/
Author: Хрусталёва З.А.
Tags: общее машиностроение технология машиностроения электроэнергетика электротехника электроника электротехнические измерения
ISBN: 978-5-406-02168-2
Year: 2012
Text
СРЕДНЕЕ
ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ
ОБРАЗОВАНИЕ
З.А. ХРУСТАЛЁВА
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ
ИЗМЕРЕНИЯ
Рекомендовано
ФГУ «Федеральный институт развития образования»
в качестве учебника для использования
в учебном процессе образовательных учреждений,
реализующих программы среднего профессионального образования
Второе издание, стереотипное
МОСКВА
2012
СРЕДНЕЕ
ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ
ОБРАЗОВАНИЕ
З.А. ХРУСТАЛЁВА
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ
ИЗМЕРЕНИЯ
Рекомендовано
ФГУ «Федеральный институт развития образования»
в качестве учебника для использования
в учебном процессе образовательных учреждений,
реализующих программы среднего профессионального образования
Второе издание, стереотипное
МОСКВА
2012
УДК 621-3(075-32)
ББК 31.294.9я723
Х95
Рецензенты:
А.В. Кочергина, преподаватель спецдисциплин Московского технического кол-
В.А. Гурьев, начальник отдела НПО им С.А. Лавочкина
Регистрационный номер рецензии № 384 от 02 07.2009 ФГУ < Ф11РО»
Хрусталёва З.А.
Х95 Элсктрошхничеекмс измерения . учебник 3 А Хрусталёва. 2-е изд.,
стер М. КНОРУС, 2012 -208 с — (Среднее гцюфсссиональное образо-
вание)
ISBN 978-5-406-02168-2
Изложены основы электротехнических измерений, принципы и методы из-
мерения электрических и электронных величин, характеризующих параметры
сигналов, цепей, полупроводниковых приборов Рассмотрены основные метроло-
гические характеристики средств измерений Приведены структурные схемы из-
мерительных приборов Рассмотрены оценка и анализ погрешностей измерения
и способы их уменьшения
Для студентов техникумов и колледжей, обучающихся по специальности «Вы-
числительные машины, системы, сети и комплексы» (230101) и «Техническое об-
служивание средств вычислительной техники и компьютерных сетей» (230101)
УДК 621.3(075.32)
ББК 31.294.9я723
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Сертификат соответствия РОСС RU АЕ51 Н 15407 от 3105.2011 г
Формат 60x90/16
ООО «КноРус»
129035, Москва, проспект Мира д 105, стр 1
Тел.. (495)741-46-28
в ОАО «Первая Образцовая типография», филиал «Дом печати — ВЯТКА»
610033. г Киров ул Московская, 122
Тел факс +7(8332)53-53-80,62-10-36
http /wwwpipp.kirov.ru e-mail orclerxdfitpp kirovru
ISBN 978-5-406-02168-2
© Хрусталева 3 А.. 2012
© ООО «КноРус», 2012
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 5
Введение ... ... .... 11
ГЛАВА 1- Основные сведения о метрологии
1 1 Основы теории и практики измерений . . 14
12 Основы теории погрешностей ..... .24
Контрольные вопросы .30
ГЛАВА 2. Средства электротехнических измерений
2 1 Особенности цифровых измерительных приборов . . . 32
2.2 Измерит ельные генераторы ... .38
2.3 Элекгронныс осциллографы . 46
Контрольные вопросы 70
ГЛАВА 3. Измерение основных электротехнических параметров
3 1 Измерение силы тока. . . .... . . 73
3.2 Измерение напряжения . 78
3.3 Измерение мощности . . 99
Контрольные вопросы . 104
ГЛАВА 4- Измерение параметров элементов цепей
41 Общие сведения .107
4 2 Метод амперметра вольтметра . 108
4.3 Мостовой метод . . 112
44 Метод дискретною счета . . 118
4 5 Резонансный метод 123
Контрольные вопросы . . . 125
ГЛАВА 5. Измерение параметров сигнала
51 Общие сведения. ....... . . 127
5.2 Измерение частоты и периода повторения сигнала... . . 127
5.3 Измерение фазового сдвига . 138
5 4 Измерение коэффициента нелинейных искажений 150
55 Измерение амплитудно-частотных характеристик
четырехполюсников ................... . . 153
Контрольные вопросы ... . . 160
ГЛАВА 6. Измерение параметров полупроводниковых
диодов, транзисторов и интегральных микросхем
61 Общие сведения ....... . . 162
6.2 Измерение параметров полупроводниковых диодов......... 162
6.3 Измерение параметров биполярных и униполярных транзисторов. . . 167
4 Оглавление
6 4 Измерение параметров интегральных микросхем ... . . 169
65 Логические анализаторы . . .... . . 173
Кон 1рольные вопросы . . 180
ГЛАВА 7- Автоматизация электротехнических измерений
7 1 Общие сведения . 181
7.2 Информационно-измерительные системы ... . 181
7.3 Измерительно-вычислительные комплексы . . . . 184
7 4 Виртуальные приборы . . 184
7 5 Интеллектуальные измерительные системы . . . 191
Контрольные вопросы .... 191
Приложения
Приложение 1 Электрические единицы измерения,
используемые в электронике ... . 193
Приложение 2 Условные обозначения на шкалах
электроизмерительных приборов ......... . 195
Приложение 3 Сведения об аналоговых электронных вольтметрах
некоторых типов . 197
Приложение 4 Таблица децибел и отношений напряжений (токов)
и мощностей . ...198
Список литературы. 199
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящий учебник предназначен для студентов средних про-
фессиональных учебных заведений приборостроительных специаль-
ностей электронного профиля. В учебнике изложены основы теории
электрических и электронных измерений (радиоизмерений), методы
измерения электрических величин, используемых в электронике, рас-
смотрены средства измерения, а также приведены основные метроло-
гические характеристики приборов, позволяющие из мноюобразия
измерительных средств выбрать Оптимальные для выполнения реаль-
ных метрологических задач.
Учебник написан в соответствии с действующей примерной прог-
раммой Государственного образовательного стандарта и входит в блок
учебных пособий ио предмету «Электротехнические измерения». Ра-
нее издательством «КноРус» выпущены лабораторный практикум
и сборник задач того же автора. Материал основан на мноюлетнем
опыте преподавания названной дисциплины и изложен в доступной
форме с учетом последних достижений в области электротехнических
измерений. Для проверки полученных знаний после каждой главы
приведены контрольные вопросы
Автор выражает глубокую признательность рецензентам А.В. Ко-
чер! иной и В.А. Гурьеву за ценные замечания, высказанные на этапе
рецензирования рукописи.
Отзывы и предложения tto содержанию настоящего учебника сле-
дует направлять ио адресу. 129110, Москва, Б. Переяславская, 46,
стр. 7, ООО «Издательство КноРуо.
Принятые сокращения
АИМС — аналоговая интегральная микросхема
АИП — аналоговый измерительный прибор
AM амплитудная модуляция
АПП - автономные программируемые приборы
АРУ автоматическая регулировка усиления
АЦП аналого-цифровой преобразователь
ЛЧ X амплитудно-частотная характеристика
ВАХ - вольт-амперная характеристика
ВЧ — высокие частоты
Предисловие
ГВЧ генератор высоких частот
ГЗЧ — генератор звуковых частот
ГИ — генератор импульсов
ГЛИН - генераторлинейно-изменяющегося напряжения
ГНЧ - генератор низких частот
ГС генератор сигналов
ГСВЧ генератор сверхвысоких частот
ГСП - государственная система приборов
ГСС - генератор стандартного сш нала
ГУЗЧ — генератор ультразвуковых частот
ЗУ — запоминающее устройство
34 — звуковые частоты
ИВК — измерительно-вычислительный комплекс
ИГ измерительный генератор
ИЗЧ инфразвуковые частоты
ИИС информационно-измерительная система
ИМ С — интегральная микросхема
КВО — канал вертикального отклонения луча
КГО — канал горизонтального отклонения луча
КИС - компьютерно-измерительная система
КСВ коэффициент стоячей волны
ЛА - логический анализатор
МПК — микропроцессорный контроллер
НЧ - низкие частоты
ОС — обратная связь
ООС — отрицательная обратная связь
ОУ — операционный усилитель
ПЗУ - постоянное запоминающее устройство
ПК персональный компьютер
ПОС — положительная обратная связь
Предисловие
П СД — плата сбора данных
РА радиоаппаратура
РЭА - радиоэлектронная аппаратура
СВЧ — сверхвысокие частоты
СИ — синхроимпульсы
У 34 — ультразвуковые частоты
У ПТ — усилитель постоянного тока
У У — устройство управления
Ф - формирователь
ФАПЧ — фазовая автоподстройка частоты
ФВ «[хазовращатель
ФЛ фигура Лиссажу
ФВЧ фильтр верхних частот
ФНЧ фильтр нижних частот
ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь
ЦИ — цифровой индикатор
ЦИМС цифровая интегральная микросхема
ЦИП — цифровой измерительный прибор
ЧМ — частотная модуляция
ША шина адреса
ШД шина данных
Ш У - широкополосный усилитель
ЭВ — электронный вольтметр
ЭВМ — электронная вычислительная машина
ЭЛТ — электронно-лучевая трубка
ЭО — электронный осциллограф
ЭЧ — электронный частотомер
Условные обозначения
с - цена деления (постоянная прибора)
S — чувствительность прибора
Предисловие
кш - пересчетный коэффициент шкалы в многопредель-
ном приборе
А - показание рабочего прибора
А„ - показание образцового прибора (истинное значе-
ние)
А„ - номинальное значение
Рв потребляемая вольтметром мощность
Рл потребляемая амперметром мощность
1В потребляемый вольтметром ток
С/д - падение напряжения на амперметре
о - точность измерения
Д абсолютная погрешность
уд - действительная относительная погрешность
упр приведенная относительная погрешность
ki, k„ - показатели степени
R — сопротивление резистора
Wt - энергия, запасенная конденсатором
Uy _ энергия, запасенная катушкой индуктивности
С емкость конденсатора
L индуктивность катушки
f - высокая (несущая) частота
F низкая (модулирующая) частота
Атах максимальное значение измеряемого параметра
ЛГО]П - минимальное значение измеряемого параметра
D) - диапазон измерения по току
Di диапазон измерения по напряжению
Df - диапазон измерения по частоте
- удельное сопротивление по постоянному току
мультиметра
RV3_l — удельное сопротивление по переменному току
мультиметра
Предисловие
Ry - измеряемое сопротивление резистора
►()◄>> установка показаний индикатора на нуль
-калибровка
напряжение в децибелах
- цена деления масштабной сетки ocuiuvioi рафа по
горизонтали
св — цена деления масштабной сетки осциллографа по
вертикали
л’у - чувствительность осциллографа по каналу Y
- чувствительность осциллографа по каналу X
Ав — значение параметра сигнала по вертикали на экране
осциллографа
А, — значение параметра по горизонтали на экране
осциллографа
пв — линейный размер параметра по вертикали в деле-
ниях (клетках) масштабной сетки осциллографа
п, — линейный размер параметра по горизонтали в деле-
ниях (клетках) масштабной сетки осциллографа
А и (А1;) коэффициент усиления по напряжению
£7° — уровень лошческого нуля (значение напряжения
в нуле)
U1 — уровень логической единицы (значение напряже-
ния в единице)
коэффициент передачи тока в схеме с общей базой
(общим эмиттером)
1ст, - обратный ток коллектора (ток неосновных носите-
лей)
прямое напряжение диода
I/, обратный ток диода
Uz - напряжение стабилизации
h-a - выходная проводимость
/гр — граничная частота
tZ<n (Ц>а) ” выходное напряжение на нервом (втором) выходе
имс
£7io ( Ц.ы) напряжение смещения ИМС
1ГС1 - потребляемый ток ИМС
/вх - входной тсж на прямом и инвертирующем входе
ИМС
U„n напряжение питания
£Jm - амплитудное значение напряжения
U — среднеквадратичное значение синусоидального на-
пряжения
ВВЕДЕНИЕ
Человек стал измерять параметры материального мира еще в до-
исторические времена. В процессе развитии Topi овли, ремесел, техни-
ки, промышленности роль измерений возрастала, и сегодня научно-
технический прогресс без измерений невозможен.
Исторические документы свидетельствуют о том, что но мере раз-
витии человечества возникало и возникает множество проблем, для
решения которых необходимо располагать количественной инфор-
мацией о том или ином свойстве объектов материального мира (про-
цесса, явлении, вещества). Для получения такой информации и необ-
ходимы измерения, правильность выполнения которых обеспечивает
достоверный результат.
Без проведении широкого комплекса измерений неосуществим на-
учный поиск, проектирование и И31 отопление любого сооружения или
изделия (здания, плотины, станка, самолета, ракеты и т.д.).
Важное значение измерений для науки подчеркивали mhoi не уче-
ные мира во все времена. Галилео Галилей говорил. «Измеряй все до-
ступное измерению и делай доступным все недоступное ему». Макс
Планк отмечал: «В физике существует только то, что можно изме-
рить». Основоположник отечественной метролоши Д.И. Менделеев
значение и роль измерений для науки сформулировал так. «В природе
мера и вес — суть >лавное оружие познании. Наука начинается с тех
пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры». Фи-
зика и химия стали науками лишь тогда, koi да были найдены точные
единицы учета, познаны законы их развития. Электричество, напри-
мер, стало достуным для изучении и применении после установления
вольт и ампер.
Проверка правильности показаний измерительных приборов и
средств измерений была, есть и будет важнейшей задачей пользовате-
лей. Значимость поверки измерительных инструментов подтвержда-
ется дошедшими до нас фактами из истории. В Древней Бухаре (Сред-
няя Азия) в XVII в. уже следили за правильностью мер веса и длины.
Очевидец об .->том рассказывал так. «Вот едет худой старец в большой
белоснежной чалме, в богатом парчовом халате. Под ним хороший конь
с богатой сбруей, золоченое седло и посеребренные стремена. За ним
следуют быстрым шагом девить здоровых молодых людей с палками.
Это едет блюститель меры веса и длины на базарах, суровый цензор
нравственности "правоверного города". Среди базарного люда — заме-
12
Введение
шательство и любопытство. Вот блюститель въезжает в ряд шелковых
тканей, где сидят купцы, важные и степенные. Он поравнялся с одной
из лавок, попридержал коня и слетка кивнул головой на торговца. Мо-
ментально к тому подбегает кто-нибудь из слуг блюстителя с образцом
базарного аршина и, сравнив последний с тем, что было у купца, бы-
стро возвращается к раису (блюстителю) и показывает, что газ (мера
длины) купца несколько короче установленного образца. Блюститель
называет одну какую-либо цифру (но всегда нечетную), например
одиннадцать. Тогда к продавцу приближаются двое слуг блюстителя
с палками. Один сталкивает его с прилавка и быстро вскидывает себе
на спину, другой закидывает ему халат и рубашку на голову и, спустив
штаны, начинает наносить палкой удары. Если виновный кричит, то
счет палочных ударов начинают снова с того удара, при котором на-
казуемый перестал кричать. По окончании экзекуции продавец, об-
ливаясь горькими слезами от боли и стыда, с волочащимися по земле
штанами, подходит к блюстителю и целует ему руку. Преступление об-
наружено и преступник наказан. Блюститель едет дальше...».
Невозможно и, пожалуй, не нужно искать конкретные даты возник-
новения электронных измерений, или радиоизмерений. Изобретатель
радио А.С. Попов с полным правом может и должен считаться родона-
чальником науки о радиоизмерениях. Им создан первый радиоизме-
рительный прибор — грозоотметчик.
Первая в России лаборатория, изготовлявшая радиоизмеритель-
ные приборы, организована в 19131. академиком М.В. Шулейкиным, а
в 1918 I. эта работа была продолжена и расширена коллективом Ниже-
городской лаборатории.
Сами технологические процессы в настоящее время в значитель-
ной мере состоят из измерительных операций. Например, для изготов-
ления современного авиационного двшателя нужно выполнить более
100 тыс. различных технологических операций, почти половина из ко-
торых контрольные, связанные с теми или иными измерениями.
Разнообразные измерения повседневно количественно характе-
ризуют окружающий нас мир, раскрывают действующие в нем за-
кономерности. В России ежеминутно выполняются миллионы из-
мерений с помощью огромного парка измерительных приборов от
знакомых каждому торговых весов до сложнейших информационно-
измерительных систем.
Можно выделить три главные функции измерении в современном
мире:
• контроль и регулирование технологических процессов;
Введение 13
• контроль физических величин, технических параметров, характе-
ристик процессов при научных исследованиях;
• учет продукции при различных формах хозяйствования.
Высокаяточностьири управлении космическими полетами во мно-
гом достиг нута благодаря постоянному совершенствованию средств и
методов измерений.
В США 50% ассигнований на космические исследования составля-
ют затраты на измерительную технику. В России 25% бюджета элект-
ронной, авиационной и химической промышленности составляют за-
траты на измерительную технику для этих областей.
Особое место в настоящее время отводится измерениям в борьбе
за экономию ресурсов и повышение качества продукции, а также при
проведении сертификационных испытаний.
Электротехнические измерения широко используются во многих
сферах жизни:
• медицине (компьютерная томография, кардиографы и многое дру-
гое),
• торговле (весовая измерительная база, терминалы);
• службе ГИБДД (определение скорости перемещения автомобиля,
основанное на эффекте Доплера),
• службе времени (разнообразные часы);
• быту (счетчики для учета расхода воды, электроэнер! ин, тепла).
Широкое использование электротехнических измерений в смеж-
ных отраслях, например в микроэлектронике для оценки изделий
и техноло! ических процессов, решает проблемы повышения качества
продукции, а качество в условиях рыночной экономики является важ-
нейшим показателем конкурентоспособности любого изделия.
Одно из 1лавных направлений развития современной измеритель-
ной техники — переход на цифровые методы с использованием при-
боров с цифровым отсчетом, автоматизация измерений и дальнейшее
развитие компьютерно-измерительных систем (КИС), в частности, их
разновидности — виртуальных измерительных приборов.
ГЛАВА 1.ОСНОВНЫЕ
СВЕДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ
1.1. Основы теории и практики измерений
Общие сведения. Электротехнические измерения представляют
собой совокупность электрических и электронных измерений, кото-
рые можно рассматривать как один из разделов метрологии. Назва-
ние «метроло1ия>> образовано от двух греческих слов, metion мера
и logos слово, учение; дословно: учение о мере. В современном пони-
мании мегроло! ией называют науку об измерениях, методах и средствах
обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Oi ромное количество измерений производится с помощью разных
ио принципу действия и точности средств измерения. Результаты из-
мерений, полученные экспериментаторами в разное время и в разных
местах, должны быть сопоставимы между собой. Необходимо также
обеспечить единство измерений в масштабах каждого предприятия
и всего государства в целом. Поэтому органы метроло! ического надзо-
ра наделены законодательными функциями. Нормативно-техническая
документация разрабатывается с учетом норм и правил выполнения
измерений, а также требований, направленных на достижение един-
ства измерений. Порядок разработки и испытаний средств измерения,
термины, определения, единицы физических величин и правила их
применения унифицированы и узаконены стандартами 1осударствен-
ной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) и друшми обя-
зательными к применению нормативными документами.
Результат измерения любой физической величины представляет
собой значение этой физической величины, полученное путем ее из-
мерения. Результат измерения состоит из двух частей, числа, опреде-
ляющего соотношение между измеряемой величиной и единицей из-
мерения, и наименованием единицы измерения.
Запись любого результата измерения должна содержать пробел
в один символ между частями, в противном случае может появиться
неоднозначность ее прочтения: запись 100 Ом может быть понята как
1000 митд.
Электронные измерения, как и электрические, сводятся в конечном
счете к измерению силы тока, напряжения, мощности и частоты. Одна-
ко при этом имеют ряд существенных особенностей:
1.1. Основы теории и практики измерений
15
Спектр частот электромашитных колебаний, используемый
в электронике, простирается от сверхнизких частот (доли Гц)
до частот, соответствующих инфракрасным и световым волнам
(десятки ГГц). В зависимости от частоты для измерения одной и
той же величины требуются измерительные приборы, различные
ио конструкции и принципу действия. Например, для измерения
мощности при постоянном токе необходимо знать силу тока и па-
дение напряжения на данном участке цепи или сопротивление:
P=I и=Р R=V2/R (1.1)
В области ВЧ и СВЧ понятия силы тока и напряжения теряют фи-
зический смысл (из-за большой погрешности измерения), поэтому
о мощности судят по энерши. преобразованной в тепло, свет и пр
Кроме того, на разных частотах сами элементы цепи могут иметь
также различные свойства. Например, идеальный конденсатор без
потерь можно представить эквивалентной схемой, показанной на
рис. 1.1, а в виде последовательного соединения собственно конден-
сатора С и катушки индуктивности Lc, создаваемой его выводами.
Рис. 1.1. Эквивалентная схема идеального конденсатора без потерь (а)
и график зависимости сопротивлений л£, хс, z от частоты/(6)
Зависимость индуктивного и емкостного сопротивления конден-
сатора выражается известными формулами:
Х£ “ со!^,
xt ' 1 /ыС,
(1.2)
(1.3)
а общее сопротивление конденсатора формулой
На рисунке 1.1, б показана зависимость сопротивлений xL, хс и 2
идеального конденсатора от частоты /, из которой следует, что на
16
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ
частотах от нуля до резонансной сос = 1/yjl( C комплексное сопро-
тивление 2 имеет отрицательный характер, т.е. выполняет роль
конденсатора, а на частотах со > од общее сопротивление конден-
сатора имеет положительный характер, т.е. теряет свои свойства
и играет роль катушки индуктивности.
2 Диапазон изменения измеряемых величин очень широк: ио мощ-
ности - от долей микроватт (10 6) до десятков и сотен мегаватт
(10*’); ио напряжению — от долей микровольт (10_<i) до десятков
киловольт (103); но времени — от нескольких пикосекунд (10-12)
до нескольких секунд. Такие широкие диапазоны не MOtyT быть
перекрыты приборами одного типа, одной конструкции пли одно-
го принципа действия.
3 Из-за широкого частотного диапазона измеряемых вели чин возни-
кают серьезные трудности при устранении влиянии разного рода
паразитных индуктивностей и емкостей.
4 Необходимо измерять малые токи, протекающие ио большим со-
противлениям, в то время как при электрических измерениях при-
ходится измерять большие токи, протекающие ио сравнительно
малым сопротивлениям. С этой особенностью связаны наиболее
жесткие требования к значению входной» сопротивления элект-
ронных вольтметров.
5 Необходимо измерять множество параметров, не встречающихся
при .-щектрических измерениях: добротность Q, длительность им-
пульса t„, тангенс потерь tg 8 и др.
6 Основным объектом исследования в электронике является элект-
рический сигнал, в связи с чем возникает необходимость наблю-
дения формы и спектра электрических колебаний, а также гене-
рирования их копий. Б практике электронных измерений нашли
широкое применение приборы, позволяющие наблюдать и реги-
стрировать такие колебания: осциллографы, анализаторы спектра,
характериографы; а в качестве источников электрических си на-
лов применяются измерительные генераторы.
7 Сложность структуры современных электронных устройств и си-
стем. а также множество параметров, описывающих их работу, при-
водят к разнообразию измерений даже в одном эксперименте, что
обусловило необходимость их комплексного проведения быстро
и точно, т.е. решения вопроса об автоматизации измерений.
Основные понятия, термины, определения. Основные метроло-
гические понятия, термины и определения формулируются государ-
ственными стандартами.
1.1. Основы теории и практики измерений 17
Измерение — это процесс нахождения значения физической вели-
чины опытным путем с помощью специальных средств. В зависимости
от способа получения результата измерения делятся на прямые и кос-
венные.
При прямых измерениях искомая физическая величина определя-
ется непосредственно по индикатору прибора: напряжение — вольтме-
тра, частота частотомера, сила тока — амперметра. Прямые измере-
ния очень распространены в метрологической практике.
При косвенных измерениях интересующая нас величина находится
расчетным путем но результатам измерений друтх величин, связан-
ных с искомой величиной определенной функциональной зависимо-
стью. Например, измерив силу тока и напряжение, на основании из-
вестной формулы можно определить мощность:
PX=U I.
Косвенные измерения также часто применяются в метрологоче-
ской практике.
Мера (прибор) это средство измерения, предназначенное для вос-
произведения физической величины заданного размера. По своему метро-
лошческому значению, по той роли, которую они играют в деле обеспече-
ния единообразия и верности, меры делятся на образцовые и рабочие.
Эталон — это тело или устройство самой высокой точности, служа-
щее для воспроизведения и хранения единицы физической величины
и передачи ее размера нижестоящим но поверочной схеме. Примером
точности эталона может служить Российский государственный эталон
времени, погрешность которого за 30 000 лет не будет превышать 1с.
Физическая величина - это свойство, общее в качественном от-
ношении для множества объектов, физических систем, их состояний
п происходящих в них процессов, но индивидуальное в количествен-
ном отношении для каждого из них. По принадлежности к различным
группам физических процессов физические величины делятся на элек-
трические, магнитные, пространственно-временные, тепловые и пр.
Значение физической величины — это оценка физической величи-
ны в принятых единицах измерения (например, 5 мА — значение силы
тока, причем 5 - это числовое значение). Именно этот термин приме-
няют для выражения количественной характеристики рассматривае-
мого свойства. Не следует говорить и писать «величина силы тока»,
«величина напряжения», поскольку сила тока и напряжение сами яв-
ляются величинами. Следует использовать термины «значение Силы
тока», «значение напряжения».
18 ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ СВВДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ
При выбранной оценке физической величины ее можно охаракте-
ризовать истинным и действительным (измеренным) значением изме-
ряемой физической величины.
Единица физической величины - это физическая величина, кото-
рой но определению присвоено стандартное числовое значение, равное
единице. Единицы физических величин подразделяются на основные
и производные.
Из-за большого диапазона реальных значений большинства из-
меряемых физических величин применение целых единиц не всегда
удобно, поскольку в результате измерений получаются большие или
малые их значения. Поэтому в системе измерений СИ (.S7 - система
интернациональная) установлены дольные и кратные единицы. В Рос-
сии действует ГОСТ 8.417—2002 «ГСН. Единицы физических вели-
чин*-, устанавливающий международную систему единиц СИ. В При-
ложении 1 приведены единицы физических величин, используемые
в электротехнике и электронике, а также соотношения кратных или
дольных единиц и основных единиц. Эти соотношения образуются с
помощью множителей.
Кратная единица физической величины всегда больше основной
(системной) в целое число раз. Например, мегаом (106 Ом), киловольт
(10‘В).
Дольная единица физической величины меньше основной (си-
стемной) в целое число раз. Например, нанофарад (10-в Ф), микроам-
пер (10-е А).
Истинное (действительное) значение физической величины
это значение, свободное от иогрешности Нахождение истинного зна-
чения является главной проблемой метролот ни, так как погрешности
при измерении неизбежны. В связи с этим на практике за истинное
значение принимают показание образцовой меры (прибора), иотреш-
ность которой пренебрежимо мала ио сравнению с погрешностью при-
меняемых рабочих мер (приборов).
Измеренное значение физической величины это значение вели-
чины, отсчитанное ио рабочей мере (прибору).
Измерительный прибор - это средство измерения, в результате
применения которого измеряемая физическая величина становится
показанием.
Измерительные приборы, используемые в электронике, ио принци-
пу действия подразделяются на электромеханические и электронные.
В электронных аналоговых измерительных приборах в качестве с грелоч-
ных индикаторов часто используются элекг)юмеханнческие приборы.
1.1. Основы теории и практики измерений 19
Классификация аналоговых измерительных приборов и их шкал.
По принципу действия все измерительные приборы делятся на две
группы;
• электромеханические приборы, используемые в целях постоян-
ного тока и па низких частотах,
• электронные приборы, используемые в цепях постоянного тока
и во всем диапазоне частот.
По способу выдачи результата измерительные приборы подразде-
ляются на аналоговые и цифровые:
• аналоговые (со стрелочным индикатором, самопишущие), показа-
ния которых являются непрерывной функцией измерения и изме-
ряемой величины,
• цифровые, показания которых образуются в результате автомати-
ческого вырабатывания дискретных сш налов измерительной ин-
формации, представленной в цифровой форме.
Различают измерительные приборы прямого действия и приборы
сравнения.
Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на
индикаторе в единицах этой величины. Изменения рода физической
величины в процессе измерения не происходит. К таким приборам от-
носятся амперметры и вольтметры.
Приборы сравнения (компараторы) служат для сравнения изме-
ряемых величин с величинами, значения которых известны.
По назначению приборы делят на рабочие и образцовые.
Рабочие приборы предназначены только для измерения во всех об-
ластях хозяйственной деятельности.
Образцовые приборы служат для поверки и градуирования рабо-
чих приборов. Погрешность измерения образцовых приборов на 1—2
порядка меньше но сравнению с рабочими приборами.
Стоимость прибора напрямую связана с погрешностью измерения:
если прибор имеет погрешность в 10 раз меньше, то стоит такой при-
бор в 10 раз дороже. Использовать образцовые приборы для массовых
измерений экономически нецелесообразно, поэтому в лабораториях
учебных заведений и на производстве применяются в основном рабо-
чие приборы.
Шкалы АИП классифицируются по следующим признакам.
По признаку равномерности различают равномерные (линейные)
и неравномерные шкалы:
• равномерная шкала это шкала с делениями постоянной длины
и с постоянной ценой деления (рис. 1.2, а). Такую шкалу имеют
20 ГЛ ABA 1. ОСНОВНЫЕ СВВДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ
электромеханические приборы только ма> нитоэлектрической си-
стемы,
• неравномерная шкала — это пиша с делениями непостоянной
длины и с непостоянной ценой деления (рис. 1.2, б). Такую шкалу
имеют электромеханические приборы выпрямительной, электро-
магнитной, электродинамической, ферродинамической, электро-
статической, термоэлектрической систем.
О 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50
© ©
а б
0 100 ~ 3 0
(mA) (к©
Рис. 1.2. Шкалы аналоговых приборов равномерная (я), неравномерная (6).
прямая (в), обратная (г), односторонняя (г)), двухсторонняя (е). безнулевая (м)
По признаку направления градуирования различают прямые и об-
ратные шкалы:
• прямая шкала градуирована слева направо, т.е. нуль на шкале рас-
положен слева (рис 1.2, в). Такая шкала является самой распро-
страненной в АГШ,
* обратная шкала градуирована справа налево, т.е. нуль на шкале
расположен справа (рис. 1.2, г). Такая шкала используется, напри-
мер, в аналоговых мультиметрах при отсчете значения сопротив-
ления резисторов и емкости конденсаторов
По положению нуля на шкале и направлению движения стрелки
индикатора различают односторонние, двухсторонние и безнулевые
шкалы:
1.1- Основы теории и практики измерений
21
• односторонняя шкала это шкала, стрелка индикатора кото-
рой при измерении отклоняется только в одну сторону от нуля
(рис. 1.2, д'). Такая шкала является самой распространенной:
• двухсторонняя шкала - это шкала, стрелка индикатора при из-
мерении которой отклоняется как влево, так и вправо от нуля.
Причем отклонение влево от нуля дает отрицательные значения
измеряемой величины, а отклонение вправо - положительные
(рис. 1.2, е). Такую шкалу имеют индикаторы аналотовых измери-
тельных мостов и гальванометры;
• безнулевая шкала — это шкала, на которой отсутствует нулевая
отметка (рис. 1.2, лс) Такую шкалу имеют электромеханические
частотомеры, генераторы, градуированные ио частоте, длительно-
сти импульсов, временному сдвигу.
Основные показатели шкал приборов. Электромеханические
и электронные аналоговые измерительные приборы (ЛИП) доста-
точно широко распространены в метролотической практике. Приборы
и их шкалы характеризуются рядом основных показателей.
Деление шкалы — это промежуток между двумя соседними отмет-
ками шкалы
Цена деления шкалы (постоянная прибора) с указывает число
единиц измеряемой величины, приходящееся на одно деление шкалы
(рис. 1.3):
п ’ (1.4)
где А |, А2 соседние оцифрованные деления,
п количество делен й между двумя цифрами
Рис. 1.3. Определение цены деления шкалы
На примере (см. рис. 1.3) цена деления шкалы составляет
с (20-10) В В
5 дел. дел.
В неравномерной шкале цену деления находят на участке шкалы (толь-
ко не в начале) между двумя соседними оцифрованными делениями.
22
ГЛАВА 1- ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ
Шаг шкалы - это интервал оцифрованных делений на шкале при-
бора. Например, если на шкале индикатора нанесены оцифрованные
деления 0 - 10—20 30—40—50, то шаг шкалы равен 10.
Рабочий участок шкалы АИП — это участок, в пределах которого
но1решность прибора не выходит за указанный класс точности. Для
шкалы миллиамперметра, показанной на рис. 1.4, а, рабочим участком
является участок от 10 до 50 мА (он же является диапазоном измере-
ния в однопредельном приборе). Для шкалы вольтметра, показанной
на рис. 1.4 б, рабочим участком является участок от 3 до 10 В. На ра-
бочем участке завод-изготовитель приборов 1арантирует заявленный
класс точности с первого оцифрованного деления шкалы аналогового
индикатора
0 10 20 30 40 50 0 3 4 5 6 7 8 9 10
@ ©
а б
Рис. 1.4. Шкалы аналоговых приборов с разными рабочими
участками миллиамперметра (я), и вольтметра (б)
Коэффициент шкалы к,„ для однопредельных приборов всегда
равен единице, а в многопредельных приборах имеет свое конкретное
значение на каждом пределе. Коэффициентом шкалы называют от-
ношение предельных значений двух пределов измерений: изначаль-
ного, на который 1 радуирован прибор, и текущего, включением о для
конкретного измерения. Например, в трехпредельном миллиампер-
метре с пределами 5—20—100 мА шкала прибора (рис. 1.5) градуи-
рована для одного предела — 5 мА. Для трех пределов коэффициент
шкалы будет разным.* 1 -4 20 соответственно. В результате при от-
клонении стрелки на показатель «3» (но шкале «5») прибор покажет:
3-12-60 мА
Рис. I.S. Шкала трехпредельного миллиамперметра 0 400 Гц
Номинальное значение шкалы А„ определяется но формуле
1.1. Основы теории и практики измерений 23
Л-Алах-Ашп. (1-5)
где Агоах — верхний предел шкалы,
4^ — нижний предел шкалы.
В приборах с односторонней шкалой (см. рис. 1.2, а) Д, Amax '
50 В. В приборах с двухсторонней шкалой (см. рис. 1.2, е) А„ Атах -
- ( Amin) = 2Агоах 40 мА. В приборах с безнулевой шкалой (см.
рис. 1.2, ж) А„ - Amax - Ат1П 10 Гц.
Чувствительность s прибора по измеряемому параметру пока-
зывает число делений шкалы, приходящееся на единицу измеряемой
величины, т.е. является величиной, обратной цене деления:
_ 1 _ п
с А-А (1.6)
Чувствительность многопредельного прибора определяют на са-
мом малом пределе измерения.
Частотный диапазон прибора необходимо знать для правильного
его использования и для получения наименьшей погрешности изме-
рения. Частотный диапазон ато полоса частот, в пределах которой
iiOipeniHOCTb прибора, полученная при изменении частоты си шала,
не превышает допустимого предела. Различают приборы для работы в
цепях постоянного тока, переменного тока и универсальные (исполь-
зуемые в цепях постоянного и переменного тока).
Для приборов, работающих в цепях постоянно! о тока, частота равна
нулю; для приборов, работающих в цепях переменного тока, и универ-
сальных приборов на шкале индикатора и в паспорте обычно указы-
вается частотный диапазон. Например, для миллиамперметра, изобра-
жение шкалы которого было приведено ранее (см. рис. 1.5), частотный
диапазон составляет 0...400 Гц
Внутреннее сопротивление прибора (амперметра, вольтметра)
обычно указывается в паспорте и на лицевой панели (прямо или кос-
венно) Для амперметров характерно малое сопротивление Т?А, для
вольтметров — большое сопротивление 7?в-
Потребляемая прибором мощность определяется по следующим
формулам:
для амперметра
Р1=£Л (1.7)
а для вольтметров
(1-8)
24 ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ СВВДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ
Чем потребляемая мощность меньше, тем точнее измерение.
Потребляемый вольтметром ток выражается формулой.
падение напряжения на амперметре формулой
и A IkRk (1.10)
Рабочее положение прибора может быть разным:
• горизонтальным (на шкале обозначается символами «П>> или
• вертикальным (на шкале обозначается символами «_1_» или < ?»>);
• наклонным (на шкале обозначается символом с указанием
yi ла наклона).
Если допускается любое рабочее положение, то обозначение отсут-
ствуют.
Род тока, для работы на котором предназначен прибор, обознача-
ется на шкале:
• постоянный ток символом «—
• переменный ток— символом «-»;
• трехфазный ток символом «=>>.
На шкалу универсального прибора наносится символ
Предел измерений параметра — это наибольшее значение диапа-
зона измерений.
Диапазон измерений параметра — это область значений измеряемой
величины, для которой нормированы допускаемые погрешности АИП.
1.2. Основы теории погрешностей
Основные понятия. При любом измерении физической величины
неизбежны погрешности, какими бы точными и совершенными ни
были средства и методы измерения и как бы тщательно ни выполня-
лись эти измерения. Поэтому истинное значение физической величи-
ны определяется только приблизительно.
Погрешность характеризует несовершенство измерении. Характе-
ристикой качества измерения является точность измерения V, отра-
жающая меру близости результата измерения к истинному значению
измеряемой физической величины.
Вопросы погрешности являются основополагающими в теории
и практике метрологии, в которой используются два понятия, по-
грешность результата измерения и погрешность средства измерения.
1.2. Основы теории погрешностей
25
Эти понятия близки друч к другу и классифицируются но одинаковым
признакам.
Погрешность результата измерения - это отклонение результа-
та измерения от истинного значения измеряемой физической величи-
ны. Так как истинное значение измеряемой величины неизвестно, то
при количественной оценке погрешности измерения используют зна-
чение физической величины, найденное экспериментально и настоль-
ко близкое к истинному значению, что в реальной измерительной за-
даче может быть использовано вместо него.
Погрешность средства измерения это разность показаний сред-
ства измерения и истинно! о (действительного) значения измеряемой
физической величины. Она характеризует точность измерений, вы-
полняемых с помощью данного прибора.
В электротехнических измерениях различают несколько видов по-
грешностей, которые можно разделить на две большие группы: основ-
ная и дополнительная.
Основная погрешность определяется при нормальных условиях
работы (температуре, давлении и влажности окружающей среды, ча-
стоте, форме и значению питающего напряжения).
Дополнительная погрешность появляется при отклонении значе-
ний, влияющих на результат измерения, от нормальных.
Основная погрешность включает в себя две составляющие: систе-
матическую и случайную.
Систематическая погрешность при повторных измерениях
одной и той же величины одним и тем же прибором остается посто-
янной или изменяется но определенному закону. В обоих случаях она
легко обнаруживается и может быть исключена из результата изме-
рений. Источниками систематической погрешности могут быть сред-
ство измерения (инструментальная составляющая), метод измерения
(методическая составляющая), оператор (субъективная составляю-
Практическими рекомендациями но уменьшению систематической
иО|решности являются предварительная установка показания инди-
катора на нуль, предварительная калибровка прибора и введение по-
правки.
Предварительная (перед измерением) установка показания инди-
катора на нуль может производиться с помощью.
• механического корректора (для электромеханических приборов);
• регулировочного потенциометра, обозначенного символом
(для электронных приборов — анало| овых и цифровых).
26 ГЛ ABA 1. ОСНОВНЫЕ СВВДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ
Предварительная калибровка (только для электронных приборов)
выполняется с помощью регулировочного потенциометра, выведенно-
го на лицевую панель прибора и обозначенного символом «▼ •. Значе-
ние калибровочног о сигнала обычно указывается на шильдике (лице-
вая панель) и в паспорте прибора.
