = 1,11J (5.9>
С3 ~ иsln/Usin = 1 •
В соответствии с (5.9) выражения (5.8) можно переписать в;
виде:
^п! = т sln/Ka sin» ^п2 = sin ^cp.B.sin’, >4п3 = 1 J7sin. (5.10)1
Выражения (5.10) отображают структуру показаний вольтмет-
ров, если они проградуированы в .среднеквадратических значени-
ях синусоидального напряжения. Отражением этого является своя!
градуировочная характеристика для каждого вольтметра, описы-
ваемая коэффициентами амплитуды и формы синусоидального на-
пряжения.
Теперь тремя вольтметрами, проградуированными в среднеквад-
ратических значениях синусоидального напряжения, измерим на-
пряжение произвольной формы ux(t). Каждый преобразователь в»
соответствии со своей характеристикой преобразования сформиру-
ет отклик, пропорциональный размеру параметра напряжения
89'
Mx(t) произвольной (несинусоидальной) формы, и показания трех
вольтметров могут быть записаны в виде:
* ^ni= A sin = 0,707 Um ж;
•^ns =-Кф sin t^cp.B х = 1>11 k\:p. ь ' (^.Н)
Aa^\Ux = Ux.
Из (5.11) видно, что только показание третьего вольтметра
Апз будет представлять размер параметра напряжения произволь-
ной формы, т. е. среднеквадратическое значение сигнала ux(t}.
Остальные два (Ап1 и Апг) не будут параметрами измеряемого на-
пряжения; действительно, например, АП1 было бы среднеквадрати-
ческим значением ux(t), если бы параметр Umx, «вычисляемый»
преобразователем пикового вольтметра, умножался на 1/Ках> но
в вольтметре,.проградуированном на синусоидальном напряжении,
параметр Umx «умножается» на 1/Ка sin (синусоидального напряже-
ния) и в общем случае Ка х=#Ка sin.
Рассуждая аналогично, можно убедиться, что показания пер-
вого вольтметра будут параметром измеряемого сигнала (ампли-
тудой) только, если он проградуирован в амплитудных значениях,
т. е. Ani = t/mx, 3 второго, если он проградуирован в средневыпрям-
ленных, т. е. Ап2=1/Ср.вхх.
Все сказанное позволяет сделать важный вывод:
если вольтметр проградуирован в значениях параметра, на ко-
торый реагирует его преобразователь, то показание вольтметра
при любой форме измеряемого сигнала равно размеру параметра
измеряемого сигнала. В этом случае говорят, что показания вольт-
метра не зависят от формы напряжения.
Оценим систематическую погрешность, которая получается, ес-
ли не учитывать влияния формы измеряемого напряжения. Как
показано, такую погрешность вносят первый (пиковый, програду-
ированный в среднеквадратических значениях) и второй (средне-
выпрямленных значений проградуированный в среднеквадратиче-
ских) вольтметры. По показанию первого можно определить пико-
вое значение измеряемого несинусоидального напряжения (5.10):
итх=АмКа sin- Зная итх и Ках, можно найти среднеквадрати-
ческое значение измеряемого напряжения: Ux=Umx/Ksx=AnlX
XKasin/Kax- Если пренебречь влиянием формы измеряемого нап-
ряжения, т. е. принять Ani за среднеквадратическое значение изме-
ряемого несинусоидального напряжения, то погрешность будет
равна •
А — АП1 ^nl Ка sin/Ка х = АП1 (1 Ка sin/Ka х) •
Для второго вольтметра можно получить АП2 = Кф sinl/ср.вх-
Средневыпрямленное значение измеряемого напряжения Ucp.BX=
=Ап2/Кф81п. Зная коэффициент формы измеряемого напряжения
КФх, получаем ^их=иср.ВхКфХ=АП2КфХ/Кфз1п. Погрешность за
«чет того, что показание считаем среднеквадратическим значением
измеряемого напряжения,
А == Ад2 “-^п2 Кф х^sin Дп2 О Кф х/Кф sin).
90
Из полученных выражений для погрешностей можно сделать
вывод, что пренебрежение влиянием формы измеряемого напряже-
ния вызывает тем большую погрешность, чем больше измеряемое
напряжение ux(t) отличается от синусоидального. О степени отли-
чая мы судим по отличию коэффициентов амплитуды и формы из-
меряемого напряжения (Ках и К$х) от соответствующих коэффи-
циентов синусоидального напряжения (Kasin и Кф81п).
Отметим, что вольтметр, как и другие измерительные приборы,
может быть с открытым или закрытым входом. Если преобразо-
ватели и градуировка шкал у вольтметра с открытым входом сов-
падает с преобразователем и шкалой вольтметра с закрытым вхо-
дом, то совпадают и градуировочные коэффициенты, так как у си-
нусоидального напряжения, на котором вольтметры градуируются,
постоянная составляющая отсутствует. При открытом входе вольт-
метр измеряет весь сигнал, а при закрытом — за вычетом постоян-
ной составляющей. В общем виде можно записать
{cf [и (/)] при открытом входе,
cf[u(t)—t/n c] при закрытом входе,
(5.12)
(5.13).
где Ап — показание прибора; с — градуировочный коэффициент;
/ — функциональное преобразование типа (5.1) — (5.4), зависящее
от вида преобразователя; Un.c — постоянная составляющая изме-
ряемого сигнала, равная среднему значению.
Для иллюстрации изложенного рассмотрим примеры.
Пример 1. При измерении (однократном) сигнала иесинусоидальной формы
ux(t) пиковым вольтметром с открытым входом получено показание Ап. (Вы-
разить через это показание параметры сигнала ux(t).
1. Для пикового вольтметра с открытым входом в соответствии с (5.1€)
Aa — cUmx = VmxlKa sm=0,707тогда пиковое значение, выраженное через
показание Ап,
£7mx=-Ka slnAn = 1l,41 Ап.
2. По определению Ux=UmxIK.ax, т. е. £/x=KasinAn/Kax = 1,41АП/Ках, где
К’ах — коэффициент амплитуды напряжения ux(t).
3. По определению 7/ср.вх = С/х/Кфх, откуда
^7ср.вх —7Са 81пАп//Са^7^фх = 1,41 Аи!КахК$х.
где КфХ — коэффициент формы измеряемого напряжения.
Пример 2. Напряжение ux(t), показанное на
рис. 5.3, измеряется тремя вольтметрами: пиковых,
средневыпрямленных и среднеквадратичных зна-
чений. Выразить параметры этого Напряжения че-
рез показания вольтметров.
Вольтметр 1 — пиковый, вход закрытый,
проградуирован - в пиковых значениях синусои-
дального напряжения. Его показание равно
амплитуде без постоянной составляющей: АП1 =
Ут
Рис. 5.3
91
— Um — Unc. Постоянная составляющая измеряемого напряжения
1 J т Um
Подставив в Ani это значение, получаем Дп1 = Пт|(1—1/Q), откуда легко
выразить пиковое значение напряжения ux(t) через показание Ащ вольтметра il:
ит =
Ап!
1 —1/Q '
Найдем параметры 1/Ср.в и U. По определению K& = UmIU и Кф = (//1/ср.в.
Выразим эти- коэффициенты для конкретного напряжения ux(t), форма кото-
рого показана на рис. 5.3; сначала получим средневыпрямленное и среднеквад-
-ратическое значения этого напряжения:
1 г т Um
U„n=~\ \ux(t)\dt = Um—
Ср.В Q
Г 1 Т у I0-5 ит
= u*®dt\ = UtnV
Подставив эти значения в выражения для К.ц и Кф, получим
«где Q — скважность.
По найденному пиковому значению и коэффициентам К$х и Кцх выразим
средневыпрямленное и среднеквадратическое значения через показания вольт-
метра:
у____ Цщ___________АД1______ __ и Ад!
“ Ках “ Уё(1 — 1/Q) ’ срв~ Кфх “ Q(l —1/Q) ’
Вольтметр 2 — средневыпрямленных значений, с закрытым входом, програ-
дуирован в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. Его
показание в соответствии с (5.10) и (5.13):
Ада Кф sin (^ср.в ^п.с) —1’11 (1/ср.в У,.с)-
Подставим сюда 17Ср.в и Ua.c для напряжения ux(f) (рис. 5.3):
+ Т
Проведя элементарные алгебраические преобразования, получаем:
Um / 1 \ / 1 \
Ап2 = 2,22 1 ) = 2,22 l/cp в .
Откуда средневыпрямленное значение, выраженное через показание вольтметра
2: (/сР.в=Ап2/2,22 ( 1 —
\ ч
192
Выразим оставшиеся параметры измеряемого напряжения u*(t) через по-
казание вольтметра
U ~Кфхисрв- 2,22(1 — 1/0) ’
Um = Ках U =--------------•
2,22(1 — 1/0)
И, наконец, проанализируем вольтметр 3 — среднеквадратическнх значений,
с закрытым входом, проградуированный в среднеквадратнческих значениях си-
нусоидального напряжения. Показание такого вольтметра в соответствии с
(5.10): Лпз = £Л. Для измеряемого напряжения ux(t) (рис. 5.3) среднеквадра-
тическое значение
Ux — Дпз — (Um Un c) т + Ua c]f т
После преобразований
Дпз = 11 + 1/Г=й7о—1/T7Q’].
Но так как l/m/j/”Q = Um/K&x = U, то 4ns=(/i['l + 1—:1/Q— У 1/Q], откуда
1/=4пз/Ы,
где обозначено {• ]=1[,1+ у ,l~l/Q-y 1/Q].
Пиковое значение
и —к и —
ь'щ — Л а х u — г..
Средневыпрямленное значение
У U Дпз
срв~ Кфх ~ 1-11/Q
Приведенные примеры показывают, как рассчитать поправку за счет влия-
ния формы кривой на результат измерения напряжения.
Метод сравнения. Нашел наибольшее применение для измере-
ния постоянных напряжений. Он основан на сравнении измеряе-
мого напряжения с падением на-
пряжения, значение которого ус-
танавливается с высокой точно-
стью. Принцип сравнения можно
уяснить из рис. 5.4. Если ЕХ=Е,
то -
показание гальванометра Гв
Рис. 5.4
93
равно нулю, тогда, если известно Е, можно е высокой степенью
точности определить Ех. Основное достоинство этого метода состо-
ит в том, что от объекта измерений теоретически не потребляет-
ся ток, т. е. измерение лроисходит без потребления мощности от
измеряемого объекта. Это, в частности, позволяет измерять ЭДС
источника. Погрешность измерения с помощью современных средств
составляет около 0,01 ... 0,02%.
Упрощенная принципиальная схема компенсатора постоянного
тока, реализующего метода сравнения, приведена на рис. 5.5.
Процесс измерения складывается из двух этапов: установки ра-
бочего тока /р и собственно измерения напряжения. Рабочий ток
/Р протекает от образцового источника через регулируемый резис-
тор Ro, образцовый резистор RN и компенсационный реостат RK.
При установке /р переключатель находится в положении 1. С по-
мощью гальванометра сравнивают падение напряжения IpRn на
резисторе RN с ЭДС нормального элемента. (Нормальный элемент
используется в качестве меры ЭДС: Енэ = 1,01865 В при темпера-
туре 20° С, внутреннее сопротивление 500... 1000 Ом, ток 1 мкА).
При равенстве /г=0 (гальванометр показал равенство нулю про-
ходящего через него тока) £Нэ=/р/?:у, т. е. Ip=Eh3/Rn- Таким об-
разом, точность установки рабочего тока определяется точностью
значения ЭДС нормального элемента, точностью сопротивления
резистора RN и чувствительностью гальванометра.
Для измерения напряжения (этап 2) переключатель находится
в, положении 2. Регулируя RK, добиваются нулевого показания галь-
ванометра. При этом
ЕUK = IpRk = ER3Rk /Rni ,
где R'K — образцовое компенсирующее сопротивление, при кото-
ром гальванометр показал нулевой ток.
Резистор RK обычно выполняется по специальным схемам, обес-
печивающим постоянное сопротивление между точками 1—2 и пе-
ременное сопротивление между точками 1—3. Так как Ех=
==EhsR'k/R N=kRK, где k — постоянная величина, то обычно рези-
стор Rn градуируют в единицах напряжения, что позволяет полу-
чить непосредственный отсчет измеряемого напряжения.
Метод сравнения применяют также для измерения переменных
напряжений, как правила, синусоидальных. Принцип действия ком-
пенсатора переменного тока основан на уравновешивании измеря-
емого напряжения их известным напряжением, модули которых
равны по величине, а фазы противоположны. Точность таких ком-
пенсаторов значительно уступает компенсаторам постоянного на-
пряжения.
Для измерения напряжений сложной формы можно применить
метод сравнения с предварительным преобразованием измеряемо-
го напряжения переменного тока в постоянное с последующим из-
мерением его компенсатором постоянного напряжения. Здесь в по-
грешности измерения будет присутствовать составляющая за счет
неточности преобразования переменного напряжения в постоянное.
94
5.2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ
И ЭЛЕКТРОННЫХ ВОЛЬТМЕТРОВ
Обобщенная структурная схема аналогового [вольтметра (рис.
5.6) включает максимальное число блоков. В зависимости от на-
значения вольтметра некоторые из них могут отсутствовать, за ис-
ключением электромеханического преобразователя, который явля-
ется простейшим вольтметром. Диапазон измерений такого вольт-
метра соответствует динамическому диапазону электромеханиче-
ского преобразователя. Для расширения диапазона в сторону боль-
ших измеряемых напряжений к преобразователю добавляется вход-
ное устройство, которое уменьшает измеряемое напряжение в из-
вестное число раз. Для расширения пределов измерения в сторо-
ну меньших напряжений необходимо включить в схему усилитель.
Если электромеханический преобразователь не измеряет перемен-
ных напряжений, то вольтметр может состоять из преобразовате-
ля и детектора, которые составляют широкий класс так называ-
емых выпрямительных вольтметров. Вольтметры, содержащие уси-
лители, обычно называют электронными.
Включение дополнительных блоков не только расширяет дина-
мический диапазон, но и увеличивает чувствительность вольтмет-
ра, расширяет его возможности. Например, если усилитель обеспе-
чивает частотную избирательность, то получается селективный
вольтметр, который может быть использован как анализатор спект-
ра. Но включение дополнительных блоков, вообще говоря, снижа-
ет точность измерения напряжения. Действительно, показание
вольтметра, состоящего только из электромеханического преобра-
зователя, Ап=Ф[Ых(0]) где Ф(х) —уравнение преобразования. У
вольтметра со структурой на рис. 5.6
An=^[F(ux(t)K1/Ka)K2],
где F(х) —уравнение преобразования детектора; Кд— коэффици-
ент усиления усилителя 1; Кд — коэффициент деления сигнала во
входном устройстве; К2 — коэффициент усиления усилителя 2.
В простейшем случае, когда характеристики отдельных узлов
независимы, 'погрешность измерения напряжения u.x(ty будет рав-
на сумме составляющих: 1
Дх ~ Аф + + ДКг + ДКд-
Рис. 5.6
95
Таким образом, неидеальность каждого блока (например, откло-
нение величины коэффициента усиления усилителей от номинала)
будет вносить свой вклад в погрешность измерения напряжения.
Рассмотрим кратко требования к блокам.
Входное устройство. Оно должно обеспечивать определенные
(переключаемые) коэффициенты деления измеряемого напряже-
ния, высокое входное активное сопротивление и малое реактивное.
Для получения определенных коэффициентов деления во вход-
ном устройстве применяют измерительные преобразователи: де-
лители или трансформаторы напряжения.
- На рис. 5.7 приведены схемы наиболее 'распространенных де-
лителей напряжения: резистивного (рис. 5.7,а) для низких и ем-
костного (рис. 5.7,6) для высоких частот, а также для широкого
диапазона (рис. 5.7,в). Коэффициент деления определяется отно-
шением выходного напряжения к входному U2/Ui и может быть
выражен через элементы схемы делителя:
——----- для схемы на 'рис. 5.7,а и в, если R1C1=R2C2,
„ Ri + Ra
С
------- для схемы на рис. 5.7,6.
61 + С2
Пределы измерения вольтметров можно также расширить с по-
мощью добавочных резисторов, включаемых последовательно с
входом вольтметра. Этот способ наиболее часто используется в про-
стейших вольтметрах постоянного тока и выпрямительных (детек-
торных) вольтметрах переменного.
Высокое активное входное сопротивление обеспечивает согласу-
ющий каскад, выполненный в виде повторителя (катодного, эмит-
терного или истокового), входящий в состав входного устройства
электронного вольтметра.
Входное устройство во многом определяет частотную погреш-
ность. Эквивалентную схему его на высоких частотах можно пред-
ставить в виде рис. 5.8. Здесь LiL2 и — индуктивности и со-
противления соединительных проводов; Свх — сумма всех паразит-
ных емкостей и входной емкости схемы; RBX— входное активное
сопротивление вольтметра. Схема на рис. 5.8 представляет собой
последовательный колебательный контур, собственная резонансная
частота которого <о0= (V(Тч+^Свх)-1- Высшая частота измеря-
Рис. 5.7
4? .
г,
Рис. 5.8
96
емого напряжения cos<g?tt>o. Для повышения резонансной, а значит,
и высшей частоты измеряемого напряжения, необходимо уменьшать
длину соединительных проводов, применять специальные конструк-
тивные меры. В высокочастотных вольтметрах входное устройст-
во выполняется в виде коаксиального пробника, в котором распо-
лагают и преобразователь (обычно амплитудный). В этом случае
входная емкость пробника 1,5 ... 2 пФ, а собственная резонансная
частота около 2... 2,5 ГГц.
Электромеханический преобразователь. В электромеханическом
преобразователе (его часто называют измерительным механизмом)
электрический измерительный сигнал преобразуется в механиче-
скую величину обычно в угол поворота стрелки. Момент М, воз-
никающий в преобразователе под действием измеряемой электри-
ческой величины и поворачивающий подвижную часть в сторону
возрастающих показаний, называется вращающим. Он обусловлен
известным свойством всякого электромеханического устройства: ес-
ли в электромеханическом устройстве есть подвижные элементы,
перемещение которых вызывает изменение энергии системы, то
подвижные элементы такого устройства стремятся расположить
так, чтобы энергия была максимальной. Для электромеханических
приборов можно записать общее выражение вращающего момен-
та, вытекающее из уравнения Лагранжа второго рода:
M=dWe/da, (5.14)
где We— энергия электромагнитного поля, сосредоточенная в пре-
образователе; а — угол поворота подвижной части.
По способу преобразования энергии электрического сигнала,
подводимого к прибору, в механическую энергию, под действием
которой перемещается подвижная часть, электромеханические пре-
образователи делят на магнитоэлектрические, электромагнитные,
электродинамические, электростатические и индукционные. Для
каждого из них уравнение (5.14) будет иметь свой вид.
Под 'действием вращающего момента по второму закону Ньютона подвиж-
ная часть будет отклоняться до ’.упора при любом значении момента. Для того
чтобы угол поворота а зависел от измеряемой величины, в преобразователе при
повороте подвижной части создается противодействующий момент Л4Пр, на-
правленный навстречу вращающему и зависящий от угла поворота. По спосо-
бу создания противодействующего момента различают преобразователи с ме-
ханическим и с электрическим противодействующим моментом; последние назы-
вают логометрами.
В первой группе приборов Л4Пр создается обычно с помощью упругих эле-
ментов (пружинок, нитей), которые при повороте подвижной части закручива-
ются. При этом Л1Пр = та, где т — удельный противодействующий момент, за-
висящий от свойств упругого элемента. В установившемся положении указате-
ля, жестко скрепленного с подвижной частью, вращающий и противодействую-
щий моменты равны: Л4=Л4Пр. Кроме этих двух моментов, при работе прибора
возникают и другие моменты, определяющие характеристики преобразователя.
4—10 97
Несмотря на отличия разных приборов можно выделить ряд об-
щих для них деталей и узлов: успокоители, служащие для умень-
шения времени установления показания, и отсчетные устройства,
состоящие из шкалы и указателя, необходимых для определения
числового значения измеряемой величины.
Значительный объем информации о принципе действия, его ха-
рактеристиках можно получить из условных обозначений, наноси-
мых на прибор. Номенклатура, изображение, место расположения
на приборе устанавливается соответствующими нормативными до-
кументами. Как правило, на приборе обозначают тип прибора,
единицу измеряемой величины, класс точности, степень защиты,
род тока и т. п. Наиболее широко применяемые условные обозна-
чения приведены в табл. 5.1.
Рассмотрим принцип действия основных типов электромехани-
ческих преобразователей и область их применения.
В магнитоэлектрическом электромеханическом преобразователе
вращающий момент создается в результате взаимодействия маг-
нитного поля постоянного магнита и магнитного поля проводника
с током (обычно в.виде катушки — рамки). Угол отклонения рам-
ки от нейтрального положения определяется выражением
1 т
а = k — §i(t) dt,
т о
где k — коэффициент, зависящий от конструкции прибора и опре-
деляемый геометрическими размерами рамки, индукцией в воз-
душном зазоре постоянного магнита, числом витков обмотки; Т —
время измерения, определяемое характеристиками прибора. Как
видно из этого выражения, отклонение стрелки магнитоэлектриче-
ского прибора пропорционально среднему значению входного тока,
знак отклонения зависит от направления тока (если ток постоян-
ный) или от знака постоянной составляющей для переменного то-
ка, шкала равномерная. При использовании его с функциональным
преобразователем отклонение стрелки будет повторять закон пре-
образования. Найример, если преобразователем служит квадра-
тор, то а будет пропорционально среднему значению квадрата
входного воздействия.
Магнитоэлектрические преобразователи обладают наибольшей
чувствительностью (ток полного отклонения может достигать
0,1 мкА), что позволяет изготовлять приборы вплоть до класса
точности 0,1. Благодаря сильному собственному магнитному полю
влияние посторонних электрических и магнитных полей на показа-
ние прибора практически не ощущается. К недостаткам таких пре-
образователей можно отнести сложность, опасность перегрузок
(перегорают тонкие и гибкие токопроводящие проводники). Пере-
грузки не опасны магнитоэлектрическому преобразователю с по-
движным магнитом, так как рамка с током неподвижна и к ней
ток может подводиться толстым проводом. Чувствительность по-
следних значительно ниже. Благодаря указанным достоинствам,
магнитоэлектрические механизмы широко применяются в сочета-
98
Таблица 5.1
Смысл Условные обозначения Смысл Условные обозначения
Прибор магнитоэлектрический с подвижной рамкой Экран электростатический о
Логометр магнитоэлектрический 0 Экран магнитный
Прибор магнитоэлектрический с подвижным магнитом <!► Магнитная индукция в миллитес- лах, вызывающая изменение показаний» соответствующее обозначенному классу точности [~2~|
Логометр магнитоэлектрический с подвижными магнитами
Прибор электромагнитный — --о О Поле электрическое, вызывающее изменение показания, соответст- вующее обозначенному классу точности Г 1 HOi । ।
Логометр электромагнитный о- -а
Прибор электродинамический Напряжение испытательное 1
Логометр электродинамический ж Прибор применять при вертикаль- ном положении шкалы
Прибор применять при горизон - тальном положении шкалы 1 1
Прибор электростатический ин
Ток постоянный -«—
Прибор индукционный ( • Ток переменный
Направление ориентировки в магнитном поле земли A'v R5
Логометр индукционный 1 •
Класс точности при нормировке в % от диапазона измерений 1.5
Термо преобразователь неизолированный \/
Класс точности при нормировке в % от длины шкалы прибора
Тер мо п рео бразо вате л ь изолированный V
Внимание! Смотри дополнительные указания в паспорте и инструкции по эксплуатации
Преобразователь с детектором -£>|
Электронный преобразователь Зажим, соединенный с корпусом ±
Зажим для заземления I
4*
99
нии c Различными преобразователями.
Проще говоря, абсолютное большинство
. м Мг аналоговых приборов любого вида, при:
;' ----1 меняемых в электрорадиоизмервниях (ча-
'' У I s ) стотомеры, фазометры и т. п.), в качест-
) N I ( ве индикатора используют магнитоэлек-
, L---* 1 z трические приборы. На основе магнито-
Рис 59 электрического преобразователя строят
гальванометры — высокочувствительные
приборы, служащие не для измерения, а для индикации наличия
тока или напряжения.
Если противодействующий момент создается не механическим
путем, а электрическим, то получается логометр, показание кото-
рого зависит от отношения входных воздействий. В магнитоэлект-
рическом логометре подвижная часть выполнена в виде двух жест-
ко скрепленных между собой рамок 1 и 2 (рис. 5.9), по обмоткам
которых протекают токи ij (/) и 1'2(1/). Направление тока в обмот-
ках такое, чтобы моменты М\ и М2, создаваемые рамками в маг-
нитном поле постоянного магнита, действовали навстречу друг
другу. Хотя бы один из них должен зависеть от угла поворота; для
этого магнитное поле в зазоре должно быть неравномерным, что
достигается неравномерностью зазора — обычно сердечник дела-
ется элипсоидальным. При этом угол поворота a = Ff—\ Т, где
\ ^2 /
; J Т J Т
h~k—\ i±(t)dt и lt = k — Таким образом, отклонение
т о т о
подвижной части магнитоэлектрического логометра зависит от от-
ношения средних значений измеряемых токов, протекающих по об-
моткам рамок.
В электромагнитных электромеханических преобразователях
вращающий момент возникает в результате взаимодействия, маг-
нитного поля неподвижной катушки, по обмоткам которой проте-
кает измеряемый ток, с одним или несколькими ферромагнитными
сердечниками, обычно составляющими подвижную часть прёобра-
Зователя, жестко скрепленного со стрелкой. При появлении тока в
катушке сердечник стремится расположиться в месте с наиболь-
шей концентрацией поля, т. е. втягивается в зазор катушки. При
этом закручиваются пружинки, создавая противодействующий мо-
мент. Отклонение стрелки а = (t)dt, где L — индуктив-
на Гц
ность катушки, зависящая и от положения сердечника (значит, и
угла поворота подвижной части а). Как видно из этого выраже-
ния, знак угла поворота подвижной части не зависит от направле-
ния тока, т. е. прибор может измерять как переменный ток (сред-
неквадратическое значение), так и постоянный. Шкала в общем
случае неравномерная. Ее можно улучшить, если подобрать кон-
фигурацию сердечников так, чтобы изменение dL/da компенсиро-
вало неравномерность.
100
¥ *
Если на одной оси расположить два сердечника, каждый из ко-
торых втягивается в свою катушку, а моменты направить навстре-
чу, то можно получить электромагнитный логометр, отклонение
стрелки которого a=F(72i/722).
Основным достоинством электромагнитных приборов является
простота конструкции, способность выдерживать большие пере-
грузки, возможность измерять и постоянный и переменный ток. К
недостаткам относятся малая чувствительность, сильное влияние
внешних магнитных полей (если не принято специальных мер), ма-
лая точность.
В -электродинамических преобразователях вращающий момент
возникает в результате взаимодействия магнитных полей непо-
движной и подвижной катушек с током. Угол отклонения
a = k (dM\.2/da) /2 cosq>,
. где 2^—взаимная индуктивность между катушками 1 и 2; k —-
конструктивная константа; Ц и /2— среднеквадратические значе-
ния токов; ср — фазовый сдвиг между токами.
Электродинамические приборы используются для достаточно
точного измерения тока, напряжения и мощности в диапазоне от
нуля до нескольких килогерц. Недостатком является большая по-
требляемая мощность, необходимость в защите от внешних магнит-
ных полей, сложность конструкции. Такие приборы плохо перено-
сят механические воздействия: удары, вибрацию, тряску.
Существуют электродинамические логометры, которые исполь-
зуют как фазометры, частотомеры (на частотах до нескольких ки-
логерц) и измерители емкостей (фарадметры).
В электростатических преобразователях вращающий момент
возникает в результате взаимодействия двух систем заряженных
проводников, одна из которых неподвижна. Непосредственно мо-
гут измерять только напряжение. Угол отклонения
d С 1 т
a = k — —\u*(t)dt,
da 2 0J л '
где С — емкость системы* заряженных тел; k — конструктивная
константа; u(t)—измеряемое напряжение.
Потребление энергии в таких преобразователях мало. На по-
казание практически не сказывается частота, окружающая темпе-
ратура, постоянные магнитные поля. Из-за сильного влияния внеш-
него электрического поля требуется электростатическое экраниро-
вание. Ввиду малого значения вращающего момента в большинст-
ве случаев подвижная часть укрепляется на растяжках и применя-
ется световое отсчетное устройство. Применяются для измерения
напряжений маломощных цепей в широком диапазоне частот (от
20 Гц до 100 МГц), а также в цепях высокого напряжения (дру-
гая конструкция) для измерения напряжений до сотен киловольт
без добавочных сопротивлений. Класс точности 1—2,5, но дости-
жим и класс 0,1.
101
Индукционные преобразователи состоят из одного или нескольт
ких неподвижных электромагнитов и подвижной части в виде алю-
миниевого диска. Переменные магнитные поля, направленные пер-
пендикулярно плоскости диска, пронизывая его, индуктируют в ме-
талле диска вихревые токи. Взаимодействие магнитных потоков с
токами в диске вызывает перемещение подвижной части. Наибо-
лее часто используются в счетчиках электрической энергии.
Усилители постоянного тока. Как видно из схемы на рис. 5.6,
усилитель постоянного тока (УПТ) усиливает в вольтметре сигнал
до значения, необходимого для эффективной работы электромеха-
нического преобразователя, и согласует его малое входное сопро-
тивление с выходным сопротивлением детектора. Полоса пропус-
кания УПТ начинается с нулевой частоты, и до высших частот
спектра усиливаемого сигнала необходимо обеспечить постоянство
коэффициента усиления. Главной трудностью при построении УПТ
является так называемый «дрейф нуля» — медленные изменения
выходного сигнала при отсутствии на входе информационного сиг-
нала. Меры борьбы с этим недостатком — основная особенность
УПТ.
По способу построения различают усилители с преобразовани-
ем и без преобразования спектра сигнала.
Структурная схема УПТ с преобразованием спектра показана
на рис. 5.10. Принцип работы основан на том, что входной сигнал
модулирует напряжение вспомогательного генератора, модулиро-
ванный сигнал усиливается усилителем переменного тока и затем
демодулируется. После фильтра нижних частот сигнал поступает
на электромеханический преобразователь. Такие усилители су-
щественно уменьшают значение дрейфа нуля, могут обладать
большим коэффициентом усиления, а недостатком является огра-
ничение полосы пропускания усилителя сверху.
Усилители без преобразования спектра строят по схеме с непо-
средственной (гальванической) связью между каскадами. Отсутст-
вие реактивных элементов в цепях связи позволяет усиливать сиг-
налы постоянного тока. Верхняя граничная частота определяется
паразитными реактивными элементами. Такие усилители обладают
широкой полосой пропускания, а уменьшение дрейфа достигается,
как правило, использованием дифференциальных каскадов за счет
различия в усилении противофазных и синфазных входных сигна-
лов. Анализ зависимости напряжения дрейфа от параметров уси-
лительных элементов (ламп, транзисторов) показывает, что для
Рис. 5.10
102
снижения дрейфа следует подбирать элементы с одинаковыми па-
раметрами. Так как точно подобрать пару таких элементов невоз-
можно, то в усилителях на дискретных элементах, даже несмотря
на регулировочные элементы, позволяющие обеспечить наилучший
режим работы, за счет старения, нагревания и т. п. не удается др-
биться устойчивой компенсации дрейфа. При интегральном испол-
нении дифференциальных усилителей напряжение дрейфа значи-
t тельно снижается, поскольку для транзисторов, составляющих ин-
тегральную монолитную пару, легче выполнить условия идентич-
ности характеристик во времени.
Усилители переменного тока. Усилители переменного тока (на-
пряжения), используемые в вольтметрах, должны обеспечить боль-
шой и высокостабильный коэффициент усиления в заданном диа-
пазоне частот и температур, малые нелинейные искажения и ма-
лые собственные шумы. Как правило, для выполнения этих тре-
бований используют многокаскадные усилители, охваченные глу-
бокой отрицательной обратной связью. В некоторых случаях об-
ратная связь делается частотозависимой, что позволяет изменять
полосу эффективно усиливаемых частот.
В специальных усилителях с высокой избирательностью поло-
са усиливаемых частот может перестраиваться по диапазону. Уси-
литель позволяет «вырезать» из всего диапазона только напряже-
ние узкой полосы частот и подать его на детектор, Вольтметр с
таким усилителем называется избирательным.
В усилителях избирательных вольтметров обычно используют
принцип супергетеродинного усиления с одно-, двух- или трех-
кратным преобразованием частоты. На рис. 5.11 приведена струк-
турная схема усилителя с двукратным преобразованием частоты.
Штриховой линией показаны блоки, образующие в вольтметре уси-
литель переменного напряжения.
Рис. 5.11
103
Частотная избирательность достигается с помощью нреобразо-
вателя частоты ПЧ1, гетеродина переменной частоты Г1 и фильтра
промежуточной частоты ФНЧ. Диапазон перестройки гетеродина
Г1 определяет рабочий диапазон частот избирательного вольтмет-
ра, и равен Д/раб = /max гет—fmin гет* Так как перестройкой гетероди-
на Г1 настраивают вольтметр на измерение сигнала определенной
частоты, то гетеродин Г1 градуируют в частотах рабочего диапа-
зона, т. е. от /тахгет+/пч до fmin гет+/пч- Частотная характеристика
фильтра промежуточной частоты определяет полосу усиливаемых
частот. Основное усиление осуществляет усилитель промежуточной
частоты УПЧ — многокаскадный неперестраиваемый усилитель пе-
ременного напряжения, содержащий несколько каскадов с боль-
шим коэффициентом усиления, охваченный отрицательной обрат-
ной связью для обеспечения высокой стабильности коэффициента
усиления. Каскад второго преобразования, состоящий из гетероди-
на Г2 с постоянной частотой, преобразователя ПЧ2 и фильтра
нижних частот (ФНЧ), определяет избирательные свойства усили-
теля, а следовательно, и всего вольтметра.
Как уже отмечалось, в усилителях (особенно переменного на-
пряжения) необходимо получить большой и стабильный коэффи-
циент усиления. Для периодической проверки коэффициента уси-
ления и его коррекции в состав вольтметра может входить калиб-
ратор уровня — генератор стабильного напряжения, по которому
устанавливается коэффициент усиления.
Детекторные измерительные преобразователи. Детекторные
преобразователи (детекторы) служат для преобразования подан-
ного на его вход напряжения в пиковое, средневыпрямленное или
среднеквадратическое значение.
Отличительной особенностью амплитудного( пикового) детек-
тора является наличие элемента памяти, которым служит конден-
сатор, «запоминающий» пиковое значение.
Если на амплитудный детектор с открытым входом (рис. 5.12,а)
подается положительное напряжение, то конденсатор С заряжает-
ся в полярности, показанной на рисунке. Постоянная времени за-
ряда т3= (Ri+RnjC, где ^{ — сопротивление источника зарядного
тока, т. е. выходное сопротивление каскада, предшествующего де-
тектору; Ra — сопротивление открытого диода. Если постоянная
времени т3 мала (а это стремятся сделать), то диод будет закрыт
напряжением быстро зарядившегося конденсатора и это напряже-
ние подается на последующий каскад (УПТ или на электромеха-
нический преобразователь). Конденсатор постепенно разряжается
через резистор с постоянной времени np=CRp^>x3. Диод открыва-
Рис. 5.12
104
ется только после того, как измеряемое напряжение их станет
больше напряжения на конденсаторе «с и снова подзарядит кон-
денсатор С. Напряжение на конденсаторе ис тем ближе будет к
^максимальному значению ux(t), чем больше отношение тр/т3. Рас-
смотренный детектор «запоминает» максимальное положительное
напряжение. Чтобы измерить отрицательное, нужно изменить по-
лярность включения диода.
-На рис. 5.12,6 показана схема пикового детектора с закрытым
входом. Постоянная времени заряда т3= (Ri+Ra)C, а постоянная
разряда Xp = C(R+Ri). При подаче на вход напряжения ux(t) по-
ложительной полярности конденсатор С зарядится до максималь-
ного значения «жтах этого напряжения, диод будет закрыт и на
резисторе R будет напряжение uR=ux(t)—uc^ux(t)~Та-
ким образом, основное отличие от схемы с открытым Входом за-
ключается в том, что выходным напряжением детектора является
алгебраическая сумма напряжений на конденсаторе С и выходного
напряжения детектора. Постоянная составляющая этого сигнала
выделяется, а переменная отфильтровывается с помощью низко-
частотного /?С-фильтра. При подаче на вход детектора пульсирую-
щего напряжения постоянная составляющая на резисторе R оп-
ределится разностью постоянных составляющих на конденсаторе
С и на входе. Следовательно, постоянная составляющая на выходе
детектора с закрытым входом равна амплитудному значению лишь
переменного сигнала на входе. В зависимости от полярности вклю-
чения диода вольтметр с таким детектором будет реагировать ли-
бо на положительное отклонение от среднего значения (постоян-
-ной составляющей), либо на отрицательное значение входного сиг-
нала.
Качество работы простейшей схемы пикового детектора как с
открытым, так и с закрытым входом определяется соотношением
постоянных времени заряда и разряда: нужно, чтобы постоянная
времени заряда была как можно меньше, а разряда — больше:
т.з — С/^д и rv~CR. Но постоянные времени зависят не только от
сопротивлений, которые не могут быть сколь угодно малыми или
сколь угодно большими, но и от емкости одного и того же конден-
сатора С, которая для уменьшения т3 должна быть малой, а для
увеличения тр — большой. Так как это невозможно, то значения
т3 и тр в такой схеме определяются из компромиссных соображе-
ний, а значит, качество работы будет невысоким. Особенно это
проявляется при измерении импульсных сигналов большой скваж-
ности. Для улучшения работы в этих случаях используют ком-
пенсационные и автокомпенсационные схемы амплитудных преоб-
разователей (детекторов).
На рис.'5.13 приведена упрощенная схема, поясняющая прин-
цип работы компенсационного амплитудного преобразователя.
Принцип работы сводится к следующему. Конденсаторы малой
емкости С\ (для обеспечения малой постоянной времени заряда) и
С2 (большой) до подачи измеряемого напряжения ux(t) заряжены
до напряжения компенсации Ек, определяемого положением движ-
105
ка потенциометра. Если измеряе-
мое напряжение ихтах<.Ек, то
диод закрыт напряжением на кон-
денсаторе G; если «хтах>£'к, то
Ci быстро заряжается до мжтах
(постоянная времени заряда т3=
= С1(/?д+/?п) мала). После окон-
чания сигнала их (или уменьше-
ния его значения) конденсатор
С\ начинает- разряжаться через
резистор У?., причем тр = /?С1>т3. Падение напряжения за счет раз-
рядного тока ip на сопротивлении резистора (форма этого напря-
жения — экспоненциально-спадающий импульс с амплитудой
Ux max Ек большой длительности, так как xp = RCx велико) посту-
пает на вход усилителя с большим коэффициентом усиления, вы-
ходное напряжение которого опрокидывает одновибратор ОВ, о
чем сигнализирует индикатор И. Процесс измерения сводится к
плавной регулировке значения Ек движком потенциометра до тех
пор, пока индикатор И (например, неоновая лампочка) будет то
зажигаться, то гаснуть, т. е. пока не будет достигнуто пороговое
напряжение срабатывания одновибратора. Это напряжение изме-
ряется вольтметром постоянного тока либо потенциометром, про-
градуированным в значениях напряжения. Чувствительность пре-
образователя будет тем выше, чем больше коэффициент усиления
усилителя, к которому не предъявляется жестких требований по
полосе частот ,и искажениям, так как падение напряжения раз-
рядного тока, которое усиливает усилитель, не содержит высоко-
частотных составляющих и его форма на выходе не важна.
Более удобны автокомпенсационные преобразователи, при
пользовании которыми не нужно проводить никаких регулировок.
На рис. 5.14 изображены структурные схемы таких преобразовате-
лей для измерения амплитуды положительных импульсов напря-
жения (на рис. 5.14,а — вход закрытый, а на рис. 5.14,6 — откры-
тый). "
Если на вход (рис. 5.14,а) подать положительный импульс,
конденсатор С заряжается через диод Д) и резистор R. Падение
напряжения на R приложено к входу инвертирующего усилителя,
выходным напряжением которого через диод Д% дополнительно
заряжается конденсатор С до тех пор, пока напряжение на нем не
106
станет равным амплитуде измеряемого напряжения их, причем
разность между ними будет тем меньше, чем больше коэффициент
усиления усилителя. Измеряемое напряжение снимается с нагру-
зочного резистора /?н.
Входной импульс положительной полярности, амплитуду кото-
рого измеряют, через диод Д\ заряжает конденсатор малой ем-
кости С] (рис. 5.14,6). После заряда С\ до амплитудного значе-
ния измеряемого напряжения их диод Д\ закрывается и накоп-
ленный на С] заряд перераспределяется между конденсаторами С\
и С2 (С23>С,), и ток разряда конденсатора Сь проходящий через
R, создает на нем падение напряжения (форма этого напряже-
ния— экспоненциальный импульс). Это напряжение приложено к
входу инвертирующего усилителя, и его выходной сигнал подзаря-
жает С2 до тех пор, пока напряжения на и С2 не станут равны-
ми амплитуде измеряемого напряжения их. Установившееся на С2
напряжение измеряется вольтметром постоянного напряжения.
Недостатком рассмотренных преобразователей является их воз-
можность отслеживать только растущее напряжение ux(t), и для
измерения в общем случае необходимо перед снятием отсчета раз-
ряжать конденсаторы.
Преобразователь средневыпрямленного значения должен вы-
полнять операцию нахождения модуля измеряемого сигнала
|«ж(/) | с последующим интегрированием в соответствии с опреде-
лением средневыпрямленного значения (5.3).
Схемы детекторов средневыпрямленных значений показаны на
рис. 5.15. В качестве выпрямительных элементов используют гер-
маниевые или кремниевые диоды, вольт-амперная характеристика
которых изображена на рис. 5.16. Качество выпрямления диодами
определяется коэффициентами выпрямления /Св = /пр//обр=Добр//?пр
где /Пр и /Обр — прямой и обратный токи; ДПР и /?0бР — прямое и
обратное сопротивления диода. Порядок коэффициентов выпрямле-
ния 103... 105 и значение уменьшается с повышением частоты и
температуры.
В схеме на рис. 5.15,а при положительном измеряемом напря-
жении ux(t) прямой ток проходит через диод Д3, резистор /?н и
диод Д2; обратный ток —через диод'Д2, резистор RH, диод Д4. С
резистора /?н снимается выходное напряжение uBblx=Rais =
= /?н(/пр—/Обр). Считая диоды одинаковыми, можно записать /пр =
— ивх/ (2/?пр + /?н) , /обР = Ивх/(2/?обр + /?н). >
а)
Рис. 5.15
107
Вольт-амперная характеристика диода (особенно прямая
ветвь), а значит, и сопротивление 7?пр нелинейны. На начальном
участке ее можно считать квадратичной и только при больших сиг-
налах она линейна. Значит, в общем виде, /пр и 7обр, а следова-
тельно, «вых будут нелинейно связаны с измеряемым напряжением,
и преобразователь не выполняет операции «нахождения модуля»
ux(t), необходимой для определения средневыпрямленного значе-
ния. Для линеаризации рассматриваемого преобразователя сопро-
тивление резистора RH выбирают много большим Rnp. Тогда 7пр =
= Ывх/(2/?пр+/?н) —UnsJRn, т. е. в силу 7?н>^пР прямой ток можно
считать линейно зависящим от входного напряжения. Ветвь обрат-
ного тока не оказывается прямой, так как не выполняется неравен-
ство /?обр<С/?н, следовательно, сопротивление /?ОбР превалирует над
Rs. Значит, даже при Rs^>Rsp характеристика преобразования бу-
дет нелинейной за счет обратного тока.
•Резюмируя сказанное, можно сделать вывод, что линейность ха-
рактеристики преобразования для любых измеряемых напряжений
(малых и больших) будет тем выше, чем больше RH по сравнению
с Л?цр диодов и чем больше коэффициент выпрямления. Кроме того,
большая величина RH стабилизирует характеристики диода, т. е.
можно предъявлять не столь жесткие требования к идентичности
характеристик диодов преобразователя. Но увеличение RH снижа-
ет чувствительность преобразователя, т. е. чем больше RH, тем
меньше «вых при том же «вх (см. прямые линии на рис. 5.16).
Выходное напряжение с преобразователя «Вых(0 = Ki |ux(t) |
, непосредственно или через усилитель постоянного напряжения по-
дается на магнитоэлектрический прибор, который осуществляет
операцию усреднения. В результате стрелка отклоняется на угол
а=Л1Л24-||«вых(01 dt = j |«ЙХ (01 dt.
1 О 1 О'
В схеме на рис. 5.15,6 роль нагрузочного сопротивления играют
резисторы R\ и R2. При положительном полупериоде напряжения
ux(t) ток течет через диод Д2, резистор R2 и выходное напряжение
(если не учитывать обратного тока) равно падению напряжения
на сопротивлении резистора R2. При обратном включении измеряе-
мого напряжения ток течет через Д\ и R\ и выходное напряжение
создается падением напряжения на резисторе R\.
Преобразователь среднеквадратических значений должен вы-
полнять операцию квадрирования измеряемого напряжения с по-
следующим интегрированием в соответствии с выражением (5.4).
В вольтметрах операцию квадрирования осуществляют диодные
аппроксиматоры и термоэлектрические преобразователи.
Суть работы аппроксиматора заключается в том, что ветвь
параболы аппроксимируется ломаной линией, как показано на
рис. 5.17. Для получения такой аппроксимации необходимо иметь
элементы, у которых характеристики линейны; их наклоном можно
управлять; характеристика начинается с определенного значения
Et. Всем этим требованиям удовлетворяет элемент в виде диода и
108
Рис. 5.17
двух резисторов, показанный на рис. 5.18,а. Действительно, пола-
гая R06p~°o, можно получить характеристику, подобную изобра-
- женной на рис. 5.18Д Линейность обеспечивается тем, что со-
противление резистора R{ больше Rnp — прямого сопротивления
диода (Ri'^Rpp), наклон (угол щ)—сопротивлением R,itа начало
£i = R',7(R.i+R,i)—напряжением смещения, поданным на диод с
делителя, состоящего в i-м элементе из резисторов R, и R\. Чем
больше аппроксимирующих элементов, тем выше качество прибли-
жения ломаной к параболе. Цепь из трех элементов показана на
рис. 5.19. Элементы соединены последовательно, сопротивления ре-
зисторов подобраны так, чтобы £'1<£2<£з. При Ei<Zux(tt) <.Е2
ток течет только через диод Ди при £2<«х(0<^з токи текут че-
рез диоды Д1 и Д2 и характеристики элементов, начиная со значе-
ний «х(/)>£2 складываются. Диод Д3 включается, если ux(t)>E2.
Такая цепь аппроксимирует только одну (положительную)
ветвь параболы. Отрицательное напряжение детектируется диодом
Д'е, который вместе с диодом До и резистором Ro составляют ли-
нейный двухполупериодный выпрямитель. Принцип работы линей-
ного детектора вместе с аппроксимирующей цепью лег^о понять
из временной диаграммы на рис. 5.20. Выходное напряжение
«вых(0 —kutxit) снимается с резистора RH, через который протека-
ет сумма токов всех диодов, и подается через усилитель постоян-
ного напряжения или непосредственно на магнитоэлектрический
электромеханический преобразователь, усредняющий это напряже-
ние.
Рис. 5.19
109
и
вых
Характеристика
квадратичного
детектора
на выходе
квадратичного
детектора
Рис. 5.20
Рис. 5.21
Преобразователь сред-
неквадратических значе-
ний на термопреобразова-
теле^ который состоит из
подогревателя и термопа-
ры, использует эффект
преобразования энергии
электрического тока в те-
пло. Входное напряже-
ние подается на нагрева-
тель, а выходным служит
термо-ЭДС, пропорцио-
нальная энергии, выделя-
емой в нагревателе, т; е.
квадрату напряжения, по-
данного на нагреватель.
Но при одном термопреобразователе получается большая погреш-
ность за счет температуры среды, малой чувствительности термо-
преобразоваДеля. Для уменьшения погрешности включают две тер-
мопары (ТП; и ТП2) к дифференциальному усилителю, как пока-
зано на рис. 5.21. На нагреватель ТП] подается измеряемое напря-
жение их(1), а на нагреватель ТП2 — выходное напряжение диффе-
ренциального усилителя, т. е. ТП2 включен в цепь обратной связи.
Термо-ЭДС первого Ет\ — ати2х, а второго £,Т2=ат«2вых. Анализ та-
кого включения термопреобразователей показывает, что напряже-
ние на выходе пропорционально среднеквадратическому значению
измеряемого сигнала и это выполняется тем точнее, чем больше
коэффициент усиления усилителя и больше чувствительность тер-
мопреобразователей.
Были рассмотрены основные узлы, которые входят в состав
вольтметров. Близкими к вольтметрам приборами являются псо-
фометры и измерители уровня.
Псофометр — это электронный вольтметр среднеквадратических
значений, амплитудно-частотная характеристика усилителя кото-
рого определяется характеристикой входящего в него псофомет-
рического фильтра. Псофометрический фильтр отражает частотную
характеристику избирательности органов восприятия, и вид ее ус-
тановлен на основе экспериментальных исследований и рекомен-
даций МККТТ. Упрощенная структурная схема псофометра пока-
зана на рис. 5.22. В его состав входят два псофометрических
НО
в
Рис. 5.22
фильтра — с телефонной и вещательной псофометрическими ха-
рактеристиками соответственно. Чтобы псофометр можно было ис-
пользовать как обычный квадратичный вольтметр, предусмотрен
эквивалент затухания. Согласующий каскад служит для предот-
вращения влияния усилителя на характеристики фильтров. Ос-
тальные блоки аналогичны рассмотренным.
Измеритель уровня — это квадратичный вольтметр, шкала ко-
торого проградуирована в логарифмических единицах (децибе-
лах). Специфическим для измерителя уровня является также воз-
можность устанавливать определенные значения входного сопро-
тивления: 600 Ом, что соответствует входному и выходному со-
противлениям канала тональной частоты, 150, 135 и 75 Ом для
групповых трактов. Избирательный измеритель уровня строится
аналогично избирательному вольтметру.
5.3. ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ
И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
( НАПРЯЖЕНИЕ — КОД
Цифровые вольтметры позволяют измерять как постоянное,
так и переменное напряжения. Однако во втором случае перемен-
ное напряжение обычно предварительно преобразуют в постоянное
с последующим измерением цифровым вольтметром постоянного
тока (ВЦПТ). Последний является основной частью многих при-
боров, в которых измеряемая величина (например, ток, сопротив-
ление, температура) предварительно преобразуется в постоянное
напряжение.
На рис. 5.23 показана упрощенная структурная схема прибора
для измерения постоянного и переменного напряжений на основе
ЦВПТ. Входное устройство обеспечивает высокое входное сопро-
тивление (до 10 ГОм) и расширяет пределы измерения. С его вы-
хода сигнал поступает на АЦП «напряжение —код» и далее на
цифровое отсчетное устройство (ЦОУ). При измерении постоянно-
111
Рис. 5.23
го напряжения предусмотрена возможность включения фильтра
нижних частот для подавления помех частоты 50 Гц и ее гармоник.
Аналоговый преобразователь предварительно преобразует измеря-
емое значение переменного напряжения в пропорциональное по-
стоянное напряжение. В большинстве цифровых вольтметров пре-
дусмотрен автоматический выбор пределов измерений и полярно-
сти. В последние годы созданы приборы с встроенными микропро-
цессорами. Наличие микропроцессоров наряду с полной автомати-
зацией управления цифровыми вольтметрами и расширением его
функциональных возможностей позволяет реализовать сложные
алгоритмы коррекции погрешностей (на основе метода образцовых
мер и др., см. § 4.4), а также статистическую обработку данных,
что снижает погрешность измерения.
Современные вольтметры обладают хорошими метрологически-
ми характеристиками. Диапазон измерений ЦВПТ составляет
обычно от 10~7 до 103 В. Погрешности- лучших образцов порядка
10~5, быстродействие от 102 измерений в секунду до одного измере-
ния за несколько секунд в высокоточных приборах. Для перемен-
ного напряжения все эти характеристики определяются главным
образом аналоговым преобразователем переменного напряжения в
постоянное. Быстродействие АЦП достигает 108 преобразований в
секунду. Учитывая, с одной стороны, высокую чувствительность и
большое входное сопротивление ЦВПТ, а с другой стороны, нали-
чие значительных помех (в первую очередь это электростатические
наводки и индустриальные помехи с частотой 50 Гц) особое зна-
чение приобретает обеспечение высокой помехоустойчивости вольт-
метра. Последняя оценивается степенью подавления помехи в де-
цибелах: P=20'lg {/п.вх/^п.вых, где [/ц.вх и [/ц.вых — напряжение по-
мехи на входе и выходе прибора соответственно. Для подавления
помехи применяют симметричный вход, экранирование, входной
фильтр, а также помехоустойчивые АЦП.- Однако фильтр, обычно
обеспечивающий подавление помехи с частотой 50 Гц на 20...
... 40 дБ, одновременно может существенно увеличить время изме-
рения (до нескольких секунд) за счет длительного переходного
процесса при изменении входного напряжения.
Рассмотренные метрологические характеристики ЦБ во многом
определяются видом используемого АЦП. Поэтому он положен в
основу классификации цифровых вольтметров.
112
a)
АЦП с время-импульсным пре-
образованием. В этих АЦП вход-
ное напряжение их последовательно
преобразуется в пропорциональный
ему временной интервал, а затем
Временной интервал Afx — в цифро-
вой унитарный код. Преобразование
напряжения в пропорциональный
временной интервал осуществляется
либо с помощью вспомогательного
линейно изменяющегося напряже-
ния, либо с помощью интегрирова-
ния измеряемого напряжения. Рас-
смотрим структурную схему (рис.
5.24,а) АЦП с генератором ли-
нейно изменяющегося напряжения
(ГЛИН) и временные диаграммы работы (рис. 5.24,6). Преобразо-
вание напряжения их во временной интервал \tx осуществляется пу-
тем его сравнения с линейно изменяющимся напряжением «глин- За-
пускающий импульс «зап приводит в действие ГЛИН и одновремен-
но опрокидывает триггер. При совпадении напряжений «глин и «х
сравнивающее устройство формирует импульс «су, который возвра-
щает триггер в исходное состояние. На выходе триггера образуется
импульс длительностью \tx = uxjv, где v — скорость изменения на-
пряжения «глин- Импульс с выхода триггера открывает временной
селектор на время Д/ж. Генератор импульсов вырабатывает импуль-
сы с частотой fr, которые при открытом временном селекторе посту-
пают на счетчик. Число подсчитанных импульсов N = fr&tx=frUx/v.
Таким образом, число импульсов, прошедших в счетчик, пропорцио-
нально их. При fr/v — 10п, где п — целое число, множитель fr/v мож-
•- но учесть соответствующим положением запятой на цифровом
отсчетном устройстве или указанием единицы измерения (В, мВ,
мкВ).
Погрешность преобразования возникает в основном из-за по-
грешности преобразования напряжения их во временной интервал
ИЗ
a)
Рис. 5.25
(в первую очередь из-за не-
линейности напряжения иГЛИн,
нестабильности скорости его
изменения v, погрешности срав-
нивающего устройства, а так-
же конечного быстродействия
триггера и временного селек-
тора), а также из-за погреш-
ности преобразования интер-
вала в унитарный код
(число импульсов N), обуслов-
ленной нестабильностью ча-
стоты генератора импульсов
и погрешностью квантования в
±1 импульс.
Погрешность таких преоб-
разователей обычно порядка
0,1 % • Быстродействие дости-
гает 103... 104 преобразований
в секунду. Дальнейшее его
увеличение приводит к росту
погрешности преобразования.
Помехоустойчивость низкая,
так как наличие флуктуа-
ционной .помехи ип (штри-
ховая линия на рис. 5.24,6)'
приводит к изменению мо-
мента срабатывания сравни-
вающего устройства и к со-
ответствующей погрешности
преобразования. Существен-
114
ним достоинством этих преобразователей является относительная
простота.
Среди АЦП с интегрированием измеряемого напряжения наи-
большее распространение получили АЦП с двукратным интегри-
рованием. Принцип работы такого АЦП состоит в следующем.
Положим, что измеряемое постоянное напряжение Ux подано на
устройство, осуществляющее операцию интегрирования. Роль тако-
го интегратора может выполнять простейшая 7?С-цепь. При пода-
че постоянного напряжения на вход этой цепи напряжение на ее
выходе нарастает в течение некоторого времени практически по
линейному закону, т. е. происходит интегрирование входного сиг-
нала.
В выпускаемых вольтметрах обычно применяют более сложные
интеграторы на операционных усилителях, обеспечивающие боль-
шую точность интегрирования. Напряжение на выходе интеграто-
1 Т' U
ра «1(7')=--f Uxdt = ——t. Скорость нарастания напряжения
RC q RC
зависит от постоянной RC и, что существенно для построения АЦП,
от значения Ux. За время Т\ выходное напряжение достигает
1 т 1
uI(TJ = Ux——. На этом заканчивается первый этап работы
RC
АЦП.
На втором этапе измеряемое напряжение Ux отключается и на
вход интегратора подается постоянное опорное напряжение Uo
противоположной полярности. Напряжение на конденсаторе инте-
гратора, накопленное за интервал Ть начинает убывать
[/ (/) = у------!_ ? Uodt = ТТ2
21 ’ RC' 1 RC J ° RC 1 RC 1
и через некоторое время станет равно нулю. Допустим, что это про-
изойдет по истечению временного интервала Т2. Приравняв нулю
правую часть уравнения, получаем Т2 = (Ux/U0) Tlt т. е. время, не-
обходимое для полного разряда конденсатора, линейно зависит от
измеряемого напряжения и не зависит от постоянной RC. Из по-
лученного соотношения также следует, что Ux может быть опреде-
лено, если известны Uo, 7\ и измерен интервал Т2. Таким образом
в рассмотренном АЦП также происходит преобразование напря-
жения во временной интервал. Преимуществом данного АЦП пе-
ред АЦП с генератором линейного напряжения является независи-
мость точности преобразования от параметров RC.
Рассмотрим структурную схему (рис. 5.25,а) и временные диа-
граммы (рис. 5.25,6) работы АЦП с двукратным интегрированием.
По сигналу «зап, поступившему на устройство управления в момент
t0, замыкается ключ 1 и Ux подается на интегратор. Для этого в
устройстве управления вырабатывается прямоугольный импульс
напряжением uyi (рис. 5.25,6). Одновременно импульсом «у3 от
устройства управления замыкается ключ 3. От генератора счетные
импульсы через ключ 3 поступают на счетчик, который работает в
115
режиме .вычитания. Для этого в момент запуска по команде от
устройства управления в счетчике фиксируется некоторое число
(например, 10000). После поступления 9999 импульсов в счетчике
устанавливается цифра 00000, при этом импульс с выхода счетчика
поступает в устройство управления, которое разомкнет ключ 1 и
измеряемое напряжение отключится от входа интегратора. Одно-
временно с помощью сигнала иу2 замыкается ключ 2. Таким обра-
зом, с помощью генератора импульсов и счетчика удается точно
сформировать временной интервал Т\, что .существенно для полу-
чения высокой точности измерения.
После замыкания ключа 2 опорное напряжение подается на ин-
тегратор и напряжение на его выходе убывает. В течение этого
времени счетчик продолжает работать, но уже в режиме суммиро-
вания, так как к концу интервала Т\ в нем был зафиксирован
ноль. Счет импульсов происходит до момента, когда напряже-
ние на выходе интегратора станет равным нулю. В этот момент
сравнивающее устройство вырабатывает импульс и устройство уп-
равления размыкает ключ 3. Интервал Т2 зависит от измеряемого
напряжения. Как видно из рис. 5.25,6, большему значению Ux
(штриховая линия) соответствует интервал Т2.
За время Ti на счетчик поступает N импульсов. Как было по-
казано, Т2= (UX/UO)T\, откуда следует Ux= (T2/Ti) Uo. Поскольку
T2 = N/Fc4, измеряемое напряжение Ux=~-—^—N- Значения Uo, Т\
Ti FC4
и Fc4 постоянны, поэтому число импульсов N пропорционально из-
меряемому напряжению.
Важным достоинством АЦП с двукратным интегрированием яв-
ляется высокая помехоустойчивость, что легко объяснить, не при-
бегая к вычислениям. Действительно, положим, что на входе при-
бора вместе с Ux имеется гармоническая помеха. Если период по-
мехи равен Т{, то ее положительная полуволна, сложившись с Ux,
вызовет ускоренное возрастание напряжения на выходе интеграто-
ра, а отрицательная — замедленное. Так как полуволны помехи
симметричны, результирующее напряжение на выходе интегратора
определится только Ux. Сказанное справедливо лишь тогда, когда
период помехи равен Ть Поскольку основными помехами являются
помехи с частотой сети 50 Гц и ее гармоники, в рассматриваемых
АЦП интервал 1\ выбирают кратным периоду напряжения сети
Тс=20 мс.
Погрешность современных интегрирующих АЦП может быть
обеспечена порядка 10-2... 10"3 %. В основном она обусловливает-
ся погрешностью интегратора (нелинейность, дрейф нуля), неста-
бильностью опорного напряжения Uo, остаточными напряжениями
ключей 1 и 2, нестабильностью порога срабатывания и конечным
быстродействием сравнивающего устройства, а также погреш-
ностью преобразования временного интервала Т2 в соответствую-
щее число импульсов, в частности погрешностью квантования в
± 1 импульс. Погрешность опорного напряжения Uo уменьшается
при использовании нормального элемента. Быстродействие интег=
116
a)
6)
рирующих преобразователей невелико
и составляет 25 измерений в секунду,
так как на одно измерение затрачива-
ется два периода напряжения (40 мс):
первый период — на первый такт инте-
грирования, второй — на второй такт
и на подготовку схемы к следующему
циклу преобразования.
АЦП с частотно-импульсным преоб-
разованием. В этих АЦП сначала пре-
образуется измеряемое напряжение Ux
в пропорциональную частоту импульсов fx, а затем fx— в цифровой
унитарный код. Структурная схема такого АЦП (рис. 5.26,а) со-
держит преобразователь напряжение — частота ПНЧ, с выхода ко-
торого импульсы с частотой fx = km4Ux, где knln— коэффициент
преобразования ПНЧ, через ключ поступают на счетчик. Ключ за-
мыкается на известный интервал времени At0, задаваемый генера-
тором образцового интервала времени ГОНВ. Число импульсов W,
прошедших на счетчик, пропорционально входному напряжению
U N=fx^^0~ ^пнчА^О^Лс' '
Существует много разновидностей схем ПНЧ. На рис. 5.26,6
приведена схема ПНЧ на базе интегратора, охваченного импульс-
ной обратной связью, а на рис. 5.26,в — временные диаграммы, по-
ясняющие его работу. Напряжение Ux через сумматор поступает
на интегратор. Напряжение на его выходе начинает возрастать.
Как только оно достигнет порога срабатывания Uo сравнивающего
устройства, последнее формирует импульс «сч, запускающий гене-
ратор прямоугольных импульсов ГПИ. Генератор вырабатывает
импульс с постоянной вольт-секундной площадью (постоянным
размахом и длительностью) с полярностью, противоположной по-
117
лярности напряжения Ux. Этот импульс через сумматор поступает
на вход интегратора и снижает его выходное напряжение до нуля.
Затем процесс повторяется. В результате частота следования им-
пульсов fx на выходе сравнивающего устройства будет пропорцио-
нальна напряжению.
Погрешность подобных АЦП определяется погрешностью ПНЧ,
а также погрешностью преобразования частоты в цифровой код и
может быть обеспечена порядка 10~2%. Быстродействие обычно
невелико — до 50 измерений в секунду, так как для подавления се-
тевой помехи образцовый интервал времени Ai0 задается равным
периоду напряжения сети (20 мс). Механизм подавления помехи
легко понять, если учесть, что при действии помехи частота fx на
выходе преобразователя будет изменяться, то возрастая, то умень-
шаясь в соответствии с изменением мгновенных значений помехи.
Но за время Aio, равное периоду помехи, эти изменения частоты в
среднем равны нулю и, следовательно, число импульсов N, заре-
гистрированных счетчиком, будет по-прежнему пропорционально
напряжению Ux. Достигаемая при этом степень подавления помех
имеет порядок 60 дБ, как и в интегрирующих АЦП.
АЦП с кодоимпульсным преобразованием. В таких АЦП изме-
ряемое напряжение уравновешивается компенсирующим, которое
вырабатывается ЦАП. В кодоимпульсных АЦП наибольшее рас-
пространение получили ЦАП на основе делителей напряжения и
тока. На рис. 5.27 приведена одна из возможных схем ЦАП на
основе двоичного делителя напряжения (типа R—2R), в котором
для любого числа разрядов использованы только два номинала ре-
зисторов. Легко убедиться, что при подключении движка i-ro пе-
реключателя к источнику опорного напряжения ИОН напряжение
в i-й точке £7,-1 = £7ион/3. Поскольку в каждой последующей точке по
направлению к выходу (точка т = 5) это напряжение ослабляется
в два раза, то напряжение £7цаПг на выходе при подключении
движка i-ro переключателя к
t/uani = ^OH/(3-2,n-i) = t/KB-2f,
где Uk-b= £7Ион/(3-2т)—шаг квантования. Зависимость напряже-
ния Пцап от напряжения, снимаемого со всех переключателей,
можно представить в виде
U^U^a^U^N,
1=0
где at — разрядные коэффициенты (а;=1, если переключатель
подключен к £7ИОн, и а{ = 0, если отключен); N — код, подаваемый
на ЦАП. Возможно построение ЦАП, управляемых как двоичным,
так и двоично-десятичным кодами.
Рассмотрим структурную схему АЦП с кодоимпульсным преоб-
разованием (рис. 5.28,а) и временные диаграммы его работы (рис.
5.28,6). В режиме развертывающего уравновешивания по команде
запуск устройство управления по определенной программе изменя-
118
переключателями
(кад/И)
Рис. 5.27
ет код, поступающий на ЦАП, который вырабатывает соответст-
вующее коду выходное напряжение Ццап.
Изменение выходного напряжения ЦАП может производиться
как последовательным перебором всех уровней квантования, так и
поразрядно. Наибольшим быстродействием обладают АЦП с по-
разрядным уравновешиванием — с поразрядным законом измене-
ния компенсирующего напряжения Ццап. При этом измеряемое на-
пряжение Ux уравновешивают компенсирующим напряжением
Ццап, последовательно включая все разряды, начиная со старшего,
и регулируют с помощью сравнивающего устройства. При Ццап>
>UX сравнивающее устройство выдает в устройство управления
сигнал на отсоединение последнего включенного разряда ЦАП, а
при (7цап<Цх выходной сигнал сравнивающего устройства отсут-
ствует и соответствующий разряд ЦАП остается включенным (см.
рис. 5.28,6). В результате перебора всех разрядов осуществляется
компенсация измеряемого напряжения образцовым. При этом из-
меряемое напряжение может быть представлено в виде Цж=Ццап=
= UkbN. Код N, полученный на выходе устройства управления, по-
дается в ЦОУ.
Временные диаграммы на рис. 5.28,6 иллюстрируют процесс
уравновешивания напряжения 17ж = 25 В для АЦП с ЦАП на шесть
двоичных разрядов (i = 0... 5) с шагом квантования Цкв=1 В. При
первом тактовом импульсе устройство управления выдает сигнал
а5=1. Переключатель 5 в ЦАП подключается к Цион, и напряже-
ние на выходе Ццап= Цкв-25 = 32 В. Так как U^>UX, сравниваю-
щее устройство выдает соответствующую информацию в устройст-
во управления (импульс «Су) и оно в следующем также вырабаты-
вает сигнал «5 = 0, отключающий переключатель 5 от ЦИон. Одно-
временно выдается сигнал «4=1, переключатель 4 замыкается на
Цион и на выходе образуется Ццап= [7кв-24 = 16 В. Так как (7цап<
<ЦЖ, сравнивающее устройство не вырабатывает корректирующе-
го сигнала и переключатель 4 остается подключенным к £7Ион, а
при следующем тактовом импульсе вырабатывается сигнал «з =
= 1 и т. д. К моменту седьмого тактового импульса на выходе уст-
ройства управления получим параллельный двоичный код А2 =
= «5а4аза2а1«о = О11001, который соответствует числу 25.
Наряду с рассмотренным развертывающим уравновешиванием
может осуществляться и следящее уравновешивание, при котором
119
к цоу
Рис. 5.28
производится слежение за разностью между напряжениями I74an и
Ux и при превышении ею шага квантования соответствующим об-
разом изменяется Ццап. При этом меньше динамическая погреш-
ность АЦП, так как погрешность из-за дискретизации не превыша-
ет шага квантования.
Погрешность рассмотренных АЦП может быть получена 10~2 %
и менее. Она определяется аддитивной погрешностью сравниваю-
щего устройства и погрешностью ЦАП. Достоинствам АЦП явля-
ется высокое быстродействие: до 106 преобразований в секунду при
числе разрядов т^Ю. К недостаткам относятся низкая помехо-
120
К цифровому отсчетному
устройству
Рис. 5.29
устойчивость, сложность и высокая стоимость, которая снижается
по мере совершенствования элементной базы, в частности исполь-
зования ЦАП и АЦП на основе БИС.
АЦП с параллельным преобразованием. Такой АЦП (рис. 5.29)
обладает наибольшим быстродействием. Его принцип действия ос-
нован на одновременном сравнении измеряемого напряжения Ux
с набором уровней квантования где i=l... п — номер уровня
квантования.
Структурная схема содержит набор сравнивающих устройств
СУ1 — СУп, источник опорного напряжения, создающий ряд уров-
ней квантования (7,, и дешифратор. При подаче на вход АЦП на-
пряжения Ux на выходах сравнивающих устройств, для которых
Ux>Ui, появляется сигнал. Дешифратор анализирует состояние
выходов всех сравнивающих устройств и выдает код, соответствую-
щий значению в ЦОУ. Таким образом, для получения большего
числа разрядов в данном АЦП необходимо иметь значительное
число сравнивающих устройств, что приводит к существенному его
усложнению. Поэтому рассмотренный метод преобразования при-
меняют при реализации грубых (с погрешностью б> 1 %), но быст-
родействующих АЦП (до 108 преобразований в секунду).
5.4. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ
В цепях постоянного тока мощность Р, потребляемая нагруз-
кой R, равна произведению тока I и напряжения U:
Р = и1 = 13Р = и2/Р, -(5-15)
121
где Р измеряется в ваттах, U — в вольтах, I — в амперах, R— в
омах.
В цепях переменного тока различают мгновенную p(t) и сред--
нюю (активную) Р мощности. Мгновенная мощность р(/) =
= u(t)i(t), где u(t) и i{t)—мгновенные значения напряжения и
тока. Активная (средняя за период) мощность
1 т
P = -^p(t)dt.
1 о
В технике связи и вещания широко используются сигналы им-
пульсной формы: радио- и видеоимпульсы. В этих случаях нужно
определять не только среднюю, но и импульсную мощность. Если
огибающая радиоимпульса прямоугольной формы (рис. 5.30,а),
то импульсная Рп и средняя Р мощности связаны следующим об-
разом:
Ра = ТР/х, (5.16)
где т — длительность радиоимпульса; Т — период следования им-
пульсов. Практически почти всегда измеряют среднюю мощность
Р и по форм^йе (5.16) вычисляют импульсную Ри.
Если форма импульса отличается от прямоугольной (например,
1 на рис. 5.30,6), то импульсную мощность определяют по эквива-
лентному прямоугольному импульсу 2 той же площади с длитель-
ностью, равной интервалу времени на уровне половины его амп-
литуды. В этом случае вводится понятие пиковой мощности Роик =
= Л^фи, где £фИ — коэффициент формы импульса, равный отноше-
нию максимального уровня импульсной мощности действительного
импульса 1 к уровню мощности эквивалентного прямоугольного
импульса 2. Тракты, по которым передаются сигналы импульсной
формы, рассчитываются на пиковую мощность.
Измерение мощности широко используется во всем диапазоне
частот, а на СВЧ является единственным способом определения
режимов устройств и цепей. Пределы значений измеряемой мощ-
ности заключаются в границах от 10~15 до 107 Вт. Такие большие
пределы значений и широкий диапазон частот, а также различные
требования к погрешностям измерений мощности привели к разра-
ботке многих методов и выпуску большого числа приборов, осно-
ванных на различных физических принципах.
Измерение мощности в цепях постоянного тока и переменного
тока промышленной частоты. Значение мощности находят прямым
122
измерением с помощью прибора непосредственной оценки — элект-
родинамического ваттметра. Показания такого ваттметра пропор-
циональны мощности как постоянного тока, так и переменного
промышленной частоты. Неподвижную катушку ваттметра вклю-
чают подобно амперметру последовательно нагрузке, а подвиж-
ную— подобно вольтметру параллельно (рис. 5.31,а). При этом
имеют место систематическая и случайная погрешности.
Систематическая погрешность обусловлена мощностью, потреб-
ляемой обмотками катушек ваттметра, и зависит от их сопротив-
лений Ra и Rv и схем соединения подвижной и неподвижной ка-
тушек. Для схемы на рис. 5.31,а ток, проходящий через неподвиж-
ную катушку, равен току нагрузки /н, а напряжение, падающее на
сопротивлении обмотки подвижной катушки, равно входному на-
пряжению U= Uv— UA + Un. Следовательно, произведение измеряе-
мого тока и напряжения, т. е. измеряемая мощность
P = Uln~UnIn + UAln~Pn + PA, (5.17)
где Рн и РА — мощности, потребляемые нагрузкой и неподвижной
катушкой.
Для схемы на рис. 5.31,6 ток через обмотку неподвижной ка-
тушки равен сумме токов через нагрузку и обмотку подвижной
катушки: Ia = Ih+Iv напряжения на нагрузке и подвижной катуш-
ке. При этом измеряемая мощность
P = UHIA = UBIH + UnIv = Pn + Pv, (5.18)
где Ру — мощность, потребляемая обмоткой подвижной катуш-
ки.
Относительная систематическая (методическая) погрешность
для схемы на р'ис. 5.31,а.
6=100Рд/Рн=100 Ra/Rh, (5.19)
где 6 выражена в процентах. Для схемы на рис. 5.31,6
6=100 Ру/Рн= 100 Rh/Rv- (5.20)
Очевидно, что схему на рис. 5.31,а следует применять при условии
Ra<^.Rh, а схему на рис. 5.31,6 — при условии Rv^>Rh- Случай-
ная-погрешность определяется классом точности ваттметра.
При больших значениях переменного тока неподвижную катуш-
ку ваттметра включают через измерительный трансформатор тока
(рис. 5.32,а), а если напряжение также высокое, то используют и
а)
Рис. 5.31
123
измерительный трансформатор напряжения (рис. 5.32,6). При рас-
ширении пределов измерения мощности таким способом погреш-
ности возрастают за счет фазовых сдвигов измерительных транс-
форматоров и неточности определения коэффициента трансформа-
ции.
Значение мощности постоянного тока и переменного тока про-
мышленной частоты можно измерить косвенным методом. Для это-
го с помощью приборов непосредственной оценки — амперметра и
вольтметра (рис. 5.33,а) измеряют ток и напряжение и получен-
ные значения перемножают. Погрешности такого метода измере-
ния мощности определяются погрешностями прямых измерений
тока и напряжения и вычисляются по правилам, изложенным в
гл. 4. Схемы косвенного и прямого измерения мощности идентич-
ны, поэтому выражения для систематических погрешностей (5.19)
и (5.20) справедливы для обоих видов измерений.
Измерение мощности в цепях переменного тока звуковых и вы-
соких частот. Косвенные измерения мощности на звуковых и вы-
соких частотах выполняют с помощью электронных вольтметров
и термоэлектрических амперметров, частотные возможности кото-
рых соответствуют частоте тока в измеряемой цепи. Обычно на
звуковых частотах используют схему измерения, представленную
на рис. 5.33,6, так .как легко подобрать электронный вольтметр с
входным сопротивлением, во много раз большим сопротивления
нагрузки.
На высоких частотах, когда линия передачи энергии от ее ис-
точника к нагрузке является цепью с распределенными парамет-
рами, значения тока и напряжения в ее сечении зависят от рас-
Рис. 5.34
124
Рис. 5.35
стояния до нагрузки. Поэтому вольтметр и амперметр нужно
включать в те места цепи, где ток, проходящий через нагрузку и
амперметр, а также напряжение на нагрузке и вольтметре равны
друг другу соответственно. Амперметр включают возможно ближе
к нагрузке так, чтобы расстояние Ц (рис. 5.34,а) было по крайней
мере в сто раз короче длины волны к, соответствующей частоте
измеряемого тока. При Zi/X<CO,Ol погрешность включения не пре-
вышает 1%. Вольтметр включают на расстоянии 12—.пк/2 от на-
грузки (п= 1,2 ...).
Мощность генератора можно измерить одним вольтметром, ес-
ли известно сопротивление нагрузки RH (рис. 5.34,6). На рис. 5.34,в
показана схема измерения тока в антенной цепи радиопередатчи-
ка; по показанию амперметра 1 и известному сопротивлению излу-
чения антенны вычисляют мощность: P = I2RZ.
Прямые измерения мощности выполняют с помощью высоко-
частотных ваттметров. Обобщенная структурная схема такого ватт-
метра показана на рис. 5.35. В аналоговом приемном преобразова-
теле измеряемая мощность преобразуется в пропорциональную ей
другую физическую величину (табл. 5.2), более удобную для изме-
рения. В измерительном устройстве она измеряется и результат из-
мерения в аналоговой или цифровой форме фиксируется отсчетным
устройством; шкала последнего, как правило, градуируется в еди-
ницах мощности.
Вольтметровый ваттметр, предназначенный для работы в диапа-
зоне звуковых частот, состоит из резистивного приемного преоб-
разователя, представляющего набор прецизионных резисторов
Ri—Rn, и электронного вольтметра, проградуированного в едини-
цах мощности (рис. 5.36,а). Один из резисторов с помощью пере-
Таблица 5.2
Частота Ваттметр Величина, в которую преобразуется измеряемая мощность
Высокая Вольтметровый Квадратичный С датчиком Холла Переменное напряжение Постоянный ток ЭДС Холла
Сверх- _ высокая Термоэлектрический Калориметрический Пондеромоторный Термо-ЭДС Теплота Механическое движение
125
ключателя П подсоединяется в качестве нагрузки к выходным
зажимам генератора или усилителя, мощность которого измеря-
ется. Напряжение на резисторе связано с измеряемой мощностью
известной зависимостью U= ]/PR. Оно фиксируется электронным
вольтметром, шкала которого градуирована в единицах мощно-
сти. Промышленность выпускает ваттметр М3-19 для работы в
диапазоне частот 20 Гц... 30 кГц с пределами измерения от 0,1 мВт
до 10 Вт и погрешностью 3 ... 10%.
Вольтметровый ваттметр, предназначенный для работы на
высоких и нижнем участке сверхвысоких частот, представляет со-
бой нагрузку коаксиальной конструкции сопротивлением 75 Ом и
электронный вольтметр (рис. 5.36,6). Нагрузкой является погло-
щающий резистор (фарфоровая трубка, покрытая снаружи углеро-
дистым слоем), помещенный в экран особой формы.
Внутренний проводник 1 коаксиального входа, поддерживае-
мый керамической шайбой 2, соединяется с левым концом нагру-
зочного резистора 3 через ступенчатый переход. В экране 4 пре-
дусмотрены соответствующие ступенчатые изменения его диамет-
ра, который далее уменьшается по экспоненциальному закону.
Экспоненциальная часть экрана 6 замыкается правым концом ре-
зистора. Последний точно центрируется относительно образующей
поверхности экрана диэлектрическими тягами 5. Такое конструк-
тивное решение обеспечивает хорошее согласование входного со-
противления ваттметра с волновым сопротивлением коаксиально-
го кабеля, по которому подводится измеряемая мощность. На ре-
зисторе нанесено серебрянное кольцо 7, к которому подключается
амплитудный преобразователь (пиковый детектор), работающий
по схеме с открытым входом.
Выходное напряжение пикового детектора поступает на измери-
тельную схему и отсчетное устройство, градуированное в едини-
цах мощности. Преобразователь (детектор), измерительная схема
и отсчетное устройство представляют собой амплитудный (пико-
126
вый) электронный вольтметр, показания которого пропорциональ-
ны мощности, рассеиваемой на резисторе 3.
При измерении напряжения сигналов импульсной формы пока-
зания пикового вольтметра зависят не только от амплитуды им-
пульсов, но и от их скважности. Для устранения этой зависимости
применяется схема автокомпенсационного вольтметра. Промыш-
ленность выпускает ваттметр МЗ-ЗА для работы в диапазоне час-
тот 30 МГц... 1,2 ГГц с погрешностью до 15% и пределами изме-
ряемой мощности от 0,25 до 15 Вт среднего значения и от 5 до
5000 Вт импульсной мощности.
Квадраторный электронный ваттметр работает на основе из-
вестного алгебраического тождества (а + Ь)2—(а—b)2 = 4ab. Здесь
произведение двух величин заменяется их сложением, вычитанием
и возведением в квадрат. В электронных схемах сложение и воз-
ведение в квадрат осуществляется проще, чем умножение.
Подставим в тождество вместо а й b выражения, соответствую-
щие току и напряжению, т. е. a=U sin at и b=RI sin(co£—<p):
[U sin co t + R1 sin (co t—q>)]2—[U sin at—RI sin (at—q>)]2 =
= 4RUIsin(at—q>) = 4RUI cosq)—4RUI cos(2£o t—<p).
Постоянная составляющая 4RUI eosq пропорциональна мощно-
сти и ее можно измерить с помощью магнитоэлектрического мил-
лиамперметра. Переменную составляющую нужно отфильтровать,
для чего достаточно зашунтировать миллиамперметр конденсато-
а + b
ром постоянной емкости. Опера-
ции суммирования и вычитания
выполняют операционные усили-
тели, а возведение во вторую сте-
пень — элементы с квадратич-
ной характеристикой — квадра-
ты. Структурная схема квадра-
торного ваттметра представлена
на рис. 5.37,а, а принципиальная
схема, в которой в качестве квад-
раторов использованы термоэлек-
трические преобразователи, — на
рис. 5.37,6.
Входные зажимы 1, 2 ваттмет-
ра соединяются с выходом источ-
127
ника измеряемой мощности (генератора, усилителя), а выходные
3, 4 — с нагрузкой Za. Ток нагрузки протекает через два последо-
вательно соединенных резистора 2? с одинаковыми сопротивления-
ми, пренебрежимо малыми по сравнению с модулем сопротивления
нагрузки |ZH|. На этих резисторах падают напряжения Е1 = (72 =
-=iR, пропорциональные току нагрузки.
Параллельно нагрузке включен резистор Rv, сопротивление
которого много больше \ZH\ и тем более R. Поэтому можно счи-
тать, что снимаемое с Rv напряжение Uv = kUu пропорционально
напряжению на нагрузке. Напряжения Ux + Uv и 1/2—Uv подают-
ся в цепи нагревателей термоэлектрических преобразователей
ТП1 и ТП2 соответственно. Для уменьшения токов нагревателей
И и i2 включены резисторы РЛ и R2, сопротивления которых много
больше сопротивлений резисторов R. Таким образом, токи через
нагреватели термопреобразователей будут равны соответственно:
й= (Е1 + Ег)/(/?1 + гн) и i2= (U2— Uv)/(R2 + rH), где гн —сопротив-
ление нагревателя.
Как известно, термо-ЭДС Ет пропорциональна квадрату дейст-
вующего значения тока нагревателя: Er — kl2, где k, измеренное в
вольтах на ампер в квадрате, — коэффициент пропорциональности,
зависящий от типа термопреобразователя. Поэтому выражение
для термо-ЭДС, получаемой от преобразователей ТП] и ТП2, мож-
но представить в следующем виде:
Ет1 =--------------hUi+Utfdt, (5.21)
T1 № + гн)2 Т (Г 1 к
Ет2 =------------- {(U2— Uv)2 dt. (5.22)
т2 (/?2 + rH)2 Т 2 .
Термопары включены навстречу друг другу, так что показа-
ния миллиамперметра пропорциональны разности термо-ЭДС
ЕТ1—Ет2. Учитывая, что Ui = U2 = iR-, Uv = kUn и Ri = R2 = R', на ос-
новании формул (5.21) и (5.22) получаем
ЕТ1 -Ет2 = 4О-------- {i Ua dt = aP,
T1 2 (E' + rH)2 T J
где a, измеренное в вольтах на ватт, — коэффициент пропорцио-
нальности.
Через магнитоэлектрический миллиамперметр с внутренним со-
противлением Ra протекает постоянный ток 1А, пропорциональный
средней мощности, потребляемой нагрузкой:
1А = £Т1-7^Т2. = о р = ьр<
где Ь — чувствительность квадраторного ваттметра, измеренная в
миллиамперах на' ватт. Шкалу миллиамперметра градуируют в
единицах мощности — ваттах или милливаттах.
Квадраторные ваттметры применяют в диапазоне частот от де-
сятков герц до 1 МГц. Достоинством их являются независимость
128
Рис. 5.38
Рис. 5.39
показаний от формы напряжения и тока и малая зависимость от
частоты и фазового сдвига. Погрешность измерения составляет
1,5... 2%. Основной недостаток — требование полной идентичности
характеристик термопреобразователей.
Теперь рассмотрим принцип действия ваттметра с датчиком
Холла. Датчик Холла представляет собой тонкую пластину, выре-
занную из кристалла кремния или германия, расположенную в
воздушном зазоре электромагнита так, что магнитное поле с ин-
дукцией В перпендикулярно ее плоскости (рис. 5.38). Пластина,
прямоугольной формы снабжена четырьмя контактами с вывода-
ми 1, 2, 3, 4. Если между выводами /, 2 пропустить ток i, пропор-
циональный напряжению на нагрузке, а по катушке L электромаг-
нита — ток нагрузки iH, то под влиянием взаимодействия тока i с
перпендикулярным магнитным полем электромагнита на выводах
3, 4 возникнет ЭДС Холла вх,
ех = ЫШ
где feX) Вм/(А-Тл)—коэффициент пропорциональности; / — ток
между выводами 1, 2, измеренный в амперах; В — магнитная ин-
дукция, измеренная в теслах; d — толщина пластины в метрах.
Так как ток I пропорционален напряжению на нагрузке ын, а В
пропорциональна току нагрузки iH, то ЭДС Холла пропорциональ-
на мощности, поглощаемой нагрузкой ZH:
ex=q^uH = qp,
где q — коэффициент пропорциональности, измеренный в вольтах
на ватт.
Если нагрузка включена в цепь постоянного тока, то ЭДС Хол-
ла также постоянна; если в цепи действует переменный ток сину-
соидальной формы, то ЭДС Холла имеет постоянную составляю-
щую Ex = qUJscos <р.
Милливольтметр постоянного тока подключают к выводам 3„
4, и его показания будут пропорциональны измеряемой мощности.
К достоинствам ваттметра с датчиком (преобразователем)
Холла относятся: малое потребление мощности; сравнительно ши-
рокий диапазон частот; независимость показаний от формы на-
5—10 129
пряжения и тока; малая погрешность. Большим, недостатком явля-
ется резкое изменение чувствительности ваттметра при изменении
температуры окружающей среды. Промышленность выпускает
цифровой ваттметр Ф4860 класса точности 0,5, состоящий из пре-
образователя Холла и цифрового вольтметра постоянного тока.
Измерение мощности в цепях СВЧ. Измерение мощности на
СВЧ выполняется всегда с предварительным преобразованием
энергии электромагнитного поля в другие виды энергии, преиму-
щественно в тепловую. Измеряют мощность, поглощаемую согла-
сованной нагрузкой, или мощность, проходящую по линии переда-
чи энергии к произвольной нагрузке. В соответствии с этим су-
ществуют методы измерения и ваттметры поглощаемой и проходя-
щей мощности (табл. 5.3).
Таблица 5.3
Мощность СВЧ Методы измерения Мощность СВЧ Методы измерения
Поглощаемая Калориметрический Термоэлектрический Терморезистивный Приходящая Ответвления Пондеромоториый
Поглощаемую мощность измеряют при определении выходной
мощности источника СВЧ энергии — генератора или радиопередат-
чика, поэтому в ваттметре поглощаемой мощности приемный пре-
образователь содержит эквивалентную согласованную нагрузку.
Следовательно, нагрузкой источника Г (рис. 5.39,а) является сам
ваттметр W, измеряющий поглощаемую им же мощность.
Проходящую мощность измеряют в линии передачи (рис.
5.39,6) при определении мощности, рассеиваемой в произвольной
нагрузке ZH.
При измерении мощности в цепях с распределенными парамет-
рами определяющую роль в точности измерений играет согласова-
ние сопротивлений в тракте передачи энергии. Если нагрузка с
полным сопротивлением La—Rn + jXH подключена к генератору не-
посредственно, то, как известно, генератор с внутренним сопротив-
лением Zr—Rr + jXr отдает в эту нагрузку мощность
Р = U2T /?н/[(7?г + /?н)2 + (Хг 4- Хн)2], (5.23)
где t/r — действующее значение напряжения на выходе генерато-
ра. Наибольшую мощность генератор будет отдавать нагрузке при
комплексно-сопряженном согласовании их сопротивлений, т. е. при
Rr = RH и Хг =—Хн. Значение этой мощности определяется из фор-
мулы (5.23): Лпа1 = £72г/4Я-. Если нагрузка подключена к генера-
тору через линию передачи, то согласование усложняется. Линии
передачи, как правило, однородны, потери в них пренебрежимо
малы и их 'распределенные параметры L и С определяют волно-
вое сопротивление р= L/C. Тогда мощность генератора, посту-
130
лающая в согласованную с его выходным сопротивлением линию,
нагруженную на любое сопротивление ZH, будет равна
Ри=Ртах(1-|Гн|2),
где |ГН|—модуль коэффициента отражения от нагрузки по на-
пряжению, равный отношению амплитуды напряженности поля
отраженной волны Ео к амплитуде напряженности поля падающей
волны £п: ]Гн|=£0/£п. С другой стороны, коэффициент отражения
также зависит от соотношения значений нагрузки и волнового со-
противления линии: r=(ZH—p)/(ZH + p), откуда следует, что если
сопротивление нагрузки согласовано с волновым сопротивлением:
линии передачи (ZH=p), то коэффициент отражения равен нулю-
и к нагрузке поступает максимальная мощность.
В общем случае, когда и генератор, и нагрузка не согласова-
ны,
Л. = Лпах (1 - |ГИ|2) (1 -|ГгР)/| 1 -Гг FH|2, (5.24)
где Гг — коэффициент отражения от генератора.
Практически вместо коэффициента отражения степень согла-
сования характеризуют коэффициентом стоячей волны ' (КСВ)
Кстг, который связан с коэффициентом отражения следующим со-
отношением:
% __ £щах __ 1^п| 4~ || __ 1 4~ IГ|
°’ U fmln IFnl—Ifol 1— |Г|
Коэффициент стоячей волны измеряется измерительной линией
или панорамным измерителем КСВ и по его значению вычисляет-
ся по необходимости модуль коэффициента отражения:
|Г| = (ЯСТ Ц-!)/(/(„ Ц4-1).
Относительная погрешность измерения поглощаемой мощности
брас вследствие рассогласования полного входного сопротивления
ваттметра (нагрузки), полного выходного сопротивления генерато-
ра и волнового сопротивления линии передачи равна
брас=(Рв Р max) / Р(5.25)
где Рв — мощность, поглощаемая ваттметром, а Ртах — наиболь-
шая мощность генератора. Полагая Рв — Рн и ГН=ГВ, где Гв — ко-
эффициент отражения от ваттметра, из (5.24) получаем зависи-
мость относительной погрешности от коэффициентов отражения
генератора и ваттметра:
s . (1 —|ГВ|2)(1 —|Ггр) ,
₽ас |1 —ГгГв|а
В большинстве практических случаев генератор согласован с лини-
ей передачи и Гг=0. Тогда
брас = - [Гв]2 = - (Кет О- 1 )2/(KCT U 4- 1 )2.
Эту систематическую погрешность можно исключить, введя
соответствующую поправку. Значение КСВ ваттметра приводится
в его паспорте.
5* 131
Калориметрический метод относится к наиболее точ-
ным измерениям поглощаемой мощности на высоких и сверхвысо-
ких частотах. Он широко применяется для измерения средних и
больших значений и мощности различных генераторов и радиопе-
редатчиков. Приемный преобразователь калориметрического ватт-
метра представляет собой нагрузку, поглощающую электро-
магнитную энергию. При этом выделяется теплота, нагре-
вающая некоторое рабочее тело, которое часто является на-
трузкой и может быть твердым или жидким. С помощью измери-
тельного устройства измеряется температура рабочего тела и оп-
ределяется значение мощности.
