Пособие 120 стр Метрология и измерения в телекоммуникационных системах

называют образцовым плечом сравнения. Он является основным элементом при определении сопротивления Rx и выполняется в промышленных приборах в виде высокоточного пяти-, шестидекадного магазина сопротивлений. Отношение сопротивлений R1/R2 меняется скачкообразно с кратностью 10n. Это обеспечивает широкие пределы измерений. Можно переходить от одного поддиапазона к другому.

R2	R3

R1

E

R4

Рисунок 135 - Мост постоянного тока - Измерительный мост переменного тока (рис. 136) отличается от рас-

смотренного тем, что в нём используется источник переменного тока и сопротивления его плеч являются комплексными. Индикатор баланса также рассчитан на переменный ток. Можно в качестве индикатора использовать вольтметр, рассчитанный на переменный ток или головные телефоны. Обычно полагают Z1 неизвестным и подлежащим определению. Баланс моста соответствует условию:

Z1 Z3 Z2 Z4 ,	Z Zk e j k , где Zk – модуль полного сопротивления; φk – фазовые
сдвиги между током и напряжением.
	Z1 Z3 Z2 Z4 ,		1 3 2 4
	Z2		Z3

Z1

U

Z4

Рисунок 136 - Мост переменного тока

Измеряют:

1.Ёмкость и угол потерь конденсатора (рис. 137а).

2.Индуктивность катушки и её добротность (рис. 137б).

Условие баланса моста: наличие двух уравнений, определяющих условие равновесия моста переменного тока – не менее двух регулируемых элементов.

110

Измеряемые Cx и Lx могут быть включены в любое плечо моста. Однако после выбора плеча расположение образцового компонента определенного вида уже задано однозначно.

С точки зрения аппаратурной:

R1

R4

Lx

R4

Rx

U ~

U ~

Cобр

Cx

Cобр

Rx

Rобр

R

Rобр

Cобр

R4

Rобр

R1

Lx Cобр R2 R4 ,

Rx

R R

Cx

,

Rx

,

2 4

R1

R4

Rобр

tg( ) Cобр Rобр	QL Cобр Rобр
а)	б)

Рисунок 137 - а) схема измерения ёмкости; б) схема измерения индуктивности

Во всех случаях для получения соотношений используют: Z1 Z3 Z2 Z4 , где отдельно приравнивают мнимую и действительную части.

Автоматические мосты для измерения сопротивлений уравновешивают коммутацией рабочих резисторов с помощью электронных ключей. Сигналы управления ключами формируют из усиленного напряжения разбаланса моста. По окончании процесса уравновешивания состояния электронных ключей образуют некоторый код, определяющий значение измеряемого сопротивления. Для мостов переменного тока используют две регулировки (рис. 138).

Uпит
Rx	R3
	Ноль
	орган

	Блок				Блок цифр.
управления					отсчёта

Рисунок 138 - Автоматический мост для измерения сопротивлений

111

III. Резонансный метод

Резонансный метод широко используют для измерения на низких и высоких частотах параметров линейных двухполюсников: индуктивности, ёмкости, добротности контуров и катушек индуктивности, тангенса угла потерь конденсаторов. Исследуемый двухполюсник подключают к образцовому конденсатору или образцовой катушке индуктивности, образуя колебательный контур. Применяются две разновидности этого метода. Первая из них основана на явлении резонанса, т.е. резком возрастании амплитуды вынужденных колебаний в контуре, состоящем из катушки индуктивности и конденсатора, и зависимости резонансной частоты от значений ёмкости и индуктивности. Это пассивный вариант метода

(рис. 139).

					1				(*)
					LC
	Q	U2	,		Q			,	(**)
		U1					r

где r – активные потери; 0 L 1 0 C – характеристическое сопротивление;

ω0 – резонансная частота; Q – добротность.