Введение поправки рассмотрим ниже в этой главе.
Случайная погрешность при повторных измерениях изменяется
случайным образом Она резко выделяется на фоне систематической
hoi решности. Основным способом уменьшения случайной погрешно-
сти является обработка результатов измерений методами статистики
и теории вероятности.
Погрешности прямых измерений. Прямое измерение — это изме-
рение, при котором искомое значение физической величины опреде-
ляют непосредственно но индикатору прибора. Часто под прямым
понимают такое измерение, при котором промежуточное преобразо-
вание не производится. Примером прямых измерений может служить
измерение фазового сдвига и напряжения известными приборами (фа-
зометрами и вольтметрами).
Далее будем рассматривать основную систематическую погреш-
ность, для количественной оценки которой при прямых измерениях
пользуются понятиями и формулами, выражающими абсолютную,
действительную и приведенную относительные погрешности изме-
рения.
Абсолютная погрешность измерения д — это отклонение резуль-
тата измерения (показание рабочего прибора А") от истинного значе-
ния (показание образцового прибора А„). взятое по модулю:
Д К 4 (in)
Истинное значение измеряемой величины неизвестно, поэтому
вместо него используют так называемое действительное значение
значение измеряемой величины, найденное экспериментальным путем
с помощью образцового прибора. На практике значение погрешности
измерения можно оценить только приближенно.
Для получения действительного значения измеряемой величины
в ряде случаев учитывают ног решности средств измерений путем вве-
дения поправок.
Поправка с — абсолютная погрешность, взятая с обратным зна-
(1-12)
1.2. Основы теории погрешностей 27
Абсолютная погрешность, характеризуя значение полученной по-
грешности, не определяет качество проведенного измерения. Поэтому
используют действительную относительную погрешность измерения
Действительная относительная погрешность измерения ул —
отношение абсолютной погрешности измерения к показанию рабочего
прибора, выраженное в процентах:
|д|
?я=Ь1100% (1.13)
Действительная относительная погрешность измерения связана
обратной зависимостью с точностью измерения v — высокой точности
измерения соответствует малая noi решность:
v = ~ <1Л4)
Приведенная относительная погрешность упр — это отношение
наибольшей абсолютной погрешности ДП1ах к некоторому нормирую-
щему (номинальному) значению А„, выраженное в процентах:
V.,, =1^100%. (1.15)
А
Номинальное значение А„ определяется по формуле (1.5).
Обобщая полученные сведения, можно утверждать, что в широ-
ко распространенной односторонней шкале номинальное значение
всегда равно верхнему пределу шкалы прибора. В многопредельных
амперметрах и вольтметрах с односторонней шкалой переключатель
пределов указывает номинальное значение.
Анализ формул (1.13) и (1.15) позволяет представить график зави-
симости погрешностей у, и уор от показания измерительного прибора А
на примере использования прибора с односторонней шкалой.
Из графика зависимости ув —J(А) (рис. 1.6) следует важный вывод,
имеющий практическое значение, действительная относительная по-
грешность измерения максимальна в 1-й четверти шкалы аналогового
прибора и минимальна в 4-й. Следовательно, для получения наимень-
шей погрешности измерения необходимо использовать 4-ю (в крайнем
случае 3-ю) четверть шкалы.
Из графика зависимости ylip — f (А) следует, что приведенная отно-
сительная погрешность не зависит от показания аналогового прибора,
поэтому величина упр положена в основу класса точности электромеха-
нических приборов.
28
ГЛАВА 1- ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ
Рис. 1.6. График зависимости погрешностей уд и у„
сп показания измерительного прибора
Электромеханические приборы делятся на девять классов точно-
— 0,05 0.1 0.2 0,5- 1.0 1.5 2.5 ———
1-й 9-й
класс класс
Класс точности всегда указывается на лицевой панели (цифрой без
знака «процент») и является сравнительной характеристикой различ-
ных электромеханических приборов.
Класс точности прибора, характеризуя приведенную относительную
погрешность, не является непосредственным показателем точности из-
мерения, так как существующая зависимость между действительной
и приведенной относительными погрешностями выражается формулой
(1.16)
Из формулы (1.16) следует, что погрешность измерения у, зависит
не только от класса точности (уир), но и от показания прибора (положе-
ния стрелки индикатора).
Формулами (1.13) и (1.16) пользуются при определении погреш-
ности измерения
Погрешности косвенных измерений. Косвенное измерение это
измерение, при котором искомое значение величины определяется пу-
тем выполнения определенных математических операций, т.е. оценка
погрешности производится ио формуле
1.2. Основы теории погрешностей 29
Т. -1*. Y.J + ' Xsl + - + I*. T..I. (1.17)
где kt, k2,... k„ показатели степени (могут быть положительными, отрица-
тельными, целыми или дробными числами)-,
Уд1,уд2, ... Уд, относи юльныс действительные погрешности прямых изме-
рений
Анализ формулы (1.17) позволяет сделать вывод, что при косвен-
ных измерениях погрешность, как правило, больше, чем при прямых
измерениях.
Рассмотрим пример. Напряжение 40 В измерено вольтметром с од-
носторонней шкалой: номинальное значение прибора 50 В, 6-й класс
точности (1,0%). Сила тока 2 мА измерена амперметром с односторон-
ней шкалой; номинальным значением прибора 3 мА, 6-й класс точ-
ности (1.0%). Определить значение измеренною сопротивлении рези-
стора, а также относительную и абсолютную погрешности измерения
сопротивления резистора.
Решение. В основе измерения сопротивления резистора лежит фор-
мула закона Ома:
R =—= 40 В = 20000 Ом = 20 кОм.
I 2 - 10А
Измерение сопротивления резистора косвенное, поэтому погреш-
ность измерения определим но формуле
Тлй “1*1 Ya1I + I*2 yJ-
Формулу Л =-у-запишем в виде R = Ul I ’. Из формулы следует,
что 41 — 1,*2 “ — 1-
Погрешность ул1 не что иное, как действительная относительная по-
грешность прямого измерения напряжения а у^ — действительная
относительная погрешность прямого измерения силы тока ул/, которые
находим по формуле (1.16):
u, =Т-v=®fcl=1-25%
Подставив полученные значения в формулу уяк, получим
Г,„-|1 1,25%Ы-Г
Используя формулу (1.13) в виде= —^-1О0“Ь„ найдем Дк:
30
ГЛАВА 1- ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ
Ar
= * УаК
100%
20 кОм 2,75%
100?А
= 0,55 кОм
Относительные погрешности могут быть положительными и отри-
цательными.
Большинство электронных приборов класса точности не имеют.
Допустимые значения абсолютной и действительной относительной
погрешностей приводятся в техническом паспорте в виде конкретной
цифры или формулы. Например, в паспорте генератора ГЗ-107 при-
ведена формула расчета действительной относительной погрешности
установки частоты.
где F значение устанавливаемой час юз ы
В паспорте измерительного генератора ГЗ-34 приведена формула
расчета абсолютной погрешности установки частоты.
Дг”±(1 + 0,02 F) Гц.
Контрольные вопросы
1. Что такое метрология?
2. Чем отличаются электронные измерения от электрических?
3. Что такое измерение?
4. Каково назначение образцовых приборов?
5. Каково назначение рабочих приборов?
6. Что такое физическая величина?
7. Что такое истинное значение физической величины?
8. Что такое мера?
9. Каково назначение эталона?
10. Что такое цена деления шкалы прибора?
11. Что такое чувствительность прибора и как она определяется?
12. Как определяется диапазон измерения параметра у прибора?
13. Как определяется частотный диапазон прибора и для чего он не-
обходим?
14. Как классифицируются шкалы электромеханических приборов?
15. Может ли шлрешность средства измерения быть равной нулю?
16. Может ли погрешность измерения быть равной нулю?
17. Погрешность какого измерения больше — прямого или косвен-
ного?
Контрольные вопросы 31
18. Перечислите погрешности средств измерения.
19. Какая погрешность определяет класс точности прибора?
20. Какой прибор измеряет с меньшей uoi решностью: 6-го класса точ-
ности (1,0%) или 8-то класса точности (2,5%)?
21. Какую четверть шкалы аналогового прибора следует использовать
для получения наименьшей погрешности измерения?
22. В какой четверти шкалы прибора действительная относительная
погрешность измерения будет наибольшей?
23. Приведите характеристики основной и дополнительной погреш-
ностей.
24. Перечислите причины возникновения случайной погрешности.
25. Перечислите причины возникновения систематической ногреш-
26. Перечислите способы уменьшения систематической погрешно-
27. Что такое погрешность измерения?
28. Перечислите способы уменьшения случайной погрешности.
29. Как зависит приведенная относительная погрешность от показа-
ния прибора?
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
2.1. Особенности цифровых
измерительных приборов
Общие сведения. Появление цифровых измерительных приборов
(ЦИП) коренным образом изменило представление о возможностях
измерительной техники. Заняв прочное место в практике измерений,
они непрерывно развиваются, вызывая большой интерес пользовате-
лей. Казалось, что аналоговые приборы «доживают» свой век. Однако
это далеко не так.
Применение ЦИП шраничивается спецификой обработки ре-
зультатов, от которой зависят точность показаний при измерении
среднеквадратичных значений напряжения, инерционность, невоз-
можность фиксировать mi новенные изменения, происходящие в це-
пях, noi решности, связанные с системой индикации, зависящей от
числа квантования и разрядности шины управляющею процессора
и разрядности собственно цифрового индикатора (ЦП). Поэтому
необходимо иметь сведения о работе не только современных ЦИП,
но и электромеханических приборов магнитоэлектрической и дру-
гих систем.
ЦИП это средство измерения, в котором непрерывный (аналого-
вый) chi нал автоматически преобразуется в цифровой си, нал измери-
тельной информации. По сравнению с аналоговыми измерительными
приборами (АИП) цифровые имеют ряд преимуществ:
• удобство отсчета значений измеряемого параметра;
• исключение субъективной ошибки оператора;
• возможность полной автоматизации измерений;
• высокая скорость измерений;
• возможность вывода результата измерений на ЭВМ
Однако АИП просты и надежны. В случаях koi да оператору необ-
ходимо следить за уровнем изменяющихся во времени ст налов, АИП
более удобны, благодаря наглядности информации об изменениях зна-
чения параметра, ею минимальном значении, приближении к конк-
ретному пороговому уровню и тщ.
Используемые в электронике ст налы можно разделить на анало-
говые, дискретные и цифровые (рис. 2.1).
2.1. Особенности цифровых измерительных приборов
Рис. 2.1. Сигналы, используемые в электронике а
аналоговый, 6 — дискретный; в — цифровой
В технике измерений широко используются импульсные измери-
тельные приборы, устройства и системы, принцип работы которых
основан на использовании дискретных сигналов. Простейшей матема-
тической моделью дискретною сигнала w4(Z) является последователь-
ность точек на оси времени, в которых заданы значения соответствую-
щею непрерывного он нала.
Цифровой сигнал является разновидностью дискретного сигнала.
В таком сигнале дискретные значения заменяются числами (чаще все-
го в двоичном коде), представляющими высокий (единица) и низкий
(нуль) уровень напряжения.
Главным преимуществом ЦИП являются более высокий КПД
и мощность потребления но сравнению с АП П, что объясняется клю-
чевым режимом работы активных (усилительных) элементов (АИП
работают в линейном режиме). В ключевом режиме достигается боль-
шая мощность в течение действия импульсов при малой средней мощ-
ности, потребляемой схемой, что заметно сказывайся на снижении
массогабаритных размеров ЦИП и повышении их надежности
Принципы построения. Аналоговый входной сшнал (сигнал из-
мерительной информации), характеризующий физический процесс,
преобразуется в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) в после-
довательность импульсов, которые далее обрабатываются цифровым
устройством. Это преобразование выполняется но одному из трех ва-
риантов: дискретизация, квантование или кодирование.
АЦП является важной частью ЦИП и представляет собой
устройство, автоматически преобразующее аналоювую измеряе-
мую величину в дискретную с последующим цифровым кодирова-
нием. В зависимости от схемы построения АЦП можно разделить
на три группы: последовательные, параллельные, последовательно-
параллельные.
34 ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Использование интегральных микросхем высокой степени интегра-
ции заметно расширило функциональные возможности ЦИП, повыси-
ло их надежность и одновременно снизило потребляемую мощность.
Большинство ЦИП автоматически выбирают пределы измерения, что
позволяет уменьшить погрешность измерения при большом динами-
ческом диапазоне входного сш нала.
Дискретизация — это процесс преобразования аналогового вход-
ного chi нала в дискретный. Преобразование можно выполнять но вре-
мени или но уровню.
Дискретизация но времени выполняется путем взятия отсчетов
сш нала и ДИ) в определенные детерминированные моменты времени.
В результате от входного сигнала остается только совокупность от-
дельных значений. Промежуток времени ДГ между двумя моментами
дискретизации называется шагом дискретизации Как правило, мо-
менты отсчетов но оси времени выбираются равномерными, т.е. шаг
дискретизации Д1 постоянен.
Квантование — это дискретизация по уровню. Квантование со-
стоит в том, что непрерывное но времени и амплитуде значение за-
меняется ближайшим фиксированным значением по установленной
шкале дискретных уровней. Эти разрешенные уровни образованы по
определенному закону с помощью мер. Разность А/ между двумя дис-
кретными уровнями называется шагом квантования Шаг квантова-
ния может быть постоянным и переменным
Дискретизация аналогового сшнала по времени целесообразна при
измерении его значения во времени. Если входной сш нал неизменен,
то выполняют квантование. Особым случаем является измерение вре-
менного интервала, koi да дискретизация не имеет смысла и обеспечи-
вается квантование собственно времени, а последующее преобразова-
ние обеспечивается кодированием.
Кодирование - это процесс представления численного значения
величины определенной последовательностью цифр или сш налов, т.е.
кодом. Для преобразования цифрового кода в напряжения, воздей-
ствующие на цифровой индикатор и формирующие показания ЦИП,
используются дешифраторы.
Цифровой код — это последовательность сигналов или цифр, изме-
няющихся по определенному .закону, которая обеспечивает условное
представление численного значения параметра
Описанные преобразования поясняются графиками, представлен-
ными на рис. 2.2.
Кодовая
Рис. 2.2. Сигналы в процессе аналого-цифрового преобразования- а — входной
аналоговый, б дискретизированный; к квантованный; г — кодированный
Входной сигнал x(t) представляет собой аналоговый сигнал во вре-
мени (см. рис. 2.2, и). Дискретизация выполняется с интервалом At.
Моменты дискретизации обозначены на рисунке цифрами 1,2,.... 9. На
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
практике такое преобразование можно обеспечить путем амплитудной
модуляции входным сигналом т(£). Последовательность коротких
импульсов задается периодом ДГ. Значения ст нала -ПО, полученные
после дискретизации (см. рис. 2.2, б), точно соответствуют мгновен-
ным значениям функции х(1). Если на этом графике отметить уровни
квантования, отстающие на расстояние Дт, то часть дискретных значе-
ний сигнала оказывается в промежутках между ними.
Процесс квантования по уровню сводится к округлению дискрет-
ных значений, соответствующих ближайшим разрешенным уровням.
В момент 1 мгновенное значение сигнала превышает уровень хл на ве-
личину, несколько меньшую 2 - Округление производится в сторону
уменьшения, а квантованное значение выбирается равным Jtj. В мо-
мент 2 значение сигнала превышает уровень х^ на величину больше —
и квантованное значение принимается равным х$. (см. рис. 2.2 в).
Заключительный этап преобразования состоит в преобразовании
квантованного сиг нала *‘(t,)bB в цифровой код. Примером цифрового
унитарного кода л (С) может служить код, соответствующий значени-
ям квантованного сигнала (см. рис. 2.2, г). При таком кодировании
количество импульсов в кодовой группе (кодовые группы на рисунке
обозначены как «ь и т_д.) прямо зависит от уровня квантованного
сиг нала. Например, моменту 7 соответствует уровень кодирования Хц,
а в кодовой группе я? имеется шесть импульсов.
Из приведенных графиков следует, что при дискретизации и кван-
товании сигнага появляется погрешность преобразования. Аналого-
вая функция x(t) анализируется только в момент дискретизации, при
этом предполагается, что на интервале ДГ между двумя отсчетными
точками сигнал неизменен. Следовательно, при сближении отсчетных
точек уменьшается интервал AZ, за счет чего можно добиться снижения
ног решности до допустимого значения.
При измерении постоянного во времени параметра гюг))ешность
преобразования, связанная с дискретизацией, отсутствует.
Погрешность, вызванная квантованием аналогового измеряемого
параметра, зависит от конечного числа уровней квантования. Такая по-
грешность — погрешность дискретизации кл — характеризует все ЦИП
При равномерном квантовании эта погрешность лежит в границах
0<Дд<Дх.
Следующей операцией преобразования в ЦИП является перевод
цифрового кода в показания ЦП.
2.1. Особенности цифровых измерительных приборов 37
Для этого служит дешифратор, превращающий пакет импульсов
(кодовые группы) в соответствующие значения параметра. Кодовые
группы управляют работой ЦИ.
Рассмотренная цепочка преобразований, проходящих в аналого-
цифровом преобразователе, дешифраторе и ЦИ, дает упрощенное
представление о работе ЦИП.
Например, при измерении неизвестного значения параметра доста-
точно одного цикла преобразования, по окончании которого образуется
кодовая группа (пакет импульсов), передаваемая в течение короткого
интервала времени, а результат измерения должен сохраняться на экра-
не ЦИ достаточно долго (до следующего цикла). Этим объясняется не-
обходимость наличия в составе ЦИП запоминающего устройства (ЗУ)
Режимы работы и параметры. Режим однократного измерения
используется в тех случаях, koi да значение параметра неизменно. Сиг-
нал на проведение измерения подается оператором. Результат изме-
рения хранится в ЗУ и воспроизводится на ЦИ. ЦИП обеспечивает
квантование и кодирование измерительного сш нала.
Режим периодического измерения используется в тех случаях,
когда процесс измерения повторяется через интервал времени AZ. за-
даваемый оператором. При этим ЦИП выполняет операции дискрети-
зации, квантования и кодирования. На экране ЦИ результат обновля-
ется после каждого цикла измерения.
Следящий режим измерения реализуется в тех случаях, когда
цикл измерения повторяется после того, как изменение измеряемой
величины превысит ступень квантования.
К числу важных параметров ЦИП относятся быстродействие, вре-
мя измерения, помехоустойчивость и погрешность
Быстродействие это максимальное количество измерений с до-
пустимой nOi решностью, выполняемое ЦИП в единицу времени.
У ЦИП очень высокое быстродействие — до 107 преобразований
в секунду. Такое быстродействие оператор, который воспринимает
лишь 2—3 измерения в секунду, при визуальном наблюдении не может
воспринять, a pei истрирующие устройства способны воспринять не
более 100 измерений в секунду.
Время измерения — это интервал от начала цикла преобразования
измеряемого параметра до получения результата
Помехоустойчивость — это способность ЦИП производить изме-
рения с допустимой погрешностью при наличии помех.
Новое направление в развитии ЦИП - использование микропро-
цессора, обеспечивающего управление собственно процессом измере-
38
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
ния, автоматическое градуирование ио заданной программе, самодиа! -
ностику, а также первичную обработку результата измерения.
В настоящее время активно развиваются и совершенствуются
компьютерно-измерительные системы (КИС) и их разновидность —
виртуальные измерительные приборы.
2.2. Измерительные генераторы
Общие сведения. В электронике нашли широкое применение ис-
точники cm налов разной формы, частоты и мощности. Эти источники
называются измерительными 1енераторамн (ИГ) и классифицируют-
ся по ряду признаков.
• форме выходного сш нала — генераторы i армонических и импульс-
ных (различной формы) cm налов;
• частотному диапазону — низкочастотные, высокочастотные
и сверхвысокочастотные;
• мощности — малой, средней и большой мощности.
В каталоговой классификации измерительные генераторы обозна-
чаются следующим образом: Г1 образцовые. Г2 — генераторы шума.
ГЗ — низкочастотные, Г4 высоко- и сверхвысокочастотные, Г5 — им-
пульсные, Гб — генераторы сигналов специальной формы.
Генераторы низких, высоких и сверхвысоких частот являются ис-
точниками । армони ческого сшнала.
Генераторы гармонических сигналов для средств измерения вы-
полняются в виде генераторов сшналов (ГС), относящихся к низко-
частотным генераторам (группа ГЗ) и генераторов стандартного сш на-
ла (ГСС), у которых значения частоты, напряжения и форма сшнала
стабилизированы и калиброваны. ГСС относятся к высокочастотным
генераторам (группа Г4).
Низкочастотные генераторы. Низкочастотные генераторы, или
генераторы низких частот (ГНЧ), являются источниками синусои-
дального сшнала в разных диапазонах частот: F < 20 Гц (инфразвуко-
вые), 20 Гц... 20 кГц (звуковые), 20...200 кГц (ультразвуковые). Диапа-
зон частот может быть расширен до F> 200 кГц. В приборах некоторых
типов наряду с синусоидальным сш налом вырабатывается сигнал, на-
зываемый меандром.
ГНЧ применяются для всестороннего исследования трактов радио-
приемных устройств, для питания мостов переменного тока и пр.
Структурная схема аналогового ГНЧ представлена на рис. 2.3.
2.2. Измерительные генераторы
39
Рис. 2.3. Структурная схема аналогового ГНЧ
Задающий генератор определяет форму и все частотные параметры
сиг нала, диапазон частот, погрешность установки частоты, нестабиль-
ность частоты, коэффициент нелинейных искажений.
Если на лицевой панели прибора форма сигнала не указана, го ина
всегда синусоидальная. В качестве задагогцег о используются генерато-
ры типа RC, колебательная система которых состоит из фазирующих
RC цепей. Весь частотный диапазон генератора поделен на 3—4 подди-
апазона. Каждому поддиапазону соответствует определенное значение
сопротивления резистора (рис. 2.4), что позволяет изменять частоту
дискретно. Плавная установка частоты осуществляется конденсато-
ром переменной емкости, который обслуживает все поддиапазоны. За-
дающие генераторы типа RC просты, дешевы, имеют малый коэффи-
циент нелинейных искажений и малые массогабаритные размеры.
„ Поддиапазон
о - -С-.--------------------------------------------.
Частотный диапазон
Рис. 2.4. Принцип установки частоты задающего генератора
Формула частоты колебаний генератора типа RC
2nRC
(2-1)
В некоторых ГНЧ дискретное регулирование частоты осуществля-
ется не резистором, а конденсатором. Тогда плавная установка частоты
обеспечивается переменным резистором-потенциометром.
Усилитель ослабляет влияние последующих блоков на задающий
генератор, делая его частотные параметры более качественными, обес-
40
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
печивает усиление сигнала по напряжению (мощности) и позволяет
плавно изменять напряжение на выходе.
Согласующий трансформатор предназначен для ступенчатого со-
гласования выходною сопротивления генератора с сопротивлением
подключаемой нагрузки. Наличие у трансформатора средней точки
(с.т.) позволяет получать два одинаковых по значению, но противопо-
ложных по фазе выходных напряжения (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Электрическая принципиальная схема
согласующего трансформатора со средней точкой
Выходной со1ласующии трансформатор используется в юнерато-
рах с повышенным уровнем выходной мощности. У большинства низ-
кочастотных генераторов выходной трансформатор отсутствует.
Переключате.П) нагрузки обеспечивает согласование выходного со-
противления (?вых генератора г сопротивлением нагрузки /?„. Если не
выполняется согласование, то напряжение на выходе не соответству-
ет установленному по индикатору генератора, генератор даже может
выйти из строя. Наиболее распространенными значениями (?„„х явля-
ются 5,50,600 и 6 000 Ом. Для согласования сопротивлений по выходу
1 в комплекте с прибором поставляется специальная нагрузка 50 Ом
с кабелем.
Контроль выходного напряжения обеспечивается электронным
вольтметром типа У -Д либо электромеханическим вольтметром вы-
прямительной системы. Индикатор выходного напряжения всшда по-
казывает среднеквадратичное значение синусоидального сш нала.
Аттенюатор обеспечивает получение на выходе разных по значе-
нию напряжений, изменяющихся дискретно. При этом входное и вы-
ходное сопротивления аттенюатора не меняются и согласование не на-
рушается. Иногда ослабление указывается не в вольтах, а в децибелах.
Ослабление, вносимое аттенюатором, рассчитывается по формуле
e,„(flE) = 201g^^| <2.2)
где t/BS(B) напряжение на входе аттенюатора,
Г/вь|,( В) — напряжение на выходе аттенюатора.
2.2. Измерительные генераторы
41
Рассмотрим два примера.
Пример 1. Определить напряжение на выходе генератора в вольтах,
если на входе оно составляет 1 В, а на выходе V 60 дБ
На основании формулы (2.2) запишем:
60лБ=201й 3= 1g .,
В^(Б)
1000=
(7 (Б)=—=0,001 Б“1мВ.
' innn ’
1В
(«У
Пример 2. Определить значение затухания, вносимого аттенюато-
ром генератора, если напряжение на его входе составляет 1 В, а на вы-
ходе 100 мВ.
На основании формулы (2.2) запишем
Г„(дБ) = 201в^ = 20лБ.
Цифровые ГНЧ ио сравнению с аналоговыми имеют более каче-
ственные метрологические характеристики: меньшую погрешность
установки и нестабильности частоты, меньший коэффициент нели-
нейных искажений, стабильность уровня выходного chi нала.
Такие генераторы получают все большее распространение но срав-
нению с аналоговыми за счет более bmcokoi о быстродействия, упроще-
ния установки частоты, исключения субъективной ошибки в задании
параметров выходного сшнала. Бла|Одаря встроенному микропроцес-
сору в цифровых ГНЧ можно ио заданной программе автоматически
перестраивать частоту сш нала.
Работа цифровых ГНЧ основана на принципе формирования число-
вого кода с последующим преобразованием его в аналоговый |армони-
ческий chi нал, который аппроксимируется функцией, моделируемой
с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Структурная
схема цифрового ГНЧ представлена на рис. 2.6.
Задающий
генератор
импульсов
Делитель
частоты
Счетчик
Усилитель
сФНЧ
ЦАП ->|
Рис. 2.6. Структурная схема цифрового ГНЧ
Задающий генератор импульсов с кварцевой стабилизацией часто-
ты вырабатывает короткие импульсы в периодической последователь-
42
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
ности, которые поступают на делитель частоты. На выходе делителя
частоты с регулируемым коэффициентом деления образуется после-
довательность импульсов с заданным периодом следования, опреде-
ляющим ша1 дискретизации.
Счетчик подсчитывает поступающие на него импульсы, кодовая
комбинация накопленных в счетчике импульсов подается в цифро-
аналоговый преобразователь, который вырабатывает соответствующее
напряжение. После переполнения счетчик обнуляется и готов к нача-
лу формирования следующего периода.
Высокочастотные и сверхвысокочастотные генераторы. Высо-
кочастотные п сверхвысокочастотные гонераторы, или генераторы
высоких и сверхвысоких частот (ГВЧ и ГСВЧ), являются источ-
никами синусоидального и не менее одного модулированного по
какому-либо параметру сш налов (амилиту дно-моду лированного -
AM-сигнал, частотно-модулированного ЧМ-сшнал) с известны-
ми параметрами. Форма сигналов на выходе ГВЧ представлена на
рис. 2.7.
Если на лицевой панели прибора форма сигналов не указана, то это
всегда синусоидальный и AM-сш нал
Приведенные сигналы характернзируются следующими параме-
трами: f — несущая (модулированная) высокая частота, F — модули-
рующая низкая частота, М коэффициент амплитудной модуляции
(М = д+б ’ 100%). ГВЧ и ГСВЧ перекрывают следующие диапазоны
несущих частот: 200 кГц... 30 МГц (высокие) и/ >30 МГц (сверхвы-
сокие). Диапазон частот может быть расширен до/ < 200 кГц.
Такие генераторы применяются для всестороннего исследования
высокочастотных трактов теле- и радиоприемных устройств, для пита-
ния схем напряжением высоких и сверхвысоких частот. Структурная
схема ГВЧ приведена на рис. 2.8.
Задающий генератор I определяет значение несущей частоты/
и форму сигнала. В качестве задающего генератора используется
2.2. Измерительные генераторы
43
Рис. 2.8. Структурная схема ГВЧ
генератор типа LC, колебательная система которого представляет
собой параллельный контур, состоящий из катушки индуктивно-
сти L и конденсатора С Частота колебаний выражается форму-
f =-------
2п41с'
(2.3)
Весь частотный диапазон ГВЧ поделен на поддиапазоны, количе-
ство которых может достигать восьми Каждому поддиапазону соот-
ветствует конкретная катушка индуктивности, а плавная установка
частоты (в границах поддиапазона) осуществляется с помощью кон-
денсатора переменной емкости.
ГВЧ имеет два выхода; микровольтовый и одновольтовый
С выхода задающего генератора I напряжение поступает на два ка-
нала*. основной и BctiOMOt ательный.
Основной канал содержит усилитель-модулятор и высокочастот-
ный аттенюатор (выход «p.V»). С этого выхода снимается немодули-
рованное синусоидальное или модулированное регулируемое высоко-
частотное колебание, калиброванное ио напряжению. Для нормальной
работы ГВЧ в комплект поставки входит согласующая Hat рузка 50 Ом.
Как и в ГНЧ, индикатор показывает среднеквадратичное значение си-
нусоидального напряжения.
BctiOMOtательный канал содержит усилитель и выход «IV'». С этого
выхода снимается неконтролируемое, смодулированное (т.е. сину-
44 ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
соидальное), нерегулируемое высокочастотное напряжение 1...2 В на
согласующую нагрузку.
Вход AM предназначен для подключения внешнею модулирую-
щею генератора (.(ш)ающего генератора II) при положении тумбле-
ра «Внеш.» или внутреннего модулирующего генератора (задающего
генератора II) при положении тумблера «Внутр.». Обычно значение
модулирующей частоты фиксированное (400 или 1000 Гц). Если на
лицевой панели оно не указано, то принимается равным 1000 Гц.
Особенностью ГСВЧ является использование специальных сверх-
высокочастотных усилительных приборов: клистронов, ЛОВ-ламп
обратной волны, лавинно-пролетных диодов, диодов Ганна, ма1 нитро-
нов, а также колебательных систем на объемном резонаторе или чет-
вертьволновом отрезке волновода, коаксиальной линии
На калиброванном выходе ГСВЧ мощность не превышает не-
скольких микроватт, а на некалиброванном нескольких ватт. Кро-
ме синусоидального сшнала, ГСВЧ могут вырабатывать имнульсно-
модулированный сшнал (ИМ-сшнал).
Импульсные генераторы. Импульсные генераторы, или генера-
торы импульсов (ГИ), нашли применение при настройке и ре«улиро-
вании импульсных схем, используемых в телевидении и связи, ЭВМ,
радиолокации и т.д. Широко используются генераторы, обеспечиваю-
щие получение напряжений нрямоуюльной формы. Параметры им-
пульсною сигнала могут регулироваться в широких диапазонах.
ГИ является источником двух сш налов: основною и дополнитель-
ного (синхронизированных импульсов - С И ). К основным параметрам
этих сш налов, регулируемым в широких пределах (рис. 2.9), относятся
и„, — амплитудное значение напряжения, t„ — длительность импульса,
А, — время задержки (временной сдвиг) основных импульсон по отно-
шению к синхроимпульсам, Т период повторения импульсов.
К______________________
1TI,
: ь :*-----------------------*: l : 1
Рис. 2.9. Параметры выходных сигналов ГИ
2.2. Измерительные генераторы
К косвенным (вторичным) параметрам сигналов ГИ относятся -
скважность, которая должна быть > 2 и рассчитывается но формуле
Т 1 1
Q — — — —---. F - частота повторе hi ih импульсов F=—.
Структурная схема ГИ приведена на рис. 2.10.
Рис. 2.10. Структурная схема ПI
Задающий генератор вырабатывает короткие импульсы с часто-
той Fu может работать в автоколебательном (положение ключа «1*>)
или в ждущем (положение ключа «2») режимах. В режиме внешнего
запуска частота следования импульсов определяется внешним гене-
ратором, подключенным к 1незду «Вход». Разовый запуск обеспечи-
вается нажатием кнопки «•?'» устройства внешнего и разового запу-
ска.
Блок формирования СИ обеспечивает необходимую форму СИ.
Блок задержки создает временной сдвиг на время t., основных им-
пульсов относительно СИ. поступающих от задающего генератора.
Блок формирования основных и нпуяьсов обеспечивает получение на
выходе импульсов необходимой <]х>рмы и длительности.
Усилитель увеличивает амплитуду импульсов, позволяет менять их
полярность и осуществляет согласование по сопротивлению с Hai руз-
кой, поставляемой в комплекте с генератором.
46 ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Аттенюатор уменьшает амплитуду импульсов в фиксированное
число раз.
Измерительный блок представляет собой вольтметр, контролирую-
щий амплитудное значение импульсного сш нала.
К основным метроло!ическим характеристикам генераторов, кото-
рые необходимо знать при выбюре прибора, относятся следующие:
• форма сигнала,
• диапазон регулирования параметров;
• допустимая погрешность установки каждого параметра;
• максимальная допустимая временная нестабильность параметров;
• допустимые искажения формы сигнала.
2.3. Электронные осциллографы
Общие сведения. Осциллографы относятся к приборам, позволя-
ющим наблюдать форму различных сигналов и измерять параметры
этих сигналов. Отличительной особенностью осциллографов является
их многофункциональность. С помощью осцилло! ра<]>а можно изме-
рить напряжение, силу тока, сопротивление резисторов, частоту, пери-
од и длительность импульсов, время установления переднего фронта
и заднего среза импульса, фазовый и временной сдвши. коэффици-
ент амплитудной модуляции и друше параметры, т.е. осциллографы
с полным правом можно назвать универсальными приборами. Все
перечисленные параметры измеряются аналоговыми электронными
осциллографами косвенно.
Современные осциллографы делятся на электромеханические (са-
мописцы) и электронные (элекронно-лучевые) и различаются между
собой принципом построения, областями измерения, а часто и типами
решаемых задач.
Электромеханические (вибраторные, шлей<)ювые) осцил югра-
фы по каталоговой классификации относятся к группе Н и использу-
ются в технике низких частот до 4...5 кГц. Важным преимуществом
таких осциллографов является возможность наблюдения одновремен-
но нескольких процессов (до 12) в течение длительного времени. Из-
за низкого частотного диапазона такие осцилло! рафы в электронике
не используются
Электронные осциллографы (30) но каталоговой классификации
обозначаются следующим образом. С1 — универсальные, С7 стробо-
скопические и скоростные, С8 - запоминающие, С9 — специальные.
30 применяются для наблюдения и измерения быстропротекающих
процессов с частотами до десятка |шагерц. Это означает, что изображе-
2.3. Электронные осциллографы
ине сигнала на экране аналогового осциллографа появляется практиче-
ски одновременное подачей chi нала на вход. Такие приборы называются
осниллО17)а<]>ами реального времени. Для расширения функциональных
возможностей и диапазона измерения параметров сш налов современ-
ные осциллографы часто выполняются со сменными блоками.
В качестве «карандаша», вычерчивающего закон изменения ис-
следуемой величины на люминесцирующем экране, в ЭО использует-
ся узкий луч электронов, формируемый внутри электронно-лучевой
трубки (ЭЛТ) особой электронно-оптической системы — электронной
пушкой Устройство ЭЛТ с электростатическим управлением луча по-
казано на рис. 2.11.
Рис. 2.11. Устройство ЭЛТ с электростатическим управлением луча
Внутри стеклянного баллона, в котором путем откачивания воз-
духа создается вакуум, расположен катод К с прямым или косвенным
подогревом, модулятор М, изменением напряжения на котором регу-
лируется яркость луча, фокусирующий анод Aj, ускоряющий анод Аг
и две пары отклоняющих пластин; горизонтальные — Хи вертикаль-
ные - Y. Внутренняя поверхность экрана трубки покрыта слоем лю-
минофора, светящегося под действием бомбардировки электронами.
Электронная трубка, состоящая из К, М, А|, Аг, <]х>рмирует узкий луч
электронов
Осциллографические трубки имеют следующие параметры, размер
но диагонали, чувствительность
'=<' Рв'!' <2«
где k отклонение луча на экране (в делениях),
иил - значение напряжения на цлаш инах, вызвавшее отклонение h
В современных 30 на лицевой панели указывается коэффициент
отклонения но каналу X или Y:
48
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
^(xl 5 h дел.
(2.5)
а также ток накала — напряжение накала — U,„ время послесвече-
ния t, запирающее напряжение на управляющем электроде — 1Г,
и рабочее напряжение на анодах Af и А3.
Структурная электрическая схема универсального аналогового
осциллографа. Существует большое многообразие универсальных
осциллографов, отдельные модели отличаются друг от друга некото-
рыми параметрами. Однако структурная схема, определяемая особен-
ностями ЭЛТ, у них общая (рис. 2.12). ЭЛТ, используемые в универ-
сальных осциллографах, относятся к низковольтным — 1...3 кВ.
Рис. 2.12. Упрощенная структурная схема универсального
аналогового осциллографа
Универсальный осциллограф состоит из ЭЛТ с электростатическим
отклонением луча, трех электрических каналов (Y, X, Z) и блока питания.
По каналу Y подается исследуемое напряжение, отклоняющее
электронный луч в вертикальном направлении. Отличительным при-
2.3. Электронные осциллографы
знаком входа канала Y является указание значения входного импедан-
са Свх) на лицевой панели прибора (рядом со входом).
По каналу X подается вспомо1ательное напряжение, отклоняющее
электронный луч в горизонтальном направлении. Вход канала X, как
и вход канала Y, расположен на лицевой панели прибора.
По каналу Z подается напряжение, управляющее яркостью луча.
Вход канала Z расположен на задней панели осциллографа, так как
этот вход используется реже, чем входы каналов Y и X.
Блок питания обеспечивает питание различными по значению нап-
ряжениями не только ЭЛТ, но и все остальные блоки осциллографа
Входной делитель, блок задержки и усилитель образуют канал вер-
тикального отклонения луча (КВО). Исследуемое напряжение доста-
точного значения может быть подано непосредственно на пластины Y.
Канал горизонтального отк мнения луча (КГО) содержит входной
делитель, генератор развертки, блок синхронизации и усилитель КГО,
в котором формируется развертывающее пилообразное напряжение,
подаваемое непосредственно или через КГО на горизонтальные от-
клоняющие пластины канала X.
Для проверки работоспособности осциллографа в структурную
схему прибора введен калибратор — устройство, формирующее пе-
риодический импульсный сигнал с известными высокостабильными
параметрами (амплитудой, частотой и длительностью), используемый
для снижения погрешности измерений.
Входы каналов вертикальною и горизонтального отклонения вы-
полнены с переходными конденсаторами (закрытый вход ~) либо без
них (открытый вход Открытый вход канала Y обеспечивает совпа-
дение линии развертки (на экране) и оси времени и на практике ис-
пользуется в подавляющем большинстве случаев.
Осциллографические развертки. Напряжение, обеспечивающее
перемещение электронного луча по горизонтали (оси времени), на-
зывается в осциллографах развертывающим напряжением, траек-
тория, описываемая на экране ЭЛТ при отсутствии исследуемого на-
пряжения, разверткой, время, в течение которого описывается эта
траектория, — длительностью развертки, а ее линейный размер но
оси времени — длиной развертки.
Развертки, применяемые в современных аналоговых осциллогра-
фах, различаются по нескольким признакам
• по форме развертывающего напряжения — пилообразные и сину-
соидальные;
50
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
• но форме траектории на экране ЭЛТ (при одновременной подаче
исследуемого и развертывающего напряжений) — линейные, кру-
говые н спиральные:
• но временным соотношениям - непрерывные, ждущие, ждуще-
задержанные (луна времени) и однократные.