Наиболее распространены поточные (проточные) калоримет-
рические ваттметры с непрерывно циркулирующей жидкостью —
водой, омывающей твердое рабочее тело, или кремний-органиче-
«ской смесью, являющейся объемной нагрузкой. На рис. 5.40 пока-
зан эскиз конструкции приемного преобразователя волноводного
калориметрического ваттметра. В короткозамкнутом отрезке вол-
новода 1 помещена стеклянная трубка 2, по которой протекает
жидкость 3, являющаяся нагрузкой. На входе и выходе трубки
температура жидкости равна Т} и Т2 соответственно. Форма труб-
ки и ее длина в волноводе, выбираются из условия согласования
тракта, т. е. минимального коэффициента отражения.
В установившемся режиме количество теплоты QH, выделяемой
нагрузкой RH, равно количеству теплоты фж, отводимой жид-
костью: QH=0,24/2/?н/=<2ж==СудУ(Т2—Л), откуда
р = = 4 18 Суд — А Т,
0,24/ уд t
где суд — удельная теплоемкость жидкости, измеряемая в
Дж/(кг-К); V — объем жидкости, в литрах, протекшей через кало-
риметр за время измерения t в секундах; АТ — разность темпера-
тур жидкости на входе и выходе в кельвинах. Если суд и скорость
протекания жидкости v=Vft постоянны, то измеряемая мощность
пропорциональна разности температур АТ : Р = аАТ, где а — коэф-
фициент пропорциональности, измеряемый в ваттах на кельвин.
Для измерёния АТ применяют батареи термопар (4, 5 на
рис. 5.40), которые включаются так, что термо-ЭДС батареи 4
Рис. 5.41
Рис. 5.40
132
направлена встречно термо-ЭДС батареи 5. Тогда показание мил-
лиамперметра будет пропорционально АТ и его шкалу можно
градуировать в единицах мощности. Для повышения чувствитель-
ности ваттметра перед миллиамперметром включают усилитель по-
стоянного тока.
Погрешность измерения мощности калориметрическим методом
возникает вследствие изменения удельной теплоемкости жидкости
при ее значительном нагревании, дополнительного нагрева жидко-
сти за счет ее трения о стенки трубки, изменения скорости проте-
кания жидкости, потерь теплоты на излучение. Для уменьшения
погрешности используют метод сравнения, при котором тепловой
эффект, вызванный энергией электромагнитного поля СВЧ, срав-
нивается с тепловым эффектом, вызванным энергией постоянного
тока или тока низкой частоты.
На рис. 5.41 схематически показан проточный калориметриче-
ский ваттметр, работающий по методу сравнения. Приемный пре-
образователь представляет собой нагрузочный резистор Ru поме-
щенный в камеру 1. В аналогичной камере 4 находится резистор
на который подается мощность Р постоянного тока или пере-
менного тока низкой частоты. Оба резистора омываются непре-
рывно циркулирующей в камерах жидкостью. Процесс измерения
мощности СВЧ заключается в измерении мощности постоянного то-
ка, значение которой устанавливают так, чтобы температура жид-
кости на выходах обеих камер была одинакова. Равенство темпе-
ратур определяется по нулевому показанию чувствительного инди-
катора постоянного тока, соединенного последовательно с двумя
термобатареями 2, 3, термо-ЭДС которых включены навстречу
друг другу. Теплообменник 5 выравнивает температуру жидкости
на входах камер. Очевидно, что в таком калориметрическом ватт-
метре отпадают составляющие погрешности за счет непостоянства
удельной темплоемкости, неравномерности течения жидкости, ее
дополнительного нагрева за счет трения.
Измеряемую мощность СВЧ определяют по формуле Р„ =
= Р=[К,Э, где Кэ—коэффициент эффективности приемного преоб-
разователя. С помощью этого коэффициента учитывается неэкви-
валентность нагревания резистора Ri мощностью СВЧ и резистора
мощностью постоянного тока. Коэффициент эффективности за-
висит от частоты и принимает значения 1,0... 0,7 в диапазоне час-
тот 30 МГц ... 37,5 ГГц.
Погрешность измерения мощности СВЧ определяется точ-
ностью измерения мощности постоянного тока и значения Кэ, ко-
торое приводится в паспортных данных ваттметра.
Метод терморезистора основан на изменении электриче-
ского сопротивления терморезистора под действием теплоты, вы-
званной энергией поля СВЧ, .в котором он помещается. Изменение
сопротивления определяется температурным коэффициентом со-
противления терморезистора a = dR/(RdT), где а измерено в еди-
ницах, обратных кельвинам, dR и R — в омах, dT — в кельвинах.
133
Терморезистор является поглощающей нагрузкой и потому
расположен в приемном преобразователе ваттметра. Измеряемая
СВЧ мощность замещается мощностью постоянного тока, экви-
валентной по тепловому действию. Изменение сопротивления тер-
морезистора определяется с помощью измерительного устройства-
моста постоянного тока, в одно плечо которого включен терморе-
зистор.
Конструктивно терморезистор '(рис. 5.4’2,а) представляет собой бусинку 1
(иногда диск) диаметром 0,2 ...0,5 мм, изготовленную методом спекания из по-
рошкообразной смеси окислов никеля, марганца и кобальта, покрытую т*нким
слоем стекла. В бусинку запрессовываются платиновые проволочки 2 диамет-
ром 25... 50 мкм. Бусинка заключается в стеклянный баллончик и снабжается
жесткими латунными выводами 3 диаметром 0,8 мм. Терморезисторы изготав-
ливаются из полупроводника, поэтому их ТКС отрицательный. Условное обо-
значение терморезистора показано на рис. 5.42,6, а зависимости сопротивления
от рассеиваемой мощности для температур окружающей среды '0 и 20° С — на
рис. 5.42,в.
Для измерения мощности на СВЧ кроме терморезисторов при-
меняются болометры — приемники лучистой энергии. Как и у тёр-
морезисторов, электрического сопротивления термочувствительно-
го элемента изменяется при нагревании вследствие поглощения
измеряемого потока излучения.
Болометр |(рис. 5.43,а) представляет собой вольфрамовую или платиновую
проволочку 2, заключенную в стеклянный баллончик 3, наполненный инертным
газом. Поперечное сечение проволочки 3... 40 мкм, длина 1—1 мм. 'К ней при-
варены латунные выводы 1 для включения в измерительную схему. Условное
обозначение болометра показано на рис. 5.43,6. Проволочные болометры исполь-
зуются на частотах ниже 1 ГГц. На более высоких частотах применяют пле-
ночные болометры (рис. 5.43,в). Платиновая или палладиевая пленка 3 напыля-
ется в вакууме на подложку 4 из стекла или слюды, размеры которой соответ-
ствуют сечению волновода. Для включения в измерительную цепь края подлож-'
ки покрываются серебром 5.
134
Основными характеристиками терморезисторов и болометров
являются: зависимость сопротивления /?т от рассеиваемой мощно-
сти RT = f(P); сопротивление в рабочей точке /?т0, равное сопро-
тивлению постоянному току, при котором терморезистор согласу-
ется с волновым сопротивлением тракта СВЧ; чувствительность в
Ч7Г о „ > где измерено в омах на ватт;
аР «т «т0
d R
рабочей точке ST =
максимальная допустимая рассеиваемая мощность — средняя
Ртах И ИМПуЛЬСНаЯ Рmax тепловая постоянная времени т в секун-
дах, равная времени, в течение которого предварительно нагретый
терморезистор остывает до температуры, в е раз меньшей, чем
первоначальная. На рис. 5.43,г приведены типичные характеристи-
ки зависимости изменения сопротивления болометра от изменения
рассеиваемой мощности на них. Выпускаемые в настоящее время
проволочные болометры характеризуются максимальной допусти-
мой мощностью рассеивания от 10 мВт до 2 Вт, чувствительностью
от 3 до 8 Ом/мВт, сопротивлением в холодном состоянии от 6 до
120 Ом. Пленочные болометры рассеивают мощность до 1 Вт; их
чувствительность составляет 3... 3,5 Ом/мВт при работе на час-
тотах ниже 10 ГГц. На более высоких частотах она снижается до
0,3 Ом/мВт. Сопротивление в холодном состоянии 50... 75 Ом.
Максимальная допустимая мощность рассеивания терморезис-
торами 30 ...40 мВт; импульсная — до 50 Вт. Они устойчивы к
перегрузкам. Чувствительность терморезисторов достигает 100
Ом/мВт, поэтому их широко используют для измерения весьма ма-
лых мощностей. Сопротивление терморезисторов в холодном со-
стоянии колеблется от десятков ом до нескольких килоом в зави-
симости от температуры окружающей среды. Сопротивление в ра-
бочей точке терморезистора и болометра устанавливается предва-
рительным подогревом при постоянном токе или токе низкой час-
тоты.
Терморезисторный ваттметр состоит из приемного преобразо-
вателя, в котором размещен терморезистор или болометр и эле-
менты согласования; измерительного моста постоянного тока для
определения изменения сопротивления болометра или терморезис-
тора; отсчетного устройства с цифровой или стрелочной индикаци-
ей; стабилизированного источника питания. Приемный преобра-
зователь в зависимости от диапазона рабочих частот изготавли-
вается из отрезка коаксиальной или волноводной линии.
В коаксиальном преобразователе (рис. 5.44,а) терморезистор
или болометр включается в разрыв центрального проводника 1 в
конце закороченной линии. Терморезистор находится в. цепи трак-
та СВЧ и одновременно в цепи постоянного тока — одном из плеч
моста. Для развязки этих цепей предусмотрен дроссель 2, предо-
храняющий мост от проникновения энергии СВЧ и обеспечиваю-
щий прохождение постоянного тока через терморезистор. Внешний
проводник коаксиальной линии 3 имеет круговую щель, образуе-
мую фланцем 4, в которую помещена кольцевая слюдяная про-
кладка 5; щель с прокладкой является конструктивным конденса-
135
?)
Рис. 5.44
тором Ск, без которого терморезистор был бы замкнут накоротко
по постоянному току. Для энергии СВЧ конденсатор Ск представ-
ляет собой ничтожно малое сопротивление. Коаксиальные прием-
ные преобразователи применяют в диапазоне частот от 20 МГц до
6 ГГц. На более высоких частотах используют преобразователи
волноводной конструкции.
Волноводный терморезисторный преобразователь (рис. 5.44,6)
представляет собой отрезок короткозамкнутого прямоугольного
волновода 1, в широких стенках которого вырезаны перпендику-
лярно два коаксиальных патрубка 2, 3. В разрыв центрального
проводника этих патрубков посередине волновода включен тер-
морезистор. Для согласования терморезистора с волноводом он
должен располагаться'на расстоянии I = (2п +1)Х/4 от замкнутого
конца волновода. Для установки этого расстояния предусмотрен
поршень 5. Волновод согласуется с коаксиальными патрубками с
помощью ступенчатого перехода, трансформирующего волновое
сопротивление волновода, а в коаксиалах предусмотрены подвиж-
ные короткозамыкающие плунжеры 4, 6. Для обеспечения про-
хождения чефез терморезистор постоянного тока измерительной
схемы в патрубке 2 предусмотрена кольцевая щель, образующая
конструктивный конденсатор.
Измерение мощности СВЧ как функции изменения сопротивле-
ния терморезистора выполняется с помощью моста постоянного то-
ка. В одно плечо моста включается терморезистор или болометр,
а в остальные три — постоянные резисторы, сопротивления кото-
рых равны сопротивлению терморезистора в рабочей точке. Такой
равноплечий мост обладает максимальной чувствительностью. Из-
мерение мощности можно выполнять при неуравновешенном или
при уравновешенном состоянии моста.
Ваттметр с неуравновешенным мостом (рис. 5.45,а) работает
так. Сначала мост приводится в равновесие на постоянном токе.
Для этого, изменяя сопротивление резистора Ri в цепи питания мо-
ста, добиваются нулевого показания на шкале микроамперметра
в диагонали моста. Это свидетельствует о равенстве сопротивле-
ния терморезистора всем остальным сопротивлениям R плеч. За-
тем на вход преобразователя подают мощность СВЧ, терморези-
стор дополнительно нагревается, его сопротивление изменяется,
мост выходит из равновесия и стрелка микроамперметра откло-
няется. Резистор /?ДОб ограничивает ток через микроамперметр,
136
Рис. 5.45
Рис. 5.46
Шкала микроамперметра заранее градуируется в единицах мощно-
сти постоянного тока и его показания соответствуют измеряемой
мощности СВЧ.
Ваттметр с неуравновешенным мостом прост и надежен в ра-
боте; с его помощью можно непрерывно и непосредственно изме-
рять мощность СВЧ. Однако необходимость предварительной гра-
дуировки и значительная погрешность измерения (до 10%) огра-
ничивают область его применения. Источниками погрешностей яв-
ляются: рассогласование тракта СВЧ с термистором, так как в
процессе измерения сопротивление последнего изменяется; измене-
ние температуры окружающей среды; нестабильность напряжения
источника питания моста; изменение характеристик терморезисто-
ра при его старении и замене.
Ваттметр с уравновешенным мостом (рис. 5.45,6) обеспечива-
ет значительно большую точность. Измерение выполняют в два
этапа'. Сначала мост приводят в равновесие при постоянном токе
изменением сопротивления резистора 7?i и замечают на шкале мил-
лиамперметра в цепи питания моста значение постоянного тока I.
Через термистор протекает половина питающего мост тока, поэто-
му мощность Л, рассеиваемая на сопротивлении терморезистора
RT, равна
Р. = (Л/2)2 R, = /2 Ят/4 = R/4. (5.26)
Затем подается мощность СВЧ, терморезистор дополнительно на-
гревается, его сопротивление уменьшается и мост выходит из сос-
тояния равновесия. Мост вторично приводят в равновесие, умень-
шая постоянный ток через терморезистор резистором Ri до зна-
чения /2. Теперь мощность постоянного тока Р2, рассеиваемая на
R, согласно формуле (5.26) равна
Р2 = /2/?/4/ (5.27)
137
Очевидно, что разность мощностей постоянного тока равна изме-
ряемой мощности СВЧ:
P^ = P1-P8 = (Z2-Zf)Z?/4. (5.28)
Измерение мощности с помощью ваттметра с уравновешенным
мостом является косвенным, так как требует вычислений. Преиму-
щества по сравнению с неуравновешенным мостом следующие: не
нарушается согласование тракта СВЧ с терморезистором, так как
сопротивление последнего приводится к одному и тому же значению
независимо от значения измеряемой мощности; не нужна предва-
рительная градуировка; изменения характеристик терморезисто-
ров от старения и при их замене не влияют на результаты изме-
рений. Недостатками являются: необходимость двух операций
уравновешивания моста; выполнение вычислений; увеличение по-
грешности при малом различии между двумя значениями измеря-
емых постоянных токов Л и /2.
Прямопоказывающий ваттметр с уравновешенным мостом не
имеет этих недостатков; для измерения мощности СВЧ измеряют
не два значения постоянных токов, а их разность AZ=Zi—Z2. Под-
ставим в формулу (5.28) значение тока Z2=Zi—AZ. После соответ-
ствующих преобразований получаем
P~ = (2ZX—AZ)AZ/?/4, (5.29)
где Zi — ток питания моста при первоначальном уравновешивании;
AZ — приращение этого тока при вторичном уравновешивании с
заданной мощностью СВЧ.
Если поддерживать значение тока Ц и сопротивление R пос-
тоянными, то значение измеряемой мощности СВЧ однозначно оп-
ределяется приращением постоянного тока AZ: =f(AZ). Шка-
лу миллиамперметра, измеряющего это приращение, можно граду-
ировать в единицах мощности. Существует много схем прямопо-
казывающих ваттметров с разными способами измерения разности
токов AZ. Рассмотрим одну из них, называемую «схемой с шунтом»
(рис. 5.46). Напряжение питания моста, подобного представлен-
ному на рис. 5.45,6, подается от источника стабильного тока. Пер-
воначальное уравновешивание моста выполняют путем установки
тока Zi, при котором RT=R. В дальнейшем значение тока Ц бла-
годаря действию стабилизатора тока не изменяется. Затем пода-
ют СВЧ мощность , сопротивление терморезистора уменьшает-
ся и мост выходит из равновесия. Замыкая переключатель ZZ, под-
ключают цепь шунта и, регулируя сопротивление резистора Рш>
вновь приводят мост в равновесие. Оно наступает вследствие умень-
шения тока, протекающего через терморезистор за счет ответвле-
ния части AZ тока Ц через шунт. Для измерения AZ в цепи шунта
предусмотрен миллиамперметр, шкала которого в соответствии с
формулой (5.29) градуируется в единицах мощности.
В процессе эксплуатации ваттметра градуировка может нару-
шаться при изменении температуры окружающей среды, замене
и старении терморезистора. Для обеспечения постоянства градуи-
138
ровки значение тока Zi, получаемое от источника стабильного то-
ка, устанавливают несколько меньшим, чем нужно для уравнове-
шивания моста, а точное равновесие получают путем дополнитель-
ного косвенного подогрева терморезистора переменным током низ-
кой частоты. Источник этого тока и нагревательный элемент НЭ
входят составными частями в прямопоказывающий термисторный
ваттметр. В процессе измерения нарушения первоначального урав-
новешивания моста под влиянием внешних причин устраняют толь-
ко регулировкой выходного тока генератора низкой частоты, а зна-
чение постоянного тока Л сохраняется неизменным.
. На основе рассмотренной схемы (рис. 5.46) выпускают ваттмет-
ры с автоматическим уравновешиванием моста. Для этого вместо
гальванометра в диагональ 1, 2 включают усилитель постоянного
тока с большим коэффициентом усиления, а вместо резистора в
цепи шунта — регулируемый (управляемый) источник постоян-
ного тока. Напряжение разбаланса, возникающее в диагонали 1,
2 при подаче на термистор мощности СВЧ, усиливается усилите-
лем постоянного тока и используется для управления источником
постоянного тока до восстановления равновесия моста. Значение
тока, пропорциональное измеряемой мощности, фиксируется на
шкале миллиамперметра.
Принцип работы терморезисторного ваттметра дискретного дей-
ствия основан на питании его моста импульсным напряжением. Из
(5.16) можно получить
- Р = Par/T = Par F=WaF, (5.30)
где Р — средняя мощность за период; Ри — импульсная мощность;
т — длительность импульса; Т и F — период и частота следования
импульсов; Wn— энергия импульса. Таким образом из .(5.30) сле-
дует, что если напряжение питания терморезистора представляет
собой некоторую последовательность импульсов, то рассеиваемая
на нем мощность линейно связана с их частотой следования. Это
справедливо, если тепловая постоянная времени терморезистора
много больше периода следования импульсов, что практически
всегда выполняется.
Схема ваттметра дискретного действия (цифрового ваттметра)
приведена на рис. 5.47. Мост аналогичен рассмотренным ранее с
Рис. 5.47
139
тем отличием, что вместо индикатора включены детектор и усили-
тель постоянного тока для обнаружения напряжения разбаланса
ДС. Напряжение разбаланса подается на управляемый по частоте
генератор однополярных прямоугольных импульсов. Эти импуль-
сы поступают в электронный счетчик и формирующее устройство.
В последнем однополярные импульсы -преобразуются в двухполяр-
ные без постоянной составляющей и используются для питания
моста.
В начальном состоянии, когда мост уравновешен, ДС—0 и ге-
нератор вырабатывает импульс с начальной частотой Fit значе-
ние которой записывается в счетчик в дополнительном коде. Тер-
морезистор нагревается импульсами с частотой Л и на нем рас-
сеивается МОЩНОСТЬ Р1=ГиЛ-
При подаче измеряемой мощности СВЧ терморезистор разогре-
вается дополнительно, мост выходит из равновесия, появляется на-
пряжение разбаланса Д£/. Последнее воздействует на элемент,
уменьшающий частоту генератора до значения F2-, при этом мост
вновь уравновешивается при мощности Р2=№яР2. Частота F2 при
измерении мощности Р записывается в счетчик в прямом коде,
результирующий код в счетчике пропорционален разности частот
Fi и F2. Отсюда измеряемая мощность СВЧ
P^Pi-P^W^-FJ.
Результирующий код фиксируется на шкале цифрового инди-
катора, градуированной в единицах мощности. Погрешность тер-
морезисторных ваттметров дискретного действия составляет 0,5%
и менее.
Сущность термоэлектрического метода заключает-
ся в преобразовании энергии СВЧ в термо-ЭДС с помощью СВЧ
термопар, помещаемых в приемном преобразователе в качестве
поглощающей нагрузки. Конструкции термоэлектрических преоб-
разователей различны (по виду тракта, месту включения термо-
пар и т. д.), но принципиальная электрическая схема их может
быть представлена на рис. 5.48.
Две термопары соединены для СВЧ тракта параллельно, а для
цепи постоянного тока — последовательно. Термопара выполнена
из двух тонких пленок (висмут — сурьма или хромель — копель)’,
напыленных в вакууме на диэлектрическую подложку. Общее соп-
ротивление двух соединенных
Параллельно термопар должно
равняться волновому сопротив-
лению линии передачи /?тп/2 =
= р. Конструктивный конденса-
тор Ск разделяет цепи СВЧ и
постоянного тока. Конденсатор
постоянной емкости С шунти-
рует вход измерительного
устройства от . высокочастот-
ных составляющих. Усилен-
Прмолиры
#тя
С
# измерителен-
му устройств
к
Рис. 5.48
140
Рис. 5.49
ная термо-ЭДС измеряется аналоговым или цифровым (чаще)
вольтметром, градуированным в единицах мощности. К достоин-
ствам термоэлектрического метода относятся: широкий диапазон
частот; малое время измерения; малая зависимость показаний от
окружающей температуры; широкие пределы измеряемой мощ-
ности. Главным недостатком метода является малая надежность
вследствие неустойчивости термопар к перегрузкам.
Структурная схема одного из выпускаемых промышленностью
термоэлектрических ваттметров приведена на рис. 5.49. Термо-
ЭДС, возникшая под действием мощности СВЧ в термопарах,
размещенных в приемном преобразователе, через фильтр нижних
частот поступает на усилитель с преобразованием сигнала МДМ.
(модуляция — усиление переменного напряжения — демодуляция)'
и далее на цифровой вольтметр, градуированный в единицах мощ-
ности. Для проверки этой градуировки предусмотрен калибратор.
Промышленность выпускает терморезисторные и термоэлектрические ватт-
метры поглощаемой мощности с наборами сменных приемных преобразователей
коаксиальной или волноводной конструкции, измерительными устройствами с
ручным или автоматическим управлением, стрелочными или цифровыми отсчет-
ными устройствами. Ваттметры перекрывают весь диапазон частот, используе-
мый в настоящее время в технике радиосвязи и вещания. Пределы значений
измеряемой мощности составляют от единиц микроватт до единиц ватт. Эти пре-
делы можно расширить с помощью внешних калиброванных аттенюаторов или
направленных ответвителей, включаемых на входе ваттметра. Класс точности
выпускаемых ваттметров связан с КСВ входной цепи приемного преобразователя
и в соответствии с ГОСТ 13605—75 они соответствуют следующим значениям:
Класс точности 1,0 1,5 2,5 4,0 6,0 10,0
КСВ, не более 1,1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
Измерение проходящей мощности. По определению проходя-
щую мощность Рпр выражают следующей формулой:
/Эпр = /Эп = ^п-/Эо = ^п(1-|ГН|2), (5.31)
где Р„ и Ро — мощность падающей и отраженной волн соответст-
венно, а Ги — коэффициент отражения от нагрузки. Ваттметр про-
ходящей мощности включают в линию передачи между генерато-
ром и нагрузкой; при этом не должна искажаться структура элек-
тромагнитного поля в линии. Несоблюдение этих требований при-
водит не только к значительной погрешности измерения, но и к на-
141
рушению режима работы тракта с нагрузкой. Рассмотрим наибо
лее распространенные методы.
Метод ответвления реализуется чувствительными ват-
тметрами поглощаемой мощности в совокупности с направленны-
ми ответвителями.
Направленный ответвитель предназначен для ответвления из-
вестной части мощности падающей или отраженной волны. Он со-
стоит из главной линии, включаемой последовательно в линию пе-
редачи СВЧ энергии, и вспомогательной, электрически связанной
с главной через элементы связи и нагруженной с обеих сторон ий
сопротивления, равные ее волновому сопротивлению. По главной
линии распространяется падающая волна от генератора к нагруз-
ке и отраженная — от нагрузки к генератору. Через элементы свя-
зи часть энергии обеих волн проникает в вспомогательную линию,
где возникают две волны, бегущие в обе стороны от элементов
связи. Последние устроены так, что в одном направлении вдоль
вспомогательной линии распространяется энергия, пропорциональ-
ная только падающей волне, в другом — только отраженной.
Теория и конструктивные решения направленных ответвителей
изучаются в технической электродинамике. Здесь рассмотрим ус-
тройство и работу направленного ответвителя волноводной конст-
рукции (рис. 5.50).
Элементы связи между главной и вспомогательной линиями
представляют собой отверстия (щели), расположенные на рассто-
янии четверти длины волны Хв в волноводе друг от друга. Пада-
ющая волна (сплошная линия) возбуждает в вспомогательной ли-
нии электромагнитное поле, энергия которого разветвляется в точ-
ках 3 и 4 в обе стороны. В точке 4 и далее направо колебания на-
ходятся в одинаковой фазе, так как расстояния 1—3—4 и 1—2—4
равны друг другу. Следовательно, к выходу вспомогательной ли-
нии проходит сумма возбужденных колебаний. Энергия отраженной
волны (штриховая линия) также возбуждает колебания в вспомо-
гательной линии, но в точке 4 и далее направо они взаимно ком-
пенсируются, так как расстояния 2—1—3—4 и 2—4 отличаются
на половину длины волны и колебания находятся в противофазе.
Таким образом, к выходу вспомогательной линии ответвителя по-
ступает часть мощности АРП толь-
д' ваттметру ко падающей волны.
Колебания, возникшие за счет
отраженной волны и распростра-
няющиеся влево (по. схеме), в
точке 3 складываются и, проходя
далее, поглощаются в сопротив-
дении нагрузки вспомогательной
~Р~ линии. Колебания, возбужденные
энергией падающей волны, в точ-
ке 3 и левее компенсируются, так
как разность расстояний 1—2—
♦
Вспомогательная линия
Нагрузка
Л.»/4
==В
Р нагрузке
* ЛлаВная
линия
Рис. 5.50
4—$ и 1—3 равна половине дли-
142
Рис. 5.51
ны волны. Отсюда следует, что, подключив к выходу вспомогатель-
ной линии, направленного ответвителя измеритель мощности, можно
определить значение мощности, проходящей через главную линию.
Если повернуть направленный ответвитель на 180°, то на вы-
ходе появится энергия, пропорциональная мощности только отра-
женной волны. Направленные ответвители характеризуются пере-
ходным ослаблением
С= 101g (РП/ДРП>
и коэффициентом направленности
£>=101g(APn/APo),
где Ра — значение падающей мощности в главной линии; АРП и
АР0 — значения ответвленной мощности падающей и отраженной
волн в вспомогательной линии. Обычно D равен 20 ...40 дБ; С=
= 10... 30 дБ.
Схема измерения проходящей мощности приведена на рис. 5.51.
Направленные ответвители 1 и 2 с одинаковыми характеристиками
и противоположными ориентациями включены последовательно в
линию передачи. Ответвленные части мощностей падающей и от-
раженной волн измеряются поглощающими ваттметрами 1 и 2.
Результаты измерений поступают на вычитающее устройство, на
выходе которого включен измеритель,
градуированный в единицах мощности.
Его показания в соответствии с форму-
лой (5.31) пропорциональны проходящей
мощности.
Пондеромоторный метод ос-
нован на преобразовании энергии элек-
тромагнитного поля в механическую. Пон-
деромоторный ваттметр состоит из отрез-
ка прямоугольного волновода 1 (рис.
5.52), внутри которого на упругой квар-
цевой нити 2 подвешена легкая металли-
ческая пластинка 4. Нижняя кромка пла-
143
станки через жесткий кварцевый стержень 5 связана с зеркаль-
цем 6 и демпфером 7, а верхняя — через упругую кварцевую нить —
с осью измерительной головки. На головке нанесена шкала в гра-
дусах.
Электромагнитная энергия, распространяясь вдоль волновода,
возбуждает в пластинке заряды противоположных знаков и ее
можно рассматривать как диполь с электрическим моментом рэ~
=el, где е — заряд, а I — расстояние между зарядами. На этот
диполь действует электромагнитное поле напряжеииостью Е, в ре-
зультате их взаимодействия возникает момент сил, приложенных
к пластинке: М~рэЕcos0, где 0 — угол между осью диполя и на-
правлением вектора электрического поля. Под действием момен-
та сил пластинка поворачивается и угол 0 увеличивается пропор-
ционально проходящей мощности. Чтобы возвратить пластинку в
начальное положение нужно с помощью головки 3 закрутить нить
на некоторый угол Д0. Момент возврата пластинки определяет-
ся совпадением положения светового пятна на внешней шкале 8
с его положением до измерения, т. е. в отсутствие мощности СВЧ
т? волноводе.
Проходящая мощность и угол Д0 связаны следующим соотно-
шением:
РПр=: АМД0=аД0,
где а в ваттах на градус определяется экспериментально и извест-
но для каждого ваттметра. Измерение проходящей мощности сво-
дится к измерению угла закручивания кварцевой нити ваттметра.
Пондеромоторные ваттметры обеспечивают высокую точность
измерения (погрешность менее 1 %), устойчивы к перегрузкам, по-
требляют малую мощность. К их недостаткам относятся большая
чувствительность к вибрациям и сложность в изготовлении. Они
используются преимущественно в метрологических целях (для по-
верки, градуировки и т. п.).
Глава 6. ГЕНЕРАТОРЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
СИГНАЛОВ
6.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ГЕНЕРАТОРОВ.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Подгруппа приборов, предназначенная для формирования измери-
тельных сигналов, обозначается буквой Г. Согласно ГОСТ
35094—69 в эту подгруппу входит семь видов приборов. Приборы
вида Г1 используют для проверки генераторов. К виду Г2 отно-
сятся генёраторы шумовых сигналов; к виду ГЗ — генераторы низ-
ких частот от 20 Гц до 300 кГц, формирующие сигналы сииусои-
144
дальней формы. Имеется тенденция расширения этого диапазона
вниз'до долей герца и вверх до единиц мегагерц. К виду Г4 от-
носятся высокочастотные синусоидальные генераторы. Обычно эти
генераторы носят название высокочастотных в диапазоне от 30 кГц
до 300 МГц и СВЧ в диапазоне от 300 МГц до 18 ГГц. Вид Г5
объединяет генераторы импульсов, а вид Гб — генераторы сигна-
лов специальной формы. К виду 7 относятся генераторы качаю-
щейся частоты (свипгенераторы).
Основные нормируемые параметры измерительных генерато-
ров, характеризующие их метрологические и эксплуатационные
свойства, устанавливаются государственными стандартами на ге-
нераторы конкретного типа. Как правило, указываются следующие
параметры:
форма сигнала измерительного генератора (синусоидальная,
импульсная и т. п.);
параметры сигнала данной формы (частота повторения, ампли-
туда, длительность и скважность прямоугольного импульса, дли-
тельность фронта и среза, коэффициент гармоник и т. п.); .
пределы регулировки параметров сигнала (диапазон частот,
пределы регулировки ослабления, пределы установки длительно-
сти и т. п.);
пределы допускаемых погрешностей установки параметров си-
гнала (установки частоты, амплитуды, длительности импульсов
и т. п.);
нестабильность параметров сигнала за некоторый интервал вре-
мени (указывается при определенных изменениях внешних усло-
вий, напряжения питания, регулировании других параметров сиг-
нала).
6.2. ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕРАТОРОВ
СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ
Эти генераторы получили наибольшее распространение при из-
мерениях в технике связи. Требования к нормируемым парамет-
рам их разработаны наиболее полно. В соответствии с ГОСТ
9788—78 основными параметрами этих генераторов являются:
диапазон частот генерируемых колебаний. Указывается мини-
мальная и максимальная частота диапазона. Весь диапазон обыч-
но разбивается на несколько поддиапазонов. Ширина диапазона
характеризуется коэффициентом перекрытия, равным отношению
максимальной генерируемой частоты к минимальной. Коэффици-
ент перекрытия существенно уменьшается с ростом верхней гра-
ницы диапазона, изменяясь от 10 000 для генераторов низких час-
тот до 1,1 ... 2,0 для генераторов СВЧ;
погрешность установки частоты. Этот параметр указывается ли-
бо для всего прибора, либо отдельно для каждого поддиапазона
и может быть основной и дополнительной. Например, основная по-
грешность установки частоты генератора Г4-70 равна 1%. У ге-
145
нератора ГЗ-109 основная погрешность установки частоты в диа-
пазоне от 200 Гц до 20 кГц составляет ± (1+50//ИОм1 %. Здесь
/ном — номинальное значение частоты, устанавливаемое по шкале.
Дополнительная погрешность установки частоты зависит от изме-
нения температуры окружающей среды и изменения уровня вы-
ходного сигнала. Например, у генератора Г4-70 дополнительная
погрешность установки частоты, вызываемая изменением темпера-
туры окружающей среды в пределах рабочих условий, не превы-
шает ±0,3% на каждые 10° С. Дополнительная погрешность уста-
новки частоты, обусловленная регулированием уровня выходного
сигнала от. наибольшего до наименьшего значения, не превышает
±0,1% на частотах до 250 МГц. В некоторых образцах современ-
ных генераторов для индикации устанавливаемой частоты исполь-
зуют встроенные частотомеры цифрового типа, погрешность кото-
рых и определяет погрешность установки частоты. Прецизионные
измерительные генераторы с дискретным набором фиксированных
частот (синтезаторы) могут иметь погрешность установки частоты
10-4... ГО-5%;
нестабильность частоты. Эта характеристика нормируется как
предел допускаемого изменения частоты. Указывают кратковремен-
ную нестабильность частоты, например, при неизменных внешних
условиях и неизменном напряжении питания за любые 15 мин ра-
боты генератора после установки рабочего режима, и долговре-
менную (например, за любые 3 ч работы). Нестабильность часто-
ты зависит от внешних условий и напряжения питания, а также
от механических и электрических параметров колебательных кон-
туров, резонаторов и активных элементов задающих генераторов.
У генераторов с плавной перестройкой частоты кратковременная
нестабильность обычно составляет 10-3 ... 10-4. Для генераторов с
подстройкой частоты по встроенному кварцевому генератору с по-
мощью фазовой автоподстройки частоты кратковременную неста-
бильность удается уменьшить до 1Q-7. Цифровые синтезаторы име-
ют суточную нестабильность частоты 10~9;
параметры выходного напряжения. Выходное напряжение оп-
ределяется назначением генератора. Низкочастотные генераторы
обеспечивают сравнительно большое^ выходное напряжение. На-
пример,' генератор ГЗ-109 вырабатывает сигнал 16 В, а высоко-
частотный генератор Г4-70, предназначенный для настройки ра-
диоприемных устройств,— сигнал с максимальным напряжением
50 мВ, причем имеется аттенюатор, позволяющий изменять уровень
выходного напряжения от 0 до 90 дБ. Минимальное выходное на-
пряжение составляет 1,5 мкВ;
погрешность установки уровня выходной мощности (напряже-
ния). Нормируется как предел допускаемой основной и дополни-
тельной погрешности установки уровня. Эта погрешность опреде-
ляется погрешностью прибора (вольтметра), который встраивает-
ся в измерительный генератор и по которому устанавливается ка-
либрованный исходный уровень, а также погрешностью аттенюа-
тора;
146
нестабильность уровня выходной мощности. Нормируется как
предел допускаемого изменения опорного уровня за некоторый оп-
- ределенный интервал временй (15 мин, 3 ч и т. п.). Этот параметр
, зависит от изменений внешних условий, напряжения питания, от
регулировки других параметров сигнала. Особенно важным для
практики является допускаемое изменение выходного уровня при
перестройке частоты генератора, т. е. неравномерность его ампли-
о тудно-частотной характеристики;
уровень гармонических составляющих. Искажения формы си-
нусоидального сигнала нормируют путем указания предельного
допустимого значения коэффициента гармоник. У генераторов об-
щего назначения коэффициент гармоник может составлять 0,3...
। ...2%. Особо высококачественные генераторы имеют коэффициен-
ты гармоник 0,02... 0,05%;
параметры модуляции выходного сигнала. Модуляция выход-
ного сигнала осуществляется в генераторах ВЧ и СВЧ. Нормиру-
ются: вид модуляции, пределы регулировки и погрешность отсче-
та параметров модуляции;
качество экранировки генератора. Экранировка генератора не-
обходима для ослабления излучения электромагнитной энергии и,
следовательно, помех. Применяемая экранировка отдельных узлов
существенно снижает уровень помех, однако не может устранить
их полностью. В паспортных данных генераторов обычно указы-
ваются плотность потока мощности вне прибора и напряжение ге-
нерируемой частоты в проводах сети питания;
выходное сопротивление. Измерительные генераторы имеют оп-
ределенное выходное сопротивление. Наиболее распространенны-
ми значениями 7?Вых являются 600, 75, 50 15, 10, 5 Ом. Нужное зна-
чение выходного сопротивления выбирается из условий решения
измерительной задачи, например условий согласования с волновым-,
сопротивлением подключаемого кабеля.
I
I 6.3. НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Номенклатура основных параметров низкочастотных генерато-
ров должна соответствовать рассмотренным требованиям ГОСТ
9788—78, а также специальному ГОСТ 10501—74. Генераторы низ-
г кочастотные измерительные. Основные параметры. Технические
требования. Методы испытаний. Этот стандарт подразделяет низ-
кочастотные генераторы на классы точности по частотным парамет-
рам и параметрам выходного напряжения. За индекс класса при-
нимается значение основной погрешности установки частоты и
опорного уровня выходного напряжения в процентах. Установлено
6 классов точности по частотным параметрам (Ко,г, Ко,5; Ецо; Fi,s;
•^2.0; Ез.о) и 5 классов точности по параметрам выходного напря-
жения (£Л,о; 5/г,о; Е73,5; {74,0; 57в,о). Например, обозначение класса
генератора Fi5/2,5 означает, что основная погрешность установки
частоты не превышает 1%, а основная погрешность отсчета уров-
t ня выходного напряжения не более 2,5%• Для каждого класса точ-
147
ности генератора установлены нормы, за которые не должны вы-
ходить другие параметры генератора: нестабильность частоты, ко-
эффициент гармоник, погрешность ослабления аттенюатора, до-
полнительные погрешности частоты и уровня выходного напряже-
ния. Кроме того, ГОСТ 10501—74 допускает выпуск измеритель-
ных генераторов с более высокими метрологическими характери-
стиками, индекс класса которых может в 10п раз (п — целое чи-
сло) отличаться от указанных. Например, генератор с основной
погрешностью установки частоты 10_4 % следует отнести к клас-
су Лью-4. •
Низкочастотные измерительные генераторы выполняют обычно
по структурной схеме рис. 6.1. Основным узлом этой схемы явля-
ется задающий генератор, схемное и конструктивное решение ко-
торого в значительной степени определяет метрологические харак-
теристики всего прибора: диапазон частот, погрешность установ-
ки и нестабильность частоты, нестабильность уровня выходного на-
пряжения, искажения формы синусоидального сигнала.
Усилитель, включенный после задающего генератора, обеспечи-
вает усиление напряжения и мощности генерируемых синусоидаль-
ных колебаний, развязывает задающий генератор от нагрузки. Такие
усилители охватывают глубокой отрицательной обратной связью
с тем, чтобы обеспечить хорошую равномерность его амплитудно-
частотной характеристики, высокую стабильность коэффициента
усиления, малый уровень нелинейных искажений.
Вольтметр, подключенный к выходу усилителя, позволяет конт-
ролировать калиброванный исходйый уровень напряжения на вы-
ходе аттенюатора. Обычно в качестве вольтметров, встраиваемых
в измерительные генераторы, используют электронные вольтметры
средневыпрямленного значения. Погрешность этого вольтметра
непосредственно определяет точность установки уровня.
Рис. 6.1
148
Аттенюатор позволяет ступенчато (обычно через 10 дБ) изме-
нять ослабление сигнала на выходе измерительного генератора
в диапазоне от 0 до 60... 120 дБ. Погрешность аттенюатора вно-
сит свой вклад в погрешность установки уровня выходного напря-
жения и составляет обычно 0,5 ... 1,0 дБ.
Выходной согласующий трансформатор, представленный на
структурной схеме рис. 6.1, применяют только в генераторах с по-
вышенными значениями выходной мощности (порядка 5 Вт) и на-
пряжения (50 В на нагрузке 600 Ом). В таких генераторах для
достижения малых нелинейных искажений сигнала требуется тща-
тельно согласовывать выходное сопротивление с сопротивлением
нагрузки, чтобы обеспечить расчетный режим работы выходного*
каскада усилителя. Типовые выходные трансформаторы позволя-
ют работать на нагрузки 5, 50, 600 и 5000 Ом. Поскольку практи-
чески невозможно создать согласующий трансформатор с равно-
мерной амплитудно-частотной характеристикой во всем диапазо-
не 20 Гц... 300 кГц, обычно используют два трансформатора:
один — в полосе 20 Гц... 20 кГц, второй — в полосе 20 кГц...
... 200 кГц. Трансформаторы переключают одновременно с пере-
ключением соответствующих поддиапазонов задающего генерато-
ра.. Особенно важно согласовывать сопротивление генератора с со-
противлением нагрузки при проведении измерений на длинных
линиях. Только при согласовании линии на выходе и входе реа-
лизуется нормальный режим ее работы с точки зрения искажений
сигнала и передаваемой мощности, минимизируется погрешность
измерения затухания и т. п. Для точного согласования выходно-
го сопротивления генератора с сопротивлением нагрузки можно
использовать дополнительный переменный резистор, подключа-
емый последовательно или параллельно к выходу генератора.
Выходные зажимы согласующего трансформатора обычно пу-
тем соответствующей коммутации обеспечивают получение как
симметричного, так и несимметричного выходного сигнала, а так-
же двух одинаковых по амплитуде и противоположных по фазе
выходных напряжений. Однако следует отметить, что все харак-
теристики точности установки уровня выходного напряжения с по-
мощью аттенюатора и шкалы вольтметра градуируются обычно
только при работе на несимметричную нагрузку 600 Ом.
Подавляющее большинство современных измерительных гене-
раторов не имеет выходного согласующего трансформатора. Онк
рассчитаны на выходное напряжение 5 ... 10 на нагрузке 600 Ом.
Выходное сопротивление таких генераторов (нерегулируемое и
равное 600 Ом) определяется конструкцией аттенюатора.
В структурной схеме низкочастотных генераторов синусоидаль-
ных колебаний с повышенными требованиями к точности установ-
ки выходного напряжения и его стабильности может быть вклю-
чена система автоматической регулировки уровня выходного сиг-
нала (АРУ, рис. 6.1). Система АРУ детектирует выходной сигнал
генератора, сравнивает его с сигналом источника опорного напря-
жения и изменяет режим работы задающего генератора так, что-
14»
бы скомпенсировать изменение
уровня выходного сигнала при
изменении частоты и других
дестабилизирующих факторах.
В результате применения АРУ
погрешность установки выход-
ного уровня сигнала можно
уменьшить в 4... 6% до 0,4%.
В некоторых измерительных ге-
нераторах система АРУ имеет
внешний вход и допускает под-
ключение прибора в общую
цепь стабилизации сигнала,
охватывающую, например, ис-
следуемый объект.
В задающих генераторах
низкочастотного диапазона ис-
пользуют три схемных реше-
ние. 6.2 ния: ^С-генераторы, генера-
торы на биениях, генерато-
ры с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты (синтеза-
торы). В простых и дешевых приборах наиболее распро-
странены 7?С-генераторы. К достоинствам задающего генератора
данного типа следует отнести сравнительно малые искажения фор-
мы колебаний (коэффициент гармоник 0,02... 2%), малую зависи-
мость амплитуды от частоты, напряжения питания и т. п. Обычно
переход от одного поддиапазона к другому осуществляется пере-
ключением конденсаторов, а плавное изменение частоты в преде-
лах поддиапазона — изменением сопротивления резистора. Зада-
ющие генераторы на биениях (рис. 6.2) используют в низкочастот-
ных генераторах с большим коэффициентом перекрытия частотно-
го диапазона. Задающий генератор содержит два LC-генератора,
один работает на фиксированной частоте ft, а второй плавно пере-
страивается.
Преимущества генератора на биениях видны из следующего примера. До-
пустим, что требуется построить генератор с диапазоном частот от 20 до
40 000 Гц. Коэффициент перекрытия составляет 40 000/20=2000. Выберем fj =
= 400 кГц, a fi=400... 360 кГц. Сигналы этих генераторов поступают иа сме-
ситель, в котором вырабатываются комбинационные частоты, в том числе F=
= f2—ft- 'При перестройке fi от 400 до 360 кГц F изменяется от 0 до '40 кГц.
При этом генератор, формирующий сигнал частоты fa, имеет коэффициент пе-
рекрытия частоты всего 400/360=1,1.
В некоторых случаях для стабилизации выходного напряже-
ния используют системы АРУ, управляющие выходным напряже-
нием генератора сигнала фиксированной частоты.
Стабильность частоты генераторов на биениях обеспечивает-
ся в основном конструктивными мерами: генераторы сигналов фик-
сированной и перестраиваемой частоты выполняют так, чтобы все
150
дестабилизирующие факторы влияли на частоту одинаковым об-
разом. В результате разностная частота в первом приближении
остается постоянной. В итоге нестабильность частоты генераторов
на биениях сопоставима с нестабильностью ЯС-генераторов (0,5...
... 1% за час).
6.4. ГЕНЕРАТОРЫ ВЫСОКИХ ЧАСТОТ
Измерительные генераторы высоких частот диапазона 30 кГц...
300 МГц необходимы в первую очередь для настройки и испыта-
ний радиоприемных устройств радиовещательной и связной ап-
паратуры. Можно выделить две группы таких генераторов:
прецизионные генераторы, предназначенные для испытаний
устройств магистральной и радиотелефонной связи, погрешность
установки и кратковременная нестабильность частоты которых не
должна превышать 10-6. Такие генераторы должны обеспечивать
возможность модуляции сигнала различного вида, в том числе и
однополосной модуляции, а также реализации многочастотной
структуры выходного сигнала. Для создания презиционных гене-
раторов высоких частот используют методы диапазонно-кварце-
вой стабилизации и синтеза частот, рассматриваемые далее;
генераторы общего применения, погрешность установки часто-
ты которых находится в пределах 0,01 ... 1,5%, а кратковременная
нестабильность частоты больше 10~6. С помощью таких генерато-
ров можно проводить измерения чувствительности и избиратель-
ности радиовещательных приемников, качества работы автомати-
ческой регулировки усиления, частотных характеристик фильтров
и усилителей и т. п. В таких генераторах необходим режим ампли-
тудной и (реже) частотной и импульсной модуляции при доста-
точно высоких требованиях к форме огибающей модулированного
сигнала. Для них характерны малое значение калиброванного вы-
ходного сигнала (0,1 ... 1,0 В) и большие пределы регулировки ос-
лабления выходного сигнала аттенюатором. Только отдельные ге-
нераторы, предназначенные, например, для поверки вольтметров
средней точности, могут иметь повышенное выходное напряжение
30... 100 В.
Нормы на параметры генераторов высоких частот устанавливает ГОСТ
141'26—78. Генераторы сигналов измерительные с коаксиальным выходом. Тех-
нические требования и методы испытаний. Понятие класса точности таких ге-
нераторов теперь не используется, а указываются ряды чисел, которые следует
использовать при нормировании метрологических характеристик. Например, пре-
делы допускаемой основной погрешности установки частоты по отсчетному уст-
ройству следует выбирать из ряда от ±0,01% до ±4,6%, а нестабильность час-
тоты за любые 15 мии после установления рабочего режима—от ±1ч10_8 до
±5-110-4. Аналогично сформулированы требования к нормированию других мет-
рологических характеристик.
Типичная структурная схема генератора высоких частот обще-
го применения с амплитудной модуляцией представлена на рис. 6.3,
151
Вспомогательный выход
Рис. 6.3
Задающий генератор, выполняемый обычно на базе LC-контура и
транзистора, включенного по трехточечной схеме с емкостной об-
ратной связью, работает на частоте /=1/2л)/Г LC.
Плавную перестройку частоты в пределах поддиапазона осу-
ществляют с помощью конденсатора переменной емкости, переход
ют одного диапазона к другому—коммутацией катушек индуктив-
ности. Поскольку частота генерации обратно пропорциональна
У С; коэффициент перекрытия по частоте, как правило, не превы-
шает 2...3, что существенно меньше, чем, например, у 7?С-генера-
торов.
Формирование поддиапазонов некоторых современных широко-
диапазонных измерительных генераторов высоких частот осуще-
ствляется не коммутацией LC-контуров задающего генератора, а
делением частоты (рис. 6.4). В этом случае сигнал задающего LC-
тенератора, плавно перестраиваемого на частоте верхнего подди-
апазона 150 ... 300 МГц, поступает на цепочку делителей частоты
на 2 и только потом через совокупность фильтров на модулятор.
Исключение из контура задающего генератора цепей коммутации
увеличивает стабильность, позволяет практически безынерционно
переходить от одного поддиапазона к другому, поскольку не тре-
буется время на самопрогрев элементов и одновременно подгонять
шкалы всех поддиапазонов при изготовлении генератора. При этом
существенно улучшаются шумовые свойства генератора. Однако
такому методу создания широкодиапазонных задающих генерато-
ров свойствен и ряд недостатков. Требуется тщательная фильтра^
552
Рис. 6.4
ция сигнала на выходе делителей, поскольку его форма далека от
синусоидальной. Девиация частоты в режиме частотной модуля-
ции снижается одновременно с уменьшением несущей частоты. Для
исключения этого эффекта приходится усложнять схему осущест-
вления частотной модуляции.
Характеристики задающего генератора определяют все частот-
ные параметры прибора, а также в значительной степени и форму
выходного сигнала. Поэтому при проектировании элементов LC-
контура обеспечивают высокую механическую и температурную ста-
бильность параметров катушек, конденсаторов и узлов настройки.
Задающие генераторы некоторых современных измерительных
генераторов позволяют работать в режиме не только частотной мо-
дуляции, но и внешней синхронизации, а также в режиме внешне-
го управления частотой (обычно в пределах не более 0,1%) с по-
мощью аналогового сигнала, подаваемого на включенный в контур
варикап. Такие измерительные генераторы можно использовать для
работы в кольце внешней фазовой автоподстройки частоты, для че-
го предусматривается вспомогательный высокочастотный выход. К
этому выходу можно подключать внешний или встроенный элект-
ронно-счетный частотомер.
В современных измерительных генераторах используют, как пра-
вило, широкополосные модуляторы и усилители высокой часто-
ты, а не резонансные, как это было принято ранее. Такое техни-
ческое решение позволяет устранить сложные и громоздкие меха-
нические узлы сопряжения настройки задающего генератора и ре-
зонансного усилителя. При этом, однако, предъявляются более вы-
сокие требования к форме сигнала задающего генератора и уровню
шумов модулятора и усилителя, не обладающих фильтрующими
свойствами.
Изменяя и измеряя низкочастотный модулирующий сигнал, мо-
жно изменять и измерять глубину модуляции. Погрешность изме-
153
рения глубины модуляции определяется при этом искажениями,
вносимыми модуляторами, и составляет обычно 5... 10%.
Другая возможность измерения глубины модуляции сигнала
заключается в использовании метода двойного детектирования вы-
ходного модулированного высокочастотного сигнала. Глубина мо-
дуляции при этом оценивается по отношению выходных напряже-
ний двух детекторов, один из которых выделяет низкочастотный
модулированный сигнал, а второй — сигнал несущей частоты.
Для поддержания уровня сигнала на выходе аттенюатора по-
стоянным обычно используют систему АРУ, охватывающий моду-
лятор и усилитель высокой частоты, причем модулятор использу-
ется как исполнительный элемент этой системы. Постоянная вре-
мени системы АРУ выбирается таким образом, что система не ре-
агирует на амплитудную модуляцию сигнала звукового диапазона.
Система АРУ обеспечивает не только стабилизацию выходного
напряжения генератора, но и по сути дела близкое к нулю выход-
ное сопротивление усилителя высокой частоты в точке подключе-
ния детектора. В результате некоторые колебания нагрузки не из-
меняют выходного напряжения генератора. На выходе усилителя
высокой частоты последовательно включают балластное сопротив-
ление ^б — 50 Ом, которое позволяет соответствующим способом
согласовать выходной тракт при нулевом ослаблении аттенюатора.
Опорный уровень высокочастотного сигнала на выходе аттенюа-
тора отсчитывают либо по шкале встроенного вольтметра, исполь-
зующего детектор системы АРУ, либо по. шкале калиброванного
регулятора (потенциометра) опорного постоянного напряжения си-
стемы АРУ.
С помощью ступенчатого резистивного аттенюатора производит-
ся глубокая регулировка уровня выходного напряжения прибора.
Часто используют две ступени регулировки: 20 и 1 дБ. Для дис-
танционной регулировки аттенюаторов в некоторых современных
измерительных генераторах применяют малогабаритные герконо-
зые реле.
6.5. ГЕНЕРАТОРЫ СВЧ
Измерительные генераторы сигналов диапазона 300 МГц...
... 40 ГГц предназначены для измерения чувствительности прием-
ных устройств СВЧ диапазона, исследования диаграмм направлен-
ности антенн, измерения параметров элементов высокочастотных
трактов радиорелейных линий и телевизионных ретрансляторов.
Измерительные генераторы СВЧ должны обеспечивать рабо-
ту с различными видами модуляции несущей, к ним предъявляют-
ся достаточно жесткие требования по экранированию СВЧ излу-
чения.
Типичная структурная схема измерительного генератора СВЧ
представлена на рис. 6.5. В качестве активного элемента задаю-
щего генератора до настоящего времени используют отражатель-
ные клистроны, снабженные внешним (в диапазоне частот 7...
154
Вспомогательный йЫХоД
Рис. 6.5
... 8 ГГц) или внутренним объемным резонатором, являющимся эк-
вивалентом колебательного контура. Геометрическая форма, раз-
меры и материал резонатора определяют частоту генерации. Пе-
рестройка частоты осуществляется изменением геометрических раз-
меров резонатора путем перемещения внутри него замыкающих пе-
ремычек или упругой деформации самого резонатора. В небольших
пределах частоту можно изменять электрическим образом — из-
меняя напряжение на отражателе клистрона.
Аналогично изменяя режим работы клистрона, можно также
реализовать частотную и амплитудно-импульсную модуляцию не-
сущей частоты.
Для генераторов СВЧ на клистронах характерен небольшой ко-
эффициент перекрытия по частоте (1,1 ...2), что связано с ограни-
ченными возможностями перестройки частоты задающих генера-
торов с объемными резонаторами. Поэтому такие генераторы ли-
бо выпускают в виде серий однотипных приборов, рассчитанные
на требуемые участки всего СВЧ диапазона, либо в виде одно-
го прибора, но с несколькими задающими генераторами.
Задающие генераторы СВЧ на отражательных клистронах име-
ют достаточно громоздкую конструкцию и требуют больших и ста-
бильных напряжений питания. В последнее время все чаще в каче-
стве активных элементов задающих генераторов СВЧ использу-
ют диоды Ганна — полупроводниковые приборы на основе арсени-
155
да галлия. При определенном напряжении питания диод Ганна
представляет собой отрицательное сопротивление, что приводит к
возбуждению в подключенном к диоду объемном резонаторе СВЧ
колебаний.
Для работы в нижней части рассматриваемого диапазона час-
лот (ниже 8... 10 ГГц) в настоящее время уже созданы СВЧ тран-
зисторы, которые тоже начинают использовать в качестве актив-
ных элементов задающих генераторов.
Стабильность частоты задающих генераторов СВЧ определя-
ется стабильностью механических параметров объемных резонато-
ров, электрического и температурного режимов активного элемен;
та. Для часто используемых коаксиальных резонаторов из лату-
ни кратковременная нестабильность частоты имеет порядок 10-4.
Одним из современных технических решений является использова-
ние сферических ферритовых объемных резонаторов из ферромаг-
нитного кристалла железоиттриевого граната, помещенного в маг-
нитное поле (ЖИГ-резонаторов). Кратковременная нестабильность
частоты таких генераторов менее 10-6. Изменением напряженно-
сти внешнего магнитного поля можно широко перестраивать ЖИГ-
резонаторы (коэффициент перекрытия до 2) и производить частот-
ную модуляцию.
Как правило, в диапазоне СВЧ используют самые различные
виды модуляции: амплитудную и частотную низкочастотным сиг-
налом, амплитудно- и частотно-импульсную при различной скваж-
ности импульсов и т. п. Следует отметить, что модуляция несу-
щей изменением режима работы задающего генератора обычно
связана с появлением паразитной модуляции: например, ампли-
тудная модуляция приводит к появлению паразитной частотной
и наоборот. Поэтому в современных измерительных генераторах
амплитудную модуляцию осуществляют на выходе прибора.
Установочным аттенюатором регулируют уровень сигнала, по-
ступающего на вход направленного ответвителя, который разделя-
ет поток высокочастотной энергии на две части. К одному выходу
направленного ответвителя, являющемуся некалиброванным выхо-
дом измерительного генератора, подключается встроенный (или
внешний) частотомер гетеродинного типа. С другого выхода на-
правленного ответвителя сигнал подается на основной калиброван-
ный выход прибора.
Для создания аттенюаторов СВЧ обычно используют явление
затухания сигнала в так называемом предельном волноводе.
В настоящее время в качестве аттенюатора СВЧ все шире на-
чинают использовать полупроводниковые р—i—/г-диоды. Принцип
действия такого аттенюатора заключается в том, что под действи-
ем управляющего тока р—i—n-диод открывается и шунтирует
мощность СВЧ сигнала пропорционально значению управляюще-
го тока. При отсутствии управляющего тока р—i—n-диод закры-
вается и вносит в тракт СВЧ лишь незначительное начальное ос-
лабление.
156
Измеритель мощности вместе с установочным аттенюатором
позволяет установить опорный уровень выходной мощности, отно-
сительно которого производится ослабление выходного сигнала ка-
либрованным аттенюатором. В СВЧ диапазоне уровень выходного
сигнала оценивают именно по мощности, а не по напряжению или
току, поскольку размеры входных и выходных цепей приборов со-
измеримы с длиной волны. Небольшое отличие полных сопротив-
лений источника и нагрузки от характеристического сопротивле-
ния передающего тракта приведет к неоднозначности оценки на-
пряжения вдоль линии передачи. Измерение напряжения в вол-
новодах вообще лишено практического смысла. Мощность же, пе-
редаваемая в нагрузку без потерь, является величиной постоян-
ной в любом сечении тракта СВЧ и поэтому позволяет оценить
уровень сигнала более точно.
Измеритель мощности СВЧ сигнала размещается внутри из-
мерительного генератора, однако обычно имеет отдельный вход.
Его можно подключить к основному выходу через внешний разъ-
ем с помощью кабеля. Используя измеритель мощности, можно
выделить управляющий сигнал для системы АРУ, которая, воз-
действуя на р—i—n-аттенюатор, будет поддерживать постоянную
мощность либо на выходе генератора, либо в требуемой точке из-
мерительной схемы, включающей исследуемый объект.
6.6. ИСТОЧНИКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
СИГНАЛОВ С ВЫСОКОЙ СТАБИЛЬНОСТЬЮ
ЧАСТОТЫ (ПРЕЦИЗИОННЫЕ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ)
Для обеспечения многих видов измерений в науке и технике, в частности в
области магистральной связи с эффективным уплотнением каналов, необходимы
источники измерительных сигналов в диапазоне от инфранизких частот до СВЧ
с очень малой погрешностью установки частоты (0,1... 0,001 Гц) и очень малой
кратковременной и долговременной нестабильностью (от 10~7 за 15 мин до
10~10 за сутки). Соответствующие приборы получили название измерительных
генераторов с диапазонно-кварцевой стабилизацией или синтезаторов частоты.
Эти термины являются синонимами, однако последний из них в современной
литературе используется чаще.
Необходимо отметить, что такие приборы выпускаются в соответствии с
ГОСТ как в рамках подгруппы Г (Генераторы измерительные), так и в рамках
подгруппы Ч (Синтезаторы частот).
Укрупненная схема измерительного генератора синтезаторного типа пред-
ставлена на рис. 6.6. Источником сигнала опорной частоты является блок квар-
цевого генератора, важным элементом которого является система термостати-
рования, поддерживающая неизменной необходимую температуру кварцевого ре-
зонатора с погрешностью порядка 0,1°. Термостатирование является непрерыв-
ным условием достижения высокой стабильности кварцевого генератора. Можно
подключать и внешний сигнал опорной частоты (например, от квантово-механи-
ческого стандарта частоты). Блок опорных частот формирует несколько сигна-
157
СИГнал внешней модуляций
Рис. 6.6
лов опорных частот, которые одновременно поступают на блок синтеза частот.
Блок синтеза вырабатывает набор частот генераторов с заданной дискретностью
в заданном диапазоне. Интерполяционный генератор позволяет плавно пере-
страивать частоту выходного сигнала в пределах шага дискретности. Блок уп-
равления переключением частот позволяет выполнить как ручное, так н дистан-
ционное (с помощью аналоговых и цифровых сигналов) управление частотой, в
том числе частотную модуляцию несущей. В выходном устройстве осуществля-
ются необходимое усиление сигнала по мощности, стабилизация опорного вы-
ходного уровня, регулируемое ослабление с помощью аттенюатора, а также амп-
литудная модуляция сигнала.
Возможность управления переключением частот цифровыми сигналами и
реализации сложных видов модуляции несущей частоты является большим до-
стоинством синтезаторов. Поэтому они необходимы для автоматизации изме-
рения, автоматической регистрации характеристик каналов связи в процессе ра-
боты, при создании адаптивных (самонастраивающихся) каналов связи и т. п.
Кроме характеристик, общих для всех измерительных генераторов (диапа-
зон, стабильность и т. п.), синтезаторы характеризуются дискретностью уста-
новки частоты, ослаблением уровня побочных составляющих и шумов в выход-
ном сигнале относительно уровня выходного напряжения (в децибелах), време-
нем установления сигналов при переключении частоты. Конкретные количествен-
на
ные требования к этим характеристикам, а также стоимость, масса, габаритные
размеры и потребляемая мощность определяют выбор того или иного метода
синтеза частот.
Как видно из рис. 6.6, синтезатор включает в свой состав блок опорных
частот и блок синтеза частот. Блок опорных частот формирует из сигнала опор-
ного генератора ряд сигналов с фиксированными частотами за счет применения
делителей и умножителей частоты. Система синтеза частот создает на выходе
сигнал с программируемым значением частоты. Основным элементом системы
синтеза частот является частотная декада, состоящая из узлов, выполняющих
соответствующие арифметические действия иад частотами блока опорных час-
тот и фильтров с фиксированной или переменной частотой настройки.
Существуют два метода построения счетных декад. При методе прямого
синтеза частот выходные сигналы формируются в результате непосредственного
преобразования опорных частот с помощью смесителей, умножителей и делите-
лей. Частотные декады делят частоту в 10 раз и включаются последовательно.
Число декад определяет дискретность установки частоты. Действительно, по-
скольку одна декада делит частоту в 10 раз, то N последовательно включен-
ных декад делят в А=1(Н раз.
Допустим, что имеются две .исходные частоты /1 = 1 МГц и /2 = 2 МГц, от-
личающиеся друг от друга на >1 МГц. При пяти последовательно включенных
декадах имеем коэффициент деления fe=405 раз, и исходные частоты иа выходе
будут иметь значения 10 и 20 Гц, отличающиеся друг от друга на 10 Гц.
При шести последовательно включенных декадах частоты будут отличаться на
1 Гц, при семи иа 0,1 Гц и т. д.
Ясно, что с увеличением числа декад разность между частотами сигналов
можно сделать сколь угодно малой. Для расширения частотного диапазона в
синтезаторах применяются также умножители частоты.
При построении синтезаторов частот методом косвенного синтеза умноже-
ние и деление частоты исходных сигналов осуществляется с помощью системы
фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Применение ФАПЧ позволяет полу-
чить высокую кратность умножения и деления (400... 120) при переменном ко-
эффициенте умножения (деления). По принципу работы синтезаторов частот
строят прецизионные генераторы широкого применения.
6.7. ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСОВ
По широте использования генераторы прямоугольных импуль-
сов уступают только генераторам синусоидальных сигналов. Они
используются для настройки узлов аппаратуры связи с импульс-
но-кодовой модуляцией, систем радиолокации и т. п. Различают
генераторы прямоугольных импульсов, генераторы одиночных им-
пульсов, парных импульсов, серий импульсов, кодовых импульсных
последовательностей, псевдослучайных последовательностей. Ос-
новными параметрами генераторов одиночных и парных импуль-
сов, которые устанавливает ГОСТ, являются: длительность, ам-
плитуда, частота, временной сдвиг импульса (относительно синх-
роимпульса), длительности фронта и среза, неравномерность вер-
шины. Нормируются погрешность установки параметров импуль-
сов и нестабильность параметров основных импульсов. Класс точ-
159
Сигнал установки Сигнал установки Сигнал установки
Рис. 6.7
ности генератора определяется пределом допускаемой погрешно-
сти параметров сигнала и пределами допускаемых значений ис-
кажений сигнала.
Типичная структурная схема простого генератора импульсов
представлена на рис. 6.7. Задающий генератор выполняется либо
по схеме синусоидального либо импульсного генератора. Его ча-
стота и стабильность определяют частоту и стабильность выход-
ного сигнала. Практически все генераторы импульсов могут рабо-
тать как в режиме внешнего запуска, так и в режиме разового за-
пуска от кнопки на передней панели. Задающий генератор при
этом отключается. Для измерения амплитуды применяются пи-
ковые или компенсационные вольтметры. Генераторы импульсов,
построенные по данной схеме, обеспечивают погрешность уста-
новки частоты, длительности и временной задержки 3... 10%, а не-
стабильность этих параметров за час работы 1 ... 3%.
Для создания прецизионных генераторов импульсов по часто-
те, длительности и временной задержке используют кварцевый
опорный генератор, метод синтеза частот и полностью цифровой
принцип формирования выходного сигнала. В этом случае пери-
од, длительность и временная задержка выходного импульсного
сигнала устанавливаются дискретно с шагом, равным периоду сиг-
нала опорной частоты. Нестабильность всех этих параметров так-
же полностью определяется характеристиками нестабильности
опорного кварцевого генератора. Большим достоинством такого
построения генераторов является возможность дистанционного и
программного управления прибором с помощью цифровых сиг-
налов.
160
6.8. ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ
СПЕЦИАЛЬНОЙ ФОРМЫ
Генераторы сигналов специальной формы (тип Гб по ГОСТ
15094—69) представляют собой источники одиночных или периоди-
ческих сигналов, форма которых отлична от прямоугольной. Наи-,
более распространенными формами сигналов являются пилообраз-
ная, треугольная, трапецеидальная, колоколообразная и т. п. Та-
кие сигналы необходимы для моделирования входных воздейст-
вий при настройке и испытаниях каналов связи, медицинской, ге-
офизической и измерительной аппаратуры.
К настоящему времени еще не разработаны стандарты, клас-
сифицирующие эти приборы и определяющие требования к их ос-
новным параметрам. Общий подход к нормированию параметров
таких генераторов, очевидно, должен быть аналогичен подходу к
нормированию параметров всех измерительных генераторов: не-
обходимо указать форму сигнала, параметры, характеризующие
форму, в том числе и параметры искажений, пределы регулиров-
ки параметров, пределы допускаемых погрешностей установки па-
раметров, нестабильность параметров и т. д.
Для создания достаточно простых и дешевых генераторов сиг-
налов специальной формы широко применяют схемы на основе ин-
теграторов с нелинейной обратной связью через какой-либо поро-
говый элемент с гистерезисом (например, триггер Шмитта). Струк-
турная схема такого генератора, называемого функциональным,
представлена на рис. 6.8. В процессе интегрирования постоянного-
напряжения, присутствующего на выходе триггера Шмитта, инте-
гратор формирует линейно изменяющееся напряжение. Когда вы-
ходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания
триггера, триггер переключается, его выходное напряжение меня-
ет знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора на-
чинает изменяться в противоположную сторону, пока не станет
равным нижнему порогу срабатывания триггера. Далее этот про-
Рис. 6.8
6-10
16Г
цесс периодически повторяется и на выходе схемы формируется
симметричное напряжение треугольной формы с одинаковым вре-
менем нарастания и спада. Размах этого напряжения и его ста-
бильность определяются в основном установкой и соответствен-
но стабильностью порогов срабатывания триггера. При исполь-
зовании прецизионных схем нестабильность размаха сигнала мо-
жет быть снижена до 0,1% за несколько часов работы.
Частоту формируемого напряжения можно перестраивать в ши-
роком диапазоне частот от инфранизких до несколько десятков ки-
логерц, изменяя постоянную времени интегратора. Перестройку
частоты можно осуществлять также электрическим путем, регули-
руя напряжение на входе интегратора, коммутируемое триггером
Шмитта. Усложняя схему регулировки этого напряжения, можно
добиться формирования несимметричного треугольного (пилооб-
разного)- напряжения с регулируемым временем нарастания и
спада.
На основе полученного треугольного напряжения можно сфор-
мировать напряжения трапецеидальной, колололообразной, сину-
соидальной формы. Для этого используют нелинейное преобразо-
вание сигнала треугольной формы с помощью диодно-резистив-
ных схем, обеспечивающих кусочно-линейную аппроксимацию не-
обходимой характеристики преобразования. Такие схемы достаточ-
но просты и дешевы, однако обеспечивают ограниченный набор
формируемых сигналов, критичны в настройке, имеют невысокую
точность и стабильность.
Для формирования сигналов произвольной формы в последнее
время начинают применяться функциональные генераторы, рабо-
тающие на основе кусочно-линейного синтеза непосредственно са-
мого сигнала (а не характеристики преобразования треугольного
сигнала). В основе таких устройств лежит генератор линейно из-
меняющегося напряжения, длительностью и амплитудой которо-
го можно управлять. Очевидно, что из серии таких элементарных
линейно изменяющихся сигналов, каждый из которых начинает-
ся там, где окончился предыдущий, можно сформировать сигнал
произвольного вида.
Обычно работой такого генератора управляет микропроцессор,
в память которого вводятся параметры (длительность и амплиту-
да) каждого элементарного сигнала из заранее заданного набора
дискретных значений.
Для того чтобы получить исходное значение сигнала, в конце
каждого цикла формируется специальный сигнал возврата к на-
чалу.
Погрешность формирования сигнала, связанная с его кусочно-
линейной аппроксимацией, определяется общим числом использу-
емых элементарных сигналов и дискретностью установки их па-
раметров.
Кардинальным решением задачи формирования сигналов про-
извольной формы с широкими пределами регулировки и высокой
стабильностью параметров является создание генераторов на ос-
162
Рис. 6.9
нове цифровых запоминающих устройств (ЗУ) и цифро-аналого-
вых преобразователей (ЦАП)., Структурная схема такого генера-
тора представлена на рис. 6.9. Тактовая частота, работы устрой-
ства задается опорным кварцевым генератором, обеспечивающим
высокую стабильность частотно-временных параметров сигнала.
Сформированные в формирователе адреса кодовые сигналы пода-
ются на запоминающее устройство, в котором записаны коды ди-
скретных отсчетов заданного сигнала. В результате последователь-
ного опроса ячеек ЗУ на его выходе появляется последователь-
ность цифровых сигналов, которая с помощью цифро-аналогового
преобразователя преобразуется в необходимый аналоговый сиг-
нал заданной формы. Таким способом можно сформировать сиг-
нал практически любой формы, произвольно менять начальную
фазу сигнала, «останавливать» в определенные моменты времени
формирование сигнала, запоминать значение сигнала на необхо-
димый интервал времени. Со стороны нижних частот диапазон
такого генератора практически ничем не ограничен. Максималь-
ная частота формируемого сигнала определяется быстродействи-
ем ЗУ и ЦАП. Характеристики точности такого генератора по вы-
ходному напряжению определяются объемом памяти и разрядно-
стью используемого ЗУ, а также характеристиками ЦАП.
Генератор рассмотренного типа представляет собой, по сути
дела, специализированную микро-ЭВМ, работающую по жесткой
программе воспроизведения определенного набора записанных в
ЗУ сигналов. Основной тенденцией дальнейшего развития таких
цифровых измерительных генераторов сигналов произвольной фор-
мы является использование программируемых микро-ЭВМ на ос-
нове микропроцессоров, позволяющих неограниченно расширять
набор синтезируемых сигналов, проводить необходимые операции
коррекции параметров сигнала и сохранения их временной ста-
бильности в реальном масштабе времени.
6.9. ГЕНЕРАТОРЫ ШУМОВЫХ СИГНАЛОВ
Генераторы шумовых сигналов (вид Г2 по ГОСТ) — источники
электрических шумовых сигналов, значение спектральной плот-
ности мощности которых или мощность шума в требуемой поло-
6* 163
се частот известны. Генераторы шумовых сигналов используют
.как источники флуктуационных помех с известными характеристи-
ками при измерении пороговой чувствительности антенн, усили-
тельных и радиоприемных устройств, при измерении нелинейных
искажений, как имитаторы сигнала многоканальной связной аппа-
ратуры и т. п. •
Классификация генераторов шумовых сигналов и номенклатура
их основных метрологических характеристик пока стандартами не
регламентируется. В измерительной практике общепринято под-
разделять такие генераторы по диапазону частот и по источникам
шума.
К основным метрологическим характеристикам генераторов
шумовых сигналов.можно отнести:
неравномерность спектральной плотности мощности шума в
заданной полосе частот (шум должен быть близок к «белому»),
• максимальное значение выходного напряжения (мощности),
пределы регулировки выходного напряжения (мощности) шу-
ма,
погрешность установки выходного напряжения (мощности)
шума,
нестабильность выходного напряжения (мощности) шума (с
течением времени, при изменении внешних условий и различных
влияющих величин).
В некоторых случаях могут быть предъявлены определенные
требования к закону распределения шумового сигнала. Для ре-
шения многих измерительных задач достаточно сформировать шу-
мовой сигнал, закон распределения которого близок к нормаль-
ному. Формирование шумового сигнала с существенно неравномер-
ным спектром производится с помощью внешних фильтров.
Структурная схема генераторов шумовых сигналов во многом
подобна схеме любого другого измерительного генератора (на-
пример, рис. 6.3). Аналогом задающего генератора в генерато-
рах шума является источник шума, схемное решение которого в
значительной степени определяет метрологические свойства все-
го прибора.
Резисторы как источники шума. Тепловые шумы резисторов характеризуют-
ся малой неравномерностью спектральной плотности мощности в широкой поло-
се частот, малой нестабильностью уровня шума ((менее 1%). Среднеквадратиче-
ское значение напряжения теплового шума резистора определяется выражением
иш= |/ 4kTRAf, где А=4,38• ЬО-23 Дж/К — постоянная Больцмана, Т — темпе-
ратура, в кельвинах, — сопротивление в омах при нормальной температуре
Г--=290 К, Л/ — полоса частот в герцах.
Источники шума на резисторах используют для создания образцовых гене-
раторов шума в широком диапазоне частот вплоть до СВЧ. Для стабилизации
уровня шума широко используют термостатирование. Однако малый абсолют-
ный уровень спектральной плотности шума резисторов (1О-21 ... 10~20 Вт/Гц)
предъявляет высокие требования к характеристикам усилителя.
164
Электровакуумные и полупроводниковые диоды. Среднее квадратическое
. значение шумового тока, обусловленного случайным характером термоэмиссии
диода, определяется выражением: /ш= 2е/0Д/, где е=1,6-10~№ Кл —заряд
электрона, —ток диода в режиме насыщения, измеренный в амперах.
Уровень шума диодов существенно выше уровня шума резисторов, что об-
легчает построение измерительных генераторов. Большим достоинством диодных
источников шума является возможность регулировки уровня шума путем изме-
нения тока диода, однако по неравномерности и нестабильности спектральной
плотности шума они уступают источникам шума, использующим тепловые шумы
резисторов.
Газоразрядные трубки. Шум этих источников обусловлен хаотическим дви-
жением электронов в плазме. (Вследствие высоких значений «электронной тем-
пературы» плазмы спектральная плотность мощности шума этих источников мо-
жет достигать 10~5... 10~4 Вт/Гц. Однако эти источники шума характеризуются
существенной неравномерностью спектральной плотности и большой нестабиль-
ностью уровня выходного шума. Неудобством при эксплуатации газоразрядных
источников шума является также плохая воспроизводимость характеристик шу-
мового сигнала от прибора к прибору. Газрразрядные трубки широко исполь-
зуются для создания достаточно простых генераторов шумовых сигналов высо-
ких и сверхвысоких частот. При этом они непосредственно встраиваются в ре-
зонаторы и волноводы.
Генераторы псевдослучайных сигналов как источники шума. Трудности, свя-
занные со стабилизацией характеристик шумовых сигналов (обеспечения усло-
вия, стационарности), обусловливают поиск новых путей создания генераторов
шумовых сигналов. Одним из таких путей является использование так называе-
мых псевдослучайных сигналов, (формируемых с помощью регистров сдвига, ох-
ваченных логическими обратными связями. Псевдослучайные сигналы в принципе
является периодическими и регулярными, но имеют достаточно сложную струк-
туру и по своим характеристикам близки к случайным. Для решения многих
практических задач псевдослучайные сигналы полностью заменяют случайные,
однако имеют чрезвычайно высокую стабильность характеристик и, главное, до-
статочно просто формируются с помощью цифровых логических схем. Для конт-
роля и регулировки характеристик псевдослучайных сигналов можно использо-
вать специализированные вычислительные устройства на основе микропроцессо-
ров.
Наконец, в перспективе можно ожидать появления генераторов шумовых
сигналов на основе ЦАП и специализированных микро-ЭВМ, формирующих.слу-
чайную последовательность чисел с заданными свойствами чисто программным
способом.
Глава 7. НАБЛЮДЕНИЕ И АНАЛИЗ ФОРМЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ
7.1. НАЗНАЧЕНИЕ ОСЦИЛЛОГРАФА
Осциллографом называется прибор для наблюдения и регистра-
ции электрических сигналов, а также для измерения их парамет-
ров. Слово «осциллограф» произошло от латинского слова «осци-
лум» — колебание и греческого слова «графо» — пишу. Таким об-
разом осциллограф в буквальном смысле — прибор для записи (ре-
гистрации) колебаний. В литературе часто встречается термин
«осциллоскоп». В его основу положено слово .«скопео» — наблю-
дение. В настоящее время чаще применяется термин «осциллог-
раф», которым обозначаются приборы как для визуального на-
блюдения колебаний, так и для их записи.
Основная функция осциллографа заключается в воспроизве-
дении в графическом виде различных электрических колебаний
(осциллограмм), так как это принято в радиотехнике. Чаще все-
ю с помощью осциллографа наблюдается зависимость напряжения
от времени в декартовой системе координат. Ось х является осью
времени, а по оси у откладывается напряжение сигнала. При по-
мощи осциллографа можно измерять различные параметры сиг-
нала: амплитуду, длительность, частоту, глубину модуляции
и т. п.
Осциллографы делятся на электромеханические и электрон-
ные. В первых образование осциллограммы осуществляется элект-
ромеханическим способом, например за счет отклонения черниль-
ного пера относительно поверхности бумажной ленты. Основное
достоинство осциллографов такого типа — документальная реги-
страция осциллограммы, что при наблюдении медленных процес-
сов весьма существенно. Для получения осциллограмм, отобра-
жающих быстрые процессы, используются электронно-лучевые ос-
циллографы, в которых под воздействием электрического сигна-
ла электронный пучок, вызывающий свечение люминесцирующего
экрана, отклоняется практически мгновенно. Документальная ре-
гистрация осциллограмм выполняется с помощью фотографирова-
ния изображения, для чего некоторые типы осциллографов снаб-
жаются специальными фотографическими приставками.
Согласно ГОСТ 9810—69 осциллографы обозначаются буквой
«С». Следующая за ней цифра характеризует тип прибора, напри-
мер С1 означает, что осциллограф универсальный, 7 — скоростной,
8 — запоминающий, 9 — специальный. .Поскольку промышленность
выпускает большой ассортимент осциллографов каждого типа, до-
бавляется еще одна цифра — номер прибора в семействе однотип-
166
ных осциллографов. Например С1-40 — полное обозначение уни-
версального осциллографа. Новым приборам присваиваются бо-
лее высокие номера.
7.2. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ
ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ТРУБКИ
Основным элементом электронного осциллографа является эле-
ктронно-лучевая трубка (ЭЛТ), состоящая из источника электро-
нов, системы формирования узкого электронного пучка, системы
отклонения пучка в двух плоскостях и люминесцирующего экра-
на. Источником электронов является нагретый катод. Оксидный
катод 2 с подогревателем 1, модулятором 3 и ускоряющим элект-
родом 4 составляет катодный узел. Такая триодная конструкция
позволяет не только получить электронный пучок, но и осущест-
вить его предварительную фокусировку и модуляцию интенсивно-
сти. Катод представляет собой никелевый цилиндр, на дно которо-
го нанесен слой активной массы, состоящей из окиси бария, стро-
нция и т. п. Внутри цилиндра расположена нить подогрева — спи-
раль, свернутая из вольфрамовой проволоки, покрытая изолиру-
ющим слоем. Ток, проходящий по нити подогрева, накаляет ее. Те-
пло передается никелевому цилиндру 2 и разогревает активный
слой, который выделяет атомарный слой металлического бария,
являющегося источником свободных электронов. Максимальный
ток эмиссии, который может отдать катод, зависит от его темпера-
туры, свойств активного слоя и площади. Расположение катода
внутри стеклянной колбы показано на рис. 7.1.
Для управления интенсивностью электронного пучка рядом с
катодом располагается модулятор 3, представляющий собой диск
с малым отверстием. Модулятор ограничивает расходящийся элек-
тронный пучок. Регулируя разность потенциалов между катодом
и модулятором, можно изменять количество электронов, проходя-
щих через отверстие модулятора в единицу времени. При доста-
точно большом отрицательном (относительно катода) потенциале
модулятора электронный пучок можно полностью запереть.
Ограничения поперечного сечения электронного пучка, осуще-
ствляемого модулятором, еще не достаточно для формирования
осциллограммы. Необходима дальнейшая фокусировка электрон-
Рис. 7.1
Рис. 7.2
167
ного пучка, осуществляемая с помощью первого анода 4, высокий
положительный потенциал которого вызывает ускорение электро-
нов, и фокусирующего электрода, регулируемый потенциал кото-
рого позволяет создавать такую конфигурацию поля, что электрон-
ный пучок сжимается в тонкий луч.
Сформированный электронный луч, двигаясь вдоль оси труб-
ки, попадает в отклоняющее поле, создаваемое двумя парами
отклоняющих пластин 6 и 7, и достигает люминесцирующего
экрана 10. Простейшая конструкция отклоняющих пластин со-
ответствует плоскому (конденсатору, электрическое поле которо-
го создается соответствующим напряжением, поданным на вывод.
Одна пара пластин служит для отклонения электронного луча в
вертикальном направлении, а другая —в горизонтальном. Векто-
ры напряженности электрических полей должны быть взаимно пер-
пендикулярны, что достигается соответствующим расположением
отклоняющих пластин.
Процесс отклонения электронного луча электрическим полем
иллюстрируется -рис. 7.2. Напряжение £7ОТКЛ, управляющее откло-
нением электронного пучка, приложено к двум плоскопараллель-
ным пластинам, расположенным параллельно плоскости чертежа.
Пластины разнесены на расстоянии d, следовательно, напряжен-
ность электрического поля E=UOT^/d, причем вектор напряжен-
ности поля параллелен оси у. Первоначально электроны движут-
ся вдоль оси z. Попав в область электрического поля (точка а),
электроны начинают удаляться от оси. Решение уравнений дви-
жения электронов в электрическом поле показывает, что траекто-
рия на участке а—b параболическая. Правее точки b электроны
снова движутся прямолинейно, достигая экрана в точке с и вызы-
вая его свечение. Таким образом под воздействием £7ОТКЛ элект-
ронный луч отклонился в плоскости экрана на расстояние h от
центра. Изменяя Uоткл» можно управлять положением светящего*
ся пятна на экране. При изменении полярности, а следовательно,
и направления вектора Еу луч будет находиться ниже точки 0.
Размер отклонения h можно определить следующим образом:
__ О'Ооткл /у 1 \
2dUa3 ’ ‘
где L — расстояние от центра пластин до экрана, I—-длина пла-
стин, d — расстояние между пластинами, Ua 3 — напряжение на
третьем аноде трубки относительно катода.
Из (7.1) следует, что имеется линейная зависимость между
размером отклонения луча на экране h, и приложенным к пласти-
нам напряжением £7ОТкл. Это существенно, поскольку линейная за-
висимость между этими величинами позволяет получить неиска-
женное воспроизведение осциллограммы. Отметим также, что при
отклонении электронного луча электрическим полем указанная ли-
нейная зависимость между £7Откл и h имеет место при плоском эк-
ране. Это создает удобства при измерении размера осциллограммы
на экране, а также при фотографировании осциллограмм. Данные
168
свойства обусловили исключительное использование электричес-
кого способа отклонения в осциллографических трубках. Кроме то-
го, электрический метод отклонения обеспечивает воспроизведение
осциллограмм при частотах сигнала, измеряемых десятками мега-
герц. К сожалению, он не позволяет получить большой угол от-
клонения луча относительно оси z, что приводит к необходимости
увеличивать расстояние от пластин до экрана для достижения ну-
жного размера h. В результате при большом диаметре экрана ос-
циллографические трубки имеют сравнительно большую длину.
Формула (7.1) позволяет определить такой важный параметр
электронно-лучевой трубки, как чувствительность по отклонению
е=/1/^откл = ^/2<й/аз. (7.2)
Размерность этой величины — миллиметр на вольт, т. е. е показы-
вает, какое напряжение £7ОТКл надо приложить к пластинам для
отклонения луча на 1 мм. Чем выше чувствительность по откло-
нению е, тем легче управлять ЭЛТ. Обычно чувствительности по
вертикали и горизонтали &у и ех у осциллографических трубок раз-
личные, что вызвано разным расстоянием пластин до экрана. Яр-
кость свечения экрана определяется из следующего соотношения:
B = Aj(Ua3-U0)n, (7.3)
где А — постоянная, зависящая от химического состава люминофо- -
ра, / — плотность тока электронного луча, Ь’яЯ— ускоряющее на-
пряжение, Uо — начальное напряжение, при котором люминофор
начинает светиться; п — показатель степени, колеблющийся для
разных типов люминофоров от 1 до 2,5. Из (7.3) видно, что изме-
нение яркости свечения можно обеспечить изменением плотности
.электронного пучка. Управление плотностью электронного пучка
достигается изменением потенциала модулятора относительно ка-
тода.
При конструировании ЭЛТ большое внимание уделяется лю-
минофору экрана. В скоростных (высокочастотных) приборах не-
обходимо иметь ЭЛТ с большой скоростью разгорания люмино-
фора. Скорость разгорания люминофора зависит от его химиче-
ского состава: она наибольшая для химически чистых веществ и
резко уменьшается при загрязнении. Большая скорость разгора-
ния обеспечивает достаточную яркость экрана при высокой ско-
рости движения луча. При наблюдении низкочастотных сигналов
важное значение приобретает время послесвечения экрана — вре-
мя, в течение которого яркость снижается до 1 % от максимально-
го значения.
По длительности послесвечения экрана условно разделяются на
пять групп: с очень коротким послесвечением (менее 10-5 с); с ко-
ротким (от 10-5 до 10-2 с); со средним (от 10~2 до 10-1 с); с дли-
тельным (10-1 до 16 с); с очень длительным (более 16 с).
169
7.3. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ОСЦИЛЛОГРАФА
Упрощенная структурная схема осциллографа представлена на
рис. 7.3. Исслёдуемый сигнал подается на вход усилителя У че-
рез аттенюатор. С выхода усилителя сигнал поступает на пласти-
ны вертикального отклонения луча ЭЛТ. Аттенюатор необходим
при работе с сигналами, имеющими большую амплитуду. Для уп-
равления перемещением луча в горизонтальном направлении слу-
жит генератор развертки, напряжение с которого поступает на пла-
стины горизонтального отклонения через усилитель X. Для управ-
ления генератором развертки предназначено устройство запуска
развертки. При необходимости генератор развертки можно отклю-
чить и, установив переключатель П2 в нижнее положение, подать
со входа X через усилитель внешний сигнал на пластины горизон-
тального отклонения.
Рис. 7.3
Для получения осциллограммы исследуемого сигнала необхо-
димо управлять движением светового пятна на экране ЭЛТ в го-
ризонтальном и вертикальном направлениях. Смещение пятна в
вертикальном направлении осуществляется сигналом, а в гори-
зонтальном—напряжением развертки. Генератор развертки выра-
батывает колебания пилообразной формы, показанные на рис. 7.4.
На участке графика ас напряжение развертки ир линейно нара-
стает. Время Тпр, в течение которого ир изменяется от минималь-
ного значения до максимально-
го, называется временем пря-
мого хода развертки. Участок
cd, который длится время Тобр,
соответствует обратному ходу
развертки. Время ГПГ1 и Т^бр
составляют период развертки
Т-д. Если приложить мр к го-
ризонтальным отклоняющим пла-
170
Рис. 7.5
Рис. 7.6
стинам, отключив сигнал от пластин вертикального откло-
нения, электронный пучок ЭЛТ будет отклоняться только в го-
ризонтальной плоскости. При этом светящееся пятно на экране
будет перемещаться в следующей последовательности. При мак-
симальном отрицательном напряжении ир (точка а на рис. 7.5)
светящееся пятно займет крайнее левое положение (точка а') на
экране. При линейном нарастании ир пятно постепенно перемеща-
ется в точку Ь' и после перемены полярности ир — в точку с'. На
участке а'с' скорость движения пятна будет постоянной, посколь-
ку ир нарастает по линейному закону и согласно (7.1) имеется
линейная зависимость между смещением пятна на экране и на-
пряжением, приложенным к пластинам. После достижения точки
с' светящееся пятно начинает перемещаться в обратном направ-
лении.
Обратный ход осуществляется за время Т’обр^Т’пр, поэтому
скорость движения пятна в обратном направлении существенно вы-
ше. Траектория движения пятна во время обратного хода показа-
на на рис. 7.5 штриховой линией, для удобства изображения нес-
колько смещенной. Для получения осциллограммы существенное
значение имеет линейность щ> на участке прямого хода (ас), фор-
ма нр на интервале обратного хода (cd) не имеет принципиально-
го значения. Важно только обеспечить минимально возможную дли-
тельность обратного хода. Таким образом при подаче ир на гори-
зонтальные пластины ось х является одновременно осью времени
t, причем при постоянной скорости движения светящегося пятна
на участке а'с' масштаб вдоль оси t является постоянным. Иска-
жение формы цр на интервале прямого хода вызывает нелиней-
ность развертки, проявляющейся в неравномерной скорости дви-
жения пятна по экрану и в искажении осциллограммы. Неравно-
171
мерность скорости вызывает неравномерность масштаба вдоль оси
х, что затрудняет оценку параметров сигнала.
Образование изображения на экране ЭЛТ при воздействии двух
напряжений — развертки (ир) и сигнала (ис)—соответственно на
пластинах х и у показано на рис. 7.6. При построении осциллог-
раммы принято, что период пилообразного напряжения разверт-
ки равен периоду сигнала, а период обратного хода — нулю. Пе-
риод развертки условно разбит на четыре равных интервала с
границами, отмеченными на рис. 7.6 через t0, ti, t2, t3 и Ц. В мо-
мент to Uc=0, a Up имеет максимальное отрицательное значение
и световое пятно находится в точке а. В момент напряжение
сигнала имеет максимальное положительное значение, а ир=
= Upm/4 и пятно находится в точке Ь. Аналогичным путем мож-
но найти положение точек с, d и е на экране ЭЛТ. После оконча-
ния развертки светящееся пятно по прямой линии еа мгновенно
возвращается в исходное положение. Направление движения пят-
на во время прямого и обратного хода показано стрелками. В по-
следующие циклы развертки образование осциллограммы будет
происходить так же, причем все ее точки совпадут с аналогичны-
ми точками осциллограммы, изображенной на рис. 7.6. Таким об-
разом наблюдатель видит изображение, образованное наложени-
ем на одни и те же места экрана целой серии осциллограмм. Чис-
ло таких первичных изображений, зафиксированных в зрительном
образе, зависит от периода'развертки, длительности послесвече-
ния люминофора и зрительной памяти человека.