Наиболее широко используется линейная развертка, создаваемая
напряжением 1/х пилообразной формы и вырабатываемая генератором
развертки. В зависимости от режима работы генератора развертки, как
уже отмечалось ранее, линейная развертка может быть непрерывной
или ждущей.
Непрерывная линейная развертка применяется для исследова-
ния гармонических процессов. 1енератор развертки вырабатывает cm -
нал даже при отсутствии на его входе запускающего сш нала. К пла-
стинам канала Y подводится исследуемое напряжение, а к пластинам
канала X напряжение, нарастающее (или убывающее) линейно, т.е.
изменяющееся пропорционально времени. Рассмотрим основные па-
раметры идеального и реального линейного развертывающего напря-
жения (рис. 2.13).
Идеальное
Идеальное
Параметрами непрерывного реального развертывающего напряже-
ния являются 1рх - время рабочего (прямого) хода луча, tm - время
обратного хода луча, 7"х — период повторения развертывающего нап-
ряжения.
Под действием только реального развертывающего напряжения
электронный луч перемещаемся слева направо но экрану за время Срх
2.3. Электронные осциллографы
51
и быстро (так как t„x«tpx) возвращается в исходное положение (спра-
ва налево). Развертывающее напряжение периодическое, с периодом
Гх-«Рх + 4„ (2.6)
поэтому перемещение луча на экране будет повторяться. Из-за инер-
ционности ЭЛТ и человеческого глаза движение электронною луча
незаметно, на экране будет видна светящаяся горизонтальная линия
развертки.
При одновременной подаче исследуемого (на пластины канала Y)
и развертывающет о (на пластины канала X) напряжения электронный
луч будет перемещаться но экрану в соответствии с законом исследуе-
мого сигнала. На рисунке 2.14 показано получение осцилло! раммы ис-
следуемого сшнала при идеальной форме развертывающею напряже-
ния и при Fx = Fy- Положения 0,1, 2... осциллограммы на экране ЭЛТ
в соответствующие моменты времени определяются мгновенными
значениями исследуемого и развертывающего напряжения.
Рис. 2.14. Осциллограмма исследуемого сигнала при
идеальной форме развертывающего напряжения
Если при Fy ~ Fx использовать реальное развертывающее напряже-
ние. то осциллограмма на экране будет* искажена. Обратный ход раз-
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
вертки t<lx Ф 0 приводит к получению неполного периода синусоиды,
так как за время t„x электронный луч возвращается в исходное положе-
ние не мгновенно. Для уменьшения искажений, вносимых t„„ на время
его действия, выключают электронный луч подачей запирающего им-
пульса на вход канала Z.
При нарушении линейности развертывающего напряжения мас-
штаб времени непостоянен, так как скорость изменения Lrx (соответ-
ственно, и скорость движения электронного луча по горизонтали) все
время уменьшается. В результате первый полупериод исследуемого
сигнала будет непомерно растянут но сравнению с орш иналом. а по-
следующие — сжаты, как показано на рис. 2.15.
Рис. 2.15. Осциллограмма исследуемого сигнала при
реальной форме развертывающего напряжения
Для получения возможно меньших искажений осииллограммы раз-
вертывающее напряжение должно иметь высокую линейность с воз-
можно меньшим временем t„x.
Ждущая линейная развертка применяется для исследования им-
пульсных сигналов. При этом генератор развертки запускается только
с помощью сигнала запуска. На рисунке 2.16 приведено реальное жду-
2.3. Электронные осциллографы
щее линейное развертывающее напряжение, в котором к уже извест-
ным временным параметрам добавляется Г(|Ж — время ожидания. Под
действием ждущего напряжения электронный луч, проделав за время
Грх один прямой ход (слева направо) и за время Гих — один обратный
ход, остается некоторое время Z()A в состоянии ожидания (покоя). За-
тем процесс перемещения луча повторится. В результате на экране бу-
дет светящаяся горизонтальная линия развертки.
Рис. 2.16. Реальное ждущее линейное развертывающее напряжение
В осциллографах начало ждущей развертки несколько задержано
относительно фронта исследуемого импульса Uy. Поэтому для наблю-
дения короткого фронта исследуемый сш нал Uy задерживают во вре-
мени в канале вертикального отклонения с помощью блока задержки
(см. рис. 2.12).
Преимущества ждущей развертки но сравнению с непрерывной
при исследовании импульсных сигналов рассмотрим на примере
(рис. 2.17). Полученные осциллограммы показывают, что при исполь-
зовании непрерывной линейной развертки размеры имггульса ио гори-
зонтали будут занимать 1 |(|и часть длины развертки, т.е. длительность
импульса оказывается сжатой по оси времени настолько, что его вер-
шина превращается в светящуюся точку, а сам импульс в вертикаль-
ную линию. При таком масштабе невозможно наблюдать форму сиг на-
ла и измерить его временные параметры (длительность имггульса —1„,
время установления переднего фронта — (ф, время установления зад-
него среза — ttp).
При использовании ждущей развертки того же периода следования
и амплитуды, но с tpx + t„x = 2 мкс длительность исследуемого имггульса
становится сопоставимой с гжр. В результате размеры исследуемого им-
ггульса займут гго горизонтали половину всей длины линии развертки,
т.е. произойдет увеличение длительности имггульса примерно в 50 раз
(без учета времени обратного хода).
Ждущая развертка должна отвечать некоторым требованиям:
54
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
• для получения минимальных искажений исследуемого сигнала
развертка должна быть линейной (неэкспоненциальнои), как и не-
прерывная пилообразная, с возможно меньшим обратным ходом;
• для получения неподвижной осциллограммы при использовании
ждущей и непрерывной линейной развертки необходимо приме-
нять синхронизацию.
• для получения исследуемого сш нала в крупном масштабе ио гори-
зонтали необходимо выбрать положение ор1ана управления, задаю-
щего масштаб, — переключателя «Длительность» («Время дел.»).
Например, необходимо исследовать и измерить импульсный cur-
на.'! прямоугольной формы длительностью 1„ - 5 мкс осциллографом,
у которого переключатель «Время/дел.» имеет положения 0.1—0,2-
0,5 1—2—5-10—20-50 ps -0,1-0,2-0,5-1-2-5-10-20-50 ms.
На рисунке 2.18 представлены осциллограммы импульсного сшнала
с t„ — 5 мкс при разных положениях переключателя для четырех значе-
ний калиброванной развертки: 0,5 — 1—5 мкс—50 ps.
Анализ этих осциллограмм показывает, что из всех положении пе-
реключателя «Время/дел.» оптимальным является положение «1 ps»,
поскольку при атом положении хорошо видна форма сш нала и дли-
тельность импульса можно измерить с наименьшей погрешностью.
Синхронизация развертки это принудительная «подгонка» ча-
стоты развертки к кратности частоты сигнала.
2.3. Электронные осциллографы
«Время/дел»
0,1—0,2-€,5—1Г2—5 мксг10-20-50^-0,1—0,2—0,5—1—2—5—1Q-20-50ms
Наблюдать исследуемый сшнал на экране осциллографа и изме-
рить его параметры можно только при неподвижной осциллограмме,
что обеспечивается при условии равенства или кратности частот (пе-
риодов) развертывающего и исследуемого сш налов, т.е. при
Fy — или Тх 1 пТу,
(2.7)
где п - коэффициент частоты (периодов) cut нала, л = 1,2,3 ..
Для выполнения arot о условия и необходима синхронизация.
Внутренняя синхронизация осуществляется от внутреннего ис-
точника осцилло! рафа. В качестве источника внешней синхрониза-
ции используется напряжение внешнего генератора. Синхронизация
осуществляется короткими импульсами, вырабатываемыми блоком
синхронизации, запускающими генератор развертки (см. рис. 2.12)
и управляющими его работой. Эти импульсы можно синхронизиро-
вать не только с Uy, но и со специальным внешним сшналом, посту-
пающим на блок синхронизации при установке переключателя вида
синхронизации в положение «Внеш.».
Например, в качестве исследуемого сигнала взята синусоида Uy
и рассмотрены три варианта соотношения периодов развертывающе-
го напряжения Ux (рнс. 2.19). Изображение синусоидального сшнала
будет неподвижным при кратности п 1, Fx — А (см. рис. 2.19, й). При
отсутствии кратности оно скользит влево (см. рис. 2.19,6) либо вправо
(см. рис. 2.19, в) в зависимости от соотношения частот Fx и Fy.
На практике при внутренней синхронизации неподвижность обеспе-
чивается регулировкой «Стаб.», выведенной на лицевую панель прибора.
Лучшие результаты ио обеспечению постоянства краснеют частоты сиг-
нала дает синхронизация частоты генератора развертки частотой исследу-
емого напряжения или другой стабильной час иной, кратной частоте Fy.
Круговая развертка применяется при измерении частоты и фа-
зовых сдвигов после подачи на пластины канала X синусоидального
56
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Рис. 2.19. Графики, поясняющие движение изображения синусоидального
сигнала, а неподвижное; б — скользит в лево, в — скользит в право
напряжения. Круговая развертка формируется с помощью внешнего
генератора синусоидального напряжения и вспомогательной фазо-
Рис. 2.20. Схема
формирования
круговой
синусоидальной
развертки
сдвигающей RC-цепи (рис. 2.20) при отклю-
ченном внутреннем генераторе линейной раз-
вертки.
При прохождении синусоидального тока
через последовательное соединение резистора
и конденсатора падения напряжений на них
оказываются сдвинутыми по фазе на 90". При
равенстве сопротивлений плеч RC-цепи
R- хс 1 '<в С
(2.8)
напряжения будут равные по амплитуде.
t/¥ - t/B - !7,, - sin ю t; (2.9)
Пх - Uc ~ U,„ cos <o t. (2.10)
2.3. Электронные осциллографы
57
Рассмотрим пример подачи синусоиды на пластины канала Y и ко-
синусоиды на пластины канала X. Синусоида и косинусоида имеют
одинаковую частоту и сдвинуты по фазе на 90° (рпс. 2.21).
Рис. 2.21. Осциллограммы круга пр» использовании
синусоидальной круговой развертки
На рисунке 2.22 приведены осциллограммы для разных соотноше-
ний частот и фазовых сдвигов синусоидальных напряжений Пред-
ставленные осциллограммы получили название фигур Лиссажу по
имени французского физика Жюля Антуана Лиссажу.
В основу осциллографических методов измерения частоты поло-
жен принцип сравнения частоты сигнала с известной высокостабиль-
ной частотой образцового развертывающего напряжения. Различают
два метода: метод фигур Лиссажу и метод яркостной модуляции. По-
грешность обоих методов измерения частоты зависит от стабильности
частоты образцового генератора
При измерении частоты методом фигур Лиссажу напряжение
измеряемой (неизвестной) частоты Fx 11 образцовой частоты Fo при
выключенной внутренней развертке подается на пластины каналов Y
и X соответственно. Изменением образцовой частоты добиваются по-
58
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
лучения на экране неподвижной фигуры Лиссажу той или иной слож-
ности.
Для определения Fx проводят горизонтальную и вертикальную
касательные к фшуре и подсчитывают число касаний фшуры с го-
ризонталью (иг - 2) и вертикалью (п6 1), как показано на рис. 2.23.
Соотношение частот двух гармонических колебаний определяется как
отношение количества точек касания с вертикалью к количеству точек
касания с горизонталью. Для примера, приведенного на рисунке, при
Д - 50 Гц
(2.П)
п^ 50Гц £; f* =50Гц • 2 = 100Гц.
п Д. 2
Метод фигур Лиссажу применяется для сравнительно малых со-
отношений частот Fx и Д (не более 5—6): при большем соотношении
частот усложняется подсчет количества точек касания. Точность этого
метода измерения частоты оказывается высокой и определяется ста-
бильностью частоты образцового генератора.
2.3. Электронные осциллографы
59
nr=2
Рис. 2.23. Определение соотношения частот методом фигур Лиссажу
Для больших соотношений частот удобнее пользоваться методом яр-
костной модуляции (методом пунктирного крута) круговой развертки.
При измерении частоты методом яркостной модуляции источник
напряжения с искомой частотой Fx используется для формирования на
экране ЭЛТ осциллографа круговой развертки (с помощью RC-цепи),
а напряжение генератора образцовой частоты подается на третий элек-
трический вход осциллографа - модулятор (вход Z). показанный на
рис. 2.24, а. Результирующее напряжение на модуляторе в этом слу-
чае будет изменяться с частотой F(), модулируя яркость изображения
на экране с той же частотой. Если частоты Fx и Fo равны или кратны,
то на экране появится неподвижное пунктирное изображение крута
(рис. 2.24,6). При известных образцовой частоте F<i и количестве и под-
свеченных дуг, можно записать
Тх~п То,
откуда
ГХ = Е„/Щ (2.12)
а б
Рис. 2.24. Определение соотношения частот методом яркостной модуляции
60 ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Если поменять местами источники частот сигналов Fx 11 то ис-
комая частота определяется но формуле
Fx-«f<.- (2.13)
Этот метод применим для соотношения частот 15—25. При боль-
шем соотношении безошибочный подсчет числа подсвеченных дуг но
контуру круга затруднен.
Двухлучевые, двухканальные, скоростные, стробоскопические,
запоминающие и цифровые осциллографы. Двухлучевые осцил-
лографы позволяют одновременно наблюдать за двумя сигналами,
характеризующими исследуемый объект, благодаря получению до-
полнительной информации. Эту задачу можно выполнить также и од-
нолучевым осциллографом с внешним электронным коммутатором.
Основными узлами, отличающими двухлучевой осциллограф от
однолучевого, является особая ЭЛТ, внутри которой помещены две
отдельные электронно-оптические системы и две отдельные системы
отклоняющих пластин, т.е. двухлучевая трубка представляет собой две
однолучевые трубки, работающие на общий экран. Соответственно,
в двухлучевом осциллографе имеются два канала вертикального от-
клонения и один общий генератор развертки. Калибратор амплитуды
и длительности чаще всего также общие для двух лучей.
Для получения неподвижной осциллограммы (синхронизации) не-
обходимо обеспечить кратность исследуемых сш налов:
Fvl = nFY2. (2.14)
Двухлучевой осциллограф отличается от однолучевого внешними
признаками, он имеет два входа канала Y и ио две регулировки «Яр-
костью, «Фокусю, «Астигматизм?», «Перемещение по вертикали Хю.
Двухканалъные осциллографы позволяют получить на экране
изображение двух исследуемых сигналов с помощью электронного
коммутатора, который периодически включает разные входы осцил-
лографа. В таком осциллографе имеется также два одинаковых кана-
ла вертикального отклонения и однолучевая ЭЛТ. В зависимости от
режима работы коммутатора реализуется один из режимов работы
осциллографа, одноканальный (когда на экране виден один сигнал, по-
даваемый на один из входов - Y1 или Y2) или иоочередный (когда на
экране видны оба сиг нала за счет переключения коммутатора во время
каждого обратного хода развертки). По такому же принципу, как двух-
канальные осциллографы, строятся многоканальные осциллографы (с
количеством каналов до восьми).
2.3. Электронные осциллографы 61
Двухканальный осциллограф отличается от двухлучевого та-
ким внешним признаком, как наличие по одной регулировки: «Яр-
кость?». «Фокус». «Астигматизм».
Двухканальные осциллографы намного проще схематически
и дешевле двухлучевых.
Скоростные осциллографы имеют ряд преимуществ по срав-
нению с универсальными, полоса пропускания которых — не более
50 МГц, при исследовании импульсных сигналов длительностью
до сотых долей микросекунды. В электронике широко используе-
ются импульсы наносекундного (10-вс) и даже ггикосекундного
(10-12с) диапазонов. Спектр частот таких сигналов простирает-
ся до десятков гигагерц и выше Такие сигналы (сверхвысоко-
частотные) имеют малую амплитуду (порядка единиц-десятков
милливольт) и при их исследовании возникают сложности, не
позволяющие применять универсальные осциллографы для ис-
следования СВЧ-сигналов. Эти сложности вызваны следующими
факторами:
индуктивность подводящих проводов и паразитный резонанс
Частота резонанса должна быть намного больше высшей гар-
моники исследуемого сигнала,
• влияние емкости пластин ЭЛТ на крутизну фронта исследуе-
мого сигнала,
• влияние конечного времени пролета электронов между пла-
стинами ЭЛТ (примерно 1...10 нс). Если за это время сигнал
изменится, го отклонение электронного луча станет непред-
сказуемым:
• необходимость для исследования СВЧ-сигналов очень широ-
кой полосы пропускания пл входу канала У, которая прибли-
женно может быть рассчитана по формуле
<2.15)
Тогда при длительности импульса 1 нс полоса пропускания бу-
дет 2А/~ 2 ГГц,
• необходимость для наблюдения СВЧ-сигналов и импульсов
наносекундного диапазона высоких скоростей движения луча
по экрану. Например, для получения изображений импульса
длительностью 5 нс на экране трубки шириной / — 100 мм
скорость движения луча должна быть до 20 000 км с (U =
/,
62 ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
• нечеткость изображения сигнала на экране из-за огромной ско-
рости вычерчивания осциллограммы лучом.
Перечисленные факторы должны быть учтены при разработке ско-
ростных осциллографов, работающих в реальном масштабе времени.
В таких осциллографах вместо ЭЛТ используют специальные прибо-
ры — лампы бегущей волны. При этом невозможно получить высокую
чувствительность ио каналу вертикального отклонения sY 1 мм В.
Создание высокоскоростных разверток также затруднено, так как необ-
ходимо увеличивать напряжение развертки до нескольких сотен вольт.
Отечественные скоростные осциллографы имеют верхнюю граничную
час пил' не би tee 5...7,5 ГГц, обладают низкой чувствительностью и потому
непригодны для исследования СВЧ-ctn налов с малыми амплитудами.
Стробоскопические осциллографы и приставки к универсальным
осциллографам дают лучшие результаты.* позволяют получить эквива-
лентную полосу частот до нескольких t шагерц при фактической полосе
пропускания усилителя КВО в несколько мегагерц и даже килогерц.
В стробоскопическом осциллографе искусственно уменьшает-
ся скорость развертки и полоса пропускания усилителя КВО. Такие
осциллографы работают ио принципу использования амплитудного
временного анализа исследуемого напряжения с помощью узких им-
пульсов — стробимиульсов.
Стробимиульсы позволяют получить представление о форме ис-
следуемо! о сш нала не в виде непрерывной кривой, а и виде преры-
вистых дискретных значений сигнала — ио одному на каждый период
в соответствии с моментом действия стробимиульса.
Процесс преобразования масштаба времени осциллограммы в стро-
боскопическом осциллографе показан на рис. 2.25.
При поступлении исследуемого cm нала Ul (длительность t„, период
следования Г() и узких стробимиульсов U-> (играющих роль перенос-
чиков информации о сигнале) на стробоскопический смеситель пре-
образователя происходит амплитудно-импульсная модуляция, т.е. на
выходе преобразователя амплитуда стробимиульса пропорциональна
определенному мгновенному значению исследуемо! о сш нала.
При равенстве периодов входных напряжений преобразователя
его выходные импульсы имеют постоянную амплитуду. Если же эти
периоды отличаются друг от друга на постоянную величину Д I (шаг
считывания), то амплитуда выходных импульсов преобразователя из-
меняется. Периол повторения стробимиульсов составляет 7^., = Тс + Д Г.
Длительность шага считывания выбирают из условия Д t ~ t„/ п (где
п — целое число).
2.3. Электронные осциллографы
63
Смеситель
Усилитель
Рис. 2.25. Процесс преобразования масштаба времени
осциллограммы в стробоскопическом осциллографе а — временные
диаграммы; б структурная схема преобразования
В результате преобразования первый стробимпульс U3 совпадает
с началом первого (1) импульса [/,; второй стробимпульс сдвинут от
начала второго (2) импульса L' на Д t; третий стробимиульс сдвинут от
начала третьего (3) импульса на 2Д t и кд.
На выходе смесителя появляются короткие импульсы U-it совпа-
дающие по времени со стробимиульсами U2, но имеющие амплитуду,
равную амплитуде исследуемых импульсов С/, в момент поступления
стробимпульсов U2. Поэтому импульсы U-t называют стробимнульса-
ми, нромодулированными но амплитуде исследуемым сигналом V,
При этом О1 ибающая этих импульсов по форме соответствует иссле-
дуемому сш налу и имеет укрупненный масштаб времени
Степень укрупнения масштаба времени наблюдаемого импуль-
са (временное преобразование) характеризуется коэффициентом
трансформации масштаба времени.
йтр _ и rtT / f„, (2.16)
где п количество стробимпульсов, считывающих импульсы U,
Поскольку
64
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Рис. 2.26. Устройство
потенциалоскопа
ТО
k
Ip At (2.17)
Современные стробоскопические осциллографы имеют kTp, вы-
ражаемый десятками тысяч, благодаря чему можно при обычных
развертках исследовать импульсы наносекундною диапазона с ча-
стотами до нескольких гигагерц и с амплитудами от нескольких мил-
ливольт.
Запоминающие осциллографы позволяют запомнить сшнал на
экране. Б состав таких осциллографов входят блок памяти и специаль-
ная полутоновая запоминающая ЭЛТ - потенциалоскои (рис. 2.26)
Перед люминесцентным экраном 1 рас-
положена сетчатая мишень 2, представ-
ляющая собой мелкоструктурную сетку,
покрытую слоем диэлектрика. Трубка
имеет два прожектора. Записывающий
прожектор 7 создает сфокусированный
пучок электронов и сканирует поверх-
ность мишени. Воспроизводящий про-
жектор 6 создает широкий расфокуси-
рованный пучок, непрерывно облучающий всю поверхность мишени.
Внутри трубки помещена коллимирующая линза 5.
Потенциал мишени подобран таким образом, чтобы при отсут-
ствии записанного изображения медленные электроны воспроиз-
водящего пучка не могли через нее пройти. При наличии потенци-
ального рельефа в этих точках мишени часть электронов проходит
к экрану, вызывая его свечение. На экране появляется осциллограм-
ма, повторяющая форму потенциального рельефа мишени. Запись
стирается путем подачи на коллекторную сетку 3 (зафиксированную
крепежным кольцом 4) отрицательного импульса, выравнивающего
потенциал мишени.
Запоминающие осциллографы имеют следующие особенности:
• способность хранить информацию в обесточенном состоянии дли-
тельное время (от нескольких минут до нескольких суток):
• возможность индикации при высоких уровнях внешней освещен-
ности, так как яркость изображения на экране сохраняется даже
при попадании прямых солнечных лучей;
возможность исследования однократных и редко повторяющихся
сигналов.
2.3. Электронные осциллографы 65
Аналоговые осциллографы имеют такие недостатки, как косвен-
ность измерений параметров сигналов, относительно большая пог реш-
ность (1О...15%) и трудоемкость измерения.
Цифровые осциллографы позволяют наблюдать сигнал на экране
и получать информацию о численном значении ряда параметров сиг -
нала с меньшей погрешностью, чем с помощью аналоговых осцилло-
графов. Достоинства цифровых осциллографов обеспечиваются тем,
что параметры сигналов измеряются непосредственно на входе осцил-
лографа, в то время как в аналоговом осциллографе параметры сиг нала
измеряются только после прохождения его через канал вертикального
отклонения и с большой погрешностью.
Сопряжение цифровых осциллографов с микропроцессором по-
зволяет наряду с традиционными параметрами сиг налов (амплитудой,
частотой, длительностью) определять среднеквадратичное значение
напряжения сигнала и даже вычислять и отображать на экране ЭЛТ
преобразование Фурье для любого сигнала.
В цифровых осциллографах обеспечивается полная цифровая об-
работка сигнала, поэтому в них чаще используются не ЭЛТ, а инди-
каторные панели, отображение результата измерения на которых осу-
ществляется несколькими способами.
• одновременным наблюдением изображения сигнала на экране
и высвечиванием на индикаторной панели численных значений
параметров,
• определением значения параметра собственно оператором, кото-
рый подводит к изображению сигнала на экране световые метки
так. чтобы отметить измеряемый параметр по цифре на соответ-
ствующей регулировке;
• применением специальных кинескопов (например матричных ин-
дикаторных панелей) и формированием изображения исследуе-
мых сиг налов и цифровой информации с помощью растра (растро-
вый метод).
В цифровых осциллографах обеспечивается автоматическая уста-
новка оптимальных размеров изображения на экране.
Структурная схема осциллографа приведена на рис. 2.27.
Параметры исследуемого сигнала определяются с помощью
встроенных измерителен. По результатам измерений контроллер
вычисляет требуемые коэффициенты отклонения ио вертикали
и горизонтали и через два интерфейса задает эти коэффициенты
аппаратной части КВО и КГО, что обеспечивает неизменность раз-
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
мерой изображения но обоим направлениям и автоматическую син-
хронизацию сигнала.
Рис. 2.27. Структурная схема цифрового осциллографа
Кроме тоги, контроллер отслеживает положение органов управле-
ния на лицевой панели, и результаты опроса после кодирования вновь
поступают в контроллер, который через интерфейс включает соот-
ветствующий режим автоматического измерения. Результаты измере-
ния отображаются на отдельном световом табло (которое может быть
встроено в экран ЭЛТ) одновременно с отображением амплитудного
и временных параметров сиг нала.
Методика измерения параметров сигналов осциллографом. Для
получения возможно меньшей погрешности измерения осциллограф
должен соответствовать основным метрологическим характеристи-
К основным метрологическим характеристикам осциллографа от-
носятся чувствительность (либо коэффициент отклонения), полоса
пропускания, значение импеданса по входу канала Y, погрешность вос-
произведения формы сиг нала и измерения его параметров.
Чувствительность s выражается формулой
I [Дел!
<218)
В техническом паспорте прибора приводится чувствительность по
обоим каналам, по вертикальному каналу — ®у и горизонтальному ка-
налу — Sx-
2.3. Электронные осциллографы
В современных осциллог рафах наиболее широкое применение на-
шел коэффициент отклонения, связанный с чувствительностью об-
ратной зависимостью.*
А=^Г-Ц.
sЬделJ
(2.19)
Полоса пропускания характеризует частотный диапазон сигналов,
исследуемых и наблюдаемых на конкретном осциллографе. В атом
частотном диапазоне сигнал измеряется с допустимой погрешностью.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) прибора приведена на
рис. 2.28, где f„ и /в — нижняя и верхняя граничные частоты соответ-
ственно. Узкополосные осциллографы, как правило, обладают боль-
шей чувствительностью, чем широкополосные.
и,
Рис. 2.28. Амплитудно-частотная характеристика осциллографа
Значение импеданса по входу канала Y — это активная RBX и ре-
активная (емкостная) Свх составляющие входного сопротивления
осциллографа. Достоинством осциллографа является большее значе-
ние входного сопротивления, что влечет за собой малое собственное
потребление мощности от источника исследуемого сигнала. Значение
входной емкости прямо пропорционально связано с полосой пропу-
скания осциллографа: чем меньше входная емкость прибора, тем шире
частотный диапазон
Погрешность воспроизведения формы сигнала (искажение)
и измерения его параметров обусловлена кривизной экрана, труд-
ностью точног о отсчета линейных размеров по вертикали и горизон-
тали, неумением оператора настроить прибор. Такая погрешность мо-
жет достигать 10... 15% и является главным недостатком аналоговых
осциллографов.
Рассмотрим алгоритм подготовки осциллографа к работе:
• включить тумблер «Сеть» При этом должна загореться индика-
торная лампочка;
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
• через 1—2 мин после прогрева прибора при повороте ручки «Яр-
кость» вправо на экране должна появиться светящаяся линия раз-
вертки. Если на экране появилась не линия развертки, а точка, то во
избежание выхода из строя ЭЛТ яркость свечения следует умень-
шить до едва различимой и включить внутреннюю синхронизацию
для получения на экране линии развертки. Если после выполнения
описанных процедур на экране не появится линия развертки или
точка, то следует проверить, установлены ли ре|улировочные органы
*» и «X» в среднее положение. Если и тогда на экране ничего не
появится, то следует повращать регулировки «Уровень» и «Слаб.»;
• с помощью регулировок «Яркость», «Фокус» и «Астигматизм»
установить оптимальные значения перечисленных параметров
горизонтальной линии развертки: линия развертки должна быть
буквально волосяной, то|да измерение линейных размеров пара-
метров обеспечит минимально возможную погрешность;
• поскольку выбор режима работы осцилло! рафа определяет-
ся характером и значением исследуемого си шала, то |армо-
нические сшналы исследуются, как правило, при положении
«Внутр.» (□) переключателя вида синхронизации, а импульс-
ные — при положении «Внеш.» (“►О). При этом на разъем «Вход
X» подаются импульсы синхронизации от внешнего источника;
• переключатель но входу Y «——» устанавливают чаще всего в по-
ложение «—», что обеспечивает связь с источником исследуемого
сигнала ио постоянному току и дает возможность совместить ли-
нию развертки с осью времени;
• осцилло! раф готов к работе, и можно подавать исследуемый си г-
нал через специальный кабель на вход Y. Если значение напря-
жения исследуемого сщнала даже приблизительно неизвестно,
то необходимо переключатель «Вольт дел.» установить в мак-
симальное положение (чтобы не сторела входная цепь), затем
вывести его в положение, обеспечивающее оптимальный размер
ио вертикали. Во избежание появления большой погрешности
перед измерением необходимо ручки плавного регулирования
усиления ио X и Y установить в крайнее правое положение «Ка-
.4 и(1рк.
В современных аналоговых осциллографах при измерении парамет-
ров ст налов используется метод масштабной сетки, помещенной на
экране ЭЛТ. Цена одного деления сетки перед измерением устанавли-
вается с помощью калибраторов амплитуды и длительности («Вольт,
дел.» и «Время, дел.»).
2.3. Электронные осциллографы 69
На раз-меры осци i юграммы по вертикали влияют следующие ор-
ганы унраиления. многоступенчатый переключатель «Вольт дел.», а
в некоторых осциллографах тумблер «Усилитель» на два положе-
ния (например «х1 — х10»)_ Произведение положений переключателя
«Вольт/дел.» и тумблера «Усилитель» определяет цену одного деле-
ния масштабной сетки — св.
Все прямые вертикальные параметры исследуемого сигнала и лю-
бой момент времени рассчитываются по <)юрмуле
Ав~ск-пв, (2.20)
где пв - линейный размер измеряемого параметра по вертикали в делениях
масштабной сетки
На размеры осци иограммы по горизонтали влияют два органа
управления: многоступенчатый переключатель «Время дел.» и тум-
блер «Развертка» на два положения (например <<х1 — х0,2»). Произ-
ведение положений этих органов управления определяет' пену одного
деления масштабной сетки осциллограмм сг.
Все прямые горизонтальные параметры исследуемого сигнала
определяются по формуле
Д. = сг-иг, (2.21)
где к, линейный размер измеряемого параметра по горизонтали в делениях
масштабной сетки
Рассмотрим пример измерения параметров синусоидального сиг-
нала с помощью масштабной сетки осциллографа (рис. 2.29) при сле-
дующем положении масштабозадагощих органов управления: пере-
ключатели «Вольт дел.» — «2 В дел.», «Время дел.» — «50 мкс/дел.»,
тумблер «Развертка» — «х0,2».
Определим амплитудное значение синусоидального напряжения
по формуле (2.20)
U,„ — 2 В дел. 2 дел. — 4 В.
Определим период повторения исследуемого сигнала по формуле
(2-21);
Т 50 мкс, дел - 0,2 8 дел. - 80 мкс.
Синусоидальный сигнал характеризуется среднеквадратичным
значением напряжения и частотой. Эти параметры являются вторич-
ными и определяются на основе найденных прямых параметров но из-
вестным зависимостям.
70
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Определим среднеквадратичное значение синусоидального напря-
жения:
U ~ 0,7 - 0,7 4 В 2,8 В
Определим частоту повторения синусоидального сшнала:
80 • Ю^с
=12,5 кГц
Контрольные вопросы
1. Каковы достоинства ЦИП по сравнению с АИП?
2. Перечислите недостатки ЦИП ио сравнению с АИП.
3. Что такое дискретизация?
4. Что такое квантование?
5. Что такое кодирование сигнала?
6. Какие сигналы используются в электронике?
7. Приведите определение ЦИП
8. В чем состоят преимущества дискретных и цифровых сигналов
в ЦИП но сравнению с аналоговыми?
9. По какому параметру выполняется дискретизация?
10. Что такое цифровой код?
11. В каких режимах может работать ЦИП?
12. Перечислите основные параметры ЦИП.
Контрольные вопросы
71
13. Что такое погрешность дискретизации?
14. Как классифицируются АЦП?
15. Какое новое направление появилось в технике измерений?
16. Каков диапазон частот ГНЧ?
17. Какой параметр синусоидального напряжения показывает анало-
говый индикатор ГНЧ?
18. Какую функцию выполняет задающий генератор в составе ГНЧ?
19. Какой тип задающею генератора используется в ГНЧ?
20. Почему LC-генераторы не применяются на низких частотах?
21. Каково назначение высокочастотных генераторов?
22. Напряжение какой <]юрмы вырабатывает ГВЧ?
23. Назовите тип задающего генератора несущей частоты в составе
ГВЧ
24. В чем состоит отличие генератора стандартного сшнала от генера-
тора сигнала?
25. Какой параметр синусоидального напряжения показывает анало-
говый индикатор ГВЧ?
26. В чем состоит отличие модулирующей и несущей частот?
27. Какие параметры сшнала регулируются в широких пределах
в ГИ?
28. Что такое скважность импульсного сигнала?
29. В чем состоит отличие импульсов, снимаемых с выходов 1 : 1
и 1 : 10 генератора?
30. Какой параметр является одинаковым у сш налов, снимаемых
с выходов 1:100 и СИ?
31. Перечислите виды осциллографических разверток.
32. Каким требованиям должна соответствовать непрерывная линей-
ная развертка?
33. Для исследования каких процессов используют непрерывную ли-
нейную развертку?
34. Для исследования каких процессов используют ждущую линей-
ную развертку?
35. Где применяется синусоидальная развертка?
36. Перечислите осциллографические методы измерения частоты.
37. Перечислите достоинства осциллсл рафов
38. Как обеспечивается неподвижность осцилло! раммы при исполь-
зовании линейной (пилообразной) развертки?
39. Что такое синхронизация развертки?
40. Как обеспечивается синхронизация при круговой (синусоидаль-
ной) развертке методом фшур Лиссажу?
72 ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
41. Какие opi аны у правления определяют размеры осциллограммы ио
вертикали?
42. Какие opi аны управления определяют размеры осциллограммы ио
горизонтали?
43. Какие причины вызывают искажение осциллограммы исследуемо-
го напряжения?
44. В каких случаях применяются стробоскопические осциллографы?
45. Как по внешним признакам можно отличить двухканальный
осцилло! раф от двухлучевого?
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ
3.1. Измерение силы тока
Общие сведения. Основной единицей измерения силы тока яв-
ляется ампер (А). Ампер — большая единица измерения силы тока,
поэтому при электронных измерениях чаще используются дольные
единицы.
• миллиампер (1 мА -= 10_,А).
• микроампер (1 мкА — 10-6А).
Международные обозначения единиц измерения силы тока приве-
дены в Приложении 1.
В каталоговой классификации отечественные электронные ам-
перметры обозначаются следующим образом. А1 — образцовые.
А2 - постоянного тока, АЗ — переменного синусоидального тока,
А4 - переменного импульсного тока, А5 фазочувстви тельные,
А6 — селективные, А7 — универсальные.
Например, в обозначении электронного амперметра А7-8 цифра
«7» указывают на его универсальность (возможность использования в
цепях переменного и постоянного тока), а цифра «8» через дефис на
номер модели, т.е. это универсальный амперметр.
На лицевых панелях электромеханических амперметров отече-
ственного и импортного производства применяются следующие обо-
значения. А - амперметр; шА — миллиамперметр, рА - микроамиер-
В электронике требуется измерять силу тока от единиц микроам-
пер до единиц ампер в диаиазоне частот от нуля до десятков мегагерц.
Для измерения силы тока в таких широких диапазонах применяются
амперметры, различающиеся но принципу работы.
Измерение силы постоянного тока и тока низких частот. Для из-
мерения силы постоянного тока низких частот применяются элек-
тромеханические амперметры, миллиамперметры, микроамперметры,
мультиметры, электронные амперметры 2-il и 7-й подгрупп (А2 и А7).
При измерении силы постоянного тока используются приборы
только мат нитоэлектрической системы.
74
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Любой измерительный прибор при подключении к цени не должен
изменить параметры и режим работы исследуемой цени. Поэтому не-
обходимо. чтобы амперметр обладал возможно меньшим сопротив-
лением и подключался последовательно с нагрузкой (рис 3.1, а). При
этом через прибор и нагрузку протекает один и тот же ток.
Рис. 3.1. Схема подключения амперметра в цепь
схема подключения шунта к амперметру (б)
При малом сопротивлении амперметра падение напряжения и по-
теря мощности на нем также малы. Сила тока в показанной цепи до
подключения амперметра составляет
а после подключения
(3.2)
где U напряжение подключенного источника питания,
R& внутреннее сопротивление амперметра,
Rn сопротивление нагрузки
Только при « R„ будет I'—!,.
Таким образом, погрешность, возникающая в результате подключе-
ния амперметра к исследуемой цени и обусловленная потребляемой
им мощностью, имеет систематическую методическую составляющую,
а также инструментальную составляющую, которая зависит от вели-
чины внутреннего сопротивления используемого амперметра.
Для расширения диапазона измерения по току применяются шун-
ты. которые представляют собой сопротивление, подключаемое парал-
лельно с амперметром (рис. 3.1, б).
Очевидно, падение напряжения на приборе и шунте одинаково:
/,и «А, (3.3)
3.1 - Измерение силы тока 75
где — сила тока через шунт,
R,„ сопротивление шунта,
/д сила тока амперметра
Ил равенства (3.3) следует, что
(3.4 >
но поскольку I 1А (по 1-му закону Кирхгофа), то сопротивление
шунта можно выразить как:
<35>
де I измеряемая сила тока.
Разделив числитель и знаменатель на 1д, получим
=~Г^’ или К = <3 6)
у—1 1
где р шунтирующий множитель, показывающий, во сколько раз расширяет-
ся предел измерения амперметра.
р - Т7 <37)
Из анализа формулы (3.6) следует, что для расширения диапазона
измерения силы тока в р раз необходим шунт с сопротивлением в (р 1)
раз меньшим сопротивления амперметра.
Амперметр с несколькими шунтами называется миогопредель-
При изготовлении шунтов используются проволока, ленты или
стержни Шунты могут быть внутренними и наружными.
Для измерения силы переменного тока низких частот использу-
ют электронные амперметры 3-й и 7-й подгрупп (АЗ, А7) и электроме-
ханические амперметры. Применимость электромеханических ампер-
метров целесообразно рассматривать по частотным диапазонам.
При измерении силы тока промышленных частот 50, 100, 400
и 1000 Гц применяются электромеханические амперметры электро-
магнитной, электродинамической, ферродинамической, выпрями-
тельной и термоэлектрической систем. В диапазоне частот 1...5 кГц
используются амперметры выпрямительной, электродинамической
и термоэлектрической систем. В диапазоне частот от 5 кГц до единиц
76
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
мегагерц амперметры выпрямительной и электродинамической си-
стем допускают значительную погрешность, обусловленную индук-
тивностью катушек и паразитной емкостью выпрямителей, поэтому
для измерения силы тока лучше использовать амперметры термоэ-
лектрической системы.
Элек1ромеханические амперметры всех систем обычно градуируют
в среднеквадратичных значениях при синусоидальной форме кривой тока.
Расширение диапазона измерений амперметров перечисленных си-
стем возможно с помощью измерительных трансформаторов тока, так
как падение напряжения в этих приборах в несколько раз больше, чем
в амперметрах магнитоэлектрической системы, и требовались бы гро-
моздкие и дорогостоящие шунты.