Наложение отдельных осциллограмм и образование неподвиж-
ного изображения возможно при выполнении условия, принятого
при построении рис. 7.6, а именно ТС = ТР. В этом случае любой
периодический сигнал делится на временные интервалы, в преде-
лах которых «отрезки» сигнала полностью идентичны и при нало-
172
жении осциллограмм образуется единое неподвижное изображение.
Аналогично образуется изображение осциллограммы, когда Тр=
= пТс. Если п — целое число, то в одном периоде развертки укла-
дывается ровно п периодов сигнала. Осциллограмма будет отли-
чаться от изображенной на рис. 7.6 числом периодом сигнала (2,
3 и более), отложенным вдоль оси х. Условие Тр—пТс устанавли-
вает необходимость выбора периода развертки Тр равным кратно-
му периоду сигнала. Формирование изображения на экране осцил-
лографа при нарушении кратности частот развертки и сигнала
иллюстрирует рис. 7.7. Период сигнала, представляющего собой
колебание синусоидальной формы (рис. 7.7,а), ТС>ТР. При пер-
вом цикле развертки (рис. 7.7,6) на экране отображается осциллог-
рамма в виде отрезка синусоиды между точками Оа, при втором
отрезок ab, при третьем Ьс и т. д. Последовательное появление ос-
циллограмм I, II, III и IV создает ощущение движения изображе-
ния в направлении, показанном на рис. 7.7,в стрелкой. Скорость
движения осциллограммы тем выше, чем больше отличается пери-
од развертки от периода сигнала. Можно показать, что при Тс<
<ТР осциллограмма будет перемещаться в противоположном на-
правлении, т. е. справа налево.
Таким образом для получения неподвижной осциллограммы не-
обходимо подобрать-период (частоту) развертки, равным перио-
ду (частоте) сигнала. В конструкции осциллографа предусматри-
вается такая возможность. Однако простого подбора частоты раз-
вертки недостаточно. Поскольку сигнал и напряжение развертки
поступают от разных источников, через некоторое время из-за не-
стабильности генераторов установленное равенство периодов бу-
дет нарушено. Решение задачи возможно лишь при синхрониза-
ции генератора развертки осциллографа исследуемым сигналом
или специально сформированным сигналом, частота которого рав-
на (кратна) частоте исследуемого сигнала. На структурной схеме
показаны цепи подачи сигнала синхронизации, при котором сиг-
нал синхронизации на устройство запуска развертки поступает
с усилителя Y, или режим внешней синхронизации. На рис. 7.3
показана цепь, соединяющая генератор развертки с модулятором
ЭЛТ. Эта цепь служит для запирания электронного пучка во вре-
мя обратного хода развертки еса (рис. 7.6). Линия обратного хода
создает помеху на экране. В идеальном случае, когда ТОбр=0,
луч мгновенно перемещается из точки е в точку а и яркость ли-
нии обратного хода должна быть равна нулю. На практике дли-
тельность обратного хода не может быть равна нулю, электронный
пучок во время обратного хода перемещается с конечной скоростью
и вызывает отчетливо видимую линию обратного хода. Поэтому
в осциллографах применяется принудительное запирание (гаше-
ние) .электронного пучка во время обратного хода, для чего с ге-
нератора развертки на модулятор трубки подаются специальные
гасящие импульсы.
Структурные схемы осциллографов различных типов могут в
некоторых деталях отличаться друг от друга, однако в основном
17»
Канал Y
Рис. 7.8
они соответствуют обобщенной структурной схеме, изображенной
на рис. 7.8. Осциллограф содержит три канала X, У и Z. Канал У
управляет вертикальным отклонением, содержит аттенюатор, пред-
варительный и оконечный усилители, линию задержки. Линия за-
держки служит для задержки сигнала, что, как будет показано да-
лее, иногда необходимо при наблюдении импульсных сигналов.
Канал X содержит переключатель входа, усилитель X, устрой-
ство запуска, генератор развертки и оконечный усилитель X. Пе-
реключатель входа обеспечивает либо подключение сигнала син-
хронизации с предварительного усилителя У, либо подачу сигнала
с выходного зажима X. На вход X может подаваться либо сигнал
внешней синхронизации, либо исследуемый сигнал. При работе
с генератором развертки осциллографа переключатели /71 и П2
устанавливаются в нижнее положение, сигнал синхронизации по-
ступает на устройство запуска развертки. Пилообразное напряже-
ние с оконечного усилителя поступает на пластины X ЭЛТ. От-
. ключается развертка при установке ГЦ и П2 в верхнее положение.
В этом случае сигнал с выхода X через переключатели входа и
каскады усилителей поступает на ЭЛТ. Переключатели 773 и 774
174
отключают отклоняющие пластины от оконечных усилителей. При
этом предусматривается возможность подачи сигналов непосредст-
венно на пластины X и Y осциллографа, минуя соответствующие
каналы. Отключение выходных цепей усилителей необходимо во
избежание искажений полезного сигнала при его подаче непосред-
ственно на отклоняющие пластины.
Канал Z служит для управления яркостью луча ЭЛТ. Он содер-
жит усилитель-ограничитель и устройство управления яркостью
луча. Сигнал с его выхода поступает на модулятор ЭЛТ. Для по-
вышения точности измерений, параметров сигнала в состав осцил-
лографа включается калибратор амплитуды и длительности. Сиг-
нал калибратора обычно выводится на переднюю панель осциллог-
рафа и с помощью соединительного кабеля может быть подан на
вход канала Y.
7.4. ВИДЫ РАЗВЕРТОК
ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА
"Простейшим генератором, обеспечивающим получение пило-
образного напряжения развертки, является-устройст-
во, работа которого основана на заряде и разряде конденсатора.
Известно, что напряжение при заряде и разряде конденсатора из-
меняется по экспоненциальному закону. Отклонение луча в ЭЛТ
в этом случае будет осуществляться с неравномерной скоростью.
Для оценки искажений осциллограммы определяют коэффициент
нелинейности
₽ = (tgai—tga2)/tgav (7.4)
где tgai и tga2 — тангенсы углов наклона касательной к кривой
развертывающего напряжения в точках а и b (рис. 7.9), соответ-
ствующих началу и концу прямого хода. В идеальном случае, ког-
да выражение развертки линейно, tgai = tga2 и 0 = 0. При вычис-
лении 0 тангенсы углов наклона касательной можно найти путем
дифференцирования функции, в рассматриваемом случае путем
дифференцирования выражения:
ис = Е[1—ехр(—t/RC)]. (7.5)
Формула (7.5) описывает закон изменения напряжения на конден-
саторе с емкостью С, заряжающегося через резистор сопротивле-
нием R от источника постоянного тока Е. Производная от (7.5)
-^£=^-ехр(-/Ж) (7.6)
at л С
позволяет определить tgai и tga2: при t=0 получаем
tg«!=^-c а при / = ТПР tga2 = l^l =А-ехр(-^у
Здесь Гпр — длительность прямого хода развертки (рис. 7.9). По-
ставив полученные значения tgai и tga2 в (7.4), имеем
= [1-ехр(-7прЖ)]-100%. (7.7)
175
Из (7.7) и (7.5) можно определить
связь между коэффициентом .нелинейно-
сти р и коэффициентом использования на-
пряжения источника питания £ = мр/£, где
ир — размах сформированного напряже-
|| Г Г т Г Г г
• । ния развертки. Если принять ир равным
Г | U 11V1HUU V1U* i V J Л* V* 1* V-X* XI 1Ч.Л 1AU U у V LT1
ГпР । конденсаторе U с max» достигаемому к концу
Гпр, т. е. Ир«ис max, то согласно (7.5) £ =
= мр/£=1—ехр (—Tnp/RC). Сравнив получен-
ное выражение с (7.7), имеем р«£ = мр/£,
Рис. 7.9
т. е. приблизительно одинаковые р и Из этого следует, что для
достижения коэффициента нелинейности развертки порядка 5%
необходимо, чтобы коэффициент использования источника пита-
ния не превышал 5%. Например, если £=100 В, р=5°/0, то на-
пряжение развертки составит всего мр=££= 100-0,05=5 В. Та-
ким образом, при использовании экспоненты для формирования пи-
лообразного напряжения высокую линейность можно получить
лишь на начальном участке, т. е. при малом £. Если напряжение
ир меньше необходимого, следует увеличить напряжение источни-
ка питания. Это обстоятельство вызывает неудобства при проекти-
ровании осциллографа. Поэтому на практике прибегают к различ-
ным способам исправления формы (линеаризации) отклоняюще-
го напряжения.
Известно несколько способов линеаризации пилообразных ко-
лебаний развертки. Один из самых распространенных основан на
стабилизации тока заряда конденсатора. Поскольку напряжение
на конденсаторе мр при заряде его током ia нарастает по закону
«с= — \i3dt,
с о
(7-8)
при постоянном токе заряда i3 напряжение на конденсаторе из-
меняется по линейному закону. Линейность напряжения разверт-
ки можно обеспечить, если стабилизировать зарядный ток во вре-
мя прямого хода. Линеаризация зарядного тока, а следователь-
но, и пилообразного напряжения развертки осуществляется путем
применения линейных токостабилизирующих двухполюсников ли-
бо отрицательной обратной связи. Принципы работы таких уст-
ройств подробно рассматриваются в учебниках по импульсной тех-
нике.
При синусоидальной развертке напряжение, подво-
димое на вход X осциллографа, изменяется по синусоидальному
закону:
= (7.9)
При этом светящееся пятно на экране ЭЛТ перемещается с нерав-
номерной скоростью, что приводит к искажению формы осциллог-
рамм. Большой интерес представляет синусоидальная развертка
176
при подаче на вход У также синусоидального сигнала, сдвинуто-
го по фазе относительно их на угол ср:
uy = Um2sin[at + ((>). (7.10)
Перемещение луча под воздействием их определяется следующим
соотношением:
х = еж цж =/(ж еж i/ml sin со/, (7.11)
где Кх— коэффициент усиления канала горизонтального откло-
нения, еж — коэффициент, характеризующий чувствительность ЭЛТ
по отклонению в горизонтальном направлении и имеющий размер-
ность миллиметр на вольт. Смещение луча в вертикальном нап-
равлении определяется аналогичной формулой:
у = Ку &у Uy = Ку Еу Um2 sin (со t+ ср). (7.12)
Выражение (7.12) на основании известной тригонометрической
формулы можно записать в виде
у — KyZyUrra [sin со t cos ср 4- sin <р cos со /]. (7.13)
На основании (7.11) sinast=xlKx&xUm\, cosco/=pA 1—(x/KxExUml)2.
Подставив значения sin со/ и cosco/, получим
у = Ку &у Um2 Г —--------cos ср-Ь sin ср 1/ 1 — (——-----VI.
Кх &х Umi \ Кх &х Umi / -*
(7-14)
При ср=90° уравнение существенно упрощается:
(х/KxZxUml) 2-|- (у!7Cj/Ej/t/m2)2 — 1 • (7.15)
Формула (7.15) представляет собой уравнение эллипса. Если подо-
брать Кх и Ку так, чтобы знаменатели в формуле стали одинако-
выми: Kx£xUmi = Ky&yUm2=R, то получим уравнение окружности
X2+y2=R. (7.16)
Таким образом, для образования эллирса или окружности на
экране на входы осциллографа необходимо подать сигналы сину-
соидальной формы одной частоты, но сдвинутые по фазе на 90°.
Обычно для реализации круговой развертки синусоидальное на-
пряжение от генератора пропускается через
печивающий сдвиг фаз ф = 90°. Фазовраща-
тель и схема подключения его к осцил-
лографу показаны на рис. 7.10. Отметим
важные для измерений особенности круго-
вой развертки. Светящееся пятно описы-
вает окружность за время 7 = 2л/со, т. е. пе-
риод одного оборота равен периоду вспо-
могательного напряжения, снимаемого с ге-
нератора. Если генератор формирует сигнал
стабильной частоты, то также стабилен пе-
риод обращения светящегося пятна по
фазовращатель, обес-
Рис. 7.10
177
окружности. Направление вращения светящейся точки зависит
от знака угла сдвига фаз. Если фаза синусоидального сигнала, по-
даваемого на вход У, опережает фазу сигнала, подаваемого на
вход X, на 90°, то вращение происходит против часовой стрелки.
Если поменять сигналы местами, изменится направление враще-
ния. В этом можно убедиться, построив траекторию движения пят-
на на экране осциллографа так, как это сделано на рис. 7.6, но за-
менив пилообразное напряжение развертки синусоидальным и
введя <р = 90°.
Круговую развертку можно превратить в спиральную. Прин-
цип получения спиральной развертки следует из формулы (7.16).
Радиус окружности R = KxSxUml = KySyUm2- ЕСЛИ ИЗМеНИТЬ Uml и
Um2, уменьшив их, например, в два раза, равенство не нарушится,
но радиус окружности уменьшится в два раза. Если амплитуды
Umi и .Um2 уменьшать плавно, радиус окружности будет посте-
пенно уменьшаться и на экране осциллографа образуется изоб-
ражение спирали (рис. 7.11,а). Управляющее напряжение, необхо-
димое для получения спиральной развертки, показано на рис.
7.11,6. Амплитуда сигнала, подаваемого на вход X, уменьшается
по линейному закону от U'm\ до U"m\- Аналогично должна умень-
шаться амплитуда сигнала, подаваемого иа вход У. Такие сигна-
лы можно получить с помощью амплитудного модулятора. Несу-
щей в данном случае является синусоида, а модулирующим —
напряжение пилообразной формы. Период спиральной развертки
Тс определяется периодом пилообразного модулирующего напря-
жения. Число витков спирали т равно отношению периода Тс =
= 2л/(ос к периоду синусоидального колебания 7’=2л/<о, т. е.
щ=7'с/7' = 7'с(о/2л. Следует отметить, что, несмотря на изменение
радиуса окружности, каждый оборот светящейся точки осущест-
вляется за одно и то же время, что создает определенные удоб-
ства применения спиральной развертки для измерений.
7.5. СИНХРОНИЗАЦИЯ РАЗВЕРТОК
ОСЦИЛЛОГРАФА
Как отмечалось в § 7.4, для получения неподвижной осцилло-
граммы необходимо, чтобы в одном периоде развертки точно укла-
дывалось целое число периодов сигнала. Выполнение этого усло-
вия обеспечивается синхронизацией генератора развертки иссле-
дуемым сигналом. При этом развертка работает в непрерывном
режиме. Его отличительная особенность — генератор развертки
продолжает работу при отключении сигнала синхронизации. Опе-
рации по введению развертки в синхронизм проводятся в два
этапа. Вначале подбирается период собственных колебаний гене-
ратора развертки (без сигнала синхронизации), а затем напря-
жение синхронизации до получения устойчивого положения осцил-
лограммы.
Обычно в качестве устройства, управляющего работой разряд-
ного каскада, используется мультивибратор, работающий в авто-
колебательном режиме. Схема такого мультивибратора представ-
лена на рис. 7.12,а. Мультивибратор собран на транзисторах Т\
и Т2. Обратная связь осуществляется с помощью конденсаторов
С] и С2. Импульсы синхронизации отрицательной полярности
(рис. 7.12,6) с периодом Тсинхр поступают на базу Т2 через конден-
сатор С3 и диод Д. Форма напряжения показана на рис. 7.12,в.
На участке тп напряжение нвг изменяется -по экспоненциальному
закону. При отсутствии синхронизирующих импульсов напряжение
«62 уменьшается до нуля по экспоненте и в момент t'2 возникает
релаксационный процесс (штриховая линия). Если в момент t2
на базу Т2 поступает импульс отрицательной полярности с кру-
тым фронтом, то нулевой потенциал достигается в момент t2 и
период колебаний мультивибратора укорачивается и становится
равным периоду следования синхронизирующих импульсов Тсинхр.
Таким образом для получения синхронизации необходимо, чтобы
период собственных колебаний мультивибратора несколько пре-
вышал период следования импульсов синхронизации. Необходимая
разница в периодах Тсинхр и Тсоб подбирается экспериментально
путем изменения периода ТСОб мультивибратора, причем крите-
Рис. 7.12
179
“il
Рис. 7.13
синхронизации поясняется рис.
рием правильности выбора Тсов
является устойчивость осцилло-
граммы на экране ЭЛТ.
Влияние соотношения перио-
дов Тсинхр и Тсоб на устойчивость
7.13. Обычно на мультивибратор
поступают импульсы синхронизации вместе с помехами, внешнего
или внутреннего происхождения. Эти помехи могут иметь как шу-
мовой, так и импульсный характер. Если период собственных
колебаний мультивибратора Тсо6 существенно больше периода сле-
дования синхроимпульсов Тсинхр (рис. 7.13,а), то в момент при-
хода импульса синхронизации иб2 еще достаточно велико и необ-
ходимо приращение At/, чтобы вызвать релаксационный процесс.
В этом -случае помеха не в состоянии нарушить синхронизацию.
При Тсоб, близком к Тсннхр (рис. 7.13,6), момент прихода импульса
синхронизации соответствует весьма малому напряжению иб2 и
достаточно импульса с размахом AU' для перевода мультивибра-
тора в режим релаксации. Если до прихода сигнала синхрониза-
ции на базу Т2 поступил импульс помехи отрицательной поляр-
ности размахом более At/', произойдет преждевременное сраба-
тывание мультивибратора. Поскольку помеха имеет случайный
характер, момент начала релаксации будет флуктуировать от цик-
ла к циклу и, следовательно, синхронизация будет неустойчивой.
Рассмотренный пример показывает, насколько важно подобрать
правильно период собственных колебаний мультивибратора. По-
мимо подбора Тсоб необходим правильный выбор напряжения им-
пульсов синхронизации. Из рис. 7.13,а видно, что уменьшение
напряжения синхроимпульса вдвое вызовет нарушение синхрони-
зации. Излишнее увеличение напряжения синхроимпульсов также
недопустимо, так как при этом возможно срабатывание мульти-
вибратора в любой момент прямого хода. На практике лучший
результат получают методом постепенного приближения. Внача-
ле при минимальном напряжении синхронизации подбирают пе-
риод развертки приблизительно равным периоду сигнала. Когда
движение осциллограммы замедлится, вводят сигнал синхрониза-
ции. Поочередно подбирая напряжение синхроимпульсов и период
180
Тсоб, добиваются полной неподвижности изображения' осцилло-
граммы.
Следует отметить, что установление процесса синхронизации
возможно при различных значениях Тсо6 (если, конечно, Тсоб ос-
таётся близким Тсинхр), т. е. имеется некоторый диапазон значе-
ний Тсоб, в пределах которого возможно установление синхрони-
зации и который называют диапазоном захватывания. Если син-
хронизация установлена, ТСОб мультивибратора можно изменять
в некотором диапазоне, называемом диапазоном удержания, не
вызывая сбоя синхронизации. Обычно диапазон удержания пре-
вышает диапазон захватывания. Полезно, добившись синхрониза-
ции, убедиться, что ручка, с помощью которой устанавливается
перйод Тсоб мультивибратора, находится в среднем положении.
При этом обеспечивается синхронизация при отклонении частоты
приходящего сигнала в сторону как увеличения, так и уменьше-
ния. Таким образом мультивибратор, находящийся в режиме син-
хронизации, подстраивается под'•исследуемый сигнал.
Рассмотренный режим синхронизации, в результате которого
период колебаний мультивибратора устанавливается равным пе-
риоду сигнала, позволяет получить на экране ЭЛТ осциллограмму
всего лишь одного периода сигнала. На практике встречается
необходимость наблюдать п периодов. В этом случае мультивиб-
ратор работает в режиме деления частоты. На рис. 7.14 поясняет-
ся работа мультивибратора при отображении четырехч периодов
сигнала на экране ЭЛТ. Как видно из рис. 7.14 начало релакса-
ции процесса в мультивибраторе вызвано импульсом 1. Импуль-
сы 2, 3 и 4 не достигают нулевого уровня (рис. 7.14,6) и, следо-
вательно, не влияют на работу мультивибратора. Импульс 5 вы-
зывает релаксационный процесс. Таким образом в рассмотренном
режиме синхронизация имеется, однако не все импульсы прини-
мают в ней участие. В одном периоде колебаний мультивибратора
укладываются четыре периода исследуемого сигнала. Из рис.
7.14,6 видно, насколько важен правильный подбор напряжений
импульсов синхронизации. Если увеличить это напряжение в
1,5...2 раза, релаксационный процесс в мультивибраторе может
быть вызван импульсом 4. Таким образом синхронизация в ре-
жиме деления менее устойчива. Чем больше коэффициент деле-
ния, тем ближе расположены друг к другу импульсы синхрониза-
ции, "сем уже полоса удержания.
Структурная схема генератора развертки осциллографа пред-
ставлена на рис. 7.15,а. Устройство синхронизации и запуска фор-
мирует запускающие импульсы. Для четкой синхронизации необ-
ходимо, чтобы на мультивибратор поступали остроконечные им-
пульсы с крутым фронтом нарастания. На практике часто прихо-
дится наблюдать на осциллографе плавно изменяющиеся сигналы
(например, гармонические), в этом случае необходимо из них
сформировать синхронизирующие импульсы остроконечной формы.
Для этого используют устройство формирования и запуска, кото-
181
Рис. 7.15
рое обычно содержит усилитель-ограничитель и дифференцирую-
щие цепи.
Генератор развертки, построенный по данной структурной схе-
ме, имеет существенный недостаток. При изменении частоты раз-
вертки необходимо менять параметры элементов как мультивиб-
ратора, так и формирователя пилообразных импульсов. Только
в этом случае можно сохранить высокую линейность пилообраз-
ных импульсов развертки и постоянство их размаха. Независи-
мость размаха пилообразных импульсов, а следовательно, и го-
ризонтального размера осциллограммы от частоты создает удоб-
ства при работе с осциллографом. Отпадает необходимость регу-
лировать горизонтальный размер осциллограммы после перестрой-
ки частоты развертки и существенно упрощается измерение вре-
менных параметров сигнала.
В современных осциллографах применяется калиброванная
развертка, при которой определенному горизонтальному переме-
щению луча соответствует определенный временной интервал.
Генератор развертки рассмотренного типа не отвечает данному
требованию, так как изменение параметров элементов схемы
вследствие температурной нестабильности, изменение питающего
напряжения неизбежно вызывает изменение скорости нарастания
напряжения развертки и его размаха. В настоящее время гене-
раторы развертки рассмотренного типа используются лишь в прос-
тых дешевых приборах.
Структурная схема генератора калиброванной развертки пред-
ставлена на рис. 7.15,6. Управляющим устройством здесь являет-
ся триггер, обеспечивающий формирование прямоугольных управ-
182
ляющих импульсов необходимой длительности. Существенно, что
длительность сформированного управляющего импульса не опре-
деляется параметрами входящих в состав триггера элементов.
После поступления синхроимпульса триггер срабатывает и его
выходное напряжение обеспечивает пуск формирователя пилооб-
разных импульсов. Линейно нарастающее напряжение поступает
на устройство сравнения и блокировки, выходной сигнал которого
образуется при достижении пилообразным напряжением опреде-
ленного уровня. В этот момент по команде устройства сравнения
триггер переводится в исходное состояние. Таким образом макси-
мальное значение напряжения развертки в данной схеме является
строго постоянным. При постоянном уровне сравнения размах
пилообразного напряжения не изменяется при переключении вре-
мязадающих элементов в формирователе пилообразных импульсов.
Генератор развертки, в котором применен триггер, работает
в ждущем режиме. Управляющее устройство «ждет» запускающе-
го импульса с устройства синхронизации и запуска, после чего
начинается формирование прямого хода развертки. Если запус-
кающих импульсов нет, нет и развертки. Рассмотренную схему
развертки можно перевести в режим непрерывной генерации пило-
образных колебаний. Для этого надо использовать триггер с од-
ним устойчивым состоянием равновесия. При формировании пря-
мого хода триггер находится в устойчивом состоянии и необхо-
димое разрешающее напряжение подается на формирователь пило-
образных импульсов. Когда пилообразное напряжение достигнет
заданного значения, устройство сравнения и блокировки специаль-
ным импульсом переводит триггер в неустойчивое состояние и
удерживает его в этом состоянии в течение некоторого времени.
С прекращением действия импульса триггер самостоятельно воз-
вращается в устойчивое положение и снова формируется прямой
ход развертки. Обычно в современных осциллографах предусмот-
рена возможность перевода триггера с двумя устойчивыми состоя-
ниями в режим работы с одним устойчивым состоянием с помощью
регулятора «стабильность». Одно положение регулятора обеспе-
чивает непрерывный режим работы, другое ждущий. В более
сложных осциллографах применяются устройства, которые авто-
матически устанавливают автоколебательный режим генератора
при отсутствии запускающего сигнала или ждущий при наличии
запускающих импульсов.
Следует остановиться на функции блокировки развертки, вы-
полняемой блоком сравнения и блокировки в схеме на рис. 7.15,6.
Формирователю пилообразных импульсов необходимо время для
подготовки к новому циклу развертки. До окончания обратного
хода и переходных процессов управляющие импульсы не должны
поступать на формирователь пилообразных импульсов. Блокиров-
ка триггера на это время осуществляется устройством сравнения
и блокировки, вырабатывающим необходимый сигнал.
В заключение рассмотрим особенности практического приме-
нения ждущей развертки. При наблюдении импульсных сигналов
183
I
часто приходится иметь дело с короткими импульсами, следую-
щими друг за другом через сравнительно большие интервалы
времени. Длительность т оказывается много меньше периода Т
следования импульсов. При скважности импульсов Q = 7’/t^100
осциллограмма сигнала, полученная методом непрерывной раз-
вертки, оказывается малоинформативной. Действительно, как вид-
но из рис. 7.16, короткие импульсы прямоугольной формы зани-
мают малую часть экрана ЭЛТ. Поэтому обнаружить и оценить
возможные искажения формы импульсов, такие как скол верши-
ны, выбросы, трудно. Изображенные на рис. 7.16,а импульсы ха-
рактеризуются скважностью Q = 30. Дальнейшее увеличение скваж-
ности ещё более усложняет задачу, поскольку нри непрерывной
развертке на экране ЭЛТ можно отображать не менее одного
целого периода сигнала, тогда как интерес представляет лишь
незначительная его часть. Ждущая развертка позволяет преодо-
леть эту трудность.
На рис. 7.17 показан принцип действия ждущей развертки. Из
сигнала (рис. 7.17,а) формируются запускающие импульсы (рис.
7.17,6). До прихода импульса триггер генератора развертки на-
ходится в заторможенном состоянии. В момент триггер сраба-
тывает и начинается прямой ход. За время ТПР напряжение раз-
вертки возрастает от нуля до нртах (рис. 7.17,е), затем в момент
начинается обратный ход. На интервале Тйж генератор развертки
находится в заторможенном состоянии, «ожидая» прихода следую-
щего запускающего импульса. Развертывающий луч на экране
ЭЛТ за время ТЩ1 отклоняется по
горизонтали на полный размер.
Осциллограмма импульса (рис.
7.17,г) занимает значительную
часть экрана и удобна для наблю-
дения.
Как видно из рис. 7.17,а и б,
при ждущей развертке запускаю-
щий импульс должен появиться в
момент tlt т. е. до прихода ис-
М п ’ п
Л77*
Рис. 7.16
184
fi
И •'
! следуемого импульса. На практике необходимое опережение за-
пускающего импульса w3an достигается задержкой исследуемого
сигнала, для чего в состав канала вертикального отклонения
I (рис. 7.8) включается линия задержки. Как видно из рис. 7.8,
сигнал на формирователь снимается до входа линии задержки и,
следовательно, опережает на некоторое время исследуемый сигнал.
| 7.6. КАЛИБРАТОРЫ ОСЦИЛЛОГРАФА
Осциллографы широко используют не только для наблюдения
электрических сигналов, но и для измерения их параметров. Су-
ществуют разные методы повышения точности осциллографических
измерений, однако наиболее перспективен метод калиброванного
отклонения. При наличии линейной развертки горизонтальная ось
i является осью времени, а вертикальная — осью напряжений. До-
пустим, что развертка идеально линейна и скорость движения
луча в горизонтальном направлении известна. Тогда задача изме-
рения временного интервала (например, длительности импульса)
сводится к измерению линейного размера интересующей нас части
I осциллограммы и делению полученного числа на скорость раз-
вертки. С точки зрения измерений временного интервала выгодно
шкалу регулятора развертки градуировать в единицах скорости
отклонения луча. Последнее время, как правило, используют ве-
личину, обратную скорости, которую называют коэффициентом
I развертки:
^r = 7,nP/Zr, . (7.17)
1 где /г — длина отрезка горизонтальной оси, соответствующая дли-
тельности прямого хода Тпр. Размерность коэффициента разверт-
ки на разных диапазонах: мкс/см, мс/см или с/см. Временной
интервал определяется умножением размера нужной части осцил-
лограммы на коэффициент развертки. Изменение калиброванного
‘ коэффициента Кг в современных осциллографах осуществляется
ступенчатым переключением с кратностью изменения Кг в 0,25;
| 0,5; 1; 2; 5 раз. Плавная регулировка позволяет устанавливать
! любые значения Кг между соседними калиброванными ступенями.
। Аналогично для характеристики вертикальной оси осциллогра-
’ фа введен коэффициент отклонения
I Кв = ивх/1в, (7.18)
где иах — амплитуда сигнала, подаваемого на вход У, 1В — откло-
нение луча в вертикальном направлении, соответствующее значе-
нию UBX. Коэффициент отклонения выражается в единицах на-
пряжения, отнесенных к единицам длины или делениям шкалы
на экране осциллографа (В/см; мВ/см; В/дел.; мВ/дел.). Коэф-
j фициёнт отклонения измеряют ступенями с кратностью 1, 2 и 5.
; . Плавная регулировка позволяет устанавливать любое некалибро-
ванное значение коэффициента отклонения между соседними ка-
либрованными ступенями. Иногда осциллографы характеризуют
185
величиной, обратной коэффициенту отклонения, которую называют
чувствительностью канала У. Это менее удобно, так как для оп-
ределения измеряемого напряжения приходится применять опе-
рацию деления.
Коэффициенты отклонения и развертки устанавливаются с не-
которой погрешностью. В процессе эксплуатации осциллографа
для обеспечения точности измерения напряжений и временных
интервалов необходима подстройка каналов X и У. Для этого
в осциллографы встраивают калибраторы амплитуды и длитель-
ности, являющиеся источниками эталонных сигналов. Если калиб-
ровочный сигнал — симметричные прямоугольные импульсы
(меандр), функции калибровки амплитуды и длительности можно
выполнить с помощью одного сигнала. Эталонный размах этих
импульсов используют в качестве калибровочного напряжения, а
период повторения — в качестве калибровочного интервала.
Источником первичного сигнала для формирования калибро-
вочного напряжения обычно является высокостабильный генера-
тор синусоидальных сигналов. Из этих сигналов формируют сим-
метричные прямоугольные импульсы. Обычно максимальная пог-
решность калибратора амплитуд составляет 1...3%. Процесс ка-
либровки коэффициента отклонения заключается в совмещении
участков осциллограммы калибровочного сигнала, соответствую-
щих минимальному и максимальному уровням напряжения, с ли-
ниями шкалы, нанесенными на масштабную сетку (рис. 7.18). При
этом согласно (7.18) lB=UBX/KB. Так как UBX (напряжение калиб-
ратора) и Кв, установленное экспериментатором, извести^!, можно
сравнить расчетное значение 1В и измеренное Гв. Если 1В^=1'В, не-
обходима калибровка, которая осуществляется изменением коэф-
фициента усиления канала специальным органом подстройки.
Погрешности, возникающие при измерении напряжения и вре-
менных интервалов. Определение линейных размеров осцилло-
граммы предполагает совмещение участков осциллограммы со
шкалой и съем показаний. Поэтому для калибровки характерны
погрешности совмещения и отсчета. Обычно погрешность совме-
щения не менее 0,15...0,2 мм, а погрешность отсчета 0,3 мм. Ука-
занное значение погрешности совмещения соответствует так на-
зываемой беспараллаксной шкале. Обычно шкала экрана удалена
от люминесцентного слоя на 4...5 мм. В этом случае при наблю-
Рис. 7.18 Рис- 7.19
=1 1 =1 1 =н 1 =1 1 =1 1 =1 1 1
—1 1 —1 1 —1 1 1 —1 1 ==! 1
—1 1 —1 1 —1 1 —1 1 —1 =1 1 _д
—1 “1 —1 —1 1 —1 1 =1 1 =1 —1
186
дении осциллограммы под некоторым углом возникает погреш-
ность из-за параллакса, которая обычно составляет 1%. Для ис-
ключения этой погрешности в современных ЭЛТ шкалу наносят
на внутренней стороне стекла экрана или изготавливают беспа-
раллаксные шкалы, линии которых размещены друг против друга
с обеих сторон прозрачного материала. При наблюдении под пра-
вильным углом линии шкал, нанесенные р разных сторон, совме-
щены друг с другом. При неправильном угле зрения из-за парал-
лакса возникает раздвоение изображения, как это показано на
рис. 7.19. Представленное на нем изображение соответствует слу-
чаю, когда линия наблюдения отклонена от перпендикуляра к по-
верхности экрана вправо и вверх.
При калибровке горизонтальной оси известны длительность пе-
риода сигнала калибратора и установленный коэффициент раз-
вертки. Для подстройки генератора развертки в осциллографах
предусмотрена специальная регулировка. Погрешность измерения
напряжений и временных интервалов определяется не только не-
точностью совмещения и отсчета линейных размеров. На нее су-
щественно влияют нелинейности амплитудной характеристики ка-
нала У и развертывающего напряжения. Влияние нелинейности
канала У на точность измерения напряжения поясняется на рис.
7.20. Амплитудная характеристика канала (рис. 7.20,а) представ-
ляет собой зависимость отклонения луча по оси у от напряжения
' Wbx на входных зажимах. Реальная амплитудная характеристика
ОБА нелинейна. Рядом расположена идеализированная ампли-
тудная характеристика ОБ'А. Допустим, что на вход У подано
эталонное напряжение от калибратора (импульс а’) на рис. 7.20,в.
Возможны два случая. В первом случае, когда коэффициент от-
клонения строго соответствует установленному по шкале регуля-
тора, на экране получаем калиброванное отклонение /гкал (осцил-
лограмма а на рис. 1.20,6). Во втором случае высота полученной
осциллограммы не соответствует /гкал (осциллограмма b на рис.
7.20,5) и необходима подстройка изменением коэффициента уси-
ления усилителя. Поскольку в
конечном результате входное
напряжение ивх и /гКал одинако-
вы для обоих случаев, точка А
(координаты которой икал, /1кал)
принадлежит одновременно ре-
альной и идеализированной ам-
плитудной характеристике. Та-
ким образом, амплитудная ха-
рактеристика может иметь су-
щественную нелинейность, од-
нако калибровка оси формаль-
но будет выполнена и коэффи-
циент отклонения будет соот-
ветствовать номинальному. Ес-
187
ли теперь определить напряжение, соответствующее осциллограмме
Ь, умножив вертикальный размер осциллограммы на коэффициент
отклонения, получим U'BX (осциллограмма Ь'). В действительности
из-за нелинейности характеристики осциллограмма b (рис. 7.20,6)
вызвана напряжением U"BX. Абсолютная погрешность измерения,
обусловленная нелинейностью амплитудной характеристики, опре-
деляется разностью между измеренным и истинным значением
напряжения, т. е. A=w'BX—и"вх, а относительная — отношением
6=(w'Bx—и"вх)/и"вх. Данная погрешность является систематичес-
кой, однако ее трудно учесть, так как для разных экземпляров
приборов она различна. Практика конструирования осциллогра-
фов показывает, что при нелинейности амплитудной характеристи-
ки канала У, равной 5%, относительная погрешность измерения
напряжения составляет 2...3%. Определение общей погрешности
измерения напряжения, зависящей от суммы разных факторов,
будет рассмотрено далее.
Методы уменьшения погрешностей. Для повышения точности
измерения напряжения в более сложных приборах используют ме-
тод сравнения напряжения исследуемого сигнала с калиброванным
напряжением. Калибратор в этом случае должен вырабатывать
сигнал, напряжение которого может быть установлено с достаточ-
но высокой точностью. Сущность метода поясняется рис. 7.21.
Калибровочное (меандр) напряжение поступает на регулятор, ко-
торый снабжен шкалой, позволяющей произвести отсчет установ-
ленного напряжения. К калибровочному напряжению добавляется
постоянное напряжение, снимаемое с движка потенциометра R.
Благодаря наличию источников А] и £2 постоянная составляющая,
снимаемая с R, может быть как положительной, так и отрицатель-
ной полярности. Электронный коммутатор, управляемый коммути-
рующими импульсами, подключает к усилителю У поочередно то
измеряемый сигнал, то калибровочное напряжение. При опреде-
ленном соотношении между длительностями коммутирующих и
Коммутирующие импульсы
. калибровочных линий
Рис. 7.21
188
Рис. 7.22
калибровочных импульсов на экране образуются калибровочные
метки (рис. 7.21,6). Потенциометр 7? позволяет их перемещать
вверх или вниз, а регулятор калибровочного напряжения — из-
менять расстояние между ними. Действуя двумя регулировками,
можно совмещать калибровочные метки (линии) с осциллограм-
мой. Результат измерения определяется по шкале регулятора ка-
либровочного напряжения. Существенным достоинством метода
является подключение погрешности измерения, связанной с нели-
нейностью канала У.
Для исключения влияния нелинейности используется также
компенсационный метод, сущность которого поясняется рис. 7.22.
На вход усилителя У кроме исследуемого сигнала поступает пос-
тоянное напряжение с движка потенциометра R. Если усилитель У
пропускает постоянную составляющую, то изменение напряжения,
снимаемого с R, вызовет смещение осциллограммы в вертикаль-
ном направлении. Смещая осциллограмму, например, вниз так,
чтобы ее верхняя часть совпала с линией тп (рис. 7.22,6), фик-
сируем изменение постоянного напряжения с помощью вольтмет-
ра постоянного тока. Как видно из рис. 7.22,6,
вертикальный размер осциллограммы равен
расстоянию между линиями тп и т'п'. Таким
образом напряжение, отсчитанное по шкале
вольтметра, равно размаху сигнала.
Метод сравнения используется также для
увеличения точности измерения временных ин-
тервалов. Сущность метода заключается в
сравнении разности мгновенных значений пи-
лообразного напряжения развертки, соответст-
вующих началу и концу измеряемого участка
осциллограммы, с опорным напряжением. Как
видно из рис. 7.23, полному отклонению луча в
горизонтальном направлении соответствует из-
менение напряжения развертки от wpmin до
Wpmax. Участку осциллограммы ab соответству-
ет изменение напряжения развертки, равное
Aw = w2—Wi. При известном значении Aw изме-
ряемая длительность импульса может быть оп-
189
Коммутирующие импульсы
Рис. 7.24
ределена как А/==^2—£i = A«/tga. Так как tga = S — крутизне .пило-
образного колебания, то Д^=(н2—Hi)/S. Поскольку величина S из-
вестна, изменение временного интервала сводится к определению
разности Дн = н2—ил.
На рис. 7.24 показана структурная схема прибора, основанно-
го на описанном способе измерения временного интервала. На
электронный коммутатор поступает пилообразное напряжение раз-
вертки и калибровочный сигнал. Источник калибровочного сигнала
вырабатывает меандр. Напряжение устанавливается регулятором
с отсчетным устройством. Таким образом на пластины X ЭЛТ
поочередно поступает напряжение развертки и калибровочное на-
пряжение. Калибровочный сигнал образует на экране две яркост-
ные отметки (точки) (рис. 7.24,6). Это объясняется тем, что фрон-
ты калибровочных импульсов очень короткие, скорость перемеще-
ния луча в горизонтальном направлении велика и линия разверт-
ки незаметна. При воспроизведении плоской вершины импульсов
луч остается на месте и на экране образуется яркая точка. Рас-
стояние между точками можно изменять, изменяя размах кали-
бровочного напряжения, положение точек на горизонтальной оси
можно изменять введением постоянной составляющей, снимаемой
с движка потенциометра R (рис. 7.24,а). Совместив точки с инте-
ресующей частью осциллограммы, снимаем показания с отсчет-
ного устройства регулятора калибровочного сигнала.
Для точных измерений формируют также измерительные им-
пульсы прямоугольной формы, длительность которых эквивалент-
на измеряемому временному интервалу. На экране ЭЛТ кроме
исследуемого сигнала получают изображение измерительного им-
пульса, фронт и срез которого совмещают с границами измеряе-
мого участка осциллограммы. Параметры измерительного импуль-
са определяются электронно-счетным измерителем временных ин-
тервалов, встроенным в осциллограф. Погрешность данного мето-
да складывается из погрешностей совмещения фронта и среза
измерительного импульса с границами измеряемого участка осцил-
лограммы и погрешности электронно-счетного измерителя времен-
ных интервалов.
190
7.7. МНОГОЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ
Многолучевые осциллографы предназначены для одновремен-
ного наблюдения на одном экране нескольких сигналов. Наиболь-
шее распространение получили приборы, позволяющие наблюдать
одновременно два сигнала, как это показано на рис. 7.25. Здесь
осциллограмма I представляет собой сигнал, поступающий на вход
исследуемой цепи, а осциллограмма II — сигнал, снимаемый с
выхода. Для получения данного изображения используется двух-
лучевая ЭЛТ, содержащая внутри общей колбы две электронные
пушки со своими системами фокусировки вертикально и горизон-
тально отклоняющих пластин. Обычно развертки обоих лучей осу-
ществляются от общих генератора и усилителя X, что обеспечи-
вает отображение обоих сигналов в едином масштабе времени.
Единый масштаб времени позволяет сравнивать мгновенные зна-
чения напряжений, определять временные соотношения, измерять
фазовый сдвиг и т. д.
Из упрощенной структурной схемы двухлучевого осциллогра-
фа С1-55 (рис. 7.26) видно, что управление двумя лучами ЭЛТ
осуществляется с помощью двух идентичных каналов У] и У2, со-
держащих те же элементы, что и каналы вертикального отклоне-
ния обычных осциллографов. Синхронизация периодической и за-
пуск ждущей разверток предусматривается от исследуемого сиг-
нала, снимаемого с усилителей обоих каналов.
Особенностью ЭЛТ, применяемой в рассматриваемом приборе,
является гашение луча во время обратного хода развертки с по-
мощью специальных бланкирующих пластин. При подаче импуль-
сов с устройства управления яркостью луча на бланкирующие
пластины лучи обеих электронных пушек резко отклоняются в
сторону и не попадают на экран. Разработаны ЭЛТ и с большим
количеством лучей. Так, например, осциллограф С1-33 выполнен
на трубке, имеющей пять лучей. Возможности применения таких
приборов еще более широкие.
Два электрических процесса можно одновременно наблюдать
на экране обычной ЭЛТ, используя электронный коммутатор, обес-
печивающий поочередную подачу сигналов на вертикальные от-
клоняющие пластины. Примером такого осциллографа может слу-
жить прибор С1-77, упрощенная структурная схема которого пред-
ставлена на рис. 7.27. Сигналы по-
даются на входы У] и У2 двух иден-
тичных каналов. С выходов каналов
сигналы поступают на электронный
коммутатор, управляемый импульса-
ми, сформированными в генераторе
развертки. Коммутатор может рабо-
тать в одном из режимов: I, II, I + II,
Прерывание, Попеременно.
В режимах I и II на экране ЭЛТ
воспроизводится только один сигнал,
Зкран 3/1Г
Рис. 7.25
191
Рис. 7.26
с канала У]. или У2 соответственно. В режиме 1 + П мож-
но исследовать сумму или разность двух сигналов, а также ком-
пенсировать постоянную составляющую одного канала, подавая
постоянное напряжение на другой канал. В режиме Прерывание
сигналы переключаются с частотой 100 кГц, а в режиме Попере-
менно после каждого цикла развертки. Смещение осциллограмм
двух сигналов в вертикальном направлении (как показано на
рис. 7.25) осуществляется подбором постоянных составляющих
сигналов, поступающих на коммутатор с предварительных усили-
телей каналов У1 и У2. В отличие от двухлучевых осциллографов,
рассмотренный прибор с коммутацией сигналов и обычной ЭЛТ
носит название двухканального осциллографа.
192
Вход X
Рис. 7.27
7.8. СКОРОСТНЫЕ И СТРОБОСКОПИЧЕСКИЕ
ОСЦИЛЛОГРАФЫ
При осциллографировании сигналов импульсных процессов на-
но- и пикосекундной длительности, а также гармонических коле-
баний СВЧ возникает ряд специфических особенностей, основной
из которых является сложная конструкция электронных усилите-
лей, обусловленная чрезвычайно широкой полосой частот. В нас-
тоящее время созданы приборы, имеющие усилители канала У с
полосой пропускания от 0 до 350 МГц.
Другими особенностями являются:
существенное влияние паразитных элементов конструкции (ем-
костей отклоняющих пластин, индуктивности проводов, подводя-
7—10 193
щих сигнал), вызывающие нежелательные резонансы и искажения
формы коротких импульсов;
влияние конечного времени пролета электронов: если период
исследуемого сигнала соизмерим с временем пролета (это имеет
место при частотах свыше 100 МГц), будет снижаться чувстви-
тельность по отклонению; если время пролета' оказывается рав-
ным целому числу периодов отклоняющего напряжения, луч вооб-
ще не будет отклоняться;
сильное уменьшение яркости свечения с увеличением скорости
движения электронного луча относительно экрана ЭЛТ;
резкое возрастание требований к скорости развертки с увели-
чением частоты исследуемого сигнала. Так, чтобы получить на
экране шириной 7 см осциллограмму одного периода синусоидаль-
ного сигнала с частотой 1 ГГц, необходима скорость развертки
70 000 км/с.
Все это предопределило особенности построения скоростных
ЭЛТ. В частности, выводы отклоняющих пластин скоростных ЭЛТ
впаивают в непосредственной близости с пластинами (через стек-
ло). Это существенно уменьшает индуктивности и емкости выво-
дов по сравнению с обычными ЭЛТ, в которых выводы пластин
делаются через общий цоколь. Оконечные каскады усилителей ос-
циллографа располагают вблизи выводов пластин.
Важной мерой, позволяющей в значительной мере избежать
влияния, конечного времени пролета электронов на чувствитель-
ность ЭЛТ, является применение отклоняющей системы бегущей
волны, которая представляет собой совокупность коротких плас-
тин, соединенных между собой через небольшие индуктивности.
Расстояние между пластинами увеличивается вдоль оси z (по мере
приближения к экрану), что исключает попадание отклоненного
электронного луча на пластины. Такая отклоняющая система яв-
ляется длинной линией с сосредоточенными постоянными. Если
согласовать выходное сопротивление усилителя с волновым сопро-
тивлением линии, включить на выходе согласованную нагрузку,
то сигнал будет распространяться вдоль линии без отражений.
Если время задержки каждой секции т=У LC (где С — емкость
между парой пластин) равно времени пролета электронов между
соседними секциями, то общие частотные искажения будут опре-
деляться длиной одной секции. Общая чувствительность по откло-
нению будет пропорциональна числу секций.
Для повышения энергии электронного луча, для обеспечения
достаточной яркости свечения экрана необходимо увеличивать
ускоряющее напряжение. Однако простое увеличение ускоряюще-
го напряжения согласно (7.2) приведет к снижению чувствитель-
ности по отклонению. Поскольку усиление сигналов в скоростных
осциллографах также сложная задача, такой путь оказывается
неприемлемым. Поэтому используют ЭЛТ с системой послеуско-
рения, основанной на ускорении электронов после того, как луч
.прошел отклоняющую .систему. Для этого в трубках используются
194
три анода, на последний из которых подается высокое напряже-
ние до 20 кВ. Яркость свечения существенно увеличивается, по-
. скольку ее значение пропорционально квадрату ускоряющего нап-
ряжения.
В усилителях скоростных осциллографов применяют транзи-
сторы с граничной частотой до 2,5 ГГц, к мощности которых предъ-
являются существенные требования. Данный факт требует поясне-
ния, поскольку энергия, необходимая для отклонения луча в ЭЛТ,
практически равна нулю. Чем шире полоса пропускания усилителя,
тем меньше должно быть сопротивление нагрузки, на которую он
работает. Если усилитель работает на секционированную откло-
няющую систему с волновым сопротивлением 150 Ом, то для по-
лучения напряжения 30 В необходим ток 0,5 А. Этот ток должен
обеспечить транзистор.
Для увеличения скорости движения луча необходимо сформи-
ровать пилообразное напряжение с весьма коротким циклом пря-
мого хода. Как следует из (7.6), скорость нарастания напряжения
при заряде конденсатора зависит от постоянной времени ДС-цепи.
Уменьшение емкости конденсатора менее 40...50 пФ нецелесооб-
разно, так как в этом случае существенную роль начнут играть
паразитные емкости и параметры сигналов генератора развертки
будут зависеть от сменных деталей и различных случайных фак-
торов. Однако при С = 40...50 пФ обеспечить нужную скорость на-
растания можно лишь при достаточно большом токе заряда, по-
рядка 0,4...0,6 А, что усложняет устройство питания, вызывает
необходимость применения мощных транзисторов и т. п. Сущест-
венные трудности возникают при формировании короткого обрат-
ного хода и синхронизаций.
Задача осциллографирования сигналов быстропротекающих
процессов имеет другое техническое решение, позволяющее избе-
жать необходимости применения особых ЭЛТ и других сложных
узлов. Сущность этого решения заключается в использовании вре-
менной трансформации исследуемого сигнала, например стробо-
скопическим методом, позволяющим, не изменяя формы сигнала,
«растянуть» его во времени и использовать для получения осцил-
лограммы обычный (не скоростной) осциллограф.
Принцип стробоскопического преобразования сигнала иллю-
стрирует рис. 7.28. Исходным сигналом ис (рис. 7.28,а), повторяю-
щимся с периодом Т, модулируется по амплитуде последова-
тельность коротких стробирующих импульсов Нстроб (рис. 7.28,6).
На время А/ период сигнала меньше периода следования строби-
рующих импульсов. Если первый стробирующий импульс совпа-
дает с началом первого периода сигнала (точка на рис. 7.28,а),
то второй стробирующий импульс сдвинут относительно начала
периода на время А/, третий 2А/ и т. д. В результате амплитуд-
ной модуляции получаем последовательность импульсов н'с (рис.
7.28,в) в которой каждый импульс имеет размах, пропорциональ-
ный напряжению сигнала в стробируемой точке. Например, стро-
бирующий импульс 4 появляется в момент времени, когда иссле-
7* 195
дуемый сигнал имеет максимальное значение (точка а4 на рис,
7,28,а), соответственно размах четвертого модулирующего импуль-
са а4 (рис. 7.28,в) имеет максимальное значение. Огибающая, сое-
диняющая вершины модулированных импульсов, показана штри-
ховой линией. Как видно из сопоставления рис. 7.28,а и в, форма
огибающей повторяет форму исходного сигнала, однако ее период
превышает период исходного сигнала в п раз. Таким образом
происходит трансформация сигнала во времени.
Из рис. 7.28 видно, что стробирующие импульсы как бы пере-
мещаются относительно исходного сигнала, опережая их с каж-
дым циклом на время At. В рассмотренном примере, через семь
циклов опросный импульс совпадает с точкой ат, соответствующей
«с = 0, и процесс повторяется снова. Таким образом, в рассмот-
ренном примере п = 7. Нетрудно определить, что значение п зави-
сит от выбора АЛ Чем меньше At, тем чаще располагаются отсче-
ты на кривой исходного сигнала и тем больше циклов необхо-
димо для преобразования одного периода сигнала. Число п мож-
но определить из очевидного соотношения п = Т1АТ. Таким обра-
зом, трансформация сигнала во времени связана с числом отсче-
тов: чем больше отсчетов, тем сильнее растягивается сигнал во
времени. Увеличение числа отсчетов позволяет более детально
проанализировать исходный сигнал. В рассмотренном примере для
простоты специально взят плавно изменяющийся сигнал, позво-
ляющий показать процесс преобразования с помощью семи от-
счетов. На практике число отсчетов значительно больше, особенно
в том случае, когда исходный сигнал имеет сложную форму и в
нем содержатся резкие перепады напряжения. Однако возможны
случаи, когда число отсчетов окажется излишне большим. Напри-
мер, при fc = 4 ГГц и полосе пропускания канала У, равной 1 МГц,
необходимый коэффициент трансформации масштаба времени со-
1Я6
ставит n = fc/fe = 4 - 10э/1 • 106 = 4000. Таким образом, одному перио-
ду исследуемого сигнала будет соответствовать 400 отсчетов, что
представляется излишним.
Имеется простой способ получения необходимого временного
преобразования без увеличения числа отсчетных точек. Он заклю-
чается в- периодическом пропуске некоторого количества периодов
исходного сигнала. При считывании интервал следования стро-
бирующих импульсов выбирают, чтобы в одном периоде следова-
ния стробирующих импульсов укладывалось целое число перио-
дов (k) сигнала. Например, можно для первого отсчета исполь-
зовать 1-й период сигнала нс, для второго а2 — 11-й, для третье-
го — 21-й, для четвертого — 31-й и т. д. Общая трансформация
во времени составит величину kn.
Рассмотренный способ позволяет получцть необходимое преоб-
разование периода сигнала при уменьшенной в k раз частоте сле-
дования стробирующих импульсов, что упрощает конструкцию
стробоскопического осциллографа.
Структурная схема стробоскопического осциллографа приве-
дена ‘на рис. 7.29. Для формирования стробирующих импульсов
с нужной величиной временного сдвига используются два гене-
ратора пилообразного напряжения и схема сравнения. Один ге-
нератор формирует «быстрое» пилообразное напряжение (БПН),
и другой — «медленное» (МПН). На выходе генератора МПН
напряжение имеет форму ступенчатого нарастающего напряжения
(рис. 7.30,6). Схема сравнения вырабатывает короткие остроко-
нечные импульсы (рис. 7.30,в) в моменты равенства БПИ и МПН.
Рис. 7.29
197
Рис. 7.30
Из этих импульсов генератор стробирующих импульсов выраба-
тывает короткие импульсы, поступающие на модулятор. Усилен-
ные импульсы расширяются до периода повторения. Образовав-
шееся ступенчатое напряжение (рис. 7.30,г) подается на верти-
кально отклоняющие пластины ЭЛТ. Для достижения большей
четкости изображения плоские участки расширенных импульсов
подсвечивают специальными импульсами (рис. 7.30,5), формируе-
мыми специальным устройством, и подаются на катод ЭЛТ. Изоб-
ражение на экране ЭЛТ показано на рис. 7.30,е. При достаточно
высокой частоте повторения стробирующих импульсов изображе-
ние представляет собой совокупность близко расположенных яр-
ких светящихся точек. Развертка луча осуществляется от гене-
ратора МПН.
В качестве примера приведем данные промышленного стробо-
скопического осциллографа С7-11, имеющего следующие характе-
ристики. Полоса пропускания канала У от 0 до 5 ГГц, коэффи-
циент отклонения 5...200 мВ/дел. Блок развертки имеет 17 фик-
сированных длительностей от 0,05-10~3 до —10 мкс.
198
7.9. ЗАПОМИНАЮЩИЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ
Запоминающими называют осциллографы, позволяющие запом-
нить исследуемые сигналы и длительно воспроизводить их осцил-
лограмму. Особо важное значение имеют осциллографы такого
типа для наблюдения и изучения сигналов однократных процес-
сов. Обычные осциллографы также способны воспроизводить сиг-
налы однократных процессов, однако детальное изучение получен-
ных осциллограмм возможно лишь при применении фотографи-
рования.
Основу запоминающего осциллографа составляет особая ЭЛТ,
называемая запоминающей (ЗЭЛТ). Такие ЭЛТ делятся на две
группы — полутоновые и бистабильные. Полутоновые ЗЭЛТ пре-
образуют электрический сигнал в изображение с полутонами (по-
добно кинескопу), бистабильные — в двухтоновое изображение,
содержащее две градации яркости: белое и черное. Поскольку
обычно осциллограммы формируются в двухтоновом виде, наи-
большее распространение в запоминающих осциллографах нашли
бистабильные ЗЭЛТ. Изображение осциллограммы создается в этой
трубке, как и в обычной осциллографической, с помощью люми-
несцирующего экрана. Однако возбуждение люминофора осущест-
вляется иначе. Вначале с помощью записывающего электронного
пучка на специальной сетке, расположенной перед экраном, соз-
дается потенциальный рельеф. Сетка с шагом 0,1...0,2 мм имеет
металлическую основу, на которую со стороны электронного про-
жектора наносится тонкий слой диэлектрика. Перед записью ос-
циллограммы на сетке создается отрицательный потенциал. Запись
осуществляется пучком с энергией до 3000 эВ. При такой энергии
число вторичных электронов, покидающих мишень (сетку), суще-
ственно больше первичных и потенциал облученных участков сет-
ки повышается. Если теперь на сетку направить поток рассеянных
электронов от воспроизводящего прожектора, то на экран попадут
лишь те электроны, которые соответствуют участкам сетки, несу-
щим более высокий потенциал. Таким образом осциллограмма
как бы проецируется на экран.
Осциллографы с ЗЭЛТ характеризуются скоростью записи,
временем воспроизведения и временем сохранения. Под скоростью
записи в километрах в секунду понимают максимальную скорость
перемещения луча по экрану, при которой обеспечивается запо-
минание изображения. Временем воспроизведения называют вре-
мя, в течение которого обеспечивается непрерывное воспроизве-
дение записанного при максимальной скорости без потери каче-
ства изображения. Временем сохранения называют время, в те-
чение которого при выключенном воспроизведении или обесточен-
ном состоянии прибора обеспечивается сохранение ранее записан-
ного изображения до последующего воспроизведения или вклю-
чения прибора.
Наша промышленность выпускает несколько типов запоминаю-
щих осциллографов. В качестве примера приведем характеристики
199
С8-9А с ЗЭЛТ 13ЛН5: скорость записи не менее 100 км/с, время
воспроизведения 1 мин, время сохранения 16 ч, полоса пропус-
кания канала вертикального отклонения 0...2 МГц.
7.10. ВЫБОР ТИПА ОСЦИЛЛОГРАФА
ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
В основу решения о выборе конкретного типа осциллографа для проведения
эксперимента ставятся его технические и метрологические характеристики. Од-
нако знание этих паспортных данных прибора недостаточно, поскольку они не
всегда дают очевидное представление о характере и степени искажения осцил-
лограммы. Допустим, например, что необходимо исследовать импульсы тре-
угольной формы. В описании к осциллографу указаны значения параметров ка-
нала Y, его полоса пропускания и переходная характеристика. Однако не ясно,
какими они должны быть для неискаженного воспроизведения треугольного им-
пульса заданной формы и длительности.
Прежде чем выбрать осциллограф следует:
изучить .измерительную задачу. При этом определяют характер сигнала: гар-
монический или импульсный, ширину его спектра, граничные частоты, время на-
растания и спада, скважность, амплитуду напряжения и т. п. Оценивают па-
раметры цепи исследуемого объекта, к которому подключается осциллограф: ак-
тивную и реактивную составляющие сопротивления, наличие и значение постоян-
ной составляющей напряжения;
на основе изучения измерительной задачи сформулировать требования к ха-
рактеристикам и параметрам осциллографа и осуществить его выбор.
Электрические характеристики и параметры осциллографа. Осциллограф
характеризуется большим числом параметров. К ним относятся: параметры ка-
налов X, У и Z, параметры ЭЛТ, параметры калибраторов амплитуды и дли-
тельности. Основной причиной искажения формы сигнала являются линейные и
нелинейные искажения, вносимые каналом У осциллографа. Нормируемыми па-
раметрами амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) осциллографа явля-
ются: а) полоса пропускания—диапазон частот, в пределах которого спад
АЧХ не превышает 3 дБ относительно значения иа опорной частоте; б) номи-
нальный диапазон—диапазон частот, в пределах которого неравномерность
АЧХ не превышает погрешности установки коэффициента отклонения; в) опор-
ная частота — частота, на которой спад АЧХ отсутствует. Спад АЧХ в деци-
белах определяют по формуле
А = 20 1g (hf ou/hf изм) > (7.19)
где hf on, hf изм — вертикальные размеры осциллограммы иа опорной и измеряе-
мой частотах.
. Для оценки линейных искажений необходимо знать нижнюю (/н) и верхнюю
(/в) граничные частоты полосы пропускания канала У. Частота /в определяет
искажения горизонтальных участков импульсов большой длительности, а часто-
та /в — искажения быстрых перепадов сигнала.
При оценке искажений импульсных сигналов удобно пользоваться переход-
ной характеристикой (ПХ). В осциллографе ПХ канала У при его аттестации
оценивается по осциллограмме на экране ЭЛТ (рис. 7,31) при подаче на его
вход перепада напряжения. Обычно нормируется: а) время нарастания — вре-
200
менной интервал, в течение которого ПХ нарастает от 0,1 до 0,9 от установив-
шегося значения; -б) выброс—часть ПХ, превышающей установившееся значе-
ние. Численное значение выброса выражают в процентах:
бвыбр = 100% . (7.20)
Значение выброса ПХ связано с формой АЧХ. Оптимальной АЧХ, позволяю-
щей получить минимальное Тф при минимальном выбросе, является АЧХ, при-
ближающаяся к кривой Гаусса:
Л (/) = ехр [ —0,35 (7/7в)]. (7.21)
У большинства осциллографов, выпускаемых в настоящее время, форма частот-
ной характеристики соответствует формуле (7.21) не только в пределах полосы
пропускания, но и вне ее, т. е. при f>frp. При этом обеспечивается минималь-
ный размер выброса.
Нормируемым параметром осциллографа являются калиброванные значения
коэффициента отклонения канала У. Максимальное и минимальное значения ко-
эффициента отклонения (или обратной величины — чувствительности) приводят-
ся в описании к осциллографу. Важными параметрами являются входное сопро-
тивление и входная емкость Сах канала У. Чем больше 4?вх и меньше Свх,
тем меньше проявится влияние подключения осциллографа к измеряемой цепи.
Обычно А’пх '- 1 МОм, Свх — 20... 40 пФ. При использовании выносного проб-
ника входная емкость может-быть уменьшена до 1 ... 10 пФ.
Основным параметром, характеризующим канал X осциллографа, является
диапазон изменения длительности развертки. В современных приборах длитель-
ность прямого хода развертки Тав обычно задается в виде коэффициентов раз-
вертки (7.17). Указывается также коэффициент нелинейности развертки. Обыч-
но в конструкциях осциллографа предусмотрена возможность использования
канала X для подачи внешнего сигнала. Поэтому канал характеризуется также
коэффициентом отклонения, полосой пропускания, входным сопротивлением и
емкостью.
Параметрами канала Z, которые учитываются при выборе осциллографа, яв-
ляются: диапазон частот и напряжение модулирующего сигнала, входное со-
противление и емкость.
Рекомендации по выбору осциллографа. При анализе гармонических коле-
баний выбор осциллографа определяется нижней и верхней частотами АЧХ ка-
нала У и коэффициентом отклонения. Частота исследуемого сигнала, должна'на-
ходиться в рабочем диапазоне канала У. Необходимый коэффициент отклонения
определяется из соотношения (7.Г8). Положим, что исследуемый гармонический
сигнал имеет амплитуду 10 мВ. Осциллограф С1-64 имеет канал У с коэффици-
201
ентом отклонения Ав, регулируемым в пределах от 0,005 до 10 В/дел. Рабочая
часть экрана имеет высоту 6 дел. >(48 мм). Согласно (7Л>8) при Кв =0,005 раз-
мер отклонения в вертикальном направлении lB = UBx/KB = 10-10~3/0,005=2 дел.
Полный вертикальный размер осциллограммы, определяемой размахом колеба-
ний (от пика до пика), составит 4 дел., т. е. 2/3 высоты экрана, что вполне
достаточно для наблюдения. Следовательно, осциллограф С1-64 пригоден для
решения поставленной задачи.
При .исследовании импульсных сигналов удобно оценивать пригодность ос-
циллографа по переходной характеристике канала У. Время нарастания пере-
ходной характеристики осциллографа тн.о должно быть в несколько раз меньше
времени нарастания фронта исследуемого сигнала Тф. В табл. 7.4 даны рекомен-
дации по выбору ПХ канала Y. Например, при исследовании колоколообразиых
импульсов время нарастания ПХ осциллографа должно быть в б раз меньше вре-
мени нарастания сигнала. При соблюдении приведенных рекомендаций погрешно-
сти воспроизведения амплитуды, времени нарастания и длительности исследуе-
мых сигналов не превышают 1 ...2%.
Таблица 7.1
Форма импульса ‘ Колоколооб- разная Треугольная Трапецеидаль- ная с экспо- ненциальным фронтом' и срезом
^н.о Отношение гф 1/5 1/10 1/3
Пригодность применения осциллографа для исследования импульсных сиг-
налов по АЧХ можно оценить на основе следующего соотношения:
Тн«0,35//в, (7.22}
где /в— верхняя граничная частота канала У в мегагерцах, а тн— время на-
растания ПХ в микросекундах. Используя (7.22), можно установить время на-
растания переходной характеристики канала У по его частотной характеристике.
От нижней граничной частоты fB зависит правильность передачи плоской
вершины исследуемого импульса. Нижняя граничная частота полосы пропуска-
ния канала У и спад плоской вершины связаны соотношением
/н«=6/2лтя, (7.23 >
где 6 =Ah/hB — относительный спад вершины (рис. 7.32), ти — длительность им-
пульса. Следует отметить, что спад вершины импульсов связан с наличием раз-
делительных конденсаторов в межкаскадных связях усилителя канала У. |В ос-
циллографах постоянного тока с открытым входом таких искажений нет.
2в2
7.11. ОЦЕНКА погрешностей
ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДЫ СИГНАЛОВ
И ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ
При оценке погрешностей измерений, проводимых с помощью
осциллографа, учитывают следующие метрологические характе-
ристики и параметры: ширину линии луча, погрешность коэффи-
циента отклонения, погрешность измерения напряжения, погреш-
ность коэффициента развертки, погрешность измерения временных
интервалов, параметры переходной характеристики, амплитудно-
частотную характеристику. Переходная и амплитудно-частотные
характеристики являются нормируемыми динамическими характе-
ристиками осциллографа. Необходимые данные для расчета пог-
решностей могут быть получены из технического описания осцил-
лографа конкретного типа.
Некоторые составляющие погрешности можно исключить при
обработке результатов наблюдений. К ним относятся системати-
ческие погрешности, связанные с неравномерностью АЧХ канала
вертикального отклонения, конечное время нарастания переходной
характеристики канала вертикального отклонения. Современные
осциллографы имеют АЧХ канала вертикального отклонения, опи-
сываемую формулой (7.21) или приближающуюся к ней. О бли-
зости АЧХ к оптимальной можно судить по времени нарастания
переходной характеристики и размере выброса. В многокаскадных
усилителях, построенных из условий, получения минимального вре-
мени нарастания переходной характеристики и минимального выб-
роса (2...3%), спад АЧХ в области верхней граничной частоты
весьма приближается к кривой Гаусса, представленной на рис. 7.33.
Здесь по вертикальной оси отложено относительное значение спа-
да АЧХ, а по горизонтальной оси — относительная частота f/fB.
По определению граничной частоты fB ей должен соответствовать
спад АЧХ, равный 0,7. Поэтому на рис. 7.33 спад 0,7 (т. е. 30%)
соответствует f/fB—l. Таким образом, при измерении напряжения
синусоидального сигнала из-за спада АЧХ канала вертикального
203
отклонения возможна систематическая погрешность измерения до
30%, что значительно превышает погрешность измерения, связан-
ную с другими факторами. Исключить эту погрешность можно,
используя поправочный множитель, формулу (7.21) или соответ-
ствующий график (рис. 7.34). Размер поправочного множителя
определяется соотношением g=l/A, где А — значение спада АЧХ,
соответствующее частоте измеряемого колебания.
При измерении длительности фронта и среза импульсов, соиз-
меримых с длительностью нарастания переходной характеристики
канала У, возникает погрешность, связанная с конечным време-
нем нарастания и спада переходной характеристики канала вер-
тикального отклонения осциллографа. Введение поправки позво-
ляет устранить этот вид систематической погрешности. При этом
длительность фронта исследуемого импульса определяют с по-
мощью формулы Тф=]^т2ф.о—т2н, где тф.о — длительность фронта
импульса, определенная по изображению на экране осциллографа,
ти — время нарастания переходной характеристики осциллографа.
Кроме погрешностей, определяемых характеристиками осцил-
лографа и связанных с его внутренними цепями, возможно воз-
никновение систематических погрешностей, обусловленных под-
ключением прибора в измеряемую цепь. При этом значения пог-
решностей определяются полным входным сопротивлением осцил-
лографа. Расчет систематических погрешностей такого типа ана-
логичен расчетам погрешностей, связанных с подключением вольт-
метров.
Помимо систематических погрешностей, поддающихся учету и
устранению, осциллографическим измерениям свойственны неуч-
тенные систематические погрешности, связанные с погрешностями
коэффициента отклонения, коэффициента развертки, неравномер-
ностью переходной характеристики. При съеме показаний возни-
кает случайная визуальная погрешность, состоящая из погреш-
ности совмещения линий осциллограммы с рисками шкалы и пог-
решностей отсчета положения линии относительно делений шкалы.
Методика расчета погрешности содержится в ГОСТ на электронно-
лучевые осциллографы. Считается, что визуальная погрешность
совмещения составляет 1/5, а погрешность отсчета 1/3 ширины
луча Ь. При измерении амплитуды импульсов относительная ви-
зуальная погрешность
6визП= -1/7^-100?+(^-100?
У \ h / \ h / п
где b и размер изображения h — в миллиметрах.
Кроме визуальной погрешности, при измерении амплитуды им-
пульсов учитывается погрешность 6Н, связанная с неравномерно-
стью переходной характеристики, и 6к.о — погрешность коэффи-
циента отклонения. Суммарная погрешность определяется соот-
ношением
Au = 1/62 4-6Ч-62
и ’ к.о 1 н 1 виз и
204
Если в описании осциллографа приведены данные о статичес-
кой погрешности измерения напряжения, обозначаемой бц, то сум-
марную погрешность можно рассчитать по формуле Дс7= 'Иб2и-+62н.
Однако значение би задается обычно для определенного диапа-
зона размеров осциллограмм, например от 2,4 до 6 см.
Погрешность измерения длительности импульсов прямоуголь-
ной формы оценивают путем учета:
погрешности, вызванной неточностью определения уровня 0,5
амплитуды, равной
бод и = V2 (6С0ВМ • tg ах)2 + 2 (6С0ВМ • tg w,)2 =
= • 100]/tg2 аг + tg2 а2 = «x + tg2a2100 %,
\ п ) п
где b — ширина линии в миллиметрах; h — размер изображения
по вертикали в миллиметрах; щ, а2 — углы, образованные соот-
ветственно фронтом и спадом импульса и вертикальной линии
шкалы в градусах;
визуальной погрешности:
бвИзг=|/ ^-юоу+^-юоу^^-юоо/о,
где бвиз t — визуальная погрешность определения временного ин-
тервала в процентах, b — ширина линии в миллиметрах, I—раз-
мер изображения в миллиметрах по уровню 0,5; 6.к.р — погреш-
ность коэффициента развертки.
Погрешность измерения длительности импульса прямоугольной
формы рассчитывается по формуле
Д, = ]/д2 +62 ,7 + 62
* г к.р 1 0,5 U 1 виз t
Если задана погрешность измерения временных интервалов 6;,
то расчет суммарной погрешности можно производить по следую-
щей формуле: Д, =/б2 + 62 5 [/.
Пример. На экране осциллографа имеется осциллограмма импульса прямо-
угольной формы. Высота осциллограммы /г = 20 мм, ширина на уровне 0,5 I—
= 30. мм, 01 = 9°; й2=10°.
Технические данные осциллографа: ширина линии 6 = 0,8 мм, погрешность
коэффициента отклонения 6К.О = 5%, погрешность коэффициента развертки
6к.р = 6%, 6Н = 3%. При, измерении установлены: коэффициент отклонения
Лк.о=Ю мВ/см, коэффициент развертки Лк.р=Ю0 мс/см.
Определить параметры импульсов и значения погрешностей:
амплитуда импульсов U = Лк.о-6=Ю-2 = 20 мВ;
визуальная погрешность
0,4b 0,4-0,8
бвиэ и~ ~ * 100= ~
•100=1,6%;
общая погрешность = V 62 0 + б2 у — 1/52 32 1,52 — 6,05%
длительность импульсов тя = Лк.р/= 100'3 = 300 мс;
205
погрешность отсчета
„ 0,4 6 п/—--------;— 0,4*0,Я ____________________
«0,5.1/ = — V ‘g2 “1 + tg2 “2 = —V tg2 9» + tg* 10° = 0,3%;
0,46 0,4-0,8
визуальная погрешность оВИз t ~—• 100 = — ------100 = 1,06%;
общая погрешность
= V + «0,5 С/ + «виз = V62 + 0,32 + 1,062 +6,1%.
Глава 8. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННЫХ
ПАРАМЕТРОВ И АНАЛИЗ СПЕКТРА
СИГНАЛА
8.1. АНАЛОГОВЫЕ МЕТОДЫ
ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ
В связи используется широкий диапазон частот: от нескольких
сот килогерц до десятков гигагерц. Низкочастотное оборудование
охватывает полосы частот от 20 Гц до 120 кГц. Поэтому измере-
ние частоты является весьма распространенной задачей.
Частота f и время Т являются обратными величинами: f=l/T,
где f измерено в герцах, а Т — в секундах. Кроме того, частота
связана с длиной волны известным выражением: f=cl"K, где с =
= 3-108 м/с — скорость света в свободном пространстве; % — дли-
на волны в метрах. Следовательно, измерения частоты, времени
или длины волны теоретически равноценны, но практически в
большинстве случаев измеряются частоты и интервалы времени.
Длина волны при необходимости легко вычисляется.
Погрешность измерения частоты и интервалов времени задает-
ся в абсолютных значениях, например. ± 10-2 Гц, 10 нс, но чаще в
относительных значениях. Допустимая погрешность измерения час-
тоты данного устройства должна быть всегда меньше допустимой
погрешности установки этой частоты, по крайней мере, в 3 раза.
Например, несущая частота радиостанции /Нес = 1,5 МГц±3 Гц.
Погрешность установки частоты Д///нес=бнес=3/1,5-106 * = 2-10~6.
Погрешность прибора для измерения частоты в этом случае долж-
на быть меньше чем 10-6. Такой прибор должен поверяться еще
более точным устройством; его погрешность не должна превышать
2-10+ Имеются приборы, позволяющие измерять частоту с пог-
решностью 10-9 и даже лучше. Измерение низких частот обычно
выполняется со значительно большей погрешностью. Интервалы
времени измеряются с погрешностью 1О-4...1О-5.
Частоту можно измерять методом сравнения, резонансным ме-
206
тодом и методом дискретного счета. На основе метода дискрет-
ного счета созданы удобные и точные приборы — электронно-счет-
ные частотомеры с цифровой индикацией, которые вытесняют при-
боры для измерения частоты и интервалов времени, основанные
на других методах.
Метод сравнения. Для измерения неизвестной частоты мето-
дом сравнения необходимо иметь генератор сигнала образцовой
частоты и индикатор, с помощью которого можно определить ра-
венство измеряемой и образцовой частот или их кратность. Если
в качестве индикатора используется осциллограф, то способ из-
мерения называют осциллографическим; если телефон, магнито-
электрический микроамперметр или электронно-оптический инди-
катор, регистрирующие совпадение частот, — способом нулевых
бйений или гетеродинным способом.
Метод сравнения принципиально пригоден для измерения низ-
ких и высоких частот. Он прост и довольно точен.
Осциллографический способ измерения частоты можно приме-
нить при линейной, синусоидальной и круговой развертках.
При линейной развертке в качестве образцовой исполь-
зуется частота генератора развертки данного осциллографа. Нап-
ряжение неизвестной частоты подают на вход канала вертикаль-
ного отклонения осциллографа, а частоту генератора развертки
(при выведенной ручке напряжения синхронизации) изменяют до
тех пор, пока на экране не получится изображение одного перио-
да. При этом измеряемая частота равна установленной частоте
развертки. Во многих осциллографах частота развертки калибро-
вана и погрешность измерения соответствует погрешности калиб-
ровки. На экране осциллографа можно получить изображение
нескольких периодов, при этом неизвестная частота больше час-
тоты развертки в п раз, где п — число периодов. Практически п'
не должно превышать 5...6. Диапазон частот определяется полосой
пропускания канала вертикального отклонения.
При синусоидальной развертке напряжение неиз-
вестной частоты подается на вход вертикального отклонения, а
напряжение образцовой частоты — на вход горизонтального от-
клонения. Генератор развертки осциллографа выключается. Из-
меняя образцовую частоту, добиваются неподвижной или медлен-
но движущейся фигуры Лиссажу. Если она имеет вид прямой,
эллипса или окружности, то частоты равны: fx=f0. Если непод-
вижная осциллограмма получается более сложной формы, то это
свидетельствует о кратности неизвестной и образцовой частот,
которую нужно определить следующим образом.
Полученную фигуру нужно мысленно пересечь вертикальной и
горизонтальной линиями (рис. 8.1) и сосчитать число пересечений
ими ветвей фигуры по вертикали пв и по горизонтали пГ. Отноше-
ние этих чисел равно отношению образцовой и измеряемой частот:
Лв/пг=До/Д, откуда
fx=fonT/nB. (8.1)
207
fx^fo
Рис. 8.1
fx * 3fi
Puc. 8.2
Напряжения частот можно подавать на противоположные вхо-
ды, при этом в (8.1) значение образцовой частоты нужно умно-
жать на обратное отношение Пъ!пт.
Синусоидальная развертка применяется до кратности частот,
меньшей 10, так как большее число пересечений трудно сосчи-
тать. Верхний предел измеряемой частоты определяется полосой
пропускания усилителей в каналах осциллографа. Напряжения
сравниваемых частот 10 В и больше можно подавать непосред-
ственно на пластины ЭЛТ, минуя усилители. При этом верхний
предел измерения частоты достигает 100 МГц и больше.
Погрешность измерения определяется погрешностью установки
образцовой частоты и нестабильностью обеих частот. Чем больше
нестабильность любой из них, тем быстрее вращается фигура
Лиссажу и труднее определить кратность частот.
При круговой развертке напряжение образцовой час-
тоты через фазорасщепитель подают на оба входа осциллографа.
На экране осциллографа появляется линия развертки в виде ок-
ружности, которая вращается с частотой, равной образцовой, т. е.
время одного оборота равно длительности периода. Напряжение
неизвестной частоты подают на модулятор ЭЛТ, и оно изменяет
яркость линии развертки 1 раз в течение периода измеряемой
частоты.
Если частоты fx=f0, то половина окружности будет светлой,
а половина — темной (рис. 8.2). Если же fx>f0, то окружность
становится состоящей из штрихов, число которых п (светлых и
темных) равно кратности неизвестной и образцовой частот: п =
= fxlfo, откуда fx = nf0.
Если частоты не кратны, то осциллограмма вращается и из-
мерение затруднено. Круговая развертка позволяет измерять час-
тоты с кратностью значительно большей, чем при синусоидальной
развертке, так как штрихи считать удобнее, чем пересечения. При
этом можно измерить частоту и ниже образцовой, для чего нап-
ряжение измеряемой частоты через фазорасщепитель подают на
оба входа осциллографа и получают линию развертки в виде ок-
ружности, а напряжение образцовой частоты подают на модуля-
тор трубки. При неподвижной осциллограмме fx—fo/n-
Погрешность измерения и пределы измеряемых частот опреде-
ляются так же, как и при синусоидальной развертке.
208
Способ нулевых биений применяют для измерения высоких
частот. Два напряжения: U\ = cos coj/ и w2=(72cos<02iI— подают
на нелинейный элемент — смеситель. На выходе смесителя появ-
ляется напряжение многих частот: nfb mf2— гармонические со-
ставляющие и nfi±mf2 — комбинационные составляющие. В чис-
ле комбинационных частот имеется разность частот первых гар-
моник, которая называется частотой биений Д=|Д—Д|. Если час-
тоты и \f2 равны друг другу, то частота биений равна нулю, по-
этому способ измерения двух частот с помощью биений называют
способом нулевых биений.
Схема измерения частоты способом нулевых биений представ-
лена на рис. 8.3,а. Напряжения образцовой f0 и измеряемой Д
частот подают на вход смесителя. На его выходе включают инди-
катор частоты биений, в качестве которого можно использовать
головной телефон. Если плавно изменять образцовую частоту, то
при частоте биений ниже 20 кГц (Д=|Д—fo| <20 кГц) в телефо-
не будет слышен тон разностной частоты, понижающийся по мере
приближения частоты f0 к измеряемой частоте Д. На рис. 8.3,6
показано изменение частоты биений Д в зависимости от измене-
ния частоты f0 при неизменной измеряемой частоте Д. В точке а
частота биений равна нулю и значение измеряемой частоты сов-
падает со значением образцовой. Однако определить момент, ког-
да Д=Д, по отсутствию тона в телефоне нельзя, поскольку чело-
веческое ухо не реагирует на частоты ниже 16 кГц. Появляется
зона «нулевых биений», приводящая к абсолютной погрешности
до 32 Гц.
Для уменьшения этой погрешности можно воспользоваться не-
сколькими путями. Просто и быстро можно использовать вилоч-
ный отсчет, который заключается в следующем. Устанавливают
некоторую частоту fi0, при которой слышен удобный для запоми-
нания тон биений, например в точке 1 (рис. 8.3,6). Затем, перейдя
зону нулевых биений, устанавливают образцовую частоту на зна-
чение До, при котором появляется прежний тон биений (точка 2).
Очевидно, что среднее арифметическое двух значений образцовой
частоты слева и справа от нулевых биений равно измеряемой час-
тоте: Д=(До + До)/2. Дополнительная погрешность, возникающая
при вилочном отсчете за счет неточности определения равенства
Рис. 8.3
209
частоты биений, невелика и тем меньше, чем лучше музыкальный
слух у оператора, выполняющего измерения.
Второй путь уменьшения погрешности заключается в замене
телефона магнитоэлектрическим миллиамперметром, т. е. в заме-
не слухового индикатора визуальным. При частоте биений, мень-
шей 10 Гц, стрелка прибора колеблется с частотой биений и при
fx=Fo останавливается на нуле. Хорошие результаты можно по-
лучить, применив для визуального наблюдения нулевых биений
осциллограф или электронно-оптический индикатор.
Следует иметь в виду, что если напряжения образцовой и из-
меряемой частот содержат гармоники, то нулевые биения полу-
чаются при условии выполнения равенства nfx=mf0. Это явление
создает неопределенность, для устранения которой ролезно знать
приблизительное значение fx. Известно, что интенсивность гармо-
ник падает с увеличением их номеров, поэтому самая большая
громкость биений получается на основных частотах и быстро
уменьшается на высших гармониках.
Гетеродинные частотомеры работают по принципу нулевых
биений. Измеряемая частота сравнивается с частотой калиброван-
ного генератора, а нулевые биения фиксируются телефоном или
другим индикатором. Измеряемая частота определяется по шкале
генератора или по соответствующим таблицам.
На рис. 8.4 представлена структурная схема простейшего ге-
теродинного частотомера. Генератор с плавной настройкой изго-
товляется из высококачественных деталей, питание его стабили-
зировано, и поэтому его выходное напряжение в пределах каждо-
го поддиапазона имеет макую нестабильность частоты. Генератор
настраивается конденсатором переменной емкости Сн, в котором
пластины выполнены таким образом, что обеспечивается линей-
ная зависимость изменения частоты от изменения положения ро-
тора конденсатора. Это позволяет интерполировать отсчеты меж-
ду делениями шкалы настройки.
Главным источником погрешности измерения частоты гетеро-
динным частотомером является нарушение градуировки шкалы
конденсатора Сн. Для восстановления градуировки в гетеродинном
частотомере имеется источник опорной (образцовой) частоты —
генератор с кварцевой стабилизацией. По этой частоте перед каж-
Рис. 8.4
210
дым измерением шкала настройки проверяется и с помощью под-
строечного конденсатора Ск калибруется. Для калибровки напря-
жение генератора с кварцевой стабилизацией через ключ К и нап-
ряжение генератора с плавной настройкой подают на смеситель;
шкала настройки при этом устанавливается на определенное зна-
чение, соответствующее опорной частоте fKB. Если на выходе уси-
лителя низкой частоты УНЧ слышны биения, нужно их свести к
нулю с помощью конденсатора Ск.
Для расширения диапазона измеряемых частот используются
высшие гармоники генератора с плавной настройкой, а для ка-
либровки — высшие гармоники обоих генераторов. В результате
при настройке генератора с плавной настройкой появляется много
нулевых биений, что затрудняет отсчет измеренной частоты. Для
устранения такой неопределенности гетеродинные частотомеры
снабжаются градуировочными таблицами или графиками. Шкала
настройки частотомера обычно выполнена двух- или трехступен-
чатой с большим замедлением, что позволяет получить большое
число отсчетных точек.
Методика измерения частоты зависит от структурной схемы
данного гетеродинного частотомера и приводится в его описании.
Точность измерения частоты высокая. Источники погрешности:
погрешность значений частоты генератора с кварцевой стабили-
зацией; нестабильность этой опорной частоты; нестабильность час-
тоты генератора с плавной настройкой; погрешность градуировки
его шкалы. Промышленность выпускает гетеродинные частотомеры
трех классов точности, с пределами допускаемых погрешностей:
5-10-4, 5-10~5 и 5-10“6. Погрешность опорных частот у каждого
частотомера на порядок меньше. С помощью набора гетеродин-
ных частотомеров можно перекрыть диапазон измеряемых частот
от 125 кГц до 78,3 ГГц. Процесс измерения частоты гетеродинны-
ми частотомерами довольно длительный; он требует квалифика-
ции и внимания оператора.
Резонансный метод. Резонансный метод измерения частоты ос
нован на явлении электрического резонанса, возникающего в ко
лебательном контуре. Метод применяется на высоких и сверхвы
соких частотах. Структурная схе-
ма измерения частоты приведена
на рис. 8.5. Источник напряжения
измеряемой частоты fx связывает-
ся с резонансным частотомером.
Последний представляет собой
высококачественный измеритель-
ный контур с точным градуиро-
ванным механизмом настройки и
индикатор резонанса. Для изме-
рения частоты нужно контур на-
строить в резонанс с fx по макси-
мальному отклонению указателя
Рис. 8.5
211
индикатора и произвести отсчет частоты по шкале механизма на-
стройки или по таблице (графику).
Конструкция измерительного контура зависит от диапазона
частот: на частотах 50 кГц...200 МГц применяют контуры с сосре-
доточенными параметрами, из катушек индуктивности и конден-
сатора переменной емкости, на более высоких частотах контуры
с распределенными параметрами, т. е. отрезки коаксиальных ли-
ний или объемные резонаторы. Резонансный метод измерения час-
тоты широко применялся с самого начала возникновения радио-
техники, однако ему присущи существенные недостатки и он вы-
тесняется методом дискретного счета. К недостаткам резонансного
метода относятся: необходимость подбора связи источника изме-
ряемой частоты и частотомера; тщательность настройки и значи-
тельная погрешность, составляющая 0,05...0,5%. Погрешность из-
мерения частоты резонансным методом зависит от добротности
измерительного контура частотомера, от чувствительности инди-
катора, точности градуировки шкалы механизма настройки изме-
рительного контура и отсчета по ней, температуры и влажности
окружающего воздуха, от степени связи частотомера с источни-
ком измеряемой частоты.
Основными характеристиками резонансных частотомеров явля-
ются: диапазон измеряемых частот, погрешность измерения и чув-
ствительность. Чувствительностью частотомера называется мини-
мальная поглощаемая им мощность, необходимая для уверенного
отсчета момента резонанса.
Резонансные частотомеры преимущественно применяют для из-
мерения сверхвысоких частот в виде встроенных узлов измери-
тельных генераторов СВЧ или отдельных переносных приборов.
Связь частотомера с источником измеряемой частоты осущест-
вляется через небольшую штыревую или рупорную антенну или
через элементы связи в виде петли, зонда, щели и отверстия.
Для уменьшения связи перед частотомером часто включают атте-
нюатор с ослаблением обычно 10 дБ. Иногда частотомер вклю-
чают через направленный ответвитель.
В качестве индикатора резонанса применяют детектор (точеч-
ный германиевый или кремниевый диод) и магнитоэлектрический
микроамперметр. Для повышения чувствительности применяют
усилители постоянного тока, а при импульсной модуляции сигнала
СВЧ после детектора включают интегрирующий каскад, расши-
ряющий импульсы, усилитель низкой частоты и детекторный вольт-
метр или осциллограф.
Резонансные частотомеры СВЧ по способу включения в изме-
ряемую цепь разделяются на проходные и поглощающие. Коле-
бательный контур проходного частотомера снабжен двумя элемен-
тами связи: входным для связи с электромагнитным полем в ли-
нии передачи энергии и выходным для связи с индикатором. Мо-
мент настройки в резонанс определяют по максимальному пока-
занию индикатора (рис. 8.6,а); если частотомер не настроен в
резонанс, показаний нет.
212
Рис. 8.6
Поглощающий частотомер имеет только один элемент связи—-
входной, а индикатор, как и частотомер, включен в линию пере-
дачи. Пока контур частотомера не настроен в резонанс с частотой
проходящего по линии электромагнитного поля, показания инди-
катора максимальны; при настройке часть энергии поля погло-
щается и показания индикатора уменьшаются (рис. 8.6,6). Такой
вариант включения частотомера предпочтительнее, так как позво-
ляет непрерывно наблюдать за его работой.
8.2. ЦИФРОВЫЕ ЧАСТОТОМЕРЫ
И ИЗМЕРИТЕЛИ ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ
Для измерения частоты fx периодического сигнала достаточно
сосчитать число N его периодов за известный интервал времени
Д/о. Результат измерения определяется отношением /х=М/Д/о.
С другой стороны, при измерении неизвестного интервала вре-
мени ДЦ достаточно подсчитать число периодов То сигнала извест-
ной частоты fo за измеряемый интервал ДЦ. Результат измерения
представляется выражением Дг‘х=М//о = МТ0. Период сигнала из-
вестной частоты То определяет в данном методе, по сути дела,
цену деления «электронной линейки», с помощью которой изме-
ряют неизвестный временной интервал. Указанные методы прямо-
го счета лежат в основе большинства известных цифровых мето-
дов измерения частотно-временных параметров электрических сиг-
налов. Так как частота и период сигнала связаны между собой, то-
213
-очевидно, что каждая из этих величин может быть определена
косвенным методом по результату измерения другой.
Цифровые частотомеры, основанные на методе прямого счета.
Рассмотрим упрощенную структурную схему цифрового (элект-
ронно-счетного) частотомера в режиме измерения частоты (рис.
8.7,о). Исследуемый сигнал цвх поступает на входное устройство,
где осуществляется необходимое усиление (или наоборот, ослаб-
ление) и фильтрация сигнала. Формирующее устройство преобра-
зует исследуемый сигнал в последовательность импульсов цфу ,
частота которых равна частоте исследуемого сигнала. Селектор
представляет собой управляемый электронный ключ, который про-
пускает на электронный счетчик сформированные импульсы не-
известной частоты только при наличии на управляющем входе
•стробирующего импульса цуу, длительность которого определяет
время измерения А/о. Стробирующий импульс вырабатывает уст-
ройство управления с помощью делителей частоты из сигнала
опорного высокостабильного генератора, и его длительность выби-
рается кратной 10ft с, где k — целое число. Число импульсов N,
отсчитанное электронным счетчиком на выходе селектора и фик-
•сируемое цифровым отсчетным устройством (ЦОУ), пропорцио-
нально частоте входного сигнала. Так как А/о= 10ft с, частота fx=
=AM0_ft Гц. Значение множителя 10_ft учитывается положением
десятичной запятой на ЦОУ с указанием размерности получаемо-
го результата (Гц, кГц).
На основе приведенных диаграмм (рис. 8.7,6) нетрудно выде-
лить две основные составляющие погрешности измерения частоты
методом прямого счета и оценить их значение. Во-первых, это
погрешность б0 формирования образцового интервала времени
Д/о, в течение которого пропускает импульсы временной селектор.