Амперметр термоэлектрической системы (термостатический пре-
Рис. 3.2. Схема
термостатического
преобразователя-
7 — термопара; 2 —
терморезистор
Рис. 3.3. Эквивалентная
схема замещения амперметра
для измерения силы тока
высоких частот.- А. Б
входные зажимы прибора,
Слх 6bj. емкости входных
зажимов А м Б относительно
общей точки (корпуса JL);
’л — индуктивное
и активное сопротивление
рабочей части прибора: -
емкость между входными
зажимами амперметра
образователь) представляет собой изме-
рительный механизм ма1 нитоэлектриче-
ской системы в сочетании с термопарой
(рис. 3.2), предназначенной для измерения
температуры I проволоки (терморезистора,
или нагревателя), через которую протекает
измеряемый переменный ток. Индуктив-
ность терморезистора незначительна, этим
и объясняется применение амперметров
термоэлектрической системы при измере-
нии силы тока высоких частот.
Электромеханические амперметры
имеют существенный недостаток — боль-
шое собственное потребление мощности
из исследуемой цепи, которое заметно
меньше у электронных амперметров.
Измерение силы тока высоких ча-
стот. В отличие от схемы замещения ам-
иерметра для измерения силы тока низ-
ких частот, когда эквивалентная схема
амперметра представляет собой активное
сопротивление Ил, за счет которого воз-
никает методическая и инструментальная
погрешности, схема замещения ампер-
метра для измерения силы тока высоких
частот не является точной, а имеет вид,
показанный на рис. 3.3.
3.1 - Измерение силы тока 77
Из приведенной схемы замещения следует; что с повышением
частоты увеличиваются токи утечки не через рабочую часть прибо-
ра, а следовательно, растет погрешность измерения силы тока. Для
уменьшения погрешности измерения необходимо соблюдать следую-
щие рекомендации:
• использовать только высокочастотные амперметры (термоампер-
метры), значения паразитных индуктивности и емкостей которых
минимальны благодаря конструкции прибора;
• подключать амперметр к исследуемой цепи в точку с наименьшим
потенциалом относительно земли.
Рассмотрим пример, представленный на рис. 3.4.
Рис. 3.4. Включение амперметра к цепи в точке с наибольшим
(я) и наименьшим (б) потенциалом относительно земли
Подключение амперметра приводит к изменению силы тока в цепи.
Кроме того, часть протекающего в цепи тока ответвляется через СА1,
САь, СЬг. Следовательно, токи /j,/? и Ц будут различны для схемы, пока-
занной на рис 3.4, а. В схеме, показанной на рис 3.4,6 одной паразитной
емкостью СА меньше, так как она оказывается замкнутой накоротко.
В области сверхвысоких частот эквивалентная схема замещения
амперметра усложняется, а погрешность измерения возрастает на-
столько. что измерение силы тока теряет физический смысл.
При выборе прибора для измерения силы тока нет необходимости
знать все метролошческие характеристики, указанные в паспорте, —
нужны только основные:
• параметр тока, измеряемый прибором (среднеквадратичное, ам-
плитудное или средневыпрямленное значение);
диапазон измерения силы тока;
• частотный диапазон;
78
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
допустимая ног решность;
входной импеданс (активная и реактивная составляющие входного
сопротивления — 7?вк, Свх).
3.2. Измерение напряжения
Общие сведения. Необходимость измерения напряжения на прак-
тике возникает очень часто. В электротехнических и радиотехниче-
ских цепях и устройствах чаще всего измеряют напряжение постоян-
ного и переменного (синусоидального и импульсного) тока.
Напряжение постоянного тока (рис. 3.5, а) выражается как u(t)
const. Источниками такого напряжения являются генераторы по-
стоянного тока и химические источники питания.
Рис. 3.5. Временные диаграммы напряжений* постоянного (о),
переменного синусоидального (б) и переменного импульсного (в) тока
Напряжение переменного синусоидального тока (рис. 3.5, б) выра-
жается как а(£) U„, sincof и характеризуется среднеквадратичным ( V)
и амплитудным (Um) значениями:
< и, Jii:
Источниками такого напряжения являются низко- и высокочастот-
ные генераторы, электросеть.
Напряжение переменного импульсного тока (рис. 3.5 в) характе-
ризуется амплитудным U,„ и средним L'o (постоянная составляющая)
значениями напряжения. Источником такого напряжения являются
импульсные генераторы с сигналом разной формы.
Основной единицей измерения напряжения является вольт (В).
В практике электротехнических измерений широко используются
дольные и кратные единицы
• киловольт (1 кВ - 10* В);
• милливольт (1мВ —10" * В);
• микровольт (1 мкВ — 10-6 В).
3.2. Измерение напряжения 79
Международные обозначения единиц измерения напряжения при-
ведены в Приложении 1.
В каталоговой классификации электронные вольтметры обознача-
ются следующим образом: В1 - образцовые, В 2 — постоянного тока,
ВЗ переменного синусоидального тока, В4 переменного импульс-
ного тока, В5 - фазочувствительные. ВС - селективные. В7 - уни-
версальные.
На шкалах аналоговых индикаторов и на лицевых панелях (на пе-
реключателях пределов) отечественных и зарубежных электронных
и электромеханических вольтметров применяются следующие обо-
значения. V вольтметры, kV — киловольтметры. mV — милливольт-
метры, pV микровольтметры.
Измерение напряжения постоянного тока. Для измерения напря-
жения постоянного тока используются электромеханические вольт-
метры и мультиметры, электронные аналоговые и цифровые вольт-
метры, электронные осциллографы.
Электромеханические вольтметры непосредственной оценки
измеряемой величины составляют большой класс приборов аналого-
вого типа и имеют следующие достоинства:
• возможность работы без подключения к источнику питания;
малые габаритные размеры.
• меньшая цена (ио сравнению с электронными),
• простота конструкции и удобство эксплуатации.
Чаще всего при электротехнических измерениях в сильноточных
цепях используются вольтметры на основе электромагоитной и элек-
тродинамической систем, в слаботочных цепях Mat нитоэлектриче-
ской системы. Поскольку все названные системы сами являются из-
мерителями силы тока (амперметрами), то для создания на их основе
вольтметров необходимо увеличить внутреннее сопротивление при-
бора, т.е. подключить последовательно с измерительным механизмом
добавочный резистор r„f, (рис. 3.6. а)
Вольтметр подключается к исследуемой цепи параллельно
(рис. 3.6, б), и его входное сопротивление должно быть достаточно
большим.
Для расширения диапазона измерения вольтметра также использу-
ют добавочный резистор, который подключают к прибору последова-
тельно (рис. 3.6, е).
Значение сопротивления добавочного резистора определяется по
формуле
80
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Рис. 3.6. Схема создания вольтметра на основе амперметра (я), подключение
вольтметра к нагрузке (б). подключение добавочного резистора к вольтметру (в)
гЯоб“гВ(р 1). (3.8)
где р число, показывающее, во сколько раз расширяется предел измерения
вольтметра.
U ,
P = -iT< (3-9)
где U„ — исходный предел измерения,
1/м1 — новый иредел измерения
Добавочные резисторы, размещенные внутри корпуса прибора, на-
зываются внутренними, подключенные к прибору снаружи — внешни-
ми. Вольтметры могут быть многопредельными. Между пределом из-
мерения и внутренним сопротивлением многопредельного вольтметра
существует прямая зависимость, чем больше предел измерения, тем
больше сопротивление вольтметра.
Электромеханические вольтметры имеют следующие недостатки.*
• ограниченный диапазон измерения напряжении (даже в много-
предельных вольтметрах);
• малое входное сопротивление, следовательно, большое собствен-
ное потребление мощности из исследуемой цени.
Этими недостатками электромеханических вольтметров обуслов-
лено предпочтительное использование для измерения напряжения
в ,-ыектронике электронных вольтметров.
Электронные аналоговые вольтметры постоянного тока по-
строены но схеме, представленной на рис. 3.7. Входное устройство со-
стоит из эмиттерного повторителя (для увеличения входного сопро-
тивления) и аттенюатора делителя напряжения.
Преимущества электронных аналоговых вольтметров ио сравне-
нию с электромеханическими очевидны.
3.2. Измерение напряжения
81
0
Входное устройство А — «mV-V» Усилитель постоянного тока О— ‘►О-Я» Индикатор магнитоэлектрической системы
Рис. 3.7. Структурная схема электронного аналогового вольтметра
постоянного тока
• широкий диапазон измерения напряжений:
• большое входное сопротивление, следовательно, малое собствен-
ное потребление мощности из исследуемой цени;
• высокая чувствительность благодаря наличию усилителя на входе
прибора;
• невозможность перегрузок.
Вместе с тем электронные аналоговые вольтметры имеют ряд не-
достатков.
• наличие источников питания, большей частью стабилизирован-
• большая, чем у электромеханических вольтметров, приведенная
относительная погрешность (2,5...6%);
• большие массогабаритные размеры, более высокая цена.
В настоящее время аналоговые электронные вольтметры постоян-
ного тока применяются недостаточно широко, так как но своим пара-
метрам заметно уступают цифровым вольтметрам.
Измерение напряжения переменного тока. Для измерения напря-
жения переменного тока используются электромеханические вольт-
метры и мультиметры, электронные аналоговые и цифровые вольт-
метры, электронные осциллографы.
Рассмотрим недорогие и достаточно точные электромеханиче-
ские вольтметры. Делать это целесообразно по частотным диапазо-
на промышленных частотах 50, 100. 400 и 1000 Гц широко приме-
няются вольтметры электромаг нитной, электродинамической, ферро-
динамической, выпрямительной, электростатической и термоэлектри-
ческой систем.
На низких частотах (до 15...20 кГц) применяются вольтметры вы-
нрямительной, электростатической и термоэлектрической систем.
На высоких частотах (до единиц—десятков мегагерц) используют-
ся приборы электростатической и термоэлектрической систем
Для электротехнических измерений широко используются универ-
сальные приборы — мультиметры.
82
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Мультиметры (тестеры, ампервольтомметры, комбинированные
приборы) позволяют измерять множество параметров: силу постоянного
и переменного тока, напряжение постоянного и переменного тока, сопро-
тивление резисторов, емкость конденсаторов (не все приборы), некото-
рые статические параметры маломощных транзисторов А 11 ^щ)-
Мультпметры выпускаются с аналоговым и цифровым отсчетом.
Широкое использование мультиметров объясняется следующими их
преимуществами:
многофункциональность, т.е. возможность использования в каче-
стве амперметров, вольтметров, омметров, фарадомеров. измерите-
лей параметров маломощных транзисторов;
• широкий диапазон измеряемых параметров благодаря наличию
нескольких пределов измерения по каждому параметру;
• возможность использования в качестве переносных приборов, по-
скольку отсутствует сетевой источник питания;
• небольшие массогабаритные размеры;
• универсальность (возможность измерения переменных и постоян-
ных токов и напряжении).
Мультиметры имеют также ряд недостатков:
• узкий частотный диапазон применимости;
• большое собственное потребление мощности из исследуемой
• большая приведенная погрешность у аналоговых (1,5; 2,5 и 4)
и у цифровых мультиметров,
• непостоянство внутреннего сопротивления на различных пределах
измерения силы тока и напряжения.
Пи отечественной каталоговой классификации мультиметры име-
ют обозначение Ц43 и далее номер модели, например, Ц4352
Для определения внутреннего сопротивления аналогового мульти-
метра на включенном пределе измерения в паспорте прибора может
быть приведено удельное сопротивление. Например, в паспорте тесте-
ра Ц4341 удельное сопротивление — 16,7 кОм В, пределы измере-
ния по напряжению постоянного тока UH составляют 1,5—3 - 6 15 В.
В атом случае сопротивление мультиметра на пределе 6 В постоян-
но! о тока определяют по формуле
Явх 1 Ля UH • 16,7 кОм/В 6 В = 100 кОм.
В паспорте прибора могут быть приведены сведения, необходимые
для расчета сопротивления но .закону Ома. Если тестер используется
как вольтметр, то его входное сопротивление определяется по формуле
3.2. Измерение напряжения
83
4>=^р (3 10)
где UM — выбранный предел измерения,
I — значение силы тока в выбранном пределе (указанное на задней пане-
ли прибора или в его паспорте)
Если тестер используется как амперметр, то его входное сопротив-
ление определяется по формуле
(3.11)
где /„ выбранный предел измерения,
U значение напряжения, приведенное на задней панели прибора или
в его паспорте
Например, в паспорте тестера Ц4341 приведено падение напря-
жения на приборе, равное 0,3 В в пределах 0,06—0,6 6—60 600 мА
постоянного тока, и падение напряжения 1,3 В в пределах: 0,3—3-
30—300 мА переменного тока. Входное сопротивление мультиметра
в пределе 3 мА переменного тока составит
Я =115=433 Ом
вх ЗмА
Электронные аналоговые вольтметры переменного тока по-
строены по одной из структурных схем (рис. 3.8), которые различа-
ются последовательностью расположения основных блоков — усили-
теля и преобразователя (детектора) напряжения переменного тока в
напряжение постоянного тока. Свойства этих вольтметров во многом
зависят от выбранной схемы.
Рис. 3.8. Структурные схемы электронных аналоговых вольтметров
переменного тока типа У—Д (а) и типа Д—У (б)
84
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Вольтметры первой группы — типа усилитель—детектор (У— Д)
имеют высокую чувствительность, что связано с наличием дополни-
тельного усилителя. Поэтому все микро- и милливольтметры построе-
ны по схеме У—Д. Однако частотный диапазон таких вольтметров
неширок (до единиц Meiaiepu), так как создание широкополосного
усилителя переменно! о тока связано с определенными трудностями.
Вольтметры типа У —Д относятся к неуниверсальным (подгруппа ВЗ),
т.е. moi ут измерять только напряжение переменного тока.
Вольтметры второй группы — типа детектор—усилитель (Д—У) -
имеют широкий частотный диапазон (до единиц ги! агерц) и низкую
чувствительность. Вольтметры этого типа относятся к универсаль-
ным (подгруппа В7), т.е. измеряют напряжение не только перемен-
ного, но и постоянного тока; могут измерять напряжение значитель-
ного уровня, так как обеспечить большое усиление с помощью УПТ
несложно.
В вольтметрах обоих типов важную функцию выполняют преоб-
разователи напряжения переменно! о тока в напряжение постоянного
тока детекторы, которые по функции преобразования входного на-
пряжения в выходное можно классифицировать на три типа, ампли-
тудного, среднеквадратичного и средневыирямленного значения.
От типа детектора во многом зависят свойства прибора. Вольт-
метры с детектором амплитудного значения являются самыми высо-
кочастотными; вольтметры с детектором среднеквадратичного значе-
ния позволяют измерять напряжение переменного тока любой <]х>рмы,
вольтметры с детектором средневыирямленного значения пригодны
для измерения напряжения только гармонического сш нала и являют-
ся самыми простыми, надежными и недорогими.
Детектор а тлитудного значения представляет собой устройство,
напряжение на выходе которого соответствует амплитудному значе-
нию измеряемого сш нала, что обеспечивается путем запоминания на-
пряжения на конденсаторе.
Чтобы цепь реальной нагрузки любого детектора эффективно от-
фильтровывала полезный сш нал и подавляла нежелательные высоко-
частотные гармоники, следует выполнить условие
или (3.12)
где Сг, — емкость выходного фильтра,
R„ — сопротивление нагрузки детектора.
Второе условие хорошей работы детектора:
3.2. Измерение напряжения
85
R„ » ftivo-
(3.13)
На рисунке 3.9 приведены структурная схема и временные диа-
граммы выходного напряжения детектора амплитудного значения
с параллельным включением диода и закрытым входом. Детектор с за-
крытым входом имеет последовательно включенный конденсатор, не
пропускающий постоянную составляющую. Рассмотрим работу та-
кого детектора при подаче на его вход синусоидального напряжения
ы(Г) _ Um sin со t.
Рис. 3.9. Структурная схема детектора амплитудного
значения с параллельным включением диода и закрытым
входом (o') и временные диаграммы напряжений (6)
При поступлении положительной полуволны синусоиды конденса-
тор С заряжается через диод VD, который в открытом состоянии имеет
малое сопротивление <<: Ко- Постоянная времени заряда конден-
сатора Гр и =Rq vd С мала, и конденсатор быстро заряжается до макси-
мального значения U,„. При смене полярности входного сигнала диод
закрыт и конденсатор медленно разряжается через сопротивленце на-
грузки й0, которое выбирается большим — 50...100 МОм. Таким обра-
зом, постоянная разряда тра., — Rn С оказывается значительно больше
периода синусоидального сшнала Т 2я го. В результате конденсатор
остается заряженным до напряжения, близкого к U, Um - UBtax.
Изменение напряжения на нагрузочном резисторе R,, определяется
разностью амплитуд входного напряжения Ux и напряжения на кон-
денсаторе TfL\ IJR = Tfx — IJC. В результате выходное напряжение UR бу-
дет пульсирующим с удвоенной амплитудой измеряемого напряжения
(см. рис. 3.9, ti). Это подтверждается следующими математическими
выкладками:
U ~ Um sin to t - Uc ~ sin co t - Um.
86
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
UR ” 0 при sin со t 1, UR - -Um при sin со t О, UR - -2Um при
sin co t = -1.
Для выделения постоянной составляющей сигнала U —I7t вы-
ход детектора подключен к емкостному фильтру, подавляющему все
остальные армоники тока
На основании изложенного следует вывод, чем меньше период ис-
следуемое о сш нала (чем больше его частота), тем точнее выполняется
равенство Ut — U,n, что объясняет высокочастотные свойства детектора.
При использовании в работе вольтметров с детектором амплитудного
значения следует иметь в виду, что эти приборы чаще всего градуиру-
ются в среднеквадратичных значениях синусоидального сие нала, т.е.
показания индикатора прибора равны частному от деления амплитуд-
ного значения на коэффициент амплитуды синусоиды.
где ka коэффициент амплитуды
Детектор среднеквадратичного значения (рис. 3.10) преобразу-
ет напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, про-
порциональное квадрату среднеквадратичного значения измеряемого
напряжения. Следовательно, измерение среднеквадратичного напря-
жения связано с выполнением трех операций, возведения в квадрат
мгновенного значения сшнала, усреднения его значения и извлечения
корня из результата усреднения (последняя Операция обеспечивается
градуировкой шкалы вольтметра). Возведение в квадрат mi новенного
значения сшнала обычно осуществляется диодной ячейкой путем ис-
пользования квадратичного участка его характеристики.
г б
Рис. 3.10. Детектор среднеквадратичного значения-
а — диодная ячейка; б — ВАХ диода
В диодной ячейке VD, (см. рис. 3.10, а) постоянное напряжение
U-> приложено к диоду VD таким образом, что он оказывается закры-
тым до тех пор. пока измеряемое напряжение и, (Г) на резисторе R2 не
превысит значение и%.
3.2. Измерение напряжения 87
Начальный участок вольт-амперной характеристики диода имеет
малую протяженность (см. рис. 3.10, б), поэтому квадратичную часть
искусственно удлиняют методом кусочно-линейной аппроксимации
путем использования нескольких диодных ячеек.
При конструировании вольтметров среднеквадратичного значения
возникают трудности с обеспечением широкого частотного диапазона.
Несмотря на это такие вольтметры являются самыми востребованны-
ми, так как ими можно измерять напряжение любой сложной формы.
Детектор средневыпря членного значения преобразует напряжение
переменного тока в напряжение постоянного тока, пропорциональное
средневыпрямленному значению напряжения. Выходной ток измери-
тельного прибора с таким детектором аналогичен выходному току вы-
прямительной системы.
Напряжения переменного тока, действующие в электронных
устройствах, могут изменяться во времени по различным законам. На-
пример, напряжение на выходе задающего генератора связного радио-
передатчика изменяется но синусоидальному закону, на выходе генера-
тора развертки осциллографа импульсы имеют пилообразную форму,
синхроимпульсы полного телевизионного сш нала прямоуг ольные.
На практике приходится проводить измерения в различных участ-
ках схем, напряжения в которых могут отличаться по значению и но
форме. Измерение напряжения несинусоидальной формы имеет свои
особенности, которые необходимо учитывать, чтобы не допустить оши-
бок. Очень важно правильно выбрать тип прибора и способ пересчета
показаний вольтметра в значение необходимого параметра измеряемо-
го напряжения. Для этого необходимо четко представлять себе, каким
образом производится оценка и сравнение напряжений переменного
тока и как влияет форма напряжения на значения коэффициентов, свя-
зывающих между собой отдельные параметры напряжения.
Критерием оценки напряжения переменного тока любой <]юрмы
служит связь с соответствующим напряжением постоянного тока по
одинаковому эффекту теплового действия (среднеквадратичное зна-
чение U), определяемое выражением
V (3.14)
где Т период повторения сигнала,
и(1) функция, описывающая закон изменения мгновенного значения на-
пряжения
Далеко не всегда в распоряжении оператора может оказаться вольт-
метр, с помощью которого можно измерить нужный параметр напря-
88
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
женин. В таком случае необходимый параметр напряжения измеряется
косвенно с помощью имеющегося вольтметра, с использованием коэф-
фициентов амплитуды кл и формы Рассмотрим пример расчета не-
обходимых параметров напряжения синусоидальной <]х>рмы.
Необходимо определить амплитудное (['„) и средневыирямленное
(Цв) значения напряжения синусоидальной формы вольтметром, гра-
дуированным в среднеквадратичных значениях напряжения синусои-
дальной формы, если прибор показал Uo 10 В.
Расчет выполняем следующим образом. Так как вольтметр градуи-
рован в среднеквадратичных значениях U, то в приложении 3 для дан-
HOi о прибора показание 10 В соответствует прямому отсчету по шкале
среднеквадратичного значения, т.е. U — 10 В, [/,, — k,-V~ 1,41 - i<) Вг
14.1В.г..4=,(^=.9Б.
*Ф 1Д1
Переменное напряжение характеризуется средним, амплитудным
(максимальным) и среднеквадратичным значениями.
Среднее значение (постоянная составляющая) Uu за период пере-
менного напряжения:
1 о
(3.15)
Макси налъное значение Um — это наибольшее mi новенное значение
переменного напряжения за период сигнала:
(3.16)
Средневыпрям /енное значение исв — это среднее напряжение на вы-
ходе двухиолу периодного выпрямителя, имеющего на входе перемен-
ное напряжение и (t).
Соотношение среднеквадратичного, среднего и максимального зна-
чений напряжения переменного тока зависит от его формы и в обшем
виде определяются двумя коэффициентами:
(коэффициент амплитуды),
(3.18)
h — U ( коэфф и цие нт ф)|)мы ).
*
(3.19)
3.2. Измерение напряжения
Значения этих коэффициентов для напряжений разной формы
и их соотношения приведены в табл. 3.1
Таблица 3.1
Значения ka и ЛфДЛЯ напряжений разной формы
Форма сигнала Коэффициен- ты амплитуды в формы Соотношение значе- ний параметров
и и 0 7U.I Ла = 1.41 *Ф = 1-И 14,-1.41 U= 1,57 Uc„- 14-0
и и Ла = 2 *Ф = 2,22 Um = 2 U= 3.1414; 14.-14
Ла = 1.41 *Ф = 1-И 14,= 1.41 и = 1.5717,,. 14в=14
t
и 0 ллл Аа = 1.73 *Ф = 1.16 14,= 1.73Г=2Г(„ t4n=t4
г
и А. / ^.-1.73^ АФ= 1.16^ 14, = 1.73 Ti^=2 914- I4n=t4
т 1
с — - k*=1 *ф= 1 t4, = t?=tU 14 = 0
*—Г* 1“- .= 7/2
и.. п 1 £" 1*" II II । Um = 4qU=QUtB-, I4n = 0
Примечание, q — скважность: д=—
90 ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
В ряде приборов напряжение оценивают не в абсолютных едини-
цах измерения (В, мВ, мкВ), а в относительной логарифмической еди-
нице - децибеле (<1В. или дБ). Для упрощения перевода абсолютных
единиц в относительную и, наоборот, большинство аналоговых вольт-
метров (автономных и встроенных в другие приборы: генераторы,
мультиметры, измерители нелинейных искажений) наряду с обычной
шкалой имеют децибельную. Эта шкала отличается четко выраженной
нелинейностью, что при необходимости позволяет получать резуль-
тат сразу в децибелах, без соответствующих расчетов и применения
таблиц перевода. Чаще всего у таких приборов нуль шкалы децибел
соответствует входному напряжению 0,775 В.
Напряжение больше условного нулевого уровня характеризуется
положительными децибелами, меньше этого уровня — отрицательны-
ми. На переключателе пределов каждый поддиапазон измерения от-
личается но уровню от соседнего на 10 дБ, что соответствует кратности
но напряжению 3,16
Показания, снятые по шкале децибел, алг ебраически складываются
с показаниями на переключателе пределов измерения, а не перемно-
жаются. как в случае абсолютного отсчета напряжений.
Например, переключатель пределов установлен на «—10 dBs>, при
этом стрелка индикатора установилась на отметку «—0,5 <1В?>. Суммар-
ный уровень составит: —10 + (—0,5) = —10,5 <1В. В основу перевода на-
пряжения из абсолютных значений в относительные положена фор-
мула
. ч , t"(B)
brUBh201g-A-A,
(3 20)
где t'(l (В) =0,775 В
Поскольку бел большая единица, го на практике применяют
дольную (десятую) часть бела — децибел.
Импульсные и цифровые вольтметры. При измерении импульс-
ных напряжений с малой амплитудой применяют предварительное
усиление импульсов Структурная схема аналоювого импульсного
вольтметра (рис. 3.11) состоит из выносного пробника с эмиттерным
повторителем, аттенюатора, широкополосного предварительного уси-
лителя, детектора амплитудного значения, усилителя постоянного
тока (У ПТ) и электромеханического индикатора. Вольтметры, реа-
лизованные ио этой схеме, непосредственно измеряют напряжение
1 мВ ... 3 В с погрешностью ±(4 10)%, длительностью импульсов
1 ... 200 мкс и скважностью 100... 2500.
3.2. Измерение напряжения
91
Рис. 3.11. Структурная схема импульсного вольтметра
Для измерения малых напряжений в широком диапазоне длитель-
ностей (от наносекунд до миллисекунд) применяют вольтметры, рабо-
тающие на основе автокомненсационного метода.
Электронные цифровые вольтметры имеют существенные преиму-
щества перед аналоговыми.
• высокая скорость измерений;
• исключение возможности возникновения субъективной ошибки
оператора:
• малая приведенная погрешность.
Благодаря этим преимуществам цифровые электронные вольтмет-
ры широко используются для измерения. На рисунке 3.12 приведена
упрощенная структурная схема цифрового вольтметра.
Рис. 3.12. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра
Входное устройство предназначено для создания большого вход-
ного сопротивления, выбора пределов измерения, ослабления помех,
автоматического определения полярности измеряемого напряжения
постоянного тока. В вольтметрах переменного тока входное устрой-
ство включает в себя также преобразователь напряжения перемен-
ного тока в постоянный. С выхода входного устройства измеряемое
напряжение подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), в
котором напряжение преобразуется в цифровой (дискретный) сш нал
в виде электрического кода или импульсов, количество которых про-
порционально измеряемому напряжению. Результат появляется на
табло цифрового индикатора. Работой всех блоков управляет устрой-
ство управления.
Цифровые вольтметры в зависимости от типа АЦП подразделяют-
ся на четыре группы: кодоимпульсные, времяимпульсные, частотно-
импульсные, пространственного кодирования.
92
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
В настоящее время широко применяются цифровые времяим-
пульсные вольтметры, преобразователи которых выполняют про-
межуточное преобразование измеряемого напряжения в пропорцио-
нальный интервал времени, заполняемый импульсами с известной
частотой повторения. В результате такого преобразования дискретный
сигнал измерительной информации на входе АЦП имеет вид пачки
счетных импульсов, количество которых пропорционально измеряе-
мому напряжению.
Погрешность времяимпульсных вольтметров определяется по-
грешностью дискретизации измеряемого сигнала, нестабильностью
частоты счетных импульсов, наличием nopoia чувствительности схе-
мы сравнения, нелинейностью преобразованного напряжения на вхо-
де схемы сравнения
Различают несколько вариантов схемотехнических решений
при построении времяимпульсных вольтметров. Рассмотрим прин-
цип работы времяимпульсного вольтметра с генератором линеино-
изменяющегося напряжения (ГЛИН).
На рисунке 3.13 представлены структурная схема цифрового вре-
мяимпульсного вольтметра с ГЛИН и временные диа1раммы, пояс-
няющие его работу.
Дискретный сш нал измерительной информации на выходе преоб-
разователя имеет вид пачки счетных импульсов, количество которых п
пропорционально значению входного напряжения 17'. С выхода ГЛИН
на входы 1 устройств сравнении поступает линейно нарастающее во
времени напряжение 17глин. Вход 2 устройства сравнения II соединен
с корпусом.
В момент равенства 17глин — 0 на входе устройства сравнении II и на
его выходе возникает импульс, который подается на единичный вход
триггера (Т), вызывай появление сигнала на его выходе. Триггер воз-
вращается в исходное положение импульсом, поступающим с выхода
устройства сравнения II. Этот сигнал появляется в момент равенства
линейно нарастающего напряжения 17глин и измеряемого [/' . Сфор-
мированный таким образом сигнал Uy-длительностью А Г [/' • s (где
s — коэффициент ггреобразования) подается на вход 1 схемы лог иче-
ского умножения И, а на вход 2 поступает сигнал С7л_и с генератора
счетных импульсов (ГСП). Импульсы следуют с частотой Fo ~ 1/7],.
Импульсный сигнал UC4 появляется тогда, когда на обоих входах есть
импульсы, т.е. счетные импульсы проходят при наличии сигнала на
выходе триг гера.
3.2. Измерение напряжения
93
Рис. 3.13. Структурная схема <я) и временные диаграммы (б)
цифрового времяимпу.чьсного вольтметра с ГЛИН
Счетчик импульсов подсчитывает количество прошедших импуль-
сов п =- Д t / То (с учетом коэффициента преобразования). Результат
измерения отображается на табло цифрового индикатора (ЦИ). Приве-
денная формула не учитывает погрешность дискретности из-за несовпа-
дения появления счетных импульсов с началом и концом интервала Д t.
Кроме того, большую погрешность вносит фактор нелинейности
коэффициента преобразования л. В результате цифровые времяим-
иульсные вольтметры с ГЛИН являются наименее точными среди
цифровых вольтметров.
Цифровые вольтметры с двойным интегрированием отличают-
ся от времяимиульсных вольтметров принципом работы. В них в тече-
ние времени цикла измерения Т формируются два временных интер-
94
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
вала — Г| и Т>. В первом интервале обеспечивается интегрирование
измеряемого напряжения 1!х, во втором — опорного напряжения. Вре-
мя цикла измерения Т - Tt + Т2 предварительно устанавливают крат-
ным периоду действующей на входе помехи, что приводит к улучше-
нию помехоустойчивости вольтметра.
На рисунке 3.14 приведены структурная схема цифрового вольтме-
тра с двойным интегрированием и временные диаграммы, поясняю-
щие его работу.
Рис. 3.14. Структурная схема (а) и временные диаграммы (б)
цифрового вольтметра с двойным интегрированием
3.2. Измерение напряжения 95
При t — t0 (и момент начала измерения) управляющее устройство
вырабатывает калиброванный импульс 17>пр с длительностью
7\ Tnk, (3.21)
где Г(| — период повторения счетных импульсов:
k емкость счетчика.
В момент появления фронта импульса {/улр ключ переводится
в положение 1 п с входного устройства на интегратор поступает на-
пряжение {/' , пропорциональное измеряемому напряжению U*. На
интервале времени Tt ~ — t0 интегрируется напряжение 17' , про-
порциональное измеряемому напряжению (7Х- В результате на выходе
интегратора нарастающее напряжение составит
Ц, | и; А <3.22)
При t — управляющий сш нал Uynp переводит ключ в положение 2
и от источника образцового напряжения (ИОН) в интегратор подает-
ся образцовое отрицательное напряжение l/цон- Одновременно с этим
управляющий сшнал £7упр опрокидывает трипер Т.
Интегрирование напряжения £7ЦОН происходит быстрее, посколь-
ку |^ион |> У'* •11 продолжается до тех пор, пока выходное напряжение
интегратора снова не станет равным нулю (при этом Г2 — t2 t|). В ре-
зультате в течение времени второго интервала на выходе интегратора
формируется убывающее напряжение
(3.23)
Длительность интервала интегрирования Т2 тем больше, чем выше
амплитуда измеряемо! о напряжения U'x .
В момент времени t — t-> напряжение на выходе интегратора С7ц
становится равным нулю, устройство сравнения выдает сшнал, по-
ступающий на трш гер, и возвращает последний в исходное состояние.
На выходе триггера сформированный импульс напряжения U[ дли-
тельностью Г2 подается на вход схемы логического умножения II. на
другой вход которой поступает сш нал с ГС И. По окончании импульса
трипера Ut измерение прекращается
Трансформация измеряемого временного интервала Т2 в эквива-
лентное число импульсов п осуществляется так же, как в предыдущем
методе — заполнением интервала Т2 периодическими импульсами
96
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
ГСИ и подсчетом их числа счетчиком. На счетчике, а следовательно,
и на ЦИ, записывают количество импульсов nUcv прямо пропорцио-
нальное измеряемому напряжению Ux
= (3.24)
Это выражение приводит к следующему:
Т, - То - А; Т2 - То я; Т, = 1/И()Н Т2, (3-25)
откуда
Из полученных соотношений следует, что ширешность резуль-
тата измерения зависит только от уровня образцового напряже-
ния, а не от нескольких параметров (как в кодоимпульсном вольт-
метре), но здесь также имеет место шлрешность дискретности
Преимуществами вольтметра с двойным интегрированием яв-
ляются высокая помехозащищенность и более высокий класс точ-
ности (0,005. 0,02%) по сравнению с вольтметрами с ГЛИН.
Цифровые вольтметры со встроенным микропроцессором
являются комбинированными и относятся к вольтметрам наи-
высшею класса точности. Принцип их работы основан на методах
поразрядною уравновешивания и времяимпульсною интегрирую-
ще1 о преобразования.
Микропроцессор и дополнительные преобразователи, вклю-
ченные в схему такою вольтметра, расширяют возможности при-
бора, делая ею универсальным в части измерения большого числа
параметров. Такие вольтметры измеряют напряжение постоянною
и переменною тока, силу тока, сопротивление резисторов, часто-
ту колебаний и друте параметры. При использовании совместно
с осцилло! рафом мо>ут измерять временные параметры, период,
длительность импульсов и т.д. Наличие в схеме вольтметра микро-
процессора позволяет осуществлять автоматическую коррекцию
погрешности измерений, диагностику отказов, автоматическую
калибровку.
На рисунке 3.15 приведена структурная схема цифровою вольт-
метра со встроенным микропроцессором.
3.2. Измерение напряжения
97
выбора режима
| Панель управления | | Клавиатура | Дисплей |
ШЪзу] Розу |
Микро- I
процессор |
Преобразователь
Делитель
Сдвигающий
регистр
Сдвигающий
регистр
Сдвигающий
регистр
Блок управления
Генератор
тактовых
импульсов
Рис. 3.15. Структурная схема цифрового вольтметра со встроенным
микропроцессором
Аттенюатор
Н Преобразователь
Я->О_
напряжения -1 и образцовая Опорное
мерасопро- нал ряже-
| тивленияЦ,^ ние(7о„
Блок нормализации сигналов
Выход
в канал
связи
С помощью соответствующих преобразователей блок нормали-
зации сигналов приводит входные измеряемые параметры (~[.r, R)
к унифицированному сигналу U_, поступающему на вход АЦП, ко-
торый выполняет преобразование методом двойного интегрирования.
Выбор режима работы вольтметра для заданного вида измерений осу-
ществляет блок управления АЦП с дисплеем. Этот же блок обеспечи-
вает нужную конфигурацию системы измерения.
Микропроцессор является основой блока управления и связан
с другими блоками через сдвигающие регистры. С помощью клавиа-
туры, находящейся на панели управления, обеспечивается управление
микропроцессором. Управление может осуществляться также и через
стандартный интерфейс подключаемого канала связи. В постоянном
запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится программа работы микро-
процессора. которая реализуется с помощью оперативного запомина-
ющего устройства (ОЗУ).
Встроенные высокостабильные и точные резистивные делители
опорного напряжения, дифференциальный усилитель (ДУ) и ряд внеш-
них элементов (аттенюатор, устройство выбора режима, блок опорного
напряжения L',,,) выполняют непосредственно измерения. Все блоки
синхронизируются сигналами от генератора тактовых импульсов.
98
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Включение и схему вольтметра микропроцессора и ряда допол-
нительных преобразователей позволяет выполнять автоматическую
коррекцию погрешностей, автоматическую калибровку и диа1 мостику
отказов.
Основными параметрами цифровых вольтметров являются точ-
ность преобразования, время преобразования, пределы изменения
входной величины, чувствительность.
Точность преобразования определяется погрешностью квантова-
ния по уровню, характеризуемой числом разрядов в выходном коде
Погрешность цифрового вольтметра имеет две составляющие. Пер-
вая составляющая (мультипликативная) зависит от измеряемой вели-
чины, вторая составляющая (аддитивная) не зависит от измеряемой
величины.
Такое представление связано с дискретным принципом измерения
аналоговой величины, так как в процессе квантования возникает абсо-
лютная погрешность, обусловленная конечным числом уровней кванто-
вания. Абсолютная погрешность измерения напряжения выражается как
Др - ± (уд Ua т знаков) или Др = ± (уд U„ + т знаков), (3.27)
где уд действительная относительная погрешность измерения;
17д — значение измеряемого напряжения,
Un конечное значение на выбранном пределе измерения,
т знаков значение, определяемое единицей младшего разряда ЦИ (аддитив-
ная шмрешность дискретности)
Основную действительную относительную погрешность измере-
ния можно представить и в другом виде.
Уд - ±(й + Ь ии/ UJ, (3.28)
где а, b постоянные числа, характеризующие класс точности прибора.
Первое слагаемое погрешности («) не зависит от показании при-
бора, а второе (/>) увеличивается при уменьшении £/,.
Время преобразования - .-по время, затрачиваемое на выполнение
одного преобразования аналоговой величины в цифровой код.
Пределы изменения входной величины — это диапазоны преобра-
зования входной величины, которые полностью определяются числом
разрядов и «весом» наименьшего разряда.
Чувствительность (разрешающая способность) — это наименьшее
различимое преобразователем изменение значения входной величины.
К основным метрологическим характеристикам вольтметров, ко-
торые необходимо знать для правильного выбора прибора, относятся
следующие характеристики.
3.3. Измерение мощности 99
• параметр измеряемо! о напряжения (среднеквадратичное, ампли-
тудное);
• диапазон измерения напряжения;
• частотный диапазон;
• допустимая погрешность измерений;
• входной импеданс (Рпх, СЕХ).
Эти характеристики приводятся в техническом описании и паспор-
те прибора.
3.3. Измерение мощности
Общие сведения. Измерение мощности весьма распространено
в практике электрических и электронных измерений на постоянном
и переменном токе во всем освоенном диапазоне частот — вплоть до
миллиметровых и более коротких волн.
Особое значение имеет измерение мощности в диапазоне СВЧ.
поскольку мощность является единственной характеристикой элект-
рическою режима соответствующею тракта, koi да измерение тока
и напряжения на СВЧ из-за большой шлрешности практически не-
возможно.
Мощность измеряется ваттметрами в пределах от долей микроватт
до единии - десятков ипаватт.
В зависимости от измеряемых мощностей приборы делятся на ватт-
метры малой (<10 мВт), средней (10 мВт ... 10 Вт) и большой (>10 Вт)
мощности
Основной единицей измерения мощности является ватт (Вт). Ис-
пользуются также кратные и дольные единицы:
• 1игаватт (1 ГВт - 10® Вт),
• ме1аватт(1 МВт - 10® Вт);
• киловатт (1 кВт - 103 Вт),
• милливатт (1 мВт - 10-3Вт),
• микроватт (1 мкВт - 10-еВт).