Эта погрешность в основном определяется неточностью начальной
установки и нестабильностью частоты опорного кварцевого гене-
ратора. Обычно в ЦЧ используют термостатированные кварцевые
генераторы с /о = О,1 ... 1 МГц, максимальная относительная пог-
решность частоты которых составляет 10~7... 10-9. Это достаточно
малая величина, которой во многих практических случаях можно
пренебречь по сравнению со второй составляющей — погреш-
ностью дискретности. Действительно, зафиксировать изменение
частоты с помощью счетчика можно только в том случае, если
это приведет к появлению (или пропаданию) хотя бы одного им-
пульса-. Если учесть также, что исследуемый сигнал и стробирую-
щий импульс по времени между собой не связаны, возможная пог-
решность подсчета импульсов составит ±'1 импульс. В результате
для максимальной относительной погрешности дискретности при
измерении частоты получаем’ выражение бд= ± 1/Л7 = ± 1/ДА/о.
'Погрешность дискретности можно уменьшить, если момент нача-
ла измерения, т. е. появления стробирующего импульса, синхрони-
зовать с исследуемым сигналом. Погрешность дискретности при
этом всегда положительна: бд=1/ДА/0.
Как видно из приведенных формул, погрешность дискретности
314
уменьшается с увеличением измеряе-
мой частоты fx и времени измерения '
Д/о. При задании любых двух из этих
Sx
WWWVWb
t
величин можно вычислить третью.
Расширение частотного диапазона ^фя!
в сторону высоких частот ограничено । । । । । । 1 । I I
быстродействием элементной базы, в .
частности элементов схемы временного I—I —1
селектора и счетчика. Поэтому при из-
мерении высоких частот целесообразно ,—J । 1 II । -Ц-
предварительно разделить частоту
входного сигнала в определенное число V
раз и далее использовать относительно Рис 8 7
недорогие селекторы среднего быстро-
действия, умножая результат на коэффициент предварительного*
деления. Важно помнить, что при измерении высоких частот от-
носительное значение погрешности дискретности снижается и ста-
новится сравнимым с погрешностью опорного генератора б0. По-
этому здесь необходимо применять кварцевые генераторы чрезвы-
чайно высокой стабильности. Для работы на еще более высоких
частотах (1 ГГц и выше) используют гетеродинное преобразова-
ние частоты и измеряют цифровым способом разность частот ис-
следуемого сигнала и сигнала перестраиваемого высокочастотно-
го гетеродина.
С уменьшением измеряемой частоты относительное значение-
погрешности дискретности увеличивается. В некоторых пределах,
это увеличение можно скомпенсировать увеличением времени из-
мерения. Однако при этом уменьшается быстродействие и может
возрасти методическая погрешность, связанная с возможным изме-
нением частоты исследуемого сигнала в процессе измерения, так как
рассмотренный методом измеряется среднее, значение частоты сиг-
нала за время измерения Л/о. Птоэтому при измерении достаточно
низких частот применение метода прямого счета периодов неиз-
вестной частоты неэффективно и нецелесообразно. В этом случае
определять частоту следует косвенным методом, измеряя длитель-
ность одного или известного числа периодов исследуемого сигна-
ла. Такие измерения являются частным случаем рассматриваемых^
далее методов измерения временных интервалов.
215.
a)
Рис. 8.8
• "M
1 |||||1111111ПЦ11111Ш1-----
НХ’Тх/Тъ
В)
Цифровые измерители временных
интервалов, основанные на методе
прямого счета. Цифровые измерите-
ли временных интервалов (ЦИВИ)
предназначены для измерения пе-
риода синусоидальных колебаний,
периода следования импульсов, вре-
менных интервалов, заданных им-
пульсами начала («старт») и конца
(«стоп»), интервалов, заданных в
виде импульса определенной дли-
тельности. Структурная схема
ЦИВИ, основанного на методе пря-
мого счета (рис. 8.8,а), во многом
похожа на схему рассмотренного
цифрового частотомера. Обычно цифровые частотомеры могут ра-
ботать в режиме измерения, как частоты, и временного интервала.
Исследуемый сигнал цвх, период или длительность которого необ-
ходимо измерить, поступает на формирующее устройство. Задача
формирующего устройства и устройства управления — сформиро-
вать из исследуемого сигнала импульс wyy с крутыми фронтами,
длительность которого определяет время открытого состояния вре-
менного селектора. В это время через селектор на электронный
счетчик проходят импульсы цог, называемые иногда метками вре-
мени, период которых задается высокостабильным опорным гене-
ратором. Относительная нестабильность частоты этого генератора
So непосредственно определяет одну из составляющих погрешности
измерения временного интервала. Поэтому так же, как и в циф-
ровых частотомерах, в качестве опорных используют термостати-
рованные кварцевые генераторы.
Минимально возможное значение периода меток времени Тв оп-
ределяет абсолютную погрешность дискретности прибора при из-
мерении однократных временных интервалов. Для уменьшения
периода То частоту опорного генератора с помощью умножителя
частоты умножают в несколько раз. Соответствующая максималь-
ная относительная погрешность дискретности будет определяться
выражением 6Д= ± 1/N= ±ТО/ЫХ. Обычно для распространенных
ЦИВИ /о= Ю МГц и То= 100 нс. Как и при измерении частоты,
216
погрешность дискретности можно уменьшить, синхронизируя мет-
ки времени с началом измеряемого интервала, тогда 8Л=ТО/^ТХ.
Поскольку в этом случае погрешность дискретности всегда поло-
жительна, ее максимальное значение можно уменьшить в два ра-
за путем сдвига меток времени на половину периода То относи-
тельно начала измеряемого интервала, тогда 6Д = ±ТО/2МХ. При
измерении достаточно больших интервалов времени относительная
погрешность дискретности может быть очень малой и сравнимой
с погрешностью из-за нестабильности частоты опорного генерато-
ра. Вот.почему при измерении частоты следования низкочастотных
сигналов целесообразно использовать режим измерения не часто-
ты, а периода.
Наконец, третья и самая существенная составляющая погреш-
ности рассматриваемого ЦИВИ возникает при формировании из
входного сигнала импульса, определяющего измеряемый интервал
\tx. В формирователях обычно используют пороговые устройства
типа триггера Шмитта, имеющие определенную нестабильность
порога срабатывания. Кроме того, в измеряемом сигнале могут
присутствовать флуктуационный шум и помехи другого характера.
Все это вызовет случайные изменения длительности формируемо-
го импульса и соответственно погрешность измерения б3, назы-
ваемую погрешностью уровня запуска. Значение этой погрешнос-
ти зависит, естественно, от формы анализируемого сигнала ывх(0,
в первую очередь от крутизны его изменения S=du^(t)ldt в зоне
срабатывания формирующего устройства. Максимальный разброс
времени срабатывания формирующего порогового устройства из-за
наличия во входном сигнале шума с размахом будет прибли-
женно определяться выражением At^UmlS.
Очевидно, что при измерении периода и длительности импуль-
сов с крутыми фронтами погрешность уровня запуска не будет
существенно проявляться. Поэтому для импульсной формы вход-
ного сигнала с длительностью фронта не более половины периода
меток времени при нормировании результирующей (суммарной)-
погрешности ЦИВИ учитывают только погрешности опорного ге-
нератора и дискретности: 6= ± V б2о + 62д. При длительности
фронтов исследуемого сигнала более половины’ периода меток
времени погрешность ЦИВИ, обусловленная нестабильностью
уровня запуска, б3^ (А/ф+Д/с)/А£к, где Д/ф и Л1С — длительности
фронта и среза импульсов, определяющих начало и конец счета.
При синусоидальном сигнале с амплитудой Uc относительная
погрешность уровня запуска б3= ±Д//Д/Х= ±Цш/лЦс, а результи-
рующая погрешность определения периода будет:
б= ± ^б2о + б2д + 62з-
Если измеряемый интервал времени связан с повторяющимися
сигналами, то погрешности дискретности и уровня запуска можно
существенно уменьшить при измерении периода методом усредне-
ния, при котором исследуемый периодический сигнал после вход-
ного формирующего устройства подается на цепочку декадных де-
217
лителей, понижающих частоту его повторения n=10ft раз, где ве-
личина k обычно выбирается в пределах от 1 до 5. Затем этот
сигнал подается на селектор, и электронный счетчик регистриру-
ет число эталонных меток времени, приходящихся на п периодов
исследуемого сигнала. Для того чтобы показания цифрового ин-
дикатора соответствовали измеряемому периоду, используется пе-
ренос запятой ЦОУ на k порядков влево — так осуществляется
деление результата счета в 10ft раз. Относительная погрешность
измерения периода синусоидального сигнала при усреднении бу-
дет определяться выражением 6=± ]/ё20+ (6д/п)2+ (63/н)2.
Метод усреднения можно применить и для повышения точнос-
ти измерения достаточно малых повторяющихся (не обязательно
периодических) интервалов времени, сравнимых по длительности
с периодом эталонных меток времени. При этом на входы селек-
тора, как и при обычном методе прямого счета, подаются иссле-
дуемый сигнал и эталонные импульсы, но счетчик работает в ре-
жиме суммирования числа эталонных импульсов за некоторое,
наперед заданное с помощью соответствующей пересчетной схемы
число п измеряемых интервалов времени. Обычно n=,10fe при k =
= 1... 5. Например, при регистрации повторяющегося интервала
времени, равного 125 нс, прибор с 7’о=ЮО нс за 10 000 измерений
в 2500 случаях регистрирует в среднем по два эталонных импуль-
са и в 7500 случаях — по одному импульсу. Всего счетчик заре-
гистрирует 12 500 импульсов, что в среднем соответствует интер-
валу времени 125 нс. Следует обратить внимание на то, что вре-
мя измерения при этом в 104 раз превышает период измеряемого
сигнала. Относительная погрешность измерения длительности ко-
ротких повторяющихся импульсов при использовании метода ус-
реднения будет определяться выражением 6 = ±]^b2o + T2a/nAt2x,
где п — число усредняемых временных интервалов за время сче-
та. Важно помнить, что метод усреднения применим, если сигна-
лы повторяются и частота повторения не синхронизирована с час-
тотой опорного генератора. Существуют приборы, в которых метод
усреднения позволяет снизить погрешность дискретности со 100 нс
при измерении однократных интервалов до 10 пс при измерении
периодических временных интервалов.
Цифровые измерители временных интервалов с нониусным пре-
образованием. При измерении коротких однократных интервалов
времени приборами, основанными на методе прямого счета, опре-
деляющей становится погрешность дискретности, обусловленная
конечным быстродействием используемой элементной базы. Циф-
ровые измерители с . нониусным преобразованием временного ин-
тервала (рис. 8.9,а) позволяют реализовать большую точность
при использовании счетчиков ограниченного быстродействия. Фор-
мирующее устройство из входного сигнала иВх, длительность ко-
торого необходимо измерить, вырабатывает стартовый «старт и сто-
ловый «стоп сигналы. Стартовый импульс запускает опорный гене-
ратор 1 с периодом повторения 1\, импульсы которого поступают
218
Рис. 8.9
на счетчик 1. Для того чтобы можно бы-
ло измерять интервалы времени с по- L____________f I----
грешностью дискретности меньшей, чем ' U____________$
период опорного генератора 1, в схему ‘*'cr?p'Ti ’ । I
введен еще один опорный генератор 2 с . —J----------------1----*
периодом Т2, запускаемый импульсо-и СТ011 ‘ ______________|
«стоп- Период повторения импульсов aor1i iii|i|iiiiiiiil|iiii
«Ог2 несколько меньше периода повторе- — llllllllllllilllll. -
ния импульсов Поп и разность АТ = . aor2| |Hiii *
— Т\—Т2 определяет, по сути дела, шаг
квантования и соответственно погреш-
ность дискретизации нониусного преобра-
зования. С каждым периодом импульсы
генераторов будут приближаться друг к
другу по времени (рис. 8.9,6), пока не
совпадут. Этот момент регистрируется схемой совпадения, выра-
батывающей сигнал Исс, который прекращает работу генераторов.
Арифметическое устройство должно объединить показания Nt
счетчика 1 и Nz счетчика 2 по следующему алгоритму; Д/х=
= (АА-1) 7\— (Мг-4) Т2= Tt (Л\-М>) + AT (Nz— 1).
Первое слагаемое в этом выражении представляет «целую
часть» измеряемого интервала, определенную подсчетом числа пе-
риодов стартового генератора 1. Второе слагаемое определяет
длительность «неучтенного» интервала времени между тем им-
пульсом генератора 1, который еще находится в пределах изме-
ряемого временного интервала, и стоповым импульсом. С выхода
арифметического устройства код результата поступает на цифро-
вое отсчетное устройство ЦОУ.
Применение в рассматриваемом ЦИВИ управляемого старто-
вого опорного генератора позволяет синхронизировать опорные
импульсы с началом измеряемого интервала и измерять нониус-
ным способом только один «неучтенный» интервал. Однако управ-
ляемые генераторы нониусных преобразователей заметно уступают
по стабильности генераторам с непрерывным режимом работы,
которые можно стабилизировать кварцевыми резонаторами. По-
этому число уровней квантования TJAT в ЦИВИ с нониусным пре-
21»
и-
старт
t
^сс i
t!
Для точного измерения больших ин-
тервалов времени применяют ЦИВИ с.
двумя нониусными преобразователями,
в которых основной опорный генератор
работает в непрерывном режиме. В та-
1)
Рис. 8.10
ких ЦИВИ «целую» часть измеряемого временного интервала оп-
ределяют методом прямого счета импульсов высокостабильного
непрерывно работающего опорного генератора. Один нониусный
преобразователь измеряет «неучтенный» интервал времени до
первого после начала измерений импульса опорного генератора,
другой измеряет второй «неучтенный» интервал. Арифметическое
устройство объединяет показания трех счетчиков и выдает код ре-
зультата на ЦОУ. Схема такого ЦИВИ получается достаточно
сложной.
Цифровые измерители временных интервалов с линией задерж-
ки. Еще один тип ЦИВИ, позволяющий получить достаточно высо-
кое временное разрешение при использовании счетчиков ограни-
ченного быстродействия — это измерители, использующие калиб-
рованную линию задержки (рис. 8.10,6). Формирующее устройст-
во вырабатывает стартовый иСТарт и столовый нстоп импульсы, по-
ступающие на управляемый опорный генератор с линией задерж-
ки в цепи обратной связи.
220
Линия задержки определяет период повторения импульсов ге-
нератора, а управляющие сигналы с формирующего устройства —
число импульсов в серии. Счетчик фиксирует в двоичном коде
длительность измеряемого интервала с погрешностью дискретнос-
ти, равной периоду опорного генератора. Интервал времени меж-
ду последним импульсом серии и стоповым импульсом определя-
ется уже с большой точностью с помощью схем совпадений, под-
ключенных к отводам линии задержки. Число отводов и схем
совпадений зависит от требуемого числа уровней . квантования.
Например, для получения восьми уровней при шаге квантования
10 нс необходимо использовать линию задержки на 80 нс с во-
семью отводами и восемь схем совпадений. По сигналам исс ло-
гическое устройство вырабатывает код номера последней из сра-
ботавших схем совпадений (обычно из-за конечной ширины им-
пульсов срабатывает несколько схем совпадений). Арифметическое
устройство объединяет коды на выходах счетчика и логического
устройства и выдает результат на ЦОУ.
К достоинствам ЦИВИ с линией задержки следует отнести
стабильность шага квантования, определяемую стабильностью па-
раметров линии задержки, и возможность обеспечения высокого
временного разрешения. Известны ЦИВИ такого типа с шагом
квантования 5 пс. Из недостатков можно указать на малое число
уровней квантования (по конструктивным соображениям трудно
выполнить калиброванную линию задержки с большим числом
отводов).
8.3. ИЗМЕРЕНИЕ ФАЗОВОГО СДВИГА
Фазовым сдвигом ф называется модуль разности аргументов
двух гармонических сигналов одинаковой частоты: щ= Ui sin (at+
+ ф1) и и2= £72 sin (со£ + фг), т. е. разности начальных фаз ф1—фг
(рис. 8.11,а).
Фазовый сдвиг является постоянной величиной и не зависит
от момента отсчета. Обозначим через АГ интервал времени меж-
ду моментами, когда сигналы находятся в одинаковых фазах,
например при переходах через нуль от отрицательных к положи-
тельным значениям. Тогда фазовый сдвиг ф = о>Д7’=2лД7’/7’, или
Ф = 360ДТ/Т, ' (8.2)
где Т — период гармонических сигналов.
Фазовый сдвиг появляется, когда электрический сигнал прохо-
дит через цепь, в которой он задерживается. Колебательные кон-
туры, фильтры, фазовращатели и другие четырехполюсники вно-
сят фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением <р —
= (оС, где t3 — длительность задержки в секундах. Усилительный
каскад обычного типа вносит фазовый сдвиг, равный л. Многие
радиотехнические устройства — радиолокационные, радионавига-
ционные, телевизионные, широкополосные усилители всех назна-
чений, фильтры — характеризуются наряду с другими парамет-
рами фазочастотной характеристикой ф(со), т. е. зависимостью
221
фазового сдвига от часто-
ты. Фазовая модуляция и
манипуляция широко при-
меняются в аппаратуре
телеметрии и связи; изме-
рение фазового сдвига в
этих устройствах являет-
ся определяющим как при
настройке, так и в эксплу-
атации.
Если напряжения с одинаковыми частотами имеют несинусои-
дальную форму, то фазовый сдвиг рассматривается между их пер-
выми гармониками; при измерении напряжение высших гармоник
отфильтровывается с помощью фильтров нижних частот. Можно
такие напряжения характеризовать временным сдвигом АТ (рис.
8.11,6).
Для измерения фазового сдвига наиболее широко применяют
следующие методы: осциллографический, компенсационный и ме-
тод дискретного счета.
Осциллографический метод можно реализовать способами ли-
нейной, синусоидальной и круговой разверток. Ограничимся рас-
смотрением первых двух как наиболее распространенных.
Способ линейной развертки осуществляется двух-
лучевым или двухканальным осциллографом, в каналы вертикаль-
ного отклонения которого подают напряжения ui = lh sin (at + <p±)
и u2= ZTa sin (co£Н-фа); генератор развертки осциллографа включен.
После уравнивания обоих напряжений осциллограмма будет иметь
вид, представленный на рис. 8.12. Фазовый сдвиг вычисляют по
формуле (8.2), подставляя измеренные длины отрезков I и Д/, со-
ответствующие Т и АТ.
Способ синусоидальной развертки реализуют
однолучевым осциллографом. В канал вертикального отклонения
подается напряжение иу = Uy sin (ей+ц>), а в канал горизонталь-
ного ux=Uxsin at-, генератор развертки выключен. На экране ос-
циллографа появляется осциллограмма в виде эллипса (рис.
8.13), уравнение которого имеет вид
у = (В/А) (х cos <р + ~\А А2—х2 sin ф),
где В и А — максимальные отклонения по вертикали и горизон-
тали соответственно.
Положив х=0, получим вертикальный отрезок (/о=В5Шф; по-
ложив у = 0, получим горизонтальный отрезок хо=Дзшф. Отсюда
sin<p=±y0/B=±x0/A. Перед измерением удобно уравнять макси-
мальные отклонения по вертикали и по горизонтали (А = В), тог-
да уо = хо. Для вычисления фазового сдвига измеряют по осцил-
лограмме отсекаемые на координатных осях отрезки 2х0 или 2у0
и сторону прямоугольника 2А или 2В, в который вписан эллипс:
Ф = ± arcsin (2 у0/2 В) = ± arcsin (2 х0/2 Д). (8.3)
222
Рис. 8.12
Способ синусоидальной развертки не позволяет определить фа-
зовый сдвиг однозначно. Когда оси эллипса совпадают с осями
координат, фазовый сдвиг <р равен 90 или 270°. Если большая ось
эллипса располагается в первом и третьем квадрантах, то фазо-
вый сдвиг 0<<р<90° или 270° <С<р <С 360°; если во втором и чет-
вертом, то 90°<<р< 180° или 180°<<р<270о. Для устранения не-
однозначности нужно ввести дополнительный сдвиг 90° и по из-
менению вида осциллограммы легко определить действительный
фазовый сдвиг.' Например, получили <р, равный 30 или- 330°. Вве-
ли дополнительно +90°. Если осциллограмма осталась в прежних
квадрантах, то <р=330°; если переместилась во второй и четвер-
тый, то <р = 30°.
Осциллографический метод не требует никаких дополнитель-
ных приборов и прост по идее. Однако он является косвенным,
требует линейных измерений и вычислений, что приводит к зна-
чительным погрешностям. Общая погрешность складывается из
случайных погрешностей: измерения длин отрезков, совмещения
следа луча с линиями масштабной сетки и конечного значения
диаметра светового пятна на экране осциллографа; и системати-
ческих: инструментальной и методической. Инструментальная пог-
решность возникает за счет наличия собственных фазовых сдви-
гов в каналах осциллографа. Методическая погрешность связана
с наличием гармоник в исследуемых напряжениях.
Погрешность измерения отрезков I можно уменьшить тща-
тельной фокусировкой луча при малой яркости и применением ос-
циллографа с ЭЛТ, в которой масштабная сетка нанесена на
внутреннюю поверхность экрана. Фазовый сдвиг в каналах осцил-
лографа легко обнаружить, подав одно и то же напряжение на
оба входа осциллографа. При отсутствии фазового сдвига на эк-
ране появится прямая линия. Если появляется эллипс, то нужно
измерить значение фазового сдвига по формуле (8.3) и внести в
результат измерения соответствующую поправку. Если поправку
точно определить не удается, то погрешность можно исключить
методом компенсации. Для этого нужно выполнить два измерения:
223
первое — как обычно, а второе — подав исследуемые напряжения
на противоположные входы осциллографа. В результате первого
измерения получим ф1=ф + Аф, где Аф — неизвестный фазовый
сдвиг в каналах осциллографа. В результате второго фг= (360°—
—ф)+Аф. Из разности фг—ф1 = 360°—2ф находим искомый фазо-
вый сдвиг ф=180°—[ (ф2—ф1)/2].
Компенсационный метод с осциллографической инди-
кацией реализуется измерительной установкой (рис. 8.14), состоя-
щей из однолучевого осциллографа, образцового ф0 и вспомога-
тельного фв фазовращателей. Сначала в установке устраняют соб-
ственный фазовый сдвиг. Для этого замыкают ключ К и напря-
жение И1 подают на оба входа осциллографа. Указатель шкалы
образцового фазовращателя устанавливают на нуль, а вспомога-
тельный регулируют до получения на экране осциллографа пря-
мой линии. При этом вспомогательным фазовращателем компен-
сируется собственный фазовый сдвиг измерительной установки.
Для лучшей компенсации усиление обоих каналов осциллографа
устанавливают на максимум. Осциллограмма при этом выходит
за пределы экрана, но это не существенно. Затем размыкают ключ
и подают напряжение щ в канал У и и2 — в канал X; на экране
появляется эллипс или его центральная часть в виде двух парал-
лельных линий. Регулируя образцовый фазовращатель, добива-
ются слияния этих линий в одну прямую, т. е. общего нулевого
фазового сдвига.
Значение фазового сдвига между напряжениями щ и и.2 по по-
казанию шкалы образцового фазовращателя определяется сле-
дующим образом. Если напряжение щ опережает по фазе нап-
ряжение иг, то показание по шкале образцового фазовращателя
равно фазовому сдвигу: ф = фо- Если напряжение щ отстает, то
Ф = 360°—фо.
Погрешность измерения определяется в основном погреш-
ностью градуировки шкалы образцового фазовращателя.
На СВЧ компенсационный метод реализуется способом корот-
кого замыкания. Собирают измерительную установку, состоящую
из генератора, развязывающего аттенюатора и фазовращателя ф,
выход которого замыкают накоротко (рис. 8.15,а). Когда генера-
тор включен, в тракте устанавливается стоячая волна. В произ-
вольном сечении фазовращателя помещают зонд, соединенный с
диодом и индикатором.
224
волновод
Замыкатдль.
Рис. 8.15
Регулируя фазовращатель, добиваются нулевого показания ин-
дикатора, т. е. совмещают узел напряжения и плоскость сечения,
где расположен зонд, снимают отсчет по шкале фазовращателя
Фь Затем вместо короткозамыкателя к выходу фазовращателя
присоединяют испытуемое устройство (отрезок волновода, транс-
форматор, фильтр, переходное устройство и др.)> также замкнутое
накоротко (рис. 8.15,6). Узел напряжения смещается; регулируя
фазовращатель, возвращают узел на прежнее место, что фикси-
руется по нулевому показанию микроамперметра, и снимают вто-
рой отсчет по шкале фазовращателя фг. Фазовый сдвиг, вноси-
мый исследуемым устройством ф, равен половине разности этих
показаний; ф=(ф1—фг)/2. Для уменьшения погрешности тракт
должен быть согласованным, а индикатор чувствительным. В ка-
честве индикатора можно применять селективный вольтметр, а ге-
нератор модулировать низкочастотным напряжением. Частоты
модуляции и настройки селективного милливольтметра должны
совпадать. Полезно помнить, что устройство, геометрическая дли-
на которого равна длине волны, проходящего по нему сигнала,
вносит фазовый сдвиг, равный 360°.
Преобразование частоты при измерении фазового сдвига. Для
уменьшения погрешности при измерении малых фазовых сдвигов
применяют умножение частоты. Понижение частоты путем гете-
родинного преобразования используют при измерении на высоких
и сверхвысоких частотах.
Умножение частоты приводит к увеличению фазового
сдвига. Если аргументы измеряемых напряжений со^ + ф1 и (о/+ф2,
то после умножителей частоты с одинаковыми коэффициентами
умножения получим и((о£ + ф1) и «(со^ + фг) соответственно. Фазо-
вый сдвиг, измеренный фазометром, ф = и(ф1—ф2) увеличился в
п раз, и погрешность его измерения может быть меньше. Фазовый
сдвиг между исследуемыми напряжениями ф = ф/п=ф1—фг-
8—10 225
Рис. 8.16
Гетеродинное преобразование частоты (рис.
8.16) позволяет понижать частоту исследуемых напряжений с сох-
ранением прежнего фазового сдвига. Напряжения щ и и2 подают
в два идентичных канала, содержащие входные устройства, сме-
сители и усилители разностной частоты УРЧ? На оба смесителя
через развязывающий мост, устраняющий взаимное влияние ка-
налов, подается напряжение гетеродина в одинаковой фазе. Ра-
венство фаз в цепях гетеродин — смеситель достигается равенст-
вом их электрических длин. На выходах смесителей получается
напряжение разностной частоты с исходным фазовым сдвигом.
После усиления эти напряжения поступают на низкочастотный
фазометр для измерения фазового сдвига. Диапазон частот опре-
деляются диапазоном частот перестройки частоты гетеродина.
Имеются фазометры с верхней частотой 1,5 и 7 ГГц. Для по-
вышения точности измерений гетеродин выполняется с автомати-
ческой подстройкой частоты АПЧ. Частота кварцевого генератора
сравнивается с разностной частотой на выходе усилителя с точ-
ностью до фазы. Погрешность измерения, обычно равная 1...2%,
возникает вследствие неидеальных амплитудных и фазовых харак-
теристик усилителей разностной частоты и погрешности низкочас-
тотного фазометра.
8.4. ИЗМЕРЕНИЕ ГРУППОВОГО ВРЕМЕНИ
ЗАПАЗДЫВАНИЯ
Многочастотный широкополосный сигнал, проходя по четырехполюснику,
искажается, т. е. его форма на выходе ие совпадает с формой на входе. Это
искажение возникает вследствие того, что различные частотные составляющие
запаздывают на разное время. Такие искажения присущи телевизионным сиг-
налам, прошедшим по линии передачи.
Для характеристики четырехполюсников введено понятие группового време-
ни запаздывания
Л-вз = Лф/Ла>, (8-4)
«.
226
где Дер — изменение фазового сдвига на выхо-
де четырехполюсника при изменении частоты S'
иа Дсо. | /
Четырехполюсник не вносит искажений, ec-j^J
ли групповое время запаздывания сохраняется 1 -----V
постоянным во всем диапазоне рабочих частот. У'
Значение Л-вэ легко определить по фазовой ха- ___________
рактеристике четырехполюсника, т. е. зависимо-
сти фазового сдвига от частоты (рис. 8.17), с г*
помощью которой можно вычислить и построить рис g /7
зависимость группового времени запаздывания от
частоты. Такой способ определения 1гва аппаратурио прост, ио требует много
времени и не обеспечивает нужной точности.
Наиболее распространенным методом измерения группового времени запаз-
дывания является метод Найквиста, заключающийся в сравнении фазового сдви-
га огибающих модулированного по амплитуде сигнала иа входе и выходе испы-
туемого четырехполюсника. На рис. 8.18 приведена упрощенная схема измери-
тельного прибора, основанного на этом методе. Высокочастотный генератор,
вырабатывает сигнал, который модулируется по амплитуде сигналом низкой
частоты, получаемым от низкочастотного генератора. Модулированный сигнал
одновременно поступает на испытуемое устройство и далее на амплитудный де-
тектор 1 и непосредственно на второй детектор 2. Огибающие с выходов обоих
детекторов подаются на входы фазометра, с помощью которого измеряется фа-
зовый сдвиг между ними. Этот фазовый сдвиг согласно (8.4) можно записать в
следующем виде: ф = 2л/'7гвз, откуда trB3 = <f>l2ftF.
Частота модулирующего сигнала выбирается низкой, например f=0,01 f; ко-
эффициент модуляции М=20... 30%. Поскольку частота модуляции постоянна,
шкалу фазометру ф градуируют в единицах времени.
Для автоматического измерения группового времени запаздывания высоко-
частотный генератор выполняют с качающейся частотой. Указатель фазометра
устанавливают на нулевую отметку на центральной частоте высокочастотного
генератора, а при ее качании показания фазометра соответствуют значению /Гвз-
Рис. 8.18
8*
227
8.5. ЦИФРОВЫЕ ФАЗОМЕТРЫ
Наиболее распространены цифровые фазометры (ЦФ) прямо-
_ / лре°/т\ 130ВаНИЯ’ & осн°ву их работы положено уравнение <р =
= (A.t4>/T)k, где ф — измеряемый фазовый сдвиг; Л/ф — интервал
времени, соответствующий измеряемому значению ф; Т — период
сигналов; k — градуировочный коэффициент, задающий размер-
ность результата измерения (если k = 2n, то результат имеет раз-
мерность радиана, если # = 360, то размерность соответствует гра-
дусам). В соответствии с этим уравнением должны быть измере-
ны значения А/Ф и Т, определено их отношение. Atq> IT и произве-
дено умножение на градуировочный коэффициент k-.
По способам реализации этого измерительного уравнения раз-
личают две группы ЦФ с прямым преобразованием: с промежу-
точным преобразованием фазового сдвига в постоянное напряже-
ние и с время-импульсным преобразованием. При измерении фа-
зового сдвига на частотах свыше 200 ...300 кГц для уменьшения
погрешности измерения применяют предварительное преобразова-
ние частоты анализируемых сигналов. "*
Цифровые фазометры с преобразованием «фазовый сдвиг —
постоянное напряжение — код». Типовая структурная схема и
временная диаграмма работы рассматриваемого ЦФ показаны на
рис. 8.19. Напряжения щ и и2, сдвиг фаз между которыми должен
быть измерен, поступают на входы формирующих устройств 1 и
2, вырабатывающих прямоугольные напряжения, фронты которых
совпадают с моментами перехода исследуемых напряжений через
нуль. На выходе триггера, управляемого фронтами прямоуголь-
ных сигналов, возникают импульсы, длительность которых про-
порциональна значению Д/Ф. Формирующее устройство 3 стабили-
зирует размах Up импульсного напряжения, снимаемого с выхода
триггера. Фильтр выделяет постоянную составляющую, подаваемую
далее на вход цифрового вольтметра. Постоянная составляющая
импульсной последовательности, отражающая размер ф,
V £ «(/) dt = Up^^^-4>.
т т k
Выбирая Up и k так, чтобы 17p/#=ilOn, где п — целое число, мож-
но обеспечить показания вольтметра непосредственно в единицах
измерения фазового сдвига — радианах, градусах, минутах.
Основными составляющими погрешности таких ЦФ являются
погрешности преобразования фазового сдвига в интервал времени, а
затем в постоянное напряжение, и погрешность цифрового вольт-
метра.
Цифровой фазометр с время-импульсным преобразованием.
Погрешности промежуточного преобразования фазового сдвига в
постоянное напряжение ограничивают возможность повышения
точности ЦФ. Во избежание этого применяют ЦФ, в которых вре-
менной интервал непосредственно преобразуют в цифровой код,
т. е. осуществляют время-импульсное преобразование. Среди та-
228
Рис. 8.19
ких ЦФ различают приборы с измере-
нием за один период исследуемого на-
пряжения и с измерением среднего
значения за несколько периодов.. По-
следние называются интегрирующими.
При использовании принципа изме-
рения за один период формирующее
устройство (рис. 8.20,а) вырабатывает
напряжение ИфУ в виде последователь-
ности импульсов с длительностью Atq>
и периодом повторения Т (рис. 8.20,6).
Триггер формирует импульс длитель-
ностью, равной периоду Т. Этот им-
пульс управляет временным селекто-
ром, через который на счетчик прохо-
дят импульсы от генератора импуль-
сов.
Арифметическое устройство осуществляет считывание общего
числа импульсов N, прошедших на счетчик в течение периода Т,
а также промежуточного числа N&t, соответствующего интервалу
времени Д/ф. Запись этих чисел в арифметическое устройство осу-
ществляется по окончании срезов импульсов МфУ, итр. В арифме-
тическом устройстве производится вычисление отношения
k N&t/NT = k A t^/T = <p.
Погрешность измерения за один период обусловлена главным
образом погрешностями формирования временных интервалов
Atv и Т, а также погрешностью дискретности 8Л(Т). Последняя
определяется в основном погрешностью преобразования временно-
го интервала Д^ф в число импульсов N&t'
где f — частота входных сигналов. Из анализа выражения для
погрешности бд можно видеть, что с увеличением частоты входных
напряжений погрешность увеличивается и для ее уменьшения не-
229
a)
/Л
Рис. 8.20
усреднением результата.
обходимо увеличивать частоту генерато-
ра. По аналогичной схеме, но без автома-
тического вычислителя построены ЦФ
типа НФ-3. Результат измерения полу-
чается оператором путем деления N&t
на АД
Основным недостатком ЦФ с измере-
нием за один период является узкий диа-
пазон рабочих частот и большая погреш-
ность измерения при наличии случайных
помех в сигналах. Для уменьшения влия-
ния помех используют схемы с измерени-
ем сдвига фаз за большое число периодов
(102, 103, 104 и т. д.) с последующим
Цифровой фазометр такого типа имеет
счетчик периодов, позволяющий автоматически прекратить изме-
рение после прохождения заранее заданного числа периодов. Мак-
симальная погрешность дискретности при измерении в течение
, т
большого числа периодов бд(7’т) = 2 6д(7’г), где т — число пе-
t=l
риодов, i — номер периода.
Если все погрешности d(7\) имеют одинаковые знаки, то
бд (Тта)|mix =т /N&t-m= г,!--. На практике погрешности бд(7\)
с равной вероятностью могут принимать значения 1/Л/дг; поэтому
бд(7’т)С |бд(7'т) |тах, так как lim бд(7’т)->0. Таким образом,
m^f-чо
увеличение числа периодов ведет к снижению случайной состав-
ляющей погрешности дискретности бд.
Для исключения из схемы ЦФ арифметического устройства ис-
пользуют принцип измерения в течение постоянного бремени. На
рис. 8.21 приведена типовая структурная схема такого ЦФ и вре-
менная диаграмма его работы. Исследуемые напряжения щ и иг
поступают на блок формирующих устройств, который вырабаты-
вает напряжение Ибфу в виде последовательности импульсов дли-
тельностью Д^ф и периодом Т. Делитель частоты формирует
230
a)
из сигналов тактового генератора импуль-
сы длительностью, соответствующей вре-
мени измерения Гизм. Временной селектор
1 управляется напряжением Ибфу. На его
выходе образуются пачки импульсов с ча-
стотой заполнения fr, периодом Т и дли-
тельностью Atq>. Временной селектор 2, уп-
равляемый импульсом ИдЧ, срабатывает в
моменты окончания фронта и среза им-
пульса идч, передавая на счетчик напря-
жение исч в виде пачек импульсов в тече-
ние времени Тизм. Число импульсов NC4,
попавших на счетчик за время 7Изм, опре-
деляется выражением
Рис. 8.21
Л'сч = m А fr T3BJr М^/Т = nbt V/T = n <p/k,
где T„3M=n/fT-, m=Tn3M/T; n — коэффициент деления частоты.
Погрешность дискретности в этом случае обусловлена некрат-
ностью значений Дбр и периода импульсов генератора (бД1), а
также значений Тизм и периода Т сигнала (бдг). Суммарное зна-
чение погрешности дискретности 6Д = V 62Д1 + 62Д2, где |6Ai|max =
= kf/(pfr; 6д2= ±l/m= ±l/TH3Mf. Очевидно, что 6Д1 увеличивается
по мере роста частоты f исследуемого напряжения и убывает с
ростом fr. Максимального значения бд1 достигает, когда погреш-
ность квантования одинакова во всех пачках импульсов, т. е. ус-
реднения погрешности не происходит, и погрешность всего изме-
рения соответствует погрешности за период. Для уменьшения
этой погрешности предложены схемы, в которых частота следова-
ния тактовых импульсов модулируется либо низкочастотным, ли-
бо шумовым напряжением. Погрешность 6Д2 возрастает по мере
уменьшения частоты исследуемого напряжения и соответственно-
го уменьшения числа пачек импульсов, проходящих на счетчик
прибора за время измерения. Погрешность равна нулю при крат-
ности периода исследуемого напряжения длительности измерения
и возрастает до максимального значения, когда время измерения
(т + 0,5)Г Существенным недостатком схем ЦФ с постоян-
231
ным временем измерения, служащим возможности их применения,
является большое время измерения, зависящее от частоты иссле-
дуемого сигнала и необходимой точности измерения. Это обстоя-
тельство ограничивает применение ЦФ при измерении на низких
частотах и анализе кратковременных сигналов.
8.6. МЕТОДЫ АНАЛИЗА СПЕКТРА СИГНАЛА
Основные положения спектрального анализа. В технике связи
чрезвычайно широкое распространение получил частотный анализ
сигналов. Теоретически анализируют спектр 'функции, отражаю-
щий реальный сигнал, известными математическими методами.
На практике спектр исследуют путем воздействия сигнала на из-
мерительный прибор — анализатор спектра. Этот метод анализа
спектра называют аппаратурным. При теоретическом анализе до-
пустимы математические абстракции. При аппаратурном анализе
приходится иметь дело с реальным сигналом, существующим на
конечном интервале времени. Известно, что всякая периодическая
функция, отвечающая условиям Дирихле, может быть представ-
лена рядом Фурье. Реальные сигналы этим условиям удовлетворя-
ют, поэтому для них справедливо соотношение
°О , f \
и (t) = U0 + 2 tfftcos —, (8.5)
k=i \ 1 1
где 2n/7’=<oi — основная частота, T — период. Таким образом
сложная периодическая функция характеризуется величинами Uh
и ф&. Совокупность Uk называют спектром амплитуд (или просто
спектром), а фь — спектром фаз. В технике связи в большинстве
случаев интересуются спектром амплитуд, квадрат абсолютных
значений которых представляет собой энергетический спектр. Пе-
риодическая функция всегда имеет дискретный спектр, образован-
ный равноотстоящими спектральными линиями. Соответствующие
им частоты находятся в простых кратных соотношениях.
Большое практическое значение имеет разложение вида
и(0= 3 cos [(сОоЧ-Я; coi) t—ф&], (8.6)
fe=i
где k Принимает как положительные, так и отрицательные значе-
ния. Выражение (8.6) характеризует так называемые квазигар-
монические функции. Таковы спектры периодически модулирован-
ных колебаний. В этом случае соо является несущей частотой.
Непериодические функции имеют сплошной спектр. Сплошные
спектры имеют некоторые виды радиосигналов, а также шумы.
Определяется спектр непериодического сигнала с помощью интег-
рала Фурье:
S (со) = J и (/) ехр (—/ со t) dt. (8.7)
232
Интегрирование в бесконечных пределах возможно при теорети-
ческом анализе спектра. При аппаратурном анализе интегрирова-
ние может быть произведено в пределах конечного временного
интервала Если за начало отсчета времени принять /=
= 0 (момент включения прибора), то измеряемая величина будет
определяться интегралом
St (а) = J и (/) ехр (—/ о) t) dt. (8.8)
о
Величина St (со), являющаяся функцией не только частоты, но и
времени, носит название текущего спектра. Именно с текущим
спектром и приходится иметь дело при аппаратурном анализе.
Текущий спектр тем ближе к истинному, чем больше время, в те-
чение которого ведется частотный анализ, и лишь при /->оо он
вырождается в истинный спектр колебания.
Одновременный частотный анализ. Сущность одновременного
частотного анализа состоит в применении набора резонаторов,
настроенных на различные частоты и подвергающихся одновре-
менно воздействию исследуемого сигнала. В качестве резонаторов
используются узкополосные фильтры, на которые параллельно
поступает исследуемый сигнал (рис. 8.22). Выходные напряже-
ния фильтров после детектирования с помощью коммутатора по*
очередно подаются на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ.
Горизонтальная развертка луча ЭЛТ и управление коммутатором
осуществляется от общего генератора ступенчатого напряжения.
Спектральные составляющие сигнала возбуждают колебания
в узкополосных фильтрах. Если фильтры имеют идеальные час-
тотные характеристики с полосой пропускания Ао)ф (рис. 8.23,а),
а спектр входного сигнала является линейчатым -Трис. 8.23,6) с час-
тотами «и, о)2 и о)з, сигналы будут возбуждены в4 фильтрах 1, 2 и
3. На выходах остальных фильтров, настроенных на более высо-
кие частоты, сигналы будут отсутствовать. На выходах детекторов
1, 2 и 3 образуются постоянные напряжения, пропорциональные
амплитудам гармоник o)i, ©2 и о)з- С помощью -переключаемого.
Рис. 8.22
233
Рис. 8.23
электронного коммутатора напря-
жения с выходов детекторов по-
очередно поступают на вертикаль-
но отклоняющие пластины ЭЛТ.
Ступенчатое напряжение, управ-
ляющее переключением коммута-
тора, используется также для от-
клонения луча ЭЛТ в горизонтальном направлении. При этом спек-
тральные линии он, о)2 и о)з займут соответствующее положение от-
носительно горизонтальной оси, как показано на рис. 8.22.
Важнейшей характеристикой анализатора спектра является
его разрешающая способность — способность выделить (разре-
шить) две соседние спектральные линии. Количественной мерой
разрешающей способности является наименьший интервал частот
между двумя спектральными линиями, при котором они еще раз-
личаются анализатором. Для рассмотренного случая применения
фильтров с идеальной частотной характеристикой и минимальны-
ми зазорами (рис. 8.23,а) мерой разрешающей способности яв-
ляется ширина полосы пропускания Асоф. Если частотный интер-
вал между гармониками будет меньше Асоф, они могут попасть в
один фильтр и образовать на экране ЭЛТ одну спектральную ли-
нию. Реальные фильтры имеют частотные характеристики с плав-
ным спадом при удалении от частоты резонанса (рис. 8.24,а). Ес-
ли частотные характеристики фильтров перекрываются, один гар-
монический сигнал с частотой оо (рис. 8.24,6) вызовет отклик на
выходах фильтров /, 2 и 3 (рис. 8.24,в). Частоты колебаний бу-
дут соответствовать частотам настройки фильтров, а амплитуды —
ординатам частотных характеристик на частоте о)о (рис. 8.24,а).
Таким образом вместо одной линии анализатор зафиксирует целый
спектр, частоты которого зависят не от частоты исследуемого сиг-
нала, а от настройки резонаторов. Доказано, что показание ана-
лизатора представляется совокупностью линий, вписанных в ре-
зонансную кривую, но с резонансом на частоте ©о. Из этого сле-
дует, что, если увеличить число резонаторов с равномерно распо-
ложенными резонансными частотами, определение максимума
станет возможным. Более того амплитуду и частоту синусоидаль-
ного сигнала можно определить с помощью анализатора точно..
234
Если же анализируется более сложный сигнал, то возникает не-
устранимая погрешность, обусловленная тем, что на резонатор
действуют все составляющие спектра одновременно и невозможно
разделить их влияние, а следовательно, и измерить амплитуду и
частоту каждой составляющей.
Последовательный частотный анализ. Метод последовательно-
го частотного анализа реализуется за счет плавной перестройки
резонансной частоты узкополосного фильтра. При этом резонанс-
ная частота последовательно совпадает с частотами гармоничес-
ких составляющих анализируемого сигнала, которые поочередно
возбуждают сигналы на выходе фильтра. В устройствах последо-
вательного частотного анализа достаточно иметь один перестраи-
ваемый фильтр и один детектор, что существенно упрощает при-
бор. Однако сам принцип последовательного во времени анализа
говорит о применимости его лишь в случае анализа периодичес-
ких сигналов. Для анализа одиночных импульсов данный способ
непригоден.
Перестройка фильтра в широком диапазоне частот при сохра-
нении высокой избирательности является сложной задачей. По-
этому способ последовательного анализа видоизменяют так, что-
бы не перестраивать резонансную частоту контура, а перемещать
по шкале частот весь спектр исследуемого сигнала. И в том, и в
другом случае отдельные спектральные линии последовательно
совпадают с частотой настройки фильтоа вследствие относительно-
го перемещения их на шкале частот. При этом во втором случае
возможно построить фильтр с хорошей избирательностью за счет
усложнения схемы, поскольку нет необходимости в его перестрой-
ке.
Для получения смещающегося по шкале частот спектра необ-
ходимо соответствующим образом преобразовать исходный спектр,
для чего достаточно умножить исследуемый сигнал на синусои-
дальное напряжение переменной частоты. Если анализируемый
сигнал выражается функцией = cos(^o)^+<pfe), а вспомога-
тельный u2 = UmsinQt, то произведение будет равно uiu2=
= Um sin Uh {cos [ (Q—бац) t—ерь] + cos[ (Q + kax) t + <pft]}. Послед-
нее выражение представляет собой модуляционный спектр, вос-
производящий анализируемый сигнал в виде двух боковых полос,
расположенных симметрично по отношению к несущей частоте Q.
Если частота Q может изменяться, то весь модуляционный спектр
будет перемещаться по оси частот. Если правильно выбрать пре-
делы изменения частоты й, на вход полосового фильтра последо-
вательно поступят спектральные составляющие одной из боковых
полос преобразованного спектра.
Структурная схема анализатора спектра последовательного
типа представлена на рис. 8.25. Сигнал с входного устрзйства по-
ступает на смеситель одновременно с ним. На смеситель поступает
сигнал с генератора качающейся частоты, частота которого изме-
няется во времени по линейному закону. Преобразованный сигнал
подается на вход узкополосного фильтра. Когда соответствуюшая
Калибратор <
гармоника попадает в полосу пропускания фильтра, в нем возни-
кают колебания. После детектирования и усиления сигнал посту-
пает на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Чем больше
амплитуда гармоники, тем больше отклонение луча в вертикальном
направлении. Управление частотой генератора качающейся час-
тоты в отклонение луча ЭЛТ в горизонтальном направлении осу-
ществляется пилообразным напряжением, поступающим от одного
генератора. Таким образом горизонтальная ось на экране ЭЛТ
является одновременно и осью времени, и осью частот. Генератор
Изображения на экране
Рис. 8.26
качающейся частоты вырабатыва-
ет синусоидальный сигнал, часто-
та которого периодически меня-
ется во времени по линейному
закону. Среднее значение часто-
ты можно перестраивать, что
позволяет наблюдать спектры
сигналов разных частот, а так-
же изменять девиацию частоты.
На рис. 8.26 показан один пе-
риод изменения частоты Т. Гра-
фик I соответствует изменению
частоты ОТ (Ornln ДО Ютах, ПрИ
этом осуществляется анализ
спектра на участке АБ. График
II соответствует меньшей девиа-
ции частоты. При этом анали-
236
зируется лишь участок А'Б' спек-
тра. Поскольку значение разверты-
вающего напряжения остается не-
изменным, изображение исследуе-
мого участка спектра растягивается
на всю ширину экрана.
Для определения частоты, соот-
ветствующей заданной точке на го-
ризонтальной оси ЭЛТ, в анализато-
ре предусмотрен калибратор. Обыч-
но калибратор состоит из генератора
и модулятора, работающих соответ-
ственно на частотах аь и wM. Напря-
Рис. 8.27
жение синусоидальной формы о)м модулирует колебания генератора
по частоте, поэтому на смеситель поступает частотно-модулирован-
ное колебание. Так как модулирующее напряжение синусоидально,
спектр сигнала калибратора имеет дискретный вид (рис. 8.27,6).
Спектральные линии отстоят друг от друга на ю„. Если изменять
частоту модулирующего колебания, то можно изменять расстоя-
ние между спектральными линиями, при перестройке ©л весь
спектр калибровочного сигнала будет перемещаться вдоль оси.
Если генератор аь и модулятор юм снабдить шкалой для отсчета
частоты, появится возможность измерять частоты спектральных
составляющих исследуемого сигнала. Для этого спектр калибро-
вочного сигнала накладывается на спектр анализируемого .(рис.
8.27,6) и регулировками ©ь и о)м добиваются его необходимого по-
ложения относительно горизонтальной оси.
Основные технические и метрологические характеристики ана-
лизаторов спектра. К числу основных технических характеристик
анализаторов спектра последовательного действия относят: диа-
пазон частот, полосу обзора, чувствительность, разрешающую спо-
собность, скорость анализа. К метрологическим характеристикам
относят: основную погрешность измерения частоты входного си-
нусоидального сигнала, погрешность измерения отношения уров-
ней синусоидальных сигналов, неравномерность АЧХ. Первые два
параметра нормируются ГОСТ. Значение неравномерности АЧХ
указываются в нормативно-технической документации на конкрет-
ный тип анализатора спектра. Неравномерность АЧХ не норми-
руют в том случае, если она не учитывается в качестве состав-
ляющей погрешности измерения уровней. АЧХ является динами-
ческой характеристикой анализатора спектра.
В нормативно-технической документации устанавливаются па-
раметры входа: волновое сопротивление, коэффициент стоячей
волны по напряжению или активное входное сопротивление и шун-
тирующая емкость.
Диапазон частот определяет граничные частоты диапазона, в
пределах которого работает данный прибор. Например, анализа-
тор спектра С4-46 работает в диапазоне частот 0,1 ...270 МГц.
Иногда рабочий диапазон разбивается на поддиапазоны.
237
J
Полоса обзора определяет полосу анализируемых частот за
один цикл перестройки генератора качающейся частоты. В зави-
симости от типа применяемого прибора и его диапазона частот
полоса обзора может изменяться от сотен герц до десятков ме-
гагерц. Перестройка полосы обзора осуществляется изменением
девиации частот гетеродина.
Чувствительность определяется минимальной ЭДС, при кото-
рой обеспечиваются нормальные условия работы анализатора
спектра, т. е. необходимое выходное напряжение для получения
удобного размера изображения спектра на экране ЭЛТ, превыше-
ния сигналом уровня собственных шумов и т. п.
Разрешающая способность характеризует способность анализа-
тора разделить две соседние частотные составляющие спектра.
Так как в основе принципа построения анализаторов спектра ле-
жит явление резонанса, то их разрешающая способность в пер-
вую очередь определяется свойствами резонансной систем-ы. При
последовательном анализе на резонансную систему воздействует
сигнал с плавно изменяющейся частотой. Если частота меняется
медленно, переходные процессы в колебательной системе не про-
являются и анализатор измеряет частотную характеристику цепи.
Огибающая колебаний, возникающих на выходе контура, повто-
ряет форму частотной характеристики резонансной цепи. На рис.
8.28,о, б, в показаны: направление изменения частоты, частотная
характеристика колебательного контура и напряжение на его
выходе. Именно такой сигнал после детектирования и усиления
Рис. 8.29
238
образует на экране ЭЛТ одну спектральную линию. На рис. 8.29
показано воздействие двух плавно перестраиваемых гармоничес-
ких составляющих на колебательный контур. В этом случае в ре-
зонансном контуре возникнут биения с разностной частотой. Оги-
бающая колебаний (рис. 8.29,в) имеет два максимума, характери-
зующие спектральные линии.
Если спектр состоит из многих линий, то он 'будет отображен анализато-
ром в виде плавной кривой с рядом максимумов. Ясно, что для увеличения раз-
решающей способности необходимо сузить резонансную кривую. Обычно приня-
то считать спектральные составляющие разрешенными, если глубина минимума
между двумя максимумами достигает половины их высоты. Разрешающая спо-
собность, определяемая при медленной перестройке частоты (так что не про-
являются переходные процессы), является статической. На практике для полу-
чения немелькающего изображения на экране ЭЛТ процесс анализа должен
происходить гораздо быстрее, что вызывает появление переходных процессов.
В этом случае наиболее интенсивные колебания в контуре возникают не в тот
момент, когда возбуждающая частота совпадает с резонансной, а несколько
позже, так как резонатор не успевает возбудиться. На рис. 8.30 кривая а изо-
бражает статическую характеристику колебательного контура, а кривая б — ди-
намическую. 'Как видно из рисунка, при быстром изменении частоты смещается
положение максимума, высота максимума убывает, полоса пропускания возрас-
тает, кривая становится асимметричной. На правом скате кривой появляется
волнистость из-за биений между собственными и возбуждающими колебаниями.
Следует отметить, что чем выше добротность колебательной системы, тем доль-
ше протекают переходные процессы и тем сильнее динамическая характеристика
отличается от статической.
Скорость анализа определяется
генератора качающейся частоты.
скоростью изменения частоты
Увеличение скорости анализа
приводит к увеличению интенсивности переходных процессов и
расширению динамической частотной характеристики резонансной
системы, а «следовательно, и к снижению разрешающей способнос-
ти. Вопросы оптимального выбора полосы пропускания резонанс-
ной системы, скорости анализа’ для получения максимальной раз-
решающей способности детально рассмотрены в [20].
Дисперсионный метод анализа спектра. Метод основан на при-
менении дисперсионной линии задержки. В дисперсионных лини-
ях задержки время задержки гармони-
ческого сигнала зависит от его часто-
ты. Если эта зависимость времени за-
держки от частоты линейна, спектраль-
ные составляющие входного сигнала
(например, импульса) будут появлять-
ся на выходе линии поочередно. В ре-
зультате огибающая входного напря-
жения. линии задержки будет соответ-
ствовать форме спектральной функции
импульса. Чтобы исключить влияние
239
a)
конечной длительности радиоимпульса на
результат измерения, до входа дисперси-
онной линии задержки осуществляется
преобразование частоты сигнала с помо-
щью гетеродина, скорость изменения ча-
стоты которого равна S=—1/а. Здесь а —
коэффициент, характеризующий диспер-
сионные свойства линии.
Структурная схема дисперсионного
Рис. 8.31 анализатора спектра представлена на рис.
8.31,а. Сигнал поступает на смеситель, на
который подается частотно-модулиров.а1нное, колебание от гете-
родина.
При анализе импульсного сигнала (рис. 8.31,6) импульс снимает-
ся с усилителя и через детектор поступает на блок управления.
Детектор необходим при исследовании радиоимпульсов. Блок уп-
равления запускает ЧМ гетеродин, частота которого начинает
плавно изменяться, как показано на рис. 8.31,в. После усилителя
преобразованный сигнал поступает на дисперсионную линию за-
держки. Напряжение, соответствующее отклику линии на входное
воздействие, усиливается и подается на ЭЛТ. Блок управления
вырабатывает также импульс для запуска генератора развертки.
Примером промышленного дисперсионного анализатора спект-
ра является прибор С4-47. Этот прибор в комплекте с СВЧ пре-
образователем обеспечивает анализ спектров в диапазоне частот
;10МГц... 39,6 ГГц. Разрешающая способность не хуже 50 кГц.
Анализатор позволяет получать спектры не только импульсных,
но и периодических непрерывных сигналов. При анализе непре-
рывных сигналов в приборе осуществляется их деление на отдель-
ные реализации. Максимальная полоса обзора 10 МГц в режиме
анализа спектра радиоимпульсов и 3 МГц в режиме анализа
спектра непрерывного сигнала. 4
Цифровые методы спектрального анализа. Цифровой спект-
ральный анализ осуществляется путем операций над числами,
240
Ограничение
непрерывного
(8.9)
представляющими в дискретной форме анализируемый сигнал.
Спектральные характеристики анализируемого сигнала можно
определить с помощью универсальных ЭВМ, запрограммирован-
ных вычислительных устройств — цифровых анализаторов спектра.
Согласно теореме Котельникова сигнал, спектр которого ог-
раничен сверху частотой fB, полностью описывается отсчетами,
взятыми через интервалы времени At=l/2fB. Дискретизация сиг-
нала в полосе обзора осуществляется отсчетами мгновенных зна-
чений напряжения сигнала в моменты времени ,f=iAf, где i — це-
лое число, последовательно принимающее значение 0, 1, 2, ... В
результате анализируемый участок (реализация) сигнала описы-
вается дискретным процессом ы(£АЦ. Спектр непрерывной реали-'
зации при цифровом методе получают путем обработки М отсче-
тов сигнала, которые называют объемом выборки,
числа отсчетов осуществляется путем умножения
сигнала на выделяющую функцию
, fl при
h (/) = { г
10 при других значениях t,
где Т — длительность анализируемой реализации,
выражением
Т=МЫ. (8.10)
Таким образом, при цифровой обработке осуществляется спект-
ральное разложение не самого сигнала, а последовательности
значений «ЦАЦ для i, изменяющегося от 0 до М—1.
Для вычисления значений спектральных составляющих по со-
вокупности дискретных отсчетов сигнала используют алгоритм
дискретного преобразования Фурье (ДПФ):
ak= М-% u(ib f)cos ЦА , bh = и (i A /)sin , (8.11)
(=0 M 1=о
где йк и bh — вещественная и мнимые части комплексного коэф-
фициента спектра Фурье. После определения ак и Ьк вычисляют-
ся коэффициенты спектра амплитуд
определяемая
М
ch^Va2k+b2k. (8.12)
Цифровой метод анализа позволяет получить и фазовый спектр
анализируемой реализации:
фй = — arctg (bk/ak). (8.13)
Отметим, что спектр реализации конечной длительности непреры-
вен. Алгоритм ДПФ позволяет получить лишь конечное число
спектральных составляющих с частотным интервалом между ни-
ми AF=l/7’. На рис. 8.32,а, б, в, г в наглядной форме иллюстри-
руются особенности обычного и цифрового анализа спектра. На
рис. 8.32,а и б представлены: непрерывная реализация сигнала и
ее сплошной спектр. На рис. 8.32, в иг — дискретизированная реа-
241
f
лнзация сигнала и ди-
скретное преобразова-
ние Фурье отсчетов сиг-
нала.
Использование ДПФ
эквивалентно применению
анализатора спектра од-
новременного типа с Л1/2
числом узкополосных
фильтров. Структурная
схема цифрового анали-
затора спектра представ-
лена на рис. 8.33.
Анализируемый сигнал, преобразованный аналого-цифровым
преобразователем (АЦП) в цифровом виде поступает на буфер-
ный накопитель. В нем накапливается М отсчетов сигнала, соот-
ветствующих реализации длительностью Т. С буферного накопи-
теля информация подается на вычислители аь и bk и с них на
вычислитель ск. После усреднения полученные данные передают-
ся в устройство памяти результатов, которое обеспечивает хра-
нение результатов вычислений и передачу их на индикатор.
Объем вычислений, а следовательно, и время, затрачиваемое
на вычисления, определяется числом М обрабатываемых отсчетов.
Если время, необходимое для вычисления, меньше длительности
выборки Т, возможен спектральный анализ в реальном масштабе
времени, т. е. такая обработка сигналов, при которой не проис-
ходит потерь отсчетов анализируемого сигнала и в то же время
нет возрастающего от реализации к реализации их накопления.
Для убыстрения цифрового анализа разработаны алгоритмы, поз-
воляющие значительно уменьшить объем вычислений. Такие алго-
ритмы получили название быстрого преобразования Фурье (БПФ).
При построении анализатора обычного типа необходимо выпол-
нить М2 операций умножения и столько же операций сложения.
Таким образом, при увеличении числа отсчетов объем вычислений
растет по квадратичному закону. Сущность БПФ заключается в
том, что последовательность из М отсчетов разбивается на п бо-
лее коротких подпоследовательностей. Для определения коэффи-
Рис. 8.33
242
циентов ah и bh одной короткой последовательности требуется
М'Чц2 операций умножения и сложения. Поскольку подпоследова-
тельностей всего п, то для описания всей реализации необходимо
М21п операций. Использование БПФ делает цифровые анализа-
торы спектра весьма перспективными.
(лава 9. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ КОМПОНЕНТОВ
И ЦЕПЕЙ
9.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ
И ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ ЦЕПЕЙ
С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ постоянными
Основными параметрами цепей с сосредоточенными постоянными
являются емкость, индуктивность, взаимная индуктивность, ак-
тивное сопротивление. Измерение параметров цепей занимает
большой объем в общем -Комплексе измерений в технике связи,
причем в зависимости от диапазона частот применяют различные
методы. Активные сопротивления на постоянном токе, если не
требуется высокой точности, как правило, измеряют омметром.
При необходимости точных измерений используется мостовой ме-
тод. На низких и средних частотах широкое распространение по-
лучили мосты переменного тока. Их модификации с принятыми
мерами для ослабления влияния на результат измерения пара-
зитных параметров измерительной схемы позволяют производить
измерения с несколько пониженной точностью на частотах до
150... 200 МГц. На высоких частотах, когда резонансные свойст-
ва колебательных цепей сказываются весьма остро, обычно поль-
зуются резонансными методами измерений.
В соответствии с ГОСТ в подгруппу приборов для измерения
параметров компонентов и цепей с сосредоточенными постоянны-
ми входят следующие виды приборов: Е1 — меры, установки 'irEi
приборы для проверки измерителей параметров компонентов це-
пей, Е2 — измерители полных сопротивлений и (или) полных про-
водимостей, ЕЗ •— измерители индуктивности, Е4 — измерители
добротности, Е6 — измерители сопротивлений, Е7 — измерители
параметров универсальные, Е8 — измерители емкостей.
243
9.2. ПРЯМЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
КОМПОНЕНТОВ И ЦЕПЕЙ
Как Отмечалось в § 1.2, прямыми называются измерения, при
которых искомое значение величины находят непосредственно из
опытных данных. Реализуются прямые измерения параметров
компонентов и цепей с помощью метода непосредственной оценки
(в омметрах) и метода сравнения с мерой (в мостовых аналого-
вых и цифровых приборах).
Измерение сопротивлений на постоянном токе методом непос-
редственной оценки. На рис. 9.1 показаны две разновидности схем
омметров. Приборы состоят из источника питания Е, стрелочного
прибора (обычно микроамперметр), добавочного резистора ^дов
и переменного калибровочного резистора RK. Схемы отличаются
включением стрелочного прибора: в одной схеме он включен по-
следовательно, а в другой параллельно измеряемому резистору.
При подключении измеряемого резистора Rx к зажимам при-
бора в цепи на рис. 9.1,а протекает ток i=Ef(RK+Rx+Rnv + Ri),
где Ri — сопротивление источника питания. Значение тока, а сле-
довательно, и угол отклонения стрелки прибора зависят от Rx.
Чем больше Rx, тем меньше отклонение стрелки. Таким образом
омметр, выполненный по данной схеме, имеет обратную шкалу,
т. е'. нулевому значению сопротивления измеряемого резистора со-
ответствует крайняя правая отметка шкалы. В качестве источни-
ка тока обычно в омметрах используются сухие элементы. Умень-
шение ЭДС источника питания приводит к изменению показаний
прибора, поэтому в схеме предусматривается включение калибро-
вочного резистора RK. Перед измерением прибор калибруют: за-
мыкают переключатель и, изменяя RK, достигают нулевого пока-
зания прибора. Поскольку зависимость тока, протекающего через
прибор, от измеряемого сопротивления нелинейна, нелинейна и
шкала омметра. Схема, изображенная на рис. 9.1,а, обычно ис-
пользуется для измерения больших сопротивлений.
Для измерения малых сопротивлений используют схему на
рис. 9.1,6. Прибор калибруют при разомкнутом переключателе,
при этом весь ток протекает через прибор и угол отклонения
стрелки оказывается максимальным. При подключении Rx часть
тока ответвляется в параллельную цепь и угол отклонения умень-
шается. Таким образом шкала омметра оказывается прямой. Ток
244
через прибор определяется соотношением i^ERx/[RK(Rnv+Rx) +
+|/?no+i/?x], из которого видно, что шкала нелинейна.
Рассмотренные схемы омметров являются простейшими.*Про-
мышленные приборы выполняются многопредельными, для чего в
схему вводятся набор дополнительных резисторов, переключаемых
при изменении предела измерения. Это позволяет уменьшить пог-
решность измерения и упрощает отсчет показаний.
Большие удобства для построения омметра представляет при-
менение в качестве стрелочного прибора логометра. Измерение соп-
ротивления в этом случае осйовано на измерении отношения двух
токов Л и 12, один из которых протекает-по цепи с известным соп-
ротивлением, а другой по цепи, сопротивление которой изменяет-
ся. Оба тока создаются одним источником питания (рис. 9.2),
поэтому нестабильность источника практически не вызывает пог-
решности измерения. Большие сопротивления измеряют по пос-
ледовательной схеме при подключении резистора к зажимам 1, 2.
Относительно малые сопротивления измеряются по параллельной
схеме путем подключения к зажимам 2, 3 (зажимы 1, 2 при этом
закорочены). Приборы с логометрическими измерителями не тре-
буют предварительной установки нуля.
Измерение больших сопротивлений (до 105 МОм) осуществля-
ется мегомметрами и тераомметрами. Основные трудности, с ко-
торыми связано конструирование таких приборов, заключаются в
необходимости применять высоковольтные источники питания и
высококачественные изолирующие материалы. Работа этих при-
боров основана на измерении падения напряжения на образцовом
резисторе, который вместе с измеряемым резистором образует де-
литель напряжения. Измерение напряжения осуществляется элект-
ронным вольтметром. Таким образом часто строятся многопре-
дельные омметры. На рис. 9.3 представлена схема омметра, реа-
лизующая этот метод. Здесь образцовый и измеряемый резисторы
включены последовательно. Сопротивления J?06p и Rx сравнивают,
измеряя напряжения Ux и Г/Обр, создаваемые на них одним и тем
же током. Так как отношение напряжений UxIU06p = Rx/R0<$p, то-
отсчет сопротивления Rx может осуществляться по линейной шка-
ле стрелочного прибора, которым может быть электронный вольт-
метр.
Измерение сопротивлений методом сравнения с мерой. На
этом методе строят мостовые приборы и приборы, основанные на
применении дискретного счета. Основным преимуществом этих
приборов является сравнительно высокая точность измерений.
Мостовые приборы широко распространены для изме-
рений активных сопротивлений, емкости, индуктивности, взаимной
индуктивности и составляющих комплексных сопротивлений благо-
даря высокой точности.
Схема ординарного моста (на практике применяются и более
сложные — двойные мосты) постоянного тока (рис. 9.4) содер-
жит четыре резистора R\, R2. Rs, Rt> образующих четыре плеча. В
•одну из диагоналей мостовой схемы включен высокочувствитель-
ный гальванометр (идикатор нуля), в другую — источник пита-
ния схемы. Изменяя сопротивления плеч моста, можно добиться
равенства потенциалов в точках А и В, а следовательно, отсутст-
вия тока через гальванометр. Как известно, в этом случае
RiR^RzR,. (9. Г)
Состояние мостовой схемы, когда ток в цепи гальванометра от-
сутствует, называют балансом моста. Из соотношения (9.1) сле-
дует
&=(&» (9.2)
Резистор включенный в плечо, смежное по отношению к изме-
ряемому, называют образцовым плечом сравнения. Он является
основным элементом при определении сопротивления Rx и выпол-
няется в промышленных приборах в виде высокоточного пяти-шес-
тидекадного магазина сопротивлений. Отношение сопротивлений
R2IR3 меняется скачкообразно с кратностью 10п. Это обеспечива-
ет широкие пределы измерений.
Важным параметром мостовой схемы является ее чувствитель-
ность. Под чувствительностью в данном случае понимают мини-
мальное относительное изменение измеряемого сопротивления Rt,
которое вызывает нарушение баланса схемы, регистрируемого
гальванометром. Расчеты показывают, что чувствительность мос-
товой схемы зависит не только от чувствительности применяемого
гальванометра, но и от сопротивлений резисторов, входящих в
‘246
состав его плеч. Для обеспечения высокой чувствительности соп-
ротивления плеч моста целесообразно выбирать попарно равны-
ми. Часто используют равноплечий мост, т. е. мост, для которого
Rt = Ri=Ri=Ri-
Основная погрешность измерения сопротивления с помощью
мостовой схемы определяется погрешностью выполнения образцо-
вых резисторов, чувствительностью и числом декад, используемых
в плече сравнения. Дополнительная погрешность возникает из-за
температурных изменений, за счет сопротивления контактов и про-
водов,' при помощи которых присоединяют измеряемый резистор
к мосту.
Обычно для мостов постоянного тока задается класс точности
6п, который характеризует погрешность сопротивлений плеч мос-
та. Рекомендуется при уравновешивании задействовать все дека-
ды /?4. Если этого нет, погрешность за счет недостаточного числа
декад в плече сравнения находится как отношение половины соп-
ротивления последней используемой' декады к значению сопротив-
ления плеча сравнения, соответствующего равновесию моста:
бдек= (ДТШД • 100%. (9.3)
Погрешность за счет конечного значения^ чувствительности
моста определяется следующим соотношением:
бчув- • 100%, (9.4)>
R\ 4 - <
где R\ —. значение сопротивления плеча сравнения, соответствую-
щее отклонению стрелки на свою толщину от состояния равнове-
сия;: R"i — значение сопротивления плеча сравнения, соответст-
вующее отклонению стрелки на свою толщину* в сторону, проти-
воположную отклонению из-за подключения R\. Суммарная пог-
решность моста определяется соотношением
К бп+6дек + 6чув. " (9.5)-
Погрешность промышленных образцов мостов постоянного то-
ка лежит в пределах от 0,05... 1 %.
Измерительный мост переменного тока (рис. 9.5) отличается-1
от рассмотренного тем, что в нем используется источник перемен-
ного тока и сопротивления его плеч являются комплексными. Ин-
дикатор баланса также рассчитан на переменный ток. Обычно по-
лагают Zt неизвестным и подлежащим определению. Баланс мос-
та соответствует условию
Z^^Z^, (9.6)
или в показательной форме:
jZjIei’P* |Z3|ej<P3 = |Z2|ej<pqZ4|ej4><. (9.7)-
247
Из' соотношений следует, что для баланса моста необходимо, что-
бы ’
(Z1||Z3| = |Z2|-|Z4|; (9.8)
ф1 + фз = ф2 + ф4. (9.9)
Эти соотношения накладывают определенные ограничения на
выбор характера сопротивлений отдельных плеч моста. Например,
при измерении емкости без потерь в схеме, изображенной на рис.
9.6,а, не может быть выполнено условие (9.9). Для обеспечения
баланса моста схема должна быть построена, как показано на
ри. 9.6,6 или в.
Если считать, что неизвестным является Zi, т. е. Zi — ^x, a Z4
является образцовым Z4=Zo6P, то, как следует из (9.6),
Zx=(Z2/Z3)-Zo6p. (9.10)
Мосты, в которых образцовое сопротивление _Z06P включено в
смежное с неизвестным сопротивлением Zx плечо моста, называют
мостами отношения вспомогательных плеч, Мосты, в которых об-
разцовое сопротивление Z06P включено в плечо, противоположное
по отношению к неизвестному сопротивлению Zx, называются мос-
тами произведения вспомогательных плеч или мостами проводи-
мостей. Для них справедливо соотношение
Zx = Z2-Z4/Z-o6p =jZ2 Z4 Уобр. (9.11)
На практике для измерения активной и реактивной составляю-
сщих комплексного сопротивления удобно обеспечить раздельный
-отсчет этих составляющих. Под раздельным отсчетом подразуме-
вается такой режим, при котором активный и реактивный регули-
руемые элементы образцового сопротивления при балансе моста
• определяют соответственно только одну составляющую измеряе-
гмого комплексного сопротивления. Тогда один из регулируемых
элементов моста позволит отсчитывать активную, а другой — ре-
..активную составляющие измеряемого сопротивления.
Для мостов отношения вспомогательных плеч имеем:
2Х = (Z2/Z3) Zo6p = (Z2/Z3) (Яобр ~Ь j -'-обр)-
Рир. 9.6
:248.
Так как отношение сопротивлений вспомогательных плеч в
общем случае комплексное число, то
Z2/Z3 = a + j0. (9.12>
*Тогда, учитывая (9.10) и (9J12), получаем:
^x + j Хх = (а /?обр—р Ao6p) + j (a Xo6p4-p /?обр),
следовательно,
/?я = а/?обР Р -^обР> Хх = а -^обр + Р ^обр- (9.13)'
Из этих соотношений следует, что в общем случае мы не по-
лучаем раздельного отсчета: Rx и Хх определяются как активной
(#обр), так и реактивной (Хобр) составляющими образцового со-
противления Zo6p.
Для раздельного отсчета составляющих сопротивления Zx на
соотношения (9.13) йеобходимо наложить условия: либо а = 0, ли-
бо р = 0. Если а = 0, то Rx~—Р^обр, а Ах = ₽/?обр. Таким образом
активная составляющая Rx будет определяться только через
Лобр, а реактивная Хх — только через /?Обр.
Как следует из (9.12), для этого необходимо, чтобы отношение
вспомогательных сопротивлений Z2/Z3 было чисто мнимой величи-
ной, или
ф2—*рз=±л/2. (9.14)
Если Р=0, то Rx=aR06j>, а Хх = аХоеР. В этом случае необходи-
мо, чтобы отношение сопротивлений вспомогательных плеч было-
чисто вещественной величиной, или
ф2^Фз = 0. (9.15)
Аналогично можно доказать, что для мостов произведения
вспомогательных плеч требование раздельного отсчета приведет
к необходимости выполнения условий:
Фг+ф4= ±л/2 (9.16)
или
фг+ф4=0. (9.17)
Требование раздельного отсчета и необходимость соблюдения
обоих условий баланса положены в основу выбора параметров
плеч мостовых схем в промышленных приборах.
Из условий (9.8), (9.9) следует, что напряжение питания мос-
товой схемы должно быть синусоидальным. В противном случае
эти условия, выполняемые для основной частоты напряжения пи-
тания, могут оказаться невыполненными для частот гармоник и
напряжение на диагонали индикатора при балансе не будет рав-
но нулю, а лишь пройдет через минимум. Чтобы ослабить влия-
ние гармоник на точность индикации баланса моста, в цепи инди-
катора используют избирательные усилители. В качестве индика- ,
тора обычно применяют устройства, подобные электронным вольт-
метрам.
249
Погрешность измерительных мостов переменного тока содер-
жит следующие основные составляющие: погрешность за счет ог-
раниченной чувствительности мостовой схемы, погрешность за
счет неточности параметров схемных элементов моста (сопротив-
лений плеч), погрешность за счет паразитных емкостей и индук-
тивностей, имеющихся в схеме.
На высоких частотах основную роль играют паразитные ем-
костные связи элементов моста между собой, с источником пи-
тающего напряжения, измеряемым объектом и др. Их влияние
сильно возрастает по мере повышения частоты. Все это приводит
к тому, что баланс моста получается неустойчивым, так как внеш-
нее. воздействие (например, приближение или удаление экспери-
ментатора) влияет на паразитные емкости и поэтому повторные
измерения одной и той же величины дают различные результаты.
•Одним из способов ослабления паразитных емкостных связей яв-
ляется экранирование элементов моста. Однако эта мера расши-
ряет верхнюю границу рабочих частот всего до нескольких десят-
ков килогерц. Обычные четырехплечие мосты переменного тока в
указанных границах диапазона частот имеют погрешность поряд-
ка 0,5... 1 %.
В промышленной измерительной аппаратуре широко распрост-
ранены дифференциальные трансформаторные мостовые схемы. В
этих измерительных мостах (рис. 9.7) для измерения составляю-
щих комплексных сопротивлений используют свойства цепей с
сильной индуктивной связью, при которой отношения напряжений
и токов, действующих в цепях, строго определяются отношением
чисел витков обмоток трансформаторов. В схеме рис. 9.7 обмотки
Л] и /г2 трансформатора Трг включены согласно; обмотки п3 и
трансформатора Тр2 — встречно.
Условие равновесия мостовой схемы (Нвых = 0) выполняется в
том случае, если _/жЛз=_/обрЛ4, но £c = E,(«i/h) • (1/Z.T), а Л>бР =
— £(л2/л) • (1/^обр). Поэтому
у ___ у "з
^Х ^ОбР
— — п2 П4
(9.18)
Таким образом, условия равновесия мостаt определяются ста-
бильными и не зависящими от внешних факторов отношениями
чисел витков. Если создать цепи с возможностью раздельного из-
менения чисел витков трансформаторов для активной и реактив-
ной составляющих образцового сопротивления _Z06P, то может
быть обеспечен раздельный
Рис. 9.7
отсчет активной и реактивной состав-
ляющих измеряемого сопротивления Zx.
На основе мостовых схем промыш-
ленность выпускает ряд приборов для
измерения сопротивления, емкости и
индуктивности на нескольких часто-
тах.
В последнее время для измерения
параметров компонентов начали ис-
250
пользовать трансформаторные мостовые схемы, в которых
значение измеряемого комплексного сопротивления предва-
рительно преобразуют с помощью операционного усилителя в нап-
ряжение, подаваемое затем в цепь измерительного моста. Опера-
ционные усилители обеспечивают высокую защищенность схемы
от паразитных влияний, а трансформаторные плечи позволяют
получить высокие метрологические характеристики. Погрешность
таких промышленных приборов лежит в пределах десятых долей
процента.
Цифровые методы измерения параметров компонентов и це-
пей. В основу цифровых приборов положены различные принци-
пы измерения. Наиболее распространены приборы мостового ти-
па с поразрядным кодированием, с предварительным преобразо-
ванием сопротивления в пропорциональное ему напряжение; с
время-импульсным преобразованием.
На рис. 9.8 изображена схема цифрового моста для измерения
активных сопротивлений. К диагонали моста CD подключен ис-
точник постоянного напряжения. Для уравновешенного моста
справедливо соотношение RxR2 = RiRs, откуда измеряемое сопро-
тивление
Ях = Я3-7?1Д?2. (9.19)
В диагональ моста АВ включен нуль-орган, вырабатывающий
сигналы для автоматического подбора образцовых сопротивлений
и R2. Первое из которых (Ri) обеспечивает автоматический е»ы-
бор пределов измерения сопротивления Rx, а второе (R2) опреде-
ляет измеряемое сопротивление Rx. Выбранная последователь-
ность включения образцовых сопротивлений обусловлена кодом.
В цифровых мостах чаще всего используют код 2421, т. е. снача-
ла включают образцовое сопротивление «весом» 2, затем 4, за-
тем 2 и, наконец, 1. При переходе от старшей декады к младшей
сопротивления образцовых резисторов уменьшаются в 110 раз
(0,2—0,4—0,2—0,1 и далее 0,02—0,04—0,02—0,01). На этапе из-
мерения сопротивления Rx в плечо R2 включают последовательно
во времени четыре группы сопротивлений, обеспечивая 4-знач-
Рис. 9.8
251
ный отсчет сопротивления Rx. Компенсация моста фиксируется
нуль-органом.
Последовательность циклов работы цифрового моста обеспечи-
вается блоком управления. С помощью этого блока сначала вы-
бирают необходимый предел измерения (сопротивление Ri), за-
тем подбирают образцовые сопротивления и в последнем так-
те с блока управления подают сигнал на дешифратор, преобра-
зующий измерительную информацию (определяемую сопротивле-
ниями R2), в десятичный четырехразрядный код. Этим обеспечива-
ется цифровой отсчет измеряемого сопротивления.
Описанный принцип измерения позволяет реализовать универ-
сальные цифровые приборы для измерения R, С и L. Погрешность
таких приборов определяется следующими основными составляю-
щими: погрешностью дискретности и аппаратурной погрешностью
(точностью изготовления резисторов плеч моста, их стабильностью,
качеством коммутирующих узлов, погрешностью за счет конеч-
ного значения порога чувствительности нулы-органа).
В промышленной измерительной аппаратуре широко распрост-
ранены цифровые измерители активных сопротивлений, в которых
измеряемое сопротивление предварительно преобразуется в про-
порциональное ему напряжение с последующим измерением это-
го напряжения цифровым прибором. Иначе говоря, такой измери-
тель состоит из преобразователя сопротивление-напряжение и
цифрового вольтметра.
Принцип преобразования поясняет рис. 9.9,а, где 47ОбР — ста-
бильный источник питания схемы, R06P — образцовое сопротивле-
ние. Напряжение, действующее на измеряемом сопротивлении Rx,
несет информацию о значении этого сопротивления. Однако в дан-
ном простейшем случае не будет линейного преобразования соп-
ротивления в напряжение, так как с изменением Rx будет менять-
ся не только напряжение на нем, но и общий ток 70бр, протекаю-
щий через делитель iZ?06p, Rx- Поэтому функция преобразования
44 = (Rx/RoQp) 47ОбР(1 +6) будет нелинейной. В этой формуле ко-
эффициент б=—Rx/ (Ro6p+Rx) указывает на степень отклонения
функции преобразования от линейного закона. Значительная не-
линейность преобразования рассматриваемой схемы исключает
возможность ее применения в цифровых приборах для измерения
Rx с приемлемой для практики точностью. Используя в схемах
преобразователей, построенных по методу вольтметра — ампермет-
ра, операционные усилители, можно
практически исключить отмеченный
недостаток за счет обеспечения по-
стоянства тока 7Обр при изменении
Rx. Одна из распространенных схем
преобразователя показана на рис.
9.9,6. Измеряемое сопротивление Rx
включается в цепь отрицательной об-
ратной связи операционного усили-
теля. При условии, что входное сопро-
Рис. 9.9
252
тивление операционного усилителя велико, коэффициент передачи
такой схемы
^ЕЫ1 _KRx ____________________RX (Q 20)
Uo6p ^обр + Rx + KRo&p (Яобр + Rx)/K 4- Лобр
Когда коэффициент усиления операционного усилителя К-*~<х>
(практически-достаточно иметь /(=500... 1000), (9.20) принимает
следующий вид:
^вых = (^х/^обр) ^обр-
Следовательно, при постоянных R06p и Uoqp выходное напря-
жение схемы линейно зависит от измеряемого сопротивления Rx.
Погрешность приборов, построенных на основе рассмотренно-
го метода, зависит от погрешности R06p и нестабильности Uoqp и
лежит в пределах 1 ...2%.
В цифровых приборах, основанных на время-импульсном пре-
образовании, измеряемый параметр преобразуется во временной
интервал и затем измеряется методом дискретного счета. Упро-
щенная схема такого прибора для измерения емкости изображена
на рис. 9.10. Вначале управляющая схема включает ключ К и к
цепи Rof>p, Сх прикладывается напряжение Г/Обр (/?обр — образцо-
вое сопротивление, U06P — высокостабильное напряжение). Од-
новременно управляющая схема включает временной селектор и
на счетчик начинают поступать импульсы с кварцевого генерато-
ра. Под действием напряжения Uoqp потенциал конденсатора Сх
возрастает по закону (7сх= Ь\>бР[1—ехр(—//т)], где x=R06PCx.
Спустя время £=т, напряжение, поступающее на нуль-орган с
конденсатора Сх, U'Cx=V06p[ 1—ехр(—1)] =0,632{70бр, сравняется
с напряжением, поступающим на второй вход нуль-органа с де-
лителя Rt, R2 (t/i=0,632t/O6p). Нуль-орган выдаст импульс на уп-
Рис. 9.10
253
равляющую схему, которая разомкнет ключ. Подача импульсов
на счетчик прекратится. В результате на счетчик поступают п=
^frt=f?T: — frRo6pCx импульсов счета в течение времени /=т. Сле-
довательно,
Сх = n/f г/?обр. (9.21)
Таким образом, при постоянных Кобр и частоте колебаний
кварцевого генератора /г емкость Сх определяется числом импуль-
сов п. По окончании цикла измерения информации со счетчика
поступает на устройство цифрового отсчета. Выбирая разные зна-
чения R06p и частоты /г, можно изменять пределы измерения Сх.
Источниками погрешностей измерений являются: нестабиль-
ность частоты /г, погрешность дискретности, инструментальная
погрешность (определяемая стабильностью и точностью образцо-
вых элементов), нестабильность источника питания ЦОбР.
Из (9.21) следует, что тот же прибор можно использовать и
для измерения сопротивления. Для этого достаточно вместо Сх
включить образцовый конденсатор, а вместо R06p — измеряемый
резистор Кх- В этом случае сопротивление резистора определится
из формулы Kx = nlfTC06p. Для измерения индуктивности Ьх изме-
ряемую катушку следует включить вместо R06p (рис. 9.10), a R06p
включить вместо конденсатора Сх. В этом случае, после замыка-
ния ключа напряжение на R06p будет нарастать по экспоненте
с постоянной времени x=Lx/R06p. В момент t=x число импульсов,
зафиксированное счетчиком, будет равно n=fTx='frLxIRO6p, откуда
Lx=n/?o6p/fr. При постоянных /?обр и fr индуктивность будет опре-
деляться числом импульсов п.
9.3. КОСВЕННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
КОМПОНЕНТОВ И ЦЕПЕЙ
Косвенные измерения параметров компонентов и цепей обыч-
но выполняют методами вольтметра — амперметра и резонансным.
Метод вольтметра — амперметра. Этот метод основан на раз-
дельном измерении как постоянного, так и переменного тока, про-
текающего в цепи измеряемого сопротивления, и напряжения на
его зажимах (рис. 9.11,а). Метод вольтметра — амперметра целе-
сообразно применять на низких частотах для измерения индук-
тивности и емкости и на постоянном токе для измерения сопро-
тивления. Включив в схему на рис. 9.11,а в качестве двухполюс-
ника конденсатор, находим его емкостное сопротивление Хс=
= 1/аСх~ Udi, откуда емкость Cx = I/aUc. Здесь co = 2jrf — круго-
вая частота источника питания схемы. Если включить катушку
индуктивности, то можно определить ее индуктивное сопротивле-
ние XL=aLx=UЦ1 а индуктивность L = U/(d.
Для метода вольтметра — амперметра характерна системати-
ческая погрешность. При включении приборов так, как показано
на рис. 9.11,6, погрешность обусловлена тем, что амперметр пока-
зывает сумму токов /у и / и, следовательно, измеренное сопротяв-
254
a) 6) t)
Рис. 9.11
лете R=U/(U/RX+U/RV) =RX/(1+Rx/Rv) отличается от Rx. Здесь
Rv — сопротивление вольтметра. Относительная систематическая
погрешность в процентах определяется соотношением 6 =
Я—Rx Rx/Ry
== —-— -100=---------—— -100, из которого видно, что ме-
Rx ' т Rx!Rv
тодическая погрешность возникает из-за конечного значения сопро-
тивления Rv- При Rv^»~<x> д->0. Если Rv задано, то для умень-
шения погрешности важно выполнить условие Rx^Rv, т. е. с по-
мощью схемы рис. 9.11,6 целесообразно измерять малые сопро-
тивления. Исключить систематическую погрешность можно, вы-
числив Rx = R/(l+RIRv).
В схеме на рис. 9.Г1,в погрешность возникает из-за того, что
вельтметр показывает сумму напряжений U на Rx и UA на ам-
перметре. В этом случае (U+U а}/I а= И aRx +I aRa) IIа = Rx +
+Ra. Относительная погрешность 6= [(У?—Rx)!Rx] • 190 =
= (RaIRx) • 100, откуда следует, что данную схему предпочтитель-
нее использовать для измерения больших сопротивлений, когда
Ra- Методическую погрешность можно устранить, если из-
вестна Ra. Для этого достаточно из результата наблюдения вы-
честь значение Ra, которое в данном случае является поправкой.
Метод вольтметра — амперметра является типичным примером
косвенных измерений. При оценке погрешностей после исключе-
ния систематических составляющих следует воспользоваться со-
отношениями, приведенными в § 4.4.
Пример. Косвенным методом измерено сопротивление R. Уравнение кос-
венного измерения имеет вид R=U!I. Число измерений в серии 50. Получены
следующие результаты: t/ = 4Q,2±0,'8 В; р=0,95; /=56,3±1,2 А; р=0,95. Ко-
эффициент корреляции результатов наблюдений гщ=0. Найти результат изме-
рения.
В соответствии с (4.46) для вычисления частных погрешностей необходимо
определить производные dR/dU и dR/'d! и средние квадратические отклонения
01/ И О/. •»
Частные производные равны dRfdU =\R и dR/dl=—R/1. Учитывая, что
число наблюдений '50, воспользуемся таблицей интеграла вероятностей (прило-
жение I), из которого следует, что вероятйости 0,95 соответствует е = 2о. Из
условий задачи следует, что et/ = 0,8 и ez = l,2. Таким образом, ou — zu/tu =
=0,8/2 = 0,4; О/ =zi!ti = 1,2/2=0,6. Частные погрешности равны (dR/dU)au =
= (1//)ои = 0,4/56,3 = 7,1 10~3, (dRldl)o! = — (П//2)о, = (—40,2/56,32) -0,6 =
=— 7,6Г0-3. ’
255
Оценка К равна £=0/7 = 40,2/56,3 = 0,72 Ом. Учитывая, что коэффициенты
корреляции rui — О, среднее квадратическое отклонение о результата измерения
А’ найдем по формуле (4.46):
= )/(7.12 + 7,62)-10~6= 10-2 .
Задаваясь доверительной вероятностью р=0,95, имеем ея = 2о. Результат
косвенного измерения с указанием его достоверности:
£ = 0,72±0,02 Ом; р=0,95.
Резонансный метод измерения параметров компонентов и це-
пей. Резонансный метод широко используют для измерения на
низких и высоких частотах параметров линейных двухполюсни-
ков: индуктивности, емкости, добротности контуров и катушек ин-
дуктивности, тангенса угла потерь конденсаторов. Исследуемый
двухполюсник подключают к образцовому конденсатору или об-
разцовой катушке индуктивности, образуя колебательный контур.
Применяются две разновидности этого метода. Первая из них
основана на явлении резонанса, т. е. резком возрастании ампли-
туды вынужденных колебаний в контуре, состоящем из катушки
индуктивности и конденсатора, и зависимости резонансной часто-
ты от значений емкости и индуктивности. Это пассивный вариант
метода.
Во втором случае контур служит частично-задающей цепью
автогенератора и используется зависимость частоты автоколеба-
ний от реактивных параметров контура. Этот активный вариант
метода обычно называют генераторным. При таком методе коле-
бательный контур может иметь существенно более низкую резо-
нансную частоту, поскольку от контура не требуется высокой доб-
ротности (активное сопротивление контура компенсируется отри-
цательным сопротивлением, вносимым цепью обратной связи). Это
позволяет измерять большие емкости и индуктивности, чем в пер-
вом варианте. Отрицательной стороной генераторного метода яв-
ляется невозможность измерять активное сопротивление.
Пассивный вариант метода реализуется большей частью с по-
мощью прибора, именуемого измерителем добротности или кумет-
ром (рис. 9.12). Прибор содержит градуированный генератор
плавно регулируемой высокой частоты, колебательный контур,
составленный из образцового кон-
°5р . денсатора переменной емкости и
образцовой катушки индуктивно-
стщ делитель напряжения, обра-
зованный конденсаторами посто-
янной емкости Ci и Cz и связыва-
ющий генератор с колебательным
/"е пера тор
высокой
частоты
контуром, и два электронных
вольтметра, один из которых V\
Рис. 9.12
',56
измеряет напряжение на выходе генератора, а второй Г2— на об-
разцовом конденсаторе (Q-вольтметр).
Куметр снабжен комплектом образцовых катушек индуктив-
ности, подключаемых к клеммам Lx и позволяющих получить с
образцовым конденсатором любую резонансную частоту в преде-
лах частотного диапазона прибора. Кроме того, имеются две клем-
мы, обозначенные Сх, позволяющие включить параллельно образ-
цовому конденсатору измеряемый двухполюсник.
Вольтметр Vi имеет на шкале черту, соответствующую номи-
нальному значению напряжения е, вводимому последовательно в
контур. Шкала вольтметра V2 проградуирована в значениях доб-
ротности контура, что основано на соотношении E — Qe, где Е —
напряжение на емкости контура, Q — добротность, е — последо-
вательно введенное в контур напряжение.