Международные обозначения единиц измерения мощности приве-
дены в Приложении 1.
Мощность может измеряться не только в абсолютных, но и в отно-
сительных единицах - децибелах:
Р(дБ) - 10IgР(Вт) / Р() (3.29)
Для измерения мощности используют косвенные и прямой методы.
В каталоговой классификации электронные ваттметры обозначаются
100
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
следующим образом: М1 — образцовые, М2 —проходящей мощности,
М3 —поглощаемой мощности, М4 — мосты для измерителей мощно-
сти, М5 - преобразователи (головки) ваттметров.
Электромеханические ваттметры классифицируются в соответ-
ствии с единицами измерения мощности, указанными на их шкалах
и лицевых панелях*. W — ваттметры; kW — киловаттметры; mW —
милливаттметры; pW — микроваттметры.
Измерение мощности в цепях постоянного и переменного тока
низких частот. Для измерения мощности в цепях постоянного и пере-
менного тока промышленных частот используются чаще всего элект-
ромеханические ваттметры электродинамической и ферродинамиче-
ской систем.
В лабораторной практике применяются в основном ваттметры
электродинамической системы 3, 4 и 5-го классов точности (0,1; 0,2;
0,5). В промышленности при технических измерениях применяют
ваттметры ферродинамической системы 6, 7 и 8-го классов точности
(1,0, 1,5 и 2,5).
Шкалы одноиредельных ваттметров градуированы в значениях
измеряемой величины (ваттах, киловаттах и т.д.). Многопредельные
ваттметры имеют неградуированную шкалу. Перед использованием
таких ваттметров при известных номинальном значении тока 1„ и но-
минальном значении напряжения U„ выбранного предела, а также
количестве делений шкалы к|11К применяемого ваттметра необходимо
определить его цену деления с (постоянную прибора) ири cos ф 1 ио
формуле
ЦК1К
«сих (3.30)
Зная цену деления для данного ваттметра в выбранном пределе, не-
сложно произвести отсчет значения измеряемой мощности. Измерен-
ное значение мощности будет составлять
Р^с-п, (3.31)
где п отсчет количества делений ио шкале прибора.
Ваттметры электродинамической системы применяются для из-
мерения мощности в цепях постоянною и переменного тока частотой
до нескольких килог ерц.
Ватт метры ферродинамической системы применяются для изме-
рения мощности в цепях постоянною и переменною тока иромышлен-
н ых частот.
3.3. Измерение мощности 101
На постоянном и переменном токе низких, средних и высоких ча-
стот используются косвенные методы измерения мощности, т.е. напря-
жения. сила тока и фазовые сдви» и определяются путем последующего
вычисления мощности. Активная мощность двухфазной» переменного
тока в цепи с комплексной нагрузкой определяется по формуле
U2
Р= U- !• cosip ----cosip = I2-R • cosip,
R (3.32)
где U, I среднеквадратичное значение напряжения и силы тока,
cos <р фазовый сдай! между силон тока и напряжением
В цепи с чисто активной нагрузкой R„, когда ср = 0, cos <р — 1, мощ-
ность переменного тока составляет
P=U- ! (3.33)
мощность импульсного тока:
р^ = (3-34)
На практике обычно измеряется средняя мощность за период сле-
дования импульсов:
рч-Ч. (3-35)
где q скважность q = Т Ги;
t„ длительность импульсов,
кф — коэффициент формы импульсов < 1,
Т период следования импульсов
Высокочастотные методы измерения мощности. Возможны два
типовых метода измерения мощности (в зависимости от ее вида: по-
глощаемая пли проходящая).
Поглощаемая мощность это мощность, потребляемая нагруз-
кой. В этом случае пагрузща заменяется ее эквивалентом, а измеряе-
мая мощность полностью рассеивается на этом эквиваленте нагрузки,
и далее измеряется мощность теплового процесса. Нагрузка ваттметра
полностью по» лощает мощность, поэтому такие приборы называются
ваттметрами поцчощаемой мощности (рис. 3.16, а). Так как нагрузка
полностью должна noi лощать измеряемую мощность, то прибор может
использоваться только при отключенном потребителе. Погрешность
измерения будет тем меньше, чем более полно обеспечено согласование
102
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
входного сопротивления ваттметра с выходным сопротивлением иссле-
дуемого источника или волновым сопротивлением линии передачи.
а б
Рис. 3.16. Методы измерения ваттметрами поглощаемой (л)
и проходящей мощност»! (б)
Проходящая мощность — это мощность, передаваемая генерато-
ром в реальную нагрузку. Приборы, ее измеряющие, называются ватт-
метрами проходящей мощности. Такие ваттметры потребляют незна-
чительную долю мощности источника, а основная ее часть выделяется
в реальной полезной нагрузке (рис. 3.16, б).
К ваттметрам проходящей мощности относятся приборы на преоб-
разователях Холла, с поглощающей стенкой и другое приборы
В диапазоне высоких и сверхвысоких частот косвенные методы из-
мерения мощности не применяются, так как в разных сечениях линии
передач значения силы тока и падения напряжения различны; кроме
того, подключение измерительного прибора меняет режим работы
измерительной цепи. Поэтому на СВЧ используются другие методы:
например, преобразования электромагнитной энергии в тепловую (ка-
лориметрический метод), изменения сопротивления резистора (тер-
мисторный метод).
Калориметрический метод измерения мощности харакгеризует-
ся высокой точностью Этот метод используется во всем радиотехни-
ческом диапазоне частот при измерении сравнительно больших мощ-
ностей, когда имеет место потеря тепла. Калориметрический метод
основан на преобразовании электрической энерг ии в тепловую, когда
на(ревается некоторая жидкость в калориметре ваттметра (рис. 3.17).
Далее мощность оценивается путем определения по известной разно-
сти температур и известному объему жидкости, протекающей через
калориметр:
(3.36)
где к коэффициент используемой жидкости.
3.3. Измерение мощности
103
зователь
Рис. 3.17. Устройство калориметрического ваттметра
Погрешность калориметрического метода составляет 1...7%.
Термисторный (болометрический) метод измерения мощности
основан на использовании свойства терморезисторов изменять свое
сопротивление под воздействием иотлощаемой ими мощности элек-
трона! нитных колебаний. Б качестве терморезисторов используют
термисторы и болометры.
Термистор представляет собой полупроводниковую пластину (или
диск), заключенную в стеклянный баллон. Термисторы имеют отрица-
тельный температурный коэффициент, т.е. с повышением температу-
ры их сопротивление надает.
Болометр представляет собой тонкую пластину из слюды или
стекла с нанесенным на нее слоем (пленкой) платины. Пленоч-
ные болометры обладают очень высокой чувствительностью (до
10-!)...10-11 Вт). Болометры имеют положительный температурный
коэффициент, т.е. с повышением температуры их сопротивление
растет.
Чувствительность и надежность термисторов выше, чем боломет-
ров, однако параметры болометров стабильнее, поэтому они применя-
ются в образцовых ваттметрах (подгруппа Ml)
Термисторный метод обеспечивает высокую чувствительность,
поэтому его применяют для измерения малых и средних мощностей.
Использование ответвителей и делительных устройств позволяет
применять метод и для измерения больших мощностей. Погрешность
термисторных ваттметров составляет 4... 10% и чаще всего зависит от
степени согласованности нагрузки.
К основным метрологическим характеристикам ваттметров, кото-
рые необходимо знать при выборе прибора, относятся следующие:
104
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
тип прибора (по|лощаемой или проходящей мощности),
• диапазон измерения мощности;
• частотный диапазон.
• допустимая по|решность измерений;
• коэффициент стоячей волны (КСВ) входа измерителя мощности
или модуль коэффициента отражения
Контрольные вопросы
1. Приведите правило включения амперметра в исследуемую цепь.
2. Каково назначение шунтов?
3. Как изменяется сопротивление амперметра с подключением
шунта?
4. Как шунт подключается к амперметру?
5. Амперметры какой системы чаще используются при измерении
силы постоянного тока?
6. Амперметры какой системы используются при измерении силы
переменного тока высоких частот?
7. Какие правила необходимо соблюдать при измерении силы тока
высоких частот?
8. Приведите эквивалентную схему амперметра для измерения силы
тока низких частот.
9. Приведите эквивалентную схему амперметра для измерения силы
тока высоких частот.
10. Перечислите основные параметры амперметра
11. Какое требование предъявляется к внутреннему сопротивлению
амперметра?
12. Почему нельзя использовать электромеханический амперметр
электродинамической системы при измерении силы переменного
тока высоких частот?
13. Перечислите достоинства амперметров ма| нитоэлектрической си-
14. Перечислите недостатки амперметров машитоэлектрической си-
стемы.
15. Сколько шунтов содержит электромеханический амперметр с пя-
тью пределами измерения?
16. В чем состоит принципиальное отличие вольтметра от ампер-
метра?
17. Как вольтметр включается в цепь?
18. Каково назначение добавочных резисторов?
Контрольные вопросы
105
19. Что необходимо сделать для расширения диапазона измерения на-
пряжения электромеханического вольтметра?
20. Перечислите достоинства и недостатки электромеханических
вольтметров.
21. По каким признакам классифицируются электронные аналоговые
вольтметры?
22. По каким структурным схемам строятся электронные аналоговые
вольтметры?
23. Перечислите достоинства и недостатки электронных аналО1 овых
вольтметров.
24. Почему вольтметры типа У Л имеют высокую чувствитель-
ность?
25. Почему вольтметры типа Л—У имеют широкий частотный диапа-
зон?
26. Каковы преимущества электронных цифровых вольтметров по
сравнению с электронными аналоговыми?
27. Зачем электронные аналоговые вольтметры имеют шкалу, градуи-
рованную в децибелах?
28. По каким основным метроло! ическим характеристикам выбирают
вольтметр?
29. В каких единицах измеряется напряжение?
30. Что представляют собой мультиметры?
31. Какими приборами можно измерить мощность в цепях постоян-
ного тока?
32. Какими приборами можно измерить мощность в цепях переменно-
го синусоидального тока промышленных частот?
33. Каким методом можно измерить малую мощность в СВЧ-
диапазоне?
34. Каким методом можно измерить большую мощность в СВЧ-
диапазоне?
35. Что необходимо знать при определении мощности импульсного
сигнала?
36. Определите мощность, выделенную на резисторе R — 1 кОм при
протекании постоянною тока силой 5 мА.
37. Определите рассеиваемую резистором R — 2 кОм мощность, если
через него протекает синусоидальный ток амплитудой 4 мА.
38. В чем состоит калориметрический метод измерения мощности?
39. В чем состоит термисторный метод измерения мощности?
40. Что такое болометр и где он используется?
106 ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
41. Укажите достоинства термистора >ю сравнению с болометром.
42. Укажите недостатки термистора по сравнению с болометром.
43. Перечислите достоинства и недостатки электродинамических
ваттметров.
44. К какой группе и подгруппе относятся ваттметры пО|лощаемой
мощности?
45. Какую часть энер|>ш потребляют ваттметры проходящей мощно-
ГЛАВА 4. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕПЕЙ
4.1. Общие сведения
С точки зрении соотношении размеров цепей и рабочей длины вол-
ны электрических колебаний различают цени с сосредоточенными
и распределенными постоянными (параметрами).
Цепи с сосредоточенными постоянными — это цени, физические
размеры которых мною меньше рабочей длины волны колебаний. Их
характеристики фактически не зависит от конфигурации выводов пас-
сивных и активных элементов и размеров соединительных проводов
Цепи с распределенными постоянными — это цепи, физические
размеры которых соизмеримы с рабочей длиной волны колебаний.
Каждый элемент или соединительный провод в таких цеиих обладает
сопротивлением, индуктивностью и емкостью. Такие цепи называются
также длинными линиями, или СВЧ-трактами.
В данной главе будут рассмотрены методы измерения в цепях с со-
средоточенными постоянными.
Основными параметрами, характеризующими .электрические
и электронные цени, являются активное сопротивление R резисто-
ров, емкость С конденсаторов и индуктивность L катушек. Поскольку
не всегда удается определить значение этих параметров напрямую, то
в ряде случаев определяют косвенные (вторичные) параметры эле-
ментов и цепей: проводимость д (величина, обратная сопротивлению),
полное сопротивление Z, добротность Q, тангенс угла потерь tg 6, соб-
ственная емкость Cf катушек индуктивности, характеристическое со-
противление р.
Добротность характеризует колебательную систему, катушки ин-
дуктивности и конденсаторы и является безразмерным параметром.
Тангенс потерь характеризует потери в диэлектрике конденсатора
и является безразмерным параметром.
Для резисторов основной единицей измерения является ом (Ом).
Ввиду его малости в электротехнических измерениях применяются
и кратные единицы.* килоом (1 кОм 103 Ом), ме1аом (1 МОм 106
Ом), 1игаом (1 ГОм 10в Ом).
108 ГЛАВА 4. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕПЕЙ
Для конденсаторов основной единицей измерения является фарад
(Ф). Ввиду тою, что фарад является крупной единицей, применяются
в основном дольные единицы: микрофарад (1 мкФ 10-е Ф). нан<к)>а-
рад (1 нФ _ 10-9 Ф), пикофарад (1 пФ - 10-12 Ф).
Для катушек индуктивности и дросселей основной единицей из-
мерения является генри (t н). Так как эта единица очень большая, то
используют дольные единицы, миллигенри (1 мГн — 10 3 Гн), микро-
генри (1 мкГн - 10-6Гн).
Измерители параметров в цепях с сосредоточенными постоянны-
ми ио каталоговой классификации обозначаются следующим образом:
Е1 образцовые приборы (установки для поверки), Е2 измерители
полных сопротивлений и проводимости, ЕЗ - измерители индуктив-
ности катушек, Е4 — измерители добротности, Е6 — измерители со-
противления резисторов (омметры), Е7 — универсальные измерители
параметров (мосты), Е8 — измерители емкости конденсаторов
В зависимости от измеряемого параметра, погрешности измерения,
частотного диапазона и некоторых дру1 их характеристик применяют-
ся различные методы измерений, которые можно разделить на низко-
частотные и высокочастотные
К низкочастотным методам измерений относятся метод
амперметра вольтметра (вольтметра—амперметра), мостовой метод и
метод дискретного счета.
К высокочастотным методам измерений относятся метод
амперметра вольтметра и резонансный метод.
4.2. Метод амперметра—вольтметра
Метод амперметра—вольтметра является одним из наиболее про-
стых, но и менее точных методов измерений и может использовать-
ся в цепях постоянного и переменною тока. Для реализации этого
метода в цепях постоянного тока используют амперметры и вольт-
метры Mat нитоэлектрической системы, в цепях переменно! о тока
промышленных частот — приборы электромагнитной и электроди-
намической систем, в цепях, питаемых звуковыми и высокими ча-
стотами, — приборы термоэлектрической системы. Во всех случаях
использования приборы высоко! о класса точности дают меньшую
ttOt решность измерения.
Метод амперметра вольтметра является косвенным, так как осно-
ван на использовании закона Ома, но которому измеряемое сопротив-
ление прямо пропорционально падению напряжения на нем и обратно
пропорционально силе тока, протекающего ио нему.
4.2. Метод амперметра—вольтметра
109
Измерение сопротивления резисторов выполняется по одной из
схем, приведенных на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Схемы измерения сопротивления резисторов при
измерении методом А—V (с) и методом V'—А (б)
Для первой схемы (см. рис. 4.1, а) искомое сопротивление Д, на-
ходится но формуле
и _ и и
(4-1)
где — внутреннее сопротивление вольтметра.
Для второй схемы (см. рис. 4.1, б) измеряемое сопротивление Rx
определяется по формуле
где ЯА внутреннее сопротивление амперметра.
При использовании обеих схем имеет место методическая погреш-
ность, обусловленная собственным потреблением мощности прибора-
ми (рис. 4.2).
Из анализа формул (4.1) и (4.2), а также из графиков зависимости
(см. рис. 4.2) следует, что метод амперметра
вольтметра (А—V) необходимо использовать
при измерении малых сопротивлений рези-
сторов, ко1д*а Rx « RB, а мегод вольтметра -
амперметра (V А) при измерении боль-
ших сопротивлений, когда R, » RA
Погрешность обоих методов достаточ-
но велика (1,5...2%) и напрямую зависит от
стабильности напряжения источника пи-
тания и от класса точности используемых
приборов.
110 ГЛАВА 4. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕП ЕЙ
Измерение емкости конденсаторов также возможно методами V—А
и А—V. Для питания схем используется источник напряжения только
переменного тока, так как в цепях постоянною тока реактивное со-
противление xL катушки индуктивности будет равно нулю, а реактив-
ное сопротивление кс конденсатора стремится к бесконечности. Эти
утверждения основываются на известных зависимостях:
х£ — 2 лЕб; хс = 1 2тгЕС
Измерение емкости конденсаторов выполняется по одной из схем,
приведенных на рис. 4.3.
Если пренебречь влиянием сопротивления утечки конденсатора, то
/ = — = U2nF Сг,
хс
откуда
С>~1 / 2nFU 0 з j
Из формулы (4.3) следует, что при измерении емкости конденсато-
ров необходимо знать частоту источника питания схемы.
В зависимости от значения емкостного сопротивления измеряемою кон-
денсатора можно уменьшить влияние внутреннею сопротивления вольт-
метра на результат измерения, используя первую схему (см. рис. 4.3, а),
а для конденсаторов большой емкости — вторую схему (см. рис. 43, б).
А)---т---1-----; Измерение индуктивности катишек
1 1 ]cL ® 5 L, 1 |СВ [BL Рис. 4.4. Схема измерения индуктивности катушек выполняется методом V А при соотно- шении Rl « Х£ (активное сопротивление катушки должно быть значительно мень- ше ее реактивного сопротивления). На рисунке 4.4 приведена схема измерения индуктивности катушек.
4.2. Метод амперметра—вольтметра
На основании закона Ома
х£ 2лМх
откуда
U
I - 2nF'
(4.4)
Измерение индуктивности на низких частотах будет приблизи-
тельным, так как не учтено активное сопротивление катушки RL, а на
высоких частотах погрешность измерения обусловлена влиянием соб-
ственной емкости CL катушки и входной емкости Св вольтметра, кото-
рая, как известно, складывается с СЛ:
Собщ Cl + Св.
В результате образуется параллельный колебательный контур
с собственной частотой колебаний*
При приближении частоты источника питания схемы к /0 сопро-
тивление контура возрастает, что соответствует увеличению индук-
тивности катушки L.
Метод V—А (А—V) реализуется с помощью широко распростра-
ненных приборов в условиях, соответствующих режиму работы эле-
ментов цени. К недостаткам метода следует отнести его косвенность,
трудоемкость измерений, большую погрешность измерений (единицы
процентов), ограниченный диапазон измерения параметров. В связи
со столь существенными недостатками этот метод не получил широко-
го распространения.
Лучшие результаты при измерении
сопротивления резисторов показывают
электронные омметры (Е6), которые вы-
полняются на основе У ПТ, охваченного
отрицательной обратной связью и имею-
щего очень большое входное сопротивле-
ние (рис. 4.5).
Напряжение на выходе усилителя ом-
метра
Ях
Рис. 4.5. Принципиальная
схема электронного омметра
112 ГЛАВА 4. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕПЕЙ
.. - UR>
Л1(1+1Д„₽)' <4'5>
где ki - коэффициент усиления У ПТ без цепи обратной связи,
Р — коэффициент передачи цепи обратной связи.
/?1+/гг
При большом коэффициенте усилении kv, произведение (Alf - Р) » 1
и выходное напряжение
(4-6)
В результате шкала аналоювою прибора получается равномер-
ной и практически не зависит от внешних элементов, подключенных
к усилителю. Погрешность измерении аналоговых омметров боль-
шая — примерно 1...4%.
В тераом Петрах резисторы /?1 и R„ меняются местами и шкала
аналогового индикатора становится обратной (нуль шкалы - справа).
тг rrRl
-V-j^ (4.7)
Погрешность тераомметров при измерении достигает 10%.
К достоинствам электронных омметров следует отнести прямой от-
счет н широкий диапазон измерения сопротивления резисторов.
4.3. Мостовой метод
Мостовой метод положен в основу работы измерительных мостов
(Е7), которые являются универсальными приборами. С их помощью
можно измерять сопротивление резисторов, емкость конденсаторов,
индуктивность катушек, добротность и тангенс потерь.
Название «мост» прибор получил потому, что между двумя парал-
лельными ветвями (Zl, Z2 и Z3, Z4) индикаторная диагональ образует
как бы мост.
Ветви, в которые включены комплексные сопротивления
Zl, Z2, Z3 и Z4, называют плечами моста. В одну диагональ моста вклю-
чен генератор Г питающего напряжения, в другую — индикатор И рав-
новесия (баланса) моста.
Схемы четырехплечного моста показаны на рис. 4.6.
4.3. Мостовой метод
i£)—1 «Чувств »
|О—J"F>.
Pl—1«Чувств »
О—-1 «F»
Рис. 4.6. Схемы четырехплечного моста в общем виде (а)
и для измерения сопротивления резисторов (б)
Измерение сопротивления резисторов выполняют в цепях посто-
янного и переменного тока. Во все плечи моста включены чисто актив-
ные сопротивления.
Условием равновесия моста является равенство произведений со-
противлений двух противоположных плеч:
Rx jRI jR2 - R3.
откуда
Ях = — ЯЗ (4.8)
Признак равновесия моста — отсутствие показаний на индикаторе.
Если поменять местами индикаторную диагональ и диагональ пи-
тания, то равновесие моста не нарушится.
Процесс уравновешивания моста постоянного тока достигается
изменением (подбором) отношения R2 / R1 переключателя «Множи-
тель» и плавным изменением сопротивления потенциометра R3 — ре-
гулировки «Отсчет», что позволяет значительно расширить диапазон
измерения. Уравновешивание моста считается законченным при пол-
ностью использованном значении напряжения питания (регулировка
«Чувствительность»)генератора.
Результат измерения представляет собой произведение от умно-
жения показания регулировки «Отсчет» на показание переключателя
«Множитель».
Чувствительность моста завис нт от чувствительности используемого
индикатора и значения напряжения источника питания. Поэтому в каче-
стве индикатора в аналоговых мостах используется прибор мат нитоэлект-
рической системы с двухсторонней шкалой (с нулем посередине).
Измерение емкости конденсаторов выполняется мостом только
переменного тока Сопротивление четырехплечного моста в общем
виде носит комплексный характер, поэтому условия равновесия моста
114
ГЛАВА4, ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕПЕЙ
переменного тока будут определяться двумя условиями, по модулю
и по фазе.
Мосты переменного тока чаще всего питаются от внутреннего гене-
ратора со звуковой частотой 100 или 1000 Гц (если на лицевой панели
моста частота не указана, то это все1да 1000 Гц). Возможно питание от
внешнего генератора, для чего предусмотрены гнезда (обычно на зад-
ней панели). При питании напряжением звуковой частоты еще мало
сказывается влияние паразитных емкостей и индуктивностей на по-
грешность измерения
В качестве индикатора равновесия моста служат электромехани-
ческий индикатор выпрямительной системы или электронный вольт-
метр типа У—Д, в точных мостах — электронный осциллограф (в мо-
мент равновесия моста на экране ЭЛТ будет только горизонтальная
линия развертки).
Конденсаторы различаются не только значением емкости и рабо-
чим напряжением, но и активными потерями в диэлектрике, которые
характеризуются тангенсом yina потерь tg 8. Эквивалентные схемы
конденсатора без потерь (идеального конденсатора), с малыми и боль-
шими потерями представлены на рис. 4.7.
Отечественная промышленность и зарубежные фирмы выпускают
множество разнообразных конденсаторов с малыми и большими по-
терями. Рассмотрим функциональную схему моста для измерения ем-
кости конденсаторов с малыми потерями (рис. 4.8. а).
«Множитель»
4.3. Мостовой метод
115
Условие равновесия моста в комплексном виде выражается как:
Я1|ЯЛ,4—| = Я2|Я,
jtoC0)
Раскрыв скобки и приравняв отдельно вещественные и мнимые ча-
сти, получим:
Я1 RP0-R2 Rx,
откуда
р -RP Ri
« R2 (но фале); (4.9)
Ri R2
jtotb уюС, ’
откуда
С’ = С° ' (по модулю). <410>
С помощью рассматриваемой схемы моста можно измерять tg8. Элек-
трическая цепь левого верхнего плеча моста показана на рис. 4.9, а
Рис. 4.9. Электрическая цепь левого верхнего плеча моста (а)
и векторная диаграмма тока и напряжений в плече (6)
В векторной диаграмме (рис. 4.9, 6) угол <р — фазовый сдвиг между
током и напряжением в левом плече, угол 8 — угол потерь в диэлек-
трике*.
’ С- =иС,«, (4.11)
116 ГЛАВА4. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕПЕЙ
Определим tg8 через известные (образцовые) параметры элементов
цени. Для этого перемножим уравнение (4.9) и (4.10), умножив левую
и правую части на ю.
соС, R, = (i)C0R 0= tg5 (4.12)
Из выражения (4.12) следует, что при со - const и C(J — const сопро-
тивление образцовой цепи 7?() можно градуировать непосредственно
в значениях tg 8
Рассмотрим функциональную схему моста для измерения емкости
конденсаторов с большими потерями (см. рис. 4.8, б).
Условие равновесия моста в комплексном виде выражается форму-
Д1 R2
Ях+—
соС, <вС0
откуда
г _г R2
эд (но модулю), (4.13)
R- = R» ‘ (но фазе). (4.14)
Тангенс угла потерь конденсатора находим по формуле
t88=<srx=<^ <415>
Условие равновесия моста зависит от частоты, поэтому мостовые
схемы измерения предназначены для работы на одной (реже - на
двух) фиксированной частоте
Измерение индуктивности катушек выполняется мостом только
переменного тока. Измерение возможно путем сравнения с индуктив-
ностью Lo образцовой катушки или с емкостью Со образцового конден-
сатора. Образцовые катушки переменной индуктивности изютовить
трудно, и надежность их невысока, поэтому на практике используют
схемы сравнения с образцовыми конденсаторами. Функциональная
схема моста для измерения индуктивности катушки приведена на
рис. 4.10.
4.3. Мостовой метод
117
Рис. 4.10. Функциональная схема
моста для измерения индуктивности катушек
Условие равновесия моста:
R1 R2 = Zo • Z,. Z, = К, + >4; Zo = R0/l+jtoCo/?o,
|дс Rx — сопротивление потерь в измеряемой катушке.
откуда
RIR2 = R,R„: Я_= Л2, (4.16)
jinlyRQ=ycoQjRfljRl^,
откуда
4=С0К1Я2 (4.17)
С помощью рассматриваемого моста можно измерять также доб-
ротность Q катушек. Известно, что Q — ojL R. Разделив уравнение
(4.17) на уравнение (4.16) и умножив их левые и правые части на со,
получим
„ со£ ________
Q = —^ = оС0/?0. (4.18)
R,
Таким образом, мостовая схема для измерения параметров R, L, С,
Q, tg8 применяется в так называемых универсальных мостах, пред-
ставляющих собой сочетание мостов постоянного и переменного тока.
Источниками погрешности при измерении параметров элементов
цепей мостовым методом являются неточность уравновешивания мо-
ста, нестабильность значения напряжения и частоты источника пита-
ния моста, погрешность значений образцовых элементов.
118 ГЛАВА4. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕПЕЙ
К достоинствам мостового метода относятся универсальность
мостов при измерении параметров; к недостотаткам - большая ио-
грешность (до 3%) аналоговых мостов, невозможность измерения
параметров на рабочих частотах, трудоемкость измерений. Меньшую
шлрешность (0,2%) и возможность автоматизации измерений обеспе-
чивают цифровые мосты.
4.4. Метод дискретного счета
Цифровые измерители (как и аналоговые) широко используются
при определении линейных параметров электрических цепей. Наряду
с этим при ре1улировании и ремонте электронной аппаратуры возни-
кает необходимость измерения параметров пассивных элементов.
Преобразования линейных параметров выполняются одним из
двух основных способов: прямым или уравновешивающим. Прибо-
ры для преобразования также подразделяются на приборы прямого
и уравновешивающего преобразования.
Прибор прямого преобразования сочетает в себе аналоговый преоб-
разователь какого-либо параметра элемента цепи в активное значение
и цифрового прибора для его последующего измерения.
Цифровые измерители параметров пеней классифицируются в за-
висимости от вида промежуточного преобразования - другого спосо-
ба реализации метода дискретного счета при измерении параметров
пассивных элементов цепи. Этот способ состоит в предварительном
преобразовании значений этих параметров в частоту (период) гармо-
нического сигнала. Исследуемый элемент цепи включают в частотно-
зависимую цепь, задающую частоту колебаний генератора.
Приборы уравновешивающего преобразования — это цифровые
мосты постоянного (для измерения JR) и переменного (для измерения
L, С, R) тока. Преобразование этих параметров в напряжение — один
из самых простых методов. Исследуемый элемент включают в изме-
рительную цепь, которая подключается к источнику образцового тока
или напряжения.
В практике измерений пассивных элементов получили распростра-
нение способы развертывающего преобразования, основанные на фор-
мировании определенной развертывающей функции, математическая
зависимость которой содержит в себе измеряемый параметр. При этом
фиксируются моменты времени, в которые функция достигает предва-
рительно заданных значений. Измеренный временной интервал оказы-
вается функционально связанным с преобразуемым параметром. Такое
преобразование отличается высокой точностью, скоростью, линейно-
4.4. Метод дискретного счета
стью функции преобразования, удобным для дальнейшего преобразо-
вания в цифровой код видом выходного сшнала (частота, период или
временной интервал АГ). Этот способ обычно используется в сочетании
с предварительным преобразованием параметров R,L,Cb напряжение, и
тогда развертывающая функция также представляет собой напряжение
На рисунке 4.11, а представлена принципиальная схема простей-
шего преобразователя параметров R, L, С в период сигнала меаидр
Рис. 4.11. Принципиальная схема простейшего преобразователя параметров
R, L и С (о) и временные диаграммы его работы в период сигнала меандр (б)
Измерительная цепь (ИЦ) с постоянной времени тг ~ Ко - СЛ (Сц К,-или
К,, - Ц) запитывается выходным напряжением операционного усили-
теля (на микросхеме — DA), который выполняет функцию сравниваю-
щего устройства (компаратора). Порог срабатывания задается рези-
стивным делителем К1 и К2. обеспечивающим коэффициент передачи
цени положительной обратной связи (ПОС). На рисунке 4.11, б пред-
ставлены временные диаграммы работы описанного преобразователя
параметров.
В момент времени to происходит интегрирование напряжения [ из-
мерительной цепью. На инвертирующий вход операционного усилите-
ля (ОУ) подается развертывающая функция. В момент времени Ц при
достижении этой функцией порогового значения + £70 компаратор
срабатывает, изменяя на выходе ОУ знак напряжения L'o на противопо-
ложный, что соответствует интервалу времени интегрирования t„i.
На следующем интервале времени [„/ ~ h — tt происходит форми-
рование развертывающей функции с противоположным знаком. Оче-
видно, что при равенстве положительного и отрицательного порогов
срабатывания +1Д) А’о — ky интервалы времени Гп1 и t„-i равны. При
этом период сигнала меаидр на выходе ОУ составляет
120
ГЛАВА4, ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕПЕЙ
(4.19)
и измеряется цифровым измерителем интервалов.
Результат измерения периода сшнала Т, пропорционален значению
определяемого параметра (Сг или £д.).
Такие цифровые приборы получили распространение при измере-
нии параметров пассивных элементов цепей с погрешностью измере-
ния (0,005... 0,1%)
Рассмотрим метод уравновешивающего преобразования изме-
ряемых параметров. Сравнение измеряемой величины с образцовой
производится путем уравновешивания мостовой измерительной цепи,
в одно из плеч которой включен исследуемый элемент. Б смежное пле-
чо моста подключают образцовый элемент, представляющий собой на-
бор квантованных образцовых элементов, соответствующих весовым
коэффициентам разрядов используемого цифрового кода. Варьируя
параметрами образцово! о элемента, добиваются нулевого напряжения
в измерительной диагонали. Уравновешивание моста может быть как
следящим, так и развертывающим.
Такие приборы имеют широкий динамический диапазон и малую
noi решность измерения. Вместе с тем из-за использования контакт-
ных ключей для формирования с высокой точностью параметров об-
разцового элемента эти приборы имеют низкую скорость измерения.
Функциональная схема цифрового моста постоянного тока уравно-
вешивающего типа для измерения активного сопротивления резисто-
ра приведена на рис. 4.12
Рис. 4.12. Функциональная схема цифрового моста постоянного тока
Измеряемый резистор сопротивлением образцовые резисторы
Rl, JR2 и преобразователь кода в сопротивление образуют мост, кото-
рый подключен к источнику напряжения постоянного тока. Разбаланс
моста фиксируется компаратором. Устройство управления анализиру-
ет выходной сигнал компаратора и в зависимости от его знака увеличи-
вает или уменьшает цифровой код N, выдаваемый на преобразователь
4.4. Метод дискретного счета
121
кода. Уравновешивание производится до тех пор, пока напряжение
в выходной диагонали моста не станет меньше порога чувствительно-
сти компаратора. Измеряемое сопротивление выражается формулой
р RIR^ Rl knii- N
R2 R2 ’ 0 20)
где йпк коэффициент преобразования. Лпк = йпк / М
Кпк — сопротивление преобразователя кода.
Как следует из формулы (4.20), результат измерения, отображае-
мый цифровым индикатором, не зависит от значения напряжения ис-
точника питания моста. Путем изменения отношения сопротивлений
резисторов Д1, R2 цепи положительной обратной связи расширяют
диапазон измерения. Погрешность измерения зависит от стабильно-
сти величины сопротивления образцовых резисторов RI, R2 и от точ-
ности преобразователя кода.
Цифровые мосты постоянного тока имеют погрешность измерения
~ 0,01% и применяются для точного измерения сопротивления резне-
Для измерения комплексного сопротивления, индуктивности кату-
шек и емкости конденсаторов на фиксированной частоте применяют-
ся мосты переменного тока, выполняющие уравновешивание гго двум
параметрам.
На рисунке 4.13 представлена функциональная схема цифрового
моста переменного тока, которым измеряют параметры R. L. С. Про-
цесс измерения основан на определении временного интервала, равно-
го постоянной цени разряда конденсатора емкостью Сх через резистор
с сопротивлением R3, причем одна из величин является измеряемой,
а другая образцовой. При рассмотрении его работы будем считать, что
измеряемой является емкость конденсатора Сх.
Рис. 4.13. Функциональная схема цифрового моста переменного тока
122
ГЛАВА4, ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕПЕЙ
При установке тумблера SA в положение 1 конденсатор Сх заряжа-
ется до напряжения Е стабилизированного источника питания. Б мо-
мент измерения тумблер SA переводится в положение 2 и конденсатор
разряжается через образцовый резистор R3 но экспоненциальному за-
= (4.21)
где е = const,
т - постоянная времени цепи разряда т = R3 Сх.
Одновременно специальный управляющий импульс открывает элект-
ронный ключ и на счетчик импульсов начинают поступать импульсы от
образцового генератора импульсов с частотой /и. Для этого использует-
ся кварцевый генератор в сочетании со схемой формирования.
Напряжение UK( подается на один вход компаратора, а на другой
вход подается напряжение с образцового делителя 7?1, R2. Значения
сопротивлений этих резисторов выбирают так, чтобы соблюдалось со-
отношение
R2 _1
Rl+R2~ е’
гдсе= — = 0,37.
2,7
Тщда напряжение, снимаемое с делителя, будет составлять
Через интервал времени т0 R3 Сд, напряжение на конденсаторе
уменьшится в е раз, следовательно, станет равным напряжению UK',.
Б момент равенства двух подведенных напряжений компаратор вы-
рабатывает короткий импульс, запирающий электронный ключ. Счет
импульсов прекращается.
Очевидно, что подсчитанное число импульсов в определенном мас-
штабе соответствует постоянной времени т0:
4=-'.=ОЯЗ
Jo
откуда
с,= п ,
/о
<4 23)
где п число подсчитанных импульсов,
/о — частота следования импульсов
4.5. Резонансный метод
123
При заданном значении /и можно подобрать значение 7?3 так, чтобы
цифровой индикатор был градуирован непосредственно в единицах
емкости
Расширение пределов измерения достигается изменением значе-
ния ЙЗ.
Измерение ЙЛ отличается от измерения Сх только тем, что образцо-
вый резистор заменяется образцовым конденсатором.
Погрешность таких мостов определяется нестабильностью частоты
кварцевого генератора (обычно не хуже 10-5.. 10-6), нестабильностью
образцового элемента и ошибкой дискретности (в единице младшего
разряда).
Существенным недостатком цифровых мостов является возмож-
ность измерения только на рабочей частоте.
4.5. Резонансный метод
Резонансный метод является высокочастотным и основан на ис-
пользовании электрического резонанса в колебательной системе.
На низких частотах колебательные системы с достаточно высокой
добротностью создать трудно, поэтому невозможна точная фикса-
ция момента настройки контура в резонанс. Кроме того. 1абариты
колебательной системы на низких частотах непомерно увеличипа -
Резонансный метод положен в основу работы куметров (Q - ха-
рактеристика добротности катушек индуктивности, контуров, конден-
саторов). Функциональная схема куметра представлена на рис. 4.14.
Rt
Контур
Рис. 4.14. Функциональная схема куметра
Прибор состоит из ГВЧ, измерительно! о контура LC. индикатора
резонанса V2 и вольтметра VI, контролирующего величину входно-
го напряжения. Генератор и индикатор V2 слабо связаны с измери-
тельным контуром, чтобы вносимые ими сопротивления не влияли
на параметры контура. Для этого генератор и индикатор V2 соеди-
124 ГЛАВА 4. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕПЕЙ
няются с контуром через емкостные делители напряжения Cl, С2.
В качестве индикатора резонанса используется электронный воль-
тметр типа Д У или электромеханический индикатор выпрями-
тельной системы.
Методика измерения заключается в определении резонансной ча-
стоты измерительного контура, состоящего из измеряемого элемента
(катушки индуктивности £л) и образцового элемента (конденсатора
Со). Значение Z, (или С.) вычисляется но формуле Томпсона:
f }
2n^LC
При измерении индуктивности катушки ее подключают к зажимам
1 2. При этом измерительный контур образован катушкой Lx. с актив-
ными потерями Rl, межвитковой емкостью ее проводов CL и перестра-
иваемой образцовой емкостью Со. Резонанс в контуре на заданной ча-
стоте достшается изменением емкости Си образцового конденсатора.
Момент резонанса контура определяется но индикатору V2. Значение
Lx определяется косвенно по расчетной формуле
С помощью приведенной схемы куметра можно определять пара-
метры С, Q, tg 8 и R, подключая измеряемый конденсатор или резистор
к зажимам 3—4:
С’ =4л72Д,
При измерении Сх контур составляется из образцовой катушки L„ и
измерительного конденсатора Сх.
Измерение добротности Q можно выполнять методом вольтме-
тров или методом расстройки частоты.
Метод вольтметров состоит в следующем. В контур вводится на-
пряжение [7] известно! о значения. В момент резонанса измеряется на-
пряжение V-i на контуре. Поскольку U3 больше Ut в Q раз, то
при Ц= const (4.26)
При постоянстве входного напряжения вольтметр V2 можно граду-
ировать в единицах добротности. Следовательно, этот метод является
Контрольные вопросы
125
прямым. Диапазон измерения риулируется изменением подводимого
к контуру напряжения Ut.
Меты) расстройки частоты (косвенный) состоит в следующем.