Куметр с диапазоном частот от 50 кГц до 35 МГц снабжен об-
разцовым конденсатором, емкость которого может изменяться от-
25 пФ до 450 пФ.
Конденсатор С2 влияет на резонансную частоту наряду, с об-
разцовым конденсатором. Это влияние можно учесть, введя экви-
валентную емкость С’э = С’ОбрС,2/(СОбР + С2). Тогда для резонансной
частоты получаем
= 1/Тэфф са. (9.221,
Для измерения индуктивности катушку включают
в контур куметра к клеммам Lx и, установив требуемую частоту
генератора, настраивают контур в резонанс, изменяя емкость об-
разцового конденсатора. Индуктивность вычисляется по формуле
(9.22). При этом получается эффективная индуктивность, отличаю-
щаяся от действительной из-за неучтенной собственной емкости
Со катушки. Эта емкость складывается из емкостей между отдель-
ными витками обмотки и считается включенной между ее кон-
цами. ____
На частоте <ао= 1/V^LCo, называемой собственной частотой, в
катушке возникает резонанс индуктивности с собственной ем-
костью. На этой частоте катушка обладает чисто активным соп-
ротивлением. На частотах, выше собственной, ее сопротивление
емкостное.
На частоте <a<C(i)o эквивалентную схему катушки можно пред-
ставить последовательным соединением эффективной индуктивнос-
ти £ЭФФ и активного сопротивления гэфф- Эти параметры можно
выразить через действительные значения индуктивности и актив-
ного сопротивления формулами:
~ l-^/cooP ; Гэ*Ф ~ (1-Jwo)2 ’
которые показывают, что оба эффективных значения больше дей-
ствительных.
9—1® 2577
Собственную емкость катушки можно найти из результатов
Двух настроек контура на разные частоты ®i= ]/l/L(C3i + C0);
®2= ]/"1/£(СЭ2+Со), откуда Со= (<в22Сэ2—со21СЭ1)/(<в21—со2г). Для
удобства вычислений можно (положить <bi = 2<B2, тогда
Со= (Саг—4СЭ1)/3.
Теперь можно определить значение индуктивности, свободное
ют влияния собственной емкости катушки: Л=1/®22(СЭ2+Со).
Пренебрегая потерями в образцовом конденсаторе, для тока
в контуре и для напряжения на конденсаторе при резонансе мож-
но записать: / = е/гЭфф; £, = е/<орСэгЭфф. Кроме того, 1/<вРСэ =
= <оРЛЭфф. Отсюда получим выражение для добротности:
__ Е __ 1 __ СОр Лэфф
е Фр б* а гэфф гэфф
Учитывая исключительно малые потери образцового конденса-
тора куметра, измеренное значение добротности контура можно
считать одновременно и добротностью катушки.
При измерении добротности произвольного кон-
тура его катушка индуктивности подключается к клеммам Lx,
а конденсатор — к клеммам Сх куметра. Образцовый конденсатор
устанавливается на минимальную емкость и производится наст-
ройка в резонанс изменением частоты генератора. Добротность
отсчитывается по шкале вольтметра V2, проградуированной в еди-
ницах добротности. Измерение происходит на частоте, более низ-
кой, чем резонансная частота измеряемого контура, поскольку па-
раллельно емкости контура включена емкость образцового кон-
денсатора. Полагая сопротивление контура одинаковым на обоих
частотах, можно показать, что измеренное значение добротности
получилось заниженным. Обозначим параметры измеряемого кон-
тура через LK, Ск, гк. Тогда его добротность:
Q = Р _. бк/Ск
гя гк ’ ____________
г-, V6K/(CK+Собр)
При наличии образцового конденсатора Qi—------------—------- • .
Отсюда QK = Qi 4-С’обр/С’к.
Последняя формула позволяет получить более точное значение
измеряемой добротности, если известна емкость конденсатора кон-
тура Ск.
С помощью куметра можно измерить активную и реак-
тивную составляющие сопротивления или про-
водимости любого линейного двухполюсника. К клеммам Lx
подключают одну из образцовых катушек индуктивности. Контур
куметра настраивают в резонанс на требуемой частоте и отсчиты-
вают значения емкости C06pi образцового конденсатора и доброт-
ности Qi контура. Затем исследуемый двухполюсник подключают
к контуру одним из двух способов: параллельно образцовому кон-
денсатору или последбвательно с катушкой, и контур вторично
258
настраивают в резонанс на той же частоте, изменяя емкость об-
разцового конденсатора. Отсчитывают новые значения емкости
Собрг и добротности Q2.
Способ включения двухполюсника зависит от модуля его соп-
ротивления. Если последний меньше характеристического сопро-
тивления контура, то двухполюсник включают последовательно с
катушкой, в противном случае — параллельно конденсатору.
Полное сопротивление последовательно включенного двухпо-
люсника
1 I \ . 1 / 1 1
Qi Собрг Qi Co6pi / ® \ Собрг Co6pi
Полное сопротивление и полная проводимость параллельно1
включенного двухполюсника:
. (9.23)
7 _ Ql Qz । ; 1
“*179 D ~ “Г” I .
- со Собрс (Q1—Qz) Ю (Собрг—C06pi)
^пар = ® СобР1 ( 7 I + J 0) (СОбР1 Собр2).
\ чг Vi /
(9.24)
(9.25)
Рассмотрим частные случаи.
При измерении сопротивления резистор-а малого
значения он включается последовательно с катушкой. При отсут-
ствии у резистора реактивности резонансная настройка сохраня-
ется (Co6pi= Собрг), но уменьшается добротность: Q2<Qi. Из
(9.23) получим
ш СОбр 1 \ Qi Qi 1
Наличие реактивности индуктивного характера потребует-
уменьшения емкости конденсатора при второй настройке (Coqpi>
>Собрг). В результате в соответствии с (9.23) мнимая часть будет
положительна. При емкостной реактивности резистора СОбР1<
< Собрг и мнимая часть отрицательна.
Резистор с большим сопротивлением включают параллельна
конденсатору. При отсутствии реактивности из (9.24) получим
___)______Qi Qz
и бобр 1 Qi Qi
При измерении емкости конденсатор, емкость кото-
рого меньше разности СОбРшах—C06pmin, включают параллельно
образцовому конденсатору. Первоначальную настройку контура
(без измеряемого конденсатора) производят при емкости образ-
цового конденсатора, удовлетворяющей соотношению: (C06pi—
—Собр min) > Сх. Для второй резонансной настройки емкость образ-
цового конденсатора необходимо уменьшить на значение измеряе-
мой емкости. Получаем Cx=C06pi—Собрг.
Добротность при включении измеряемого конденсатора умень-
шается, поскольку потери в последнем обычно больше, чем в об-
9* 25»
разцовом. Формула (9.25) представляет эти потери в виде экви-
валентной активной проводимости.
Конденсатор, емкость которого Сх> (Собртах— Собрпнп), дол-
жен включаться последовательно с катушкой. Из (9.23) для из-
меряемой емкости получаем Сх = Собр1Собр2/(СОбр2—СОбР1).
Чтобы погрешность знаменателя была того же порядка, что и
погрешность отсчета входящих в него емкостей, разность послед-
них должна быть максимальной. Это будет при СОбР2=Собртах. С
этой точки зрения желательно вначале настроить в резонанс кон-
тур с включенным измеряемым конденсатором и максимальной
емкостью образцового конденсатора изменением частоты генера-
тора, а затем при той же частоте настроить контур без измеряе-
мого конденсатора, уменьшая емкость образцового конденсатора
що значения СОбР1.
Индуктивность измеряемой катушки может быть слиш-
ком мала или слишком велика для включения вместо образцовой
(резонансная частота выходит за пределы частотного диапазона
генератора). В этом случае в куметр включают одну из образцо-
вых катушек, а измеряемую в зависимости от индуктивности вклю-
чают последовательно с образцовой катушкой (малая индуктив-
ность) или параллельно образцовому конденсатору (большая ин-
дуктивность). В первом случае вычисление производится по фор-
муле (9.23), а во втором — по формуле (9.24).
Если измеряемая катушка индуктивности может быть включе-
на вместо образцовой, результат измерения находят по формуле
Lx=ll/co2(Co6p4-Co), где Собр — емкость куметра, Со — собствен-
ная емкость катушки.
Существует несколько источников погрешности измерения ку-
метром:
погрешность градуировки образцового конденсатора (около
1%);
погрешность частотной градуировки генератора (около 1%);
погрешность установки выходного напряжения генератора и
погрешность вольтметра У2 (около 5%);
неточность настройки в резонанс (около 0,5% по частоте и
около 1 % по емкости).
При некоторых измерениях погрешность определяется только
частью этих источников. Наименьшая погрешность имеет место
при измерении емкости конденсатора, включенного параллельно,
так как здесь проявляются только первый и четвертый источники
(около 2%). Несколько больше погрешность при измерении ин-
дуктивности катушки (при любом включении), поскольку здесь
добавляется погрешность определения частоты генератора (около
4%). Такого же порядка погрешность можно ожидать при изме-
рении емкости последовательно включенного конденсатора. Боль-
шая погрешность имеет место при измерении добротности (около
5%). Еще большая погрешность может быть при определении
активных частей полных сопротивлений двухполюсников, особен-
260
но конденсаторов, потери которых малы и поэтому слабо влияют
на добротность контура.
Куметры позволяют измерять практически все параметры двух-
полюсников. Однако непосредственный отсчет возможен только
при измерении добротности и сравнительно узкого диапазона,
значений индуктивности на нескольких фиксированных частотах.
В остальных случаях измерения являются косвенными. Расчет
погрешности измерений может быть выполнен с помощью форму-
лы (4.46). В качестве примера произведем расчет погрешности
измерения индуктивности.
Пример. Определить предел абсолютной и относительной погрешности из-
мерения индуктивности косвенным методом на основе соотношения Лх=^,
= 1/<в2(Собр + Со).
Из формулы (4.46) имеем
дLx дLx
&LX= — Д со —— Д Собр 4
о со о Собр
dLx
дС0
ьса,
где Дсп, ДСовр и ДС0 — абсолютные систематические погрешности ш, Совр и С».
Частные производные равны: <9АХ/Ао=—2/<а3(СОбр + С0);
с^х/<5Собр=—‘1 /оэ(Ск + Со)2; dLx/дС^ — 1/со^(С0бр + Со)2.
Предел абсолютной погрешности измерения
—2 1
&LX = ,.г , 1 г \2 (дсобр4-дс0).
(Собр 4* Со) (О’ (Собр 4" Со)2
Предел относительной погрешности измерения
Д L 2______ ____________1_______
~L = — о3 (Собр 4-Со) I Л <о2 (Собр 4- Со)2 L (Л Собр + Д Со) •
При резонансе Л(СОбр + С0) =4/со2, следовательно, окончательно имеем
__ Д С __ А А Србр Д Ср
L L со СОбр + Со Собр + Со
Генераторный вариант резонансного метода. Обычно для реа-
лизации этого варианта применяется схема, изображенная на
рис. 9,13. Она содержит два одинаковых генератора, в колебатель-
ных контурах которых имеются катушки с равными индуктивнос-
тями.
Контур генератора 2 содержит образцовый конденсатор пос-
тоянной емкости и небольшой подстроечный конденсатор, с по-
мощью которого устанавливается первоначальное равенство час-
тот обоих генераторов. Контур генератора 1 содержит три образ-
цовых конденсатора: постоянной емкости С'о, переменной емкости
Сюбр и ступенчато измеряемой емкости С20бР. Емкость последнего
конденсатора может изменяться от нуля ступенями, равными мак-
симальному изменению емкости переменного конденсатора. В на-
чале любого измерения емкости конденсаторов С10бР и С2обр уста-
навливаются равными нулю.
Равенство частот генераторов индицируется по нулевым бие-
ниям с помощью телефона или по визуальному индикатору.
261
Рис. 9.13
Измеряемая катушка индуктивности включается в
контур генератора 2 последовательно с катушкой контура. После
этого увеличивают емкость переменного конденсатора С10бр до
достижения равенства частот обоих генераторов. Тогда имеет
место равенство: (C'a+Ci06p)L'o=C"o(L"0+Lx). Поскольку из на-
чального равенства частот следует C'oL'o=C"oL"o, получаем
Lx = L'Clo6p/C; (9.26)
Таким образом, измеряемая индуктивность пропорциональна
емкости образцового переменного конденсатора. Для расширения
пределов измерения индуктивности оба генератора выполняются
с несколькими частотными поддиапазонами, переключение кото-
рых сопровождается сменой катушек индуктивности в контурах.
Переходу на соседний диапазон соответствует 10-кратное измене-
ние индуктивности, а следовательно, такое же изменение коэффи-
циента пропорциональности в формуле (9.26).
При измерении емкости конденсатор включается па-
раллельно конденсатору контура генератора 2. Последующее ра-
венство частот достигается увеличением емкости образцовых кон-
денсаторов С1обр и Сгобр в контуре генератора 1. Аналогично пре-
дыдущему можно получить выражение для измеряемой емкости:
= ^ОбР LQ/LQ,
из которого видно, что может иметь место погрешность за счет
неточного равенства индуктивностей в контурах. Эта погрешность
устраняется включением измеряемого конденсатора в контур ге-
нератора 1, но при этом невозможно измерять емкости, большие
начальной емкости контура. Измерение производится в одном час-
тотном диапазоне.
Можно указать следующие источники погрешности в генера-
торном варианте резонансного метода:
погрешность отсчета емкости образцовых конденсаторов;
262
различие в индуктивности одновременно включенных контур-
ных катушек генераторов;
неточное равенство частот генераторов.
Наибольшую роль играет первый источник — обусловленная
им погрешность присутствует во всех измерениях (около 0,5%).
Второй источник вносит погрешность только при измерении ем-
кости. Эта погрешность зависит от качества изготовления катушек
и может составлять 0,1 ...0,2%.
Погрешность от третьего источника еще меньше и ее практи-
чески можно не учитывать.
В электронн о-с четном измерителе добротнос-
ти контура используется явление уменьшения во времени
амплитуды свободных колебаний в контуре, при которых для нап-
ряжения на конденсаторе можно написать:
Uc = Ui exp (— rt/2 L) cos сос t,
где Ui — амплитуда колебаний в момент i = 0, йс = <вр У 1—1/4Q2 —
частота свободных колебаний; <вр — резонансная частота контура;
г — активное сопротивление, a Q — его добротность. Учитывая,
что
г __ г ~|/ C/L _ сор
2 Ь 21/LC 2 Q '
и пренебрегая различием между <вр и а>с, получаем
Wc = ^iexp( — coscop/.
В момент t=QTp амплитуда свободных колебаний уменьшает-
ся до £/2=£Лехр(—я). Это означает, что счет числа периодов сво-
бодных колебаний в течение времени, за которое их амплитуда
уменьшается в ехр л раз, позволяет найти значение добротности.
Схема прибора изображена на рис. 9.14. Для фиксации на-
чальной амплитуды свободных колебаний конденсатор контура,
отключенный от катушки индуктивности, предварительно заряжа-
263
ется до напряжения Е от источника постоянного напряжения. В
момент t=0 конденсатор контура отсоединяется от источника и
подсоединяется к катушке. При этом Ut=E. Поступление импуль-
сов на счетчик прекращается, когда амплитуда свободных ко-
лебаний станет меньше напряжения Еехр(—л), снимаемого с
делителя.
В таком измерителе добротности имеются следующие источни-
ки погрешности:
нестабильность порога ограничения;
нестабильность коэффициента передачи делителя напряжения;
сопротивление замкнутого контакта переключателя;
погрешность дискретности;
зависимость частоты свободных колебаний от добротности;
входное сопротивление ограничителя.
Вторым источником можно пренебречь по сравнению с первым,
поскольку стабильность линейной цепи может быть существенно
выше стабильности нелинейной цепи, а пятым источником мож-
но пренебречь по сравнению с четвертым. Погрешности, обуслов-
ленные остальными источниками, можно оценить следующим об-
разом.
Относительная погрешность от нестабильности порога ограни-
чения
Д Q _ In (1 — 6)
Q л
где 6 — относительная нестабильность порога ограничения.
Относительная погрешность от сопротивления гк замкнутого
контакта переключателя и входного сопротивления 2?Вх ограничи-
теля
Д Q _ гк Д Q _ _______ р2
Q г Q г Rstl
где г — последовательное сопротивление измеряемого контура, а
р — его характеристическое сопротивление.
Наконец, относительная погрешность дискретности:
В заключение следует отметить, что электронно-счетный измери-
тель добротности не является универсальным прибором, посколь-
ку не позволяет измерять другие параметры контура.
9.4. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ '
ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ И ТРАКТОВ
С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПОСТОЯННЫМИ
В технике связи на сверхвысоких частотах (СВЧ) широко при-
меняют кабели, волноводы, световоды различной конфигурации и
размеров. В измерительной технике на этих частотах в основном
264
используют отрезки коаксиальных и полосковых линий, а также
круглых и прямоугольных волноводов различного поперечного
сечения. В табл. 9.1 приведены соотношения, характеризующие
эти линии и волноводы.
Поскольку на СВЧ трудно или вовсе невозможно измерять аб-
солютные значения напряжений или токов, определяют их отно-
сительные значения.
Таблица 9.1
Поперечное*сечение и распреде- ление составляющих поля валя- ниях передачи СВЧ Волновое сопротивление ZB Длина волны Лд
Коаксиальная линия
D
60 In —
Круглый волновод с волной #oi
377 Л,
У1 —(Хо/1.64/?)2 1/1 —(?.0/1,64/?)2
Прямоугольный волновод с волной
Примечание: Ло — длина
трическая проницаемость.
________377
1/1 —(Хо/2а)2
Полосковая линия
120лЛ
W
_______7-о_____
V1 —(Х0/2а)8
волны в свободном пространстве;
е_ — относительная диэлек-
265
Измеряемые величины. На рис. 9.15,а изображена линия пере-
дач СВЧ. С одной стороны ее подключен генератор синусоидаль-
ных колебаний, а с другой — сопротивление нагрузки В ли-
нии имеет место интерференция волн, распространяющихся в про-
тивоположных направлениях.
Амплитуда суммарного напряжения U (t, I) на расстоянии I от
нагрузки можно определить из уравнения для’ волн напряжений
и токов (или электрических Е и магнитных Н полей):
U(t, Z) = Z7n exp (j у Z) + Z70 exp (—jyZ), (9.27)
где t — время; Un и Uo — амплитуды падающей и отраженной
волн напряжений; у = р—ja — комплексная постоянная распрост-
ранения, символизирующая волновой процесс; a — постоянная
затухания; р=2л/Хл — фазовая постоянная; Хл — длина волны
в линии.
При измерениях на СВЧ во многих случаях пренебрегают по-
терями в линии (а~0), тогда уравнение (9.27) можно преобра-
зовать следующим образом:
U (t, l) = Ua^(]$l) [i+ exp(-jpZ)J=t/nexp(j₽Z)[l +
+ |Г| exp j (ср—2PZ)], (9.28)
где Г = U0/Un= |Г|ехр jcp — комплексный коэффициент отражения;
<р — фазовый угол коэффициента отражения.
Модуль уравнения (9.28)
\U{t, Z)| = |L/n| 11 4-[Г] exp j (Ф-2₽ Z)J. (9.29)
На рис. 9.15,6 показана векторная диаграмма, интерпретирую-
щая уравнение (9.29). Отрезок АС=1; геометрическая сумма от-
резков АС и СВ (отрезок АВ) определяет модуль напряжения в
конце линии на нагрузке (при Z=
генератору в сторону возрастания
ние суммарного напряжения при
0). Перемещаясь от нагрузки к
Z, мы будем наблюдать измене-
вращении отрезка СВ вокруг
точки С по часовой стрелке с
угловой скоростью 2р. На
рис. 9.15,в изображено пе-
риодическое изменение сум-
марного напряжения в пря-
моугольной системе координат
(картина стоячих волн на-
пряжения). Как следует ив
рис. 9.15,0 и уравнения (9.29),
'Л7иа:. форма стоячих волн отличает-
ся от синусоидальной и за-
висит от модуля |Г|, а фазо-
вый угол ср коэффициента отра-
жения определяет только их
расположение относительно
конца линии.
266
Очень часто в технике СВЧ измеряют отношение напряжения
U(t, I) к току l(t, Z), которое определяет полное комплексное
сопротивление Z в данном поперечном сечении линии:
Отношение напряжения к току падающей или отраженной вол-
ны определяет волновое сопротивление линии:
U U
ZB=^=^. (9.31)
“ 2п Jo
С учетом этого соотношения (9.30) нетрудно преобразовать сле-
дующим образом:
Z=ZB1±|. (9.32)
Уравнение (9.32) приводит к выводу, что измерение Z сводит-
ся к измерению Г, поскольку ZB — чисто активная величина и оп-
ределяется геометрическими размерами линии и типом волн (см.
табл. 9.1). С математической точки зрения уравнение (9.32) со-
ответствует конформному преобразованию.
Таким образом, основным параметром цепей на СВЧ являет-
ся комплексный коэффициент отражения Г. Измерение и конт-
роль этого параметра производится в широком СВЧ диапазоне с
помощью измерительных линий, направленных ответвителей, мос-
тов и других устройств.
Измерительные линии. В измерительных линиях используют
отрезки коаксиальных и волноводных линий передач. Часто вмес-
то коаксиальной линии применяют видоизмененную линию, цент-
ральный проводник которой остается цилиндрическим, а внешний
представляет собой две массивные параллельные пластины (рис.
9.16,а). Основные преимущества такой линии: простота и меха-
ническая прочность конструкции, ничтожно малая эквивалентная
ширина щели при относительно большом расстоянии между внут-
ренними плоскостями пластин.
На рис. 9.16,6 представлена измерительная линия с параллель-
ными пластинами. В промежуток между пластинами погружен
зонд 1, обеспечивающий связь детекторной головки 2 с полем в
линии и поглощающий какую-то незначительную часть энергии
в линии.
Детекторная головка вместе с зондом укреплена на подвиж-
ной каретке, которая может перемещаться по направляющим
вдоль щели. К каретке прикреплен визир, позволяющий отсчиты-
вать значение линейного перемещения каретки (зонда) по деле-
ниям линейки 7. Детекторная головка состоит из настраиваемого
с помощью плунжера резонатора 3, с которым кристаллический
детектор связан петлей (реагирующей на магнитное поле резона-
тора). В цепь детектора включен индикатор 4 — магнитоэлектри-
267
Рис. 9.16
ческий прибор (если генератор СВЧ колебаний формирует не-
прерывный сигнал) или измерительный усилитель (при модулиро-
ванном сигнале СВЧ генератора). Продетектированное напряже-
ние находится в определенной зависимости от наводимой в зон-
де ЭДС, которая в различных точках линии претерпевает измене-
ние, поэтому индикатор будет показывать изменение напряжения
вдоль линии.
Рассмотрим методики измерений длины волны (частоты), ком-
плексного коэффициента отражения и полного сопротивления о
помощью измерительной линии.
Измерение длины волны (частоты) сводится к опре-
делению расстояний между минимумами стоячей волны напряже-
ния в линии, поскольку их положение определяется более точно,
чем положение максимумов. Из рис. 9,15,6 и в можно сделать вы-
вод, что минимумы напряжений получаются тогда, когда векторы
АС и СВ направлены в противоположные стороны, т. е. <р—=
— —пл, а полный цикл изменения модуля напряжения соответст-
вует приращению 2р/=2л. Отсюда ? = 2л/2р = 2л/4л/Лл=%л/2, а
Ъ = * (С.п-С.п), (9-33)
где Z'min и /"min — расстояния от конца линии до двух соседних
минимумов.
Из формул, приведенных в табл. 9.1, следует, что в ко-
аксиальной линии и 1л2>Хо в волноводе.
Значение частоты определяется по формуле
/=с0Дл, (9.34)
где Со — скорость света в свободном пространстве.
Измерение комплексного коэффициента от-
ражения состоит в определении значений его модуля |Г| и
фазового угла <р,
268
Модуль коэффициента отражения определяется путем измере-
ния коэффициента стоячей (/Сети) и бегущей (Лбв) волны напря-
жения:
*сто= , (9.35)
^mln ^max
где Ксви и Кбв — вещественные числа, поскольку Z7max = | (7П| 4-
+ 11/0| и <р = 0, a Umin = | Un | — |L70| и ф=л; соответственно.
Между коэффициентом отражения и величинами /Сети и Дб»
существуют довольно простые соотношения:
откуда
щ - ; И'= <9-37*
Лет и Л 1 1 —
При измерении Кети и Кбв определяются показания индикатора
измерительной линии а, соответствующие максимальным и мини-
мальным амплитудам (amax, amIn) напряжений в линии.
В общем случае a = kUm, где k — коэффициент пропорциональ-
ности. Значения степенного показателя зависят от характеристи-
ки детектора. При малых токах детектора /па; 2, тогда
ясто= 1/^; Лбв= 1/^ • ‘ (9.38)
’ amin ' amax
При измерениях больших КСви растет относительная погрешность
отсчета апцп. Поэтому обычно ограничиваются измерением Кети~
«3. Большие значения Кети необходимо измерять методом «уд-
военного минимума» (рис. 9.17). В этом случае (при т = 2) пока-
зания'индикатора с учетом (9.29) равны:
a~k U2 [1 + |Г|24-2 |Г|соз (ф—2pZ)]. (9.39
Поскольку в минимуме напряжения <р—2pZmin =—пп, показания
индикатора апип=&£72п(1 + |Г|2—2|Г|), тогда его удвоенные пока-
зания
2amin=fcU2(l + |r|-2|ricospA I). (9.40)
Подставляя в (9.40) значение ат1п и выражая |Г| через Kc»tr,
получаем
КСти= j/1 + l/sin2 • (9.41)
Фазовый угол коэффициента отражения связан с расположени-
ем стоячих волн в линии передач, которое, как было замечено,
можно установить путем измерения расстояния от конца линии,
до ближайшего минимума стоячей волны напряжения. Тогда <р=
2pZ/m[n (рис. 9.15,6 и в). Однако геометрическое и электрическое
положения конца линии не совпадают (наличие неоднородностей
269»
Рис. 9.17
в виде опорных шайб, переходов,
разъемов). Поэтому за начало
отсчета принимают при измере-
нии условный конец, который оп-
ределяется путем короткого замы-
кания конца линии. Образующие-
ся при этом стоячие волны напря-
жения имеют узлы напряжения,
повторяющиеся через Лл/2. Прак-
тически любой узел напряжения
можно считать местом включения короткого замыкания, т. е. ус-
ловным концом линии. Тогда, исходя из рис. 9.18, 1тт = 1кз—In, где
•— расстояние от конца линии до ближайшего узла напряже-
ния при коротком замыкании, a ZH — расстояние до ближайшего
минимума йри включенной нагрузке.
Обращаясь снова к рис. 9.15,6, приходим к выводу, что нап-
равление отсчета изменилось на обратное и расчетный угол коэф- '
фициента отражения определяется теперь так:
<р = л-2 0Zmln = л-2₽ (ZK3-ZJ. (9.42)
Вычисление полного сопротивления нагрузки Zn сводится к
конформному преобразованию уравнения (9.30) при известных | Г |
и <р. Практически эта задача решается с помощью готовых круго-
вых диаграмм, весьма упрощающих вычисление искомых значе-
ний активного и реактивного сопротивлений нагрузки по измерен-
ным значениям Лети или Лев и <р.
В заключение необходимо обратить внимание на важную за-
кономерность, знакомство с которой позволяет оценить знак реак-
тивного сопротивления нагрузки. На рис. 9.18,6 показано измене-
ние по закону jXK3=jZB tg₽Z сопротивления закороченной на кон-
це линии. Индуктивному сопротивлению XL нагрузки соответству-
ет эквивалентное удлинение линии в пределах от 0 до Хл/4, а ем-
костному Хс — от Хл/4 до Хл/2. Следовательно, минимум стоячей
волны напряжения в первом случае может быть сдвинут относи-
570
тельно условного конца линии в сторону нагрузки на значение
О — Хл/4, а во втором — на Хл/4—Лл/2. Если сдвиг минимума ог-
раничен условием /т1п^Хл/4, следует оговорить направление сдви-
га. При Хь сдвиг по-прежнему отсчитывается в сторону нагрузки,
а при Хс — в сторону генератора. Это условное изменение отсче-
та не имеет никакого отношения к временным свойствам индук-
тивности и емкости, а получается вследствии периодического пов-
торения стоячих волн в линии.
Основные составляющие погрешности измерительных линий
вызваны шунтирующим действием зонда; неравномерностью поля
в линии; отражениями от краев щели, фланцев, коаксиальных
разъемов; механизмом индикации. Суммарная погрешность изме-
рений у стандартных коаксиальных линий составляет 6...7%, а
волноводных — несколько меньше, 4...5%.
Кроме измерительных линий с продольной щелью и переме-
щающимся вдоль нее зондом, известны двущелевые линии с не-
подвижным зондом и фазовращателем, бесщелевые с короткозамк-
нутой нагрузкой с переменной фазой и другие конструкции, одна-
ко они применяются крайне редко.
Измерительные направленные ответвители. Направленные от-
ветвители позволяют определять амплитуды падающих и отра-
женных волн, 'распространяющихся по СВЧ линиям передач. Ча-
ще всего применяют волноводные ответвители. На рис. 9.19,а
изображен однонаправленный ответвитель. Под воздействием то-
ков, протекающих по стенкам основного волновода, щели А и В
возбуждают во вторичном волноводе электромагнитные волны, ко-
торые распространяются в разные стороны. На рис. 9.19,6 показа-
ны схемы сложения возбуждающихся волн. Если энергия падаю-
щей волны Рп распространяется слева направо, то поле, возбуж-
денное щелью А, сложится в фазе с полем, возбужденным щелью
В, так как пути (Хл/4), пройденные ими, равны. Энергия суммар-
ного поля Р'п во вторичном волноводе поглотится нагрузкой. По-
ля этой волны, распространяю-
щиеся от щели В к щели А (опра-
ва налево), сложатся в противо-
фазе, так как их пути будут
отличаться на полволны и, если
они равны, то взаимно уничто-
жатся, т. е. Р"п^0. Таким об-
разом энергия поля, возбужда-
ющегося во вторичном волно-
воде под действием падающей
волны, не вызовет тока в цепи де-
тектора.
Аналогичное рассмотрение
процесса сложения полей, воз-
бужденных щелями А и В при
распространении энергии отра-
женной волны, позволяет сделать
Основной „
Рис. 9.19
27£
вывод о том, что ток, вызываемый в цепи детектора, будет пропор-
ционален мощности Р'о.
Для измерения коэффициента отражения используют два по-
следовательно включенных однонаправленных ответвителя, каж-
дый из которых определяет мощность волны, соответствующую Ра
либо Ро. Отношение мощностей во вторичном волноводе является
мерой коэффициента отражения в основном тракте:
~ = |Г|2- (9.43)
Рп П
Для измерения коэффициента отражения также применяют
двунаправленные ответвители, которые позволяют сравнивать
мощности волн, распространяющихся в двух направлениях. Одна-
ко в таких ответвителях возникают дополнительные погрешности
и точность измерения коэффициента отражения падает.
Возможно сочетание направленного ответвителя с измеритель-
ной линией. На первом этапе измерений в этом случае наблюде-
ния ведутся по индикатору направленного ответвителя. Когда
коэффициент отражения уменьшится, продолжают измерения с по-
мощью измерительной линии. В других случаях направленный от-
ветвитель измеряет модуль, а измерительная линия — фазовый
угол коэффициента отражения. Погрешность измерения в таких
случаях выше, чем у измерительной линии, но появляется воз-
можность непрерывного контроля процесса согласования в тракте
СВЧ.
Направленные ответвители являются основным элементом ав-
томатических измерителей коэффициента стоячей волны напряже-
ния.
9.5. ИЗМЕРЕНИЕ АМПЛИТУДНО-
И ФАЗОЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦЕПЕЙ
Измерители амплитудно-частотных (ИАЧХ) и фазочастотных
(ИФЧХ) характеристик относятся к группе приборов для наблю-
дения и исследования характеристик радиоустройств. Измерить
амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) четырехполюсника,
т. е. зависимость коэффициента передачи четырехполюсника от
частоты, можно с помощью перестраиваемого генератора и вольт-
метра. В этом случае искомая зависимость строится по точкам.
При этом возможны потери отдельных элементов АЧХ в промежу-
тках между ними. Процедура измерения занимает сравнительно
много времени, в течение которого возможно изменение измеряе-
мой АЧХ под воздействием различных дестабилизирующих фак-
торов.
Измерительная задача решается более оперативно при исполь-
зовании специального панорамного измерителя АЧХ с осциллог-
рафическим индикатором. Отечественные приборы для исследова-
ния АЧХ обозначаются «XI». Упрощенная функциональная схема
272
Рис. 9.20
измерителя АЧХ с ЭЛТ приведена на рис. 9.20, а временные ди-
аграммы, поясняющие его работу, на рис. 9.21.
Измерительный сигнал вырабатывается генератором качаю-
щейся частоты, которым управляет пилообразное напряжение, по-
ступающее с генератора модулирующего напряжения (рис. 9.21,а).
В результате воздействия модулирующего напряжения частота
синусоидального колебания генератора качающейся частоты
<
Рис. 9.21
273
(ГКЧ) изменяется по линейному закону, как показано на рис,
9.21,6, от /max до fmin. Средняя частота fCp соответствует режиму
собственной настройки ГКЧ при отсутствии модулирующего
напряжения. После окончания одного периода модулирующего
колебания частота ГКЧ возвращается к значению fmin и снова
возрастает по линейному закону. Заметим, что ГКЧ должен вы-
рабатывать частотно-модулированные колебания без .паразитной
амплитудной модуляции, так как при измерении АЧХ должна
изменяться только частота измерительного сигнала. Это наклады-
вает определенные трудности на конструирование ГКЧ.
Модулированный по частоте сигнал с ГКЧ поступает на уси«
литель и аттенюатор. Усилитель служит для усиления измери*
тельного сигнала, а также исключения влияния перестраиваемого
аттенюатора на ГКЧ. Аттенюатор в совокупности, с усилителем
позволяет изменять в широких пределах напряжение выходного
сигнала, что необходимо, поскольку каждый исследуемый четы-
рехполюсник может иметь свой коэффициент передачи. Например,
при измерении АЧХ заграждающего фильтра может возникнуть
необходимость в подаче измерительного сигнала большой ампли-
туды. При измерении АЧХ усилителя с большим коэффициентом
усиления выходной сигнал прибора, наоборот,- должен быть ма-
лым. Вход исследуемого четырехполюсника соединяется с выхо-
дом измерительного прибора. Сигнал с его выхода возвращается
обратно в измерительный прибор. Если исследуемый четырехпо-
люсник содержит детектор (например, усилитель с детектором),
то сигнал через аттенюатор и переключатель поступает на уси-
литель вертикального отклонения и на пластины ЭЛТ. Если ис-
следуемый четырехполюсник детектора не содержит, то сигнал че-
рез переключатель поступает на предварительный усилитель, в
котором сйгнал усиливается и детектируется, а затем подается на
усилитель вертикального отклонения.
При прохождении через исследуемый четырехполюсник частот-
но-модулированный сигнал приобретает амплитудную модуляцию,
причем огибающая несет информацию о форме АЧХ исследуемого
объекта. В результате воздействия продетектированного сигнала
на вертикально отклоняющие пластины и пилообразного напря-
жения развертки на горизонтально отклоняющие пластины на эк-
ране ЭЛТ образуется изображение АЧХ. Модулирующее напря-
жение для ГКЧ и напряжение развертки ЭЛТ формируются од-
ним генератором, поэтому отклонение луча на экране и измене-
ние частоты колебаний, воздействующих на исследуемый четырех-
полюсник, осуществляется синхронно. Таким образом ось X на
экране ЭЛТ является одновременно и осью времени, и осью час-
тот.
Для измерения частотных параметров АЧХ исследуемого четы-
рехполюсника необходимо Знать частоты, соответствующие опре-
деленным точкам горизонтальной оси, для чего используют спе-
циальные метки. Метки образуются путем смешивания сигналов
опорной и качающейся частот в блоке частотных меток, который
274
содержит генератор опорных частот, стабилизированный кварцем.
Путем переключения резонатора опорный генератор перестраива-
ется на несколько опорных частот, например: 1, 10 и 100 кГц.
Сигнал с опорного генератора поступает на широкополосный уси-
литель, в котором усиливается как сигнал основной частоты (.нап-
ример, 1 кГц), так и его гармоники (2, 3, 4 кГц и т. д.). Таким
образом образуется сетка частот. Переключением основной час-
тоты можно добиться сетки частот с дискретностью 10 и 100 кГц.
Выбор опорных частот и гармоник зависит от частотного диапа-
зона, на который рассчитан прибор.
Сигналы опорных частот поступают на смеситель, на который
подается также сигнал с ГКЧ. При совпадении частоты ГКЧ с
гармониками опорных частот на выходе смесителя образуются
сигналы, из которых с помощью фильтра низких частот формиру-
ются частотные, метки. После усиления метки поступают на уси-
литель вертикального отклонения и наблюдаются на экране ЭЛТ
в виде вертикальных всплесков (рис. 9.21,в).
Динамический диапазон измерительного сигнала, поступающе-
го с выхода исследуемого четырехполюсника, может быть доста-
точно большим, поскольку коэффициент передачи четырехполюсни-
ка в исследуемой полосе частот может изменяться в тысячи раз.
В этом случае целесообразно представление АЧХ на экране ЭЛТ
в логарифмическом масштабе, как это принято при графическом
изображении АЧХ. Логарифмический масштаб по вертикальной
оси обеспечивается усилителем с амплитудной характеристикой
логарифмической формы. Поскольку масштаб становится нели-
нейным, для измерения коэффициента передачи АЧХ использует-
ся калибратор, сигнал с которого может быть подан на усилитель
вертикального отклонения.
В процессе измерения АЧХ осуществляются следующие регу-
лировки в приборе:
средней частоты ГКЧ для совмещения ее со средней частотой
АЧХ исследуемого четырехполюсника;
полосы качания для получения достаточной ширины обзора
АЧХ;
уровней выходного и входного сигналов с помощью аттенюато-
ров.
Кроме этих регулировок, являющихся специфическими, в
ИАЧХ, как и в обычном осциллографе, регулируются яркость
изображения, фокусировка луча, смещение изображения в гори-
зонтальном и вертикальном направлениях.
Рассмотренная структурная схема является упрощенной. Сов-
ременные ИАЧХ более сложны и соответственно обладают боль-
шими возможностями при проведении экспериментов. Например,
ГКЧ обычно состоит из двух генераторов, один из которых рабо-
тает на фиксированной частоте, а второй перестраивается. Рабо-
чий диапазон частот ИАЧХ разбивается на поддиапазоны. Пере-
ход от одного поддиапазона к другому осуществляется переклю-
чением элементов генератора фиксированной частоты.
275
В современных ИАЧХ предусматриваются различные режимы
качания частоты. Например, периоды качания частоты могут из-
меняться от 0,01 до 40 с. Может быть предусмотрена ручная пе-
рестройка и качание частоты, разовое качание частоты с ручным
запуском.
По значению полосы качания ИАЧХ делятся на узкополосные,
среднеполосные, широкополосные, комбинированные. Так, ИАЧХ,
работающие в частотном диапазоне от 20 до 30-10е Гц, считают-
ся узкополосными, если полоса качания не превышает 0,01 от мак-
симальной частоты диапазона, среднеполосными, если полоса ка-
чания менее 0,6Дпах, широкополосными, если полоса качания ох-
ватывает весь частотный диапазон.
По допустимым погрешностям частотных параметров ИАЧХ
делятся на пять классов, по допустимым значениям амплитудных
погрешностей — на три класса. Следует отметить, что по допусти-
мым значениям частотных и амплитудных погрешностей ИАЧХ
может относиться к разным классам.
К нормируемым характеристикам измерителей частотных ха-
рактеристик относятся: диапазон несущих частот; погрешность
шкалы несущих частот; полоса качания; выходное напряжение;
неравномерность собственной АЧХ в полосе качания (динамичес-
кая характеристика); периоды качания и другие.
Для неискаженного воспроизведения АЧХ на экране измерите-
ля необходимо выполнение ряда условий. При исследовании ак-
тивных четырехполюсников (например, усилителей) возможны ис-
кажения формы АЧХ из-за нелинейности их амплитудных харак-
теристик. Искажения этого типа легко выявить, увеличив напря-
жение, снимаемое с ГКЧ. Если теперь форма АЧХ изменяется, то
нелинейные искажения имеют место. При этом напряжение на
входе должно быть минимальным.
При измерении АЧХ четырехполюсников с большим затухани-
ем выходное напряжение мало и появляются искажения формы
АЧХ, связанные с нелинейностью детектора. Для большинства де-
текторов, применяемых в ИАЧХ, нормальный режим детектирова-
ния обеспечивается при напряжении не менее 0,2 В. Если выход-
ное напряжение четырехполюсника меньше, необходимо применить
широкополосный усилитель.
Нормальная работа ГКЧ возможна лишь при работе прибора
на согласованную нагрузку. Выходное сопротивление ГКЧ, рас-
считанного на низкие частоты, обычно составляет 600 Ом, а на
высоких 50 или 75 Ом. Если сопротивление исследуемого четырех-
полюсника существенно отличается от указанных значений, при-
меняют согласующие устройства.
В ИАЧХ частота выходного сигнала изменяется во времени.
Если время пребывания измерительного сигнала в полосе пропус-
кания исследуемого четырехполюсника соизмеримо с его постоян-
ной времени, то возможно искажение формы АЧХ из-за переход-
ных процессов. Наличие таких динамических погрешностей обыч-
но устанавливают, уменьшая частоту модулирующего напряже-
276
ния пилообразной формы или полосу качания частоты. Если при
этом не наблюдается смещения положения максимума АЧХ или
изменения его значения, то динамические погрешности малы. ,
Остальные виды погрешностей ИАЧХ нормируются ГОСТ. К
их числу относятся: погрешность измерения частоты; погрешность
измерения относительной амплитуды; отклонение частотного мас-
штаба на экране ИАЧХ от заданного закона; неравномерность
собственной АЧХ и др.
Приборы для измерения фазочастотной характеристики стро-
ят на сходных принципах. Для измерения ФЧХ также необходим
ГКЧ, сигнал с выхода которого должен поступать на исследуемый
четырехполюсник. Приемная часть прибора, однако, должна вы-
являть не амплитудные изменения выходного сигнала, а фазовый
сдвиг между сигналом, действующим на входе исследуемого объ-
екта, и сигналом на его выходе. Напряжение, пропорциональное
фазовому сдвигу, может формироваться с помощью фазового де-
тектора, на входы которого подаются сигналы со входа и выхода
исследуемого объекта. После усиления сигнал поступает на вер-
тикально отклоняющие пластины ЭЛТ. В современных измерите-
лях ФЧХ сравниваемые сигналы проходят ряд преобразований,,
что позволяет обеспечить работу фазового детектора на фиксиро-
ванной частоте. Смысл таких преобразований поясняется рис. 9.22.
Сигналы Uci и UC2 одной частоты, несущие информацию о фазо-
вом сдвиге, поступают на два смесителя. На оба смесителя посту-
пает сигнал гетеродина, частота которого равна fc + fnpi=fr, т. е.
выше частоты сигнала на fnpi, называемую первой промежуточной
частотой. В результате нелинейных преобразований на выходах
смесителей образуются комбинационные частоты. Усилители про-
межуточной частоты (УПЧ) настроены на частоты, представляю-
щие собой разность ft и fc, т. е. на fnpi. В первом канале сигнал
первой промежуточной частоты подвергается вторичному преобра-
зованию в смесителе 3, на который подается сигнал с частотой fKa
от кварцевого генератора. На выходе смесителя 3 образуется сиг-
нал с частотой /пр2, равной разности fnpi—/кв- Обычно [кв выбирает-
Канал 1
Канал 2
Рис. 9.22
277
ся порядка 20... 30 кГц. В смесителе 4 происходит преобразование
частот /„pi и /пр2- Поскольку они отличаются на значение частоты
кварцевого генератора, разностная частота на выходе смесителя
4 равна /кв. Все преобразования позволяют сохранить фазовые
соотношения. На выходе сигнал Ui, снимаемый с кварцевого гене-
ратора, является опорным, а сигнал U2, снимаемый со смесителя
4, имеет фиксированную частоту, но переменную фазу, зависящую
от свойств исследуемого четырехполюсника. Заметим, что часто*
ты обоих сигналов равны частоте кварцевого генератора незави*
симо от частоты приходящего сигнала. Это позволяет строить ши*
рокополосные измерители ФЧХ с фазовым детектором, работаю-
щим на фиксированной частоте. Естественно, что при перестройке
частоты испытательного сигнала, поступающего от ГКЧ измери-
теля ФЧХ, необходимо соответствующим образом перестраивать
частоту гетеродина в преобразователе, изображенном на рис. 9.22.
Такая перестройка осуществляется автоматически, путем исполь-
зования системы автоматической подстройки частоты (АПЧ) ге-
теродина по частоте приходящего сигнала. Применение описанно-
го метода приводит к усложнению прибора, однако вполне оправ-
данно, так как позволяет построить измерители ФЧХ, работающие
в широком диапазоне частот.
9.6. ИЗМЕРЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ
Электрические цепи делятся на линейные, нелинейные и па-
раметрические. Последние два типа цепей отличаются от линей-
ных тем свойством, что могут создавать новые гармонические
составляющие в спектре отклика по сравнению со спектром вход-
ного сигнала. В том случае, когда это явление не используется в
устройстве, содержащем данную цепь, оно весьма нежелательно,
так как часто создает вредные побочные эффекты. Вызванные им
изменения сигнала называются нелинейными искажениями.
Источником нелинейных искажений являются элементы цепей,
у которых ток не пропорционален приложенному напряжению.
Это, как правило, диоды, транзисторы и лампы.
В технике связи нелинейные искажения особенно нежелатель-
ны в трактах систем многоканальной связи с частотным разделе-
нием каналов и в трактах электроакустических устройств. В пер-
вом случае нелинейные искажения приводят к переходным поме-
хам между каналами, а во втором к неприятному слуховому ощу-
щению. В обоих случаях нелинейные искажения возникают глав-
ным образом в электронных усилителях, которые и являются ос-
новым объектом при их измерении.
Нелинейные искажения зависят от многих параметров сигнала
:и цепи, а их проявление может быть весьма многообразно. Так,
нелинейные искажения зависят от амплитуды и формы сигнала.
Наиболее существенна зависимость от амплитуды, с увеличением
которой нелинейные искажения растут. Влияние формы на степень
278
нелинейных искажений подтверждается тем фактом, что сигнал
в виде прямоугольных импульсов с двумя горизонтальными участ-
ками вообще не может быть искажен безынерционной цепью при
любой степени ее нелинейности.
Некоторое влияние на величину нелинейных искажений может
оказать частота сигнала. Обычно нелинейные искажения в усили-
телях увеличиваются с ростом частоты. Это связано с увеличением
токов через паразитные емкости схемы.
Нелинейные искажения в усилителях могут по-разному прояв-
ляться в зависимости от характера нагрузки. В резонансном уси-
лителе форма выходного напряжения остается практически сину-
соидальной при любых нелинейных искажениях, которые проявля-
ются только в нелинейном характере зависимости между ампли-
тудами входного и выходного сигналов (амплитудная характерис-
тика).
Таким образом, нелинейные искажения представляют довольно
сложное явление. Вместе с тем существует практическая необходи-
мость сравнивать различные электрические цепи по размеру при-
сущих им нелинейных искажений так, чтобы можно было просто и
однозначно решить, какая из цепей в этом отношении лучше или
хуже другой. Это можно сделать только тогда, когда степень не-
линейных искажений оценивается одним единственным числом.
Такое число вызывается коэффициентом нелинейных искажений.
Оно очень упрощенно отражает сложное явление и поэтому не мо-
жет в разных устройствах одинаково хорошо отражать реальное
влияние нелинейных искажений на рабочие параметры.
В результате появились различные способы определения коэф-
фициента нелинейных искажений и соответственно различные ме-
тоды его измерения. Прежде всего это касается выбора измери-
тельного сигнала. В качестве последнего могут применяться: гар-
монический сигнал, сумма двух или большего числа гармониче-
ских сигналов, шумовой сигнал. Виду сигнала соответствуют ме-
тоды измерения нелинейных искажений: одночастотный, двухчас-
тотный, многочастотный и метод шумовой загрузки, называемый
также статистическим.
Кроме того, методы могут различаться способом обработки вы-
ходного сигнала. По этому признаку методы делятся на графоана-
литические, фильтровые и компенсационные. В настоящее время
наиболее распространены фильтровые методы: одночастотный,
двухчастотный и трехчастотный.
Для более подробного рассмотрения отдельных методов потре-
буются некоторые количественные соотношения между входным в
выходным сигналами в цепи с нелинейными искажениями. При
этом будем рассматривать только безынерционные цепи без реак-
тивных элементов и периодические измерительные сигналы.
Зависимость между мгновенными значениями входного и
выходного напряжений удобно выразить в виде степенного по-
линома:
ИВЫХ ~ а0~Ьа1 ^вх + С2 ^вх а3 ^вх "• (9.44)
27»
Входное напряжение в общем случае можно представить сум-
мой гармонических колебаний кратных частот:
Ubx= р Umk COS
где Umk и ид — амплитуда и частота k-й гармоники входного на-
пряжения. Тогда
п / п \2
Ивых=Я0 + а1 У Umh COS COht +Ог 2 Umk c°s +
к=1 \ k—П J
/ П \3
. +% 3 ^mftCOSHftq +... (9.45)
\fe=l /
В результате возведения в степень суммы косинусов получим
косинусы в степени выше первой и произведения косинусов раз-
личных степеней и разных частот. Применяя далее к этим выра-
жениям тригонометрические формулы для степеней и произведений
косинусов, можно представить ряд (9.45) в виде суммы постоян-
ной составляющей и гармонических слагаемых с частотами состав-
ляющих входного сигнала, с частотами, кратными частотам состав-
ляющих входного сигнала, и с комбинационными частотами типа
со = р <»1 ± q со2 ± г со3 ± (9.46)
Наличие последних отличает спектр выходного (искаженного)
сигнала при двух- и многочастотных методах от аналогичного
спектра при одночастотном методе. Число комбинационных частот
быстро растет с увеличением числа гармонических составляющих
во входном сигнале и с увеличением степени полинома (9.45). Для
трех гармонических составляющих во входном сигнале и полинома
3-й степени в выходном напряжении получаются гармонические
составляющие с частотами и амплитудами, приведенными в табл.
9.2. Если надо получить спектр выходного сигнала для одной или
двух частот на входе цепи в формулах табл. 9.2, то нужно поло-
жить соответственно: l/m2 = 0, t7m3 = 0 или б7тз = 0.
Из табл. 9.2 можно сделать следующие выводы:
постоянная составляющая и амплитуды четных гармоник вы-
ходного сигнала определяются только членами четных степеней
полинома (9.45);
амплитуды нечетных гармоник выходного сигнала определяют-
ся только членами нечетных степеней полинома (9.45);
члены четных степеней полинома порождают комбинационные
частоты, для которых сумма коэффициентов в выражении (9.46)
четна, а члены нечетных степеней порождают комбинационные час-
тоты, для которых та же сумма нечетна;
номер высшей гармоники в выходном сигнале и наибольшее
значение суммы коэффициентов в выражении (9.46) для комбина-
ционных частот равны степени полинома (9.45).
Продукты нелинейных искажений в многочастотных методах
характеризуются порядком. Последний определяется суммой аб-
280
Таблица 9.2
Члены полинома Частоты колебаний Амплитуды колебаний
ЙО 0 aa
CiUbx <01 (02 (Оз Cti't/ ml Oll^m2 C^Ums
О2«2вх 688 “ 7, “ to to to i+ i+ i+ е s е «= 8 8 8““ U U N Ui +((/2т2 /2 a2 2U2mi a^U2m2/^ Ct2't/2m3/2 O’Z'Umi.'Unrt azUmi'UmS ClzUnizUmS
аз«3м M W « N « « 3 3 3 3 3 3 Э +i s s s +1 +1 +1 c-; 5 s 3 3 3 3 3 3 --.+1И+1 3^8 3 сч сч сч 3 3 3 « 3 3cigUmi (*(/2т1 +2t/2m2 + 2t/2ma) /4 ЗЯз^Лпг (2t/2ml +1£/2т2+21/2тз) /4 3#з1/тЗ (2*t/m2l + 2t/2m2 +^2тз) /4 3a3U2m lit/ m2/4 3&3)U2miU тз/^ 3dgU2m^U тз/4 Зод£/т1’^2т2/4 Заз t/ml't/2m3/4 Заг£/т^2тз/4 3tZ3l£/nil U тз/4 a^t/3mi/4 a3lt/3m2/4 аз^3тз/4
солютных значений коэффициентов в выражении (9.46): 2(|р| +
+ 1?1 + И + - )•
Из табл. 9.2 видно, что порядок продуктов нелинейности опре-
деляется членом полинома (9.45). Поэтому продукты второго по-
рядка называются- квадратическими, а третьего порядка — куби-
ческими. Соответственно квадратическими и кубическими называ-
ются и сами искажения.
Кроме того, продукты нелинейных искажений различаются
родом. К продуктам первого рода относятся те, для которых алгеб-
раическая сумма коэффициентов в правой части (9.46) равна еди-
нице. Все остальные продукты нелинейных искажений относятся
ко второму роду. Особенностью продуктов первого рода является
то, что, возникая в различных местах протяженного электрического
тракта, они складываются синфазно, т. е. арифметически, при ус-
ловии линейности фазочастотной характеристики тракта. Во всех
остальных случаях продукты нелинейных искажений одинаковых
частот, возникая в разных точках одного тракта, складываются
векторно, т. е. с разными фазовыми углами. Поскольку арифме-
281
тическое сложение при прочих равных условиях дает наибольшую
•сумму, оно является самым неблагоприятным для систем связи.
Квадратические продукты, очевидно, не могут быть первого
рода, как и вообще продукты четных порядков. По изложенным
соображениям кубические искажения наиболее опасны в многока-
нальных системах связи и возможность их раздельной оценки пред-
ставляет существенное достоинство метода измерений.
Рассмотрим более детально отдельные методы.
Одночастотный метод. Продуктами нелинейных искажений в этом методе
будут только высшие гармоники. Их амплитуды обычно быстро убывают с рос-
том номера. В силу этого, при оценке нелинейных искажений практически мож-
но пренебречь всеми гармониками выше третьей. Соответствующий коэффици-
ент нелинейных искажений называется коэффициентом гармоник и определяется
одной из двух формул:
K^ + t732+... Kt722+t723+ ...
Кг— г, ’ Кг—------------------------------>
Vu\+ul + ul + т
Ult U2, U2 — среднеквадратическое значение отдельных гармоник выходного
сигнала. Обычно непосредственно измеряется коэффициент К'г, так как при этом
ие требуется выделять фильтром первую гармонику выходного напряжения.
Коэффициент Кг может быть вычислен по формуле:
Кг = K’jV 1 + <2 •
Для Kzr<0,2, Кг~К'г с погрешностью менее 2%.
В проводной связи применяется также затухание нелинейности:
ан = 20 1g—[дБ]; ан = In —у—[Нп].
Аг Аг
Используя данные табл. 9.2, можно выразить коэффициент гармоник через
коэффициенты полинома (9.44) (3-й степени) и амплитуду входного напряжения:
Umt V «1 + Яз 1^/4
Кг= '
Для измерения коэффициента гармоник можно воспользоваться частотно-
избирательным вольтметром, который для этого подключают к выходу иссле-
дуемого объекта и последовательно настраивают на первую, вторую и третью
гармоники (а при необходимости и на более высокие). Значение коэффициента
гармоник находят расчетным путем.
Более удобно проводить измерения с помощью специальных измерителей
нелинейных искажений. Простейшая схема такого прибора изображена на рис.
’9.23. Она содержит входное устройство, перестраиваемый режекторный фильтр и
квадратичный вольтметр с плавным аттенюатором. Режекторный фильтр в иде-
альном случае должен иметь бесконечное затухание на частоте первой гармо-
ники измерительного сигнала и нулевое затухание на частотах высших гармо-
ник. Обычно этот фильтр реализуется с помощью мостовой схемы из резис-
торов и конденсаторов, имеющей частотно-зависимое условие равновесия, в част-
ности с помощью двойного Т-образного моста. Для получения малого затуха-
282
Рис. 9.23
«ия на частотах высших гармоник используют активный фильтр, т. е. содержа-
щий электронный усилитель и депи обратной связи.
Квадратичный вольтметр сначала с помощью переключателя соединяют с
выходом входного устройства, после чего регулировкой аттенюатора устанав-
ливают отклонение стрелки вольтметра на всю шкалу, соответствующую 100%
К'т. После этого вход вольтметра соединяют с выходом режекторного фильтра.
При этом показание вольтметра соответствует значению измеряемого К'г.
Измерители нелинейных искажений обычно снабжаются генератором из-
мерительного сигнала на одну фиксированную частоту 1 кГц. Для измерений в
диапазоне частот предполагается использовать внешний генератор.
Погрешность измерения коэффициента гармоник таким прибором имеет не-
сколько источников:
наличие высших гармоник в выходном напряжении генератора;
конечное затухание режекторного фильтра на основной частоте измеритель-
ного сигнала;
различное затухание режекторного фильтра на частотах высших гармоник;.
погрешность измерения среднего квадратического значения напряжения
вольтметром.
Относительная погрешность от первых двух источников возрастает с умень-
шением измеряемого значения К'г. Эти источники погрешности ограничивают
возможность измерения малых нелинейных искажений и средства уменьшения
таких погрешностей имеют большое практическое значение.
Высшие гармоники генератора могут быть ослаблены фильтром нижних
частот, включенным на выходе генератора. Достаточное затухание режекторного
фильтра на частоте первой гармоники обеспечивается одним из двух способов..
Первый состоит в стабилизации частоты генератора и частоты равновесия мос-
та, а второй — в автоматической подстройке частоты максимального затухания
режекторного фильтра к частоте первой гармоники генератора. Второй способ,
уменьшает не только погрешность, но и время измерения, устраняя трудоемкую
ручную регулировку. Этот способ применен в отечественном приборе С6-7.
Двухчастотный метод. При этом методе измерительный сигнал представля-
ет сумму двух гармонических сигналов, частоты которых не кратны между со-
бой. В этом случае продуктами нелинейных искажений будут высшие гармоники
исходных частот и сигналы с комбинационными частотами.
Общий принцип определения коэффициента нелинейных искажений здесь
остается прежним: используется отношение среднеквадратического значения сум-
мы продуктов нелинейных искажений в выходном сигнале к аналогичному зна-
чению его неискаженной части. Однако для удобства практической реализации
метода часто вместо всех продуктов нелинейных искажений измеряются только
сигналы комбинационных частот (и даже только часть из них), а вместо неиска-
женной части выходного сигнала — весь выходной сигнал.
28В
Существует два варианта двухчастотного метода. В первом из них состав-
ляющие измерительного сигнала выбирают с равными амплитудами и близкими
частотами. Для оценки нелинейных искажений используют составляющую
спектра с разностной частотой, так что измеряются только квадратические ис-
кажения.
Во втором варианте частота выбирается в нижней половине полосы
пропускания исследуемого объекта, а частота f2 — в верхней половине, причем
/2 должна быть в несколько раз больше Л. Амплитуда сигнала с частотой f2 бе-
рется в 4... 5 раз меньшей амплитуды сигнала с частотой ft. Под влиянием не-
линейности испытуемого объекта происходит амплитудная модуляция сигнала
большей частоты сигналом с частотой За коэффициент нелинейных искаже-
ний принимается коэффициент возникающей амплитудной модуляции. При этом
методе результат определяется как квадратическими, так и кубическими иска-
жениями, но раздельная их оценка не производится.
Можно показать, что метод взаимной модуляции по сравнению с одно-
частотным методом дает выигрыш в чувствительности более чем в три раза. Ме-
тод мало чувствителен к шумам, поскольку модулированный сигнал выделяет-
ся фильтром с относительно узкой полосой пропускания.
Недостатком метода является невозможность применять его к трактам с
относительно узкой полосой пропускания.
При реализации рервого варианта метода применяют избирательный вольт-
метр и два генератора '(рис. 9.24).
При реализации второго варианта используется схема на рис. 9.25, правая
часть которой представляет измеритель амплитудной модуляции методом двой-
ного детектирования.
Рис. 9.24
Рис. 9.25
284
Погрешность измерения первым вариантом метода определяется погреш-
ностью вольтметра с учетом его избирательности. Требования к последней зави-
сит от выбора исходных частот и от размера измеряемых нелинейных искаже-
ний: чем ближе исходные частоты к разностной частоте и чем меньше измеряе-
мые искажения, тем выше требования к частотной избирательности вольтметра.
Для метода взаимной модуляции можно указать два источника погрешно-
сти:
паразитная амплитудная модуляция генератора с частотой f2;
погрешность схемы измерения коэффициента модуляции.
Только первый источник ограничивает возможность измерения малых не-
линейных искажений. Влияние этого источника можно ослабить, включив узко-
полосный фильтр иа выходе генератора с частотой f2.
Трехчастотный метод. Этот метод применяется для оцеикн кубических ис-
кажений по продуктам нелинейности первого рода. Измерительный сигнал пред-
ставляет сумму трех гармонических сигналов с равными амплитудами и близ-
кими частотами: ft, f2 и fi. Продукты нелинейности первого рода содержат три
составляющие с частотами, близкими к исходным: fi+f2—fs, fi—fz+fs и —Л +
+Ь+/з. Для того чтобы ни одна из частот этих составляющих не совпадала с
какой-либо из исходных частот, необходимо выполнить условие: f2—
•—В этом случае любая из трех составляющих, возникших в ре-
зультате нелинейных искажений, может быть измерена избирательным вольтмет-
ром.
Обозначая среднеквадратическое значение одной составляющей с комбина-
ционной частотой через UK, а всего выходного напряжения через , получаем
для коэффициента кубических нелинейных искажений:
Kb3=4Uk/U2.
Коэффициент 4 учитывает значение 16 составляющих с комбинационными
частотами и равными амплитудами.
Схема для измерения трехчастотным методом показана на рнс. 9.26. Квад-
ратические искажения трехчастотным методом измерять не имеет смысла, по-
скольку ни одна из требуемых составляющих с комбинационной частотой не за-
висит от всех трех слагаемых измерительного сигнала.
Погрешность трехчастотного метода определяется погрешностью вольтмет-
ра и конечным значением его частотной избирательности. Требования к послед-
ней здесь особенно высокие, поскольку используемые для измерений продукты
Рис. 9.26
285
1
Рис. 9.27
нелинейности имеют частоты, близкие к частотам исходных составляющих из-
мерительного сигнала.
Пример. Определить погрешность измерения коэффициеита Кнз, если на-
пряжения UK и Us измерены с погрешностями Д(7К и ЛК % .
Так как измерения косвенные, то погрешность измерения Анз = 4(7к/£7v оп-
ределится следующим общим выражением:
. ,. д Лнз А ,, , д Кнз . ,,
д/Снз==7иГЛУк+ duz
Дли производных получаем:
дКнз .... 'д Кнз _____ __ 4 UK
дик ul •
Следовательно:
А Кнз = Л Uh—(4 </«/^2) A U-%.
Полученное выражение определяет максимальное значение неисключенной
систематической погрешности.
Метод шумовой загрузки. В этом методе в качестве измерительного сигнала
применяется белый шум. Такой сигнал можно рассматривать как предельный
случай миогочастотного сигнала, и в этом отношении он в наибольшей степени
приближается к реальным сигналам, передаваемым в системах связи.
Продуктом нелинейного преобразования шумового сигнала является тоже
шум, который для измерения необходимо отделить от неискаженной части вы-
ходного сигнала. Для этого в спектре входного шумового сигнала с помощью
полосового заграждающего фильтра вырезается относительно узкое «окно», т. е.
участок частот, свободный от сигнала. Такой шумовой сигнал подается в качест-
ве измерительного на вход испытуемого объекта.
- В спектре выходного сигнала «окно» оказывается заполненным шумом в
тем большей степени, чем больше нелинейные искажения. Напряжение U'm вых
этого шума выделяется соответствующим полосовым фильтром и измеряется
квадратичным вольтметром. Тем же вольтметром измеряется суммарное напря-
жение иш вых выходного сигнала.
Значение коэффициеита нелинейных искажений определяется как отношение
этих двух напряжений:
Кв ш = U'm вых/^7ш вых.
Схема измерений и спектры шума изображены на рис. 9.27.
Можно указать следующие источники погрешностей измерения этим мето-
дом:
погрешность измерения шумового напряжения вольтметром;
отклонение частотных характеристик затухания фильтров от идеальных.
286
Часть III. ИЗМЕРЕНИЯ В ТЕХНИКЕ СВЯЗИ
Глава 10. ИЗМЕРЕНИЯ В АВТОМАТИЧЕСКИХ
СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ
10.1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗМЕРЕНИЙ
Работа телефонной сети, отдельных АТС, сети в целом характе-
ризуется объемом ее продукции, т. е. телефонной нагрузкой и ее
качественными показателями. Постоянный рост городских и сель-
ских телефонных сетей, введение новых видов обслуживания су-
щественно влияют на увеличение объема телефонной нагрузки, и,
естественно, обеспечение хорошего качества и эффективного ис-
пользования коммутационного оборудования все в большей сте-
пени становится зависимым от регулярности измерений, система-
тического сбора и правильного толкования статистических дан-
ных нагрузки.
Измерения телефонной нагрузки могут производиться с различ-
ной целью, и при этом может быть получено различное количество
информации. В результате обеспечивается:
возможность оперативного контроля за качеством обслужива-
ния в направлениях и абонентских группах, а также возможность
выявления перегруженных направлений и отдельных источников
нагрузки для принятия эксплуатационных мер;
получение достоверных статистических данных для проектиро-
вания новых станций и сетей;
получение данных для прогнозирования на ближайшую и даль-
нюю перспективу параметров телефонной нагрузки;
практическая проверка основных положений теории телефон-
ных сообщений, уточнение и разработка новых методов расчета
коммутационного оборудования, а также разработка новых мето-
дов измерения параметров телефонного сообщения на эксплуата-
ционных сетях, уточнение действующих инструкций и рекоменда-
ций по статистической обработке результатов измерений для соз-
дания новых усовершенствованных программ обработки данных
на ЭВМ..
Конкретный выбор измеряемых параметров, сама методика ор-
ганизации измерений существенно зависят от технических возмож-
ностей оборудования АТС. Так, в АТС декадно-шаговых систем
имеется возможность измерения нагрузки на ступенях шаговых
искателей (ШИ) по расходу тока, а при наличии абонентских счет-
287
чиков могут быть также получены данные о числе состоявшихся
занятий на одну абонентскую линию.
Наличие управляющих приборов, маркеров и регистров в коор-
динатных системах упрощает задачу и позволяет извлекать ин-
формацию непосредственно от этих приборов. Еще более упроща-
ется задача измерения на электронных и квазиэлектронных стан-
циях с централизованным управлением, так как в централизован-
ном управляющем устройстве сосредоточивается практически вся
необходимая информация, все сведения о категории вызывающего
абонента, о путях установления соединения и о результатах обслу-
живания вызова.
Поскольку статистические измерения параметров телефонного
сообщения есть измерения случайных реализаций различных вели-
чин, то объем и продолжительность таких измерений будут зави-
сеть от того, как быстро среднее арифметическое наблюдаемых
значений случайной величины сходится по вероятности к ее мате-
матическому ожиданию. Эта быстрота сходимости будет зависеть
от ряда факторов и в первую очередь от значения дисперсии, от
свойств измеряемых величин и ^Принятого метода измерения.
На выбор методики измерения, обработку статистического ма-
териала, а также на организацию измерений отдельных парамет-
ров телефонного сообщения существенно влияют экономические
затраты, необходимые для проведения и обработки измерений, в
сопоставлении с достаточностью и ценностью извлекаемой инфор-
мации.
Основные„определения. При желании абонента А установить
соединение с абонентом Б происходит занятие соединительного пу-
ти (линии) на время установления соединения и ведения разгово-
ра. Суммарное время занятия таких пучков линий называют теле-
фонной нагрузкой. При этом различают обслуженную, поступаю-
щую и потерянную нагрузку.
Обслуженная коммутационным устройством за промежуток
времени t\ ...t2 телефонная нагрузка y(ti, t2) есть суммарное вре-
мя занятия всех выходов коммутационного устройства за рассмат-
риваемый промежуток времени.
Поступающая (потенциальная) на коммутационное устройство
за промежуток времени t\ ... t2 телефонная нагрузка А (Б, t2) —это
нагрузка, которая была бы обслужена коммутационным устройст-
вом, если бы каждому телефонному вызову тотчас было предостав-
лено соединение.
Потерянная коммутационным устройством за промежуток вре-
мени t\ ... t2 телефонная нагрузка Лп(^1, t2) есть часть поступающей
нагрузки, определяемая разностью между поступающей Л(^, t2~) и
обслуженной y(t\, t2) нагрузками.
Обслуженную (поступающую, потерянную) нагрузку, отнесен-
ную к единице времени, называют интенсивностью обслуженной
(поступающей, потерянной) нагрузки. За единицу времени наблю-
дения за нагрузкой принимают обычно час наибольшей нагрузки
(чнн), под которым понимают непрерывный интервал времени в
288
60 мин, в течение которого нагрузка достигает максимального зна-
чения.
Единицей измерения телефонной нагрузки служит телефонное
часо-занятие (ч.-зан.), а ее интенсивности — эрланг (Эрл)—одно
телефонное часо-занятие за один час.
Если за единицу времени принят чнн, то для обозначения ин-
тенсивности нагрузки становится излишним указание промежутка
времени наблюдения за ней и для ее обозначения достаточно одно-
го символа У.
Объектами первичного учета могут быть: число вызовов, по-
ступающих от источников разных категорий; число вызовов по
межстанционным соединительным- линиям различных направле-
ний; число занятий различных видов — состоявшихся разговоров,
случаев занятости и неответа абонентов, ошибок абонентов; вы-
зовов, не окончившихся разговором по техническим причинам;
продолжительность разговоров, прослушивания сигнала контроля
посылки вызова при ответе и неответе абонента и сигнала «заня-
то»; число одновременно занятых приборов. В соответствии с це-
лями измерений для экономии времени и средств необходимо вы-
бирать минимальное число объектов наблюдений.
10.2. ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ
НАГРУЗКИ И ПОТЕРЬ
Измерения параметров нагрузки и потерь можно классифици-
ровать следующим образом [22]:
по способу получения данных — автоматические и ручные;
по способу регистрации измеряемой величины — прямые и кос-
венные;
по способу организации процесса измерений — непрерывные,
периодические и эпизодические (спорадические);
по охвату объектов изучаемой совокупности — сплошные и вы-
борочные.
Ручные измерения допускается применять только при отсутст-
вии автоматической аппаратуры, так как они являются слишком
дорогостоящими и не обеспечивают необходимой точности измере-
ний.
Примером прямых измерений может служить регистрация чис-
ла вызовов с помощью счетчиков при измерении числа поступаю-
щих вызовов, а косвенных измерений —- измерение интенсивности
обслуженной нагрузки путем регистрации числа одновременно
занятых приборов через некоторые интервалы времени.
Непрерывные измерения являются дорогостоящими и органи-
зуются при измерении коэффициентов концентрации нагрузки, оп-
ределении характера распределения нагрузки по часам суток, дням
недели, месяцам года. В большинстве случаев параметры нагруз-
ки измеряются периодически,, так как это дешевле непрерывных
измерений, и при выборе соответствующей длительности измере-
ний обеспечивают требуемую точность. Эпизодические (спорадиче-
10—10 289
ские) измерения могут начинаться, например, при появлении симп-
томов неудовлетворительной работы оборудования. Для экономии
средств и затрат труда при наблюдении за параметрами нагруз-
ки применяются, как правило, не сплошные, а выборочные изме-
рения. В математической статистике вся подлежащая изучению
совокупность однородных элементов называется генеральной, а
часть генеральной совокупности, отобранная для измерения, —
выборочной совокупностью.
При измерении нагрузки наиболее распространены, следующие
три принципа: непрерывного измерения, сканирования, подсчета
числа случайных событий. Принцип непрерывного измерения об-
служенной нагрузки поясняется схемой на рис. 10.1. Каждый при-
бор имеет измерительный резистор R, через который ток протека-
ет, когда прибор занят, и не протекает, когда он свободен:
(10.1)
А
где v(t) — число устройств, занятых в момент t\ U — напряжение
питания.
В приборе, измеряющем ампер-часы, ток интегрируется за весь
периед измерения Т, так что обслуженная нагрузка составит
Уо = k j i (t) dt, (10.2)
о
где k — градуировочная постоянная.
Принцип сканирования заключается в том, что следящее уст-
ройство поочередно подключается к линиям исследуемого пучка
и при занятой линии посылает импульс в суммирующий счетчик.
В этом случае интенсивность обслуженной нагрузки определяется
как среднее число одновременно занятых линий:
(10.3)
где Vi — число занятых линий при i-м сканировании; п — общее
число сканирований.
Принцип подсчета числа случайных событий основан на прие-
ме импульса при появлении каждого события. Таким способом ре-
гистрируется число поступивших, об-
служенных и потерянных вызовов
при измерении потерь по вызовам,
число случаев занятости всех линий
пучка при изменении потерь по вре-
мени и т. д. Этот принцип' можно
использовать также при измерении
нагрузки, обслуженной устройства-
ми, время занятия которых посто-
янно.
Все три принципа широко при-
меняют в аппаратуре измерения па-
Рис. 10.1
раметров нагрузки и потерь.
290
10.3. ПОЛУЧЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИИ
Основными задачами получения результатов измерения являют-
ся вычисления оценки измеряемого параметра и степени достовер-
ности этом оценки.
При статистических измерениях за наиболее вероятное значе-
ние измеряемой величины принимается среднее арифметическое
значение. Различают среднюю генеральной совокупности (гене-
ральную среднюю)
k Ik
Х= XjNj 2 NJ (10.4)
/=i / /=1
и среднюю выборочной совокупности (выборочную среднюю)
_ т 1т
*= 2 xini / 3 /7>’ С1 °-5)
/=1 / /=1
где Nj, tij — число элементов /-й группы соответственно в гене-
ральной и выборочной совокупностях; Xj, Xj — значения варьирую-
щего признака элементов /-й группы соответственно в генеральной
и выборочной совокупностях; k, т — число групп элементов, в
каждой из которых варьирующий признак принимает одно из сво-
k
их значений, причем 2 Nj = N — число элементов генеральной со-
/=1
т
вокупности, 2 rij = n — число элементов выборочной совокупности.
/=1
Степень расхождений между собой отдельных значений изучае-
мого признака характеризуется среднеквадратическим отклонени-
ем, равным для выборочной совокупности
а(х)=* |/"J (х,-—х)2 n;/(n —1) (10.6)
и для генеральной совокупности
ст0= (*>-*)2 • (I0J)
Важнейшей задачей обработки результатов измерений является
оценка их точности. При обработке результатов измерений пара-
метров нагрузки и потерь необходимо учитывать погрешности ре-
гистрации, вносимые измерительной аппаратурой (аппаратурные);
представительности выборки (репрезентативности); грубые или
промахи.
Аппаратурные погрешности, в первую очередь, обусловлены
принятым принципом измерений и классом точности измеритель-
ных приборов. Так, при непрерывном измерении обслуженной на-
грузки (рис. 10.1) аппаратурная погрешность зависит от допусков
сопротивлений резисторов R, допустимых колебаний напряжения
источника питания, класса точности прибора, фиксирующего ам-
пер-часы.
II* 291
Максимальная относительная аппаратурная погрешность ба в
данном случае является суммой относительных погрешностей, воз-
никающих вследствие неточности изготовления резисторов бн, ко-
лебаний напряжения бц, погрешности измерительного прибора бп:
«а = + + . (10.8)
При использовании принципа сканирования состояния комму-
тационной системы фиксируются лишь через интервалы сканирова-
ния т. Ясно, что чем меньше т, тем меньше погрешность, связанная
со сканированием. Среднее значение относительной погрешности
лри измерениях с использованием сканирования вычисляется по
формуле
где с — суммарное число занятий за период наблюдений; цу = х]1 —
©.тношение интервала сканирования г к средней длительности од-
ного занятия t.
При использовании принципа подсчета числа сигналов от раз-
личных источников одним общим счетчиком появляются погреш-
ности вследствие совпадения импульсов от нескольких источников.
Ясно, что чем больше интенсивность поступления импульсов и дли-
тельности импульсов, тем больше вероятность совпадения импуль-
сов.
Погрешность репрезентативности является следствием того,
что выборочная совокупность — часть генеральной совокупности, а
так как часть всегда отличается от целого, то и выборочные харак-
теристики х и о(х) могут отличаться от аналогичных характерис-
тик X и оо генеральной совокупности.
Погрешность репрезентативности в значительной степени зави-
сит от способа отбора и объема выборки. Существуют различные
способы выборочных наблюдений: случайный, типический, серий-
ный. При случайном отборе каждая единица генеральной совокуп-
ности имеет одинаковые со всеми другими возможности попасть в
выборочную совокупность.
В некоторых случаях может оказаться целесообразным рас-
сматривать совокупность единиц не целиком, а расчлененную на
группы (типы), единицы каждой из которых оказываются более
похожими друг на друга, чем во всей совокупности. Выборка, про-
изведенная в случайном порядке в каждой из установленной типи-
ческих групп, называется типической. Объем выборки в каждой
-типической группе устанавливается пропорционально ее удельно-
му объему в генеральной совокупности. При типическом отборе в
выборочной совокупности отдельные группы оказываются пред-
ставленными в такой же пропорциональности, что и в генеральной
совокупности. Это увеличивает точность выборочного наблюдения.
Серийная выборка предполагает отбор из генеральной сово-
купности не отдельных единиц, а целых серий. Серии единиц от-
292
бираются по случайному принципу, внутри же серии обследование
производится методом сплошного учета.
Вычисление погрешности репрезентативности рассмотрим на
примере случайного отбора. Процесс отбора при случайной выбор-
ке может быть повторным или бесповторным. Повторный отбор
состоит в том, что каждый элемент, попавший в выборку, после
регистрации снова возвращается в генеральную совокупность и в
дальнейшем может еще раз попасть в выборку. Бесповторный от-
бор состоит в том, что каждый элемент, попавший в выборку, в
генеральную совокупность не возвращается и таким образом по-
вторному измерению не подвергается.
Средняя абсолютная погрешность репрезентативности случай-
ной повторной выборки приближенно рассчитывается по формуле
рп « a (x)lVn, (10.10)
где а(х) —среднеквадратическое отклонение выборочной совокуп-
ности, рассчитывается по (10.6); п — число элементов выборочной
совокупности.
Поскольку состав выборочной совокупности является случай-
ным, то выборочная средняя в отдельных выборках может значи-
тельно отличаться от генеральной средней. Учитывая, что выбо-
рочные средние распределены по нормальному закону, с опреде-
ленной вероятностью можно утверждать, что отклонения выбо-
рочной средней от генеральной средней не превысит заданного
значения Дп, которая называется предельной погрешностью выбор-
ки, а вероятность — доверительной вероятностью.
Предельная погрешность выборки Ап связана со средней по-
грешностью цп соотношением
Ап=грп, (10.11)
где z — коэффициент, зависящий от вероятности, с которой гаран-
тируется предельная погрешность.
Относительная погрешность повторной выборки бп с довери-
тельной вероятностью р(г) рассчитывается по формуле
6П = Ап/х= za (х)/х]/"п = zV/]/n, (10.12)
где У=а(х)/х—коэффициент вариации, представляющий собой
отношение среднеквадратического отклонения. а(х) к среднему
значению признака выборочной совокупности.
Выражения (10.10) — (10.12) справедливы, если число элемен-
тов выборочной совокупности п достаточно большое, например
л>20... 50. Только в этом случае выборочные средние распреде-
лены по нормальному закону. При малых выборках кривая рас-
пределения выборочных средних является плосковершинной и опи-
сывается не нормальным распределением, а распределением Стью-
дента.
Предельная погрешность малой повторной выборки рассчиты--
вается по формуле
дп= ^n-i (о W)/K« —1 . (10.13)
293
где tn-i — коэффициент Стьюдента, зависящий от доверительной
вероятности x объема выборки.
При п = оо значения zn-i совпадают со значениями z нормаль-
ного распределения, а при «=20... 50 различие относительно неве-
лико. Подробные таблицы значений z и zn-i приведены в i[22].
Для вычисления погрешности репрезентативности ’ случайной
бесповторной выборки правые части выражений (10.10), (10.12) и
(10.13) необходимо домножить на V1—л/Af, где N — число эле-
ментов генеральной совокупности.
Грубые погрешности или промахи являются следствием недо-
статка внимания экспериментатора. Источником их могут быть, на-
пример, неисправности в измерительных приборах или в коммута-
ционной аппаратуре. Для устранения промахов необходимо соблю-
дать аккуратность и тщательность в работе и записях результатов.
При планировании измерений должны быть предприняты необхо-
димые меры для устранения промахов.
При определении точности результатов измерений следует учи-
тывать погрешности как аппаратурные ба, так и репрезентативно-
сти бр. Предельную суммарную относительную погрешность изме-
рений 6s можно определить как сумму квадратов предельных зна-
чений этих погрешностей:
б2 = К 61 +6р. (10.14)
Доверительная вероятность суммарной погрешности измерений
в первом приближении может оцениваться доверительной вероят-
ностью погрешности репрезентативности.
Кроме погрешности измерений достоверность конечного резуль-
тата зависит от точности вычислений при обработке результатов
измерений. Рекомендуется придерживаться следующего правила:
погрешность вычислений должна быть примерно на порядок (т. е.
в 10 раз) меньше суммарной погрешности измерений.
10.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМА ИЗМЕРЕНИЙ
Как установлено в § 10.3, некоторые составляющие суммарной
погрешности измерения, например обусловленные классом точно-
сти Приборов, не зависят от объема измерений, другие составляю-
щие, например погрешность репрезентативности, в основном опре-
деляются объемом измерений.
Из выражения (10.10) следует, что с увеличением объема из-
мерений погрешность репрезентативности уменьшается, однако
уменьшать ее целесообразно только до тех пор, пока суммарная
погрешность измерений не будет в основном определяться аппара-
турной погрешностью. Практически при измерении параметров те-
лефонной нагрузки относительную погрешность репрезентативно-
сти принимают порядка 5... 10% с доверительной вероятностью
0,95 или 0,99.
294
Для расчета минимального объема выборки п с заданной до-
верительной вероятностью р(г), исходя из предельной погрешности
достоверной выборки бп, решим уравнение (10.12) относительно
п:
nn = z2(V2/62) (10.15)
Для бесповторной выборки
«бп=(г2У2Л0/(6б2п Л^ + г2 V2). (10.16)
До начала измерений коэффициенты вариации V в (10.15) и
(10.16) неизвестны, поэтому объем выборки можно определить
лишь приближенно, задавшись значениями коэффициентов вариа-
ции по результатам предыдущих аналогических измерений. После
получения результатов измерений необходимый минимальный объ-
ем выборки уточняется.
Современные средства учета нагрузки и потерь отличаются высокой сте-
пенью автоматизации процесса измерений и обработки результатов. Структур-
ная схема устройства для измерения параметров телефонной нагрузки представ-
лена на рис. 10.2. Эта схема работает следующим образом. Устройство подклю-
чения и преобразования информации выполняет три основных функции:
позволяет подключиться к требуемой для исследования группе линий, т. е.
выполняет функцию коммутации;
преобразует сигналы, характеризующие состояние линии, в сигналы, удоб-
ные для передачи и подсчета электронными счетчиками;
осуществляет передачу преобразованных сигналов на электронные счетчики
импульсов.
Часть схемы, реализующая вторую и третью функции, представлена на
рис. 10.3. Эта схема содержит п. входов. Если i-я линия занята, то на i-м входе
появляется положительный потенциал. На - выходе дифференцирующей цепи в
этот момент появляется импульс, который через схему ИЛИ] поступает на счет-
чик числа занятий. Пренебрегая вероятностью одновременного изменения со-
Рис. 10.2
295
1-я ПИНИЯ
Дифференцирующая цепь 1
ИЛИ1
К счетчику
числа занятий
а
б
Схема совпадения 1
Рис. 10.3
стояния нескольких линий, получаем, что число импульсов на выходе схемы
ИЛИ] за некоторый промежуток времени равно общему числу занятий рас-
сматриваемых п линий на том же промежутке времени.
На схемы совпадений (входы а) поступают сигналы с линий и импульсы
(входы б) от устройства управления контроля и-программирования (рис. 40.2).
Импульсы формируются из сигнала генератора импульсов отсчета времени, так
что на схемы совпадений они поступают не одновременно. Временные сдвиги
между ними обеспечивают поочередное попадание импульсов в счетчик общего
времени занятости. Прохождение импульсов в этот счетчик возможно лишь тог-
да, когда на входы а схемы совпадений поступают положительные потенциалы
с контролируемых линий, при наличии занятости линии. Таким образом за одни
период сигнала генератора импульсов отсчета времени в счетчике фиксируется
число импульсов, равное числу занятых линий (так как вероятностью измене-
ния состояния пучка за период работы генератора можно пренебречь). Очевидно,
число импульсов на выходе схемы ИЛИ2 за некоторый промежуток времени од-
нозначно определяет нагрузку, пропущенную пучком из п линий иа том же про-
межутке. Импульсы с выходов схем ИЛИ подсчитываются электронными счет-
чиками.
В течение некоторого времени информация о нагрузке накапливается в элек-
тронных счетчиках (рис. 10.2), а затем по сигналу из устройства управления
производится опрос счетчиков и накопленная информация фиксируется в устрой-
стве долговременной памяти, например на перфоленте.
Современные генераторы импульсов отсчета времени могут формировать им-
пульсные последовательности требуемой частоты с высокой точностью располо-
жения импульсов. Однако при измерениях нагрузки и потерь не требуется высо-
кой точности. Поэтому импульсы отсчета времени иногда формируют с помощью
обыкновенных электрических часов, которые имеются иа каждом предприятии, и
делителей или умножителей частоты.
В устройство управления, контроля и. программирования вводйтся данные о
программе, объеме и периодичности производимых измерений с указанием того,
в какие часы и минуты подлежат обследованию те или иные группы приборов,
.направления и абоненты.
Информация, записанная в долговременную память, передается на ЭВМ, ко- -
торая обрабатывает результаты измерений.
296
Глава И. ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
МНОГОКАНАЛЬНЫХ СИСТЕМ
ПЕРЕДАЧИ
11.1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗМЕРЕНИИ
Высокое качество передачи и воспроизведения сообщений можно
обеспечить при условии, что тракт передачи в целом и его состав-
ляющие удовлетворяют установленным требованиям. Эти требо-
вания нормируются, т. е. определяются номенклатура параметров
и характеристик, их значения и характер поведения, а также до-
пуски. Таким образом, обеспечение «необходимого качества» сво-
дится к поддержанию ряда поддающихся объективной количест-
венной оценке электрических параметров в заданных пределах.
Целью измерений является определение значений электриче-
ских параметров и характеристик и сравнение их с допустимыми.
Согласно основным положениям Единой автоматизированной сети
связи страны (ЕАСС) каналы и тракты являются универсальны-
ми, т. е. в системе может передаваться информация различного ви-
да (речь, телевидение, передача данных) с помощью различных
сигналов. Каждый вид сигналов определяется (описывается) свои-
ми специфическими характеристиками, а система передачи долж-
на обеспечивать высокое качество передачи независимо от вида
сигнала. Поэтому нормируемые параметры системы передачи
должны не зависеть от вида передаваемых сигналов, а должны
характеризовать ее пригодность к передаче любого вида информа-
ции. Для их введения необходимо принять соответствующую мо-
дель системы. Тракты и каналы передачи полезных сигналов, а
также пути распространения помех практически всегда можно
представить в виде четырехполюсника, и поэтому основные ха-
рактеристики каналов и трактов выбраны аналогично характерис-
тикам четырехполюсника.
Измерения характеристик системы и ее составляющих прово-
дят при строительстве и монтаже, чтобы отбраковать изделия, не
удовлетворяющие требованиям технических условий, и устранить
допущенные при строительстве и монтаже повреждения и ошиб-
ки. По окончании монтажа станционной аппаратуры проводят на-
строечные измерения, подтверждающие правильность регулировок.
Измерения параметров трактов и каналов, находящихся в эксплуа-
тации, проводят в порядке профилактики для подтверждения ста-
бильности характеристик либо для определения характера и мест
повреждения. Контрольные измерения выполняют, как правило,
без нарушения работы системы в дополнение к предусмотренным
в аппаратуре устройствам непрерывного контроля. При обнаруже-
нии показателей, не удовлетворяющих эксплуатационным нормам,
осуществляется настройка с закрытием связй, после которой все
297
электрические характеристики должны соответствовать значениям,
указанным в настроечных нормах.
Все указанные измерения выполняются в соответствии с тре-
бованиями ГОСТ и соответствующих инструкций, утвержденных
Министерством связи СССР. Эти же документы регламентируют
методику измерений и типы измерительной аппаратуры.
Многоканальные системы, используемые в настоящее время
для организации связи большой протяженности, действуют по
принципу частотного разделения каналов, при котором сигналу
каждого канала выделяется определенная часть полосы частот, пе-
редаваемой по линии. Системы с различной шириной используе-
мой полосы сравниваются по числу каналов тональной частоты
(ТЧ) шириной 3,1 кГц (общая ширина полосы с промежутком
между соседними каналами ТЧ составляет 4 кГц), т. е. канал ТЧ
является единицей оценки пропускной способности системы. Для
канала ТЧ ЕАСС нормируется 19 параметров, в частности: полоса
эффективно передаваемых частот; номинальные относительные
уровни; входное сопротивление; структура номинальной цепи; ос-
таточное затухание (ОЗ) канала, отклонение его среднего значе-
ния от номинального, среднеквадратическое отклонение ОЗ- во вре-
мени от среднего значения на частоте 800 Гц; искажение частоты;
скачкообразные изменения фазы во времени; частотная характе-
ристика ОЗ (амплитудно-частотная характеристика — АЧХ); аб-
солютное групповое время запаздывания, частотная характеристи-
ка отклонения группового времени запаздывания (ЧХ ГВЗ); амп-
литудная характеристика; нелинейные искажения.
Даже этот неполный перечень дает представление о многооб-
разии нормируемых параметров только для канала ТЧ. Соответ-
ствующий ГОСТ нормирует также требования и электрические па-
раметры сетевых групповых трактов.
Ряд приведенных характеристик измеряется способами, Опи-
санными в соответствующих разделах настоящей книги, далее бу-
дут рассмотрены некоторые специфические характеристики и ме-
тоды их измерения.
11.2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАТУХАНИЙ
Значения напряжений сигналов и помех, действующих в раз-
личных точках трактов передачи, колеблются от долей пиковоль-
та до десятков вольт, мощность — от долей пиковатта до единиц
ватт.. Для облегчения измерений и сравнения значений такого
большого диапазона пользуются логарифмом отношения этих ве-
личин (относительные уровни) или логарифмом отношения их к
условным величинам' принятым за нулевущ отметку логарифмиче-
ской шкалы (абсолютные уровни), выраженные в децибелах.
Так как моделью канала связи считается четырехполюсник, то
его характеристики (а значит, характеристики каналов и трактов)
удобно также выражать логарифмическими характеристиками.
К этим характеристикам относятся затухания четырехполюсников,
298
а также такие параметры, как зату-
хание несогласованности, затухание
асимметрии. С понятием затухания
связана количественная оценка вза-
имного влияния линий — ее оцени-
вают переходным затуханием.
Затухания четырехполюсников.
Общие понятия. Затухание является
Рис. 11.1
энергетической мерой передачи гармонического сигнала через че-
тырехполюсник и в общим виде (в децибелах) определяются сле-
дующим уравнением:
А = 101g (Л/Ра), (11.1)
где Pi и Р2 — полные мощности опорного или входного сигнала и
сигнала на нагрузке измеряемого четырехполюсника.
В зависимости от того, какое рассматривается затухание,
смысл полных мощностей Pi и Р2 различен. Это является следст-
вием того факта, что четырехполюсник может быть согласован или
нет (и по входу и по выходу), а значит, могут возникать отраже-
ния мощности, т. е. энергетические потери. Но какой бы смысл не
закладывался в значения Pi и Р2, это всегда полные мощности
синусоидальных сигналов. Поэтому, если измерительный сигнал
генератора наряду с основной частотой содержит гармонические
составляющие, то измерение нужно проводить только на основ-
ной частоте, т. е. принять меры к подавлению высших гармоник
(применяются фильтры нижних частот) или пользоваться избира-
тельными измерительными приборами.