Контур настраивают в резонанс на частоту /и (рис. 4.15), при этом фик-
сируется максимальное показание индикатора резонанса по V2. За-
тем контур расстраивают до частот ft и /2 от резонансной до значения
OJQ™™ тогда
К достоинствам куметров относится необходимость проведения
измерений на рабочих частотах и измерения большого количества па-
раметров; к недостаткам — трудоемкость измерений, большая погреш-
ность измерения (1...5%), причинами которой являются нестабиль-
ность напряжения и частоты ГВЧ, неточность градуировки шкалы
образцового конденсатора Со, погрешность приборов V1 и V2, пси реш-
ность считывания показаний.
Контрольные вопросы
1 Перечислите достоинства аналоговых мостов.
2 Перечислите недостатки аналоговых мостов.
3 Какие методы измерения параметров цепей относятся к низкоча-
стотным?
4 Какие методы измерения параметров цепей относятся к высоко-
частотным?
5 Сколько условий равновесия необходимо выполнить при измере-
нии сопротивления резисторов мостовым методом?
6 Сколько условий равновесия необходимо выполнить при измере-
нии емкости конденсаторов мостовым методом?
126 ГЛАВА 4. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕПЕЙ
7. Почему нельзя использовать мостовой метод на высоких часто-
тах?
8. Какой иринини положен в основу мостового метода?
9. Где применяют метод V—А при измерении параметров 7?, L, С?
10. На каких частотах используется резонансный метод?
11. Какая формула положена в основу измерения L, С резонансным
методом?
12. Индикатор какого типа используется в аналоговых мостах посто-
янного и переменного тока?
13. Индикатор какого тина используется в аналоп>вых измерителях
добротности?
14. От чего зависит погрешность измерения параметров мостовым ме-
тодом?
15. Какую погрешность измерения параметров дает резонансный ме-
тод?
ГЛАВА 5. ИЗМЕРЕНИЕ
ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
5.1. Общие сведения
Различные ио форме (следовательно, и но назначению) сшналы
характеризуются разнообразными параметрами. К числу наиболее
известных и подлежащих измерению параметров относятся рассмот-
ренные ранее напряжение, сила тока и мощность. К важным параме-
трам относятся также частота и связанные с ней период и длина волны
электрома! нитных колебаний, фазовый сдвиг, временные интервалы,
коэффициент нелинейных искажений и ряд специфических параме-
тров. характерных для модулированных сшналов и сшналов СВЧ-
устройств. Измерение этих параметров выполняется с помощью со-
ответствующих приборов (частотомеров, фазометров, измерителей
нелинейных искажений, измерителей АЧХ) и связано с решением
мши их научных и практических задач.
5.2. Измерение частоты и периода
повторения сигнала
Основной единицей измерения частоты сигнала является герц, но
ввиду его малости в электронике используют кратные единицы:
• килогерц (1 кГц 103 Гц);
• мегагерц (1 МГц 106 Гц);
• t игагери (1 ГГц - 109 Гц).
Частота сигнала измеряется электронными и электромеханически-
ми частотомерами.
В каталоговой классификации электронные частотомеры обозна-
чаются следующим образом: 41 образцовые (стандарты частоты
и времени), 42 — резонансные, 43 — электронные, 44 - гетеродин-
ные волномеры (сняты с производства), 45 преобразователи часто-
ты, 46 — синтезаторы, делители, умножители частоты.
Электромеханические частотомеры независимо от используемой
системы преобразования обозначаются но единице измерения — Гц
(международное обозначение Hz).
В практике электротехнических измерений в большинстве случаев
измеряют линейную частоту, которую исторически в радиоэлектрони-
128
ГЛАВА 5, ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
ке обозначают буквой f (высокие частоты) или буквой F (низкие ча-
стоты). Гармонические сигналы характеризуются также угловой (кру-
говой) частотой со.
со=2я/1рад с]. (5.1)
Угловая частота равна изменению фазы сигнала <p(f) в единицу вре-
мени. Для низких частот угловая частота записывается как 42 2nF,
для высоких — как со — 2л/.
При непостоянстве частоты используется понятие мгновенной
угловой частоты:
»(г)=^=2к/(г).
где /(?) мсновснная циклическая частота
При описании методов измерения частоты будем подразумевать ее
среднее значение за время измерения.
Под линейной частотой понимают число колебаний в единицу вре-
мени
„ п
f=7 (5-2)
Наряду с частотой на РЧ и СВЧ часто используют длину волны
электромагнитных колебаний X. которая связана с линейной частотой
зависимостью
*=у. (5.3)
где с скорое । ь света с = 3 10s м/с.
Реже измеряют период электромагнитных колебаний Т, связанный
с линейной частотой обратной зависимостью:
’’=7 (5.4)
Таким образом, параметры F, Т и X связаны между собой и при не-
обходимости можно измерить любой из них.
Приборы, измеряющие частоту cut нала, называются частотомера-
ми, длину волны - волномерами, период - иериодомерами.
Так как все три параметра электрических сигналов являются важ-
нейшими в электронных и телекоммуникационных системах, то при-
боры, используемые для частотно-временных измерений, образуют
5.2. Измерение частоты и периода повторения сигнала
129
единым комплекс аппаратуры, позволяющей проводить измерения
с непосредственной их привязкой к 1Ьсударственному эталону часто-
ты и времени, что гарантирует высокую точность измерений.
Наряду с названными в соответствии с каталоговой классификацией
приборами, частоту можно измерять осциллографическими (косвен-
ными) методами, которые были рассмотрены ранее.
Спектр частот электромагнитных колебании, используемый
в электронике, простирается от долей герца до десятков гигагерц.
Этот спектр условно можно разделить на два диапазона:
• низкие частоты, к которым относятся инфразвуковые ниже
20 Гц, звуковые — 20 Гц... 20 кГц, ультразвуковые — 20 ... 200 кГц;
• высокие частоты, к которым относятся собственно высокие -
200 кГц ... .30 МГц, ультра- или сверхвысокие — выше 30 МГц.
В зависимости от участка спектра частот электромаг нитных коле-
баний применяются различные методы измерения, которые подразде-
ляются на низко- и высокочастотные. Приборы для измерения низких
и высоких частот также называются низко- и высокочастотными.
При измерении низких (промышленных) частот (до 1000 Гц) ши-
роко используются электромеханические частотомеры на основе элек-
тромаг нитной, электродинамической, ферродинамн ческой, выпрями-
тельной, вибрационной систем.
Электромеханические частотомеры имеют малые габаритные раз-
меры, не требуют источников питания, недороги, однако имеют су-
щественный недостаток — ограниченный диапазон измерения частот,
поэтому используются в основном как контролирующие приборы.
Для измерения низких частот применяют осциллографические
методы (методы сравнения), используемые чаще для градуировки
шкал генераторов различных измерительных приборов. При реали-
зации этого метода требуется генератор образцовой частоты более
высокой точности и осциллограф. К осциллографическим методам
относятся метод фигур Лиссажу, метод яркостной модуляции и ме-
тод использования калиброванной .линейной развертки осциллогра-
фа. Все названные методы рассмотрены достаточно подробно ранее.
Погрешность измерения третьим методом зависит от нелинейности
развертывающего напряжения, а также от погрешности отсчета ли-
нейных размеров периода и качества фокусировки и яркости луча на
экране осциллографа
В настоящие время для измерения низких частот широко исполь-
зуются электронные цифровые частотомеры (43), практически вытес-
нившие конденсаторные частотомеры.
130
ГЛАВА 5, ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
Цифровые частотомеры, в основу измерения которыми положен
метод дискретного счета, характеризуются очевидными достоинства-
• высокой точностью измерений, т.е. малой относительной погреш-
ностью измерения частоты (10-6...10-м);
• возможностью успешно! о использования на низких и на высоких
частотах (от десятых долей t ерц до сотен Met at ерц);
• исключением субъективной ошибки оператора;
• возможностью обработки результатов измерения с помощью
микропроцессора и персонального компьютера;
• возможностью наряду с измерением частоты измерения периода
повторения сигнала, отношения частот, длительности импульсов.
На рисунке 5.1 приведена упрощенная структурная схема цифро-
вого частотомера и временные диа1раммы, поясняющие его работу
в режиме измерения частоты.
Рис. 5.1. Упрошенная структурная схема цифрового частотомера (а) и временные
диаграммы, поясняющие его работу в режиме измерения частоты сигнала (б)
При измерении частоты сигнала методом дискретного счета иссле-
дуемый ст нал с частотой Fx подается на входное устройство, в кото-
5.2. Измерение частоты и периода повторения сигнала
131
ром усиливается или ослабляется до значения, необходимого для ра-
боты блока формирования сиг нала.
Поступающий в блок формирования 1 гармонический сигнал
Ut преобразуется в последовательность коротких однополярных
импульсов U-, со счетным периодом повторения Га =-^~ Передние
фронты счетных импульсов практически совпадают с моментом пе-
рехода сш нала L\ через нулевое значение на оси времени при его воз-
растании.
Затем счетные импульсы поступают на один из входов временного
селектора (электронного ключа), а на другой его вход с выхода кварце-
вого генератора подаются импульсы ирямоут ольной формы, калибро-
ванные но длительности, с периодом повторения То> Тх для последую-
щего их формирования в блоке формирования 2. Временной селектор
открывается импульсом Ut и в течение времени его действия пропу-
скает пакет импульсов U2 на вход счетчика. В результате на счетчик
импульсов поступает п импульсов напряжением t/5. То есть метод дис-
кретного счета состоит в подсчете числа периодов измеряемой частоты
Fy за известный высокостабильный интервал времени Тп В результате
измерения получим
откуда
(5-5)
В счетчике число прошедших импульсов фиксируется в виде элект-
рического кода, который затем преобразуется в десятичный код, вы-
свечиваемый на цифровом индикаторе
Действительная относительная погрешность измерения частоты
определяется формулой
(5-6)
Из анализа формулы (5.6) следует, что чем ниже значение измеряе-
мой частоты Fx, тем больше должна быть погрешность. Поэтому для
получения меньшей ног решности измерения низких частот увеличи-
вается время измерения То. Следовательно, измерение низких частот
требует большего времени измерения.
132
ГЛАВА 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
Для варьирования То в составе делителя кварцевого генератора
имеется декадный делитель частоты с коэффициентом Л, (каждая де-
када уменьшает частоту кварца F^ в десятки раз). Период импульсов на
выходе блока формирования 2 и длительность строб импульса равны
периоду си 1 нала на выходе делителя частоты, т.е
и выражение (5 5) можно представить в виде
ч
Отношение изменяют варьированием ka, т.е. за счет изменения
числа декад делителя.
Погрешность измерения частоты имеет систематическую и слу-
чайную составляющие. Систематическая составляющая обусловлена
главным образом долговременной нестабильностью частоты кварце-
вого генератора F{> которую уменьшают термостатированном кварца
или применением в генераторе термокомненсируюших элементов. По-
грешность за счет неточности установки частоты Fo уменьшают калиб-
ровкой генератора но сигналам эталонных значений частоты, пере-
даваемых но радио или с помощью мобильных квантовых стандартов
частоты. Относительная погрешность калибровки кварцевого генера-
тора не превышает (1...5) 10“|0.
В ряде случаев требуемая стабильность частоты достигается введе-
нием в генератор фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
Рассмотрим пример подсчета частоты сигнала цифровым частото-
мером
Частота кварцевого генератора F(1 1 МГц, что соответствует Тс
1, Fo - 1 мкс.
Предположим, что на счетчик за это время прошло 10 импульсов,
ТО1 да в соответствии с формулой (5.5) Fx — п То—10 104с_ 10'Гц
-10 МГц.
Диапазон измеряемых цифровым прибором частот ограничивается
снизу погрешностью дискретизации, а сверху - быстродействием ис-
пользуемых счетчиков-делителей. Верхний предел измерения в коли-
чественном выражении не превышает 200 МГц. Расширения верхнего
предела добиваются переносом измеряемой частоты в область более
низких частот (гетеродинное преобразование).
5.2. Измерение частоты и периода повторения сигнала
133
В состав цифровог о частотомера обязательно входит схема автома-
тического регулирования усиления (АРУ) и схема подавления внеш-
них помех. Для обеспечения устойчивой работы частотомера и пас-
порте прибора приводится важный параметр — чувствительность
(минимальное значение напряжения, при котором частотомер уже
может измерить частоту). При меньшем значении напряжения изме-
рение прекращается и показания счетчика (следовательно, и цифрово-
го индикатора) обнуляются. Уровень значения напряжения входного
сиг нала также ограничивается максимальным значением, превышать
которое нельзя. В противном случае частотомер «зависает», т.е. надол-
го перестает измерять. В связи с этим в приборе предусмотрены меры
защиты от uepei рузок
Наличие в последних моделях цифровых частотомеров синтезато-
ров частот позволяет получать сигналы с дискретной сеткой частот
Программное управление синтезаторами частот и введение встроен-
ных микропроцессоров открывает новые возможности таких приборов
в части уменьшения uoi решности измерения, расширения диапазона
измеряемых частот и упрощения включения их в автоматизированные
измерительные системы. Цифровые частотомеры способны измерять
частоту гармонических и импульсных сигналов.
Измерение периода повторения сигнала методом дискретного счета
рассмотрим на примере гармонического (синусоидального) сигнала.
В основу измерения периода Тх положен принцип заполнения его
имиульсами, следующими с известным периодом То, задаваемым об-
разцовым кварцевым генератором, и подсчет количества этих имиуль-
На рисунке 5.2 приведена упрощенная структурная схема цифро-
вого частотомера и временные диаграммы его работы в режиме изме-
рения иериода иовторения сиг нала.
Исследуемый синусоидальный сигнал Ui с периодом Тх после про-
хождения через входное устройство поступает на блок формирова-
ния 1, где преобразуется в последовательность коротких импульсов
(с тем же периодом), поступающих на устройство управления.
В устройстве уиравления из поступивших импульсов формирует-
ся стробимпульс 1>з прямоугольной формы с длительностью, равной
измеряемому периоду Тх. Далее стробимпульс поступает на один из
входов электронного ключа, на второй вход которого от кварцевого
генератора подаются короткие импульсы l/ц с известным высокоста-
бггльным образцовым периодом повторении Ту для последующего пре-
образования сигнала по форме в блоке формирования 2. Электронный
134
ГЛАВА 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
ключ в течение времени длительности стробимпульса пропускает на
счетчик пх счетных импульсов с напряжением IZ4. Очевидно, что изме-
ряемый период прямо пропорционален количеству счетных импуль-
сов ил и образцовому периоду повторения То.
Тх~пх. 7i + Дгд,
(5.8)
где суммарная абсолютная погрешность дискретизации Д?л = Д£„ + Дг*,
ДгП — погрешность дискретизации начала периода Т„
&lh — погрешность дискретизации конца периода Г,.
Без учета погрешности ДГ, в формуле (5.8) число поступивших на
счетчик импульсов пх — Тх., То, а измеряемый период прямо пропор-
ционален п,, т.е.
Тх~п, То
(5-9)
5.2. Измерение частоты и периода повторения сигнала
135
Число прошедших импульсов фиксируется в виде .электрического
кода, поступающего на цифровой индикатор, в котором показание со-
ответствует измеряемому периоду Тх.
Погрешность измерения периода повторения сигнала зависит от
стабильности частоты кварцевого генератора и от погрешности диск-
ретизации.
Резонансный метод измерения частоты сигнала относится к вы-
соко- и сверхвысокочастотным методам и заключается в сравнении
измеряемой частоты /х с собственной резонансной частотой измери-
тельной колебательной системы, в качестве которой используется ко-
лебательный контур или резонатор
Приборы, принцип работы которых основан на этом методе. назы-
ваются резонансными волномерами (реже — частотомерами), так как
в большинстве случаев они измеряют длину волны.
На рисунке 5.3 представлена упрощенная структурная схема резо-
нансного волномера, которая состоит из входного устройства, колеба-
тельного контура с градуированным механизмом настройки и индика-
тора резонанса.
> J Входное
| устройство
Колебательный
контур
Н Индикатор
резонанса
В зависимости от диапазона частот конструкция колебатель-
ной системы различна: на частотах < 200 МГц применяются парал-
лельные контуры с сосредоточенными параметрами, состоящие из
катушки индуктивности и конденсатора переменной емкости; на
частотах 200...1000 МГц применяются контуры смешанного тина
(емкость сосредоточена, а индуктивность распределена); на часто-
тах > 1 ГГц применяются контуры с распределенными параметра-
ми — отрезки коаксиальной, волноводной линий или объемные
резонаторы.
Связь измерительного контура с источником измеряемой частоты
должна быть слабой (рис. 5.4, а), что обеспечивает большую симмет-
рию резонансной кривой и делает ее более острой, так как уменьшает
вносимое в измерительный контур волномера затухание. При сильной
связи (рис. 5.4. б) в контур частотомера вносится также добавочное
реактивное сопротивление, что вызывает расстройку контура, и резо-
нанс получается уже на другой частоте.
136
ГЛАВА 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
Рис. 5.4. Резонансные кривые при слабой (а) и сильной (б) связи
измерительного контура с источником измеряемой частоты
Рассмотрим работу резонансного волномера. Сиг нал с измеряемой
частотой /, возбуждает перестраиваемый колебательный контур через
входное устройство и при резонансе fx~ fo резко увеличивает интен-
сивность и амплитуду колебаний. Момент резонанса регистрируется
но индикатору резонанса, который связан с колебательным контуром,
а значение измеряемой частоты отсчитывают по градуированной шка-
ле механизма настройки.
Погрешность измерения составляет 10-3...10-4% и зависит от точ-
ности настройки колебательного контура в резонанс, чувствительно-
сти индикатора, степени связи частотомера с источником измеряемой
частоты, а также от температуры и влажности окружающей среды. Для
уменьшения влияния параметров внешней среды колебательный кон-
тур помещают в термостат и герметизируют.
В качестве индикатора резонанса применяются механизм выпря-
мительной системы или электронный индикатор
Достоинство резонансных волномеров — их простое устройство
и удобство эксплуатации, а недостаток — трудоемкость измерения
(продолжительность настройки колебательного контура в резо-
Последние разработки измерительных приборов на основе микро-
процессорных контроллеров позволяют проводить измерения частоты
Cui нала, периода его повторения и друг их параметров на единой осно-
ве. Рассмотрим принцип работы измерителя частоты сигнала и интер-
валов времени со встроенным микропроцессором (рис. 5.5).
Центральным узлом структурной схемы является микропроцес-
сорный контроллер (МПК), состоящий из вычислительного управля-
ющего устройства, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ),
постоянного (программируемого) запоминающего устройства (ПЗУ).
Селектор прибора из входного сшнала формирует измеряемый ин-
тервал времени, а из сигнала образцовой частоты от кварцевого гене-
5.2. Измерение частоты и периода повторения сигнала
137
ритора — эталонный интервал времени, равный измеряемому с точно-
стью до длительности периода сигнала образцовой частоты.
Рис. 5.5. Структурная схема измерителя частоты сигнала
и интервалов времени со встроенным микропроцессором
Интерполятор предназначен для расширения импульсов, отражаю-
щих погрешности дискретизации, и последующего измерения методом
счета числа колебаний образцовой частоты и содержит два одинако-
вых канала. Формирователь готовности включает в себя дешифратор
управления, селектор и счетчики числа импульсов и вырабатывает
специальный сигнал, определяющий время работы селектора.
Блок регистров содержит основную часть счетчиков, дешифратор
управления, который вырабатывает сиг нал сброса per истров, установ-
ки в исходное состояние спгектора, приема и выдачи информации. Схе-
ма совпадения выдает сигнал в момент переполнения счетчика. Сигнал
с выхода схемы совпадения подготавливает окончание времени счета
прибора. В данной схеме узел ЦАП предназначен для измерения уровня
запуска прибора в режиме ручного управления и для установки требуе-
мого уровня запуска в режиме дистанционного управления прибором.
Блок управления и индикации предназначен для управления ра-
ботой блока индикатора и преобразования командных сигналов, по-
ступающих с МП К, в управляющие сигналы прибора. Он содержит
цифровой индикатор и клавиатуру для ввода данных. Интерфейс обе-
спечивает работу прибора в системах с каналом общего пользования
(КОП). Блок питания вырабатывает необходимые питающие наггря-
138
ГЛАВА 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
жения. Синтезатор частоты с кварцевым генератором является источ-
ником стабильных гармонических колебаний разной частоты.
Технические характеристики МПК определяются параметрами
стандартных современных отечественных или иностранных микро-
процессоров и КМОП интегральных микросхем, на которых построе-
но большинство устройств сопряжения. МПК подключается к устрой-
ству памяти непосредственно через приборную магистраль, а к друг им
устройствам измерительного прибора — иногда через приборную ма-
гистраль и блок управления.
В приборе предусмотрен режим самоконтроля путем измерения
частоты или периода собственного образцового сигнала с частотой
100 МГц от кварцевого генератора. Для обеспечения внутренних
связей и подключения к внешним устройствам (например к компью-
теру) в описываемом приборе имеются цифровые магистрали трех
видов: шина управления (ШУ), адресная шина (ША) и шина данных
(ШД>-
К основным метроло1ическим характеристикам частотомеров, ко-
торые необходимо знать ири выборе прибора, относятся следующие:
• диапазон измерения частот.
• чувствительность минимальное напряжение (мощность), при
котором может работать прибор;
• допустимая not решность измерения.
5.3. Измерение фазового сдвига
Единицами измерения фазового сдвига являются радиан и градус:
Iе" я/180рад
В каталоговой классификации электронные измерители разности
фаз и группового времени запаздывания обозначаются следующим
образом. Ф1 образцовые приборы, Ф2 - фазометры, ФЗ — измери-
тельные фазовращатели, Ф4 — измерители группового времени запаз-
дывания, Ф5 измерители корреляции.
Элекгромеханические фазометры на лицевой панели имеют знак Агр.
Фаза харакгеризует состояние гармонического процесса в данный
момент времени:
«(О U„sm(wt + <р).
Фазой называется весь аргумент синусоидальной функции
(юГ + гр). Обычно измерение Агр производится для колебаний одной
и той же частоты:
5.3. Измерение фазового сдвига
139
«1(0 ^sintmr+tp,):
«2<0 um sin (at-г ф2).
В этом случае фазовый сдвиг
Дф (tof + ф|) (toi ф2) _ ф1 - ф2. (5.10)
Для упрощения принимают начальную фазу одного колебания за
нуль (например ф2 — 0), тогда Дф — ф1
Приведенное понятие фазового сдвига относится только к >армо-
ническим сигналам Для негармонических (импульсных) сигналов
применимо понятие временно! о сдвига (время задержки Г<), диаграм-
мы которого приведены на рис. 5.6.
Рис. 5.6. Диаграммы напряжений с временным сдвигом
Измерение фазового сдвига широко используется на промышлен-
ных и сверхвысоких частотах, т.е. во всем диапазоне частот
Фазовый сдвш возникает, например, между входным и выходным
напряжениями четырехполюсника, а также в силовых цепях перемен-
ного тока между током и напряжением и определяет коэффициент
мощности (cos ф), следовательно, и мощность в исследуемой цепи
Для измерения фазового сдвш а на промышленных частотах ши-
роко используют электромеханические фазометры электродинамиче-
ской и ферродинамической систем Недостатками таких фазометров
являются сравнительно большая потребляемая мощность от источни-
ка сигнала и зависимость показаний от частоты. Относительная при-
веденная погрешность электромеханических фазометров — не более
+0,5%.
В зависимости от требуемой точности измерения фазового сдвига
и частоты сш нала применяют один из следующих методов, осцилло-
графические (один из трех), компенсационный, электронный метод
дискретного счета, метод преобразования фазового сдвига в импульсы
140
ГЛАВА 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
тока, метод измерения с использованием фазометров на основе микро-
процессорной системы, метод преобразования частоты сигнала.
Осциллографические методы, в свою очередь, разделяются на
три: линейной развертки, синусоидальной развертки (эллипса) и кру-
говой развертки.
Для реализации метода линешюи развертки используют двухка-
нальный или двухлучевой осциллограф (или однолучевой осцилло-
граф с электронным коммутатором). На экране получается изображе-
ние синусоидальных сигналов (рис. 5.7).
Рис. 5.7. Осциллограммы двух синусоидальных сигналов при
измерении фазового сдвига методом линейной развертки
Сигналы utO) и uz(t) подаются на входы Y1 и Y2 осциллографа.
Для обеспечения неподвижности осциллограмм необходимо синхро-
низировать развертку одним из исследуемых сш налов.
По измеренным отрезкам Оа и Oh рассчитывается фазовый сдвиг из
соотношения
Д<р Оа
360° “о?
откуда
Д<р=^ 360°
v 0b
(5-11)
Метод линейной развертки позволяет определить знак фазового
сдвига, охватывает полный диапазон его измерения — 0...360”. Погреш-
ность метода составляет ± (5_..7°) и определяется нелинейностью раз-
вертывающего напряжения, неточностью измерения линейных раз-
меров отрезков Оа и Oh, качеством фокусировки и яркости луча (т.е.
умением оператора).
Метод синусоида гъной развертки реализуется с помощью одно-
лучевого осциллографа. Исследуемые сигналы с напряжением 2г((г)
и u>(t) подаются на входы X и Y осциллографа при выключенном
внутреннем генераторе линейной развертки. На экране появится фи-
5.3. Измерение фазового сдвига
гура и виде эллипса (рис. 5.8), форма которого зависит от фазового
сдвига между двумя напряжениями и их амплитуд. Фазовый сдвиг
определяется но формуле
Рис. 5.8. Результирующая осциллограмма при измерении
фазового сдвига методом синусоидальной развертки
Для уменьшения not решности перед измерением выравнивают ам-
плитуды Хт и ¥т плавным их регулированием но каналам Y и X.
Метод синусоидальной развертки позволяет измерять фазовый
сдвиг в пределах от 0...180“ без определения знака.
Погрешность измерения Л<р методом синусоидальной развертки
(методом эллипса) зависит от точности измерения отрезков, входя-
щих в уравнение (5.12), от качества фокусировки и яркости луча на
экране ЭЛТ. Эти причины оказывают заметное влияние при фазовом
сдвиге, близком к нулю и к 90'.
Оба рассмотренных метода являются косвенными и достаточно
трудоемкими.
Метод круговой развертки наиболее удобный осциллографиче-
ский метод измерения фазового сдвша. При этом Определяется знак
фазовою сдвша во всем диапазоне измерения угла (0...360"). Пенреш-
ность измерения постоянна во всем диапазоне.
Структурная схема осциллографа при измерении фазового сдвига
методом круt овой развертки приведена на рис. 5.9, а.
142
ГЛАВА 5, ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
Рис. 5.9. Структурная схема реализации метода круговой развертки (о), отсчет
угла (б) и эпюры синусоидальных сигналов (в) при измерении фазового сдвига
На входы X и Y осциллографа подаются синусоидальные сигналы с на-
пряжением Ut и С7-|, сдвинутые относительно друi друга на 90” с помощью
фазовращателя, состоящего из резистора и конденсатора. При равенстве
сопротивлений плеч амплитуды напряжений Ut и U-t также равны и на
экране будет наблюдаться осциллограмма в виде круга (рис. 5.9, б).
Сравниваемые chi налы щ(0 и подаются на входы двух оди-
наковых формирователей, которые преобразуют синусоидальные на-
5.3. Измерение фазового сдвига
143
пряжения и последовательность коротких однополярных импульсов
с напряжением U4 и (рис. 5.9, в) с крутыми фронтами. Начала им-
пульсов совпадают с моментом перехода синусоид через ось времени
при их возрастании. Си налы с напряжением U4 и I-з поступают на ло-
гическую схему ИЛИ, где суммируются, и на выходе появляется по-
следовательность импульсов с напряжением Ug, которые подаются на
управляющий электрод (модулятор) трубки, управляя яркостью луча
в точках 1 и 2, п на окружности в точках 1 и 2 наблюдаются точки по-
вышенной яркости.
Фазовый сдвиг между сш налами происходит следующим образом
(см. рис. 5.9, б). При измерении центр прозрачного транспортира со-
вмещают с центром Kpyia, полная длина окружности которого соот-
ветствует 360°. За период Т исследуемых сигналов с напряжением
и U'i электронный луч описывает круг Дугу между точками 1 и 2, дли-
на которой равна некоторому yi лу <х, луч описывает за время задержки
этих сш налов. At “ Д<рТ ' 360°, откуда а “ Д<р.
Абсолютная погрешность измерения методом круговой развертки
достигает 2...5° и зависит от точности определения центра круга, точ-
ности измерения фазового сдвша с помощью транспортира и от степе-
ни идентичности порога срабатывания обоих формирователей.
Компенсационный метод (метод наложения) реализуется с помо-
щью осцилло! рафа. Схема метода приведена на рис. 5.10, а.
Рис. 5.10. Схема реализации компенсационного метода (с) и
осциллограмма (6) при измерении фазового сдвига
Сигналы с напряжением L/\ и U% подаются на входы Y и X осцилло-
графа, причем на вход ¥ — через градуированный фазовращатель, а на
вход X подается непосредственно.
Фазовый сдвиг между исследуемыми напряжениями Ut и и± опре-
деляется путем изменения фазы сшнала с напряжением t/j
щателем до тех пор, пока на экране не появится прямая наклонная ли-
ния (рпс. 5.10, б), что свидетельствует о равенстве фаз обоих сшналов.
Определяемый фазовый сдвш Д<р отсчитывают по шкале фазовраща-
144
ГЛАВА 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
теля относительно первично! о положения, соответствующего поворо-
чу' фазы на 180*. Для уменьшения погрешности измерения необходимо
произвести коррекцию фазовых сдвигов, создаваемых усилителями
каналов вертикального и горизонтального отклонения луча осцилло-
графа. Эта процедура осуществляется в той же последовательности,
что н при измерении фазового сдвша методом синусоидальной раз-
вертки (см. рис. 5.8). Б качестве индикатора нуля можно использовать
электронный вольтметр.
Погрешность измерения компенсационным методом небольшая
(0,2...0,5°) и определяется 1лавным образом качеством чрадуировки
фазовращателя.
Компенсационный метод применяют и в диапазоне СВЧ при из-
мерении фазового сдвша, вносимого каким-либо злементом, допол-
нительно включаемым в тракт СВЧ (фильтром, отрезком волновода).
Структурная схема измерения фазового сдвша компенсационным ме-
тодом представлена на рис. 5.11.
VD
| Генератор Аттенюатор
_______
Фазовращатель
Исследуемый I Заглушка
элемент цепи ГЧ Н = 0
Рис. 5.11. Структурная схема измерения фазового сдвига
в диапазоне СВЧ компенсационным методом
Процесс измерения производится в следующем порядке. При от-
ключенном исследуемом элементе Z СВЧ-тракт на выходе фазовра-
щателя замыкают заглушкой накоротко. При включении генератора в
тракте устанавливается стоячая волна. Поскольку минимум стоячей
волны более резко выражен, чем максимум, то настройкой фазовра-
щателя так перемещают узел стоячей волны относительно поперечной
плоскости расположения зонда, чтобы выпрямительный прибор (мил-
лиамперметр) показал минимум, и отмечают показания <pt фазовраща-
теля. Затем между фазовращателем и заглушкой включают исследуе-
мый элемент Z, создающий смещение узла напряжения стоячей волны,
и снова фазовращателем добиваются минимального показания инди-
катора, которое составит <р2 ИРИ отсчете но шкале фазовращателя.
Фазовый сдвиг, вносимый исследуемым элементом Z в СВЧ-тракт,
определяется по формуле
Д<р = ф,—(513)
5.3. Измерение фазового сдвига
145
Вместо фазовращателя и зонда в рассматриваемой схеме может
быть использована измерительная линия. Описанный компенсацион-
ный метод является косвенным.
Двухканальный фазометр позволяет измерить <]>азовый сдвиг непо-
средственно. Принцип работы двухканального фазометра основан на
преобразовании разового сдвига в импульсы прямоугольной формы.
Структурная схема двухканального <]>азометра, временные диаграммы
сигналов, поясняющие его работу, и график зависимости показаний
индикатора относительного Л«р представлены на рис. 5.12.
Рис. 5.12. Структурная схема двухканального фалометра (а),
временные диаграммы сигналов, поясняющие его работу (б) и график
зависимости показаний индикатора относительно Дф (к)
Фазометр состоит из преобразователя Л<р во временной сдвиг &(,
равный искомому фазовому сдвигу' Л«р и измерительного индикатора.
Преобразователь состоит из двух одинаковых формирователей сиг на-
ла и сумматора, в качестве которого используется трпгг ер.
Исследуемые сиг налы с напряжением Ut и U± с фазовым сдвигом Дф
подаются на входы двух одинаковых <]юрмирователей, которые преоб-
146
ГЛАВА 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
разуют поступившие синусоидальные сшналы в последовательность
коротких импульсов с напряжением U-t и ил. Импульсы с напряжени-
ем Ut запускают триггер, а импульсы с напряжением устанавливают
его в исходное положение. В итоге на выходе образуется периодиче-
ская последовательность импульсов, период повторения и длитель-
ность которых равны периоду повторения Т и сдвшу во времени Аг
исследуемых сигналов с амплитудой .
В качестве измерительного индикатора чаще всего используется
микроамперметр ма1 нитоэлектрической системы, показания которого
пропорциональны среднему значению силы тока за период повторе-
ния сигнала Т.
Как видно из временной диаграммы I~ f (t) (см. рис. 5.12, б), в цепи
измерительного прибора получаются ирямоуюльные импульсы дли-
тельностью AI. Следовательно, среднее за период значение силы тока,
протекающего через приборы, пропорционально удвоенному относи-
тельному временному интервалу:
4Р-7И2Д1 Т.
откуда
Из 1 рафика (см. рис. 5.12, б) следует, что фазовый сдвиг между ис-
следуемыми сш налами с напряжением Ut и U-> соответствует времен-
ному сдвигу' АГ и может быть выражен формулой
А<р - сиАГ- 2я^
из которой следует, что фазовый угол линейно зависит от отношения
АГ /Т:
Atp=360°y (5.15)
Подставив уравнение (5.15) в выражение (5.14), получим
Atp = 360cy=^- 180° (5.16)
При постоянном значении амплитуды выходных импульсов шка-
ла индикатора, измеряющего среднее значение силы тока /и, градуи-
руется в значениях Atp. При этом шкала индикатора <]>азометра будет
5.3. Измерение фазового сдвига
линейной. Достоинством двухканального фазометра является прямое
измерение Д<р в диапазоне ±180°.
Электронный метод дискретного счета положен в основу ра-
боты цифрового фазометра и состоит из двух основных этапов: пре-
образование фазовою сдвша в соответствующий интервал времени и
измерение этого интервала времени методом дискретного счета.
Упрощенная структурная схема цифрового фазометра и временные
диаграммы, поясняющие его работу, представлены на рис. 5.13
Рис. 5.13. Структурная схема фазометра при измерении
фазового сдвига методом дискретного счета (с), и временные
диаграммы сигналов, поясняющие его работу (б)
Вырабатываемый кварцевым генератором синусоидальный сш нал
подается на блок формирования, на выходе которого образуются счет-
ные импульсы, поступающие на один вход временного селектора. На
другой его вход поступает преобразованная последовательность им-
пульсов длительностью Д t с периодом повторения исследуемых сиг-
налов Т. Селектор открывается только на время, равное длительности
Л С импульсов с напряжением U3 и пропускает на счетчик импульсы
148
ГЛАВА 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
с напряжением от генератора. Временной селектор формирует па-
кеты импульсов с напряжением С'5 (не изменяя периода Т), поступаю-
щих на счетчик в одном пакете.
И-ДГ То, (5.17)
где In — период повторения счетных импульсов кварцевого генератора.
Подставив в формулу (5.17) соотношение для АГиз формулы (5.16),
определяем Дф для сигналов с напряжением Ut и U-,\
Дф-и 360’-Го, Т. (5.18)
Общая погрешность измерения этим методом зависит от погреш-
ности дискретности, которая связана с тем, что интервал At измеряется
с точностью до одного периода Tjj, и от нестабильности времени сраба-
тывания преобразователя.
Большими возможностями обладают фазометры со встроенным
микропроцессором, которыми можно измерять фазовый сдвиг между
двумя периодическими сигналами за любой выбранный период.
На рисунке 5.14 представлена структурная схема фазометра со
встроенным микропроцессором и временные диаграммы сш налов, по-
ясняющие его работу.
После входного устройства синусоидальные сигналы с напряжени-
ем Ut и U-> поступают на входы импульсного преобразователя, в ко-
тором преобразуются в короткие импульсы с напряжением U\ и U2.
С помощью первой пары данных импульсов формирователь 1 выра-
батывает импульс с напряжением Ut длительностью ДГ, которая равна
временному сдвшу сигналов с напряжением Ut и £’•>. Этим импуль-
сом открывается временной селектор 1, и в течение его действия на
вход счетчика 1 проходят счетные импульсы с периодом повторения
Тп, которые вырабатываются микропроцессором. Прошедший на вход
счетчика 1 пакет импульсов с напряжением показан на рис. 5.14, б.
Число импульсов в пакете выражается формулой
п — ДГ 7J). (5.19)
Одновременно с этим формирователь 2 вырабатывает импульсы с
напряжением V$, с длительностью, равной периоду повторения иссле-
дуемых сш налов с напряжением и U^. Этот импульс открывает се-
лектор 2 (на время своего действия) и пропускает от микропроцессора
на счетчик 2 пакет импульсов с напряжением 11б и с периодом Т{], число
которых в пакете составляет
N-T То. (5.20)
Рис. 5.14. Структурная схема фазометра со встроенным микропроцессором
(в) и временные диаграммы сигналов, поясняющие его работу, (б)
Для определения искомого значения фазового сдвига Д<р за выб-
ранный период повторения сигнала Т необходимо найти отношение
величин (5.19) и (5.20), равное
и N Т.
затем с учетом основной формулы Д<р = 360° ДГ Т умножить это от-
ношение на 360°.
Д<р = п / iV - 360°.
(5.21)
Данное вычисление выполняется микропроцессором, на который
передаются вырабатываемые счетчиками 1 и 2 коды чисел л и N. При
150
ГЛАВА 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
соответствующей программе микропроцессора на дисплее высвечи-
вается значение фазового сдвша Д<р для любого выбранного периода
Т. Благодаря сравнению таких сдвигов в разных периодах появляется
возможность наблюдать флуктуации А<р и оценивать их статические
параметры, к которым относятся математическое ожидание, диспер-
сия, среднеквадратичное отклонение, измеренное среднее значение
фазового сдвига.
При измерении фазометром со встроенным микропроцессором
средне! о значения фазового сдвига Д<р за заданное количество К пе-
риодов Т в счетчиках 1 и 2 накапливаются коды числа импульсов, по-
ступивших на их входы за К периодов, т.е. кодов чисел пК и NK соот-
ветственно, передаваемых в микропроцессор.
Малую погрешность измерения Д<р данным фазометром можно по-
лучить только на достаточно низкой частоте исследуемых си i налов
Расширить частотный диапазон позволяет предварительное (гетеро-
динное) преобразование сигналов.
К основным метролщ ическнм характеристикам фазометров. кото-
рые необходимо знать при выборе прибора, относятся следующие:
• назначение прибора;
• диапазон измерения фазового сдвига;
• частотный диапазон;
• допустимая цги решность измерения.
5.4. Измерение коэффициента
нелинейных искажений
Для низкочастотных измерительных генераторов особенно важно
иметь малый коэффициент нелинейных искажений (коэффициент
гармоник так как при снятии различных характеристик низкоча-
стотных устройств на их вход желательно подавать колебания, близ-
кие но форме к синусоиде, г.е. без гармоник. Искажения возникают,
главным образом, вследствие прохождения сшнала в усилительных
и детекторных каскадах из-за нелинейности их вольт-амперных ха-
рактеристик (ВАХ) при работе диодов и транзисторов на нелинейном
участке ВАХ.
В результате в сшнале появляются новые (дополнительные) выс-
шие шрмонн четкие составляющие, вызывающие искажение синусои-
дальной формы:
5.4. Измерение коэффициента нелинейных искажений
151
к(г) = Ц,+1711 - sin(M+Um2 sin2(nt+Um3 sin3«ot+ .
- +^tm sinncof
(5.22)
Для количественной оценки искажений используют специальные
аналсл оные и цифровые приборы - измерители нелинейных искаже-
ний (С6 по каталоговой классификации).
Коэффициент гармоник kr представляет собой отношение средне-
квадратичного значения всех высших гармоник (начиная со второй)
напряжения или силы тока к среднеквадратичному значению напря-
жения или силы тока первой гармоники.
, М+и‘+ .+и‘
К-К-----г.---
100%.
(5-23)
Упрощенная структурная схема измерителя нелинейных искаже-
ний представлена на рис. 5.15. Принцип действия измерителя основан
на сравнении среднеквадратичного значения напряжения высших гар-
моник. начиная со второй, со среднеквадратичным значением ncei о ис-
следуемого напряжения.
«Измерение»
Рис. 5.15. Структурная схема измерителя нелинейных искажений
(коэффициента гармоник)
Принцип действия прибора основан на подавлении первой гармо-
ники с помощью активного режекторного фильтра и измерении сред-
неквадратичного значения напряжения высших гармоник.
Исследуемый сигнал подается на входное устройство, служащее для
согласования входного сопротивления прибора с источником измеряе-
мой) сш нала. Перед измерением прибор должен быть калиброван (<<▼>>).
С помощью усилителя значение измеряемого напряжения доводят до
фиксированного уровня по индикатору (когда Аг = 100%), при котором
индикатор среднеквадратичного значения электронного вольтметра бу-
дет градуирован в значениях коэффициента kr. Вольтметр измеряет сред-
неквадратичное значение напряжения исследуемого сш нала:
152
ГЛАВА 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
f/.=Vf/"+f4'+ +О'- (5.24)
После проведения калибровки переключатель SA переводят в по-
ложение «Измерение» и настраивают активный режекторный фильтр
на достаточно равномерное пропускание напряжений всех высших
гармоник и подавление напряжения 1-й (основной) гармоники путем
дискретной и плавной установки его частоты Ut. Признаком полного
подавления 1-й iармоники является минимальное показание индика-
тора, которое соответствует среднеквадратичному значению суммы
всех высших гармоник:
и, + (5.25)
При нелинейных искажениях меньше 10% (что обычно и быва-
ет на практике), например в измерительных усилителях k, < 1...2%,
а в обычных усилителях k, < 7...8%, коэффициент гармоник может
быть найден по приближенной формуле
(5.25)
Коэффициент гармоник А, связан с коэффициентом k' формулой
которой следует пользоваться в том случае, когда
Лг>Д£>10%. (5.27)
Прибор содержит внутренний генератор с перестраиваемой часто-
той (плавно и дискретно). Для ослабления влияния сетевых помех при
измерениях выше 1 кГц предусмотрен фильтр верхних частот с часто-
той среза 1 кГц
Для повышения точности измерения используют электронный
вольтметр высокой чувствительности типа У—Д, который в измери-
теле к, может применяться не только для определения нелинейных ис-
кажений, но и для измерения напряжений звуковой частоты в режиме
«Вольтметр».
Погрет ность измерения кг аналоговым прибором лежит в границах
5.5. Измерение амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников 153
К достоинствам аналоговых измерителей k, следует" отнести пря-
мой отсчет; к недостаткам - трудоемкость и относительно большую
нот решность измерения.
В цифровых измерителях k, погрешность снижена, измерения про-
водятся автоматически, за счет чего достигается высокая скорость из-
мерения.
К основным метролот ическнм характеристикам измерителей нели-
нейных искажений (коэффициента гармоник), которые необходимо
знать при выборе прибора, относятся следующие характеристики:
диапазон частот основной i армоники:
• диапазон измерения коэффициента гармоник;
диапазон входных напряжений,
• допустимая noi решность измерений;
• входной импеданс;
диапазон измеряемых напряжений,
• диапазон частот электронного вольтметра;
• приведенная относительная погрешность электронного вольтметра.
Рис. 5.16. Схема
четырехполюсника
5.5. Измерение амплитудно-частотных
характеристик четырехполюсников
При контроле технического состояния электронных устройств важ-
ное место занимает измерение частотных характеристик различных их
узлов, а именно АЧХ.
В электронике широко используют линейные четырехполюсники,
АЧХ которых определяется зависимостью модуля коэффициента пе-
редачи от частоты сш нала.
Коэффициент передачи k в цепях с со-
средоточенными постоянными представля-
ет собой отношение комплексных ампли-
туд выходного и входного гармонических
напряжений одной частоты при условии
отсутствия отражения на входе, как показа-
но на схеме четырехполюсника (рис. 5.16):
(5.28)
Если U-, < Ut, то происходит ослабление сигнала при прохождении
его через четырехполюсник (в этом случае — пассивный), а коэффици-
ент передачи k < 1.
154
ГЛАВА 5, ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
Если U2> U[, то си гни. । усиливается, четырехполюсник является
активным, a k > 1.
Значения коэффициента передачи четырехполюсника и частоты
chi нала, на которой проводится его намерение, образуют точку в си-
стеме соответствующих координат, а совокупность таких же точек об-
разуют АЧХ в рассматриваемом частотном диапазоне.
Измерения параметров АЧХ четырехполюсника выполняются од-
ним из двух методов.
• снятием зависимости модуля коэффициента передачи от частоты
ио точкам с последующим интерполированием кривой АЧХ,
• получением ианорамно| о изображении АЧХ с использованием ге-
нератора качающейся частоты и индикатора.
На практике при исследовании четырехполюсников определяют
чаще все! о АЧХ (рис. 5.17), которая отражает его свойства в исследуе-
мой полосе частот — полосе пропускания, в которой модуль коэффи-
циента передачи не должен быть меньше 0,7 А’1Пах. Полоса пропускания
линейного четырехполюсника oi раничивается нижней и верхней fB
частотой, поэтому его ширина составляет
(5.29)
Рис. 5.17. АЧХ четырехполюсника
Метод снятия АЧХ но точкам реализуется с помощью диапазонно-
го генератора синусоидального ст нала и вольтметра (рис. 5.18). Из-
меняя частоту । армонических колебаний в исследуемой полосе частот,
измеряют вольтметром напряжение на выходе проверяемо! о четырех-
полюсника при постоянстве значения входного напряжения.
Модуль коэффициента передачи рассчитывается поформуле (5.28).
По результатам измерений графически строят АЧХ. Рассмотренный
метод имеет ряд недостатков:
5.5, Измерение амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников 155
I Ы Исслеяуемая Ц Вольтметр I
генератор цепь I
Рис. 5.18. Структурная схема соединения приборов при
снятии АЧХ четырехполюсника по точкам
трудоемкость измерения, снизанная со снятием АЧХ но точкам,
количество которых прямо пропорционально требуемой точности
измерения;
влияние длительных измерений на характер кривой АЧХ, измене-
ния температуры окружающей среды и питающего напряжения,
которые искажают достоверную кривую (рис. 5.19, а);
возможность пропуска резких изменений кривой в промежутках меж-
ду точками (рис. 5.19, б) из-за дискретности воспроизведения АЧХ.
Рис. 5.19. Достоверная кривая АЧХ четырехполюсника
(о) и кривая, снятая по точкам (б)
Метод получения панорамного изображения лежит в основе рабо-
ты специальных панорамных приборов - характериографов (XI ш> ка-
талоговой классификации). Этот метод лишен недостатков, присущих
методу снятия АЧХ но точкам, но имеет меньшую точность измерения
из-за короткого времени измерения в каждой точке кривой АЧХ.
Структурная схема простейшего измерителя АЧХ (рис. 5.20) состо-
ит из генератора качающейся частоты (ГКЧ), частота которого плавно
изменяется ио определенному закону в рассматриваемой полосе ча-
стот, и индикатора, воспроизводящего кривую АЧХ. В качестве инди-
катора обычно используется осциллограф.
Рис. 5.20. Структурная схема простейшего измерите.тя АЧХ
156
ГЛАВА 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
Сш нал с ГКЧ подается на вход исследуемого четырехполюсника.
Поскольку модуль коэффициента передачи четырехполюсника зави-
сит от частоты сш нала на входе, то на его выходе сш нал изменяется
но амплитуде. Огибающая этого сшнала, выделяемая детектором,
который входит в состав индикатора, управляет отклонением луча
индикатора ио вертикали, изображая кривую АЧХ. Одновременно
блок модулирующего напряжения синхронизирует работу ГКЧ и ин-
дикатора и управляет частотой ГКЧ и отклонением луча индикатора
по горизонтали.
В рассмотренном измерителе АЧХ горизонтальное отклонение
луча на экране индикатора соответствует частоте на входе исследуе-
мого четырехполюсника, а вертикальное - значению модуля коэф-
фициента передачи на этой частоте. В результате на экране автомати-
чески воспроизводится кривая АЧХ исследуемого объекта.
Форма модулирующего напряжения в этом случае может быть
любой, но чаще применяется пилообразное напряжение, обеспечи-
вающее одинаковую яркость всех участков АЧХ. Важно, чтобы закон
изменения частоты совпадал с законом отклонения луча индикатора
но горизонтали — только при этом условии создается линейный ча-
стотный масштаб.
Для обеспечения отсчета частоты формируется система частот-
ных меток, которые получают в результате детектирования сигнала,
прошедшего через резонансный частотомер, либо смешиванием сиг-
налов ГКЧ и встроенного кварцевого генератора.
Измерение модуля коэффициента передачи основано на методе
замещения. Для этого перед началом измерения прибор калибруется
сигналом, подаваемым с ГКЧ непосредственно на индикатор, а име-
ющийся на выходе ГКЧ аттенюатор устанавливается в положение
максимального ослабления, условно принимаемого за нуль. После
подключения четырехполюсника восстанавливают показания ин-
дикатора, которые соответствовали его положению при калибровке,
изменяя ослабление аттенюатора ГКЧ, определяют ослабление или
усиление четырехполюсника. При заранее калиброванной шкале
осцилло! рафического индикатора также можно провести измерение
АЧХ. не отключая четырехполюсник.
Для повышения качества измерений и расширения функциональ-
ных возможностей прибора в структурную схему панорамного изме-
рителя АЧХ вводятся дополнительные узлы (рис. 5.21).
Центральным узлом измерителя АЧХ является ГКЧ, который в за-
висимости от предъявляемых к нему требований выполняется в двух
5.5, Измерение амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников 157
Рис. 5.21. Структурная схема панорамного измерителя АЧХ
вариантах. Для получения большой выходной мощности и малых не-
линейных искажений колебания вырабатываются непосредственно
задающим автогенератором качающейся частоты. Для обеспечения
широкого диапазона частот без разделения его на поддиапазоны ис-
пользуется принцип смешивания сш налов фиксированной и пере-
страиваемой частоты.
В целях обеспечения постоянства значения выходного сигнала во
всем диапазоне качания частоты предназначен блок автоматического
регулирования амплитуды. Одновременно часть сигнала с ГКЧ посту-
пает на блок частотных меток, который вырабатывает целый спектр
калибровочных меток в границах рабочего диапазона ГКЧ. При совпа-
дении частоты ГКЧ с любой из калибровочных частот образуются сш -
налы, подаваемые в индикатор. Эти анналы наблюдаются на экране
в виде амплитудных меток.
Для получения калиброванною изменения напряжения на выходе
ГКЧ предназначен аттенюатор.
В измерителе АЧХ может использоваться детекторная головка
одного пли двух видов.
• высокоомные — для измерения сигнала с минимальным влиянием
на четырехполюсник;
• согласованные детекторные — для измерения на выходе согласо-
ванных трактов. Эти головки содержат детектор и нагрузочное со-
противление,
• проходные детекторные — дли измерения сигнала на выходе изме-
рителя АЧХ или в согласованных трактах без нарушения их одно-
родности
При исследовании АЧХ высокоселективных устройств возникает
потребность наблюдения одновременно на экране измерителя боль-
15В
ГЛАВА 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
ших перепадов уровня chi нала. В таких случаях между детекторной
головкой н индикатором включаются широкополосные лО|арифмиче-
ские усилители.
В качестве индикатора чаще всего используется дисплей. В зави-
симости от скорости качания частоты ГКЧ выбирают дисплеи с нор-
мальным или длительным послесвечением, с электромагнитным или
с электростатическим управлением луча.
На уменьшение погрешности измерения АЧХ и увеличение разре-
шающей способности прибора оказывают влияние размеры рабочей
части дисплея. Для получения двух или более кривых АЧХ используют
многоканальный индикатор, что .заметно расширяет функциональные
возможности таких приборов, как характериографы. В отечественной
каталей овой классификации они обозначаются X1
В зависимости от ширины полосы качания характериографы под-
разделяются на узкополосные, широкополосные и комбинирован-
Улкополосные характериографы обеспечивают полосу качания, со-
ставляющую доли и единицы процента центральной частоты, широ-
кополосные имеют полосу качания, составляющую полный диапазон
частот прибора; комбинированные объединяют в себе функции узкопо-
лосных и широкополосных.
Характериографы классифицируются еще но нескольким иарамет-
• ио допустимым значениям основных частотных и амплитудных
параметров — на классы точности;
• числу одновременно исследуемых АЧХ — одно- и многоканальные;
• динамическому диапазону воспроизведения АЧХ — с линейным и
ло< арифмическим масштабом по амплитуде
Использование в составе характерногра<]юв встроеннсл о микропро-
цессора (рис. 5.22) позволяет повысить уровень их автоматизации
Такне приборы способны выполнять следующие функции:
• замена жесткой логики на программную, в результате чего прибор
со встроенным микропроцессором при прочих равных условиях
имеет меньшие |абаритные размеры и более высокую надеж -
• обеспечение диалом оператора с прибором и представление изме-
рительной информации в более удобном цифровом виде;
• обеспечение контроля правильности действия оператора и само-
контроля прибора, что повышает производительность и снижает
ошибки в работе оператора;
5.5, Измерение амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников 159
ор1аннзация интерфейса, что позволяет применять измеритель
в составе больших автоматизированных измерительных систем;
уменьшение погрешности измерений за счет учета при вычисле-
нии результата измерения факторов, влияющих на точностные ха-
рактеристики измерителя АНХ.
Рис. 5.22. Структурная схема характериографа со встроенным
микропроцессором
Микропроцессор выполняет функции управления характериогра-
фом и обработки измерительной информации и решает следующие за-
дачи управления:
• установка иодднапозонов частот и перестройка частоты в полосе
качания;
• запуск частотомера;
• установка коэффициента передачи управляемого усилителя;
• установка поддиапозона детектора;
• индикация результатов измерения и функционирования измери-
На основе поступающей в микропроцессор информации об
уровне выходного сигнала с аттенюатора, о частоте выходного
сигнала с частотомера и уровне измеряемого сигнала с детектора
производится расчет параметров АЧХ исследуемого четырехпо-
люсника. Одновременно обеспечивается линеаризация частотно-
го масштаба и осуществляется коррекция неравномерности соб-
ственно АЧХ, что снижает погрешность измерения. При работе на
малых уровнях сшнала для уменьшения влияния шумов и помех
предусмотрен режим мноюкратной выборки и усреднения резуль-
татов измерения.
Прибор управляется через устройство сопряжения с помощью кла-
виатуры на передней панели прибора ио двенадцатиразрядной инфор-
мационной шине, трехразрядной шине управления и трехразрядной
адресной шине.
160
ГЛАВА 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
Контрольные вопросы
1. Приведите определение частоты сигнала.
2. Приведите определение периода повторения сигнала
3. Приведите формулу частоты сигнала.
4. Приведите формулу периода повторения сигнала.
5. Приведите формулу длины волны.
6. Перечислите низкочастотные методы измерения частоты сигнала.
7. Перечислите высокочастотные методы измерения частоты cm нала.
8. Укажите группу и подгруппу электронных частотомеров.
9. Какие частоты относятся к НЧ (цифровое значение)?
10. Какие частоты относятся к ВЧ?
11. Какие частоты относятся к СВЧ?
12. Наловите основную единицу измерения частоты сигнала.
13. Назовите основную единицу измерения периода повторения сиг-
14. Назовите основную единицу измерения длины волны.
15. Электромеханические приборы каких систем используются для
измерения фазового сдвига?
16. Какую функцию выполняют фазовращатели?
17. Как определяется Д<р методом синусоидальной развертки?
18. Как определяется Д<р методом линейной развертки?
19. Как определяется Д<р методом круговой развертки?
20. Назовите область применения осциллографических методов из-
мерения Д<р.
21. Назовите достоинства и недостатки осциллографических методов
измерения Д<р.
22. Как Д<р определяется двухканальным фазометром?
23. Назовите достоинства и недостатки двухканальных фазометров.
24. Какой метод измерения положен в основу работы цифрового фа-
зометра?
25. Какие преимущества имеют цифровые фазометры но сравнению с
двухканальными фазометрами?
26. Назовите достоинства и недостатки компенсационного метода из-
мерения Д<р.
27. Какие преимущества имеют фазометры со встроенным микропро-
цессором?
28. В чем заключается принцип работы фазометра со встроенным ми-
кропроцессором?
29. Назовите недостатки фазометров со вс троенным микропроцессором.
Контрольные вопросы
161
30. Приведите определение коэффициента i армоник.
31. Определите значение kT напряжения, мт новенное значение которо-
го выражено зависимостью «(г) - 40 sin at + 2 sin 2cof + sin 3<oZ
32. Как защищают измеритель kr от влияния сетевых помех?
33. Какие причины вызывают искажение формы гармонического сиг-
34. Какая связь существует между номером гармоники и величиной ее
амплитуды?
35. В чем состоит измерение коэффициента Лг?
36. Как определить Лг через амплитудные значения тармоннческих со-
ставляющих исследуемого напряжения?
37. Почему в измерителях kr используется вольтметр среднеквадра-
тичных, а не амплитудных значений?
38. Объясните последовательность измерения kr прибором, структур-
ная схема которого представлена на рис. 5.15.
39. К какой группе и подгруппе относятся отечественные измери-
40. Можно ли назвать измеритель kr многофункциональным прибо-
ром?
41. Перечислите основные метрологические характеристики измери-
42. Из каких основных узлов состоит измеритель kr?
43. Перечислите достоинства и недостатки аналоговых измерителей kr.
44. Как можно уменьшить трудоемкость измерения kr и повысить его
точность и скорость?
45. Что представляет собой АЧХ?
46. Перечислите методы измерении параметров АЧХ четырехполюс-
47. Перечислите недостатки снятия АЧХ но точкам.
48. Что такое полоса пропускания четырехполюсника?
49. Какими частотами ограничивается полоса пропускания линейного
четырехполюсника?
50. Как в каталоговой классификации обозначаются характериогра-
фы?
51. Из каких основных узлов состоит измеритель АЧХ?
52. Перечислите достоинства харак!ериографов.
53. Перечислите недостатки характериографов.
54. Какую функцию выполняет ГКЧ в характериографе?
55. По каким признакам классифицируются характериографы?
ГЛАВА 6. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ДИОДОВ, ТРАНЗИСТОРОВ
И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
6.1. Общие сведения
Современные сложные энекгронные устройства различною назначе-
ния характеризуются высокой надежностью и малыми габаритными раз-
мерами благодаря применению в них диодов, транзисторов и интеграль-
ных микросхем (ИМС), выполняющих вполне конкретные функции.
Входящие в состав ИМС диоды, транзисторы, резисторы и конден-
саторы оказывают влияние на свойства микросхем и при недостаточно-
сти информации об их параметрах, особенностях эксплуатации, схемах
включения не обеспечивают наилучшие режимы работы электронного
устройства в целом. Разброс параметров и характеристик полупровод-
никовых приборов и ИМС одного и того же типа, чувствительность
к перегрузкам, влияние изменения температуры приводят к необходи-
мости перед установкой в электронную схему проводить их испытание.
Полупроводниковые приборы классифицируются ио функцио-
нальному назначению, мощности и граничной частоте применимости.
6.2. Измерение параметров
полупроводниковых диодов
Промышленность выпускает плоскостные и точечные полупрово-
дниковые диоды, отличающиеся конструкцией, технолошей изготов-
ления и значением характеризующих их параметров.
Измерение параметров диодов принципиально отличается от рас-
смотренных ранее измерений анало! ичных параметров, что объясня-
ется зависимостью свойств полупроводниковых приборов от внешних
условий (главным образом, от температуры) и нелинейностью вольт-
амперных характеристик полупроводниковых приборов.
В соответствии с первой причиной следует учитывать разогрев р-п-
иерехода проходящим током во время измерения, что требует обеспе-
чения отвода тепла исследуемого диода (теплоотвод) и ограничения
времени измерения.
6.2. Измерение параметров полупроводниковых диодов
163
Вторая причина обязывает выполнять измерения при определен-
ных значениях напряжения и силы тока.
Параметры полупроводниковых диодов определяются свойствами
р-и-иерехода.
Сила тока, протекающего через диод, зависит от знака и значения
приложенного напряжения. Эта зависимость натлядно представляет-
ся вольт-амиерной характеристикой, где ио оси ординат откладывают
значение силы тока диода, а ио оси абсцисс — приложенное напряже-
ние. Поскольку прямой ток обычно превышает обратный в тысячи раз,
то ВАХ диодов строят в разных масштабах: прямой ток откладывают
в миллиамперах, обратный в микроамперах. Масштаб обратного
напряжения выбирают более крупным, чем масштаб ирямого напря-
жения.
ВАХ полупроводникового диода представлена на рис. 6.1, а, где
хорошо видно, что при большом обратном напряжении резко возрас-
тает обратный ток. Это явление сопровождается тепловым необрати-
мым пробоем диода и выходом его из строя. На ВАХ имеются обла-
сти с различным дифференциальным сопротивлением 7?ЛИф — AH AZ,
поэтому необходимая точность определения параметров может быть
достигнута при соблюдении некоторых условий измерения. При изме-
рении параметров на прямой ветви ВАХ (рис. 6.1, б) следует задавать
постоянный ток и измерять падение ирямого напряжения И„г. Это
условие означает, что внутреннее сопротивление источника питания
должно быть много больше сопротивления диода, чтобы изменение
напряжения на диоде (VD) не вызывало изменений тока, выходящих
за пределы заданной погрешности измерений, т.е. источник питания
должен быть источником тока по отношению к диоду. Условие необхо-
димо выполнять на всех участках ВАХ (при измерении напряжения),
где дифференциальное сопротивление мало
Рис. 6.1. ВАХ диода {а).схема измерения на прямой (б) и обратной (в) ветвях
164 ГЛАВА 6. ИЗМ ЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ...
Стабилизированный источник питания постоянного тока обеспе-
чивает дискретные значения прямого тока в диапазоне изменения
прямого напряжения для испытуемо! о диода. Измерение Uap выпол-
няет высокоомный вольтметр постоянного тока; контроль дискретных
значений тока обеспечивается миллиамперметром ма1 нитоэлектриче-
ской системы.
При измерении параметров диода на обратной ветви ЕАХ
(рис. 6.1, о) необходимо задаваться силой обратного тока 1,^р и из-
мерять обратное напряжение U,^p. При этом источник питания Е, ко-
торым задается режим измерения, должен иметь малое внутреннее
сопротивление - в противном случае незначительные изменения об-
ратного тока вызовут большую шн решность при измерении обратно-
го напряжения.
Со стабилизированного источника на диод VD подаются заданные
значения обратного напряжения, которые контролируются вольт-
метром ма1 нитоэлектрической системы. Сила обратного тока диода
измеряется микроамперметром постоянного тока.
Таким образом, в справочнике на диоды в качестве электрических
характеристик указываются координаты точек характеристики на пря-
мой и обратной ветвях.
Прямую ветвь характеризуют следующие параметры. U„f — прямое
падение напряжения на диоде при заданной силе постоянного прямого
тока /яр; ^дИф — дифференциальное сопротивление.
Обратную ветвь характеризуют следующие параметры: — по-
стоянное обратное напряжение на диоде при заданной силе постоян-
ного обратного тока, протекающего через диод; /,,!|р — сила постоянного
обратного тока, нротекающго через диод при подаче на него постоян-
но! о обратного напряжения 1^бр; гаах — наибольшее допустимое об-
ратное напряжение (предельное напряжение).
Эффективность выпрямления определяют расчетом коэффициен-
та выпрямления но результатам измерений.
^выпр Ар ' Айр ’ / Knir (6.1)
Исследование ВАХ диодов по точкам оказывается трудоемким
и не всегда целесообразным. Поэтому на практике требуемые па-
раметры измеряют в определенных точках. Например, Ппр, /пр,
измеряют с помощью специальных измерителей параметров дио-
дов.
Для оценки частотных свойств диода снимают частотные характе-
ристики /выпр(/) (рис. 6.2).
6.2. Измерение параметров полупроводниковых диодов
VD
Рис. 6.2. Схема измерения частотной характеристики диода
Основным параметром, определяющим частотные свойства диода,
является граничная рабочая частота /гр, при которой сила выпрямлен-
ного тока уменьшается на 30% относительно номинального значения,
измеренного на низкой частоте.
Для определения 1раничной рабочей частоты исследуемым диод
VD включается в схему однонолунериодного выпрямителя с активно-
емкостной нагрузкой. На вход схемы подается переменное напряже-
ние неизменной амплитуды различной частоты, контролируемое на
выходе генератора вольтметром. Резистор RI обеспечивает согласова-
ние сопротивления генератора и сопротивления нагрузки. Сила конт-
ролируемого выпрямленного тока измеряется миллиамперметром.
На высоких частотах (более 100 кГц) должны быть приняты меры
для уменьшения погрешности, вносимой паразитными индуктивно-
стями.
Значение емкости С конденсатора выбирается таким, чтобы ем-
костное сопротивление при минимальной частоте подводимого напря-
жения было значительно меньше сопротив-
ления резистора Я1.
Проходная емкость диода О1раничивает
применение полупроводниковых диодов на
высоких частотах.
Емкость р-и-перехода диода измеряют
при определенном напряжении смещения,
так как она существенно зависит от этого на-
пряжения (рис. 6.3).
Погрешность измерения емкости зависит от точности задания ра-
бочей точки, в которой измеряется емкость, и точности измерения на-
пряжения.
Все рассмотренные измерения выполняют при температуре окру-
жающей среды +20... +50 °C, если это не оговорено особо.
Изменение температуры заметно влияет' на все основные парамет-
ры диода. С повышением температуры уменьшается прямое и обратное
сопротивление, увеличивается проходная емкость диода из-за умень-
166 ГЛАВА 6. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ...
шения контактной разности потенциалов, что приводит к некоторому
ухудшению частотных свойств диода. С повышением температуры
особенно резко меняется обратное сопротивление, что является основ-
ным фактором, определяющим температурный предел работы диодов,
а дальнейшее повышение температуры приводит к необратимому из-
менению его параметров. Исследуемый диод помещают в термостат,
поддерживая заданную температуру (для германиевых не выше
70 °C, для кремниевых - не выше 125 °C). На основании анализа по-
лученных результатов определяют максимально и минимально допу-
стимые температуры для диода конкретного типа.
У выпрямительных диодов измеряют все указанные параметры,
для которых необходимо знать предельно допустимые эксплуатацион-
ные режимы, при которых диод должен работать с заданной надежно-
стью в течение установленного срока.
Предельно допустимые режимы выпрямительных диодов характе-
ризуются максимальной силой ирямого тока 71|р 1]ШХ и обратного напря-
жения максимально допустимой мощностью Р^,^, рассеивае-
мой на диоде, диапазоном температур окружающей среды.
Измерение силы прямого тока и обратного напряжения описано
ранее, а значение рассеиваемой на диоде мощности определяется как
сумма мощностей ири протекании ирямого и обратного токов.
Р-Рпр + ^р- (6-2)
Из-за малости обратно! о тока значением Р1)бр обычно пренебрегают
и то|да
P Pnp>2L/r,pl₽/npl:p. (6.3)
У высокочастотных диодов измеряют практически все те же па-
раметры, которые рассматривались ранее. Однако СВЧ-диоды из-за
чувствительности к тепловым и электрическим воздействиям должны
храниться в экранирующей защитной оболочке, и в процессе измере-
ния параметров диод должен быть защищен от воздействия Электро-
Mat нитного ноля
У импульсных диодов наряду с параметрами ВАХ измеряют спе-
циальные параметры (характеризующие инерционность диодов).* вре-
мя восстановления обратного сопротивления, заряд переключения,
максимальное импульсное прямое падение напряжения.
У детекторных диодов измеряют чувствительность ио току, со-
противление в рабочей точке, коэффициент стоячей волны, шумовое
отношение.
6.3. Измерение параметров биполярных и униполярных транзисторов 167
У смесительных диодов измеряемыми параметрами являются по-
тери преобразования, выходное сопротивление, коэффициент стоячей
волны, шумовое отношение, нормированный коэффициент шума.
У параметрических и умножительных диодов с управляемой
емкостью наряду с емкостью диода, силой обратного тока и предель-
но допустимым напряжением измеряют добротность диода на задан-
ной частоте и собственную индуктивность диода.
У стабилитронов (стабисторов) измеряют напряжение стабили-
зации.
6.3. Измерение параметров биполярных
и униполярных транзисторов
Поведение транзисторов в электронных устройствах определяется
их свойствами, которые можно представить различными системами
характеристик и параметров.
Расчет транзисторных схем возможен, если известны определенные
параметры, наиболее полно характеризующие транзистор как элемент
электрической цени. К таким параметрам предъявляют следующие
требования: удобство расчета схем на транзисторах, возможность из-
мерения в широком диапазоне частот с заданной погрешностью, про-
стота методики измерения.
Широко распространена методика представления транзистора
в виде четырехполюсника, который описывается несколькими систе-
мами уравнений. В настоящее время в практике измерений широко
распространена так называемая система /z-параметров транзистора.
Она реализуется в том случае, если при снятии семейства статических
характеристик транзистора рассматривать входное напряжение и силу
выходною тока как функции выходного напряжения и силу входною
тока.
Применительно к схеме включения биполярного транзистора
с общей базой, которую чаще используют для этою семейства харак-
теристик, можно записать:
h = (6.4)
где /, ток эмиттера
htl — входное сопротивление,
— коэффициент обратной связи,
Л2, — статический коэффициент передачи тока,
h22 — выходная проводимость.
168 ГЛАВА 6. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ...
Учитывая, что Л-цараметры имеют разную размерность, иолучен-
ную систему часто называют системой смешанных параметров. Из-
мерение смешанных параметров является основным и характеризует
свойства конкретного транзистора в одной рабочей точке. Свойства
транзистора во всем диапазоне изменения напряжений и токов, воз-
можных для данного прибора, отображаются семейством статических
ВАХ, дающих представление о поведении транзистора ири различных
сочетаниях токов и напряжений.
На основании построенного семейства характеристик можно опре-
делить основные параметры транзистора в любой рабочей точке.
Снятие ВАХ но точкам обеспечивает сравнительно малую ttoi реш-
ность измерений (5... 10%), но является весьма трудоемким процессом
Кроме того, длительное нахождение транзистора под током приводит
к eio нагреву и неизбежному изменению параметров в ходе измерения.
Указанные недостатки отсутствуют у характериографов, позво-
ляющих в короткое время получить ВАХ и оценить транзистор при
нрак tu чески неизменной температуре р-и-иерехода, что исключает по-
грешности, обусловленные изменением параметров транзистора.
Недостатками получения ВАХ с помощью характериографов (ио
сравнению со снятием ВАХ но точкам) являются сложность приме-
няемой аппаратуры и сравнительно большая погрешность измерений
(15...20%). Однако в подавляющем большинстве случаев эта tiotреш-
ность допустима.
Наилучшие результаты при измерении параметров транзисто-
ров дают специальные испытатели (Л2 но каталоговой классифика-
ции отечественных измерительных приборов), позволяющие быстро
и с малой погрешностью измерить основные параметры транзистора.
*21.Л22,4я0-
В отличие от биполярно! о транзистора униполярный (полевой)
транзистор управляется не током, а напряжением. Его особенностью
является высокое входное сопротивление, которое в зависимости от
тока транзистора колеблется в пределах 6... 15 Ом.
Основой нолевого транзистора является пластина полупроводника
р-типа, ограниченная на концах металлическими контактами. С двух
противоположных сторон в эту пластину введены примеси и-тииа.
соединенные между собой и образующие один электрод — затвор. Два
друшх электрода образуют металлические контакты - исток и сток.
Если накоротко соединить затвор с истоком, подключив к истоку
«+«> источника питания, а к стоку «—о, то ио цени потечет ток 1С. При
увеличении напряжения Uc, приложенного к стоку, увеличивается сила
6.4. Измерение параметров интегральных микросхем 169
тока /, При достижении напряжения определенного значения Ur нас
(напряжения насыщения) ток стока I, достшает значения /€1|Ж. (мак-
симальный ток стока, или ток насыщения) и перестает увеличиваться.
Если к затвору подключить «+», а к истоку «—» источника смещения
Пя, то насыщение будет происходить при меньшем значении Uc.
Частотные свойства полевых транзисторов определяются главным
образом межэлектродными емкостями транзистора.
Измерение параметров полевых транзисторов быстро и качествен-
но с допустимой погрешностью выполняют специальными испытате-
лями (группа Л2), позволяющими измерять ток утечки ток стока 1СТ,
напряжение затвора U.„ входную, выходную и проходную емкости (Ссв,
Свы1!, Gipnx) и некоторые дру1 ие параметры с noi решностью 5...15°п
6.4. Измерение параметров
интегральных микросхем
Классификация интегральных микросхем. В зависимости от тех-
нологии изготовления ИМС делятся на полупроводниковые и пленоч-
ные. Сочетание технологий позволяет реализовать еще одну группу -
гибридные.
Полупроводниковые ИМС характеризуются повышенным количе-
ством элементов и защищены от влияния внешней среды. Пленочные
ИМС - схемы с пассивными элементами. В гибридных ИМС пленоч-
ными являются пассивные элементы и соединения, а активные эле-
менты — бескориусные диоды и транзисторы, выполненные на отдель-
ных полупроводниковых кристаллах.
Сложность ИМС определяется количеством содержащихся в ней
элементов и компонентов — степенью интеграции.
По степени интеграции различают следующие ИМС:
• маломасштабные (МИС) — 20—40 элементов;
• среднемасштабные (СИС) — 50 150 элементов:
• большие (БИС) 150—900 элементов,
• сверхбольшие (СБИС) — более 1000 элементов.
Благодаря развитию технолоти униполярных МОП- или МДП-
транзисторов существенно повышена степень интеграции микросхем.
Относительная простота технологии изготовления, малая потреб-
ляемая мощность, невысокая стоимость, а также ряд ценных схемо-
технических средств позволяют на основе ИМС создавать устройства
различной сложности и степени ответственности - от микропроцессо-
ров до сложнейших приборов, работающих в космосе.
170 ГЛАВА 6. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ...
ИМС различаются подиум признакам: по конструкции корпусам рас-
положению выводов (с планарными выводами — DIP, PDIP; со штырько-
выми выводами - SOIC) и но функциональному назначению (аналого-
вые, или линейные — АИМС; цифровые ЦИМС).
АИМС предназначены для преобразования и обработки ст налов,
изменяющихся по закону непрерывной функции, и используются
в усилителях сш налов низких и высоких частот, в генераторах, смеси-
телях, детекторах, т.е. в устройствах, 1де активные элементы работают
в линейном режиме.
ЦИМС предназначены для преобразования и обработки ст налов,
изменяющихся но закону дискретной функции. Активные элементы
ЦИМС работают в ключевом режиме. ЦИМС используются в ЭВМ,
в устройствах дискретной обработки информации, системах автома-
тики. Одним из видов ЦИМС являются логические элементы, которые
предназначены для выполнения лошческих операций над переменны-
ми и способны принимать только два уровня напряжения лог иче-
ский «О» и логическую «1». Логическому «0г> соответствует низкий
уровень напряжения, а лог ической «1 >> — высокий.
Несколько простейших лошческих функций можно реализовать
с помощью основных лот ических элементов:
• логическое сложение (дизъюнкция, или операция ИЛ И) заключает-
ся в том, что функция принимает значение, равное «1», если хотя
бы на одном входе присутствует «1»,
• логическое умножение (конъюнкция, или операция И) заключается
в том, что функция принимает значение, равное «1», если на всех
входах одновременно присутствует «1»;
• логическое отрицание (инверсия, или операция НЕ) заключается
в получении переменной, противоположной данной.
На рисунке 6.4 приведены условное графическое обозначение (УГО)
Рис. 6.4. УГО и таблицы истинности для логических
элементов И (а). ИЛИ (б) и НЕ (в)
6.4. Измерение параметров интегральных микросхем 171
Помимо функциональных элементов одноступенчатой логики су-
ществуют элементы двухступенчатой и трехстуиенчатой лог ики.
Измерение параметров и проверка кондиционности АИМС. Из
множества АИМС широко применяются дифференциальные и опера-
ционные усилители (ОУ), а также видеоусилители и другие широко-
полосные усилители. ОУ представляют собой усилитель постоянного
тока (У ПТ) с двумя входами (прямым и инвертируемым) и одним вы-
ходом. Вводя в такой усилитель разнообразные обратные связи, мож-
но получить электронное устройство, реализующее различные функ-
ции преобразования сш нала. Типичной является иодача на оба входа
ОУ парафазного (дифференциального) сш нала. Эти два воздействия
могут быть различными, вплоть до того, что один из входов (инверти-
рующий или неинвертирующий) может быть заземлен.
ОУ являются многокаскадными усилителями, в которых первый
каскад — дифференциальный; выходной каскад строится так, чтобы
обеспечить достаточно большой динамический диапазон; промежу-
точные каскады обеспечивают дополнительное усиление и сдвш уров-
ня. Сдвиг уровня необходим для того, чтобы при отсутствии сигналов
на входах напряжение на выходе равнялось нулю.
Отклонение значения С7ВЫХ от нуля при отсутствии сигналов на вхо-
дах должно быть минимальным (доли милливольта).
Другими важными характеристиками ОУ являются следующие:
• большое входное сопротивление (в десятки — сотни килоом), обе-
спечиваемое входным дифференциальным каскадом;
• малое выходное сопротивление (сотни ом);
• большой коэффициент усиления по напряжению (десятки — сотни
тысяч);
• малая потребляемая мощность (десятки милливатт);
• большая полоса пропускания ОУ (десятки тысяч килогерц и бо-
лее);
• слабое влияние температуры.
ОУ имеют большое количество параметров, измеряемых специаль-
ными испытателями (группа Л2), с помощью которых измеряются ка-
чественные параметры линейных ИМС. [7„, — напряжение смещения,
/вх11? — входные токи. kv - коэффициент усиления но напряжению.
С7ВЫХ — напряжение на выходе, 1„тр — потребляемый ток
Измеренные параметры сравнивают со справочными и делают
вывод о годности и кондиционности АИМС. Годной и кондиционной
считается микросхема, измеренные параметры которой полностью со-
ответствуют справочным; годной и некондиционной (ограниченно год-
172 ГЛАВА 6. ИЗМ ЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ...
ной) микросхема, измеренные параметры которой не соответствуют
справочным; негодной - микросхема, параметры которой ku или С7ВЬИ1
равны нулю.
Измерение параметров и проверка работоспособности ДИМС.
Испытания ЦИМС проводятся одним из трех основных методов: ста-
тическим, динамическим, тестовым (функциональным)
Статические испытания выполняются на постоянном токе путем
измерения статических параметров ЦИМС.
Динамические (импульсные) испытания выполняются в импульс-
ных режимах путем измерения динамических параметров.
Тестовые (функциональные, или стендовые) испытания обеспечива-
ют моделирование рабочих режимов, которое позволяет имитировать
реальные рабочие режимы Работоспособность ЦИМС определяется
в рабочих условиях. Тестовые испытания реализуются с помощью
промышленных испытателей (группа Л2), характерными особенно-
стями таких испытателей являются проверка логических элементов
одно-, двух- и трехстуненчатой логики; необходимость составления
для каждой конкретной логической ЦИМС индивидуальной прог-
раммы испытаний — таблицы истинности, основываясь на законах ал-
гебры лотки.