Согласно рекомендациям МККТТ в технике связи рассматри-
вают три вида затуханий: собственное, рабочее и вносимое.
Собственное затухание определяется выражением (11.1),
если Pi и Р2 — полные мощности, развиваемые на входе и выходе
четырехполюсника, нагруженного на согласованное сопротивление,
т. е. ZH=Z2.
Пояснение сравниваемых мощностей дает рис. 11.1, где Zr —
сопротивление генератора или выходное сопротивление предыду-
щего каскада; Z] — входное сопротивление четырехполюсника;
Z2— выходное сопротивление четырехполюсника; ZH — сопротив-
ление нагрузки четырехполюсника; Ui, Ц и U2> 12 — напряжения и
токи на входе и выходе четырехполюсника; ИЧ — исследуемый
четырехполюсник. Используя эти обозначения, можно записать
для собственного затухания:
Л" 10 1g - ю Ig г-\ - 20 1g -10 lg =
= 20 1g ^-'-10 lg fl- . (П.2)
1^2
Если четырехполюсник симметричен, т. е. ZX = Z2, а так как Z2 =
= ZH, то Z[ = Z2 = ZH и
л0= 2oig (ад). (П-З)
299
Собственное затухание является параметром четырехполюсни-
ка, не зависящим от условий его включения — именно это позво-
ляет выражать его не через существующие в цепи мощности, а че-
рез значения входных сопротивлений. Наиболее просто это можно
сделать исходя из входных сопротивлений в режиме холостого хо-
да и короткого замыкания, т. е.
ас = Re (arth Vz'^/Z^). (11.4>
Обеспечить режим работы с полным согласованием во всем диа-
пазоне частот в рабочих условиях не удается, поэтому собствен-
ное затухание не характеризует работы четырехполюсника в дейст-
вительных условиях.
Рабочее затухание определяется выражением (11.1), если
Pi — полная мощность, которую выделяет генератор на согласо-
ванной с ним нагрузке; Р2 — полная мощность, которую этот же
генератор отдает в нагрузку ZH через рассматриваемый четырех-
полюсник.
Пусть на сопротивлении Zr (рис. 11.2,а) выделяется полная
мощность Pi, а на сопротивлении ZH (рис. 11.2,6), подключенном
к тому же генератору через четырехполюсник, выделяется полная
мощность Р2. Таким образом, рабочее затухание
^p=10 1g|l- = 10Ig^ =20 lg ^--lOlgfE- . (11.5)
P2 Zr U 2 ZH
Но при согласовании t/1 = 71Zr= (£/2Zr)-Zr = £/2.^ Следователь-
но, (11.5) можно переписать в виде Лр = 201g(£72f72)—10lg(Zr/ZH),
Из этого выражения видно, что знание ЭДС генератора мо-
жет облегчить измерение — нужно измерять только U2 и рас-
считать 10 lg(Zr/ZH). Постоянство Е и его независимость от харак-
теристик четырехполюсника создает удобство при автоматизации
измерений.
Как видно из (11.5), Ар не зависит от параметров четырехпо-
люсника, а связано со значениями сопротивления генератора и на-
грузки четырехполюсника. Рассматриваемая мощность Pi харак-
теризует генератор и в этом смысле является опорной (т. е. такой
с которой сравнивают по определению), а не входной для четы-
рехполюсника: действительно, на рис. 11.2,6 на входе четырехпо-
люсника в общем случае PBx=#Ri- Рабочее затухание можно вы-
разить через собственное затухание четырехполюсника, и это вы-
Рис. 11.2
300
ражение включает члены, отражающие несогласованность вклю-
чения.
Вносимое затухание определяется выражением (11.1), если
Pi — полная мощность, которую выделяет генератор на сопротив-
лении ZH; Р2— полная мощность, которую выделяет генератор на
том же сопротивлении ZH, но подключенном к нему через рассмат-
риваемый четырехполюсник (рис. 11.3). Таким образом, вносимое
затухание
Лв=10 1§ J- = 10 1g^.^-=201g£- . (11.6)
Отметим, что U] не равно входному напряжению четырехполюсни-
ка, т. е. U^UBX.
На практике (по крайней мере не на СВЧ, где измеряют не-
посредственно мощности) затухания измеряют измерителем уров-
ня, т. е. прибором, измеряющим напряжения. Мощность и напря-
жение связаны зависимостью P = u2IZ, и с учетом этого выражение
(11.1) можно переписать в виде
Л= 10 1g =20 1g —10 1g (11.7)
& Р2 U2 Z2
где Uj — напряжение, выделяющее мощность Рх на сопротивлении
Z\\ U2— то же для 'мощности Р2 на сопротивлении Z2.
Измеритель уровня измеряет абсолютные уровни напряжения,
поэтому преобразуем (11.7) так, чтобы затухание выражалось че-
рез абсолютные уровни:
Л = 20 1g -Ю 1g ^- = 20 1g —20 1g —
s U2/U0 S Z2 S Ua Ь Uo
-101g|-=A1-A2-101gfl- , (11.8)
Zg Z2
где Uq — напряжение, принятое за нулевое значение шкалы аб-
солютных уровней напряжения; и Ь2 — абсолютные уровни на-
пряжений Ui и U2 соответственно.
По рекомендации МККТТ за нулевую отметку шкалы уровней
мощности принят 1 мВт, поэтому нулевое значение шкал абсолют-
ных уровней напряжения (и тока) определяют исходя из того со-
противления, на котором данное напряжение (ток) выделяет
1 мВт, т. е. Uo= V PoRo= }^1О_37?о, где Uo— выражено в воль-
тах, Ro — в омах.
391
°)
Рис. 11.4
Рассмотрим особенность измерителя уровня, связанную с тем,
что он может иметь разное входное сопротивление и разные шка-
лы (с разными значениями Uo). Пусть измеряется уровень напря-
жения на резисторе Rx (рис. 11.4). При высокоомном входном
сопротивлении измерителя уровня показание по i-й шкале можно
представить
ABo = 201g^-10 1g , (11.9)
^01 f'Ol
где UOi — нулевой уровень напряжения, соответствующий сопро-
тивлению ROi. Если на измерителе уровня ИУ установлено значе-
ние входного сопротивления RBX, то измеритель уровня можно
представить в виде параллельного соединения RBX и измерителя с
высокоомным сопротивлением (рис. 11.4,6). Показание в этом слу-
чае будет
АдВ1 =201g-^-101g^^/7?oi. (11.10)
UOi Яж + Явх/|
Например, для шкалы, проградуированной для 7?Oi = 6OO Ом (т. е.
£/0г = 0,775 В), при высокоомном входе показание будет Лв0 =
U R
= 20 1g— ---10 1g — ,а при входном сопротивлении 7?Вх = 600 Ом
0,775 600
^4в00 = 201g -10 1g 600.
0,775 4-600 /
Если /?х = 600 Ом, то
4 = 201g —---JOlg— = 20lg -^ + 3 дБ.
‘ & 0,775 2 & 0,775
Измерение затуханий четырехполюсников. Рабочее затухание
измеряют методом известного генератора и методом Z. Оба мето-
да могут быть реализованы с помощью двух отсчетов или сравне-
нием с затуханием образцовой меры (магазина). Поясним сущ-
ность этих методов.
В выражение рабочего затухания входит мощность опорного
сигнала, которая обусловлена параметрами генератора Zr и Ег.
Если они известны, то используют метод известного генератора,
реализуемый либо с помощью двух отсчетов (рис. 11.5,а), либо с
помощью сравнения (рис. 11.5,6). По схеме на рис. 11.5,а изме-
рителем уровня ИУ с высокоомным входом измеряют уровень на-
302
Рис. 11.5
пряжения на и при известной ЭДС генератора (его уро-
вень Le) рабочее затухание
Л = ^/2-/'н+101§^ = ^-£н+Ю1§4а— 201g2. (Н.П)
По схеме на рис. 11.5,6 необходимо иметь образцовый магазин
М3, у которого ZBXM = Zr. Регулируя затухание магазина, следует
добиться одинаковых показаний в положениях 1 и 2 переключате-
ля. В положении 1 переключателя показание измерителя уровня
будет Z.1 = 201g — + 101g-5»_ = LH+ 10 Jg-^- . В положении
t/0 Z„ Zn
2 ^-2 = 20 lg10 Ig -^ = LM+10]g^ . Так как L, = L2, to
Uq Am
—£H+101g —------101g-^- = 0. Но затухание магазина и его
Zm Zh
уровень на выходе связаны со входным: LM = LE/2—Лм. Отсюда
Лм = Ь£/2—ЬНД-10]g (ZH/ZM) = Лр. (11.12)
Если ZH = ZM, то ЛМ = ЛР.
Вместо измерителя уров-
ня в схеме рис. 11.5,6 мож-
но поставить высокоомный
вольтметр и добиваться оди-
наковых показаний.
Если ЭДС и внутрен-
нее сопротивление генера-
тора неизвестны или их
Рис. 11.6
Рис. 11.7
303
номиналы не подходят, то используют метод Z, основанный
на замене реального генератора эквивалентным с заданным внут-
ренним сопротивлением. Для этого между генератором и измеряе-
мым четырехполюсником включаем сопротивление Z, в результате
чего получаем эквивалентный генератор с другими параметрами.
Для схемы на рис. 11.6,a 7=£’r/(Zr + ZBX); U = E—IZr. Для схемы
на рис. 11.6,6 1=U[(Z + ZBX); U2=U{—1Z. Из сравнения этих вы-
ражений видно, что за ЭДС эквивалентного генератора, образо-
ванного методом Z, принимают выходное напряжение U\ реально-
го генератора с внутренним сопротивлением Z.
В схеме на рис. И.7,а метод Z реализуется с помощью двух
отсчетов. Первый получают в положении 1 переключателя, когда
сопротивления R равно входному сопротивлению измерителя уров-
ня; в этом случае Lo = 20 1g — + 10 1g — = Lut/2-f-101g . Вто-
2l/0 7? 7?
рой отсчет снимается в положении 2 переключателя с сопротивления
нагрузки ZH измерителем с высокоомным входным сопротивлени-
ем, и тогда Z.a = 20 lg -^S-4-10 lg ——~Ly + Ю 1g . Рабочее
t/c ZH H Za
7
затухание по этим двум отсчетам Лр = Лу/2— Lv + 101g—
н 7?
и если |ZH| = R, то
Лр = Ь(7/2-Lu .
Для схемы 11.7,6 в положении 1 переключателя показание из-
мерителя уровня Lr = 2G lg+ 10 lg -5l.= £h-{- 10 lg-^~. В no-
f/o Zb
ложении 2 Z,2 = 20 Ig-^1 + 10 lg = 10 lg-^2-. C no-
t/Q ZM ZM
мощью магазина затухайий добиваемся, чтобы L\ = L2, и так как
Дм —Де/2—Ам, получим
AP = AM+101g(ZM/ZH). (11.13)
Если Zm—-Zjj, то Ар = Аэд.
Отметим, что схема на рис. 11.7,а используется для неуравно-
вешенного четырехполюсника, а схема на рис. 11.7,6 — для уравно-
вешенного (уравновешенным называется четырехполюсник с «гори-
зонтальной» осью симметрии, электрически симметричный с «вер-
тикальной»), Естественно, что и ту и другую схему можно исполь-
зовать для любого четырехполюсника: уравновешенного или нет
(т. е. ставят два сопротивления по Z/2 для уравновешенного либо
одно Z для неуравновешенного).
Погрешность измерения рабочего затухания способом двух от-
счетов определяется погрешностью измерения уровней напряже-
ния и составляет около ±0,5 дБ. При способе измерения с магази-
ном погрешность составляет примерно ±0,1 дБ и обусловлена
погрешностью магазина — в основном это погрешность дискретно-
сти. Для уменьшения общей погрешности вместе с магазином ис-
304
пользуют стрелочный измерительный прибор, диапазон измерения
которого равен одному дискрету магазина, и обеспечивают погреш-
ность около ±0,0ГдБ.
Для измерения вносимого и собственного затухания также ис-
пользуют способы двух отсчетов или сравнения с магазином зату-
ханий при условии включения четырехполюсника в соответствии
с определением данного затухания.
Большинство узлов аппаратуры мйогоканальных систем имеет
сопротивление, близкое к номиналу и мало зависящее от частоты.
Для частот линейного спектра сопротивление кабеля в рабочем
диапазоне меняется также незначительно. Поэтому при измерении
характеристик трактов нет необходимости применять специальные
схемы, которые используются при измерениях отдельных элемен-
тов тракта. Значения уровней в различных точках тракта опреде-
ляют измерителем уровня, входное сопротивление которого уста-
навливают либо равным заданному /?вх, либо во много раз превы-
шающим сопротивление тракта. При использовании 7?вх измери-
тель уровня подключают вразрез (рис. 11.8,а), т. е. взамен после-
дующих элементов тракта, либо при их отсутствии на оконечных
или промежуточных пунктах, где аппаратура отдельных групп на-
ращивается постепенно. Высокоомный вход используют, если из-
меритель подсоединяется параллельно тракту (рис. 11.8,5). Такие
измерения соответствуют определениям затуханий. Погрешности
этих измерений тем больше, чем больше отклонение входных со-
противлений отдельных элементов тракта от номинальных значе-
ний. Размеры этих отклонений в ряде случаев соизмеримы с до-
пустимыми отклонениями измеряемых уровней. Поэтому - способ
измерений следует выбирать в соответствии с рекомендованными
методическими указаниями для данного тракта. Образцовые изме-
рения, с результатами которых сравнивают параметры в процессе
эксплуатации, проводят, как правило, способом параллельного
подключения избирательных измерителей уровня.
Если затухания, значения которых найдены в соответствии с
определениями, имеют отрицательный знак, то их называют уси-
лением.
Алгебраическую сумму значе-
ний всех затуханий и усилений
тракта, содержащего ряд после-
довательно включенных согласо-
ванных четырехполюсников, на-
зывают остаточным затуханием
(если сумма положительна) или
остаточным усилением (сумма
отрицательна). Нулевое остаточ-
ное затухание означает, что изме-
рительные уровни на входе и вы-
ходе тракта одинаковы, т. е. ин-
тенсивность сигнала в данном
тракте не меняется.
Рис. 11.8
305
Для обеспечения неискаженной передачи остаточное затуха-
ние (усиление) трактов должно оставаться неизменным во време-
ни. Поэтому важной характеристикой трактов является нестабиль-
ность остаточного затухания. Для его измерения на вход тракта
подают измерительный сигнал с номинальным уровнем Лвх и фик-
сируют уровни Li на выходе тракта. Измерения проводят п раз
через заданные промежутки времени. Для каждого измерения на-
ходят остаточное затухание ЛО» = АВХ—Li (усиление), а затем оп-
ределяют среднее:
[Ьо.ср-— 5] Aof fso.cp=-l- . (11.14)
' П i=l \ « ;=i /
Среднеквадратическое отклонение остаточного затухания
"!15>
Среднее значение и среднеквадратическое отклонение остаточ-
ного затухания, как и время измерения, число и интервалы изме-
рений, нормируются.
Входное сопротивление, коэффициент отражения, несогласован-
ность, асимметрии трактов. Входное сопротивление трактов и их
элементов является в общем случае комплексной величиной. Для
облегчения согласования подключаемых друг к другу элементов в
системах многоканальной связи стремятся реактивную часть сде-
лать близкой к нулю, а активную определенного значения норми-
руют. Но у элементов, коэффициенты передачи которых непосто-
янны по частоте (фильтры, амплитудные выравниватели), реак-
тивная составляющая значительна и для контроля их исправности
необходимо измерять и нормировать полные сопротивления Z —
на разных частотах. Основным методом определения Z
является измерение активной и реактивной составляющих с по-
мощью мостов переменного тока (см. гл. 9). Но измерение в диа-
пазоне частот мостовыми методами — трудоемкая задача, и если
не требуется высокой точности, то применяют упрощенные методы.
В частности, удовлетворительное представление о входном сопро-
тивлении дает коэффициент отражения, выражаемый в процен-
тах:
P=|Zx-/?/Zx + /?|, (11-16)
где 7? — номинальное сопротивление.
Если Zx=/((o), то коэффициент отражения также изменяется с
частотой и обозначается р(со). Чем ближе Zx к номинальному зна-
чению, тем р(со) меньше, и при нормировке устанавливают край-
ние значения, которые р(со) не должно превышать.
При измерениях обычно определяют не коэффициент отраже-
ния, а однозначно с ним связанное «затухание несогласованности»
Лн, выражаемое в децибелах:
4H = -201gp = 201g|Zx + /?|/|Zx-7?|. (11.17)
306
о—---- 7 3 о
ич
О— у Z Ч 9 —О
Рис. 11.9 Рис. 11.10
При ZX = R Дй=оо и уменьшается по мере рассогласования.
Затухание несогласованности измеряется с помощью измери-
тельного генератора и измерителя уровня, включенных в неуравно-
вешенный мост по схеме на рис. 11.9. В положении переключате-
ля 1 U\i=I\(R+Zx), где Ц протекает через R и Zx. В положении
переключателя 2 U22=Us—Ur, где UB= Ua/2 = Ii(R + Zx)/2 и U2=
= I\ZX. Подставив UB и Ur в U22, получим U22 = Ii(R+Zx)/2—
—1\ZX = I\(R—ZX) /2. Отношение напряжений при разных положе-
ниях переключателя
t7ii/t722 = 2 (7?+ZX)I(R—Zx).
Прологарифмировав
201gn11/n22 = 20 1g(7? + Zx)/(7?--Z;c)+20 1g2 = AH + 6 дБ,
найдем
Ан = 20 1g (7ц/[722— 6 дБ = Б1—L2—6 дБ, (11.18)
где (Li—L2) — разность показаний измерителя уровня в положе-
• ния.х 1 и 2 переключателя.
Для увеличения точности применяют дифференциальные мос-
ты, в которых плечи ав и вб образованы обмотками дифференци-
ального дросселя или трансформатора, а отсчет разности уровней
получают с помощью магазина затуханий.
Понятию «затухание несогласованности» близко понятие «зату-
хание асимметрии», характеризующее степень симметрии кабель-
ных цепей и элементов аппаратуры, собранных по уравновешенной
схеме. Для четырехполюсников рассматривают затухание асим-
метрии со стороны входа и выхода. Если принять обозначения в
соответствии с рис. 11.10, то коэффициент асимметрии со стороны
входа
Д ас.вх = 20 1g | Z10 + Z20 I /| Z[Q—Z2q I 2 (11.19)
и co стороны выхода
Д ас.вых = 20 1g | Z30 + Z40 | / | Z3Q—Z40 I 2. (11.20)
Сравнивая выражения (11.19) и (11.20) с (11.17), видим, что их
структура идентична, а значит, для измерения затухания асим-
метрии пригодны методы и схемы измерения затухания несогласо-
ванности.
307
Влияннцая
Рис. 11.12
На практике часто не требует-
ся высокой точности при измере-
нии и поэтому прибегают к упро-
щенным схемам (рис. 11.11), с
помощью которых получают ре-
зультаты, не точно соответствую-
11.11,а позво-
Рис. 11.11
щие определениям (11.19) и (11.20). Схема на рис.
ляет измерить затухание асимметрии со стороны входа
^ас.вх— L-—L2 Ас,
а схема на рис. 11.11,6 — затухание со стороны выхода
А ас.вых — Li----L2,
(Н.21)
(11.22)
где Li и L2— показания измерителя уровня в положениях пере-
ключателя 1 и 2 соответственно; Ас — характеристическое затуха-
ние четырехполюсника.
Затухание асимметрии также нормируется.
Оценка взаимного влияния. Переходные помехи, возникающие
из-за паразитных связей между цепями, количественно оценивают-
ся переходными затуханиями между влияющей и подверженной
влиянию цепями. Влияющей считается та цепь, в которой есть ис-
точник сигнала. Схема возникновения переходных помех и рас-
сматриваемые мощности, определяющие переходные затухания,
показаны на рис. 11.12. Считая, что линии нагружены согласован-
но и Zci, ZC2 — характеристические сопротивления влияющей цепи
и цепи, подверженной влиянию, на рис. 11.12 обозначено: Р[-—
полная мощность источника сигнала, развиваемая на ближнем
конце; Рц — полная мощность, принятая на дальнем конце влияю-
щей линии за счет передачи Л; Р2 и Pi2 — наведенные на ближ-
нем и дальнем концах подверженной влиянию линии полные мощ-
ности. Эти мощности появляются .также за счет работы передат-
чика влияющей линии и взаимного влияния линий. Переходное
затухание на ближнем конце оценивается соотношением
Лп.б = 101g (Л/Р2) - Ц -L, + 10 lg IZc2/Zcl1. (11.23)
Переходное затухание на дальнем конце
/ln.«=10Ig(P1/P3J = A1-4! + 10]g|Zc2/Zcl(, (11.24)
где Lt — уровни напряжении в соответствующих точках линий
(рис. 11.12).
308
Рис. 11.13
Переходные затухания определяются измерителями уровня, а-
также панорамными приборами, отражающими на экране ЭЛТ
частотную характеристику переходного затухания. Схемы измере-
ния переходных затуханий на ближнем и дальнем концах пред-
ставлены на рис. 11.13,а и б соответственно. Процесс измерения’
сводится к регулировке затуханий магазина до тех пор, пока по-
казания измерителя уровня (вход высокоомный) не станут одина-
ковыми в обоих положениях переключателей. Переходное зату-
хание на ближнем конце Лп.б = Лм+10 Ig|ZC2/Zci |; на дальнем кон-
це ^п.д = ^м"Ь Ю 1g —— | + Л01,
2,
где Ас1 — характеристическое
затухание влияющей цепи, так как сравниваются мощности Л2 и-
Рц, а по определению нужно сравнивать с Р{. Уровни этих мощно-
стей связаны соотношением: Li = Ьц +Аci.
Телеизмерения на кабельных магистралях. Одним из эффек-
тивных методов повышения надежности систем передачи является
непрерывный контроль системы. При этом оптимальным является
контроль обобщенных параметров, т. е. таких, которые характери-
зуют оборудование в целом. Непрерывный контроль экономически,
целесообразен только при автоматизации измерений, так как при
этом повышается его эффективность, надежность результатов при
одновременном снижении трудозатрат и квалификации обслужи-
вающего персонала. Причем контроль должен охватывать как ап-
паратуру оконечных пунктов (ОП), обслуживаемых усилительных
пунктов (ОУП), так особенно необслуживаемых УП (НУП), яв-
ляющихся основной составной частью линейных трактов систем;
передачи.
В частности, обобщенными параметрами, подлежащими конт-
ролю,' можно считать остаточное затухание и суммарные помех»
(их мощность), возникающие в тракте, так как они обусловлены-
изменениями целого ряда явлений: нелинейных и собственных по-
мех, защищенности от переходов с других трактов и т. п. Кроме
обобщенных параметров, полезно периодически контролировать на
магистрали состояние отдельных элементов, узлов и участков ли-
нейного тракта, что позволяет прогнозировать выход их за преде-
30»
лы нормы, а по этим результатам вести восстановительный ремонт
•или регулировки.
Оборудование контроля обобщенных параметров и состояния
отдельных элементов, узлов и участков линейного тракта входит
в состав оборудования систем передачи и называется оборудова-
нием телеобслуживания. Оборудование телеобслуживания обеспе-
чивает передачу сигналов управления из ОУП в НУП, по которым
подключается измерительная аппаратура (генераторы, датчики и
т. п.), размещенная в НУП, к контролируемым узлам или входу
линейного тракта. Кроме этого, оно должно обеспечить передачу
сигналов извещения для персонала станции (ОУП или ОП), по
которым судят о состоянии (нормальном или аварийном) системы
передачи.
Развитие микроэлектроники и вычислительной техники значи-
тельно повышает уровень автоматизации. Средства вычислитель-
ной техники, входящие в систему контроля, по программе должны
проводить контроль и обработку результатов, на основании кото-
рых дается обобщающий вывод, включается резервная аппаратура
и т. п. Широкое использование микропроцессоров, обусловленное
их доступностью и дешевизной, позволяет включать их в состав
аппаратуры системы. Это создает предпосылки для создания рас-
средоточенных систем контроля. Такие системы автономны, не
требуют управления с центральной станции, а по программе про-
водят контроль и измерения прилегающей к ним аппаратуры
(«своей»), передавая на центральную станцию обобщенный ре-
зультат. Рассредоточенность устройств контроля позволяет осу-
ществить больший объем и глубину контроля на месте, не пере-
гружая аппаратуру центральной станции и не занимая линий пе-
редачей данных управления и т. п. При разработке рассредото2
ченных систем контроля по-новому встают вопросы выбора конт-
ролируемых параметров, организации процесса измерения — конт-
роля с учетом новых качественных возможностей.
11.3. ПРИБОРЫ МНОГОЦЕЛЕВОГО
НАЗНАЧЕНИЯ
Комплекс характеристик каналов и трактов, которые необхо-
димо измерять, 'требует разнообразной аппаратуры. Для удобства
пользования требуемая аппаратура агрегатируется в виде специа-
лизированных комплектов или пультов и конструктивно объединя-
ется в виде передвижных стоек. С усложнением систем связи и
улучшением их качества требования к метрологическим характе-
ристикам измерительных приборов растут. Поэтому разработка
этих приборов должна опираться на последние достижения радио-
электроники и вычислительной техники.
Рассмотрим состав и назначение находящихся в эксплуатации
комплектов измерительных приборов многоцелевого назначения, а
также принцип построения приборов для измерения линий им-
пульсным методом.
-310
Структура и назначение комплектов приборов и измерительных пультов*.
Рассматриваемые далее приборы позволяют настраивать, эксплуатировать и ре-
монтировать каналы и тракты систем, предназначенных для построения ЕАСС.
Комплект приборов ИП-ТЧ предназначен для измерения параметров кана-
лов ТЧ в диапазоне частот от 30 Гц до 15 кГц. В его состав входят измери-
тельный генератор ИГ-НЧ и измеритель уровня ИУ-НЧ. Измерительный генера-
тор ИГ-НЧ вырабатывает измерительные сигналы синусоидальной формы в диа-
пазоне 30 Гц... 15 кГц с уровнями - 39,9 ... +19,9 дБ (на нагрузке 600 Ом). Ре-
гулировка уровня ступенями по 10,1 и 0,1 дБ. Регулировка частоты ступенчатая^
и плавная с погрешностью не хуже ±5%. Синусоидальные колебания на выходе-
получаются путем преобразований от одного исходного стабильного кварцево-
го генератора.
Измеритель уровня ИУ-НЧ предназначен для измерения уровней напряжения,
в широкополосном и избирательном режимах, затухания несогласованности, за-
тухания асимметрии, модуля полного сопротивления по методике, рассмотренной
ранее. Измерения производятся в диапазоне частот не менее 0,3 ... 15 кГц; в уз-
кополосном режиме полосы пропускания переключаются и могут составлять.
10 Гц или 70 Гц. Прибор Обеспечивает сопротивление входа 600 Ом или высо-
коомное .(более 20 кОм), диапазон измеряемых уровней в широкополосном ре-
жиме— 70...+20 дБ, в избирательном не менее —100...+20 дБ. Частота из-
меряемого сигнала определяется встроенным электронно-счетным частотомером,
работающим в режиме измерения частоты с временем измерения 0,05 с.
Измерительный пульт ИП-2,1 представляет комплект приборов, предназна-
ченных для измерения в диапазоне 0,01... 2,1 МГц, в групповых и линейных,
трактах высокочастотных систем передачи емкостью до 300 каналов ТЧ. Ниж-
няя граничная частота выбрана исходя из требования обеспечения измерений в-
самых низкочастотных групповых и линейных трактах (нижняя частота пред-
группового тракта—ПГ равна 12 кГц). Комплект позволяет осуществить весь-
комплекс измерения трактов, включая измерения АЧХ с индикацией на экране
ЭЛТ и затухание нелинейности.
В комплект входят следующие приборы:
измерительный генератор ИГ-2,1; диапазон частот от ТО кГц до 2,1 МГц с-
уровнями —61 ... 0 дБ. В генераторе -предусмотрен режим качания частоты в-
разных полосах и с разными скоростями;
измеритель уровней универсальный ИУУ-2,1; работает как в широкополос-
ном, так и в узкополосном (избирательном)- режимах. Основная погрешность от-
счета частоты во всем диапазоне частот не более ±300 Гц. Входное сопротив-
ление 600, 135, 150 Ом и высокоомное (более десятков килоом);
измеритель частотных характеристик ИЧХ-2,1; позволяет визуально измерять
частотные характеристики затухания и усиления (АЧХ);
магазин затуханий МЗ-2,1; обеспечивает настроечные и эксплуатационные
измерения в диапазоне 0... 2,1 МГц; рассчитан для использования при уровне-
входного сигнала не более 8,7 дБ. Входное и выходное сопротивления 160 или-
75 Ом; максимальное затухание 102,1 дБ, начальное 0,07 дБ;
коммутационная панель КП-2,1; совместно с ИГ-2,1 и ИУУ-2,1 обеспечивают
измерение рабочего затухания и усиления, переходного затухания, затухания не-
согласованности и асимметрии, а также согласование схем с различными ха-
рактеристическими сопротивлениями; может использоваться совместно с МЗ-2,Г
Для измерения сигналов с уровнями выше 8,7 дБ и т. п.;
311-
измерительные фильтры нижних (ФНЧ-2,1) и верхних (ФВЧ-2,1) частот
предназначены для измерения затухания нелинейности широкополосных каналов,
трупповых и линейных трактов высокочастотных систем передачи. Измеритель-
ный пульт ИП-10 (25) представляет комплект приборов для измерения основных
параметров широкополосных каналов, групповых н линейных трактов высокочас-
тотных систем передачи по коаксиальному кабелю К-120, К-300, К-1920 в диа-
пазоне 0,05 ... 10 (25) МГц. В состав пульта входят следующие приборы и уст-
ройства:
измерительный генератор ГИ-25;
измеритель уровня избирательный ИУИ-25;
измеритель уровня широкополосный ИУ-25;
прибор коммутационный ПК-25 (в его состав входят измеритель уровня
опорный ИУО-25, магазин затуханий МЗ-50-2 и коммутационная панель ПК);
фильтры нижних (ФНЧ-25) и верхних (ФВЧ-25) частот.
Все приборы размещены на тележке, приспособленной для перемещения по
линейно-аппаратному цеху (ЛАЦ). Точность приборов пульта достаточна для
настроечных и эксплуатационных измерений трактов связи только в диапазоне
частот до 10 МГц. В диапазоне от 10 до 25 МГц погрешность возрастает.
Методы определения расстояния до места повреждений. Им-
пульсный метод. При обнаружении места повреждения в качест-
ве измерительного сигнала используют постоянный и переменный
ток, а также импульсные сигналы.
Измерения постоянным током проще и позволяют находить
место повреждения изоляции. Разработано много методов изме-
рения, так как существует много разновидностей повреждений,
которые характеризуются наличием или отсутствием поврежден-
ных проводов, равенством или различием сопротивлений проводов,
отношением сопротивления изоляции относительно земли и меж-
ду проводами и т. д. Большинство этих методов используют мо-
стовые схемы, измеряющие сопротивление провода до места пов-
вреждения.
При измерении переменным током определяют обрыв прово-
дов (жил) разбитость, (перепутывание) пар в симметричных кабе-
лях, сосретодоченную омическую асимметрию, сосредоточенную
связь между цепями и понижение сопротивления изоляции. Мето-
ды измерения на переменном токе основаны на эффекте отраже-
ния электромагнитной энергии от места неоднородности (хотя в
ряде случаев используют и мосты переменного тока).
Основным достоинством импульсного метода является возмож-
ность различать несколько повреждений и измерять расстояния
до каждого из них. Но импульсный метод не исключает методов
нахождения расстояния до повреждения постоянным и перемен-
ным токами, а дополняет их, так как в ряде случаев уступает по
своим характеристикам. Импульсный метод хорошо определяет
локальные (сосредоточенные) повреждения, но, например, пони-
жение сопротивления изоляции на участке в некоторых случаях
может быть не обнаружено.
3L2
В основе импульсного метода определения расстояния до мест&
повреждения лежит отражение электромагнитной энергии импуль-
са от неоднородности среды распространения — а повреждение про-
является в появлении неоднородности. Посланный в линию импульс
(зондирующий) распространяется по линии со скоростью v и за
время x=2l/v пройдет расстояние до повреждения и от поврежде-
ния назад до прибора (отраженный импульс). Если измерить вре-
мя между зондирующим и отраженным импульсами, то, зная ско-
рость распространения V, можно определить расстояние до неод-
нородности l=xv!2. Таким образом, прибор для измерения рассто-
яния до повреждения импульсным методом должен обеспечивать
генерирование импульсов и измерение времени т, пропорциональ-
ного расстоянию до повреждения. В качестве измерителя времен-
ного интервала используется обычно осциллографический инди-
катор на ЭЛТ. В последнее время используют и цифровые изме-
рители. Для лучшего наблюдения картины на экране ЭЛТ импуль-
сы посылаются в линию периодически и результат наложения не-
скольких периодов дает устойчивую картину на экране ЭЛТ.
Если обозначить амплитуды зондирующих импульсов U3, то,,
считая, что в линии нет потерь, отраженные импульсы будут при-
ходить с амплитудой
и0 = г иэ = [(ZH—Zb)/(ZH + ZB)] Ua, (11.25>
где Г — коэффициент отражения; ZH — сопротивление в месте не-
однородности; ZB — волновое сопротивление линии.
Если ZH>ZB, то отраженный импульс будет иметь тот же знак,,
что и зондирующий; при обрыве ZH = °o и Uo—U3- Если ZH<ZBr
то знаки противоположны; при коротком замыкании ZH=0 и Uo =
— Q (рис. 11.14). При отсутствии согласования входного сопротив-
ления прибора с линией последует отражение от входа — этот про-
цесс может повторяться многократно, пока энергия импульса не-
рассеется на оконечных сопротивлениях. Для предотвращения это-
го входное сопротивление должно быть регулируемым.
Важными характеристи-
ками прибора, реализующе-
го импульсный метод, явля-
ются максимальная даль-
ность действия и разрешаю-
щая способность.
Максимальная дальность
действия определяется двумя
Рис. 11.15
Рис. 11.14
313.
труппами факторов: энергетическими и временными. Энергетиче-
ские факторы сводятся к тому, что на входе прибора энергия отра-
женного импульса должна быть-не меньше порогового значения, т. е.
такой, чтобы отраженный импульс можно было наблюдать на экра-
не. Неоднородность с точки зрения энергетических факторов мож-
но обнаружить на большем расстоянии, если больше будет энер-
гия зондирующего импульса, коэффициент усиления усилителя при-
водящего сигнала, чувствительность ЭЛТ и если меньше будет
затухание линии, уровень шума. Временные факторы сводятся
к тому, что максимальная длительность развертки, подаваемой на
пластины горизонтального отклонения ЭЛТ, вместе с максималь-
ной задержкой развертки относительно зондирующего импульса
.должна быть больше задержки отраженного импульса, т. е.
Ттах<ХТр max-f-Tp max- Но ТЭК КЭК Тр тах~}-Тр Т з, ТО
Ттах<Л, (11.26)
где Т3— период повторения зондирующих импульсов. Сказанное
-поясняется рис. 11.15, на котором показаны: зондирующие им-
пульсы с периодом следования Т3 (рис. 11.15,а); развертка дли-
тельностью Тр,-задержанная в каждом цикле на тр (рис. 11.15,6);
•отраженные импульсы на временной оси и соответствующие им
изображения на экране ЭЛТ (рис. 11.15,в и г). Временной (мас-
штаб для всех четырех диаграмм один и тот же. Для отраженного
•импульса (рис. 11.15,в) выполняется условие п<Г3, т. е. он при-
ходит на вход прибора до следующего зондирующего импульса:
первому зондирующему импульсу соответствует первый отражен--
ный импульс в том же цикле и на экране будут возникать импуль-
сы (зондирующий и отраженный) каждый цикл. В случае, пока-
занном на рис. 11.15,г, Т2>Т3, поэтому первый отраженный импульс
(за счет энергии первого зондирующего импульса) придет во вре-
мя II цикла, второй отраженный — во время III цикла и т. д. На
экране (рис. 11.15,г) изображение первого отраженного импульса
будет таким же, как для несуществующего в I цикле импульса 1'
(показан штриховой линией), причем задержка импульсов 1 и Г
связана соотношением т/2=Т2—Т3, т. е. считая, что принят импульс
1, мы допускаем ошибку на / = Т3п/2. Так как этот процесс повто-
ряется периодически (т. е. прием k—1 импульса в k-м цикле), то
•изображение будет устойчивым и по качеству визуально не отли-
чимо от показанного на рис. 11.15,в.
Отметим, что временные факторы имеют место только, если
выполнены энергетические факторы.
Разрешающая способность — минимальное расстояние между
двумя повреждениями, при котором эти повреждения будут наб-
людаться раздельно. Разрешающая способность определяется дли-
тельностью зондирующего импульса ти и равна
/min —ТиП/2. (11.27)
Для увеличения разрешающей способности (т. е. уменьшения
imm) длительность импульса нужно уменьшать. Но уменьшение
314
длительности ведет к расширению его спектра, что может приве-
сти к искажению принимаемого импульса за счет затухания в ли-
нии высокочастотных составляющих спектра. Кроме того, при
уменьшении длительности импульса уменьшается, его энергия, а.
значит, и дальность действия. Таким образом, выбор длительно-
сти — результат компромисса между различными факторами.
Обобщенная структурная схема прибора для определения рас-
стояния до повреждения импульсным методом представлена на
рис. 11.16. Кварцевый генератор вырабатывает частоту FK, из ко-
трой путем деления формируется частота повторения зондирую-
щих импульсов Fp и, следовательно, частота развертки для ЭЛТ,
а также частота меток дальности FM. Частоты Fp и FM регулиру-
ются изменением коэффициентов деления частоты кварцевого ге-
нератора. Импульсы с частотой Fp—FKlk через регулируемую ли-
нию задержки 1 запускают генератор зондирующих импульсов,
длительность которых (а иногда и форма) регулируется. С выхо-
да этого генератора зондирующие импульсы могут подаваться в
линию с раздельного выхода (Выход), либо через дифференциаль-
ную систему на клемму Общий. Часть энергии зондирующего им-
пульса просачивается на вход усилителя и, попадая на пластины
У ЭЛТ, создает отметку, соответствующую моменту ухода в линию*
Выхвё Общи» втЗ
Рис. 11,16
315
зондирующего импульса. На этот же усилитель поступает отра-
женный импульс с раздельного входа (Вход) или с клеммы Об-
щий. Коэффициент усиления этого усилителя регулируется, что-
«бы обеспечить амплитуду импульса, достаточную для отклонения
луча ЭЛТ по вертикали. Напряжение развертки подается на пла-
стины X с генератора развертки, длительность которой регулиру-
-ется, а момент начала развертки определяется импульсами син-
хронизации, поступающими с выхода регулируемой линии задерж-
ки 2, которая задерживает начало развертки относительно зон-
дирующего импульса. Время т задержки отраженного импульса
относительно зондирующего определяется на экране ЭЛТ по мет-
кам (получаемым от генератора меток), расстояние между кото-
рыми в единицах длины можно рассчитать, зная v и FK, или, про-
градуировать.
Второй метод определения т—метод задержанной развертки.
Суть этого метода можно пояснить рис. 1-1.17, где показаны вре-
менные диаграммы зондирующего и отраженного импульсов и ос-
цилограммы, соответствующие разным взаимным положениям раз-
вертки и импульсов. Если после наблюдения изображения (рис.
11.17,а) вводить задержку развёртки до тех пор, пока отражен-
ный импульс на экране не займет место, где был зондирующий,
то введенная задержка Тзр=т, т. е. измеряемое время равно вве-
денной задержке. Если шкала регулятора задержки проградуиро-
вана в единицах длины, то с этой шкалы можно снять отсчет.
Импульсный метод можно ис-
пользовать для определения рассто-
яния до повреждения на одной ли-
нии (измеряемая линия в этом слу-
чае подключается к клемме Общий)
либо для определения места сосре-
доточенной связи и разбитости пар —
в этом случае используют раздель-
ные вход и выход. На рис. 11.18 по-
казано подключение к прибору ли-
ний при определении места сосредо-
316
точенной связи. Зондирующий импульс проходит по 1-й паре до
места сосредоточенной связи, а отраженной — по 2-й паре от ме-
ста сосредоточенной связи до входа прибора. Расстояние до места
сосредоточенной связи определяется как и расстояние в одной ли-
нии. Отметим, что по виду отраженного импульса можно опреде-
лить и характер неоднородности — обычно для этого составляют
таблицу соответствия «вид импульса — характер повреждения», так
как «отличаемые» повреждения составляют ограниченную груп-
пу. Такими являются обрыв, короткое замыкание, сосредоточен-
ное понижение изоляции, сосредоточенная емкость (например,
смялся экран коаксиального кабеля) и т. п.
11.4.. ИЗМЕРЕНИЯ
В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ
СИСТЕМАХ СВЯЗИ
За последнее время накоплен некоторый опыт разработки и
эксплуатации экспериментальных оптических кабельных систем
связи. Накоплен опыт промышленного изготовления оптических
кабелей и элементов линий (устройства ввода, разъемы, источни-
ки света, фотоприемники и т. п.). Основу волоконно-оптической
линии связи составляет оптический кабель, содержащий несколь-
ко волоконных световодов, заключенных в общую оболочку. Основ-
ными параметрами оптического' кабеля, определяющими оптиче-
ские и информационные характеристики линии связи, являются:
затухание за счет потерь в кабеле, ширина полосы пропускания ча-
стотного спектра полезного сигнала (для аналоговых систем пе-
редачи информации), уширение импульса (для цифровых систем
передачи), переходное затухание между оптическими волокнами
в кабеле. Кроме перечисленных параметров, представляют инте-
рес такие показатели, как уровень сигнала, отношение сигнал-шум,
уровень импульсных помех и др.
Измерение затухания оптических кабелей. Потери мощности
сигнала при распространении по оптическому кабелю зависят от
свойств материала, геометрии волокна, от защитной оболочки. До-
полнительные потери возникают из-за изгибов кабеля. Коэффи-
циент затухания а характеризует качество передачи информации
по оптическому кабелю. В связи с этим представляют интерес ме-
тоды его измерения. Наиболее распространены методы, основан-
ные на измерении уровней сигнала, и методы обратного рассеяния.
Метод измерения уровней основан на сравнении оптических
сигналов на входе и выходе кабеля (рис. 11.19). В качестве источ-
ника излучения могут использоваться источник белого света (ши-
рокополосное излучение) и арсенид-галлиевый лазер (фиксиро-
ваная длина волны). В первом случае необходимая для измере-
ний полоса частот формируется в монохроматоре — своеобразном
фильтре, работающем в оптическом диапазоне. Основу его сос-
тавляют интерференционные фильтры. Применение оптических ис-
317
Рис. 11.19
точников излучения разных типов позволяет измерять затухания
в диапазоне 0,5... 1,1 мкм.
Световой поток, прошедший монохроматор, через оптическую
систему 2 поступает на полупрозрачное зеркало 3. Полупрозрач-
ное зеркало расщепляет поток на две составляющие. Одна часть
поступает через оптическую систему на фотодетектор 1, а вторая
через кювету с иммерсионной жидкостью 4 — на полированный то-
рец световода 5. Иммерсионная жидкость, в которую погружен ко-
нец световода, имеет коэффициент преломления, равный коэффи-
циенту преломления отражающей оболочки.. Это позволяет изба-
виться от влияния света, проходящего через отражающую оболоч-
ку. Световой поток, прошедший через световод, поступает на фо-
тодетектор 2. С обоих фотодетекторов информация поступает на
блок обработки. При обработке 'информации учитывается, что фо-
тодетектор 1 получает лишь часть светового потока, ‘поступающего
на испытуемый кабель. Поскольку коэффициент затухания изме-
ряется в децибелах на километр, необходимо учитывать реальную
длину измеряемого образца кабеля. В качестве 'индикатора можно
использовать стрелочный прибор или самописец. Рассмотренная
установка позволяет измерять также зависимость затухания от
длины волны излучения.
На практике, при монтаже и эксплуатации оптических кабелей
нет необходимости в измерении затухания в диапазоне длин волн.
Поэтому можно существенно упростить оптическую часть прибора.
Применение импульсного источника света вместо непрерывного
позволяет перейти от измерения абсолютного значения мощности
к измерению амплитуды. При этом исключается влияние на точ-
ность измерения посторонних фоновых засветок фотодетектора.
На рис. 11.20 приведена упрощенная структурная схема опытно-
го образца аппаратуры для измерения затухания оптических ка-
белей в' процессе монтажа и эксплуатации.
318
Рис. 11.20
Измерительная аппаратура состоит из генератора оптическо-
го измерительного сигнала и приемника. Генератор (рис. 11.20,а)
состоит из задающего генератора, управляемого источника тока,
коммутаторов излучателей 1 и 2. Оптические волокна подключа-
ются к излучателям с помощью оптических соединителей. Одно во-
локно является контрольным, второе — объектом измерения. В
экспериментальном приборе сформированные оптические импуль-
сы имели частоту следования 3409 Гц, скважность 2, мощность
около 150 мкВт. Длины волн оптического излучения 850 и 960 нм.
Приемник (рис. 11.20,6) представляет собой гетеродинный из-
меритель уровня первой гармоники тока с фотоэлектрическим пре-
образователем на входе. Волокно измеряемого оптического кабе-
ля с помощью юстировочного устройства подводится к входу фото-
электрического преобразователя, который преобразует оптическое
излучение в последовательность импульсов электрического тока.
Эти импульсы усиливаются усилителем сигнальной частоты, пред-
ставляющим собой активный ДС-фильтр, настроенный на часто-
ту первой гармоники измерительного сигнала. Усиленный сигнал
поступает на вход преобразователя частоты одновременно с сиг-
налом гетеродина (в описываемой установке 3333 Гц). Сигнал про-
межуточной частоты 76 Гц выделяется фильтром нижних частот
и режекторным фильтром, подавляющим спектральные составля-
ющие с частотами сигнала и гетеродина. С помощью аттенюатора
осуществляется переключение уровней измерительного сигнала.
Преобразователь выделяет средневыпрямленное значение напря-
жения, которое регистрируется стрелочным прибором.
319
Методика измерения вносимого затухания сводится' к опреде-
лению разности относительных уровней измерительного сигнала
в децибелах при подключении приемника к выходу генератора че-
рез контрольное волокно (pi) и при включении приемника через
измеряемый объект (р2), т. е.
aBH=Pi— р2- (11.28)
Для измерения уровня щ генератор и приемник соединяют кон-
трольным отрезком оптического кабеля. Значение р, в децибелах
определяется выражением
Pl=Poi—Иц — а21--Ис 0» (11.29)
где poi — уровень измерительного сигнала на выходе генератора;
Иц и «21 — соответственно величины затуханий, обусловленные по-
терями в точке присоединения отрезка волокна к выходу генера-
тора и к входу приемника; ас о — затухание контрольного волокна.
Уровень сигнала в децибелах.
Р2~Р02 ®12 ®22 ПВн О’ (11.30)
где рог, Ui2, U22 — величины, аналогичные pOi, Иц, a2i, полученные
при измерении аВн о, оптического кабеля.
Используя выражения для р} и р2, имеем
авн = Pi Рг ~ (Poi Рог) 4” (а12 ап) 4” (а22 а21) 4“ авн о ®со-
(11.31)
Как видно из (11.31), измеренное значение авн о будет равно авн
лишь при равенстве нулю слагаемых, заключенных в скобки, и
при аВно^>асо. Последнее условие выполняется достаточно про-
сто. В этом случае максимальная погрешность
А = (Poi Рог) = (®12 а11) 4- (а22 а21)‘ (11 ’22)
Погрешность измерения является систематической и при пра-
вильной методике измерения не превышает половины допустимой
погрешности прибора. Уменьшение этих погрешностей достига-
ется: стабилизацией режима работы генератора (ро1=Рог); умень-
шением абсолютных значений ai2, an, a22, a2i и различий между
ними путем хорошей подготовки торцов волокон, точной юстиров-
кой; применением иммерсионной жидкости в месте стыка опти-
ческого кабеля с генератором и приемником.
Измерение расстояния до места повреждения оптического ка-
беля. Определение места повреждения оптического кабеля основы-
вается на тех же принципах, что и для обычных кабелей из метал-
ла. Однако вместо электрического импульса используется оптиче-
ский зондирующий импульс, сформированный в специальном уст-
ройстве. Структурная схема экспериментальной установки пред-
ставлена на рис. 11.21.
Источником излучения оптических импульсов (Х=0,85 мкм,
т=10-8 с) служит полупроводниковый лазер, управляемый мо-
дулятором. Оптический импульс вводится в оптический разветви-
320
Оптический разветвитель
Рис. 11.21
тель, который предназначен для пространственного разделения оп-
тических сигналов: зондирующих импульсов, вводимых в оптический
кабель, и импульсов, отраженных от места повреждения и направ-
ляемых на фотодетектор. Оптический кабель (волокно) присоеди-
няется к прибору с помощью устройства сопряжения. С выхода фо-
тодетектора электрический сигнал, соответствующий отраженно-
му оптическому сигналу, поступает через широкополосный усили-
тель на блок поиска, а с его выхода — на блок цифрового отсче-
та времени запаздывания. На второй вход блока через линию за-
держки 1 от задающего генератора поступает опорный импульс.
От этого же задающего генератора подаются импульсы и на мо-
дулятор.
В установке предусмотрена осциллографическая индикация по-
казаний: на экране осциллографа можно наблюдать опорный и
отраженный импульсы. Для исследования волокон большой дли-
ны, а также для наблюдения за импульсами, отраженными от со-
единений и выходного торца, предусмотрена линия задержки 2 с
переменным временем задержки. На ее вход поступают импульсы
от задающего генератора, а с ее выхода—на вход устройства синх-
ронизации осциллографа. Переключение времени задержки позво-
ляет установить отраженный импульс в заданное положение на
экране осциллографа.
Блок цифрового отсчета предназначен для отсчета времени по-
явления первого отраженного импульса. Отраженный импульс мо-
жет поступать от нескольких мест повреждения волокна или от
соединителей. Это может привести к сбою отсчета и неопределен-
ности показаний. Блок поиска позволяет последовательно измерять
11—10 । 321
время появления отраженного импульса от каждой неоднородно-
сти.
Точность показаний прибора зависит от длительности зонди-
рующего импульса, быстродействия фотодетектора и блока циф-
рового отсчета, а также полосы пропускания волокна. Расстояние
до места повреждения определяется по формуле Zx=vZ3/2, где v —
скорость распространения света в волокне, t3 — время задержки
отраженного импульса относительного исходного.
При применении полупроводникового лазера, излучающего им-
пульсы мощностью порядка 80 мВт и коэффициенте затухания
ао=10 дБ/км, удается испытывать кабели длиной до 2 км. Экспе-
риментальный прибор обеспечивал погрешность отсчета места по-
вреждения порядка ±1,0 м.
Измерение дисперсии сигнала. Под дисперсией понимают рас-
сеяние во времени составляющих сигнала, прошедшего оптичес-
кий кабель связи. Дисперсия вызывает фазовые искажения сиг-
нала и ее оценивают по различию времени распространения, сос-
тавляющих спектра или по уширению передаваемых импульсов.
Зависимость группового времени распространения от длины вол-
ны можно получить, измерив задержку или фазу огибающей мо-
дулированного сигнала, прошедшего оптический кабель связи.
Схема измерения представлена на рис. 11.22. Модулированный
сигнал от светодиода вводится через оптическую систему в кабель.
Пройдя кабель, сигнал поступает на оптическую систему, в сос-
тав которой входит интерференционный фильтр. С помощью ин-
терференционного фильтра осуществляется, частотная фильтрация
сигнала. С выхода оптической системы сигнал поступает на фо-
тодетектор. Полученный электрический сигнал подается на фильтр
нижних частот, с помощью которого подавляются гармоники ос-
новного сигнала, образующиеся за счет нелинейности светодио-
да. Разность фаз огибающей сигнала и модулирующего сигнала
оценивается с помощью фазометра.
Измерение уширения сигнала. Для измерения уширения им-
пульсов служит установка, структурная схема которой представле-
на на рис. 11.23. В качестве источника излучения используется им-
Оптическая система ввода излучения Интерференционный фильтр
Рис. 11.22
322
Рис. 11.23
пульсный полупроводниковый лазер. Управляет лазером задаю-
щий генератор. Световые импульсы вводятся в оптический кабель.
Оптические системы ввода сигнала содержат полупрозрачные зер-
кала 1 и 2 соответственно на входе и выходе кабеля, через кото-
рые частично проходит и частично отражается световое излучение..
Это обеспечивает многократную циркуляцию сигнала в оптичес-
ком кабеле Дисперсия определяется путем сравнения на экране
осциллографа ширины импульсов, которые претерпели неоднократ-
ную циркуляцию в кабеле, с шириной исходного импульса. Сов-
мещение импульсов на экране осциллографа достигается за счет
применения регулируемой линии задержки. Использование много-
кратных отражений сигнала от полупрозрачных зеркал позволяет
для оценки уширения импульсов использовать сравнительно корот-
кие оптические кабели.
Оценка погрешности измерения уширения импульсов осущест-
вляется по методике, изложенной в § 7.11, посвященному осцил-
лографическим измерениям. Ее следует рассчитывать, понимая под
погрешностью совмещения погрешность совмещения линий осцил-
лограмм импульсов, прошедших многократную циркуляцию в оп-
тическом кабеле, и исходных импульсов.
11.5. ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ
Исследование, контроль и настройка систем связи часто требу-
ют знания параметров случайных сигналов для построения их ма-
тематических моделей, оценки средних и действующих значений,
локализации источников возмущений, измерений на фоне помех
слабых сигналов, оценки степени взаимосвязи сигналов, определе-
ния спектральной плотности. Для этого используются методы и
средства измерения статистических характеристик (СХ) сигналов.
Общие принципы построения измерителей СХ можно пояснить с
помощью структурной схемы на рис. 11.24. Схема содержит три
блока: входное устройство, обеспечивающее подготовку входного
сигнала (масштабирование, согласование полных сопротивлений,
И* 323
К цифровому
отсчетному
Рис. 11.24
исключение или выделение постоянной составляющей и т. п.); из-
мерительный преобразователь, предназначенный для преобразо-
вания аналогового сигнала в цифровой и преобразования послед-
него в соответствии с определяющим алгоритмом измеряемой СХ;
цифровое отсчетное устройство (ЦОУ).
Основные определяющие алгоритмы, используемые при изме-
рении СХ, приведены в табл. 11.1, где ti— моменты дискретиза-
ции (i=l, 2,..., N); At— шаг дискретизации; Xj=jAx— уровень
квантования; Ах—шаг квантования; /=0, 1,..., k...; v=l, 2, ...
..., М — номер значения функции корреляции; п(х>)— число со-
бытий Xj.
Отличие алгоритмов преобразования при измерении СХ в пер-
вую очередь сказывается на измерительном преобразователе, ко-
торый содержит аналого-цифровой преобразователь; вычислитель-
ный преобразователь, осуществляющий преобразования в соответ-
ствии с заданным алгоритмом; запоминающее устройство, необ-
ходимое в ряде случаев для промежуточного хранения данных, и
324
.Таблица 11.1
ЛЬ п/п Наименование характеристики Обозначение Алгоритмы
1 Математическое ожида- ние (среднее арифмети- ческое) т. X 1 N X {ti)
2 Дисперсия, среднее квад- D,o = l/D 1 N
ратическое D~ N_x л k (»«•)—
3 Функция плотности рас- пределения Р(Х}) n (xj} IN Ax k
4 5 Функция распределения Частость (вероятность) СОбыТИЯ Xj F(x^Xj=h) F(xs) A x YJ P (x}) i=0 n (X]) /N
6 Функция корреляции R(yAt) N S x x
7 Спектральная плотность G(co) j M У (v A 0 cos co v A t Al v=0
устройство управления. Измерители СХ могут быть одноканаль-
ными и многоканальными и изготавливаются в виде как одноцеле-
вых, так и многофункциональных средств измерений.
Следует отметить, что для. определения ряда СХ вычислитель
можно реализовать достаточно просто, так как суммирование ко-
дов выполняется обычным счетчиком, а усреднение при У=10“,
где а — некоторое целое число, — соответствующей установкой за-
пятой на ЦОУ.
Таким образом математическое ожидание можно вычислить с
помощью обычного счетчика. Для измерения функций распреде-
ления и плотности распределения, а также частоты событий (стро-
ки 3, 4, 5 табл. 11.1) перед суммированием соответствующих кодов
с выхода АЦП их необходимо предварительно сравнить с опреде-
ленным кодом, записанным в регистре. Так, для определения функ-
ции распределения суммированию подлежат только те коды, кото-
рые не превосходят код, соответствующий уровню квантования Xj,
а для определения функции плотности распределения и частости
событий — только те коды, которые равны коду уровня X].
Для оценки дисперсии необходимо помимо суммирования осу-
ществить вычитание математического ожидания и возведение в
квадрат. В принципе последние две операции могут выполнить ана-
логовым способом, если на входе измерительного прибора включить
разделительную емкость, устраняющую постоянную составляющую
сигнала, и квадратор. Если же использовать цифровой способ, то
вычислительный преобразователь усложняется. Последнее отно-
сится и к остальным СХ, где требуется проводить операции перем-
ножения кодов.
325
Однако использование микро-ЭВМ на основе микропроцессоров
позволяет в настоящее время успешно решать эти задачи, обеспе-
чивая универсальность измерителей СХ.
Наряду с изложенным отметим, что при измерении некоторых
характеристик устройство прибора можно существенно упростить.
В частности, рассмотрим измеритель значений функции распреде-
ления и функции плотности распределения вероятностей (рис.
11.24,6), которые, как известно, дают наиболее полную статистиче-
скую информацию о случайной величине. Прибор работает сле-
дующим образом. После входного устройства сигнал x(t) посту-
пает на модулятор, на выходе которого образуются дискретные
отсчеты соответствующие моменты дискретизации i=l,
2, ... ,N, задаваемым тактовым генератором. Счетчик задает общее
число этих отсчетов А=10а, где а — некоторое целое число. Диск-
ретные отсчеты поступают на амплитудные селекторы / и2, поро-
ги срабатывания которых определяются уровнями квантования Xj
с выходов регулятора уровня анализа. В результате на выходы ам-
плитудных селекторов проходят только импульсы х(^), большие
соответствующих уровней анализа. Эти импульсы через формиру-
ющие устройства 1 и 2, нормирующие их .амплитуду, поступают на
вычислитель.
При измерении функции распределения F ключ разом-
кнут. С выхода амплитудного селектора 1 на вычислитель посту-
пают импульсы, соответствующие отсчетам х(^)>х3-. Функция рас-
пределения вычисляется по алгоритму
F (х Xj) = 1 —п(х > x})/N = [А— п (х > Xj)]/N,
где N—10“ — общее число отсчетов; n(x>xj)—число отсчетов
x(tt)>Xj. Указанный вычислитель может быть реализован на ре-
версивном счетчике, в который предварительно заносится число N.
При измерении функции плотности распределения p(Xj) ключ
замкнут. В этом случае с амплитудного селектора 1 на вычисли-
тель поступают импульсы для отсчетов x(ti)Z>Xj, а с амплитуд-
ного селектора 2— для отсчетов х(/г)>хз+1. Вычисление произво-
дится согласно алгоритму
р(хз) = [п(х> Xj)—п (х >Xj+t)]/N Л х,
где n(x^>Xj) и n(xZ>Xj+i) —число соответствующих отсчетов.
В этом случае в качестве вычислителя можно использовать
простой счетчик, на вход которого через логическую схему прохо-
дят импульсы отсчетов x(ti)Z>Xj при условии отсутствия импуль-
сов отсчетов x(ti)>Xj+\.
Из рассмотрения работы прибора можно видеть, что в нем вме-
сто АЦП используются более простые устройства.
В заключение остановимся на погрешностях измерения СХ. В
общем случае их можно разделить на методические и инструмен-
тальные. Инструментальные погрешности в основном определяют-
ся погрешностями аналоговых узлов, так как цифровая обработка
может осуществляться с любой требуемой точностью. Методиче-
326
ские погрешности обусловлены рядом факторов: размером шага
дискретизации, погрешностью дискретности, конечным числом от-
счетов N.
Размер шага дискретизации At при измерении СХ можно вы-
разить через амплитуду Um верхней граничной частотой ®в иссле-
дуемого сигнала и наибольшее допустимое значение погрешности
ДИСКретНОСТИ Дд/Д/=Дд/й)в1Лп.
Погрешность из-за конечного числа отсчетов N можно оценить
с помощью дисперсии результата измерения СХ. Дисперсия мате-
матического ожидания D (т) =D[x(t) ]/N, дисперсия измеренного
значения дисперсии D (Da3U) —D2[x(t)]/ (N—1), где D [%(/)]—•
дисперсия входной величины, дисперсия частости событий
я И (*;)] =/4^) [1-F(Xj)]/N.
Измерение статистических характеристик сигналов цифровых
систем связи. Наиболее распространенными параметрами, измеря-
емыми в цифровых системах связи (ЦСС), являются значения ча-
стости ошибок в канале и параметры искажения формы импуль-
сов. Значения частости определяются коэффициентом ошибок
Кош==^ОШ/N, где пош — число ошибочно принятых элементов ин-
формации (единичных или кодовых комбинаций), a N— число пе-
реданных элементов.
При определении параметров искажений формы импульсов,
помимо традиционных характеристик импульса (крутизны фрон-
та и среза, уровня, длительности), в ЦСС определяют фазовое дро-
жание цифрового сигнала (джиттер), проявляющееся в виде слу-
чайного временного смещения цифровой посылки относительно по-
ложения, определяемого значением тактовой частоты. В результа-
те джиттера период следования импульсов на приемном конце ЦСС
не сохраняется постоянным, а изменяется случайным образом в
некоторых пределах около значения, определяемого тактовой час-
тотой. Для описания статистических свойств этого временного сме-
щения обычно используют такие СХ, как его математическое ожи-
дание и дисперсия.
При построении измерителей, коэффициентов ошибок (ИКО)
используют два различных принципа измерения. В первом из них
ошибка определяется как разность между принятым и передан-
ным элементом некоторой тестовой последовательности. В качест-
ве последней, как правило, используют псевдослучайные двоичные
последовательности (ПСП), которые по своим статистическим ха-
рактеристикам близки к характеристикам реальных сигналов. В
основе второго принципа лежит определение ошибки по наруше-
нию правила кодообразования, используемого при передаче реаль-
ного сигнала. Это возможно при наличии некоторой избыточности
кода.
На рис. 11.25 приведена структурная схема ИКО, построенно-
го на основе использования ПСП. Генератор ПСП 1, управляемый
тактовым генератором 1, формирует тестовую ПСП, которая по-
ступает в исследуемую ЦСС. На приемном конце с помощью вы-
327
Рис. 11.25
делителя тактовой частоты осуществляется фазирование — синхро-
низация по элементам ПСП идентичного генератора ПСП 2. По
достижении состояния синхронности на выходе детектора ошибок,
который сравнивает тестовый сигнал из канала связи с сигналом
от генератора ПСП 2, появится поток ошибок. При замкнутом по-
ложении ключа 1 ошибки подсчитываются счетчиком ошибок, с
выхода которого число ошибок пош подается на ЦОУ.
Ключ 1 замыкается на время, определяемое числом тактов
Л'=10“, где а — целое число. Это время задается с помощью клю-
ча 2, счетчика тактов и триггера, начиная с момента подачи коман-
ды «ПУСК»- По этой команде триггер опрокидывается и замыка-
ет ключи 1 и 2. После заполнения счетчика тактов N импульсами
триггер возвращается в исходное состояние.
Для получения значения коэффициента ошибок число пере-
данных тактов N учитывается путем указания на ЦОУ порядка
10_“ полученного результата подсчета ошибок пош.
Наличие на приемном конце генератора ПСП 2, идентичного
генератору ПСП 1, т. е. знание передаваемого сигнала, сущест-
венно упрощает задачу измерения коэффициента ошибок и, в ча-
стности, построение детектора ошибок. Однако при этом требуется
прерывать передачу информации. В реальных условиях (без пе-
рерыва связи) устройство детектора ошибок усложняется. В этом
случае он работает на основе проверки правильности построения
принимаемых кодов. Но в общем структурная схема приемной ча-
сти ИКО остается такой же, только отсутствует генератор ПСП 2.
Погрешности ИКО складываются из двух составляющих. Во-
первых, это инструментальные погрешности детектора ошибок,
приводящие к пропуску ошибки. Во-вторых, это методическая по-
грешность, вызванная малым числом фиксируемых ошибок пош
из-за их малой вероятности (10~5 и менее для исправных ЦСО и
ограниченного времени измерения. При иош>10 относительное
значение погрешности б = ±/р/ф<пош, где Zp = argO^2j±_l^ —
обратная функция Лапласа, 0 — доверительная вероятность.
328
Классификация методов измерения фазового дрожания (джит-
тера) цифрового сигнала зависит прежде всего от наличия или
отсутствия в месте измерения сигнала опорного тактового генера-
тора, определяющего начальную фазу исходной импульсной после-
довательности. Задача существенно упрощается при наличии опор-
ного генератора. Такой случай имеет место либо при контроле
характеристик одного регенератора, либо при исследовании цепи
регенераторов в режиме работы «по шлейфу».
Для измерения фазового дрожания при наличии опорного сиг-
нала наряду- с осциллографическими методами нашли место ме-
тоды, основанные на преобразовании фазовых смещений импуль-
сной последовательности в пропорциональное напряжение с по-
следующим измерением этого напряжения пиковым или средне-
квадратическим вольтметром, что позволяет определить макси-
мальные и среднеквадратические значения фазового дрожания. В
этом случае для получения напряжения, пропорционального фа-
зовому дрожанию цифрового сигнала, можно использовать, обыч-
ный фазовый детектор на основе триггера с раздельными входами,
выходной сигнал которого после соответствующей фильтрации мо-
жет быть подан на цифровой вольтметр, Его показания будут оп-
ределять численное значение величины фазового дрожания в до-
лях тактового интервала.
Структурная схема одного из вариантов построения измери-
теля фазового дрожания линейного тракта представлена на рис.
11.26. Здесь использован метод, основанный на выборке и запоми-
нании сигнала в интервалах времени, определяемых длительностью
а}
.6)
Рис. 11.26
329
фронта тактовых импульсов. Исследуемый импульсный сигнал,
пройдя через фильтр нижних частот 1 (при этом фронты растя-
гиваются), поступает на схему выборки и запоминания. Схема уп-
равляется стробирующими импульсами с формирователя. Часто-
та импульсов равна частоте опорного генератора fo. Устройство
задержки стробирующих импульсов создает такую задержку стро-
бирующих импульсов относительно импульсов опорного генерато-
ра, при которой момент начала действия стробирующего импуль-
са совпадает с серединой фронта исследуемого сигнала. Это обес-
печивается за счет автоматического регулирования задержки сиг-
налом с выхода схемы выборки, поступающим на устройство за-
держки через фильтр нижних частот 2. На выходе схемы выборки
при этом будет выделен поступающий на детектор (пиковый или
среднеквадратического значения) сигнал, пропорциональный изме-
ряемому параметру — фазовому дрожанию цифрового сигнала. По-
добные схемы применяются для измерения фазового дрожания в
системах с тактовой частотой до 8448 кГц.
При измерении фазового дрожания цифрового сигнала в отсут-
ствие опорного сигнала наиболее рациональным является исполь-
зование фазовой автоподстройки частоты местного опорного гене-
ратора под среднюю частоту исследуемого сигнала. Структурная
схема такого измерителя приведена на рис. 11.26,6. С помощью
выделителя тактовой частоты выделяется тактовая частота иссле-
дуемого сигнала, представляющая собой непрерывную последо-
вательность импульсов с частотой, изменяющейся в пределах fT±
±А/. Изменение частоты Af определяется фазовым дрожанием.
Этот сигнал подается на фазовый детектор, с помощью которого
сравнивается его частота (фаза) с частотой (фазой) местного ге-
нератора, управляемого напряжением с выхода детектора через
фильтр нижних частот 1. На выходе детектора создается напряже-
ние, пропорциональное изменению частоты (фазы) исследуемого
сигнала.
Наряду с рассмотренными методами измерения джиттера мо-
жно также использовать быстродействующие цифровые измерите-
ли временных интервалов. Действительно, джиттер как низкоча-
стотная фазовая модуляция импульсной последовательности при-
водит к изменению периода этой последовательности. Для реги-
страции небольших изменений периода порядка 100 нс с погреш-
ностью около 1 нс за время 10~4 с и более (это время определяет-
ся максимальной частотой джиттера—10 кГц) могут быть приме-
нены стандартные цифровые частотомеры с метками времени
50 ... 100 нс, работающие в режиме усреднения, например прибо-
ры 43-47, 43-50. Изменяя время усреднения, можно проводить
анализ частотного спектра исследуемого джиттера. Кроме того,
могут использоваться цифровые измерители временных интерва-
лов, работающие в наносекундном диапазоне.
Глава 12. ИЗМЕРЕНИЯ В СИСТЕМАХ
РАДИОСВЯЗИ И РАДИОВЕЩАНИЯ
12.1. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕННОСТИ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ И ПОМЕХ
Помехи и шумы в каналах связи. Помехами называют напря-
жение (ток) постороннего происхождения, появляющиееся в кана-
лах связи и ограничивающее дальность передачи полезных сигна-
лов. Помехи, частоты которых лежат в полосе звуковых частот, соз-
дают слышимый в телефоне или громкоговорителе шум, снижаю-
щий качество связи или вещания. Высокочастотные помехи, про-
ходя через аппаратуру канала связи, также могут проявляться в
виде шумов. Помехи в полосе видеочастот ухудшают изображение
на экране кинескопа телевизора.
В зависимости от источника возникновения и от характера их
воздействия помехи делятся на собственные помехи канала связи,
взаимные, создаваемые влиянием каналов связи друг на друга, и
внешние (наводки) от посторонних электромагнитных полей. Соб-
ственные помехи или шумы возникают от источников, находящих-
ся в данном канале связи. Они существуют независимо от переда-
чи информации по другим каналам связи и в основном определяют-
ся следующими причинами: флуктуационными шумами; пульса-
цией выпрямленного напряжения источников питания; контактны-
ми шумами, вызываемыми недоброкачественными контактами в
аппаратуре и на линиях, кратковременными короткими замыкани-
ями, тресками, создаваемыми токами разряда конденсаторов, ми-
крофонными шумами и акустическими, попадающими в микро-
фоны, продуктами нелинейных искажений в аппаратуре тракта пе-
редачи.
Особое значение имеют флуктуационные помехи, вызываемые
случайными колебаниями (флуктуациями) некоторых физических
величин около их среднего значения. К ним относятся: тепловые
флуктуации в резисторах, дробовой эффект в электронных лампах,
флуктуации контактных разностей потенциалов и магнитных пара-
метров. Тепловые флуктуации в резисторах, обусловленные движе-
нием свободных электронов в веществе, создают переменное напря-
жение. Спектральная плотность флуктуационных помех постоянна
во всем используемом в технике связи диапазоне частот. Это ус-
ложняет борьбу с их влиянием на работу каналов и аппаратуры
связи, так как эти помехи невозможно устранить без потери ин-
формационного сигнала.
Взаимные помехи, возникающие при передаче информации по
соседним каналам, появляются в результате недостаточного пе-
реходного затухания между данным каналом и влияющими кана-
лами, незначительного затухания фильтров, предназначенных для
разделения каналов или для подавления частот, различных пов-
331
реждений в аппаратуре влияющих каналов (выход из строя ламп,
разбалансировка преобразователя частоты, нарушение заземле-
ния и экранирования аппаратуры, повреждение фильтров, появле-
ние асимметрии в аппаратуре).
Внешние помехи делятся на промышленные, радиопомехи, атмос-
ферные и космические. Промышленные помехи создаются в ре-
зультате'влияния электромагнитных полей различных электриче-
ских устройств: линий электропередач, электрооборудования про-
мышленных предприятий, медицинских установок, контактных се-
тей электрофицированного транспорта (трамвая, троллейбуса),
световой рекламы на газоразрядных лампах и т. д. Радиопомехи
возникают от излучения радиостанций различного назначения,
спектр которых по каким-либо причинам накладывается на спектр
полезных сигналов тракта связи. К атмосферным относятся поме-
хи, вызванные различными атмосферными явлениями: магнитны-
ми бурями, северными сияниями, грозовыми разрядами и т. д., а
к космическим—электромагнитные помехи, создаваемые излуче-
нием Солнца, видимых и невидимых звезд, туманностей в соответ-
ствующих диапазонах частот.
Мешающее действие шумов в проводных каналах определяется
отношением напряжения шумов к напряжению полезного сигна-
ла. Это отношение оценивается разностью уровней полезного сиг-
нала и шумов, называемой защищенностью канала от шума. Иног-
да напряжение шумов измеряют в точке тракта с известным по-
лезным уровнем и получают защищенность в данной точке.
В радиотехнике особое внимание уделяют флуктуационным
шумам, определяющим предельную чувствительность устройства —
радиоприемника или усилителя, поэтому последние характеризуют
коэффициентом шума. Коэффициент шума показывает, как ухуд-
шается отношение сигнал-шум на выходе некоторого линейного че-
тырехполюсника при прохождении через него сигнала с некото-
рым отношением сигнал-шум на входе.
Исследования показали, что при воспроизведении речи и му-
зыки необходимо иметь вполне определенные соотношения сиг-
нал-шум. Так, предел понимания речи составляет 10 дБ (1,15 Нп);
нормальный прием речевого сигнала обеспечивается при 20 дБ
(2,3 Нп). Хорошее воспроизведение радиовещания возможно при
40 дБ (4,6 Нп), а высококачественная передача музыки — при
60 дБ (6,9 Нп). В телефонных и вещательных каналах мешающее
действие шумов определяется наличием в их частотном спектре
составляющих, которые наиболее сильно воздействуют на слух
человека.
Известно, что не все частоты одинаково воспроизводятся те-
лефоном или громкоговорителем и воспринимаются ухом. Поэто-
му при определении действия шумов на -речевые и музыкальные
сигналы необходимо учитывать частотную зависимость чувстви-
тельности слуха и частотные характеристики телефона и громко-
говорителя. Доказано, что наибольшая чувствительность системы
332
телефон — ухо лежит в области 800 Гц, а громкоговоритель —
ухо — в области 1000 Гц. Эти значения легли в основу оценки шу-
мов в каналах связи и вещания, рекомендованной Международ-
ным консультативным комитетом телефонии и телеграфии
(МККТТ).
Псофометрические характеристики, псофометр. Помехи изме-
ряют с учетом избирательности органов восприятия (слуха и зре-
ния) и неравномерности АЧХ различных устройств каналов свя-
зи, вещания и телевидения. Для этого при измерении помех в об-
ласти звуковых частот в телефонных и вещательных каналах оп-
ределяют не общее напряжение помех, а так называемое псофо-
метрическое напряжение. При измерении помех в телевизионных
каналах используют частотную характеристику чувствительности
глаза, для чего применяют взвешивающий фильтр нижних частот
с характеристикой затухания, учитывающей воздействие на теле-
визионное изображение различных отношений сигнал-помеха на
разных частотах спектра видеосигнала.
Псофометрическим называется напряжение помех, суще-
ствующее на нагрузочном резисторе сопротивлением 600 Ом, сог-
ласованным с выходным сопротивлением питающей его цепи, и
измеряемое с учетом неодинакового воздействия напряжений раз-
личных частот f на качество телефонной или вещательной переда-
чи. Неодинаковость воздействия учитывается весовым коэффици-
ентом Af отдельных составляющих напряжения относительно ве-
сового коэффициента Лзоо для частоты сравнения 800 Гц при те-
лефонной передаче и Люоо для частоты 1000 Гц при вещательной
передаче. В соответствии с этим псофометрическое напряжение
для вещательной передачи = К S (AfUf)2/Ai00o. Часто рассмат-
ривается и псофометрическая ЭДС Е$, которая численно равна
удвоенному значению U^.
Весовые коэффициенты установлены многолетними исследова-
ниями и рекомендуются МККТТ на очередной период для всех
стран мира.
Зависимость весовых коэффициентов от частоты называется
псофометрической характеристикой. На рис. 12.1 приведены псо-
фометрические характеристики для телефонной (/) и радиовеща-
тельной (2) передач.
Псофометром называется электронный
измерительный прибор для измерения помех
в каналах связи и вещания. Он представля-
ет собой электронный вольтметр (рис. 12.2)
с избирательностью, определяемой псофо-
метрическими характеристиками. Основны-
ми узлами псофометра являются полосовые
фильтры: 1 с телефонной псофометрической
характеристикой и 2 с вещательной. Для из-
мерения общего напряжения помех без уче-
та весовых коэффициентов вместо фильтров
333=
Рис. 12.2
включается эквивалентное звено, затухание которого равно зату-
ханию псофометрических фильтров на средних частотах. Входное
устройство обеспечивает значительное входное сопротивление —
200 кОм на средних частотах и не менее 6 кОм на краях диапа-
зона. Предусмотрено также низкоомное входное сопротивление
600 Ом, необходимое для согласования входа псофометра с изме-
ряемой цепью.
Детектор с квадратической характеристикой позволяет изме-
рять действующее значение всех частотных составляющих напря-
жения. Стрелочный индикатор представляет собой магнитоэлектри-
ческий микроамперметр, градуированный в пределах 0,05... 100 мВ.
В процессе эксплуатации телефонных каналов систематически
проверяют напряжение шумов, измеряя их в точке канала с уста-
новленным уровнем передачи 7 дБ (0,8 Нп).
Схема измерения псофометрического напряжения шума в ка-
нале показана на рис. 12.3. В том случае, когда сопротивление в
месте измерения отличается от 600 Ом, псофометр следует вклю-
чать через согласующий трансформатор; псофометрическое на-
пряжение шума для сопротивления 600 Ом вычисляют по форму-
ле Z7q)=t/'^600/|p|, где U — измеренное псофометром напряже-
ние на сопротивлении, не равном 600 Ом: |р| —модуль волнового
сопротивления измеряемого канала связи. Псофометрическое на-
пряжение шума, полученное в результате измерения, не должно
превосходить допустимое напряжение, установленное нормами
МККТТ для данного типа канала.
Допустимое напряжение шума устанавливается для точки ка-
нала с относительным уровнем полезного сигнала ри Допустимое
напряжение шума для другой точки с относительным уровнем по-
Рис. 12.3
334
лезного сигнала . р2 можно определить по формуле U ф2 =
= Г/ф1ехр{р2—Pi).
Для полного представления о шумах в канале связи надо еще
знать защищенность полезного сигнала от шума, частотный спектр
шума и внятность шума. Защищенность а канала связи от шумов
определяется как разность между уровнями сигналов рс и шумов
рш: а = рс—Рш,дБ(Нп), или а = \п(ис/иш), Нп и а = 20 ln(Uc/Um),
дБ.
Частотный спектр определяется действующими значениями от-
дельных составляющих напряжения помехи Ult U2,, которые
измеряют селективными измерителями уровней или анализаторами
спектра. Внятность шума исследуется прослушиванием с помощью
телефона.
При отсутствии псофометра напряжение помех можно прибли-
женно оценить, измеряя их суммарное напряжение иш электрон-
ным вольтметром среднеквадратического значения или 'измерите-
лем уровня. В последнем случае, когда измеритель уровня градуи-
рован в неперах или децибелах, напряжение вычисляется по фор-
мулам
(7Ш= —ePlHnJ, или [7Ш = —lO8^20,
й й
где иш — в милливольтах; р — уровень в неперах или децибелах
соответственно по шкале; k — псофометрический коэффициент, рав-
ный 1,25 при ширине полосы частот 2400 Гц и 1,33 при ширине по-
лосы до 3100 Гц. При таком измерении предполагается, что поме-
хи равномерно распределены в полосе пропускания канала. Пог-
решность псофометров задается классом точности электронного
вольтметра.
Измерение напряженности поля. Для определения диаграммы
направленности антенн, характера распределения излученной элек-
тромагнитной энергии вдоль земной поверхности, дальности дей-
ствия радиостанций и ретрансляторов, наличия паразитных излу-
чений радиопередающих устройств, качества экранировки инду-
стриальных и атмосферных радиопомех и других характеристик,
оценивающих качество радиосвязи, телевизионного и радио-
вещания, необходимо измерять интенсивность электромагнитно-
го поля существующего в форме плоской волны. Интенсив-
ность характеризуется векторами: плотности потока энергии П,
Вт/м2, напряженности электрического поля Е, В/м, и напряженно-
сти магнитного поля Н, А/м. Напряженности электрического и маг-
нитного полей совпадают по фазе и в любой момент времени про-
порциональны друг другу, причем коэффициент пропорционально-
сти между ними (волновое сопротивление среды) зависит от
свойств среды, в которой распространяется электромагнитная вол-
на, и равен Y Н/8- Для свободного пространства ^poi/eo= 120л=
= 376,6 Ом.
Дее три вектора перпендикулярны друг другу и численно свя-
заны между собой следующими соотношениями; П = ЕН; Н =
335
= Е/120л; Е=]/120лП. СЧевидно, что мощность Р потока энер-
гии, проходящего через некоторую поверхность площади S, рав-
на Р = П5. Отсюда следует, что для измерения интенсивности элек-
тромагнитного поля можно измерять любой вектор. Практически
удобнее всего измерять напряженность электрического поля Е
которая выражается в В/м, мВ/м, мкВ/м.
Важной характеристикой поля является его поляризация. Раз-
личают линейную эллиптическую и круговую поляризации. При
линейной поляризации вектор Е сохраняет свое направление вдоль
определенной прямой. Относительно земное поверхности сущест-
вуют две линейные поляризации: вертикальная и горизонталь-
ная. Эллиптическая поляризация характеризуется непрерывным
вращением вектора Е в плоскости, перпендикулярной направлению
распространения, с одновременным изменением его длины. При
круговой поляризации длина вектора не меняется.
Напряженность электрического поля можно вычислить по из-
меренной мощности на согласованной нагрузке приемной антенны,
если известна ее эффективная площадь S:
E=V l20aP/S. (12.1)
Основными методами измерения напряженности электрическо-
го поля являются методы эталонной антенны и сравне-
ния. В первом случае используется антенна известных размеров
и формы, которая располагается в электромагнитном поле в пло-
скости, параллельной плоскости поляризации электромагнитной
волны. В антенне индуктируется ЭДС
e—Eha, (12.2)
где йд—действующая высота эталонной антенны. Значение
определяется расчетным путем для любой конструкции антенны и
поэтому является известным, а значение Е измеряется вольтмет-
ром или с помощью амперметра. По этим данным вычисляется
напряженность поля. В диапазоне длинных, средних и коротких
волн напряженность электрического поля лучше определять по
напряжению на выходе эталонной антенны, в метровом или деци-
метровом диапазонах (до 30 см) — по току в антенне, а на вол-
нах короче 30 см — по мощности.
Метод сравнения осуществляется способами замещёния и ка-
либровки. При замещении напряжения, индуктированное в произ-
вольной антенне измеряемым электромагнитным полем, сравни-
вается с напряжением, индуктированным в той же антенне заме-
щающим полем эталонного генератора; этот способ часто назы-
вают споособом эталлонног-о поля; При калибровке из-
мерительное устройство перед каждым измерением калибруется по
эталонному генератору, входящему в состав этого устройства.
Выбор метода определяется интенсивностью поля. Для изме-
рения сильных полей вблизи источника излучения удобен метод
эталонной антенны, для измерения слабых полей — метод сравне-
ния.
336
Рис. 12.4
На основе метода эталонной
антенны созданы простые измери-
тельные устройства — измерители
поля; на основе метода сравне-
ния — измерительные приемники, рис. 12.5
измерители напряженности по-
ля и плотности потока мощности. Для измерения напряженности
помех и напряженности поля помех применяются как перечислен-
ные приборы, так и специальные измерители помех.
Измерители поля состоят из эталонной антенны и прибора для
измерения в ней напряжения, тока или мощности. В качестве эта-
лонной можно использовать любую антенну, характеристики ко-
торой известны. При измерениях в диапазоне длинных, средних
и коротких волн применяются рамочные антенны, в диапазоне ме-
тровых и дециметровых волн-—полуволновые вибраторы, а в ди-
апазоне сантиметровых волн — рупорные антенны. Иногда поль-
зуются и простыми штыревыми антеннами.
Измеритель поля с рамочной антенной представлен на рис. 12.4.
Рамка, квадратная или круглая, состоит из одного или N витков
изолированной проволоки; число витков зависит от диапазона ча-
стот, для которого она предназначается. Чтобы распределение то-
ка в рамке можно было считать равномерным, длина одного вит-
ка должна быть меньше Х/8, где X — длина волны электромагнит-
ного колебания, напряженность поля которого измеряется. Кон-
денсатор переменной емкости служит для настройки всего инди-
катора на частоту источника излучения, поле которого измеряет-
ся в данный момент. Найдем действующую высоту рамки со сто-
ронами а и b (рис. 12.5,а), для чего определим индуктированную
в ней ЭДС I при прохождении под некоторым углом <р (рис. 12.5,6)
вертикально поляризованных радиоволн с напряженностью поля
Е. В вертикальных проводах рамки индуктируются две ЭДС, на-
правленные навстречу друг другу: ei = E&sinco^ и e2 = Eb sin<в(t—
—/3), где t3 = dlc=a cos <р/с— время запаздывания ЭДС во вто-
ром проводе относительно ЭДС в первом проводе; с — скорость
света.
Фазовый сдвиг ыС между двумя ЭДС выражается через дли-
ну волны: ыС = ы a cos <р/с=2n/f (а/с) cos <р= (2л a/X)cos <р. Реали-
зующая ЭДС в рамке е является разностью ех и е2: e=£'b{sin <в/—
337
(12.4)
—sin [со/—(2ла/Х) cos <р]} = 2Eb sin(n/X)a cos ф cos (at—л/Х)асо8ф.
Ее амплитуда пропорциональна числу витков рамки N:
l = 2EbNsin( — acosф\ « 2ЕabN — cosф = 2Е nN — cosф.
\ X / X X
(12.3)
Сопоставляя (12.2) и (12.3), получаем выражение для дей-
ствующей высоты рамки
. I 2п SN
Лд = —= СОБф.
С Л,
Формула (12.4) справедлива для рамок любой формы. Множи-
тель соэф характеризует направленные свойства рамки. Для полу-
чения максимальной ЭДС плоскость рамки должна совпадать с
направлением на источник излучения, тогда ф = 0 и созф=1
(рис. 12.5,в).
Напряженность поля измеряется следующим образом. Рамоч-
ную антенну настраивают и ориентируют на максимум приема.
Отмечают показание вольтметра, т. е. напряжение на конденсато-
ре в момент резонанса:
J/c = ZpXe fE 1
(12.5)
/?р ш Cg
где /Р — ток антенны при резонансе; /?Р— активное сопротивление
антенны на рабочей частоте со; Со — емкость переменного конден-
сатора при резонансе. Подставляя в это уравнение (12.2) и решая
его относительно напряженности поля Е, получаем
£ = Пе7?рсоС0//1д. (12.6)
Заменив йд его значением [выражение (12.4)], сократив 2л и
заменив произведение частоты на длину волны скоростью света
(Х/ = с«гЗ-108 м/с), получим окончательно в вольтах на метр
£ = 3-108t7ePpC0/SM, (12.7)
где — в вольтах; Ер— в омах; Со— в фарадах; S — в квадрат-
ных метрах. Формула (12.7) справедлива лишь в том случае, ес-
ли вносимое в рамочную антенну активное сопротивление вольт-
метра пренебрежимо мало по сравнению с активным сопротивле-
нием ЕР самой антенны.
Если сопротивление 7?Р и абсолютное значение емкости Со не-
известны, напряженность поля можно определить по добротности
рамочной антенны: QP — 1/ыС0/?Р. Подставив это выражение в фор-
мулу (12.7), получим
E = Uc/haQp. (12.8)
Добротность рамочной антенны легко определяется в процес-
се измерения, для чего нужно отметить три отсчета на шкале пе-
ременного конденсатора: при резонансе ао и по обе стороны от
338
Рис. 12.6
Рис. 12.7
него ai и аг при одинаковых показаниях вольтметра Uci (рис. 12.6).
Добротность вычисляется по формуле
Если установить значение Uzi = 0,707 Uc, то выражение под кор-
нем превращается в единицу и тогда (12.9) приводится к виду
E = Ua (а2—а^/Лд (аг + а2).
Промышленностью выпускаются измерительные рамочные ан-
тенны на диапазон 0,15... 30 МГц, который перекрывается четырь-
мя антеннами.
Измеритель поля с полуволновым вибратором (рис. 12.7) ра-
ботает следующим образом. В промежуток между плечами виб-
ратора, т. е. в пучность тока, включается термомиллиамперметр,
сопротивление нагревателя 7?т которого известно. Сопротивление
полуволнового вибратора Rs постоянно и примерно равно 73 Ом.
Таким образом, наведенная в антенне ЭДС легко определяется
умножением показания / термомиллиамперметра на сумму сопро-
тивлений RT и Rs Разделив значение ЭДС на действующую вы-
соту (длину) полуволнового вибратора получим напря-
женность электрического поля: Е=п1 (73-|-|7?т)
Полуволновый вибратор при измерениях должен быть ориен-
тирован так, чтобы на нем возникла максимальная ЭДС. Он мо-
жет располагаться горизонтально или вертикально в зависимости
от ориентации вектора Е, т. е. поляризации поля. Полуволновые
вибраторы, применяемые в диапазоне частот 150... 1000 МГц, вы-
полняют из трубок, которые вставляются друг в друга для воз-
можности-изменения длины антенны.
В полосе частот от 30 до 150 МГц, где рамки слишком малы, а
вибраторы слишком велики, применяют простые вертикальные
штыревые антенны. Если длина (высота) штыря I меньше рабо-
чей длины волны в пять и более раз, то его действующая высота
не зависит от частоты и приблизительно равна половине его дли-
ны: /гд~//2.
Измеритель поля для диапазона сантиметровых волн состоит
из рупорной антенны, волноводного аттенюатора поглащающего
339
а)
с термисторным измерителем
типа и измерительного устройства.
Последнее представляет собой
либо детектор и стрелочный, мик-
роамперметр (рис. 12.8,а), либо
термисторный измеритель мощно-
сти (рис. 12.8,6). Для согласова-
ния с детектором или термисто-
ром волновод индикатора закан-
чивается подвижным поршнем.
Измеритель с детектором позволя-
ет выполнять только относитель-
ные измерения, причем показание
стрелочного прибора поддержива-
ется постоянным, а интенсивность
поля определяется по показаниям
шкалы аттенюатора. Измеритель
мощности позволяет определять и
абсолютное значение напряженности поля из выражения (12.1).,
При подстановке в это выражение значения измеренной мощно-
сти следует учитывать ее ослабление аттенюатором на входе из
мерителя. Если эффективная площадь S антенны не известна, то
ее вычисляют по формуле S = GX2/4л2, где G — усиление антен-
ны по мощности по сравнению с изотропным излучателем; X —
длина волны, на которой выполняется измерение. Промышленно-
стью выпускается большое число рупорных измерительных антенн
со штативами, прекрывающих - диапазон частот от 100 до
36 500 МГц.
Измерителями определяются интенсивности полей, напряжен-
ность которых превышает десятки милливольт на метр. Погреш-
ность измерений составляет 30 ..40%. Основными причинами по-
грешностей измерителей с рамочными антеннами являются нали-
чие антенного эффекта рамки за счет емкости ее на Землю и не-
точность ее ориентировки и настройки; измерителей с вибратора-
ми— влияние близости к вибраторам земной поверхности и опе-
ратора, а также неточность ориентировки вибратора; измерителей
с рупорными антеннами — неточность измерения мощности, не-
полное согласование и погрешность определения эффективной пло-
щади или коэффициента усиления рупирной антенны.
Измерительные приемники разработаны для измерения малых
напряженностей поля. Эти устройства представляют собой чув-
ствительные супергетеродинные радиоприемники с вольтметром на
выходе, делителем напряжения в тракте промежуточной частоты
и аттенюатором на входе. Для уменьшения погрешности перед
каждым измерением шкалу выходного прибора калибруют по на-
пряжению внутреннего калибровочного генератора. Если такой
приемник укомплектован измерительными эталонными антеннами,
то он является измерителем напряженности поля, без антенн — по
существу, выполняет роль селективного вольтметра и называется
измерительным приемником.