Такой испытатель не позволяет проверять тритгеры, регистры,
счетчики, дешифраторы и микропроцессоры.
Для проведения тестовых испытаний необходимо выполнить иод-
।отопительную работу, выписав из справочной литературы следую-
щую информацию.
• тип корпуса ИМС с указанием номера 1-го вывода для правильно-
го последующей) подключения микросхемы к адаптеру;
• номера выводов, на которые необходимо подать напряжение пита-
ния микросхемы;
• значение напряжения питания;
• номер вывода заземления,
• значения напряжений, соответствующих уровням логической <<!?>
и лотческого «О» (I/1 и I/0);
• номера выводов, соответствующих входам и выходам ИМС,
• структурную схему ЦИМС.
На основании справочных сведений но двум последним пунктам
составляют программу испытаний (таблицу истинности с дополни-
тельной графой для записи результатов измерения напряжения).
К каждому выходу ЦИМС последовательно подключают электрон-
ный вольтметр, которым измеряется выходное напряжение логическо-
6.5. Логические анализаторы
173
го элемента при разных комбинациях сигналов на входе микросхемы
(в соответствии с составленной пршраммой испытаний).
Сравнение ожидаемо! о значения напряжения с измеренным значе-
нием позволяет сделать вывод о работоспособности ЦИМС.
Испытатели ЦИМС, работа которых основана на тестовой про-
верке, позволяют проверить общую работоспособность микросхемы
и требуют продолжительного времени при подготовке и собственно
испытаний.
6.5. Логические анализаторы
Широкое использование в современной электронной аппаратуре
ло1 ических ИМС привело к созданию особых (специальных) измери-
тельных приборов - логических анализаторов (по квалификационной
классификации — ЛА), которые, в отличие от осциллографа, позво-
ляют просматривать одновременно несколько десятков сш налов, т.е.
ло1ический анализатор является эквивалентом осциллографа, специ-
ально приспособленного для проверки ЦИМС.
В логических анализаторах не требуется измерять напряжение
контролируемых сшналов: при работе с логическими ИМС достаточ-
но знать в каком состоянии находится конкретный узел (в состоянии
ло!ической «1» или логическою «О»).
В отличие от осциллогра<]>а, показывающего значение напряжения
в зависимости от времени, логический анализатор показывает логи-
ческое состояние в зависимости от количества прошедших тактовых
импульсов. В результате анализаторы проверяют работу лошческих
узлов в режиме реальною времени, воспринимая двоичные сшналы
и представляя их в форме, удобной для оператора.
Логические анализаторы применяются при разработке, произ-
водстве, эксплуатации и ремонте электронной аппаратуры, при от-
ладке средств математического обеспечения приборов и больших
информационно-измерительных систем.
Работа лошческих анализаторов заключается в том, что измене-
ние ло1 ических состояний в контрольных точках, переход из одного
лошческого состояния в другое при воздействии внешних cut налов
записываются во внутреннюю намять анализатора для последующею
воспроизведения на экране индикатора в удобной для оператора фор-
ме. Наличие в анализаторе внутренней памяти позволяет отслеживать
периодические и однократные ло! ические процессы
В зависимости от наличия внутреннего генератора и вида индика-
ции различают анализаторы ло! ических состояний (А Л С) и анализа-
торы временных диаграмм (АВД).
174 ГЛАВА 6. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ...
АЛС используются для записи во внутреннюю намять сшнала.
внешнего по отношению к прибору. В качестве такого сшнала чаше
используются стимулирующие сшналы. изменяющие логические со-
стояния проверяемых микросхем. В АВД предусмотрено наличие внут-
реннего тактового генератора, который используется для записи леи и-
ческого состояния в данной точке во внутреннюю память прибора. На
рисунке 6.5 приведены структурные схемы анализаторов двух видов.
С помощью анализатора сведения о логическом состоянии испы-
туемого узла на рабочей частоте заносятся во внутреннюю память,
преобразуясь в удобный для индикации вид, и отображаются на ин-
дикаторе в виде квазивременнбй диаграммы (для АВД) либо в виде
таблицы истинности (для АЛС).
В первом случае данные заносятся в память синхронно с измене-
нием ло1 ического состояния испытуемого узла, а во втором случае —
асинхронно. Поэтому АВД часто называют синхронными анализа-
торами, а АЛС — асинхронными. На рисунке 6.6 приведен пример
информации, отображаемой на индикаторе.
0000 0000
0001 0001
0010 0010
ООП 0011
0100 0100
0101 0101
0110 0110
0111 0111
1000 1000
1001 1001
1010 1010
б
Рис. 6.6. Таблица истинности для АЛС (о)
и квазивременная диаграмма для АВД (б)
6.5. Логические анализаторы 175
Чтобы не потерять информацию и АВД, следует ввести запись
в память с частотой, в несколько раз превышающей рабочую часто-
ту испытуемого узла. Следовательно, тактовая частота АВД всегда
должна быть больше тактовой частоты АЛ С Кроме того, для полного
воспроизведения прог раммы изменения лот ических состояний вну-
тренняя память должна быть заметно больше, чем у АЛ С. Например,
у наиболее известных моделей АЛС объем памяти составляет 64 бита
на канал, а у АВД 2048 бит на канал.
На начальной стадии проектирования и при отладке аппаратных
средств чаще всего используют АВД. которые позволяют оценить от-
носительные задержки между каналами. Благодаря большому объе-
му памяти и специальной схеме детектирования коротких импульсов
с помощью АВД можно обнаружить короткие паразитные импуль-
сы, существующие между тактовыми импульсами.
АВД удобен при работе с асинхронными устройствами, например
для контроля синхронизации канала общего пользования (КОП).
На завершающей стадии проектирования аппаратной части и при
отладке средств математического обеспечения приборов используют
АЛС, на индикаторе которого отображается фрагмент программы
в двоичном коде. Многие АЛС позволяют отображать информацию
не только в двоичном коде, но и в восьмеричном и даже в шестнад-
цатеричном коде. Ряд АЛС имеют в своем составе дополнительные
блоки преобразования информации, что дает возможность видеть на
экране индикатора таблицу команд (листинг программы) на языке
iipoi раммирования высокого уровня.
Наряду с рассмотренными анализаторами выпускают специали-
зированные, используемые для решения более узкого круга задач.
Например, анализатор ЛА814 позволяет только контролировать
прохождение сигнала по КОП. Также имеются анализаторы, поз-
воляющие контролировать прохождение информации по шинам ми-
кропроцессоров конкретного типа.
Характеристиками ло1 ических анализаторов являются многока-
нального», быстродействие и способ запуска.
Многоканаяъность - это количество каналов, ограничиваемое
объемом внутренней памяти и габаритами индикатора. Современные
анализаторы имеют от двух до ста и более каналов. Использование
многоканальных анализаторов удобно при регулировании и ремон-
те печатных плат с комбинационной и последовательной логикой,
к которым относятся регистры, счетчики, сумматоры. Многоканаль-
ность анализаторов необходима при проверке плат памяти, разно-
176 ГЛАВА 6. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ...
образных интерфейсных плат и микропроцессорных устройств, где
только адресная шина (ША) занимает 16 и более каналов. Например,
для 8-разрядного микропроцессора, имеющею 16-разрядную ША,
8-разрядную шину данных (ШД) и ряд других линий, потребуется не
менее чем 32-канальный анализатор.
Быстродействие позволяет избежать потерь информации: испы-
тание устройства будет корректным только в том случае, если оно
проводится на рабочей частоте. Следовательно, чем выше быстродей-
ствие анализатора, тем лучше. Быстродействие подавляющею боль-
шинства АЛ С составляет (10...20) МГц и выше, что достаточно для
современных микропроцессоров. Быстродействие современных АВД
достигает 600 МГц с тенденцией дальнейшею роста.
Выбирая АВД по быстродействию, необходимо учитывать тот
факт, что все анализаторы имеют возможность генерировать узкие
паразитные выбросы, существующие между тактовыми импульсами.
Чем выше рабочая частота анализатора, тем более узкие импульсы
он способен захватывать. Например, анализатор с частотой 100 МГц
способен различать паразитные импульсы длительностью 3...5 нс,
а анализатор с частотой 50 МГц - длительностью 5... 10 нс
Способ запуска — третья характеристика ло1 ических анализаторов.
Самым простым способом запуска, который использовался в первых
анализаторах, является комбинационный запуск (по параллельному
коду слова), который позволяет просматривать периодические и не-
периодические сигналы одновременно по всем каналам. При пра-
вильном выборе запускающего слова анализатор дает стабильную
картину, так как запуск осуществляется все1 да в одном и том же месте
проходящей информации. Запускающее слово выбирается так, что-
бы оно было единственным в длинной последовательности данных.
Б целях выявления момента запуска в анализаторах любого тина вве-
ден компаратор кодов, в котором сравнивается код приходящей ин-
формации и код, вводимый с передней панели. Б момент совпадения
кодов вырабатывается сшнал, запускающий анализатор. Бвод кода
запускающего слова обеспечивается непосредственно с клавиатуры
либо с помощью переключателей. Таблица истинности и временная
диа! рамма при вводе запускающего слова (комбинационный запуск)
приведены на рис. 6.7
При конструировании цифровых устройств, когда имеет место длин-
ная последовательность лот ических сш налов, возникает необходимость
просмотра окна данных, далеко отстоящего от запускающею слова. Та-
кой просмотр обеспечивается цифровой задержкой, которая позволяет
6.5. Логические анализаторы
177
Таблица
истинности
Момент
запуска
: 0Ю100
: 011Ю0
: 011Ю1
: 0Ю111
: 0Ю111
: 000Ю1
: оооюо
: 000Ю1
' 000110
! 'ОО01.1 рг<—]
: оооооо
101000
: 1001Ю
111010
1Ю000
110000
Запускающее
слово —
Рис. 6.7. Таблица истинности с временной диаграммой при
вводе запускающего слова (комбинационный запуск)
передвигать окна данных на необходимое количество тактовых импуль-
сов. Таблица истинности и временная диаграмма при вводе запускаю-
щего слова (запуск с цифровой задержкой) приведены на рис. 6.8.
Канал 0
Канал 1
Канал 2
Канал 3
Канал4
Канал 5
Тактовые
импульсы
Таблица
истинности
101011
100011
100010
101000
101000
1 11010
111011
111010
111001
111000
010111
011001
000101
001111
011111
Рис. 6.8. Таблица истинности с временной диаграммой при вводе
запускающего слова (запуск с цифровой задержкой)
17В ГЛАВА 6. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ...
Цифровая задержка позволяет также при одном и том же запускаю-
щем слове исследовать программу по частям, определив с абсолютной
точностью окно данных, которое необходимо для наблюдения. Зна-
чение цифровой задержки у анализаторов разных типов колеблется
в пределах 104...106 импульсов. Существует связь между длиной запу-
скающего слова и значением цифровой задержки: чем длиннее запу-
скающее слово, тем короче цифровая задержка. Это объясняется тем,
что в длинной последовательности данных всегда можно выбрать за-
пускающее слово, отстоящее недалеко от необходимого окна данных.
Наряду с цифровой .задержкой в анализаторах реализован режим
отрицательной задержки, которая позволяет при пропускании инфор-
мации через внутреннюю память, с поступлением запускающего слова
остановить запись. При этом в памяти сохранится информация, пред-
шествующая моменту запуска. Этот режим можно использовать при
отыскании мног их неисправностей, когда имеется сбой в одном и том
же месте программы. Если в качестве запускающего слова использо-
вать код сбоя, то появляется возможность проанализировать условия,
которые этому сбою предшествовали.
При работе с микропроцессорными системами, в которых программа
содержит циклы, запускающее слово может повторяться несколько раз. Во
многих анализаторах введена возможность задержки запускающего сло-
ва на определенное количество слов. В случае необходимости просмотра
информации внутри цикла после программного я-го цикла используется
задержка запускающего слова. При этом запускающее слово выбирается
внутри цикла и вводится задержка на и слов. Окноданных будет указывать
информацию внутри цикла после прохождения п циклов программы.
На рисунке 6.9 в условной форме приведены все рассмотренные ре-
жимы работы анализатора.
Обобщенная структурная схема анализаторов АЛС п АВД приве-
дена нарос. 6.10. Тактовые импульсы могут быть внутренними п внеш-
ними. В зависимости от типа анализатора некоторые узлы структур-
ной схемы могут отсутствовать.
Показанные на схеме узлы имеют следующее назначение:
• компараторы сортируют информацию на лог ический «0г> и логи-
ческую «!«-:
• память записывает информацию с помощью внешнего (АЛС) или
внутреннего (АВД) тактового имггульса;
• компаратор кодов сравнивает поступающую информацию с инфор-
мацией, вводимой с передней панели. При приходе запускающего
слова вырабатывается сигнал на устройство запуска;
6.5. Логические анализаторы
Рис. 6.9. Режимы работы анализатора, а — начало, после момента запуска,
6 — конец, до момента запуска: в — сдвиг, до и после момента запуска; г — после
задержки на и тактовых импульсов; д после прихода трех запускающих слов;
е — после прихода двух запускающих слов и задержки на и тактовых импульсов
Рис. 6.10. Обобщенная структурная схема анализаторов АЛС и АВД
устройство запуска разрешает запись приходящей информации
в память,
счетчик цифровой задержки задерживает разрешение записи и па-
мять на заданное число тактовых импульсов;
счетчик задержки ктуска задерживает разрешение записи в па-
мять на заданное число запускающих слов;
180 ГЛАВА 6. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ...
• схема преобразования информации преобразует информацию, за-
писанную в память, в удобную дли восприятия форму;
• индикатор высвечивает информацию в виде таблицы истинности
или временной диаграммы
Контрольные вопросы
1. Что такое вольт-амперная характеристика полупроводникового
диода?
2. Какие электрические параметры определяют прямую ветвь ВАХ
диода?
3. Какие электрические параметры определяют обратную ветвь ВАХ
диода?
4. Каким параметром характеризуется эффективность выпрямления
полупроводникового диода?
5. Какими преимуществами обладают характериографы при иссле-
довании ВАХ?
6. Какие системы параметров транзисторов применяются на практике?
7. Как в характериографе можно получить одновременно целое се-
мейство характеристик?
8. Для чего измеряют граничную частоту у транзисторов, диодов?
9. Назовите методы измерения ВАХ диодов или транзисторов.
10. Как проверяются полупроводниковые приборы на отсутствие об-
рывов и коротких замыканий?
11. Как проверяются линейные ИМС?
12. Как проверяются цифровые ИМС в статическом режиме?
13. По каким признакам и параметрам классифицируются ИМС?
14. В чем состоит проверка цифровых ИМС методом вольтметра?
ГЛАВА 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
7.1. Общие сведения
Усложнение современных объектов исследований, рост числа и ди-
апазонов измеряемых параметров, повышение требований к точности
измерений и их быстродействию диктуют новые подходы к органи-
зации измерений и контроля параметров, поскольку предъявляемые
требования невозможно удовлетворить традиционными методами.
Контроль каждого параметра индивидуальным измерительным при-
бором весьма затруднителен: оператор физически не может отследить
показания множества контролирующих приборов и даже небольшого
числа приборов, если процессы протекают слишком быстро. Несмо-
тря ни на что измерительная информация, поступающая от средств
измерений, должна быть собрана, обработана и в доступной <]х>рме
представлена оператору для дальнейшего анализа. Решение этих за-
дач возможно только путем автоматизации электротехнических из-
мерении. К тому же автоматизация измерений позволяет разгрузить
оператора.
Первой ступенью автоматизации измерений считаются автономные
непрограммируемые цифровые приборы (АН П), которые работают по
жесткой программе и используются для измерений определенных па-
раметров и характеристик. В них автоматически выполняется некото-
рая часть измерительных операций: определение полярности сигнала,
выбор предела измерения, собственно измерение.
7.2. Информационно-измерительные системы
Вторая ступень автоматизации — создание гибких измерительных
систем (ГИС) на основе цифровой техники. В ГИС программным (soft)
способом перестраивают систему, способную измерять различные па-
раметры и менять режим измерений без изменения аппаратной {hard)
части системы. Такие системы - измерительно-информационные си-
стемы (И ИС) - представляют собой совокупность средств измерения
нескольких физических величин и всиомшательных устройств. За-
дача И ИС заключается в получении измерительной информации об
исследуемом объекте в динамике (в условиях функционирования или
хранения).
182 ГЛАВА 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
ИИС предназначены для меленого оптимального проведения изме-
рений и обеспечивают достоверной информацией смежные системы
высшего уровня. В их задачу входит получение измерительной инфор-
мации об исследуемом объекте, преобразование входной информа-
ции в выходную, передача и представление полученной информации
оператору (компьютеру), отображение, запоминание и формирование
управляющих воздействий
Унификация функциональных узлов (блоков, модулей), из кото-
рых состоит ИИС, позволяет образовать агрегатные комплексы Госу-
дарственной системы промышленных приборов и средств автоматиза-
ции (ГСП).
По назначению И ИС разделяются на несколько групп
• системы сбора измерительной информации по исследуемому объ-
екту — измерительные системы;
• системы автоматического контроля за работой узлов, техноло! иче-
ских процессов, агре1атов;
• системы диа! ностики и выявления неисправностей изделий,
• системы телеметрии, обеспечивающие сбор измерительной инфор-
мации с удаленных объектов.
По структуре ГИС разделяются на интерфейсные, микропроцес-
сорные и компьютерно-измерительные.
Современные ИИС строятся по а1регатному принципу, что по-
зволяет значительно сократить время разработки системы и ввода
ее в действие. В процессе эксплуатации система легко перенастраи-
вается при изменении требований к ней. При агрегатном построе-
нии ИИС упрощается замена функциональных узлов на более со-
вершенные.
По способу обмена chi налами взаимодействия, обеспечивающими
согласованное преобразование информации всеми функциональными
узлами системы, по способу управления и по структуре построения
ИИС разделяются на децентрализованные и централизованные.
Децентрализованные ИИС имеют постоянный состав функцио-
нальных узлов и режим их работы. Возможности таких систем ограни-
чены, но они отличаются простотой, малыми 1абаритными размерами
и низкой стоимостью. В настоящее время децентрализованные ИИС
практически не применяются.
Централизованные J-fJfС содержат центральное устройство управ-
ления (контроллер), задающее режим работы функциональных узлов
путем изменения их состава, количества и связей между ними, в ре-
зультате чего изменются функциональные возможности системы.
ФУ1 ФУ2
Контроллер
ФУп
| ФУ1 | | ФУ2 | ... | ФУп
| Магистраль
| Контроллер |
Рис. 7.1. Схемы ИИС
радиальной (я)
и магистральной (б) структуры
7.2. Информационно-измерительные системы 183
Централизованные ИИС весьма раз-
нообразны и но структуре подразделя-
ются на радиальные, машстральные.
радиально-цепочечные и радиально-
ма| моральные. На рисунке 7.1, а пред-
ставлена схема ИИС радиальной струк-
туры
Через контроллер осуществляется
обмен сигналами взаимодействия меж-
ду функциональными узлами (ФУ), что
позволяет программировать их путем
подачи соответствующих сиiналов от
контроллера и изменять порядок обра-
ботки информации. В ИИС радиальной
структуры каждый ФУ подключается
к контроллеру с помощью индивиду-
альных шин. Недостатком радиальной
структуры являются трудности в нара-
щивании функциональных узлов из-за усложнения контроллера. По-
этому более широкое применение нашли ИИС Mai истральной струк-
туры, схема которой приведена на рис. 7.1, б.
Наличие однопроводной или многопроводной шины (машстрали)
является общей чертой всех ФУ. По машстрали передаются ст налы
взаимодействия, причем каждый такой сигнал адресуется к конкрет-
ному ФУ. В ма| истральной структуре jieiKo наращивать количество
ФУ в системе, что позволяет использовать ее для решения задач по ав-
томатизации различных экспериментальных исследований
Использоваанпе современных цифровых средств привело к изме-
нению структуры ИИС, позволяющей максимально перенести обра-
ботку измерительной информации к месту ее формирования. Такое
решение получило название конвейерной обработки измерительной
информации в ИИС.
ИИС включает в себя комплекс первичных преобразователей,
устройства сбора и обработки информации, устройства вторичной об-
работки ин(]юрмаиии. средства управления и контроля, средства связи
с дру| ими системами, накопители информации.
Работа ИИС основана на использовании систем нескольких видов:
с заранее заданным алгоритмом работы (жесткая система), програм-
мируемые (гибкая система), адаптивные, виртуальные, интеллекту-
альные.
184 ГЛАВА 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Любая ИИС с вычислительными комплексами включает в себя ма-
тематическое, программное и информационное обеспечение, а также
метролог ическое обеспечение, обслуживающее всю измерительную
систему.
Определяющими в эксплуатации ИИС являются эргономические
показатели дисплея и управляющих элементов — интерфейсов поль-
зователя. Интерфейс пользователя — это устройство сопряжения,
осуществляющее взаимодействие персонального компьютера (ПК)
со средствами измерений и другими внешними техническими систе-
мами.
7.3. Измерительно-вычислительные комплексы
Важнейшей разновидностью ГИС являются измерительно-
вычислительные комплексы (ИВК), представляющие собой автома-
тизированные средства измерений и обработки измерительной ин-
формации. ИВК используются для измерения параметров сложных
объектов.
Отличительными особенностями ИВК являются наличие свобод-
но программируемой ЭВМ (для обработки результатов измерений
и управления собственно процессом измерений, а также для управле-
ния воздействием на объект исследования), нормирование метроло-
гических характеристик, программное управление измерительными
средствами, блочно-модульная структура.
ИВК применяются для реализации прямых, косвенных, совмест-
ных и совокупных методов измерений физических величин; для пред-
ставления результатов измерении оператору в необходимом (удобном)
виде; для управления процессом измерений и воздействия на объект
измерений.
7.4. Виртуальные приборы
Виртуальные приборы относятся к пятому поколению
информационно-измерительных систем и строятся на базе ПК с ис-
пользованием современного программного и математического обеспе-
чения.
ПК оснащен аппаратными средствами ввода-вывода cm налов
и соответствующего программного обеспечения, которое определяет
конфигурацию и функции системы. ПК работает в режиме реально-
го времени и способен выполнять все функции специализированного
оборудования, сохраняя гибкость и перенастраиваемость интерфейса.
7.4. Виртуальные приборы 185
Специальная плата сбора данных (ПСД), устанавливаемая в слот ISA
или PCI (или внешнее устройство), и внешние интерфейсы образуют
виртуальный измерительный прибор
Виртуальные приборы на базе ПСД, устанавливаемые в системный
блок ПК, уже широко используются в устройствах сбора и обработки
информации, в контрольно-диагностических и измерительных систе-
мах для промышленных и лабораторных приложений
Виртуальный прибор можно успешно использовать для ре-
шения целою ряда измерительных задач на одном ПК Для это-
го достаточно лишь подобрать программное обеспечение и платы
сбора данных в соответствии с техническими требованиями экс-
перимента. Необходимую часть виртуальных приборов составляет
программа — интерфейс человека с ПК и с самим прибором. Эта
программа поддерживает следующие концепции программного
обеспечения:
• программный интерфейс, внешне очень похожий на операционную
систему Windows и использующий ее возможности;
• программа, создающая лицевую управляющую панель стационар-
ного автономного прибора.
Каждый из вариантов имеет свои достоинства и недостатки, и фир-
ма предлагает реализацию виртуальных приборов обоих видов.
Рассмотрим прибор с интерфейсом, похожим на Windows. Такой
подход допустим, если компьютер должен измерять параметры внеш-
них аналоговых сигналов, а оператор неплохо разбирается в подклю-
чении к ПК различных нестандартных измерительных устройств.
В этом случае необходимо иметь несколько плат, включаемых соот-
ветствующим образом.
Программное обеспечение, поставляемое вместе г ПСД, состоит
из стандартных программ, драйверов и примеров программирования.
Такой набор программ позволяет решать широкий круг прикладных
задач по исследованию сигналов и сбору данных с различных датчи-
ков и внешних устройств. Версии для Windows обладают удобным
интерфейсом и благодаря интеграции друге другом и с другими при-
ложениями Windows значительно облегчают получение результатов
измерения и их документальное оформление в виде отчетов, графи-
ков, диаграмм. Если этих стандартных программ недостаточно для
решения конкретной задачи, то пользователь, умеющий хорошо прог-
раммировать, создает более приспособленную для своей задачи прог-
рамму. Здесь просто необходимы драйверы для управления платами и
примеры программирования.
186 ГЛАВА 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Существуют ютовые виртуальные приборы, например осцилло-
граф (рис. 7.2) и спектроанализатор (рис. 7.3) с возможностью сбора
данных.
Рис. 7.2. Виртуальный осциллограф
Программа «Осциллограф & позволяет видеть сшнал, измеряемый
с помощью АЦП, в реальном времени и производить спектральный
анализ собранных данных. В верхней части окна программы сосредо-
точены основные элементы управления ее работой и отображением
данных. Большинство элементов управления снабжены всплывающи-
ми подсказками. Программа обеспечивает выбор частоты дискретиза-
ции, размера блока измеряемых данных и числа каналов, синхрони-
зацию устройств без аппаратной синхронизации, поддержку режима
аппаратной синхронизации, поддержку некоторых специфических
функций устройств (кадровый сбор, включение внешней частоты дис-
кретизации), сохранение файлов с данными «как есть» и в форматах
ASCII п WAV', воспроизведение сохраненных данных из файлов с дан-
ными «как есть» и в формате WAV’
Как любое измерительное устройство, программа «Осциллограф»
снабжена осями (шкалами). Вертикальная ось слева градуирована в
единицах младшего значащей» разряда АЦП или вольтах, которые ото-
бражаются в левом верхнем углу окна осциллографа. Нижняя гори-
зонтальная ось может быть градуирована по числу измеренных точек
7.4. Виртуальные приборы I87
Рис. 73. Окно спектроанализатора (с) и спектр квазигармонического сигнала (б)
или в единицах времени (секундах, милли-, микро-, наносекундах).
Единица измерении горизонтальной оси приводится в левом нижнем
углу окна осциллографа. На осях подписываются значения, соответ-
ствующие текущему активному каналу. При атом надписи на верхней
горизонтальной оси соответствуют точкам в районе курсора. Значе-
ние в точке, над которой расположен курсор, подсвечивается нрямоу-
1 ольником того же цвета, что и текущий активный канал. Для удобства
188 ГЛАВА 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
оценки промежуточных значений оси, кроме крупных клеток, имеют-
ся но девять засечек на каждую такую клетку.
Графическая часть — основная для осциллографа, и там отобража-
ется в реальном времени г рафик ст нала, подаваемого на вход или вхо-
ды платы. Графическая часть может быть разделена но горизонтали на
две части двойным щелчком мыши. В верхней части графики сигналов
отображаются в нормальном виде, а в нижней в увеличенном. При
этом в зону увеличенного просмотра попадает та часть графика, ко-
торая находится внутри выделенного квадратика. Его размер можно
изменять, передвигая мышь и удерживая нажатой ее правую кнопку,
а положение — перемещая мышь и удерживая нажатой ее левую кноп-
ку. Двойное нажатие левой кнопки мыши возвращает окно осцилло-
графа в нормальный режим.
В режиме анализа спектра сигнала горизонта, гьная ось градуирует-
ся в килогерцах, вертикальная — в децибелах. Для просмотра парамет-
ров спектра квазигармонического сигнала (см. рис. 7.3, б) необходимо
маркерами Ml и М2 выделить участок спектра, содержащий, напри-
мер, основную гармонггку.
Программы ^Генератор» предназначена для управления платой
аналог овог о вывода ЛА-ЦАПн 10 и совместно с ней образует виртуаль-
ный прибор, который по своим функциональным возможностям соот-
ветствует приборам класса генераторов сигналов специальной фор-
мы (группа Гб). Генератор позволяет формировать синусоидальные,
прямоугольные, треугольные и более сложные выходные сигналы.
Сиг налы генерируются за счет последовательного вывода временных
отсчетов сигналов, записанных в циклический буфер памяти платы.
Взаимодействие с программой происходит только в моменты измене-
ния этого буфера при записи в него нового сигнала, считываемого из
файла и формируемого программно.
Режим генерации канала изменяется только тогда, когда изменяется
состояние какого-либо относящегося к нему управляющего элемента.
После запуска генератора открывается его главное окно, графически
выполненное в виде ггриборной гганели (рис. 7.4). Управление генера-
тором осуществляется через это окно, а также через дополнительные
диалоговые окна, открывающиеся через меню главного окна.
Примерами виртуальных вольтметров с Windows-интерфейсом
(рис. 7.5) могут служить программы для управления платами ЛА-нЮ
и ЛА-и24. Эти виртуальные приборы предназначены для измерения
среднеквадратичного значения напряжения в диапазоне частот до
50 МГц в двухканальном режиме и 1 кГц — в трехканальном.
7.4. Виртуальные приборы
Рис. 7.4. Виртуальный генератор сигналов специальной формы
Рис. 7.5. Вольтметр с Windows-интерфеисом
Все описанные виртуальные приборы удобны и просты в управле-
нии для тех, кто постоянно работает с компьютером. Для начинающих
пользователей компьютеров созданы стандартные измерительные
190 ГЛАВА 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
приборы, подключать и применять которые не сложнее, чем обыч-
ные стандартные устройства. Примером могут служить виртуальные
приборы, имеющие прототипы среди стационарных приборов и очень
похожий программный интерфейс: осциллограф, спектроанализатор
и вольтметр.
Виртуальные приборы максимально просты в управлении и имеют
те же панели, расположенные в тех же местах, те же opi аны управления,
что и обычные приборы-аналоги. Графический интерфейс программы
создает переднюю панель известного измерительного прибора. В прог-
рамме вольтметра стандартного типа (рис. 7.6) с платой ЛА-нЮ для
начала работы необходимо только установить переключатели в нуж-
ное положение и начать измерять входные сшналы ио двум каналам.
Рис. 7.6. Виртуальный вольтметр стандартного типа
Таким образом, наличие двойного подхода к программному интер-
фейсу виртуальных приборов позволяет пользователям с разной ква-
лификаций полностью использовать возможности устройств с АЦП,
ЦАП или цифровыми входами-выходами для решения измеритель-
ных задач.
Достоинством виртуальных приборов но сравнению с микропро-
цессорными является доступ пользователя к обширным объемам при-
кладных программ, возможность использовать внешнюю память боль-
Контрольные вопросы
191
той емкости и различные устройства документирования результатов
измерений. Кроме тою, использование виртуальных приборов эконо-
мически эффективно, так как любая ПСД и программное обеспечение
обработки измерительной информации дешевле любого измеритель-
ного ирибора.
7.5. Интеллектуальные
измерительные системы
Интеллектуальные измерительные системы (интеллектуальные
ИС) характеризуются тем, что их можно индивидуально iipoiрамми-
ровать на выполнение специальных задач, используя программируе-
мый терминал для ввода параметров конфигурирования.
Такие измерительные системы могут выполнять все функции из-
мерения и контроля в режиме реального времени, что позволяет
осуществлять функции измерения и контроля высокого уровня без
использования больших компьютеров. При автономном функциони-
ровании такая система обеспечивает непрерывные измерения и кон-
троль заданных параметров, сбор данных и обработку сш налов.
Интеллектуальные ИС отличаются от традиционных следующими
преимуществами:
• высокое быстродействие контуров управления процессом измере-
ния и высокая скорость сбора данных,
• возможность использования стандартных интерфейсов с любыми
системами и оборудованием;
• надежность на каждом системном уровне за счет применения уни-
версальных методов обеспечения безотказной работы,
• возможность взаимозаменяемости, так как интеллектуальные ИС
являются стандартными устройствами.
Контрольные вопросы
1 Почему необходима автоматизация измерений?
2 В чем состоит суть первой ступени автоматизации?
3 В чем состоит суть второй ступени автоматизации?
4 Приведите классификацию ИИС.
5 Чем отличаются ГИС от АН П?
6 Приведите классификацию ГИС.
7 Что такое ИВК?
8 Каков принцип построения современных ИИС?
9 Что такое децентрализованные ИИС?
192 ГЛАВА 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
10. Чем отличаются централизованные ИИС сл децентрализован-
11. Перечислите разновидности централизованных ИИС.
12. Какие задачи выполняет современная ИИС?
13. Расскажите о виртуальных приборах.
14. Приведите варианты концепций программною обеспечения вир-
туальных приборов
15. Каковы достоинства и недостатки виртуальных приборов но срав-
нению с микропроцессорными?
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Электрические единицы измерения,
используемые в электронике
Электрическая величина Единицы измерения ношение кратных или доль- и основ- СДИНИЦ
Наиме- нование Сим- вол чения Основная Кратная или дольная
Наи- ванис Рус- Меж- дуна- родное зиаче- Наиме- нование Рус- Меж- ду на- род- ное
Соаро- тивле- Я. г ом Ом мстаом килоом МОм Mil к!2 1 МОм = = ЮьОм = Ю3Ом
тока ампер милли- ампер микро- ампер мкА рА = Ю’А = 10-'-А
Напря- жение и эдс U, и Е, е В V вольт милли- микро- кВ мВ kV mV pV оа ,, и ® и 2 « “ “ 2 М 2 (L, 2 *-< II --I -и и
Мощ- ность Вт W гигаватт милли* микро- ГВт МВт кВт мВт GW MW kW mW pW 1 ГВт = = 109Вя 1 МВт = = 10*’Вт 1 кВт = 103Вт 1 мВт = К)-3 Вт = lO-'’Вт
194
ПРИЛОЖЕНИЯ
Окончание
Электрическая величина Единицы измерения ношение кратных или доль- и основ- единиц
Наиме- нование Сим- чения Основная Кратная или дольная
Нам- ванис Рус- дуна- родное обо- значе- Наиме- нование Рус- чение Меж- ду на- род- ное
Емкость фарад ф F микро- фарад нанофа- рад пикофа- рад мкФ нФ нФ pF nF pf 1 мкФ = = 10-''Ф 1 нФ = = 10-9 Ф 1 Г1Ф = = 10-,2Ф
Индук- ность L генри Гн Н милли- мнкро- мГн mH pH 10-3Гн = 10~'Тн
Частота F.f герц Гц Hz гига- герц герц кило- герц ГГц МГц кГц GHz MHz kHz 1 ГГц = = 10s Гц 1 МГц = = 10* Гц 1 кГц = = 103Гц
Период Т секун- да милли- секунда микро- секунда наносе- кунда мкс ps = ННс = 10“ с = 10-9 С
Длина волны Метр м милли- метр Деци- метр dm = Ю’м = 10?м 1 ДМ = = 10* м
Сдвш Ду ради- ан рад rad градус р я 180 ра;
Приложение 2
195
Приложение 2
Условные обозначения на шкалах
электроизмерительных приборов
Наименование Условное обозначение Буквенный шифр
Прибор магнитоэлектрическом системы С ПОДВИЖНО!! рамкой D М
Прибор электромагнитной системы X з
Прибор электродинамической системы Ф д
Прибор ферродинамической системы (р|я) д
Прибор электростатической системы нн L
Прибор выпрямительной системы с вы- прямителем (выпрямительный прибор) 0 в
Прибор Mai нитоэлсктричсский с элек- тронным преобразователем в измери- тельной цени (электронный прибор) D
Прибор термоэлектрической системы 0 т
ПРИЛОЖЕНИЯ
Окончание
Наименование Условное обозначение Буквенный шифр
Прибор вибрационной системы \ /
Ток постоянный —
Ток переменный (однофазный)
Ток постоянный и переменный (универ- сальный прибор)
Ток трехфазный церемонный (общее обозначение)
Прибор применять при вертикальном положении шкалы
Прибор применять при горизонтальном положении шкалы 1 1. —►
Наклонное (с углом 60") ХбО'
Класс точности прибора, например 1.5 1,5 @
Напряжение испытательное, например 2 кВ 2 kv,7^
Прибор защищен от влияния внешнего ма1нитного поля (I категория защищен- ности) I -
Прибор защищен от влияния внешнего электрического поля (I категория защи- щенности) X
Внимание! Смотри указания в инструк- ции по эксплуатации прибора А
Приложение 3
Приложение 3
Сведения об аналоговых электронных
вольтметрах некоторых типов
Шифр прибора Тип вольт- метра Тип детектора Показание шкалы Примечание
B3-38 ВЗ-41 ВЗ-56 B3-39 ВЗ-44 Средневы- прямлен- ных значе- ний игв Линейный 14 = исв х X 1,11 Обеспечивают наиболее высокую точность при изме- рении напряжения с малым уровнем гармонических со- ставляющих
ВЗ-40 ВЗ-42 ВЗ-48 Среднеква- дратичных значении U Квадратичный и2- и Обеспечивают наи- большую точность при измерении напряжения произ- вольной формы
B3-43 В7-26 В4-43 В4-18 ВК7-15 В4-12 Амплитуд- ных значе- ний и„ Пиковый и2=и„/1,41
198
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 4
Таблица децибел и отношений
напряжений (токов) и мощностей
Децибел Отношение напряжений (токов) Отноше- ние мощ- ностей Децибел Отношение напряжений (токов) Отноше- ние мощ- ностей
0 1,0 1,0 14 5,012 25,12
0,1 1,012 1,023 15 5,623 31,62
0,2 1,023 1,047 16 6,31 39,81
0,3 1,035 1,072 17 7,079 50,12
0,4 1047 1,096 18 7,943 63,1
0,5 1,059 1,122 19 8,913 79,43
0,6 1,072 1,0148 20 10.0 100.0
0,7 1,084 1,175 25 17,78 316,2
0,8 1,096 1,202 30 31,62 1000,0
0,9 1,109 1,23 35 56,23 3162,0
1 1,122 1,259 40 100,0 10*
2 1,259 1,585 45 177,8 3,162 10*
3 1,413 1,995 50 316,2 10s
4 1,585 2,512 55 562,3 3,162 1О1
5 1,778 3,162 60 103 10е
6 1,995 3,981 65 1778 103 3,162 10ь
7 2,239 5,012 70 3,162 10’ 107
8 2,512 6,310 80 10* 10к
9 2,818 7,943 90 3,162 10* 10”
10 3162 10,0 100 10s 10"’
И 3,548 12,59 110 3162 10’ 10"
12 3,981 15,85 120 10е 10'-'
13 4,467 19,95 150 3,162 10' 10й
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Винокуров ВЛ., Капяин С Л., Петелин И.Г. Электрорадиоизмере-
ния / под ред. ироф. В.И. Винокурова. М.: Высшая школа, 1986
2. Дворяшин Б.В. Основы метрологии и радиоизмерения. М.: Радио
и связь, 1993.
3. Измерения в электронике : справочник иод ред. д-ра техн, наук,
проф. В .А. Кузнецова. М.. Энергоиздат, 1987.
4. Классен К.В. Основы измерений. Электронные методы и приборы
в измерительной технике. М.. Постмаркет, 2000.
5. Метроло1ия и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных
системах: учебникВ.И. Нефедов [и др.], под. ред. В.И. Нефедо-
ва. М.. Высшая школа, 2001
6. Метроло1ия, стандартизация и измерения в технике связи '
Б.П. Хромой [и др.]; под. ред. Б.П. Хромого. М. Изд-во стандар-
тов, 1986.
7. Метроло1ия. Основные термины и определения РМГ29-999. ИПК.
М.. Изд-во стандартов, 2000.
8. Мирский Г.Я. Электронные измерения. М.. Радио и связь, 1986.
9. Рабинович СТ. Погрешности измерений. Л.: Энер1 ни. 1978
10. Хайт X. Введение в измерительную технику : пер. с нем. М.: Мир,
1999.
11. Хрусталева З.А., Парфенов СИ. Электрические и электронные из-
мерения в задачах, вопросах и упражнениях. М. : Издательский
центр «Академия», 2009.