340
Рис. 12.9
Упрощенная структурная схема измерителя напряженности по-
ля представлена на рис. 12.9. Процесс измерения делится на три
этапа: предварительную настройку, калибровку и измерение. Для
предварительной настройки к входу измерителя напряженности по-
ля подключают антенну и настраивают его на частоту радио-
станции, напряженность поля которой измеряют. Чтобы откалиб-
ровать прибор точно на рабочей частоте, настройку осуществляют
по максимальному показанию выходного вольтметра при произ-
вольных значениях ослабления входного аттенюатора и коэффи-
циента деления в тракте промежуточной частоты.
Калибровка состоит в том, что на вход усилителя высокой ча-
стоты подают известное напряжение калибровочного генератора
и, регулируя усиление по высокой частоте (при отсутствии деления
в тракте промежуточной частоты), устанавливают стрелку выход-
ного вольтметра на условное деление. При этом усиление всего
приемника приводится к известному значению. После калибровки
генератор отключают, включают антенну и, регулируя ослабление
аттенюатора высокой частоты и коэффициента деления на проме-
жуточной частоте, устанавливают стрелку выходного вольтметра в
удобное для отсчета положение. Шкала вольтметра проградуиро-
вана в значениях входного напряжения усилителя высокой часто-
ты, поэтому его показание U—EhaKaaaa,H, где яа и яд.н— коэф-
фициенты ослабления аттенюатора и делителя напряжения соот-
ветственно, К — коэффициент усиления. Отсюда напряженность
поля E=Ulh^KaaaM. Значения йд и К для каждой частоты изве-
стны, поэтому определение значения напряженности поля Е не
вызывает затруднений.
Пределы измерения напряженности поля такими приборами —
ст долей микровольта до 105 мкВ/м, а измерителями плотности
потока мощности — от 0,07 мкВт/см2 до 30 мВт/см2. Погрешность
измерения достигает ±30%. Причины ее возникновения те же, что
и в измерителях поля.
Измерение радиопомех. Радиопомехи могут возникать во вре-
мя работы различных промышленных электрических установок, ме-
341
дицинской высокочастотной аппаратуры, контактных сетей электро-
транспорта, двигателей внутреннего сгорания, электроинструмен-
та, лифтов, бытовых электрических приборов и ряда других при-
чин. Эти и подобные им источники создают помехи в виде электро-
магнитных полей различной частоты, которые засоряют окружа-
ющее пространство, затрудняют выполнение измерений и работу
радиоприемных устройств.
В СССР установлены общесоюзные нормы допустимых инду-
стриальных радиопомех в диапазоне от 0,15 до 300 МГц. Измерять
же помехи необходимо в диапазоне от 10 кГц до 1000 МГц. Для
определения уровня помех измеряют напряжение между зажимом
источника помехи и его корпусом или напряженность поля как
электрического, так и магнитного методами, регламентированными
подробнейшим образом в том же документе, где приведены нормы
допустимых помех. Метод и порядок измерения зависят от вида
источника помех.
Напряжение радиопомех или напряженность их поля измеря-
ют приборами, подобными измерителям напряженности поля и из-
мерительным приемникам. Усилия ученых многих стран направ-
лены на разработку единых методов оценки радиопомех, единых
методов контроля источников радиопомех, единой терминоло-
гии и т. д.
В рамках МЭК создан Международный специальный комитет
по радиопомехам. Одной из главных задач этого комитета являет-
ся унификация основных характеристик измерителей радиопомех.
Разработаны и утверждены технические требования к измерите-
лям помех и методы измерений в трех участках диапазона частот:
10 ... 150 кГц, 0,15 ... 30 МГц и 30 ... 1000 МГц.
Радиопомехи в большинстве случаев имеют хаотический им-
пульсный характер, поэтому в выходном вольтметре они должны
усредняться так, чтобы можно было оценить их мешающее дей-
ствие. Усреднение выполняется при помощи так называемого ква-
зипикового детектора. Главными его характеристиками являются
формально устанавливаемые постоянные времени цепей заряда и
разряда. При выборе этих постоянных предполагается, что напря-
жение на нагрузке детектора изменяется по экспоненциальному
закону. На рис. 12.10 приведена эквивалентная схема квазипико-
вого детектора. Напряжение L\ снимается с контура промежуточ-
ной частоты, эквивалентное сопротивление котороего представлено
резистором RK. Детекторный диод рассматривается как идеаль-
характеристикой. Предположим, что по-
стоянное внешнее напряжение LR внезап-
но подано на вход схемы. Напряжение
на нагрузке детектора U будет возра-
стать в соответствии с формулой U =
= Ui [ 1—ехр(—///?КС)]. Через интервал
времени, определяемый постоянной вре-
мени заряда t=x3 = RKC, напряжение до-
стигает значения U = 1Д (1—е-1) ~ 0,6321/ь
ный с линейно-ломанои
Рис. 12.10
342
Если при заряженном до напряжения Uc конденсаторе отклю-
чить источник внешнего напряжения, то на нагрузке детектора на-
пряжение будет уменьшаться в соответствии с формулой {7=
= Uc exp (—t/RpC). Через интервал времени, определяемый по-
стоянной времени разряда t=xP33 = RllC, напряжение достигает
значения U—Uce~l^Q,368Uc-
Из изложенного следует, что постоянная времени заряда чис-
ленно должна быть равна интервалу времени, в течение которого
при внезапно приложенном синусоидальном сигнале на вход из-
мерителя помех напряжение на нагрузке детектора достигает
63,2% своего установившегося значения. Постоянная времени раз-
ряда должна быть численно равна интервалу времени, в течение
которого при внезапно снятом сигнале напряжение на нагрузке
детектора снизится до 36,8% своего начального значения.
Кроме квазипикового детектора, в измерителях радиопомех
предусмотрены детекторы среднего, действующего и пикового зна-
чений, включаемые соответствующим переключателем. Это позво-
ляет при измерении помех по сопоставлению показаний получить
некоторые дополнительные данные о характере помехи и, кроме
того, использовать измерители помех в качестве измерителей на-
пряженности поля радиостанций (при наличии модуляции) и се-
лективных вольтметров.
Для возможности сопоставления результатов измерений на-
пряжения или напряженности поля радиопомех установлены поло-
сы пропускаемых частот усилителями промежуточной частоты из-
мерителей помех на уровне —6 дБ: 200 Гц для принимаемых ча-
стот от 10 до 150 кГц; 9,0 кГц от 0,15 до 30 МГц и Д 20 кГц.от 30
до 1000 МГц. В СССР разработана серия измерителей помех, от-
вечающая всем международным требованиям на весь диапазон
частот 10 кГц... 1000 МГц. Погрешность измерения в зависимости
от характера измеряемой величины составляет от ±2 до ±4 дБ.
Чувствительность достигает долей микровольта. Погрешность ус-
тановки частоты ±1 %.
12.2. ИЗМЕРЕНИЯ В РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ
И РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВАХ
Измерения характеристик связного и вещательного оборудования могут
проводиться во время его испытания'и в процессе эксплуатации. В литературе
измерения параметров при испытании и налаживании оборудования, а также
при профилактических осмотрах и ремонте часто называют предупредительным
контролем, а измерения, проводимые непосредственно в процессе передачи (прие-
ма) информации, — оперативным.
Измерении при испытаниях и налаживании. Амплитудную характеристику
можно, измерять по напряжению низкой или высокой частоты, для всего уст-
ройства или его части.
Структурная схема измерения в передатчике приведена на рис. 12.Ш. На
вход передатчика (автоматическая регулировка напряжения выключена) пода-
345
Рис. 12.11
»
ется низкочастотный сигнал. Значения С/В1 и t/BHz напряжений, которые могут
изменяться плавно или ступенями, определяются по показаниям вольтметра.
Амплитудная характеристика на заданной частоте 1/Вых=Р(|ПВх) строится в
виде графика (рис. 12.11,а). Для получения достоверных результатов загрузку
передатчика осуществляют в рекомендованных техническими условиями преде-
лах. Загрузка передатчика определяется с помощью измерителя мощности. По-
грешность измерения 1... 2 дБ.
Высокочаст^рая колебательная мощность на выходе передатчика оценива-
ется по ее пиковым или средним значениям. Непосредственно измерить пико-
вую мощность не всегда возможно, поэтому ее определяют расчетным путем по
результатам измерений средней мощности. Средняя мощность передатчика мо-
жет быть определена одним из методов, описанных в >§ 6.4.
На рис. 12.1’2 приведена структурная схема измерения.. На вход передатчи-
ка подается синусоидальное напряжение низкой частоты с таким уровнем, что-
бы получить на его выходе среднюю мощность несущей частоты Рср н, опреде-
ляемую по показаниям измерителя мощности. Амплитуда несущей Um опреде-
ляется по осциллографу, калиброванному для выходных напряжений передат-
чика. Пиковая мощность определяется по формуле
' Рт = 2Рср.- (>12.10)
В однополосном радиопередатчике среднюю мощность определяют следую-
щим образом. Вначале на вход передатчика подают синусоидальное напря-
жение низкой частоты с таким уровнем, чтобы на выходе передатчика полу-
чить мощность Рср, равную примерно половине полезной пиковой мощности;
значение получающегося пикового напряжения будет Umi. После этого на его
вход вместо одного тона подают синусоидальные напряжения двух тонов ft и
fi одинаковых амплитуд, значения которых устанавливают так, чтобы наиболь-
шая комбинационная составляющая напряжения соответствовала допустимому
уровню. Значение пикового напряжения на выходе передатчика Um2 снова оп-
ределяют по осциллографу.
344
Рис. 12.12
Рис. 12.13
Рис. 12.14
345
Выходная пиковая мощность будет равна
Pm — (Umz/Uml) Рср- (12.11)
Погрешность косвенного измерения пиковой мощности по результатам пря-
мых измерений средней мощности в значительной степени зависит от линейно-
сти амплитудной характеристики передатчика.
Коэффициент бегущей волны фидера определяют с помощью направленно-
го ответвителя (см. § 6.4).
Амплитудно-частотную характеристику измеряют следующим образом: . на
вход передатчика (рнс. 12.11) подают напряжение UBX, уровень которого при-
близительно равен половине номинального входного уровня. При неизменном
входном уровне изменяют частоту } и отмечают показания вольтметра иВых
на выходе передатчика. Неравномерность характеристики в децибелах оцени-
вают по формуле
С/вых/г/вх=20 lg (12.12)
и строят график в виде функции частоты f (рис. 12.11,6). Вместо Um можно
принять значение на заданной частоте.
Отклонение несущей и ее стабильность определяются на выходе возбудите-
ля или самого передатчика. На рис. 42.13 изображена структурная схема уста-
новки. Измерения проводят методом круговой развертки (см. § 8.1). В качест-
ве источника образцовой частоты /ОбР может служить кварцевый генератор
или радиоприемник стандартных сигналов (ГОСТ 13924—80). Суточную не-
стабильность вычисляют по результатам измерений частоты в течение 10 суток.
Отклонение несущей частоты определяют путем многократных настроек возбу-
дителя, измерений его выходных частот fs и сличений полученных данных с таб-
личными значениями. В возбудителях или синтезаторах с дискретной сеткой час-
тот такие измерения позволяют выявить неисправные узлы.
Побочные излучения передатчика измеряют тщательно экранированной ап-
паратурой, поскольку мощность сигналов передатчика в сотни и тысячи раз
больше мощностей побочных составляющих. Измерения следует проводить в
диапазоне рабочих частот передатчика непосредственно' иа его выходе либо в
отдаленных местах.
Измерение побочных излучений может проводиться с помощью направлен-
ного ответвителя (см. § 5.4). Мощность побочного излучения на данной частоте
вычисляют по формуле Рпоб—'(П2я—U20). Напряжения падающей Ua и отра-
женной Uo волн определяют анализатором спектра, а волновое сопротивление
фидера ZB можно рассчитать в зависимости от его размеров и конфигурации.
Абсолютные значения напряжений в данном месте фидера находят с учетом
переходного затухания направленного ответвителя.
В отдалении от передатчика уровень побочных излучений можно оценить с
помощью измерителя напряженности поля или приемного устройства. В этом
случае вначале определяют напряженность поля побочного излучения передат-
чика £| (рис. 12.14), затем, выключив передатчик, измеряют напряженность
поля вспомогательного генератора Ег, мощность которого известна. Тогда мощ-
ность побочного излучения на данной частоте Pno6 — PBcti(EilE2)2.
Чувствительность в радиоприемных устройствах должна измеряться с уче-
том уровня собственных шумов, полосы пропускания и эффективности антенны.
Основная структурная схема измерения показана на рис. 12.15. Радиоприем-
346
Рис. 12.15
инк настраивают на частоту генератора сигналов и устанавливают регулятором
громкости напряжение на выходе полосового фильтра, соответствующее стан-
дартной мощности на выходе приемника. Затем выключают модуляцию и изме-
ряют напряжение на выходе широкополосного фильтра. Изменяя напряжение
генератора и положение регулятора громкости, добиваются одновременного вы-
полнения двух условий: требуемой выходной мощности при модуляции и на-
пряжения шума, соответствующего заданному соотношению при выключенной
модуляции.
Избирательность — параметр, позволяющий установить способность радио-
приемника ослаблять мешающее действие сигналов с частотой, отличной от час-
тоты принимаемого сигнала. Она определяется многими способами. Наиболее
часто измеряют избирательность по соседнему каналу и ширину полосы пропус-
кания резонансной кривой.
Избирательность по соседнему каналу определяют, как правило, двухсиг-
нальным методом. На рис. 12.16 изображена общая структурная схема включе-
ния приборов. На вход приемника через эквивалент антенны одновременно с не-
модулированным полезным сигналом подается модулированная помеха на час-
тоте соседнего канала. Уровень мешающего сигнала регулируется так, чтооы
уровень помехи был на 20 дБ ниже уровня, достигнутого при модулированном
полезном сигнале в отсутствии помехи. Измерения в диапазонах дециметровых
и сантиметровых волн проводят при следующих расстройках: ±5 и ±9 кГц в
положении регулятора Узкая полоса и ±18 кГц в положении регулятора Ши-
рокая полоса. В других поддиапазонах измерения выполняют при других рас-
стройках. Глубина модуляции полезного и мешающего сигналов 30%.
Ширину полосы пропускания и крутизну скатов резонансной кривой нахо-
дят односигнальным методом. В этом случае фиксируют постоянное напряже-
ние на выходе детектора. Затем производят расстройку генератора, одновремен-
но увеличивая уровень сигнала и определяя частоты (fi), на которых сигнал
увеличивается на 6 дБ (при неизменном напряжении на выходе детектора). Эти
частоты и определяют ширину полосы пропускания. После этого расстраивают
генератор до частот, на который входной сигнал (опять же при неизменном
напряжении на выходе детектора) возрастет на величину d (20, 40, 60 или
80 дБ). Крутизну скатов оценивают отношением d/(f2—jy) в децибелах иа герц.
Рассмотренные методики измерения требуют установки регулятора громко-
сти в положение, соответствующее созданию на выходе приемника стандартной
МОЩНОСТИ.
347
Рис. 12.16
Рис. 12.18
348
При выполнении измерений приемное устройство должно быть установлено
в экранированном помещении, питающая сеть снабжена сетевыми фильтрами.
Соединение генератора сигналов с входом приемника должно осуществляться че-
рез эквивалент антенны. На рис. 12.17 приведена одна из возможных схем со-
единения, для которой расчет эквивалента антенны выполняется по формулам:
^1 = ^?пр"|/1 ^г/^пр > R% = 1 Rr/Rnp >
Ei ~ (Rap/Rr) Е (1 — 1 — /?г/7? пр) •
Уровень входных напряжений не должен превышать максимальное на-
пряжение, при котором амплитудная характеристика приемника остается ли-
нейной.
Измерения в процессе передачи информаций. На рис. 12.18 изображена
структурная схема автоматической системы измерений, состоящая из устройств
непрерывных измерений (НИ), периодических измерений (ПИ) и документаль-
ной регистрации результатов измерений. Устройства НИ обеспечивают измере-
ние значений параметров, определяющих работоспособность передатчика, а уст-
ройства ПИ значения параметров, определяющих качественные показатели пе-
редатчика. Устройства документальной регистрации фиксируют сигналы о воз-
никшей неисправности, поступающие с устройств НИ и ПИ.
Устройства НИ устанавливаются на каждом передатчике, устройства ПИ и
документальной регистрации предназначены для работы с несколькими пере-
датчиками.
Используемые в системе измерения носят «допусковый характер», при ко-
торых сигнализация и регистрация результатов измерений производятся только
при выходе измеряемых параметров за допустимые, заранее установленные пре-
делу. При этом измеряются абсолютные значения параметров или сравниваются
сигналы на входе и выходе измеряемого объекта.
Вначале измеряют превышение сигналом звука определеииото значения на
входе передатчика, а также снижение глубины модуляции или уровня несу-
щей частоты.
Методом сравнения фиксируется пропадание сигнала звука на выходе пе-
редатчика и изменение коэффициента передачи.
На рис. 1-2.19 приведены структурные схемы устройства НИ и самого пе-
редатчика. Устройство НИ подключено к входу и выходу передатчика и к вхо-
ду модулятора.
К входу передатчика устройство НИ подключено до регулятора уровня, и
после усиления сигнал звука поступает на блоки ^Контроль превышения вход- <
кого уровня» и «Контроль пропадания сигнала на входе». В этих блоках срав-
ниваются абсолютные значения уровней приходящего Сигнала звука с задан-
ными нормированными значениями. Сигнал со входа передатчика подается так-
же в блок «Контроль пропадания сигнала на выходе», в котором его уровень
сравнивается с уровнем на выходе передатчика. Поэтому тревожный сигнал
«пропадание сигнала» на выходе передатчика поступает с сигнализатора только
при наличии сигнала звука на его входе.
Уровень несущей измеряется с помощью постоянной составляющей продетек-
тнрованного напряжения, которое фиксируется узлом «Контроль снижения уров-
ня несущей». Измерение коэффициента передачи осуществляется с помощью
электронного логометра, на который поступают продетектированиые. сигналы с
349
Рис. 12.19
выхода передатчика и со входа модулятора. При изменении коэффициента пе-
редачи более допустимого с логометра поступает сигнал тревоги.
Узел сигнализации обеспечивает общую звуковую и индивидуальную све-
товую индикации по каждому параметру, который измеряется устройством НИ.
Одновременно с сигналами световой индикации от узла поступают сигналы на
устройство документальной регистрации и систему телесигнализации. Сигналы
звука, поступающие со входа модулятора и с выхода передатчика, используют
также в устройстве ПИ (через контакты реле /).
• На рис. 12.20 представлена структурная схема устройства ПИ, которое пе-
риодически подключается к измеряемым передатчикам коммутатором, автома-
тически реализующим такое соединение через устройство НИ. Для этого от
350
Рис. 12.20
каждого устройства НИ передатчиков на вход устройства ПИ поступают два
Сигнала звука (образцовый и искаженный) и один сигнал автоматического уп-
равления. Образцовый сигнал следует со входа модулятора на вход усилителя
1, а искаженный (после детектирования модулированного высокочастотного
сигнала) — с выхода передатчика на вход усилителя 2. Усиленные сигналы по-
ступают на блоки сравнения (со схемой автоподстройки), измерения помех и
измерения нелинейных искажений.
В блоке сравнения средние значения образцового и искаженного сигналов
выравниваются, что необходимо для оценки возможных нелинейных искажений.
При наличии этих искажений (и равенстве средних значений) пиковое значе-
ние искаженного сигнала будет отличаться от пикового значения образцового
Рис. 12.21
351
сигнала. На выходе блока сравнения появится сигнал, пропорциональный раз-
меру искажений. Если этот сигнал превышает допустимое значение, включается
тревога. Одновременно с сигналами о наличии неисправности происходит ди-
станционная передача сигналов в устройство документальной регистрации откло-
нений и возвращения параметров в пределы допуска. Устройство (рис. 12.21)
обеспечивает регистрацию четырех параметров десяти измеряемых объектов.
Сигналы поступают на входы блоков памяти параметров и запоминаются в
них на все время регистрации. Из блоков памяти в блок опроса поступают сиг-
налы, разрешающие прохождение тактовых импульсов из блока опроса в блоки
памяти, часов и управления.
Такты опроса формируются с помощью опорной частоты кварцевого генера-
тора, находящегося в блоке управления. Они считывают регистрируемую ин-
формацию из блоков памяти и часов в блок управления, где также формиру-
ются сигналы, регулирующие работу печатающего устройства. Блок индикации
позволяет управлять работой всего устройства и производить установку и за-
пуск часов.
12.3. ИЗМЕРЕНИЯ В ТРАКТЕ ПЕРЕДАЧИ
ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА
Телевизионный канал должен обеспечивать прохождение сигнала с мини-
мальными искажениями формы. Для этого нормируются его амплитудно-частот-
ные, фазочастотные, амплитудные и импульсные характеристики. Полезная ин-
формация обычно содержится в полосе частот телевизионного сигнала от 25 Гц
до 6,5'МГц. Этот сигнал носит название видеосигнала, а тракт, по которому
он передается (без модуляции несущей), — видеотрактом. Трудности измерения
характеристик тракта передачи телевизионного сигнала связаны с его большой
протяженностью. При измерении, например, частотной характеристики четырех-
полюсника сигнал с выхода прибора (измерителя АЧХ) поступает на его вход и
с выхода четырехполюсника возвращается обратно в измерительный прибор.
Такое измерение возможно потому, что вход и выход четырехполюсника нахо-
дятся рядом. В телевизионном тракте экспериментатору обычно доступен либо
его вход, либо выход.
Имеются и другие особенности, связанные со спецификой телевизионного
сигнала. Например, измерение нелинейных искажений в телевидении с помощью
коэффициента гармоник не применяется. Это объясняется двумя причинами.
Во-первых, телевизионный сигнал содержит вспомогательные сигналы — гасящие
и синхронизирующие импульсы, которые прн измерении коэффициента гармоник
создают помехи. Если же вспомогательные сигналы исключить, резко изменит-
ся режим работы аппаратуры, что повлияет на результат измерения. Во-вто-
рых, телевизионный сигнал резко несимметричен, поэтому при одном и том же
коэффициенте гармоник качество изображения (особенно цветного) может су-
щественно отличаться.
Важную информацию о состоянии тракта передачи можно получить, изме-
рив его амплитудно-частотную характеристику. Одним из" широко распростра-
ненных является способ измерения АЧХ, основанный иа применении испытатель-
ного сигнала, изображенного на рис. 12.22. Этот сигнал содержит шесть «паке-
тов» синусоидальных колебаний разных частот, обычно выбираемых в пределах
от 0,5 до 6 МГц. Длительность испытательного сигнала подбирается так, чтобы
352
Рис. 12.22
она не превышала длительности одной строки и сигнал вписывался между дву-
мя строчными гасящими импульсами. Гасящие импульсы являются вспомога-
тельным сигналом, с помощью которого гасится луч кинескопа в телевизоре во
время обратного хода по строке. Более узкий импульс является строчным син-
хронизирующим импульсом, обеспечивающим синхронизацию генератора строч-
ной развертки телевизора. Весь период /Стр равен 64 мкс, из них 5 мкс состав-
ляет длительность синхронизирующих импульсов. Наличие этих вспомогатель-
ных сигналов обеспечивает при измерениях тот же режим работы, что и при
прохождении сигнала.
Данный испытательный сигнал можно использовать для измерения АЧХ без
перерыва передачи полезного телевизионного сигнала по линии. Для этого ис-
пытательный сигнал передается во время обратного хода луча по кадру, в те-
чение которого имеются свободные интервалы, не используемые для передачи
телевнзио'нного сигнала. Точное расположение испытательных сигналов (знание
которого необходимо для их выделения) установлено рекомендациями Между-
народного консультативного комитета по радио (МКК.Р).
Измерить переходные характеристики видеотракта можно с помощью им-
пульсов прямоугольной формы с крутыми фронтом и срезом. Однако примйге-
пие прямоугольных импульсов для оценки качества передачи высокочастотной
части спектра телевизионного сигнала не всегда приводит к положительным ре-
зультатам. Дело в том, что телевизионная аппаратура имеет ограниченную по-
лосу пропускания, т. е. ее частотная характеристика эквивалентна частотной ха-
рактеристике фильтра нижних частот. Испытательные импульсы прямоугольной
12—10 353
формы имеют спектр частот, Выходящий за верхнюю границу полосы пропуска-
ния канала. Поэтому форма осциллограммы будет искажена из-за ограничения
спектра испытательного сигнала, в то время как менее широкополосный телеви-
зионный сигнал пройдет канал связи без искажений. Поэтому для измерения
характеристик телевизионного канала применяют так называемый синус-квадра-
тичный импульс «(/) =sin2<0rpt График этой функции при U=\ (рис. 12.23,а) и
ее частотный спектр (рис. 12.23,6) взаимно связаны.
Как видно из рис. 12.23,6, относительная амплитуда спектральных состав-
ляющих оказывается равной нулю при )Т=1 и основная часть энергии спектра
приходится на участок от 0 до fT. Это свойство спектра синус-квадратичного
импульса обусловливает удобства его применения для измерений. Действитель-
но, допустим, что сииус-квадратичный импульс подается на устройство, имею-
щего граничную частоту пропускания /шах = 6,5 МГц. Всегда можно подобрать
длительность импульса Т >(рис. 12.23,а) такой, чтобы его спектральные состав-
ляющие ие выходили за пределы /тах. В рассматриваемом случае T=<l/fmai —
= 1/6,5-10—е = 0,154 мкс. При прохождении импульса вычисленной длительности
через устройство с частотной характеристикой, равномерной до граничной час-
тоты 6,5 МГц, спектр не искажается и, следовательно, форма импульса практи-
чески остается неизменной. Если же полоса пропускания устройства окажется
менее 6,5 МГц, то произойдет потеря высокочастотных составляющих спектра
и напряжение импульса на выходе уменьшится.
На рис. 12,23,s графически показано относительное изменение напряжения
синус-квадратичного импульса длительностью 0,154 мкс на выходе устройства
(/) и относительное изменение длительности импульса (2) в зависимости от
граничной частоты. Как видно из графика, увеличение граничной частоты от 0,6
до 3,5 МГц вызывает практически пропорциональное увеличение амплитуды вы-
ходного импульса. Таким образом, по изменению испытательного синус-квадра-
тичпого импульса можно сделать вывод о форме частотной характеристики. На
практике используют сипус-квадратичные импульсы длительностью 0,16...
|/|----г
Рис. 12.24
... 0,17 мкс или 0,08 ... 0,1 мкс,
позволяющие оценивать ча-
стотные искажения в обла-
сти 3 и 6 МГц.
Для измерения степени
уменьшения амплитуды ис-
пытательного импульса при
прохождении по видеотрак-
ту пелесообразно одновременно с ним передавать более длительн:
нал, не зависящий от вносимых частотных искажений. На рис.
осциллограмма испытательного сигнала длительностью 64 мкс,
иус-квадратичный импульс 1 и опорный сигнал 2 (прямоугольиь
тельностью 26 мкс). Для обеспечения режима работы аппаратур
щего передаче, обычного телевизионного сигнала, в состав испь
нала включены гасящие и синхронизирующие импульсы 3.
Амплитудную характеристику видеоканала можно измерит
пилообразного испытательного колебания, осциллограмма которс
рнс. 12.25,а. Периодически повторяемый испытательный сигнал
щие импульсы, с помощью которых в аппаратуре автоматически
ся правильное положение сигнала относительно амплитудной
усилительного элемента. Напряжение испытательного сигнала,
вход испытуемого устройства, должно быть равно номинальном'
пряжению, на которое это устройство рассчитано. Если амплит
ристика устройства нелинейна, то произойдет искажение формы
сигнала на выходе (рис. 12.25,6). Применение импульсов пилоо
удобно тем, что позволяет оценить нелинейность на всех учас
ной характеристики. Однако численная оценка нелинейности затр
этому сигнал такой формы целесообразно использовать для гр
амплитудной характеристики. Оценка нелинейности упрощается
нии испытательного сигнала ступенчатой формы (рис. 12.25,е). S
держит несколько ступенек одинакового размера, которые изм<
прохождения через испытываемое устройство (рис. 12.25,г). К
нейности является отношение наименьшего размаха m к нацболы
но на практике число ступенек ие превышает 8 ... ГО. Ступенчат
ный сигнал позволяет обнаруживать изменение кривизны ампл!
терпстики лишь иа ее отдельных участках, в то время как пило<
тательпый сигнал дает представление о всей амплитудной харат
грешность измерений при ступенчатом испытательном сигнале сост
Более эффективным методом выявления нелинейности ампл:
теристики устройства является применение рассмотренных испыта
“h
i)
сииуевмсммнВ.
лов в сочетании с синусоидальным сигналом. На рис. 12.26,а показан испыта-
тельный сигнал пилообразной формы с наложенным на него высокочастотным
сигналом. Измерительный сигнал с выхода испытуемого устройства подается на
узкополосный фильтр, настроенный на частоту синусоидального сигнала. Если
амплитудная характеристика линейна, на выходе устройства получается сигнал,
показанный иа рис. 42.26,6. Нелинейность амплитудной характеристики проявит-
ся в изменении амплитуды синусоидального сигнала (рис. 12.26,в). Степень не-
линейности оценивают по формуле п= fl+m/Af) • 100%, где т — минимальная,
а М—максимальная амплитуды синусоидального напряжения. На рис. 12.26,г,
д, е иллюстрируется применение ступенчатого измерительного сигнала в сочета-
нии с синусоидальным.
Описанные способы измерения характеристик видеотракта широко применя-
ют для оценки его состояния во время передачи. При наличии серьезных неис-
правностей контроль и измерения осуществляются с помощью специализирован-
ной измерительной аппаратуры, обеспечивающей большую точность измерений.
Оценка погрешностей измерения характеристик телевизионного тракта осу-
ществляется по методике оценки погрешности осциллографических измерений,
описанной в § 7.11.
Глава 13. АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
13.1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
АВТОМАТИЗАЦИИ ИЗМЕРЕНИЙ
Разработка, исследование, настройка и эксплуатация радиоэлект-
ронных комплексов и систем связи требуют проведения большого
количества измерений. При этом по мере использования все более
тонких закономерностей, по мере нарастания сложности системы
и аппаратуры повышаются требования к точности, скорости и до-
356
Йтоверности получаемых результатов. Возрастают удельный вес и
значение косвенных и совокупных измерений, расширяется исполь-
зование математических методов обнаружения ошибок и умень-
шения-погрешностей измерений. Усложняется обработка получен-
ных результатов измерений — часто она должна выполняться в ре-
альном масштабе времени по алгоритмам, изменяющимся в про-
цессе измерения в зависимости от получаемой измерительной ин-
формации. Все это приводит к значительному росту трудоемкости
ц стоимости измерений и требует создания специальных автома-
тизированных технических средств'измерения.
Условно основные направления автоматизации и черты этих
направлений отображены в табл. 13.1. Различают частичную авто-
матизацию измерений, основной целью которой являются совер-
шествование измерительных приборов путем введения вычисли-
Таблица 13.1
Автоматизация
Конкретные мероприятия
Частичная '•S Замена косвенных измерений прямыми — увеличение числа приборов с иепосредствеииым отсчетом. Построение прямопоказывающих приборов. Создание многофункциональных приборов. Применение паиорамиых приборов
Непрерывный контроль Регистрация контролируемых значений. Сигнализация при выходе за пределы нормы. Использование отклонения от нормы в качестве сигнала, уп- равляющего органом регулировки
Полная Автоматизация регулировок в измерительных приборах. Регистрация результатов измерения: документальная; запоминание и ввод.в ЭВМ. Создание измерительно-информационных систем и измери- тельно-вычислительных комплексов S
тельной' процедуры в процессе косвенных измерений и получение
в результате прямых показаний или использование таких струк-
тур приборов, алгоритм работы которых позволяет непосредствен-
но измерять обратные величины, отношения, произведения и Д’, п.
Указанное направление основано на использовании в приборах
встроенных микропроцессоров, которые решают не только задачи
Управления, вычисления, но и позволяют расширить функциональ-
ные возможности приборов, улучшить метрологические характери-
стики панорамных измерителей. При частичной автоматизации роль
оператора-исследователя велика и заключается в принятии реше-
ния о воздействии на объект измерения. Непрерывный контроль,
представляющий собой регистрацию контролируемых значений
Параметров измеряемого объекта, сигнализацию выхода парамет-
13е—10 357
ров за пределы нормы и использование отклонения от нормы в
качестве сигнала-ошибки, воздействующего на объект измерения,
сводит к минимуму участие человека в измерительном процессе.
Для полной автоматизации измерений характерны автоматиза-
ция регулировок в измерительных приборах без участия человека,
а также не только выдача информации в напечатанном виде, но и
в форме, удобной для ввода в ЭВМ, которая хранит, обрабатыва-
ет данные измерений, проводит анализ, управляет процессом и вы-
дает окончательный результат потребителю. Главным направлени-
ем, включающим в себя основные черты полной автоматизации
измерений, является создание измерительно-информационных сис-
тем (ИИС), под которыми понимают системы, предназначенные
для автоматического получения количественной информации не-
посредственно от изучаемого объекта путем измерения и конт-
роля, обработки этой информации и выдачи ее в виде совокупно-
сти именованных чисел, высказываний, графиков, общих выводов
й .команд, отражающих состояние данного объекта. Последующее
развитие измерительно-информационных систем привело к созда-
нию измерительно-вычислительных комплексов (ИВК). И ИИС,
и ИВК представляют собой совокупность программно управля-
емых технических средств (измерительных, вычислительных, вспо-
могательных) , имеющих блочно-модульную структуру. Отличитель-
ной чертой ИВК является больший удельный вес вычислительных
и программных средств, что дает новые качества ИВК по сравне-
нию с ИИС.
Первые ИИС разрабатывались индивидуально для каждой кон-
кретной измерительной задачи, причем всякий раз заново разра-
батывались не только структура, но и все функциональные узлы.
Такой подход оказался нерентабельным — срок разработки был
большим, стоимость ИИС высокая. Поэтому был взят курс на аг-
регатный, блочно-модульный принцип построения, который позво-
ляет строить систему из конструктивно законченных и выпуска-
емых серийно блоков и приборов. Агрегатный принцип построе-
ния резко сокращает сроки проектирования системы, система по-
лучается гибкой, упрощаются техническое обслуживание и модер-
низация, повышается надежность. Существуют два способа* агрега-
тирования ИИС и ИВК. Первый способ — построение из унифици-
рованных функциональных блоков, узлов и модулей, образующих
агрегатные комплексы Государственной системы промышленных
приборов и средств автоматизации (ГСП). В настоящее время про-
мышленностью выпускается 20 агрегатных комплексов, среди них
агрегатные комплексы средств электрорадионзмерительной техни-
ки (АСЭТ), вычислительной техники (АСВТ), контроля и регули-
рования (АСКР) и другие. Второй способ — построение системы
из различных приборов, выпускаемых промышленностью, но в ко-
торые введены каскады (узлы), непосредственно не относящиеся
к выполнению измерительных функций, а обеспечивающие толь-
ко передачу сигналов между отдельными компонентами системы.
Этот способ наряду с достоинствами первого позволяет осущест-
358
I вить широкую кооперацию как в масштабах страны, так и меж-
дународную.
И в первом и во втором способах для обозначения средств со-
пряжения, обеспечивающих совместимость и взаимодействие уст-
ройств в ИИС или ИВК, общепринят термин «интерфейс» (англ,
interface). Хотя такие системы сопряжения могут' содержать це-
пи для передачи аналоговых сигналов, как правило, интерфейс рас-
считан на выполняемый по командам обмен данных между уст-
ройствами в цифровой форме и содержит необходимую для этого
номенклатуру цепей. Чтобы устройства, участвующие в обмене ин-
формацией, могли взаимодействовать, необходимо определить со-
। вокупность конструктивных механических, электрических и логи-
II ческих условий. Если такая совокупность условий определена, то
К интерфейс называется стандартным. По отношению к интерфейсу
I система (комплекс) в общем виде может 'быть представлена как
Г, г совокупность приборов, передающих информацию в другие при-
* боры (приборов-источников ПИ); приборов, воспринимающих ин-
формацию от других приборов (приборов-приемников ПП); уст-
| ’ройств, управляющих обменом информации по программе (конт-
£ .роллеров К). Конкретный прибор может выполнять не одну, а
несколько функций. Например, цифровой частотомер может вы-
Г давать результаты измерения частоты — тогда он прибор-источ-
5 Ник, и принимать команды о режимах работы, времени измерения
и т. п.— тогда он прибор-приемник.
К Соединение приборов и блоков осуществляется по линиям свя-
Е зи (линиям интерфейса); группа линий, предназначенных для вы-
I. пЪлнения одной операции в программно-управляемом процессе пе-
| редачи, называется шиной интерфейса. Назначение отдельных шин
у- и линий, их номенклатура и взаимное расположение являются ба-
зовыми для любого стандартного интерфейса. По взаимному рас-
|. положению (топологии) различают в основном трн структуры ин-
’ терфейсов: цепочечная, радиальная и магистральная. На рис. 13.1
г показаны эти структуры. В цепочечной структуре (рис. 13.1,а)
функциональные устройства соединены последовательно, контрол-
I лера может и не быть, скорость обмена минимальна. Применяет-
|7- Ся в сравнительно простых системах с малым числом приборов. В
г радиальной структуре (ри?. 13.1,6) выделено центральное устрой-
ство — контроллер, с которым каждое устройство связано индиви-
| дуальными шинами, адресация определяется номером индивиду-
Г альных шин (разъемов), скорость обмена информацией максймаль-
t на. Контроллер должен иметь возможность подключаться к боль»
£ шему числу линий. В системах с магистральной структурой (рис
I 13.1,в) имеются коллективные шины, к которым подсоединяются
К все источники, приемники и контроллер. Все сигналы, проходящие
L- по шинам магистрали, в принципе доступны всем приборам. Од-
jr. нако обычно в каждый момент времени обмен происходит меж-
I ду парой приборов, например ПИ—ПП (диалоговый режим), а
t контроллер с помощью процедуры адресации определяет прибо-
Г ры, участвующие в диалоге; либо между одним или несколькими
[ 13*° 389
приборами системы и контроллером. В магистральной структуре
по сравнению с радиальной меньше затрат, иа оборудование (ка-
белей, разъемов), скорость обмена ниже. Обычно магистральная
структура предпочтительна при большом числе приборов в сис-
теме.
Существует большое число стандартных измерительных интерфейсов. Наи-
большее распространение получили международные стандартные интерфейсы
КАМАК (САМАС) и МЭК. В странах — членах СЭВ КАМАК рекомендован в
качестве стандарта для научного Приборостроения и получил широкое примене-
ние. В стандарте КАМАК регламентированы механические конструкции, разъе-
мы, напряжения питаний, и т. п. Магистраль по стандарту КАМАК является
миоголниейной (86 линий связи) с раздельными шинами для передачи команд,
адресов, данных. Характерной чертой для КАМАК является жесткая нормали-
зация всех механических конструкций. Продуманная и рациональная конструк-
ция, многолинейность магистрали и ее быстродействие делают КАМАК опти-
мальным для сложных научных экспериментов, связанных с интенсивными по-
токами информации.
С. другой стороны, часто не требуется таких объемов информации и КАМАК
становится атшаратурио избыточным. Кроме того, жестко заданная конструк-
360-
,ция ве позволяет использовать серийно выпускаемые приборы. Указанные осо-
• . Ценности стандарта КАМАК обусловили его неприемлемость в контрольно-изме-
рительной аппаратуре систем и устройств свизи. Для создания ИИС и ИВК. в
этой области используется и в дальнейшем (в проектируемой аппаратуре
БАСС) найдет еще более широкое применение- стандарт МЭК. Из агрегатируе-
мых комплексов ГСП для построения ИИС в технике связи основным является
агрегатный комплекс средств электроизмерительной техники (АСЭТ), который,
кай и стандарт МЭК, рассмотрим подробней.
13.2. АГРЕГАТНЫЙ КОМПЛЕКС СРЕДСТВ
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ' ТЕХНИКИ
Состоит из функционально и конструктивно закончейных уст-
ройств, образующих ряды однотипных по выполняемым функци-
ям устройств, отличающихся между собой основными характери-
стиками. Устройства АСЭТ построены на модульных и микромо-
дульных элементах общего и специального применения. Комплекс
состоит из следующих групп устройств, /различающихся по выпол-
няемым функциям.
У стр ой ств а с бор а и преобразования информа-
ции включают в себя первичные измерительные преобразователи
. (датчики) электрических и магнитных величин, электрические пре-
образователи, такие, как измерительные усилители, функциональ-
ные преобразователи постоянного тока и модуляторы, коммутато-
ры, преобразователи цифровых кодов и цифро-аналоговые преоб-
разователи (ЦАП).
Устройства измерения и отображения инфор-
мации включают в себя аналого-цифровые преобразователи
(АЦП) с различными входными и выходными величинами, элект-
. роизмерительные приборы, в том числе аналоговые, цифровые, по-
казывающие и регистрирующие.
Устройства обработки и хранения информа-
ции включают в себя устройства дискретизации, определения ди-
намического диапазона и областей измеряемого сигнала, сжатия
информации, определения величин, связанных функционально с из-
меряемыми, аналоговых и цифровых специализированных, и запо-
минающих устройств.
.Устройства управления, формировали яуправ-
ляющих воздействий и блоки связи включают в себя
таймеры и часы, которые формируют сигналы и кодовые эквива-
ленты значения текущего бремени; программные устройства (кон-
троллеры), которые управляют функциональными блоками сис-
темы; устройства управления, включающие в себя вычислитель-
ные средства (мини-ЭВМ, микропроцессоры, которые позволяют не
;. Только осуществлять программное управление, но и каЛибровку,
( 'Коррекцию температурной погрешности, линеаризацию, диагности-
( ку неисправностей, первичную обработку измерительной инфор-
мации). Блоки связи решают задачу согласования потоков ин-
j формации, служебных сигналов между сопрягаемыми средствами
L 361
в, соответствии с принятыми стандартными интерфейсами и пред-
ставляют собой устройства согласования входных и выходных сиг-
налов по уровням и мощности.
13.3. ИНТЕРФЕЙС МЭК
Международная электротехническая комиссия (МЭК) в 1975 г.
приняла стандарт на интерфейс, который получил название «Стан-
дарт МЭК». В СССР применение этого стандарта регламентиру-
ет ГОСТ 26.003—80, в странах СЭВ IMS-2, в США — 1ЕЁЕ-488, в
ФРГ—DIN IEC 66.22 и т. д. Таким образом, этот международный
стандартный измерительный интерфейс широко распространен во
-всех технически развитых странах и используется для создания
ИИС и ИВК на основе различных измерительных приборов, раз-
личных ЭВМ и дополнительного оборудования.
Взаимосвязь приборов в системе осуществляется при помощи
магистрали, состоящей из 16 линий, сгруппированных по функци-
ональному признаку в три шины: информационную (8 линий), со-
гласования передачи (3 линии) и общего унравления (5 линий).
Взаимосвязь приборов в интерфейсе МЭК иллюстрируется
рис. 13.2, где система состоит из прибора-источника (ПИ), прибо-
ра-приемника (ПП), контроллера
(К) и прибора, совмещающего
функции ПИ и ПП. Как видно
из этого рисунка, приборы си-
стемы равноправны по отноше-
нию к линиям магистрали, все
линии которой подключаются к
приборам через специальные
блоки. Эти блоки (называемые
«интерфейсным модулем», «ин-
терфейсной приставкой», «ин-
терфейсной картой» и т. п.) дол-
жны «переводить» информа-
цию с «языка» магистрали на
язык прибора и наоборот. Боль-
шим преимуществом интерфей-
са МЭК является как раз то,
что в принципе для любого ци-
фрового прибора можно соз-
дать такой интерфейсный мо-
дуль и прибор будет способен
работать в составе ИВК или
ИИС на основе интерфейса
МЭК. Отметим, что такие мо-
дули, выпускаемые в виде ин-
тегральной схемы, практически
не удорожают прибор.
Вся информация и много-
проводные команды передают-
362
I ся по информационной шине асинхронно, в оба направления. Интер-
Г фейс не накладывает ограничений на кодирование информации;
г. единственным требованием является необходимость передавать л0.
k следовательность из восьми двоичных символов (байт). Но так как
F существует ряд мини-ЭВМ, применяемых в качестве контроллеров,
Г используют определенные системы кодирования — чаще всего
, международный стандартный телеграфный код № 5 (в СССР ему
соответствует с некоторыми модификациями код ГОСТ 13.052—74,
? в США —ASKII). Этот код содержит семь информационных сим-
11 волов, а восьмой используется в магистрали для проверки на чет-
ность, что позволяет обнаружить единичную ошибку в пределах
одного байта. Назначение шины, линий, а также их краткие ха-
рактеристики приведены в табл. 13.2.
Т.аблица 13.2
Название шины Междуна- родное название линии Название по ГОСТ Смысл передаваемого по линии сигнала Кто Посы* лает в систем
Шина со- . гласоваиия передачи DAV сд «Информация достоверна». Указы- вает, что данные, установленные на информационной шнне, верны и мож- но принимать этот байт Пи
(синхрони- зации) NRFD гп «Не готов к приему информации» ПП
NDAC • ДП «Информация не принята» ПП
ATN УП «Интерпретатор команда — сообще- ние» к
Шина об- щего управ- ления IFC ои «Очистить интерфейс» — устанавли- вает магистраль в исходное состоя- ние ж я к
(управле- ния) SRQ 30 «Запрос на обслуживание» ПИили пп
REN ДУ «Дистанционное управление». К
EOI . КП «Конец или идентификация многобай- тового сообщения* ПИ или К
Информа- DI01 лдо Передается побайтно либо информа- пй или
ционная DI 08 ция (ATN-О), либо адреса и команды К
шниа (ши- на данных) ЛД7 (ATN-1)
Для обращения к прибору или установления диалога ПИ—ПП
контроллер должен вызвать нужные приборы посылкой их адре-
сов. Адреса, как и команды, передаются по линиям информацион-
ной шины. По линиям DIO1 ... DIO5 передается либо сам адрес
363
Таблица 13.3
Назначение передаваемого по линиям DIO байта Линии информационной шниы
8-я 7-я 6-я 5-я 4-я 3-я 2-я 7-я
Универсальная команда (UC) Вторичная команда (SE) Адрес приемника ’ (ADL) Адрес источника (ADT) Запрет приемникам восприни- мать Запрет источнику передаиать Запрет воспринимать команду Примечание: х означает, что кода адреса или команды. .0 0 х х х х х 1 1 X X X X X 0 1 X X X X X 1 0 X X X X X 0 11 1 1 1 1 1 0 11111 11 1 1 1 1 1 этом разряде может быть 0 или 1 в зависимости от
(присвоенный прибору), либо код команды, а по DIO6... DIO7—
признак, как это показано в табл. 13.3.
Каждому прибору в системе присваивается свой адрес в виде
пятиразрядного двоичного числа (устанавливается обычно с по-
мощью пяти тумблеров или перемычек в интерфейсном модуле).
Максимальное число адресов равно 31 (одна комбинация, как вид-
. но из табл. 13.3, команда запрета), т. е. потенциально может быть
до 31 прибора-источника и . столько же приборов-приемников. При
необходимости для увеличения числа адресов можно использовать
вторичные команды (тоже 31), тогда адресов будет 961 и каж-
дый адрес передается двумя байтами. Если нужно, чтобы группа
приборов воспринимала одни и те же данные, то этой группе при-
сваивается один и тот же адрес. После адреса посылаются коман-
ды, устанавливающие режим работы приборов.
Для примера рассмотрим следующую задачу: нужно подать измерительный
сигнал на объект измерения, измерить напряжение на выходе объекта, отпеча-
тать этот результат. Задача решается измерительной системой на основе интер-
фейса МЭК, которая содержит: измерительный генератор <(ПП1), цифровой
вольтметр (ПИ), печатающее устройство (ПП2) и контроллер i(K), в памяти
которого хранится программа измерений. Возможный алгоритм решения этой
задачи такой системой изображен на рис. 13.3 и 13.4, причем рнс. 13.3 отобра-
жает работу системы под управлением контроллера, а рис. 13.4 — режим диалога
ПИ —ПП. Рассмотрим работу алгоритма.
- 1. По команде IK (REN) контроллер устанавливает режим дистанционного
управления — все приборы системы переходят в режим управлении от магистра-
ли. Команда REN— одиопроводная универсальная, поступающая на все прибо-
ры системы.
2. По команде 2К (IFC) контроллер устанавливает узлы приборов, связан-
ные с интерфейсом, в исходное состояние («очистить»).
3. По команде ЗК (ATN) указывает-, что. информация по шине DIO долж-
на интерпретироваться как команды и адреса. Получив эту команду, все при-
боры анализируют адреса (т. е. к магистрали подключаются дешифраторы адре-
са приборов ДША). Адресованные команды до получения адреса прибор не мо-
жет воспринимать.
364
Рис. 13.3
365
3fifi
Рис. 13.4
4. По команде 4К (адрес приемника ПГП ADL1) контроллер посылает по
информационной шине код адреса генератора семиразрядным двоичным кодом,
т. е. в одном байте. ((Например, в коде 0100001 6-й и 7-й разряды — 01—озна-
чают-признак ADL, а все остальные — 00001—собственно адрес, установленный
тумблерами иа интерфейсном модуле генератора при компоновке системы.) Этот
адрес воспринимает только ПШ и включает дешифратор команд (ДШК), т. е.
только ПП1 будет принимать посылаемые контроллером команды. При этом
ПП2 и ПИ находятся по-прежнему в состоянии ожидания адреса.
5. По команде 6К контроллер посылает по информационной шине коды ре-
жимов работы генератора, т. е. указывает уровень и т. п. сигнала, который дол-
жен подаваться на объект измерения. На программе показано, что реяЛмы пе-
редаются многобайтным сообщением, т. е. каждый байт представляет коды уни-
версальной и вторичных команд (см. табл. 13.3). Когда все команды переданы,
контроллер посылает однопроводную команду 6К i(EOI), и генератор должен
выполнять свою приборную функцию (ИПФ), т. е. выдавать измерительный сиг-
нал. Команда EOI должна быть снята до посылки нового адреса или команд.
6. Командами 7К... 9К аналогично вызывается вольтметр. После измерения
напряжения вольтметр посылает запрос на обслуживание SRQ командой 1 ПИ.
Контроллер, восприняв эту команду, вызывает адрес и устанавливает режимы
работы печатающего устройства (команды 10К—'12К), а также, посылая ко-
манду 13К (ATN), отдает управление магистралью приборам ПИ и ПП2, меж-
ду которыми установлен диалог. После команды ATN все коды, передаваемые
по информационной шине, интерпретируются как информация об измерениях,
т. е. вольтметр должен передать результаты измерения для печати.
Режим диалога иллюстрирует рис. ,13.4, из которого видно, что контроллер
до конца диалога в работе не участвует. Отличительной особенностью режима
диалога является «квитирование информации», т. е. каждый байт переданной
информации сопровождается передачей по шине согласования передачи команд
«запрос» (NRFD) — «ответ» (DAV) — «подтверждение» (NDАС).
7. В соответствии с процедурой диалога ПИ включает DAV I(команда 2ПИ),
ПП— NRFD, ND АС (команда ИПП). Это исходное состояние диалога. Источ-
ник (вольтметр ПИ) проверяет состояние приемника: если исходное состояние
правильно, то он выставляет на шине байт данных, если иет, то сигнализирует
б наличии ошибки и обмен прекращается.
8. Если цифропечатающее устройство готово к приему (т. е. к выполнению
своей приборной функции), то оно указывает об этом, установив NRFD
(запрос) —команда 2ПП, источник (вольтметр) выставляет команду ЗПИ
(DAV), т. е. отвечает, что данные выставлены и их можно принимать.
9. Если есть DAV, то ПП принимает байт данных, устанавливает команду
ЗПП— NRFD (т. е. состояние готовности кончилось и он находится в состоя-
нии приема информации) и проверяет байт на четность. Если условие четности
байта выполняется, то ПП дает подтверждение принятого байта — команда
4ПП (NDAC); в противном случае информация не принята (NDАС).
10. В ответ на NDAC источник устанавливает DAV (4ПЦ), т. е. с этого
момента данные принимать нельзя. Приемник включает NDAC (5ПП).
’ - 11. Если у источника есть еще информация, то цикл повторяется, если нет,
то посылкой 5ПИ обмен прекращается и контроллер берет управление магист-
ралью на себя—команда I14K (ATN).
367
1
В интерфейсе принята отрицательная логика, т. е. логической единице со-
ответствует низкий уровень, логическому нулю — высокий, что необходимо длж
выполнения логического сложения сигналов, поступающих в линию от разных
источников. Уровни сигналов соответствуют уровням ТТЛ: высокий уровень не-
менее 2,4 В, вязкий— не более 0,-8 В; во входных и выходных цепях применя-
ются ТТЛ схемы или устройства, совместимые с .ТТЛ схемами по уровням.
Приборы соединяются в систему при помощи гибких стандартных кабелей, каж-
дый из которых заканчивается двусторонним, штепсельным разъемом с винтовым-
креплением. Это позволяет устанавливать - один разъем на другой и собирать
системы любой конфигурации. Максимальная длина кабелей магистрали не
должна превышать 20 м, число приборов в обычном режиме ие более 1’5. Су-
ществуют стандартные способы расширения как числа приборов, так и длин»
кабеля. Прн использовании служебной связи возможно использование интерфей-
са на разнесенных (приемной и передающей) станциях.
13.4. МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРО-ЭВМ
В ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ПРИБОРАХ И СИСТЕМАХ
Развитие техники все больше повышает требования к метроло-
гическим характеристикам измерительных средств, к автоматиза-
ции процессов измерения и обработки измерительной информации,
к обеспечению возможности сопряжения отдельных измеритель-
ных средств в ИИС. Удовлетворение этих требований путем син-
теза для каждого ЦИП специальных устройств с жесткой струк-
турой на базе цифровых логических схем малой и средней сте-
пеней интеграции ведет к резкому усложнению самих ЦИП, сни-
жению их надежности, сильному увеличению материальных и вре-
менных затрат на их проектирование и изготовление и практиче-
ски сдерживает их дальнейшее развитие. Синтез указанных уст-
ройств в виде специализированных БИС, как правило, также ока-'
зывается экономически не целесообразным, так как проектирова-
ние и изготовление таких БИС может быть оправдано лишь при
очень большой серийности (как, например, для электронных ча-
сов, калькуляторов).
Появление микропроцессоров (МП), являющихся универсаль-
ными и поэтому в силу большой серийности достаточно дешевыми
БИС, позволяет создавать также достаточно дешевые микро-ЭВМ,
которые могут непосредственно встраиваться в ЦИП и произво-
дить всю логическую и математическую обработку цифровой из-
мерительной информации программными методами. При этом ми-
кро-ЭВМ может выполнять функции управления процессом изме-
рения (контроллера), математической обработки измерительной
информации (вычислителя-калькулятора) или преобразования ин-
формации к виду, необходимому для отображения на средствах
индикации, и регистрации, а также для передачи на внешние уст-
ройства в автоматизированных измерительных комплексах в соот-
ветствии с требованиями интерфейса.
368
[ Микро-ЭВМ создаются на основе МП и ряда вспомогательных
. БИС (ввода — вывода, интерфейсных, приоритетного прерывания
Ы др). образующих микропроцессорный комплект (МПК), а так-
же БИС запоминающих устройств (ЗУ), включающих оперативные,
постоянные и перепрограммируемые ЗУ (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ). Так,
^промышленностью выпускается ряд микро-ЭВМ семейств «Элект-
’ роника С5», «Электроника НЦ», «Электроника 60» и других, сре-
* ди которых имеются модификации в многоплатном, одноплатном
и, последнее достижение интегральной технологии, в однокристаль-
ном исполнении. Среди существующих МПК следует выделить се-
' рии К580, К587, К589, которые различаются быстродействием, по-
требляемой мощностью, организацией команд и позволяют решать
। широкий круг задач. Малые габариты, экономичность, надежность .
и достаточная дешевизна МП и микро-ЭВМ способствуют их бы-
" строму внедрению в ЦИП.
s Важнейшим достоинством использования программных мето-
дов является то обстоятельство, что функции одной и той же ми-
> кро-ЭВМ могут достаточно легко изменяться при соответствующем
- изменении программы путем смены ПЗУ или перепрограммиро-
.. вания ППЗУ. При этом схема самой микро-ЭВМ может быть в из-
вестной степени минимизирована в соответствии с решаемой зада-
чей путем установки ЗУ лишь необходимого объема, установки не-
• обходимого числа БИС ввода — вывода и пр.
Таким образом, одна и та. же микро-ЭВМ может использовать-
г ся в самых разнообразных ЦИП и выполнять различные функции,
достаточно лишь ввести в нее соответствующую программу. Это,
’ во-первых, позволяет значительно сократить время и материаль-
? ные затраты на разработку и изготовление новых ЦИП и приво-
дит к их значительному упрощению, удешевлению и увеличению
надежности. В частности, в настоящее время считается, что циф-
ровое устройство, содержащее около. 50 корпусов малой и средней
’ степеней интеграции, экономически целесообразнее выполнить на
; МП. Этот чисто количественный критерий уже может служить ос-
> нованием для использования МП. При этом МП может использо-
; ваться самостоятельно (как, например, в качестве устройства уп-’
равления в АЦП поразрядного уравновешивания), так и в сос-
' таве соответствующей микро-ЭВМ.
Во-вторых, наличие в составе ЦИП микро-ЭВМ с ее способ-1
: ностью проведения сложной обработки измерительной информа-
| ции и автоматического управления процессом измерения позво-
£ Ляет реализовать сложнейшие алгоритмы измерений, ранее невоз-
s можные из-за технических трудностей. Поэтому можно утверждать,
Что современные ЦИП нельзя создать оптимальным образом без
( учета тех возможностей, которые даёт использование в них МП и
микро-ЭВМ.
13.5. ФУНКЦИИ микропроцессоров
И МИКРО-ЭВМ В ЦИП
Микропроцессоры и микро-ЭВМ позволяют полностью авто-
матизировать процесс управления ЦИП. Анализируя цифровую
информацию о состоянии внешних (на лицевой панели) и внутрен-
них органов управления работой ЦИП, команды и другую циф-
ровую информацию, поступающую от интерфейса при работе ЦИП
в составе ИИС, а также информацию о самой измеряемой величи-
не, неинформативных параметрах сигнала и влияющих величинах,
микро-ЭВМ может вырабатывать команды для автоматической ус-
тановки соответствующих режимов работы ЦИП в процессе из-
мерения. При этом возможность быстрой логической обработки
большого количества информации и выработки соответствующих
уцравляющих команд позволяет реализовать такие алгоритмы,
связанные со сложной коммутацией узлов и даже отдельных эле-
ментов ЦИП, которые ранее не представлялись возможными из-
за больших технических затрат.
В результате наряду с автоматизацией выбора вида измерений
в универсальных ЦИП, пределов измерений, вида обработки из-
мерительной информации возникает возможность автоматическо-
го выбора оптимального режима работы ЦИП, изменения режима
по заданной программе, самонастройки и быстрой автокалибров-
ки ЦАП.
Широкие возможности математической обработки измеритель-
ной информации в микро-ЭВМ позволяют реализовать сложные
виды измерений (косвенные, совместные, совокупные), измерение
случайных величин и характеристик сигналов и процессов, рас-
ширить функциональные возможности ЦИП для измерения раз-
личных величин. Математическая обработка также легко позво-
ляет представить информацию в удобном виде. Например, резуль-
тат измерения напряжения в цифровых вольтметрах можно пред-
ставить как в вольтах, так и в логарифмическом масштабе, резуль-
тат измерения в цифровых частотомерах можно легко пересчитать
из частоты в период и наоборот. Сравнивая результат измерения
с некоторыми значениями, хранимыми в ЗУ микро-ЭВМ, можно
осуществить допусковый контроль изделий. Возможность вычис-
лять отношение двух результатов измерения напряжения позволя-
ет, например, легко реализовать с помощью цифрового вольтмет-
ра измерение коэффициентов передачи четырехполюсников, сопро-
тивления двухполюсников и т. д. Микро-ЭВМ, анализируя резуль-
таты отдельных аналого-цифровых преобразований (выборок) ис-
следуемого процесса, может определять его максимальные и ми-
нимальные значения, статистические и спектральные характери-
стики.
Таким образом, математическая обработка позволяет строить
многофункциональные приборы, причем изменение функций дости-
гается выбором соответствующей программы, хранимой в ЗУ (или
вводимой перед началом измерения) микро-ЭВМ.
370"
Достоинством дрименения микро-ЭВМ является возможность
улучшения важнейших метрологических характеристик ЦИП, в
первую очередь точности, путем уменьшения случайных и система-
тических погрешностей измерения.
Для уменьшения случайных погрешностей используют статисти-
ческую обработку результатов наблюдений, что, как известно, по-
зволяет уменьшить среднеквадратическое значение погрешности
измерения в У~п раз, где п — число наблюдений.
Систематические погрешности можно уменьшать различными
методами, в частности за счет автоматического введения в резуль-
тат измерения поправки, которая хранится в памяти или вычисля-
ется микро-ЭВМ при известном законе изменения погрешности.
При этом возникает возможность линеаризации характеристик при-
бора и автоматического учета действия влияющих величин и не-
. информативных параметров сигнала. Кроме того, проведение авто-
матической калибровки позволяет уменьшить аддитивную и муль-
типликативную составляющие систематической погрешности, а при
определенных условиях и погрешность нелинейности.
Наличие быстрой автокалибровки позволяет резко снизить тре-
бования к точности стабильности элементной базы ЦИП, требует-'
ся лишь их кратковременная стабильность на время между ка-
либровками. В результате упрощается элементная база и удешев-
ляется измерительное устройство. Соответственно снижается влия-
ние дестабилизирующих внешних факторов, в том числе таких
важных, как температура, напряжение питания и др. Это в свою
очередь приводит к расширению диапазона условий эксплуатации
прибора.
Следует также заметить, что в любом ЦИП измерительная
информация преобразуется в соответствии с определенным мате-
матическим алгоритмом. Преобразователи, осуществляющие эти
преобразования, всегда вносят некоторую погрешность. Матема-
тическая обработка информации в микро-ЭВМ может выполнять-
ся с любой требуемой точностью. Отсюда вытекает, что любой
ЦИП с микро-ЭВМ следует строить так, чтобы информация об
измеряемой величине с наименьшими аппаратурными затратами
и погрешностью преобразовать в цифровую форму, а дальнейшую
обработку осуществлять математически. На этом пути таятся
огромные резервы увеличения точности измерения, возникает
возможность разработки принципиально новых методов изме-
рения.
Микро-ЭВМ позволяет также упростить решение заДачи преоб-
разования измерительной информации (кодирование, перекодиро-
вание) для ее индикации или регистрации на внутренних или
внешних устройствах отображения (цифровых индикаторах, алфа-
витно-цифровых или графических дисплеях, цифропечатающих
Устройствах и др.), а также для передачи по линиям интерфейса
в другие приборы ИИС. Облегчение отображения разнообразной
алфавитно-цифровой информации делает ее более наглядной.
371
Использование микро-ЭВМ позволяет программными методами
(или с небольшими дополнительными аппаратурными затратами)
реализовать в ЦИП интерфейсные функции, т. е. функции обмена
информацией с различными внешними устройствами в ИИС.
Микро-ЭВМ позволяет осуществлять диагностику и самодиаг-
ностику исправности ЦИП путем контроля режимов работы от-
дельных узлов и даже элементов прибора. Для этого вводятся
тестовые сигналы или дополнительные пороговые устройства, сиг-
нализирующие об отклонении режимов работы от допустимых зна-
чений (например, для контроля питающих напряжений). Само-
диагностика осуществляется в микро-ЭВМ с помощью специаль-
ных диагностических программ. Эти меры позволяют предотвра-
тить появление грубых погрешностей измерения.
13.6. СТРУКТУРА МИКРО-ЭВМ ДЛЯ ЦИП
И ТРЕБОВАНИЯ К ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКАМ
Обобщенная структура микро-ЭВМ для ЦИП и ее информа-
ционные связи показаны на рис. 13.5 и 13.6 соответственно. Мик-
ро-ЭВМ содержит МП, генератор тактовых импульсов (ГТИ),
стабилизированный кварцем, ОЗУ или ОЗУэ — энергонезависимое
ОЗУ со своим источником питания — батареей, ПЗУ или ППЗУ,
устройство приоритетного прерывания УПП, устройство ввода—
вывода УВВ, программируемый таймер Т, шину адреса ША, ши-
ну данных ШД, шину управления ШУ, входы цифровой инфор-
мации ЦП. Назначение большинства элементов очевидно. Устрой-
ство приоритетного прерывания предназначено для организации
прерываний текущей программы по запросам на обслуживание от
внешних устройств. Таймер позволяет изменять режимы работы
ЦИП во времени, энергонезависимое ОЗУ предназначено для хра-
нения данных, которые могут вводиться в него для решения кон-
кретной измерительной задачи и должны храниться при выклю-
чении прибора (например, уставки при допусковом контроле), или
для хранения промежуточных результатов обработки информации,
например при нарушении питания. Выходы ША, ШД, ШУ позво-
ляют наращивать объем памяти микро-ЭВМ или обеспечить к ней
прямой доступ.
Следует указать, что задачи управления и математической
обработки информации могут сильно' отличаться требуемым быст-
родействием либо их объем может быть слишком велик для одной
микро-ЭВМ. В этом случае используют две микро-ЭВМ, обычно
одну для задач управления, а другую — для математической
обработки.
Использование МП и готовых микро-ЭВМ, а также разработ-
ка специализированных микро-ЭВМ для решения конкретной из-
мерительной задачи требуют учета целого ряда факторов. Прежде
всего необходимо определить алгоритмы управления измеритель-
ным процессом и математической обработки измерительной ин-
формации, требуемую точность обработки и максимально допус-
372
Рис. 13.6
373
тимое время для их осуществления. Затем необходимо проанали-
зировать характеристики существующих МП и микро-ЭВМ: быст-
родействие, развитость системы команд, разрядность информа-
ционного слова, объем памяти и возможность ее наращивания,
возможность организации прерываний выполняемой программы,
возможности устройств ввода—вывода и др. Для разработки спе-
циализированных микро-ЭВМ очень важным является наличие
математического обеспечения и средств отладки программ.
Несмотря на все увеличивающееся количество и качество мик-
ро-ЭВМ, выпускаемых промышленностью, их использование не
всегда является оптимальным решением задачи. Во-первых, вы-
пускаемые микро-ЭВМ рассчитаны на широкий круг задач и по-
этому могут быть избыточны для конкретной задачи, что при круп-
носерийном производстве ЦИП может привести к излишним за-
тратам. Во-вторых, они могут не удовлетворять ряду важнейших
требований, выдвигаемых конкретной задачей, или возможность
их использования может ограничиваться какой-либо причиной.
Например, очень заманчивым является использовать однокристаль-
ные микро-ЭВМ. Однако их программирование производится не-
посредственно при изготовлении БИС, что при малой серийности
ЦИП экономически невыгодно. В результате может потребоваться
разработка специализировацной микро-ЭВМ. Таким образом не-
обходимо отметить, что ограниченное быстродействие существую-
щих МП не позволяет решать с их помощью все задачи цифровой
обработки сигналов, и поэтому при проектировании ЦИП необ-
ходимо искать разумный компромисс между аппаратными и про-
граммными средствами их решения.
На рис. 13.7 представлена структурная схема прибора с мик-
ро-ЭВМ системного применения, в котором микро-ЭВМ обеспечи-
вает решение всех указанных выше задач в ЦИП и используется
для управления интерфейсом. При этом для обработки интерфей-
сного сообщения в стандартном интерфейсе МЭК-ATN за время
не более 200 нс (допустимая реакция интерфейса) применяются
специальные аппаратурные средства. Для организации микропро-
цессорного управления интерфейсом тщательно анализируются
диаграммы состояний и реализации интерфейсных функций (см.
рис. 13.4 и 13.5). Эти диаграммы служат основой для последую-
щего программирования микропроцессора.
Интерфейсное сопряжение прибора с микропроцессором тре-
бует сравнительно небольших аппаратурных затрат для присое-
динения каналов ввода—вывода данных микропроцессорной систе-
мы в магистрали Интерфейса. А требуемые для управления интер-
фейсом программные средства так же, как и аппаратурные, долж-
ны быть ориентированы на применение как для внешних, так и
для внутренних точек сопряжения интерфейса (интерфейсной час-
ти прибора). Если микропроцессор управляет интерфейсной и
функциональной частями прибора, то точки сопряжения функцио-
нальной части прибора с интерфейсом могут быть выделены толь-
ко программно по условиям разделения интерфейсных и прибор-
374
Рис. 13.7
375
но-ориентированных программ. При этом должны быть тщательно
распределены приоритеты каждой из причин прерываний между
интерфейсом и функциональной частью прибора.
Для реализации интерфейса с микропроцессором нельзя в®с-
пользоваться общими решениями. В каждом конкретном случае
необходимо учитывать реализуемые интерфейсные функции, типы
применяемых приборов и микропроцессоров, элементную базу и пр.
В связи с дальнейшим развитием ИИС и расширением исполь-
зования средств вычислительной техники — микропроцессоров,
микро- и мини-ЭВМ разработчики ИИС стали выделять в составе
ИИС универсальное ядро — измерительнб-вычислительный комп-
лекс (ИВК). Такое автоматизированное средство измерения и. об-
работки информации предназначено для исследования (контроля,
испытаний) сложных объектов и представляет собой совокупность
программно управляемых технических средств (измерительных,
вычислительных, вспомогательных), имеющих, блочно-модульную
структуру, определенную организацию и связи, обеспечивающие
получение, преобразование, накопление, обработку и выдачу из-
мерительной, командной и другой информации в соответствующей
форме, в том^числе для воздействия на объект исследования.
В состав ИВК по существу входят и программные средства.'
По сравнению с ИИС в ИВК не включают каналы, связи, ка-
налообразующую аппаратуру, первичные измерительные преобра-
зователи (датчики) • и устройства стимулирующих воздействий на
объект исследования. Однако ИВК не имеет фиксированной струк-
туры, а представляет собой. совокупность программно управляе-
мых измерительных, .вычислительных и вспомогательных средств.
Применение блочно-модульного по функциям и исполнению прин-
ципа построения ИВК и наличие специальной организации пере-
ключаемых связей между блоками позволяют на основе одного
ИВК реализовать некоторое конечное множество систем. Такая
гибкость структуры необходима, поскольку ИВК предназначены
для создания систем автоматизации измерительного эксперимен-
та и экспериментальных исследований новых образцов техники
или материалов, а также сложных инженерных сооружений. @те-
пень требуемой перестраиваёмости структуры различна для раз-
ных областей применения.
13.7. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ
ЦИФРОВЫХ ОСЦИЛЛОГРАФОВ
Влияние автоматизации на технические возможности приборов удобно про-
следить на примере цифровых осциллографов. Сравнительно небольшой опыт,
накопленный в этой области, уже позволяет сделать вывод о перспективности
таких приборов. Характеристики аналоговых осциллографов достигли в на-
стоящее время исключительно высокого уровня, особенно по ширине воспроиз-
— водимой частотной полосы и чувствительности. Однако метрологические воз-
можности ЭЛТ и аналоговых каналов оказались недостаточными для решения
многих измерительных задач. Для повышения точности измерения параметров
376
риодических сигналов в аналоговые приборы стали встраивать дополнитель-
ie цифровые блоки. Осциллографирование же однократных сигналов продолжа-
ть осуществляться с низкой точностью. Эта задача была решена только с по-
тением цифровых осциллографов.
Отметим их главную особенность: перевод измерительного сигнала в цифро-
вую форму позволяет использовать для его запоминания цифровые запоминаю-
даие устройства. В этом случае появляется возможность обработки такого сиг-
яала, как сигнала периодического, а также отображения его на плоском матрич-
ном экране. Основной недостаток цифрового осциллографа — ограниченная по-
лоса пропускания, обусловленная относительно низким быстродействием анало-
го-цифровых преобразователей и запоминающих устройств. Однако при иссле-
довании периодических сигналов стробоскопический метод преобразования сигна-
ла позволяет получить полосу, соизмеримую с полосой аналогового осциллогра-
фа. Иногда строят комбинированные приборы, сочетающие аналоговые узлы,
(для получения быстродействия) и цифровые ,(для обеспечения высокой точно-
сти измерений).
Обобщенная структурная схема цифрового осциллографа изображена на
рис. 13.8. Аналоговые измерительные сигналы вертикального и горизонтального-
каналов поступают на входное устройство, которое осуществляет согласование
их амплитудных и мощностных характеристик с входными параметрами АЦП.—
После преобразования последовательность кодов исследуемых сигналов запи-
сывается в запоминающее устройство, из которого они поступают в процессор,
для логико-математической обработки, или в устройство отображения для зна-
кографйческой индикации, или на внешние устройства и ЭВМ для дальнейшей
регистрации и обработки.
Дискретные измерительные сигналы поступают непосредственно в запомина-
ющее устройство по линиям внешнего интерфейса или через специальный вход,
процессора. Сигналы синхронизации вырабатываются во входном устройстве
(прн внутренней синхронизации) либо поступают на процессор от исследуемого
объекта (при внешней синхронизации). Запоминающее устройство цифрового
Рис.. 13.8
осциллографа 'предназначено для записи и хранения следующих видов инфор-
мации: кодов измерительных сигналов, промежуточных и окончательных ре-
зультатов их обработки; масштабных и корректирующих коэффициентов; сим-
волов используемого в осциллографическом индикаторе алфавита, всевозможных
меток, маркеров н другой служебной информации; программ обработки и уп-
равления режимами. Соответственно выделяется: оперативное запоминающее
устройство, которое должно обладать высокой скоростью записи (частота запи-
си не менее частоты дискретизации АЦП); запоминающее устройство служеб-
ной информации (ЗУСИ); запоминающее устройство программ (ЗУП). Запоми-
нающее устройство служебной информации предназначено для хранения выво-
димой на индикацию число-буквенной информации. Начертание цифр, букв, ме-
ток, знаков црн эксплуатации прибора обычно не меняются. Поэтому ЗУСИ
строят на постоянных запоминающих устройствах (ПЗУ). В качестве ЗУП
используют перепрограммируемые запоминающие устройства большого объема,
в которые записываются программы для решения специальных задач. Осцилло-
графический индикатор индицирует осциллограммы измерительных сигналов,
знакографическую информацию, полученную в (результате измерительных и вы-
числительных процедур, всевозможные метки и маркеры.
Внутрнпрнборный интерфейс в значительной мере определяет гибкость
структуры цифрового осциллографа, возможность наращивания числа входных
устройств, АЦП, объема памяти, эффективности использования программных
средств для задания режимов логико-математической обработки сигналов, а
также скорость записи измерительных сигналов. Процессор осуществляет син-
хронизацию и управление работой блоков, задание режимов, логико-математиче-
скую обработку сигналов, связь цифрового осциллографа с внешними устройст-
вами и Оператором. Процессор может выполняться с жестким или гибким ал-
горитмом функционирования на основе аппаратных и программных средств. В
качестве элементной базы процессора используют логические схемы, микропро-
цессорные наборы, микро- и мини-ЭВМ.
В настоящее время разработаны универсальные цифровые осциллографы,
являющиеся по сути дела осциллографическими системами и. обеспечивающие
решение полного набора задач в предполагаемой области использования. Про-
цессор таких Приборов обеспечивает всю логико-математическую обработку сиг-
налов, их документирование, задание режимов и другие функции, что обеспечи-
вается развитыми программными средствами. Выбор режима работы прибора
осуществляется с помощью структурного графа, подобного приведенному на
378
-13.9. Здесь в вершинах поставлены соответствующие физические блоки и
’узлы, а ребра — возможные соединения блоков. Сплошные линии показывают
пути измерительной информации, штриховые — пути сигналов управления. Здесь-
также: АС — аналоговые измерительные сигналы, Ф — фильтр, К-коммутатор,.
’Ан — анализатор уровня, УУ — устройство управления, У — усилитель, АЛУ— .
арифметнческо-логическое устройство, П — память, И — индикатор, ДС — дис-
i кретные измерительные сигналы. Например режим осциулографнровання перио-
дических сигналов соответствует графу: АС, У, АЦП, И.
13.8. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
СИСТЕМ
Одним из центральных вопросов теории и практики измери-
тельных систем является их метрологическое обслуживание. Как
I и для любого средства измерений, конечная цель метрологичес-
• кого обслуживания измерительных систем — обеспечение задан-
. ного уровня точности измерений, что невозможно, в частности,,
без достоверной оценки погрешности измерений. На погрешность
у Измерений оказывают влияние:
: свойства измерительной системы, отражаемые ее метрологи-
ческими характеристиками;
условия эксплуатации, отображаемые характеристиками влия-
- ющих величин;
свойства объекта измерений, описываемые характеристиками
... сигналов, параметры которых подлежат измерению, и другими
¥ характеристиками объекта измерений, влияющими на погрешность.
' измерений (полные внутренние сопротивления источников сигна-
_• лов и т. д.);
t' метод измерейия и методы измерительных преобразований
) внутри системы, порождающие методические погрешности;
алгоритм обработки результатов прямых измерений с помощыа
, встроенного в измерительную систему вычислительного устрой-
ства (рис. 13.10).
Большое разнообразие объектов, обслуживаемых ИИС, и ус-
‘ ловий эксплуатации порождает многообразие измерительных си-
' стём по их составу, структуре, принципу действия, функциональ-
<' ным возможностям. Можно выделить три наиболее характерные-
’ Области применения измерительных систем: научные исследова-
! ния, испытания и контроль сложных изделий, управление техно-
; логическими процессами.
j Отличительные особенности ИИС для научных исследований
I состоят в повышенных требованиях к метрологическим характе-
* ристикам, большом разнообразии измеряемых величин, разви-
• Тости средств регистрации информации, большой емкости опера-
*тивной и внешней памяти вычислительных устройств, сложности
Г алгоритмов обработки результатов измерений, - повышенных тре-
[' бованиях к универсальности систем по охватываемым диапазонам
i 379
Рис. 13.10
измерения и видам измеряемых величин, возможности самона-
стройки, адаптации системы. '
Используемые для испытания изделий ИИС делятся на две
труппы в зависимости от вида испытаний. К первой относятся
«системы испытаний опытных образцов, которые в значительной
мере приближаются к системам для научных исследований. В этой
труппе измерительные системы с фиксированным составом вхо-
дящих. в них средств измерений в! значительной мере вытеснены
агрегатными измерительно-вычислительными комплексами с из- -
-.меняемой по количеству и составу используемых средств изме-
рений структурой. Число измерительных каналов в таких систе-
мах достигает 2000, число разнотипных каналов — нескольких
десятков. Выполняется сложная обработка большого массива ин-
формации. Ко второй группе относятся ИИС для испытаний се-
рийных изделий, которые отличаются от систем первой группы
меныпцм количеством измерительных каналов (обычно не более
:200), меньшей сложностью обработки информации, но они более
«стабильны по своему составу. Обычно с одной и той же вычис-
380
йтельной частью работают несколько (по числу испытательных:,
гендов) измерительных частей системы.
В составе автоматических систем управления технологически-
и процессами (АСУТП) ИИС отличаются большим числом из-
еряемых параметров, значительной разнесенностью в простран-
гве точек, в которых осуществляется измерение, и большой про-
яженностью проводных линий связи, индивидуальной 'привязкой^
: технологическому объекту, развитостью устройств визуального
Представления информации, применением в их составе специали-
зированных вычислительных устройств.
. Таким образом ИИС большей частью представляют собой спе-
цифичные средства измерений, особенности которых не позволяют
использовать для них в неизменном виде опыт метрологического
обеспечения измерительных приборов и . измерительных преобра-
зователей. К числу этих особенностей-прежде всего относятся:
комплектация измерительной .системы как единого изделия из*
частей, выпускаемых резличными заводами, на месте эксплуатации..
В результате отсутствует заводская нормативно-техническая доку-
ментация (технические условия), регламентирующая в частностк-
метрологические требования к измерительным системам, как к еди-
ному изделию, гарантируемые изготовителем;
разнесенность на значительные расстояния (иногда до соте®
километров) отдельных частей измерительной системы и, как след-
ствие, различие внешних условий, в которых они находятся;
возможность развития, наращивания измерительной системы
в процессе эксплуатации или возможность изменения ее состава-
(структуры) в зависимости от целей эксперимента, что по суще-
ству исключает или затрудняет регламентацию требований к та-
^сим системам в отличие от обычных средств измерений (изме-
рительных приборов и т. д.), являющихся «завершенными» изде-
лиями на момент выпуска их заводом;
размещение отдельных частей измерительной системы на пе-
ремещающихся объектах. В результате одна (передающая) часть,
системы может работать с различными другими (приемными)
частями в процессе одного и того же цикла измерений по мере-
перемещения объекта. При выпуске и при 'эксплуатации таких,
измерительных систем заранее неизвестны конкретные экземпля-
ры приемной и передающей частей, которые будут работать сов-
местно, тем самым отсутствует «стабильный» объект, для кото-
рого регламентируются метрологические требования;
включение первичных измерительных преобразователей в со-
став технологического оборудования, что затрудняет контроль,
измерительной системы в целом.
Разработка инженерных методов решения вопросов метроло-
гического обеспечения измерительных систем и стандартизация-
этих методов, находятся в стадии становления. Чтобы обеспечить
выполнение конечной задачи, решаемой с использованием метро-
логических характеристик измерительной системы (оценку пог-
решности измерений), необходимо компенсировать отсутствие-
38Ь
норм на метрологические характеристики системы в целом. Такая
компенсация возможна тремя путями:
определением метрологических характеристик измерительной
системы расчетным путем по метрологическим характеристикам
составных частей системы;
экспериментальным определением метрологических характери-
стик измерительной системы в целом для каждого ее экземпляра
индивидуально;
расчетом погрешности измерений по метрологическим харак-
теристикам' составных частей, минуя (явно) этап определения мет-
рологических характеристик измерительной системы в целом.
В общем случае в соответствии со стандартами для ИИС нор-
мируют следующий комплекс метрологических характеристик,
обеспечивающий использование расчетного метода определения
погрешности конечного результата измерений:
1. Характеристики систематической составляющей основной
погрешности измерительного канала: предел ДСд допускаемого
значения, математическое ожидание М[АС] и среднеквадратичес-
кое отклонение <т(Дс) систематической составляющей Де основной
погрешности измерительного канала данного типа.
2. Характеристики случайной составляющей основной погреш-
ности измерительного канала: предел <тд(Д) допускаемого значе-
ния среднеквадратического отклонения, номинальная нормализо-
ванная автокорреляционная функция г^(Х) или номинальная
спектральная плотность 5^ (<о) и пределы допустимых отклонений
о
от указанных номинальных функций случайной составляющей Д
основной погрешности измерительного канала данного типа.
3. Предел Ьд допускаемого значения вариации выходного сиг-
нала измерительного канала данного типа.
4. Характеристики, отражающие взаимодействие измеритель-
ного канала с объектом измерений.
5, Полное выходное сопротивление измерительного канала, за-
канчивающегося измерительным преобразователем.
6. Динамическая характеристика измерительного канала: одна
из номинальных функций связи между изменяющимися во време-
ни входным и выходным сигналами (передаточная функция, им-
пульсная весовая функция, переходная характеристика, ампли-
тудно- и фазочастотные характеристики и т. п.) и предел допус-
каемого отклонения от указанной номинальной функции связи
или любая характеристика, позволяющая установить связь изме-
няющихся входного и выходного сигналов.
7. Неинформативные параметры выходного сигнала измери-
тельного канала с измерительным преобразователем на выходе.
8. Номинальная функция влияния фн(£) и предел допускаемо-
го отклонения от номинальной функции измерительного канала.
9. Метрологические характеристики, отражающие, взаимное
влияние канала на канал.
382 ' -
Часть IV. ОСНОВЫ СТАНДАРТИЗАЦИИ
Глава 14. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА
СТАНДАРТИЗАЦИИ
14.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
В ОБЛАСТИ СТАНДАРТИЗАЦИИ
В условиях научно-технической революции понятие стандартиза-
ция охватывает широкую область общественной деятельности^
включающую в себя научные, технические, хозяйственные, эконо-
мические, юридические, эстетические, политические аспекты. Во*
всех странах развитие государственного хозяйства, повышение эф-
фективности производства, улучшение качества продукции, рост-
жизненного уровня связаны с широким применением различных,
форм и методов стандартизации. Правильно поставленная стан-
дартизация способствует развитию специализации и коопериро-
вания производства.
Исключительно благоприятные условия для полного использо-
вания возможностей стандартизации обеспечивает социалистиче-
ская система хозяйства. Развитие в СССР стандартизации на го-
сударственном уровне, выработанные у нас принципиально новые
пути стандартизации, высокая экономическая эффективность от
внедрения стандартов отвечает задаче соединения достижений
технического прогресса с преимуществами социалистического-
строя.
По мере повышения требований к качеству выпускаемой про-
дукции и эффективности общественного производства, увеличения
объема и сложности производства роль стандартизации все более-
возрастает.
В нашей стране действует государственная система стандар-
тизации (ГСС), объединяющая и упорядочивающая работы по»
стандартизации в масштабе всей страны, на всех уровнях произ-
водства и управления на основе комплекса государственных стан-
дартов. ГОС включает в себя стандарты, содержащие совокуп-
ность взаимосвязанных правил и положений, определяющих ос-
новные понятия, цели и задачи стандартизации; организацию и>
методику планирования и проведения работ по стандартизации^
порядок разработки, внедрения и обращения стандартов и других
нормативно-технических документов по стандартизации; порядок
внесения в них изменений; контроль за внедрением и соблюдением
стандартов; объекты стандартизации; категории и виды стандар-
383.
тов; правила построения, изложения, оформления и содержания
стандартов и др.
Основные понятия и термины в области стандартизации раз-
работаны с учетом рекомендаций международных организаций по
стандартизации и. приняты многими странами, в том числе и СССР.
Стандартизация — установление и применение правил с целью
упорядочения деятельности в определенной области на пользу и
при участии всех заинтересованных сторон, в частности для дос-
тижения всеобщей оптимальной экономии при соблюдении условий
эксплуатации (использования) и требований безопасности. Стан-
дартизация -основывается на объединенных достижениях науки,
техники и передового опыта и определяет основу не только нас-
тоящего, но и будущего развития и должна осуществляться не-
разрывно с прогрессом.
Приведенное определение показывает многогранность деятель-
ности по стандартизации. Из него, в частности, следует, что, бу-
дучи направленной на разработку обязательных для исполнения
норм, правил и требований к продукции, стандартизация должна
обеспечить возможно полное удовлетворение интересов произво-
дителя и потребителя, повышение производительности труда, эко-
номное расходование материалов, энергии, рабочего времени и
гарантировать безопасность при производстве и эксплуатации.
Объектами стандартизации являются изделия, нормы, правила,
требования, методы, термины, обозначения и т. п., имеющие перс-
пективу многократного применения в науке, технике, промышлен-
ности, сельском хозяйстве, строительстве, на транспорте и в связи,
в культуре, здравоохранении, других сферах народного хозяйства,
& также в международной торговле.
В последние десятилетия в СССР характерно распростране-
ние стандартизации также на область управленческой и органи-
зационно-методической деятельности. В зависимости от формы
руководства стандартизацией и сферы действия стандартов раз-
личают государственную, национальную и международную стан-
дартизацию.
Государственная стандартизация — форма развития и прове-
дения стандартизации, осуществляемая под руководством госу-
дарственных органов по единым Государственным планам стан-
дартизации.
Национальная стандартизация — проводится в масштабе го-
сударства без государственной формы руководства.
Международная стандартизация — проводится специальными
международными организациями или группой государств с целью
-облегчения взаимной торговли, научных, технических и культур-
ных связей.
Особое место в международной стандартизации занимают ра-
боты, проводимые странами — членамикСЭВ в интересах их раз-
вития.
384
I Устанавливаемые при стандартизации нормы оформляются в
’ виде нормативно-технической документации по стандартизации —
? стандартов и технических условий.
' Стандарт — нормативно-технический документ по стандарти-
зации, устанавливающий комплекс норм, правил, требований к
объекту стандартизации и. утвержденный (принятый)- компетент-
ным органом. Стандарт разрабатывается на основе достижений
науки, техники, передового опыта и должен предусматривать ре-
. шения, оптимальные для общества. Стандарт может быть разра-
ботан как на магистральные предметы (продукцию, сырье, образ-
цы веществ), так и на нормы, правила, требования к объектам
организационно-методического и общетехнического характера тру-
да, порядок разработки документов, нормы безопасности, системы
управления качеством и др.
Технические условия (ТУ) — нормативно-технический доку-
мент по стандартизации, устанавливающий комплекс требований
к конкретным типам, маркам, артикулам продукции. Технические
условия являются неотъемлемой частью комплекта технической
документации на продукцию, на которую они распространяются.
Стандарт Совета Экономической Взаимопомощи (СЭВ) — нор-
мативно-технический документ СЭВ по стандартизации, фиксиру-
ющий результаты конкретной деятельности органов СЭВ по стан-
дартизации.
14.2. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ СТАНДАРТИЗАЦИИ
В условиях планового социалистического хозяйства стандарти-
зация направлена иа достижение следующих основных целей:
ускорение технического прогресса, повышение эффективности об-
щественного производства и производительности труда (в том чис- '
ле инженерного и управленческого); улучшение качества продук-
ции и обеспечение его оптимального уровня; совершенствование
организации управления народным хозяйством и установление
рациональной номенклатуры выпускаемой продукции; развитие
специализации в области проектирования и производства продук'
ции; рациональное использование производственных фондов; эко-
номию материальных и трудовых ресурсов; обеспечение охраны
здоровья населения и безопасности труда; развитие международ-
ного экономического, технического и культурного сотрудничества;
создание условий для развития экспорта товаров, отвечающих
требованиям мирового рынка.
S соответствии с поставленными целями задачами и направ-
лениями стандартизации являются:
установление требований к качеству готовой продукции на
оснвве стандартизации ее качественных характеристик, а также
характеристик сырья, материалов, полуфабрикатов и комплек-
тующих изделий;
разработка и установление единой системы показателей каче-
ства продукции, методов и средств контроля и испытаний, а так-
38S
же необходимого уровня надежности изделий с учётом их назна-
чения и условий эксплуатации;
установление норй, требований и методов в области проекти-
рования и производства с целью обеспечения оптимального ка-
чества и исключения нерационального многообразия видов, ма-
рок и типоразмеров продукции;
развитие унификации промышленной продукции как важней-
шего условия специализации производства, комплексной механи-
зации и автоматизации производственных процессов, повышения
уровня. взаимозаменяемости, эффективности эксплуатации и ре-
монта изделий;
обеспечение единства и достоверности n3MepeHHfl в стране, соз-
дание государственных эталонов единиц физических величин и
совершенствование методов и средств измерений высшей точности;
установление единых систем документации, в том числе уни-
фицированных, используемых в автоматизированных системах
управления, установление систем классификации и кодирования
технико-экономической информации, разработка форм и систем
организации производства;
установление систем стандартов в области обеспечения безо-
пасности труда, охраны природы, и улучшения использования при-
родных ресурсов.
14.3. ВИДЫ И МЕТОДЫ СТАНДАРТИЗАЦИИ
Наряду со стандартизацией, осуществляемой в масштабах государства, в
СССР широко используются:
отраслевая стандартизация, осуществляемая в отдельных отраслях промыш-
ленности с целью обеспечения единства технических требований и норм к про-
дукции отрасли и создания условий для кооперации и специализации в этой
отрасли.
Под отраслью понимается совокупность предприятий и организаций не-
зависимо от их территориального расположения и ведомственной принадлежно-
сти, разрабатывающих и (или) изготавливающих определенные виды продукции»
относящиеся к номенклатуре продукции, закрепленной за министерством, яв-
ляющимся ведущим в ее производстве (например, приборостроение, промыш-
ленность средств связи);
республиканская стандартизация, проводимая в союзной (республике в целях
установления требований и норм на продукцию, ие охваченную государственной
или отраслевой стандартизацией;
местная стандартизация, проводимая на предприятиях (объединениях) и
устанавливающая требования, нормы и правила, применяемые только на дан-
ном предприятии.
В зависимости от последующего влияния иа развитие народного хозяйства
можно выделить три вида стандартизации, принципиально отличающиеся подхо-
дом к установлению в стандартах соответствующих норм:
стандартизация по достигнутому уровню, устанавливающая показатели, от-
ражающие свойства существующей и освоенной в производстве продукции, и та-
ким образом фиксирующая достигнутый уровень производства. Такой аодход
386
характерен при стандартизации показателей качества продукции массового про-
изводства межотраслевого применения (радиокомпоненты, реле, крепежные из-
делия, некоторые виды сырья и материалов и др.);
опережающая стандартизация, заключающаяся в установлении повышенных
по отношению к уже достигнутому на практике уровню норм, требований к объ-
ектам стандартизации, которые согласно Прогнозам будут оптимальными в по-
следующее время. Прн этом в зависимости от реальных условий в стандартах
могут устанавливаться ступени качества, имеющие дифференцированные пока-
затели, нормы, характеристики и сроки их введения.
Таким образом, опережающая стандартизация ставит определенные задачи
перед разработчиками и изготовителями продукции, побуждая их к совершен-
ствованию объектов стандартизации (конструкций, сырья, материалов, техно-
логических процессов), повышению производительности труда и улучшению ка-
чества.
При стандартизации конкретных видов промышленной продукции,’ состоя-
щей из большого числа деталей, узлов, агрегатов, задачей является установление
таких требований к ней н ее компонентам (норм, показателей, характеристик),
которые обеспечивали бы необходимый для потребителя высокий уровень ка-
чества конечного изделия. Понятно, что стандартизация показателей и характе-
ристик конечного изделия может быть проведена на основе существующих стан-
дартов, отражающих достигнутый уровень производства входящих в него мате-
риалов, деталей, Сборочных единиц и др. Однако при подобном подходе к стан-
дартизации возможности целенаправленного управления качеством конечного
изделия и получения оптимальных решений ограничены;
комплексная стандартизация, при которой для оптимального решения конк-
ретной проблемы осуществляется целенаправленное и планомерно установление
и применение системы взаимосвязанных требований как к самому объекту комп-
лексной стандартизации в целом, так и к его основным элементам. Являясь но-
вым и одним из важнейших направлений в работах по стандартизации, комп-
лексная стандартизация призвана обеспечивать разработку и4внедрение ' комп-
лексов взаимосвязанных и согласованных стандартов, охватывающих совокуп-
ность требований к объектам стандартизации: изделиям, их составным частям,
сырью, материалам, покупным изделиям, технологии изготовления, упаковке,
транспортировке и хранению, эксплуатации и ремонту. Кроме норм и требова-
ний, относящихся к материальным объектам, комплексная стандартизация ох-
ватывает также общетехнические нормы, системы документации, нормы техни-
ки безопасности Ь охраны труда и т. п.
Примерами объектов комплексной стандартизации являются аппаратура и
оборудование для радиовещания и телевидения, аппаратура проводной связи,
аппаратура записи и воспроизведения звука и т. п. Основанная иа системном
подходе, комплексная стандартизация создает благоприятные условия для пла-
номерного развития соответствующих отраслей промышленности.
К современным методам осуществления комплексной стандартизации отно-
сится разработка программ комплексной стандартизации наиболее важных видов
продукции в масштабах страны, отрасли, союзной республики. Комплексная
стандартизация отдельных видов продукции осуществляется также в рамках
СЭВ. .
В зависимости от метода решения основной задачи различают несколько
форм стандартизации:
387
Симплификация — форма стандартизации, заключающаяся в простом сокра-
щении числа применяемых при разработке изделия или при его производстве
марок и сортиментов материалов, полуфабрикатов, комплектующих изделий и
т. п. до количества, /технически и экономически целесообразного, достаточного
для выпуска изделий с требуемыми показателями качества. Как правило, при
снмплифнкации в объекты стандартизации не вносят каких-либо существенных
технических усовершенствований. Являясь простейшей формой и начальной ста-
дией более сложных форм стандартизации, симплификация оказывается эконо-
мически выгодной, так как приводит к упрощению производства, облегчает ма-
териально-техническое снабжение, складирование, отчетность.
Унификация — рациональное уменьшение числа типов, видов и размеров
объектов одинакового функционального назначения. Объектами унификации наи-
более часто являются отдельные изделия, их составные части, детали, комплек-
тующие изделия, марки, материалов и т. п. Проводится унификация на основе
анализа и изучения конструктивных вариантов изделий, их применяемости, пу-
тем сведения близких по назначению, конструкции и размерам изделий, их. со-
ставных частей и деталей к единой типовой (унифицированной) конструкции..
При необходимости в конструкцию унифицируемых изделий и их элементов вно-
сят технические усовершенствования и доработки. Таким образом устанавлива-
ется минимально необходимое для практики число .типов, видов и типоразмеров
изделий, обладающих высокими показателями качества и полной взаимозаме-
няемостью.
В настоящее время унификация является наиболее распространенной и эф-
фективной формой стандартизации. Конструирование аппаратуры, машин й ме-
ханизмов с применением унифицированных элементов позволяет не только сокра-
тить сроки разработки и- уменьшить стоимость изделий, ио и повысить их на-
дежность, сократить сроки технологической подготовки и освоения производства.
Типизация — это разновидность стандартизации, заключающаяся в разра-
ботке и установлении типовых решений (конструктивных, технологических, ор-
ганизационных и т. п.) на основе наиболее прогрессивных методов и режимов
работы. Применительно к конструкциям типизация состоит в том, что некоторое
конструктивное решение (существующее или специально разработанное) прини-
мается за основное — базовое для нескольких одинаковых или близких по
функциональному назначению изделий. Требуемая же номенклатура и варианты
' изделий строятся иа основе базовой конструкции путем внесения в нее ряда
второстепенных изменений н дополнений.
Типизация технологических процессов включает в себя создание типовых
процессов изготовления деталей, выполнения сборочных операций, методов из-
мерения и контроля и т. п. Типовой технологический процесс создается на ос-
нове тщательного анализа технологии производства соответствующих изделий.
Агрегатирование — метод создания новых машин, приборов и другого обо-
рудования путем компоновки конечного изделия из ограниченного набора стан-
дартных и унифицированных узлов и агрегатов, обладающих геометрической и
функциональной взаимозаменяемостью.
'Возможность многократного применения элементов набора в различных мо-
дификациях машин и приборов одного класса или близких по назначению обес-
печивает конструктивную преемственность при создании новых изделий, позво-
ляет использовать освоенные в производстве узлы и агрегаты, значительно со-
кращает трудоёмкость проектирования, изготовления и ремонта изделий, повы-
388
шает уровень взаимозаменяемости продукции, способствует специализации пред-
приятий, механизации и автоматизации производственных процессов, улучшает
качество продукции, а также облегчает перестройку производства при переходе
предприятий на освоение новой продукции.
14.4. КАТЕГОРИИ И ВИДЫ СТАНДАРТОВ
Стандарты в Советском Союзе являются обязательными в пре-
делах установленной сферы их действия и подразделяются на
следующие категории:
Государственные стандарты Союза ССР — ГОСТ;
отраслевые стандарты — ОСТ;
республиканские стандарты союзных республик — РСТ;
стандарты предприятий — СТП.
Государственные стандарты обязательны к применению всеми
предприятиями, организациями и учреждениями союзного, респуб-
ликанского и местного подчинения во всех отраслях народного
хозяйства СССР и союзных республик. Они распространяются
преимущественно на объекты межотраслевого применения, нормы,
параметры, требования, показатели качества продукции, термины,
обозначения и др., необходимые для обеспечения единства и взаи-
мосвязи различных областей науки и техники, производства, а
также на продукцию массового и крупносерийного производства
широкого и межотраслевого применения. В частности, объектами
государственной стандартизации должны быть:
общетехнические и организационно-методические правила и
нормы (ряды номинальных частот и напряжений электрического
тока, предпочтительные числа, требования охраны природной сре-
ды, рационального использования природных ресурсов и др.);
общие требования к продукции, имеющей межотраслевое при-
менение (по устойчивости к воздействиям внешней среды, радиа-
ционной стойкости и др.) ;
основные эксплуатационные свойства и технические характе-
ристики групп однородной продукции, имеющей межотраслевое
применение (сырья, материалов, машин, приборов) и методы их
контроля;
межотраслевые требования и нормы техники безопасности и
производственной санитарии;
научно-технические термины, определения и обозначения;
единицы физических величин, государственные эталоны еди-
ниц, физических величин, методы и средства поверки средств из-
мерений, нормы точности и методики выполнения измерений, пра-
вила государственных испытаний средств измерений;
системы конструкторской, технологической, управленческой до-
кументации, формы и системы организации производства;
системы классификации и кодирования технико-экономической
информации.
Государственные стандарты утверждает Государственный ко-
митет по стандартам СССР (Госстандарт СССР).
389
Отраслевые стандарты обязательны для всех предприятий и
организаций данной отрасли, а также для предприятий и органи-
заций других отраслей, применяющих (потребляющих) продук-
цию этой отрасли. Отраслевые стандарты организационно-методи-
ческого характера обязательны только для предприятий и орга-
низаций министерства, их утвердившего.
Отраслевые стандарты устанавливают требования к продукции,
не относящейся к объектам государственной стандартизации и
необходимые для обеспечения взаимосвязи в производственно-
технической и организационно-управленческой деятельности пред-
приятий и-организаций отрасли. В частности, объектами отрас-
левой стандартизации могут быть: изделия серийного и мелкосе-
рийного производства; конкретные виды продукции, общие техни-
ческие характеристики для которой установлены государственны-
ми стандартами; детали и сборочные единицы, технологическая
оснастка и инструменты, сырье, материалы, полуфабрикаты, тех-
нологические нормы и типовые технологические процессы внутри-
отраслевого применения; нормы точности и методики выполнения
измерений.
Отраслевые стандарты могут ограничивать применение госу-
дарственных стандартов для используемой в отрасли номенкла-
туры изделий, типоразмеров и т. п.
Отраслевые стандарты утверждает министерство, являющееся
ведущим в производстве данного вида продукции. Порядок раз-
работки и утверждения государственных и отраслевых стандартов
установлен в ГОСТ 1.2—68.
Республиканские стандарты обязательны для всех предприятий
и организаций республиканского и местного подчинения данной
союзной республики независимо от их ведомственной подчинен-
ности и устанавливают требования к продукции, выпускаемой
этими предприятиями и организациями, в том случае, когда на
нее отсутствуют государственные или отраслевые стандарты. При
отсутствии государственных или отраслевых стандартов на ту или
иную продукцию действие республиканских стандартов распро-
страняется и на предприятия союзного подчинения, расположен-
ные на территории союзной республики.
Номенклатура продукции, на которую утверждают республи-
канские стандарты, устанавливается по согласованию с Госстан-
дартом СССР и с соответствующим ведущим министерством. Рес-
публиканские стандарты утверждает Совет министров или Госплан
союзной республики.
Порядок разработки и утверждения республиканских стандар-
тов устанавливает ГОСТ 1.3—68.
Стандарты предприятия обязательны только для предприятия
(объединения), утвердившего данный стандарт. Стандарты пред-
приятия могут распространяться на составные части разрабаты-
ваемых или изготавливаемых на предприятии изделий; внутрен-
ние нормы и правила в области управления и организации произ-
водства, управления качеством продукции; оснастку и инструмент,
390
типовые технологические процессы, методики Измерений и конт-
роля.
Стандарты предприятия могут также ограничивать с учетом
особенностей данного предприятия применение номенклатуры де-
талей, узлов, материалов, установленной стандартами других ка-
тегорий. На поставляемую предприятием продукцию стандарты
предприятия не разрабатываются.
В зависимости от назначения и содержания Государственная
система стандартизации устанавливает на продукцию стандарты
всех категорий следующих видов:
общих технических условий;
общих технических требований (технических требований);
параметров и (или) размеров;
типов, основных параметров и (или) размеров;
конструкции и размеров;
марок;
сортамента;
правил приемки;
методов контроля (испытаний, анализа, измерений);
правил маркировки, упаковки, транспортирования и хранения;
правил эксплуатации и ремонта;
типовых технологических процессов.
Общетехнические и организационно-методические стандарты
(на общие нормы, показатели качества, методы расчета и проек-
тирования, термины и определения, единицы физических величин,
системы. классификации и кодирования, требования к поставке,
требованиям к изготовлению и др.) на виды не подразделяются.
14.5. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ
СТАНДАРТИЗАЦИИ
Результаты стандартизации оцениваются теми изменениями,
которые она внесла в народное хозяйство, в развитие научно-тех-
нического прогресса. Для того чтобы эти изменения были поло-
жительными, т. е. чтобы стандартизация была эффективной, при
ее проведении необходимо соблюдение определенных принципов.
Основные из них и их краткие характеристики приведены ниже.
Целенаправленность и технико-экономическая целесообразность
означают, что проведение работ по стандартизации, разработка
любого стандарта должны быть обоснованы (потребностями изго-
товителя, потребителя, ожидаемые технико-экономическим эффек-
том и др.) и направлены на решение конкретных задач на соот-
ветствующих уровнях производства и управления (государство,
отрасль, союзная республика, предприятие).
Научный подход и использование передового опыта регламен-
тированы ГОСТ 1.0—68, который устанавливает, что показатели,
нормы, характеристики и требования, включаемые в стандарт,
должны соответствовать передовому уровню науки и техники и
основываться .на результатах научно-исследовательских и опыт-
391
но-конструкторских работ. Поэтому разработка всех видов и ка-
тегорий стандартов должна вестись с учетом и использованием
научных достижений в соответствующих областях, а в необходи-
мых случаях разработке стандартов должно предшествовать про-
ведение научно-исследовательских работ.
Прогрессивность и оптимальность стандарта следует из самой
сущности стандартизации, отраженной в ее определении. Новые
стандарты на продукцию должны не только отвечать современ-
ным запросам, но и учитывать тенденции развития соответствую-
щих отраслей.
В стандартах наряду с типами и видами продукции, серийное
и массовое производство которых освоено, должны быть преду-
смотрены новые, более прогрессивные нормы и требования к про-
дукции, опережающие достигнутый уровень производства, уста-
навливаемые на основе обязательного использования проверен-
ных на практике отечественных и зарубежных открытий и изобре-
тений, опубликованных за последние десять лет до утверждения
стандарта.
При разработке стандартов необходимо стремиться получить
оптимальное сочетание устанавливаемых показателей, норм и тре-
бований к продукции с затратами на их достижение, обеспечить
максимальный экономический эффект при минимальных затратах.
Необходимость взаимной увязки стандартов вытекает из основ-
ных целей и задач стандартизации. Показатели, нормы, характе-
ристики, требования, устанавливаемые в стандартах, разрабаты-
ваемых в СССР, должны также соответствовать стандартам СЭВ,
международным стандартам и учитывать рекомендации между-
народных организаций.
Комплексность стандартизации является одним из основных
принципов. Практика стандартизации привела к двум направле-
ниям ее развития: от частного к целому; от целого к частному.'
Первому направлению соответствует развитие стандартизации
снизу вверх: от сырья к готовой продукции, от общих конструк-
тивных деталей и элементов к машинам, приборам, аппаратам.
Оно характерно для тех изделий общего применения, которые
изготавливают на специализированных заводах массового произ-
водства (электронные приборы, провода, крепежные и установоч-
ные изделия, шестерни и др.).
Второе направление характеризует развитие стандартизации
сверху вниз, т. е. от стандартизации основных параметров слож-
ных объектов производства (приборов, систем, машин) к стандар-
тизации их элементов (агрегатов, узлов, деталей). Понятно, что
гарантией стабильного высокого качества конечного изделия здесь
может быть только комплексная стандартизация, проводимая в
соответствии с приведенным ранее определением.
Функциональная взаимозаменяемость стандартизованных изде-
лий — это свойство независимо изготовляемых деталей и сбороч-
ных единиц занимать свое место в изделии без дополнительной
обработки. Функциональная взаимозаменяемость предполагает не
392
.только возможность нормальной сборки, но и нормальную работу
изделия после установки в нем новой детали или другой состав-
ной части взамен вышедшей из строя. Стандарты на продукцию
в необходимых случаях должны устанавливать нормы и требо-
вания, обеспечивающие функциональную взаимозаменяемость из-
делий.
Принцип предпочтительности используется при проведении
унификации, типизации, агрегатирования и разработке стандар-
тов на изделия широкого применения, решение задачи рациональ-
ного выбора и установления градаций количественных значений
параметров изделий (размеров, номиналов, масс и др.) и должен
основываться на использовании рядов предпочтительных чисел.
Установление на их основе рядов параметров (параметричес-
ких рядов), с одной стороны, препятствует неоправданному рас-
ширению номенклатуры и типоразмеров вновь создаваемых изде-
лий, а с другой, позволяет установить такие технико-экономичес-
кие характеристики изделий, которые соответствуют современным
требованиям, и учесть перспективы развития соответствующих
видов продукции.
В СССР действует система предпочтительных чисел, установ-
ленная ГОСТ 8032—56. Предпочтительные числа и ряды пред-
почтительных чисел (ряды Р). Применяются также предпочтитель-
ные числа, построенные по рядам, принятым Международной
электротехнической *комиссией (ряды Е).
14.6. ОРГАНЫ И СЛУЖБЫ СТАНДАРТИЗАЦИИ
В СССР создана и успешно функционирует система органов и служ'б стан-
дартизации (рис. 14.4), проводящих работы по стандартизации (в том числе и
в области метрологии и метрологического обеспечения) на всех уровнях управ-
ления народным хозяйством. Система построена по территориально-отраслево-
му принципу и включает в себя: _
общесоюзные органы стандартизации и их службы;
* органы и службы стандартизации в отраслях народного хозяйства;
органы и службы стандартизации в союзных республиках.
Основные положения, регламентирующие номенклатуру и структуру органов
и служб стандартизации в стране, их компетенцию устанавливает ГОСТ 1.4—68.
Государственная система стандартизации. Органы и службы стандартизации.
Общесоюзным органом государственного управления, осуществляющим ру-
ководство стандартизацией и метрологией в стране, является Государственный
комитет СССР по стандартам. Госстандарт СССР несет ответственность за со-
стояние и дальнейшее развитие стандартизации и за проведение единой техни-
ческой политики в области стандартизации и метрологии в стране. Главными за-
дачами Госстандарта СССР являются:
определение основных направлений развития и разработка научно-методиче-
ских и технико-экономических основ стандартизации и метрологии;
стандартизация основных показателей качества продукции, общих требова-
ний к ее разработке, производству, приемке и методам испытаний, организация
работы по аттестации качества промышленной продукции в стране;
14—10 393
Рис. 14.1
развитие унификации Промышленных изделий как важнейшего условия спе-
циализации, комплексной механизации и автоматизации производства',
обеспечение единства и достоверности измерений в стране, укрепление и
развитие государственной метрологической службы и эталонной базы, создание
новых и совершенствование существующих методов и средств измерений высшей
точности;
стандартизация методов *и ^средств .измерений, контроля и испытаний, а так-
же значений физических констант, аттестация стандартных образцов веществ и
материалов;
организация и проведение государственных испытаний средств измерений;
государственный надзор за соблюдением стандартов и технических усло-
вий, за состоянием и применением измерительной техники в отраслях народно-
го хозяйства.
В соответствии с этими задачами Госстандарт СССР выполняет следующие
функции:
разрабатывает проекты перспективных и годовых планов государственной
стандартизации (и представляет их на утверждение или утверждает), рассмат-
394
ривает и согласовывает проекты планов отраслевой и республиканской стандар-
тизации;
осуществляет методическое руководство и координирует деятельность ми-
нистерств и ведомств в области стандартизации; 1
разрабатывает и утверждает важнейшие стандарты и другие нормативно-
технические документы по стандартизации межотраслевого значения, утвержда-
ет разработанные министерствами государственные стандарты;
устанавливает единицы физических величин, допускаемых к применению в
стране, разрабатывает, утверждает и хранит государственные эталоны физиче-
ских величин;
представляет в установленном порядке Советский Союз в международных
организациях по вопросам стандартизации и метрологии, координирует дея-
тельность советских организаций по этим вопросам в СЭВ и в других между-
народных организациях, контролирует выполнение министерствами (ведомства-
ми) обязательств СССР, вытекающих из решений органов СЭВ и других меж-
дународных организаций по стандартизации.
Руководство работами по стандартизации и их координацию Госстандарт
СССР осуществляет непосредственно или через свои научно-исследовательские
институты, территориальные органы, а также через отраслевые и республикан-
ские головные и базовые организации по стандартизации.
Институты Госстандарта СССР разрабатывают научно-технические, Мето-
дические, экономические и правовые основы стандартизации и метрологического
обеспечения, подготавливают предложения по комплексной и межотраслевой
стандартизации, разрабатывают проекты стандартов и др.
Территориальные органы охватывают всю территорию страны и реализуют
функции и права Госстандарта СССР на закрепленной за ними территории.
Структура территориальных органов включает в себя:
республиканские управления Госстандарта СССР;
республиканские центры метрологии и стандартизации Госстандарта СССР
(РЦМС);
областные (краевые, автономных республик, межобластные) лаборатории го-
сударственного надзора за выполнением стандартов и измерительной техникой
Госстандарта СССР (ЛГН).
Республиканское управление непосредственно руководит республиканским
центром метрологии и стандартизации и лабораториями государственного над-
зора, а также координирует деятельность предприятий и учреждений системы
Госстандарта СССР, находящихся в республике.
Центры метрологии и стандартизации несут ответственность за научно-ме-
тодическое обеспечение развития стандартизации и метрологии в Союзных рес-
публиках, проводят научные исследования и осуществляют функции и права ла-
бораторий государственного надзора Госстандарта СССР иа закрепленной терри-
тории.
Областные лаборатории государственного надзора за стандартами и измери-
тельной техникой отвечают за состояние и развитие стандартизации и метроло-
гического обеспечения на предприятиях и в организациях, расположенных иа
территории области.
Территориальным органом Госстандарта СССР предоставлено право контро-
ля за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техни-
14* 395
ки яа предприятиях и в организациях, расположенных на закрепленной террито-
рии независимо от их ведомственной подчиненности.
Службы стандартизации в Министерстве связи СССР. Успешное выполнение
задач по стандартизации во всех отраслях народного хозяйства неразрывно свя-
зано ие только с деятельностью Госстандарта СССР и его органов и служб, но
и с четкой работой отраслевых служб стандартизации, которые создаются в сис-
теме каждого министерства. Систему службы стандартизации МС СССР обра-
зуют:
отдел стандартизации Министерства, руководящий деятельностью отрасле-
вых служб стандартизации и -обеспечивающий координацию работ по стандарти-
зации в отраслевом масштабе. Этот отдел входит в состав Главного научно-
технического’управления (ГНТУ) министерства;
базовые организации по стандартизации (ЦНИИС — по проводной связи,
НИИР по радиосвязи, радиовещанию и телевидению, Центральное конструк-
торское бюро (ЦКБ) —по почтовой связи и телеграфу);
отделы (лаборатории, бюро) стандартизации в министерствах связи союзных
республик, НИИ, КБ, производственно-технических управлениях связи (ПТУС),
территориальных центрах управления магистральными связями и телевидением
(ТЦУМС), союзных узлах радиовещания (СУР).
Функции базовых организаций по стандартизации в соответствующих под-
отраслях заключаются в следующем;
Научно-техническое и организационно-методическое руководство работами
ПО стандартизации в подотрасли и непосредственное выполнение наиболее важ-
ных работ;
координация работ отделов по стандартизации, НИИ, КБ и предприятий,
а также контроль за выполнением этих работ;
изучение научно-технического уровня развития подотрасли и оценка стан-
дартизуемой продукции, изготовленной в СССР и за рубежом;
разработка научно-методических основ и направлений развития подотрасле-
вой стандартизации, а также предложений по иаправлеииям развития государ-
ственной стандартизации применительно к задачам дайной подотрасли и от-
расли связи в целом;
определение номенклатуры продукции, подлежащей охвату государственны-
ми и отраслевыми стандартами, и разработка планов внедрения стандартов, в
подотрасли;
разработка научно-технической документации (НТД) по стандартизации и
подготовка предложений по своевременному пересмотру устаревших докумен-
тов;
проведение экспертизы разрабатываемой в отрасли научно-технической до-
кументации, а также проектов изделий для оценки в иих уровня стандартиза-
ции;
осуществление совместно с отделом по стандартизации ГНТУ ведомствен-
ного контроля за внедрением и соблюдением стандартов и ТУ и организацион-
но-методическое руководство деятельностью служб стандартизации иа пред-
приятиях отрасли.
Низшим звеном в системе служб стандартизации МС СССР являются от-
делы (лаборатории, бюро) стандартизации в НИИ, КБ и иа предприятиях. Си-
лами этих отделов решаются следующие основные задачи:
396
разработка НТД иа производимую (разрабатываемую) продукцию я подго-
товка предложений по их своевременному пересмотру;
проведение работ по стандартизации н унификации продукции и технологи-
ческой оснастки;
внедрение стандартов и ТУ и контроль за их соблюдением;
нормоконтроль всей технической документации, разрабатываемой иа пред-
приятии.
В состав типового отдела стандартизации производственного предприятия
входят бюро НТД, бюро |(групна) внедрения стандартов, бюро стандартизации
и унификации, группа технологической стандартизации и Служба нормоконтро-
ля.
14.7. ОРГАНИЗАЦИЯ СЛУЖБЫ ИНФОРМАЦИИ
ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ
Обязанности информационного обеспечения в области стандартизации и мет-
рологии возложены на органы и службы стандартизации Госстандарта СССР
министерств и ведомств.
Госстандарт СССР ежегодно издает указатели «Государственные стандарты
СССР», содержащие перечни зарегистрированных в его органах государственных
и республиканских стандартов -и технических условий, информацию об их изме-
нениях, а также перечни иностранных и международных стандартов.
Непосредственное научно-методическое руководство работами по развитию
системы научно-технической информации'- в области стандартизации осуществля-
ет Всесоюзный научно-исследовательский институт технической информации,
классификации и кодирования 1(ВНИИКИ) Госстандарта СССР. Одной из глав-
ных задач института является обеспечение народного хозяйства материалами о
достижениях отечественной и эррубежиой науки в области стандартизации,
метрологии и контроля качества.
В существующем при ВНИИКИ 'Всесоюзном информационном фонде стан-
дартов и технических условий |(ВИФС) проводится учет и государственная ре-
гистрация стандартов и технических условий: учитывает и хранит отечественную
и зарубежную нормативно-техническую документацию; Обеспечивает предприя-
тия, организации и учреждения зарегистрированными стандартами и технически-
ми условиями по их разовым запросам. Комплектование фондов стандартов и
технических условий в органах научно-технической информации по стандарти-
зации предприятий и организаций производится централизованно, через магази-
ны-коллекторы Госстандарта СССР.
Информацию об отраслевых -стандартах и обеспечение ими заинтересован-
ных предприятий и организаций всех отраслей народного хозяйства осуществля-
ют министерва (ведомства), утвердившие эти стандарты.
Службы стандартизации предприятий организуют информацию заинтересо-
ванных подразделений о действующих стандартах и технических условиях, их
изменениях, осуществляют регистрацию стандартов предприятия, обеспечивают
подразделения необходимой нормативно-технической документацией по стан-
дартизации.
397
14.8., ГОСУДАРСТВЕННЫЕ И ОТРАСЛЕВЫЕ
СИСТЕМЫ СТАНДАРТОВ
НА ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИЕ НОРМЫ,
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
На основе комплексной стандартизации в Советском Союзе
разработаны и успешно функционируют системы стандартов, каж-
дая из которых охватывает определенную сферу деятельности,
проводимой в общегосударственном масштабе или в определенных
отраслях народного хозяйства.
Нормативно-техническую и организационно-методическую осно-
ву производства конкретных видов, типов, групп продукции со-
ставляют отраслевые системы стандартов, регламентирующие тех-
нические характеристики, требования к качеству и надежности
изделий, способы и методы достижения и контроля этих требо-
ваний и др. Отраслевые системы включают также комплексы стан-
дартов на термины, определения и обозначения, применяемые в
отрасли.
К отраслевым системам относится, например, система стандар-
тизации изделий электронной техники. -За основу разработанной
системы стандартов (государственных и отраслевых) приняты
сферы их действия: проектирование, производство, применение и
эксплуатация. В соответствии с этим принципом в систему стан-
дартизации электронных приборов входят комплексы стандартов:
на конструкции и размеры приборов; на классы приборов; на сфе-
,ру проектирования приборов; на сферу производства приборов;
на сферу применения приборов; на поставку приборов; на орга-
низационно-методическую документацию.
л Стандарты на конструкции приборов включают габаритные и
присоединительные размеры, соответствующие международным
рекомендациям на корпуса, на технические требования, конструк-
ций© и размеры упаковки.
В комплекс стандартов на классы электронных приборов вхо-
дят стандарты на термины и определения, системы обозначений,
системы параметров, ряды параметров, методы измерений и ру-
ководство по применению.
Определяющим стандартом, относящимся к сфере проектиро-
вания, является «Положение о порядке проведения НИР и ОКР».
В сфере производства в отраслях, как правило, используются
единые государственные системы стандартов.
Единые государственные системы стандартов обеспечивают еди-
нообразие и наивысшую эффективность проведения важнейших
вадов работ, общих для различных отраслей народного хозяйства,
^подобным системам относятся Государственная система стан-
дартизации (ГСС), Единая система конструкторской документа-
ции (ЕСКД), Единая система технологической подготовки произ-
водства (ЕСТПП), Единдя система технологической документации
(ЕСТД), Единая система классификации и кодирования технико-
398
экономической информации, Государственная система обеспечения
единства измерений (ГСИ), Государственная система стандартов
безопасности труда (ГССБТ) и др.
Рассмотрим некоторые из них.
Единая десятичная система классификации и кодирования , тех-
нико-экономической информации. Огромные масштабы производ-
ства в нашей стране, быстрый технический прогресс промышлен-
ности и связанное с этим увеличение потоков информации, цирку-
лирующей в народном хозяйстве, требуют оперативной ее обра-
ботки для планирования, учета и эффективного управления дея-
тельностью предприятий и отраслей. Этой цели служит общегосу-
дарственная автоматизированная система сбора и обработки* ин-
формации на базе государственной системы вычислительных цент-
ров и единой автоматической сети связи страны.
Работа АСУ требует применения машинного языка, т. е. пере-
вода технико-экономической информации на язык цифровых ко-
дов. Для этого создана Государственная система классификации
и кодирования, включающая комплекс взаимосвязанных обще-
союзных классификаторов промышленной и сельскохозяйственной
продукции, конструкторской документации и технологический клас-
сификатор.
Под системой классификации объектов технико-экономической
информации понимают совокупность правил, определяющих рас-
пределение объектов по классам (классификационным группам)
на основании общих признаков, присущих объектам данного рода
и отличающих их от других. В основу классификации заклады-
вается логическая последовательность признаков, следовательно,
процесс кодирования предмета существенно упрощается, так как
он осуществляется в однозначном соответствии с принятой систе-
мой классификации.
Кодирование технико-экономической информации на основе
системы классификации позволяет непосредственно по коду объек-
та судить о его характеристиках (конструкциях, технологических,
эксплуатационных). Система классификации и кодирования долж-
на обеспечивать четкую систематизацию всех объектов по их тех-
ническим и экономическим характеристикам с присвоением каж-
дому объекту единого кода.
Государственная система классификации и кодирования объек-
тов технико-экономической информации и ее стандартизации соз-
дают необходимые предпосылки для унификации и агрегатиро-
вания, способствуют развитию специализации производства, зна-
чительно сокращают номенклатуру выпускаемых промышленностью
изделий, упрощают систему материально-технического снабжения
благодаря сокращению номенклатуры заказов оборудования, за-
пасных частей и инструмента и тем самым повышают мобилиза-
ционную готовность промышленности.
Комплексы стандартов, составляющие системы классификации
и кодирования, обеспечивают единообразие методов классифика-
ции и кодирования экономической информации, устанавливают
399
единство кодовых обозначений и создают условия для стандарти-
зации технической документации.
Разработанный у нас в стране Общесоюзный классификатор
промышленной и сельскохозяйственной продукции (ОКП) внед-
ряется в практику планирования, учета и управления народным
хозяйством. Он представляет собой систематизированный свод ко-
дов и наименований продукций-, выпускаемой в народном хозяй-
стве, иначе, говоря, ОКП — это своеобразный словарь, предназ-
наченный для кодирования продукции (изделий) цифровыми ко-
дами для последующей машинной обработки.
Основой ОКП является Единая десятичная .система классифи-
кации промышленной и сельскохозяйственной продукции
(ЕДСКП), утвержденная Госпланом СССР. В классификации при-
нят принцип последовательной конкретизации классификационных
группировок. Все множество. продукции подразделяется на
100 классов в соответствии с отраслями производства (однород-
ностью производственного процесса) и конкретизируется по свой-
ствам и назначению продукции. Затем каждый класс подразде-
ляется на 10 подклассов, каждый подкласс — на 10 групп, каж-
дая группа — на 10 подгрупп и каждая подгруппа — на 10 видов.
Каждый вид может включать до 9999 конкретных наименований
продукции (путем простого перечисления или использования до-
полнительных признаков классификации). Перечисленные пять
ступеней деления продукции, образующие высшие классифика-
ционные группы, используют для кодирования групповой номен-
клатуры продукции.
Класс объединяет высшие классификационные группы и кон-
кретные виды продукции, характеризуемые комплексом однород-
ных признаков независимо от принадлежности этой продукции к
отрасли народного хозяйства. Например, в самостоятельные клас-
сы выделена продукция тяжелого машиностроения (класс 41),
продукция станкостроения (класс 47) и т. д., поэтому, какая бы
отрасль народного хозяйства не производила эти изделия, их бу-
дут классифицировать по соответствующему классу. Работу по
созданию классификаторов продукции проводят в ЧССР, ГДР (на
базе единой классификации, принятой СЭВ), США, ФРГ и дру-
гих странах.
Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Эта
система устанавливает для всех организаций страны порядок ор-
ганизации проектирования, единые правила выполнения и оформ-
ления чертежей и ведения чертежного хозяйства, что упрощает
проектно-конструкторские работы, способствует повышению каче-
ства и уровня взаимозаменяемости изделий и облегчает чтение
и понимание чертежей в разных организациях. Используя ЕСКД,
можно применять ЭВМ для проектирования. и обработки техни-
ческой документации. Она будет способствовать развитию коопе-
рирования промышленности и использованию при проектирова-
нии новых изделий отдельных частей и деталей ранее созданных
конструкций.
400
Весь комплекс утвержденных стандартов «Единая система кон-
структорской документации», включающий свыше 200 стандартов,
делят на следующие основные части:
ГОСТ 2.001—70, 2.101—68...2.121—73. Основные положения
(виды изделий, виды конструкторской документации, стадии раз-
работки, требования к чертежам и т. д.);
ГОСТ 2.201—77. Классификация и обозначение изделий в кон-
структорских документах;
ГОСТ 2.301—68...2.317—69. Общие правила выполнения черте-
жей; -
ГОСТ 2.401—68...2.427—75. Правила выполнения чертежей раз-
личных изделий;
ГОСТ 2.501—68...2.503—74. Правила обращения конструктор-
ских документов (учет, хранение, ^дублирование, внесение изме-
нений) ;
ГОСТ 2.601—68...2.603—72. Правила выполнения эксплуатаци-
онной и ремонтной документации;
ГОСТ 2.701—68...2.792—74. Правила выполнения схем;
ГОСТ 2.801—74...2.857—75. Правила выполнения строительных
документов и документов для судостроения;
прочие стандарты.
Следует отметить, что стандарты на эксплуатационную и ре-
монтную документацию введены вцервые. Большое значение имеет
ГОСТ 2.116—71. ЕСКД- Карта технического уровня и качества
продукции, в котором зафиксированы достигнутый и перспектив-
ный уровни качества изделий, а также показатели лучших оте-
чественных и зарубежных аналогов. Эту карту используют для
оценки изделий при их аттестации или при определении целесо-
образности их дальнейшей модернизации или снятии с производ-
ства. Сейчас,разрабатывают ЕСКД СЭВ.
Единая система технологической подготовки производства
(ЕСТПП). Важнейшим этапом обеспечения высокого качества
продукции является технологическая подготовка производства
(ТПП).
В процессе изготовления Изделий производится доводка их ка-
чества. Современному объекту производства свойственно значи-
тельное количество, изменений и модификации конструкции и тех-
нологии изготовления, т. е. практически работы по технологичес-
кой подготовке не прекращаются до смены объекта производства.
Иначе говоря, подготовка производства является непрерывным
процессом.
В Технологической подготовке производства есть круг общих
вопросов, не зависящих от отраслевой принадлежности предприя-
тий, например методы технологической классификации и кодиро-
вания деталей, сборочных единиц, технологических процессов, обо-
рудования, оснастки, инструмента, формы конструкторской и тех-
нологической документации (с учетом возможности применения
вычислительной техники) и др.
401
i
Единая система подготовки производства включает комплекс
стандартов, устанавливающих современные методы и средства ор-
ганизации управления и решения задач технологической подго-
товки производства, и решает следующие задачи:
технологический анализ изделия;
организационно-технологический анализ производства;
планирование, учет и управление ТПП;
разработка комплекса технологических процессов;
построение системы контроля качества;
проектирование и изготовление средств производства;
разработка нормативной базы производства;
отладка технологических процессов, оборудования и оснастки.
Как единая система, ЕСТПП выдвигает ряд требований к дру-
гим общетехническим и отраслевым системам, таким, как клас-
сификация и кодирование элементов ТПП; построение системы
информации; типизация и стандартизация средств и технологи-
ческий процессов основного и вспомогательного производства;
стандартизация правил оформления технологической и организа-
ционно-технической документации. Последнее регламентируется
стандартами Единой системы технологической документации
(ЕСТД).
Единая система технологической документации представляет
Собой комплекс государственных стандартов, устанавливающих:
формы документации общего назначения (маршрутная карта
технологического процесса, сводная подетально-технологическая
спецификация, карта эскизов, схем и наладок и др,};
правила оформления технологических процессов и формы доку-
ментации для процессов литья, раскроя и нарезания заготовок,
механической и термической обработки, сварочных работ, процес-
сов, специфичных для отраслей радиотехники, электроники и др.
Существует тесная связь между ЕСТД и ЕСКД. Эти системы
играют большую роль в улучшении управления производством,
повышении его эффективности, во внедрении автоматизированных
систем управления и т. д.
Государственная система обеспечения единства измерений
(ГСИ). На. современном Этапе научно-технического прогресса из-
мерительная информация нужна практически во всех областях
человеческой деятельности: научной; производственной; экономи-
ческой; международного сотрудничества.
Правильные, точные и достоверные измерения обеспечивают
соответствие выпускаемой’ продукции требованиям стандартов, тех-
ническим условиям и другой нормативно-технической документа-
ции. Таким образом измерения лежат в самой основе производ-
ства и в огромной мере определяют возможность получения каче-
ственной’ продукции.
Массовость измерений, огромное разнобразие измеряемых фи-
зических величин, методов и средств измерений, применяемых в
народном хозяйстве, потребовали разработки в рамках ГСС еди-
ной системы метрологического обеспечения разработки, производ-
402 ~
ства, испытаний и эксплуатации продукции, научных исследова-
ний и других видов деятельности во всех отраслях народного хо-
зяйства СССР.
Само понятие метрологическое обеспечение определяется как
«установление и применение научных и организационных основ,
технических средств, правил и норм, необходимых для достиже-
ния единства и требуемой точности измерений».
При этом единство измерений означает такое 'их состояние,
при котором результаты измерений выражены в узаконенных еди-
ницах, и погрешности измерений известны с заданной вероятно-
стью.
Научной основой метрологического обеспечения является мет-
рология — наука об измерениях, методах и средствах обеспече-
ния их единства и способах достижения требуемой точности.
В единую Государственную систему метрологического обеспе-
чения народного хозяйства входят:
система государственных эталонов единиц физических вели-
чин, обеспечивающая воспроизведение единиц с наивысшей точ-
ностью;
система передачи размеров единиц физических величин от эта-
лонов ко всем средствам измерений с помощью образцовых
средств измерений;
система разработки, постановки на производство и выпуска
в обращение рабочих средств измерений, обеспечивающих тре-
буемую точность характеристик продукции, технологических про-
цессов и других объектов в сфере материального производства,
при научных исследованиях и других видах деятельности;
система обязательных государственных испытаний средств из-
мерений «44», предназначенных для серийного или массового
производства и ввоза их из-за границы партиями, обеспечиваю-
щая единообразие средств измерений при разработке и выпуске
в обращение;
система государственной и ведомственной поверки или метро-
логической аттестации средств измерений, обеспечивающая еди-
нообразие средств измерений при их изготовлении, эксплуатации
и ремонте;
система стандартных образцов состава и свойств веществ и ма-
териалов, обеспечивающая воспроизведение единиц величин, ха-
рактеризующих состав и свойства веществ и материалов;
система стандартных справочных данных о физических кон-
стантах и свойствах веществ и материалов, обеспечивающая дос-
товерными данными научные исследования, разработку техноло-
гических процессов и конструкций изделий, процессов получения
и использования материалов.
Основными целями и конечным результатом метрологического
обеспечения являются:
повышение качества продукции, эффективности управления
производством и уровнем автоматизации производственных про-
цессов;
403
обеспечение' взаимозаменяемости деталей, узлов и агрегатов,
создание необходимых условий для кооперирования производства
и развития специализации;
повышение эффективности научно-исследовательских и опытно-
конструкторских работ, экспериментов и испытаний;
обеспечение достоверного учета и повышение эффективности
использований материальных ценностей и энергетических ре-
сурсов;'
повышение эффективности мероприятий по профилактике, диаг-
ностике и лечению болезней, нормированию и контролю условий
труда и быта людей, охране окружающей среды, оценке и ра-
циональному использованию природных ресурсов;
повышение уровня автоматизации управления транспортом и
безопасности его движения;
обеспечение высокого качества и надежности связи.
Общие, единые правила и нормы метрологического обеспече-
ния устанавливаются в стандартах Государственной системы обес-
печения единства измерений (ГСИ). Основными объектами стан-
дартизации ГСИ являются:
единицы физических величин;
государственные эталоны и общесоюзные поверочные схемы;
методы и средства поверки средств измерений;
номенклатура нормируемых метрологических характеристик
средств измерений;
нормы точности измерений;
способы выражения и формы представления результатов из-
мерений и показателей точности измерений;
методика выполнения измерений;
методика оценки достоверности и формы представления дан-
ных о свойствах веществ и материалов;
требования к стандартным образцам состава и свойств ве-
ществ и материалов;
организация и порядок проведения государственных испытаний,
поверки и метрологической аттестации средств измерений, метро-
логической экспертизы нормативно-технической, проектной, кон-
структорской и технологической документации, экспертизы и ат-
тестации данных о свойствах веществ и материалов;
термины и определения в области метрологии.
ГОСТ 1.25—76 регламентирует конкретное содержание метро-
логического обеспечения на различных уровнях управления и про-
изводства (Госстандарт СССР, Министерства, предприятия), осу-
ществляемое как сотрудниками метрологических служб, так и про-
изводственным инженерно-техническим персоналом. К основным
процедурам, проводимым в рамках метрологического обеспечения
предприятия (организации) при разработке, производстве, испы-
таниях и эксплуатации продукции, следует отнести:
анализ состояния измерений, разработку и осуществление на
его основе мероприятий по совершенствованию и упорядочению
измерительного дела на предприятии;
404 *
установление рациональной номенклатуры измеряемых пара-
метров и оптимальных норм точности измерений;
создание и внедрение современных методик выполнения изме-
рений и средств измерений, испытаний и контроля; выбор рацио-
нальной номенклатуры средств измерений для проведения изме-
рительного эксперимента, контроля и управления;
проведение метрологической экспертизы, конструкторской, тех-
нологической и нормативно-технической документации для обес-
печения выполнения требований соответствующих стандартов
ГСИ и отраслевых стандартов, норм и требований, вытекающих
из задач метрологического обеспечения;
контроль за соблюдением метрологических правил и требова- -
ний при проведении научных исследований и на всех стадиях
разработки, производства и испытаний изделий.
Сеть государственных и ведомственных метрологических орга-
нов, осуществляющих деятельность, направленную на обеспечение
единства и точности измерений в стране (т. е. метрологическое
обеспечение), образует метрологическую службу, структура кото-
рой аналогична структуре органов и служб по стандартизации.
Глава 15. МЕЖДУНАРОДНАЯ СТАНДАРТИЗАЦИЯ
Международное разделение труда и связанная с этим междуна-
родная торговля, научно-техническое сотрудничество потребовали
достижения международных соглашений и разработки междуна-
родных технических документов, нормативные требования которых
имели бы однозначное значение и для изготовителя, и для потре-
бителя. В этих документах должны содержаться размерные ха-
-рактеристики, технические требования, методы и условия испы-
таний, точные определения величин, которые следует измерять,
сведения о приборах, с помощью которых производятся измере-
ния, данные о точности этих приборов и методах их поверки.
Кроме того, в этих документах должны быть указаны требования
к качеству продукции и исходного сырья, методы определения
качества, а также достоверные сведения о всех материалах и 'ве-
ществах, которые используются в процессе производства.
В соответствии с этими сложными и многосторонними требо-
ваниями в настоящее время в сферу международной стандарти-
зации входят по крайней мере четыре самостоятельных, но взаи-
мосвязанных аспекта: стандартизация типоразмеров, методик ис-
пытаний и технических требований; метрология и измерительная
техника; контроль качества; служба обеспечения исследователей,
конструкторов и технологов достоверными данными о физико-
- химических, механических и всех прочих свойствах веществ и ма-
териалов (стандартными справочными данными).
405
В развитии международной стандартизации заинтересованы
не только страны с развитой экономикой, но и развивающиеся
страны, которые только начинают создавать свою национальную
экономику.
В международной стандартизации участвует ряд организаций:
Международная организация по стандартизации (ИСО), Между-
народная электротехническая комиссия (МЭК), Европейская ор-
ганизация по контролю качества (ЕОКК), Международная орга-
низация законодательной метрологии (МОЗМ), Международное
бюро мер и весов (МБМВ) и др. Международные стандарты и
рекомендации этих организаций, формально не являясь обяза-
тельными ®ормативными документами, фактически в современ-
ных условиях широкого развития научно-технического и эконо-
мического сотрудничества между странами соблюдаются всеми
заинтересованными сторонами в той мере, в какой это опреде-
ляется их потребностью.
Активную работу в области международной стандартизации в
странах социалистического содружества проводит Совет Эконо-
мической Взаимопомощи и его Международный институт стан-
дартизации. Разработанные и утвержденные в установленном по-
рядке, стандарты СЭВ имеют силу' государственных стандартов
для стран — членов СЭВ (например, СТ СЭВ 1052—78. Метроло-
гия. Единицы физических величин) .
15.1. МЕЖДУНАРОДНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ
ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ
Международная организация по стандартизации (ИСО) заме-
нила существовавшую до второй мировой войны Международную
организацию ОСА и начала официально функционировать с
19<7 г., когда был утвержден Устав ИСО. В Уставе назначение
ИСО определено следующим образом:
. «Целью Организации является содействие развитию стандар-
тизации в мировом масштабе для облегчения международного
товарообмена и взаимопомощи, а также для расширения сотруд-
ничества в области интеллектуальной, научной, технической и эко-
номической деятельности».
В частности, для достижения этого она может:
принимать меры для облегчения координации и унификации
национальных стандартов и с этой целью издавать нужные ре-
комендации;
устанавливать международные стандарты;
по возможности способствовать и облегчать разработку новых
стандартов, содержащих общие правила, одинаково применяемые
как в национальном, так и в международном масштабе;
организовывать обмен информацией о работе своих Комите-
тов — Членов;
сотрудничать с другими международными организациями,
406
заинтересованными в смежных вопросах, в частности по их прось-
бе изучать вопросы, относящиеся к стандартизации.
Международная организация по стандартизации является наи-
более представительной из всех организаций, работающих в этой
области.
Членами ИСО являются национальные организации по стан-
дартизации. Каждая страна может быть представлена в ИСО
только одной организацией. Члены ИСО согласно Уставу име-
нуются Комитетами — Членами; в настоящее время в ИСО вхо-
дят 89 стран (из них 72 действительных члена и 17 ЧленОв-крр;
респондентов).
Категория Членов-корреспондентов введена с 1964 г. по реше-
нию Совета ИСО. Членами-корреспондентами ИСО могут быть
страны, которые не имеют своих национальных организаций по
стандартизации (развивающиеся страны). В настоящее время
Членами-корреспондентами являются такие страны, как Барбадос,
Камерун, Либерия, Исландия, Кувейт, Мадагаскар, Мозамбик,
Оман, Тунис, Ливан и др.
Функции организаций по стандартизации в этих странах обыч-
но выполняют правительственные органы или другие организации,
обратившиеся в ИСО с просьбой о приеме их в качестве Членов-
корреспондентов. Член-корреспондент имеет право получать ин-
формационную литературу, а также рекомендации и стандарты
ИСО (бесплатно). Представителям стран Членов-корреспонден-
тов дано право участвовать в заседаниях технических комитетов
ИСО, в качестве наблюдателей.
Высшим законодательным органом ИСО является общее соб-
рание представителей всех национальных организаций по стан-
дартизации Комитетов — Членов. Это собрание, именуемое Гене-
ральной Ассамблеей, решает наиболее важные вопросы деятель-
ности ИСО и определяет ее политику.
Рабочими органами ""ИСО по созданию международных стан-
дартов являются технические комитеты (ТК), подкомитеты и ра-
бочие группы (РГ). Технические комитеты состоят из предста-
вителей Комитетов — Членов, пожелавших участвовать в их ра-
боте; они создаются Советом ИСО при соблюдении следующих
условий:
если хотя бы один из Комитетов — Членов .вносит предложе-
ние о создании нового ТК;
если не менее пяти Комитетов — Членов согласятся активно
участвовать в его работе;
если большинство Комитетов — Членов дадут согласие на соз-
дание нового ТК.
Если после этого Совет ИСО сочтет необходимым создание
нового ТК, то он утверждает его' название и определяет область
работы.
Каждый Комитет — Член, определяет статус своего участия в
работе каждого ТК в зависимости от степени заинтересованности
в тематике соответствующего ТК
407
В технических комитетах с обширной тематикой создаются
подкомитеты (ПК), а также рабочие группы (РГ), в которых рас-
сматриваются узкие вопросы.
На 1 января 1982 г. в составе ИСО насчитывалось 162 ТК и
более двух тысяч ПК и РГ.
Проекты стандартов разрабатываются ТК в соответствии с про-
граммами их работ, принимаемыми Комитетами — Членами каж-
дого ТК в той области деятельности, которая утверждена Сове-
том ИСО для соответствующего' технического, комитета. Актив-
ность работы ТК, характеризуемая количеством выпущенных ими
документов, различна.
VIII сессия Генеральной Ассамблеи ИСО приняла решение о
прекращении выпуска международных рекомендаций ИСО и пе-
реходе к разработке международных стандартов. Согласно реше-
нию Совета ЙСО для принятия проекта стандарта в качестве меж-
дународного необходимо одобрение его 75% Комитетов — Членов,
участвовавших в голосовании. До принятия этого решения Советом
ИСО было утверждено более 1700 международных рекомендаций.
. Международная организация по стандартизации через свои
ТК поддерживает связи более чем с 300 экономическими и техни-
ческими международными, правительственными организациями.
Большинство стран — членов ИСО активно участвуют в рабо-
те этой организации, поскольку она дает большой экономический
эффект. Развитые страны стремятся возглавить секретариаты тех-
нических комитетов, так как получают большие преимущества в
выборе объектов международной стандартизации. Это позволяет
влиять н-а рынки сбыта, на экономику других стран, на техничес-
кую политику ИСО,’ а также защищает национальные интересы
и позволяет проводить согласованную политику определенных
групп стран. По этим причинам крупные капиталистические стра-
ны стремятся руководить работой ТК. Так, Великобритания ведет
секретариаты 32 технических комитетов, Франция — 28, США— 15.
В настоящее время Советский Союз воглавляет секретариаты
10 технических комитетов, 32 подкомитетов и 13 рабочих групп.
СССР активно участвует в работе 133 технических комитетов, а
в 20 ТК участвует в качестве наблюдателя. Деятельность СССР
в ИСО, имеющая тенденцию к дальнейшему расширению, позво-
ляет создавать благоприятные условия для расширения экспорта
продукции.
Учитывая важность дальнейшего углубления и совершенство-
вания работ по международной стандартизации, в Советском
Союзе создан Советский национальный комитет для участия в
Международной организации по стандартизации (СовИСО).
СовИСО, в состав которого вошли представители ведущих мини-
стерств и ведомств, должен вырабатывать единую техническую
политику нашей страны в ИСО, максимально использовать опыт
зарубежной стандартизации в интересах -развития всех отраслей
промышленности Советского Союза.
408
15.2. МЕЖДУНАРОДНАЯ
электротехническая КОМИССИЯ
Старейшая организация по международному сотрудничеству
в области стандартизации МЭК формально была утверждена в
1906 г. в Лондоне.
Международная электротехническая комиссия является в нас-
тоящее время основным международным органом в области, стан-
дартизации в электротехнике и радиоэлектронике. Одновременное
существование двух международных организаций по стандарти-
зации (ИСО и МЭК) вполне оправданно. Если сфера деятельнос-
ти ИСО распространяется на все отрасли промышленного и сель-
скохозяйственного производств, то область распространения МЭК
ограничивается лишь двумя отраслями. Однако изделия этих двух
отраслей, применяемые в подавляющем большинстве отраслей на-
родного хозяйства, нуждаются в постоянном повышении уровня
их стандартизации.
Устав МЭК определяет основную задачу комиссии в содейст-
вии координации национальных стандартов в области электро-
техники, радиоэлектроники и связи. Рекомендации, издавае(Мые
МЭК, содержат точки зрения стран — членов МЭК. Хотя реко-
мендации МЭК не являются обязательными документами, они
могут быть использованы при разработке национальных стандар-
тов, причем степень их применения устанавливается самими стра-
нами. Помимо стандартизации, МЭК осуществляет работы'по меж-
дународной сертификации изделий электронной техники. Она сот-
рудничает с 52 международными организациями.
С 1975 г. рекомендации МЭК получили статус международных
стандартов.
Членами МЭК в настоящее время являются 44 страны, нацио-
нальные комитеты - которых дали согласие подчиняться Уставу
МЭК и Правилам процедуры этой комиссии.
Для участия в работе МЭК любая страна создает националь-
ный комитет, представляющий ее в Комиссии. Каждая страна
имеет в МЭК один голос.
Международной электротехнической комиссией руководит Со-
вет МЭК, который собирается не реже одного раза в год. Досроч-
ный созыв Совета осуществляется по требованию не менее четы-
рех' представителей национальных комитетов или Президента
МЭК.
Международные стандарты разрабатываются ТК, создаваемы-
ми Советом МЭК.
Новые ТК создаются в МЭК по мере того, как возникают но-
вые направления в электротехнике и радиоэлектронике и расши-
ряется номенклатура изделий и материалов, включаемых в сфе-
ру международной торговли.
На раннем этапе деятельности МЭК основное внимание уде-
лялось разработке международных нормативно-технических доку-
ментов на изделия сильноточной техники и общетехнических стан-
409
дартов (терминология, системы единиц, графические обозначения
и т. п.). Отработанная МЭК система единиц была в последующем
положена в основу электрических единиц системы СИ. В период
между первой и второй мировыми войнами МЭК разработано
25 рекомендаций по единицам измерений, графическим обозначе-
ниям для схем сильноточной аппаратуры, высоковольтной комму-
тационной аппаратуре, цоколям и патронам осветительных ламп
и т. п. Первое издание международного электротехнического сло-
варя (1938 г.) содержало определение 1800 терминов на восьми
языках. '
Если до ,60-х годов деятельность МЭК главным образом охва-
тывала промышленные изделия, то в последующие годы все боль-
шее внимание уделялось электробытовым приборам. Такое изме-
нение направления работ явилось следствием все более широкого
"'потребления электрической энергии в быту, что значительно уве-
личило объем торговли электробытовыми приборами на мировом
рынке. В последующие годы и дю настоящего времени в деятель-
нбсти МЭК все больший вес имеют работы по электронике и даль-
ней связи. Так, за период с 1947 г. до 1971 г. 'было создано
45 технических комитетов и подкомитетов по электронной аппара-
туре, электрорадиоэлементам, радиопередающей и радиоприемной-
аппаратуре, ядерному приборостроению, контрольно-измеритель-
ной аппаратуре, медицинской аппаратуре и системам управления.
Технические комитеты МЭК по тематике проводимых ими ра-
бот могут быть разделены на десять групп:
общетехнические вопросы, терминология, обозначения, величи-
. ны и единицы;
двигатели и электрические машины;
линии передач и их оборудование;
кабели и провода;
электрооборудование;
бытовые электроприборы и освещение;
измерительные приборы, системы управления промышленными
предприятиями;
изоляция;
источники питания;
радиосвязь, радиооборудование и электронная аппаратура.
В настоящее время в МЭК действует около 200 ТК и ПК-
Проекты стандартов, разрабатываемых ТК, считаются приня-
тыми, если против их принятия проголосовали не более 1/5 нацио-
нальных комитетов.
Число стандартов, издаваемых МЭК, постоянно растет. Так,
если в 1960 г. их было 120, в 1971 г. — около 600, то в настоящее
время действует более 1350. Необходимо отметить, что многие
стандарты МЭК, относящиеся к наиболее прогрессивным отраслям
техники, многократно пересматривались с тем,, чтобы они соответ-
ствовали современному научно-техническому уровню. Темпы рабо-
ты МЭК характеризуются большим ростом объема выполняемых
работ (на 15...17% ежегодно), что является следствием постоян-
но
ного роста международной торговли изделиями электротехники; и
электроники. -
Сотрудничество МЭК с ИСО обеспечивается путем установле-
ния прямых связей между ТК этих двух организаций: 35 техни-
ческих комитетов МЭК взаимодействуют с 43 техническими коми-
тетами ИСО.
Советский Союз участвует в работе МЭК через Советский ко-
митет МЭК (СовМЭК), действующий при Госстандарте. Наша
страна участвует во всех технических комитетах и подкомитетах
МЭК силами 98 головных (базовых) организаций по стандарти-
зации.
Стандарты МЭК используются при разработке новых и пере-
смотре действующих государственных стандартов. Одновременно
ведутся работы по внедрению отечественных- требований в между-
народные стандарты МЭК. Благодаря этому государственные и
отраслевые стандарты по электротехнике и электронике значи-
- тельно приближены к соответствующим стандартам МЭК. Так, в
большом числе государственных и отраслевых стандартов нашли
полное или частичное отражение стандарты МЭК. Ряд стандар-
тов МЭК был разработан по основе советских стандартов.
Стандарты МЭК, как правило, применяют при экспортных по-
ставках электротехнического оборудования и электронных изде-
лий; их учитывают также при аттестации продукции на государ-.
ственный Знак качества.
Кроме ИСО и МЭК существует ряд других международных
организаций, работа которых связана со стандартизацией в облас-
ти радиотехники и связи. Для специалистов в области радиоэлек-
троники наибольший интерес представляет Международный союз
электросвязи (МСЭ). В него входят два международных консуль-
тативных комитета: по радио — МККР, по телефонии и телегра-
фии — МККТТ, МККР,. в частности, занимается распределением
частот и Стандартизацией в области обмена телевизионными про-
граммами.
15.3. МЕЖДУНАРОДНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ
ЗАКОНОДАТЕЛЬНОЙ МЕТРОЛОГИИ
Эта организация существует с 1956 г. и в настоящее время
объединяет 46 стран. Ее основной задачей является установленйе
единства измерений в международном масштабе для обеспечения
сопоставимости результатов измерений и исследований, проводи-
мых разными странами, для достижения единообразия техничес-
ких характеристик изделий, свойств веществ, материалов и другой
продукции, являющимися предметом товарообмена между госу-
дарствами. МОЗМ разрабатывает рекомендации по оценке погреш-
ностей измерений, методам измерений, общим вопросам теории
измерений, методам поверки средств измерений, терминологии,
условным обозначениям и т. п. Кроме того, МОЗМ является науч-
но-техническим Центром по обмену информации о деятельности
411
национальных организаций по надзору за средствами измерений.
Высшим органом этой организации является Международная
конференция по законодательной метрологии, а оперативную ра-
боту выполняет Международное бюро законодательной метроло-
гии (МБЗМ). Проекты междуцародных рекомендаций по вопро-
сам законодательной метрологии разрабатываются специализиро-
ванными рабочими органами стран, входящих в МОЗС. Эти ор-
ганы, названные секретариатами-докладчиками, утверждаются
Международной конференцией.
Практическая деятельность по обеспечению единства измере-
ний в международном масштабе осуществляется Международным
бюро мер и весов (МБМВ). МБМВ имеет научные лаборатории,
размещенные на интернациональной территории в г. Севр (Фран-
ция). Основной задачей этого бюро является хранение и поддер-
жание международных эталонов различных, единиц физических
величин и сличение с ними национальных эталонов.
15.4. СТАНДАРТИЗАЦИЯ,
ПРОВОДИМАЯ В РАМКАХ СЭВ
Главная экономическая задача СЭВ — содействовать плано-
мерному развитию народного хозяйства, ускорению экономическо-
го и технического прогресса в странах — членах СЭВ, повышению
уровня индустриализации стран с менее развитой промышленно-
стью, непрерывному росту производительности труда и неуклонно-
му подъему благосостояния народов этих стран. Основой эконо-
мического сотрудничества этих стран — членов СЭВ является меж-
дународное взаимовыгодное разделение труда, специализация и
кооперирование производства, обеспечивающие значительное по-
вышение производительности и экономичности производства. Это
потребовало проведения больших работ по стандартизации. Для
этого созданы Постоянная комиссия СЭВ по стандартизации
(ПКС) и Институт СЭВ по стандартизации. Основные направле-
ния деятельности органов СЭВ по стандартизации заключаются
в установлении и унификации: национальных стандартов и другой
нормативной документации; рационального ассортимента продук-
ции, ее параметров и показателей качества на базе научно обос-
нованных рядов; технических условий на изготовление, испытания
и приемку, упаковку, маркировку, транспортирование и хранение
продукции; унифицированных понятий, определений, терминов,
правил оформления технической документации, обозначений и др.
Органы СЭВ по стандартизации и все национальные органы
стран — членов СЭВ успешно проводят большую работу по созда-
нию и внедрению стандартов и рекомендаций СЭВ. При этом они
обязательно учитывают рекомендации и стандарты международ-
ных организаций, в том числе, например, стандарты и рекоменда-
ции в области метрологии: СТ СЭВ 1708—79. Организация и про-
ведение государственных испытаний средств измерений, СТ СЭВ
403—76. Эталоны. Способы выражения погрешностей <и др.
412
1 Приложение I. ТАБЛИЦА ИНТЕГРАЛА ВЕРОЯТНОСТЕЙ 2 & К, Ф (k) — f exp (— /2/2)d/ = a Ж 1/2я ° '
L к а k a k a k a
« 0,00 ' 0,05 Т о,ю 1 0>!5 0,20 0,25 к 0,30 1 0,35 ?• 0,40 Г 0,45 С Ю,50 Ь 0,55 JL 0,60 1 0,65 » °.70 0,75 Ж- 0,80 0,85 £, 0,90 0,95 0,00000 0,03988 0,07966 0,11924 0,15852 0,19741 0,23582 0,27366 0,31084 0,34729 0,38292 0,41768 0,54149 0,48431 0,51607 0,54675 0,57629 0,60468 0,63188 0,65789 1,00 1,05 Сю -1,15 1,20 1,25 1,30 1,35 1,40 1,45 1,50 1,55 1,60 1,65 1,70 1,75 1,80 1,85 1,90 1,95' 0,68269 0,70628 0,72867 0,74986 0,76986 0,78870 0,80640 0,82298 0,83849 0,85294 0,86635 0,87886 0,89040 0,90106 0,91087 0,91988 0,92814 0,93569 0,94257 0,94882 2,00 2,05 2,10 2,15 2,20 2,25 2,30 2,35 2,40 2,45 2,50 2,55 2,60 2,65 2,70 2,75 2,80 2,85 2,90 2,95 0,95450 0,95964 0,96427 0,96844 0,97219 0,97555 0,97855 0,98423 0,98360 0,98571 0,98758 0,98922 0,99069 0,99195 0,99307 0,99404 0,99489 0,99563 0,99627 0,99682 3,00 3,10 3,20 3,30 3,40 3,50 3,60 3,70 3,80 3,90 4,00 4,10 4,20 4,40 4,50 0,99730 0,99806 0,99863 0,99903 0,99933 0,99953 0,99968 0,99978 .0,99986 0,99990 0,99994 0,99996 0,99997 0,99999 0,99999
7 ' Приложение II. КОЭФФИЦИЕНТЫ СТЬЮДЕНТА t a
п - 1 a
0,900 0,950 0.980 1 0,990 0,999
с 1 i 2 1 ' 3 4 5 6 •г . 1 9 - 10 н. 12 13 14 15 16 17 18 Д' 19 IV 20 6,31 2,92 2,35 2,13 2,02 1,94 1,89 1,86 1,93 1,81 1,80 1,78 1,77 1,76 1,75 1,75 1,74 1,73 1,73 1,72 12,7 4,30 3,18 2,78 2,57 2,45 2,-36 2,31 2,26 2,23 2,20 2,18 2,16 2,14 2,13 2,12 2,11 2,10 2,09 2,09 31,8 6,96 4,45 3,75 3,36 3,14 3,00 2,90 2,82 2,76 2,72 2,68 2,65 2,62 2,60 2,58 2,57 2,55 2,54 2,53 63,7 9,92 5,84 4,60 4,03 3,71 3,50 3,36 ' 3,25 3,17 3,11 3,05 3,01 2,98 2,95 2,92 2,90 2,88 2,86 2,85 636,6 31,6 12,9 8,61 6,87 5,96 5,41 5,04 4,78 ‘ 4,59 4,44 4,32 4,22 4,14 4,07 4,02 3,97 3,92 3,88 3,85 . 41J-
Окончание приложения II
,1—1 СБ
0,900 0,950 0,980 0,990 0,999
21 1,72 2,08 2,52 2,83 3,82
22 1,72 2,07 2,51 2,82 3,79
23 1,71 2,07 2,50 2,81 3,77
24 ' 1,71 2,06 2,49 2,80 3,75
25 1,71 2,06 2,49 2,79 3,73
26 1,71 2,06 2,48 2,78 3,71
27 1,70 2,05 2,47 2,77 3,69
28 1,70 2,05 2,47 2,76 3,67
29 1,70 2,05 2,46 2,76 3,66
30 1,70 2,04 2,46 2,75 3,65
40 1,68 2,02 2,42 2,70 3,55
50 1,68 2,01 2,40 ' 2,68 3,50
60 1,67 2,00 2,39 2,66 3,46
70 1,67 1,99 2,38 2,65 3,44
80 1,66 1,99 2,37 2,64 3,42
90 1,66 1,99 2,37 2,63 3,40
100 1,66 1,98 2,36' 2,63 3,39
200 1,65 1,97 2,35 2,60 3,34
300 1,65 1,97 2,34 2,59 3,32
500 1,65 1,96 2,33 2,59 3,31
Приложение III. КОЭФФИЦИЕНТЫ И у22, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ
ДОВЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНТЕРВАЛ
п — 1 ’ а=0,90 а=0,95 а=0,99
' V? V2 V? ?2 V? ?2
1 0,260 254 0,199 1018 0,127 25464
*2 0,334 19,5 0,271 39,5 0,189 199
3 0,384 8,53 0,321 13,9 0,234 41,8
4 0,432 5,63 0,359 8,26 0,269 19,3
5 0,452 4,36 0,390 6,02 0,299 12,1
6 0,476 3,67 0,415 4,85 0,324 8,88
7 0,498 3,23 0,437 4,14 0,345 7,08
8 0,516 2,93 0,456 3,67 0,364 5,95
9 0,532 2,71 0,473 3,33 0,382 5,19
40 0,546 2,54 0,488 3,08 0,397 4,64
11 0,559 ' 2,40 0,502 2,88 0,411 4,23
12 0,571 2,30 0,514 2,72 0,424 3,90
43 0,581 2,21 0,526 2,60 0,436 3,65
44 0,591 2,13 0,536 2,49 . 0,447 3,44
15 0,600 2,07 0,546 2,40 0,457 3,26
16 0,608 2,01 0,555 2,32 0,467 3,11
17 0,616 1,96 0,563 2,25 0,476 2,98
18 0,624 1,92 0,571 2,19 0,484 2,87
19 0,630 1,88 0,578 2,13 0,492 2,78
20 0,637 1,84 0,585 2,08 0,500 2,68
414
Окончание приложения III
п — 1 а=0,90 а=0,95 а=0,99
V? V2 V? ?2 v; V2
25 0,664 1,71 . 0,615 1,91 0,633 2,38
30 0,685 1,62 0,639 1,79 0,559 2,18
35 0,703 1,56 0,658 1,70 0,581 2,04
40 0,717 1,51 . 0,674 1,64 0,599 1,93 '
45 0,730 1,47 0,688 1,59 0,615 1,85
50 0,741 1,44 0,70 1,55 0,629 1,79
60 0,759 1,39 0,720 1,48 0,653 1,69
70 0,773 1,35 0,737 1,44 0,672 1,62
80 0,785 1,32 0,750 1,40 0,688 1,56
90 0,795 1,30 0,762 1,37 0,701 1,72
Приложение IV. ПРЕДЕЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ 0 ДЛЯ ПРОВЕРКИ
ГРУБОЙ ПОГРЕШНОСТИ
Объем выборки п Предельное, значение 0 прн уровне значимости а
0,100 0,075 0,050 0,025
3 1,15 1,15 1,15 1,15
4 1,42 1,44 1,46 1,48
5 1,60 1,64 1,67 1,72
6 1,73 1,77 1,82 1,89
7 1,83 1,88 1,94 2,02
8 1,91 1,96 2,03 2,13
9 1,98 2,04 2,11 2,21
10 2,03 2,10 2,18 2,29
11 2,09 2,14 2,23 2,36
12 2,13 2,20 2,29 2,41
13 2,17 2,24 2,33 2,47
14 2,21 2,28 2,37 2,50
15 2,25 2,32 2,41 2,55
16 2,28 2,35 2,44 2,58
. 17 2,31 2,38 2,48 2,62
18 2,34 2,41 2,50 2,66
19 2,36 2,44 2,53 2,68
20 2,38 2,46 2,56 .2,71
Приложение V. КВАНТИЛИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ d
Объем выборки п (qJ/2)-ioo% (1=?,/2).1 00%
1% 3% 95% 99% '
16 0,9137 0,8884 0,7236 0,6829;
21 0,9001 0,8768 0,7304 0,6950'
26 0,8901 0,8686 0,7360 0,7040'
31 0,8826 0,8625 0,7404 0,7110*
36 0,8769 0,8578 0,7440 0,7167
41 0,8722 0,8540 0,7470 0,7216<
46 0,8682 0,8508 0,7496 0,7256'
51 0,8648 0,8481 0,7518 0,7291
415 ‘
П р и л о ж е н и е VI. ЗНАЧЕНИЯ Р ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ 2р/г
Л т Р при («,)• 1 00%
1% 2% 5%
10 1 0,98 0,98 0,96
11—14 4 0,99 0,98 0,97
15—20 1 0,99 0,99 0,98
21—22 2 0,98 0,97 , 0,96
23 2 0,98 0,98 0,96
24—27 2 0,98 0,98 0,97
28—32 . 2 0,99 0,98 0,97
33—35 2 0,99 0,98 0,98
36—49 2 0,99 0,99 0,98
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Венцель Е. С. Теория вероятностей. — М.: Государственное издательство
физико-математической литературы, 1962. — 564 с.
2. Пугачев В. С. Теория вероятностей и математическая статистика. — М.:
Наука, 1979. — 496 с.
3. Шишкин И. Ф. Качество и единство измерений: Учебное пособие. — Л.:
СЗПИ, 1982. — 84 с. '
4. Шляидии В. М. Цифровые измерительные устройства. — М.: Высшая школа,
1981. — 335 с.
5. Кончаловский В. Ю. Цифровые измерительные устройства. — М.: Эиерго-
атомиздат, 1985. — 304 с.
1 6. Страхов А. Ф. Автоматизированные измерительные комплексы. — М.: Эиер-
гоиздат, 1982. — 216 с.
7. Хазанов Б. И. Интерфейсы измерительных систем. — М.: Энергия, 1979.—
120 с.
8. Интерфейсы для программируемых приборов в системах автоматизации экс-
перимеита/Н. И. Гореликов, А. Н. Домарацкий, С. Н. Домарацкий и, др.;
Под ред. Л. С. Ситникова. — М.: Наука, 1981. — 262 с.
9. Электрические измереиия/Р. М. Демидова-Панферова, В. Н. Малиновский,
В. С. Попов и др.; Под ред. В. Н. Малиновского. — М.: Эиергоиздат, 1982.—
392 с.
‘10. Ориатский П. П. Автоматические измерительные приборы. — Киев: Вища
школа, 1973. — 550 с.
11. Шумилин Н. П. Измерения в технике проводной связи. — М.: Связь, 1980.—
192 с.
12. Мирский Г. Я. Радиоэлектронные измерения. — М.: Энергия, 1975. — 600 с.
13. Ромбро В. С., Фарбер Ю. Д. Измерения характеристик многоканальных
систем связи. — М.: Связь, 1977. — 272 с.
14. Кушиир Ф. В., Савенко В. Г., Верник С. М. Измерения в технике связи.—
М.: Связь, 1976. — 432 с.
15. Яловицкий М. П. Электрические измерения иа линиях связи. — М.: Радио
И связь, 1984. — 144 с.
16. Зингереико А. М., Баева Н. Н., Тверецкий М. С. Системы многоканальной
связи. — М.: Связь, 1980. — 440 с.
.17. Кривошеев М. И. Основы телевизионных измерений. — М.: Связь, 1976.—
536 с.
.18; Найденов А. И., Новопольский В. А. Электроиио-лучевые осциллографы. —
М.: Эиергоатомиздат, 1983. — 232 с.
19. Основы эксплуатации средств измереиий/В. А. Кузнецов, А. Н. Пашков,
О. А. Подольский и др.; Под ред. Р. П. Покровского. — М.: Радио, и связь,
1984. — 184 с.
- 416
20. Метрология в технике радиосвизи/А, Ф. Пионтковская, В, К, Богданова,
А. П. Волоснов, Э, В. Тетиевская; Под ред. А, Ф. Пионтковской. — М.: Ра-
дио и связь, 1983.,’— 184 с.
21. Верник С. М., Кушннр Ф. В., Рудницкий В. Б. Повышение точности измере-
ний в технике связи. — Мл Радио и связь, 1981. — 200 с.
22. Ориатский П. П. Автоматические измерения и приборы: Учебник для ву-
зов. — 4-е изд. — Киев: Вища школа, 1080. — 560 с.
23? Лившиц Б. С., Пшеничников А. П., Харкевич А. Д. Теория и телетрафика:
Учебник для вузов. — 2-е изд. — М.: Связь, 1979. —224 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ
Агрегатирование 388
Амперметр 254
Анализ спектра 232
дисперсионный 239
одновременный 233
последовательный 232
цифровой 240
Анализатор спектра:
метрологические характеристики 232
разрешающая способность 234, 238
чувствительность 238
, Асимметрия трактов 306
Болометр 134
Быстродействие 24, 31, 377
Вариация показаний 28
Ваттметр:
вольтметровый 125
калометрический 132
квадраториый 127
поидеромоториый 143
с датчиком Холла 129
с мостом неуравновешенным 136
— уравновешенным 137
термоэлектрический 140
цифровой 139
электродинамический 123
Величина:
влияющая 29
физическая 6
Вероятность 68, 75
доверительная 37, 68
Влияние взаимное 308
Вольтметр:
градуировка 89
избирательный 103
непосредственной оценки 87
цифровой 111
Воспроизводимость измерений 10
Время измерения (преобразования)
Гальванометр 100, 246
УКАЗАТЕЛЬ
Генераторы:
высокой частоты 151
импульсные 159
классификация 144
иа биениях 150
нестабильность 146
низкочастотные 147
параметры выходного сигнала 146
погрешность установки уровня вы-
ходной мощности 146
-----частоты 146
прецизионные 157
псевдослучайных сигналов 165
развертки ,181
СВЧ 155
сигналов специальной формы 161
уровень гармонических составляю-
щих 447
шумовые 163
Головка детекторная 43, 97
Групповое время запаздывания, из-
мерение 226
Датчик Холла 129
Декада счетная 159, 53
Делители напряжения 96
Дешифратор 53
Джитер 327
измерение 329
Диапазон:
измерений 29, 112 >
показаний 29
• частот генератора 145, 151, 154, 157
Диоды шумовые 164
Дискретизация 44
Дисперсия 66
выборочная 71
измерение в оптических кабелях
322
оценка 73
Длина волны, измерение 268
Добротность:
измеритель резонансный 256
— электронно-счетный 263
417
^Единица физической величины 10
{Единство измерений 7
„Затухание:
в волоконно-оптических кабелях
317
вносимое 301
измерение 302
переходное собственное 299
погрешность измерения 304
рабочее 300
Значение измеряемой величины 67
оценка 73
'Зонд измерительной линии 267
Избирательность радиоприемника 347
’Излучения передатчика побочные 346
’Измерения:
.абсолютные 9
воспроизводимость 10
в процессе передачи информации
349, 352
динамические 8
достоверность 40
единство 4
•косвенные 8
методика 62
• относительные 9
погрешность 10
правильность 10
принцип 9
прямые 8
совместные 9
совокупные 8
сходимость 10
точность 10
•Измеритель временных интервалов
цифровой 216
— мощности СВЧ термоэлектричес-
кий 140
— параметров нагрузки 289
— с нониусным преобразователем 218
Импульс:
зондирующий 313
. синус-квадратичный 354
Индикатор цифровой 52
'Интервал доверительный 40, 68, 79
Интерфейс:
КАМАК 360
МЭК 362
Искажения нелинейные 278
методы измерения 282—285, .355
1Калибратор:
анализатора спектра 237
осциллографа 185
Квантование 46
Класс точности 38
Коды 49,^51
Компенсатор 93
Комплекс измерительно-вычислитело-
ный 259
418
Конвенция метрологическая 17
Контроллер 360
Коэффициент:
амплитуды 86
гармоник 282
градуировочный 89
корреляции 8 Г
кубических нелинейных искажени*
285
нелинейности пилообразного напря-
- жения 175
отражения 306*
развертки 185
стоячей волны 131
усреднения 86
формы 86
эффективности приемного преобра-
зователя 133
Ку метр:
аналоговый 256
цифровой 263
Линия измерительная 267
Математическое ожидание, оценка 70
Метод измерения 9
— максимального правдоподобия 69
— образцовых мер 55
— проверки нормальности распреде-
ления 77
— шумовой"загрузки 286
Множитель поправочный 35
Методика измерения 62
Метрология 6
Микропроцессор 368
Множвтель поправочный 35
Модуляция в генераторах 147, 153,
156
Мост измерительный 137
Мощность:
измерение в цепях 121, 122, 124
поглощаемая 130
проходящая 130
МЭК 243, 409
Надежность оценки 73, 74
Напряжение переменное, значения:
пиковое 85
средневыпрямленное 86
среднее 85
среднеквадратическое 86
Напряженность поля, измерение 335
Несогласованность трактов 306
Нестабильность частоты измеритель-
ных генераторов 141, 146, 157
Нормы МККТТ на уровень шума 334
•Определение объема измерений 294
Организации законодательной метро-
логии международные 19, 406
(Осциллографы:
.выбор 201
запоминающие 199
каналы X, У 174
классификация 166
многолучевые 191
параметры 200
развертка ждущая 175
— калиброванная 182
— пилообразная 175
— синусоидальная 176
— спиральная 178
рекомендации по выбору 201
сихронизация 172
скоростные 193
стробоскопические 195
структурная схема 170
цифровой 376
Ответвитель направленный 142, 271
Отклонение среднеквадратическое 76
Оценка 65
интервальная 73
несмещенная 70
случайных погрешностей 66
точечная 67
Поверка 13, 32
Погрешность:
абсолютная 32
аддитивная 33
грубая 75
динамическая 33 .
дополнительная 33
инструментальная 61
методы уменьшения итерационные
57
--- калибровки 35
— — образцовых мер 55
— — структурные 54—58
---тестовые 58
мультипликативная 33
нелинейная 75
основная 33
относительная 32, 62
приведенная 32
репрезентативности 292
систематическая 35, 63
случайная 35, 64
^субъективная 61
фиксации результата 61
Поправка 35
Порядок обработки результатов на-
блюдений 82
Предел допускаемой погрешности
средства измерения 39
Преобразование Фурье:
быстрое 242
дискретное 241
Преобразователь:
аналого-цифровой 44, 111
— с интегрированием измеряемого
напряжения 115
— с преобразованием время-им-
пульсным 113
— — кодоимпульсным 118
— — параллельным 121
— — частотио-импульсным 117
волноводный терморезисториый 136-
детекторный пикового значения 104
— средневыпрямленнбго значения
107
— среднеквадратического значения1
108
измерительный 7
классификация 26
индукционный 101
магнитоэлектрический 98
сопротивление — напряжение 252
термоэлектрический 128
электродинамический 101
электромагнитный 100
Прибор:
аналоговый 22, 95
измерительный 7
— цифровой 43, 48
Приемник измерительный 340
Принцип измерения 9
— предпочтительности 392
Пробник 43
Псофометр ПО, 333
Пульт измерительный ИП-2,1 311
Радиопомехи, измерение 341
Распределение нормальное 76
Резистор поглощающий 126
Рекомендации МККТТ 299, 301, 353
Сдвиг фазовый 221
метод измерения компенсационный
224
-----осциллографический 222
Симплификация 388
Синхронизация развертки 179
Система информационно-измеритель-
ная 358
—' классификации и кодирования еди-
ная 399
— конструкторской документации
единая (ЕСКД) 400
— обеспечения единства измерений
государственная 402
— стандартизации 383
— технологической подготовки про-
изводства единая 401 '
Служба метрологическая 15
Сопротивление:
полное 41
трактов входное 306
Спектр ,232
Способность разрешающая импульс-
ного прибора для определения места
повреждения линии 313
Средство измерений 7
вспомогательное 8
классификация 21
образцовое 13, 40
419- •
рабочее 13
Стандарт 385
государственный 389
отраслевой 390
предприятия 390
республиканский 386
Стандартизация:
комплексная 387
международная 389
местная 386
национальная 384
опережающая 387
отраслевая 386
служба 394
Стьюдента распределения 72
— коэффициент 71
Суммирование погрешностей:
косвенных 80
прямых 78
Сходимость измерений 10
Т ермопреобразователь 110
Терморезнстор 134
Типизация 388
Точность средств измерений 32
Тракт телевизионный, измерение ха-
. рактернстнк 354
Трансформатор измерительный 124
Трубка:
газоразрядная 165
электронно-лучевая 167
— конструкция 167
— чувствительность по отклоне-
нию 169
— яркость 169
Унификация 388
Уравнение Лагранжа 97
Усилители тока:
переменного 103
постоянного 102
Условия технические 383
Установка измерительная 8
Устройство:
отсчетное 28
— цифровое 23
:нзмернтельное 23
— прямого действия 24
— следящего уравновешивания 25
— уравновешивающего преобразо-
вания 25
Уширение сигнала, метод измерения
323
Фазометры цифровые:
с преобразованием время-нмпульс-
ным 229
— фазовый сдвиг — постоянное на-
пряжение — код 228
Фильтр псофометрнческнй 111
Функция распределения погрешности
37
методы измерения 224
Характеристика:
амплитудно-частотная, измерение
272
— телевизионного тракта 355
метрологические 27
— информационно-измерительных
систем 379, 382
преобразования средств измерений,
динамическая 31
—------статическая 30
фазочастотная, измерение 272
Частость ошибок, измерение 327
Частота, методы измерения 206
гетеродинный 210
нулевых биений 209
резонансный 211
- сравнения 207
цифровой 213
Чувствительность:
радиоприемных устройств, измере-
ние 346
средств измерений 31
Шины данных, адреса, управлении
372
Шум квантования 47
в канале связи 331
Эталон:
государственный 15
копия 13
первичный 12
рабочий 13
свидетель 13
специальный 12
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.................................................... 3
Часть1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ
Глава 1. предмет и задачи метрологии
1.1. Основные термины, применяемые в метрологии................ . 6
1.2. Классификация измерений........................................ 8
1.3. Основные характеристики измерений.............................. 9
1.4. Физические величины и единицы................................ 10
1.5. Эталоны и образцовые средства измерений........................12
1.6. Метрологическая служба СССР....................................15
1.7 Международные метрологические организации......................19
Глава 2. средства измерении и их характеристики
2.1. Классификация средств измерений......................... . . 21
2.2. Метрологические характеристики средств измерений и их нормиро-
вание ...........................................................27
Глава 3. принципы построения цифровых измерительных
ПРИБОРОВ
3.1. Преобразование информации в цифровых устройства|Х...........' 43
3.2. Системы счисления и коды, используемые в цифровых измерительных
устройствах.........................................................49
3.3. Цифровые индикаторы н цифровое отсчетное устройство .... 52
3.4. Структурные методы уменьшения погрешностей.....................54
Глава 4. погрешности и математическая обработка
результатов измерении
4.1. Классификация погрешностей.....................................60
4.2. Систематические погрешности....................................63
4.3. Случайные погрешности..........................................64
4.4. Суммирование погрешностей......................................78
4.5. Порядок обработки результатов прямых измерений................ 82
Часть II. электрорадиоизмерения
Глава 5. измерение тока, напряжения, мощности
5.1. Методы измерений 'токов н напряжений. Источники погрешностей 85
5.2. Принципы построения аналоговых электромеханических н электрон-
ных вольтметров-.................................................95
5.3. Цифровые вольтметры и аналого-цифровые преобразователи напря-
жение—код........................................................111
5.4. Методы измерения мощности.................................... 121
Г л а в а 6. ГЕНЕРАТОРЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ сигналов
6.1. Классификация генераторов. Основные параметры ... . . . . 144
6.2. Особенности генераторов синусоидальных сигналов..............: 145
6.3. Низкочастотные генераторы........................... . .'' 147
6.4. Генераторы высоких частот......................................151
6.5. Генераторы СВЧ.................................................154
6.6. Источники измерительных сигналов с высокой стабильностью частоты
(прецизионные измерительные генераторы)..............................157
6.7. Генераторы импульсов...........................................159
6.8. Генераторы сигналов специальной формы..........................161
6.9. .Генераторы шумовых сигналов ..................................163
Глава 7. Наблюдение и анализ формы электрических
сигналов, электронные осциллографы
7.1. Назначение осциллографа........................................166
7.2. Электронно-лучевые осциллографические трубки...................167
421
7.3. Структурная схема осциллографа . . . . '. . . 170
7,4. Виды разверток электронного осциллографа.......................175
7.5. Синхронизация разверток осциллографа...........................179
7.6. Калибраторы осциллографа.......................................185
7.7. Многолучевые осциллографы.................................... 191
7.8. Скоростные и стробоскопические осциллографы . . . ~. 193
7.9. Запоминающие осциллографы......................................199
7.10. Выбор .типа осциллографа для проведения эксперимента . . . 200
7.11. Оценка погрешностей измерения амплитуды сигналов и временных
интервалов ................................................ ...... 203
Глава 8. измерение частотно-временных параметров
И АНАЛИЗ СПЕКТРА СИГНАЛА
8.1. Аналоговые методы измерения частоты............................206
8.2. Цифровые частотомеры и измерители временных интервалов . . . 213
8.3. Измерение фазового сдвига..................................... 221
8.4. Измерение группового времени запаздывания......................226
8.5. (Цифровые фазометры 228
8.6. Методы анализа спектра сигнала.................................232
Глава 9. методы и средства измерения параметров
КОМПОНЕНТОВ И ЦЕПЕЙ
9,1. Классификация методов и приборов для измерения параметров цепей
с сосредоточенными постоянными . ......... 243
"9.2. Прямые измерения параметров компонентов и цепей...............244
9.3. Косвенные измерения параметров компонентов и цепей .... 254
9.4. Особенности измерений параметров элементов и трактов с распреде-
ленными постоянными.............................................. 264
9.5. Измерение амплитудно- и фазочастотных характеристик цепей . . 272
9.6. Измерение нелинейных искажений в электрических цепях .... 278
Часть III. ИЗМЕРЕНИЯ В ТЕХНИКЕ связи
Глава 10. измерения в автоматических системах
ЭЛЕКТРОСВЯЗИ
10.1. Цели и задачи измерений.......................................287
10.2. Принципы измерений параметров нагрузки и потерь..............289
10.3. Получение результатов измерений . . . . . . . . . . 291
10.4. Определение объема измерений .................................294
Глава 11. ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОКАНАЛЬНЫХ
СИСТЕМ передачи
11.1. Цели и задачи измерений'.......................... , 297
11.2. Методы измерения затуханий...................................298
11.3. Приборы многоцелевого назначения.............................310
11.4. Измерения в волоконно-оптических системах связи-.............317
11.5. Измерение характеристик случайных сигналов 323
Глава 12. измерения в системах радиосвязи
И РАДИОВЕЩАНИЯ
12.1. Измерение напряженности электромагнитного поля и помех . , . 331
12.2. Измерения в радиопередающих и радиоприемных устройствах . , 343
12.3. Измерения в тракте передачи телевизионного сигнала...........352
Глава 13. автоматизация измерении
13.1. Основные направления автоматизации измерений............... 356
13.2. Агрегатный комплекс средств электроизмерительной техники . . . 361
13.3. Интерфейс МЭК.............................................. 362
13.4. Микропроцессоры и микро-ЭВМ в цифровых измерительных прибо-
рах н системах................................................ , 368
‘13. 5. Функции микропроцессоров и микро-ЭВМ в ЦИП , . . .. . 370
422
13.6. Структура микро-ЭВМ для ЦИП и требования к ее характеристикам 372
13.7. Особенности построения цифровых, осциллографов ..... 376
13.8. Метрологические характеристики информационных измерительных
систем . . ............................................'..... 379
Часть IV. ОСНОВЫ СТАНДАРТИЗАЦИИ
„ Глава 14. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА СТАНДАРТИЗАЦИИ
‘ 14.1. Основные .понятия и определения в области стандартизации . . 383
14.2. Цели и задачи стандартизации...................................385
14.3. Виды и методы стандартизации...................................386
14.4. Категории и виды стандартов....................................389
14.5. Основные принципы стандартизации...............................391
14.6. Органы и службы стандартизации............................... 393
14.7. Организация службы информации по стандартизации .... 397
1 14.8. Государственные и отраслевые системы стандартов на общетехниче-
окне нормы, термины и определения...............................398
Глава 15. международная стандартизация
15.1. Международная организация по стандартизации....................406
15.2. Международная электротехническая комиссия......................409
15.3. Международная организация законодательной’ метрологии • . • 411
15.4. Стандартизация, проводимая ib рамках СЭВ.......................412
2 *
Приложение I. Таблица интеграла вероятностей Ф(А)=——? IX
V 2л о
/ /а \
Хехр I —— ldt = a 413
Приложение II. Коэффициенты Стьюдента ta.............................413
Приложение III. Коэффициенты y2i и у22, определяющие доверительный
интервал..........................................................414
Приложение IV. Предельные значения |3 для проверки грубой погрешности 415
Приложение V. Квантили распределения d............................415
Приложение VI. Значения Р для вычисления Zp/z....................416
Список литературы ...................................................417
Предметный указатель ................................................418
Учебное пособие
Борис Петрович Хромой, Андрей Владимирович Кандинов,
Александр Леонидович Сенявский, Александр Арнольдович Котович,
Алексей Сергеевич Владимиров, Дмитрий Федорович Тартаковский,
Анатолий Борисович Селибер, Владимир Игоревич Соколов,
Раиса Вениаминовна Яралошвили, Юрий Владимирович Аксентов,
Флор Васильевич Кушнир, Валерий Леонидович Ленцман
МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ В ТЕХНИКЕ СВЯЗИ
Заведующий редакцией В. Л. Стерлигов. Редактор Э. М. Горелик.
Переплет художника Ю. В. Архангельского. Художественный редактор Т. В. Бусарова.
Технический редактор Т. Н. Зыкина. Корректор Г. Г. Казакова
ИБ № 769
Сдано в набор 29.12.85 Подписано в печать 14.04.86
Т-09257 Формат бОХЭО/ie Бумага типограф. № 3 Гарнитура литературная
Печать высокая Усл. печ. л. 26,5 Усл. кр.-отт. 26,5 Уч.-изд. л. 29,97
Тираж 20 000 экз. Изд. № 20627 Зак. № 10 Цена 1 р. 30 к.
Издательство «Радио и связь». 101000 Москва, Почтамт, а/я 693
Московская типография № 5 ВГО «Союзучетиздат» 101000 Москва, ул. Кирова, д. 40