		Lx
Генератор	V	C0	V

Рисунок 139 - Резонансный (пассивный) метод измерения параметров цепи

Формула (*) связывает три величины ω, L, C: Lx	1	,	Cx	1	.
	2 C			2 L
	0			0

Формула (**) дает основание для измерения активного сопротивления:

Q f (R).

Q

Qx

Q1 < Qx

Рисунок 140 - Зависимость добротности от частоты Из-за паразитных емкостей имеется большая погрешность.

112

1)		2)
	L0 C02	Cx
L0	C01

0		1					,	0				1			,
				L0	C01						L0	(C02	Cx )
		C01 C02 Cx ,							Cx C01 C02 .

Во втором случае контур служит частично задающей цепью автогенератора и используется зависимость частоты автоколебаний от реактивных параметров контура. Этот активный вариант метода обычно называют генераторным (рис. 141). При таком методе колебательный контур может иметь существенно более низкую резонансную частоту, поскольку от контура не требуется высокой добротности (активное сопротивление контура компенсируется отрицательным сопротивлением, вносимым цепью обратной связи). Это позволяет измерять большие ёмкости и индуктивности, чем в первом варианте. Отрицательной стороной генераторного метода является невозможность измерять активное сопротивление.

fразн = 0; нулевые биения: C1 L1 C2 L2 .

Если включают Lx:

Если включают Cx:

C1 (L1 Lx ) C2 L2

C L C L C L
1	1 1		x 2	2
Lx		L2	(C2 C2 )
			C1

(C C			) L C L
1		x		1	2	2
C L C				L C L
1	1 x			1	2	2
Cx		L2		(C2 C2 )
				L1

	Lx
		f2
L1	C1	Г
	Cx	Смеситель	ФНЧ	Индикатор

L2	Г	f1
C2

Рисунок 141 - Резонансный (генераторный) метод измерения параметров цепи

113

IV. Метод дискретного счёта R и C

Идея измерения ёмкости конденсатора или сопротивления резистора методом дискретного счета заключается в измерении интервала времени, равного постоянной времени цепи разряда конденсатора ёмкостью С через резистор сопротивлением R, причем образцовой величиной полагают либо R, либо С.

				Цифровой измеритель интервалов времени
		Компаратор	2	Триггер	Временной	Счётчик
					селектор	импульсов
		R0	1
					Генератор
E					счётных	Индикатор
	R1	Rобр			импульсов

R2									Блок
									управления

Cx

Рисунок 142 - Метод дискретного счёта при измерении параметров цепи

Схема состоит из двух основных частей (рис. 142): измерительного преобразователя ёмкости конденсатора в интервал времени, равный постоянной времени RC-цепи, и цифрового измерителя интервалов времени. После включения прибора переключатель подсоединяет конденсатор ёмкостью Сх к стабилизированному источнику питания. Конденсатор Сх заряжен до напряжения E. Момент начала измерения t1 задается блоком управления. Он посылает импульс, сбрасывающий в ноль цифровой измеритель и переводящий переключатель в противоположное положение. Конденсатор Сх через резистор Rобр начинает разряжаться по экспоненциальному закону, описываемому при выражении τ ≥ t1.

			t t
	UC	E exp	1		,

где Rобр Cx – постоянная времени разряда.

Так как управляющий импульс служит опорным импульсом, подаваемым на вход 1 цифрового измерителя интервалов времени, то момент t1 начала разряда является началом измеряемого интервала времени (рис. 143).

114

Uупр

UC t1

t

E

E/e

t

Uк

									t2	t
Uтр				tи
Uсч										t
					N					t

Рисунок 143 - Принцип действия метода дискретного счёта при измерении ёмкостей и сопротивлений

Напряжение UC подается с обкладок конденсатора на один вход компаратора, ко второму входу которого подводится напряжение UR, снимаемое с делителя, включенного параллельно источнику напряжения Е. Сопротивления прецизионных резисторов выбраны так, что точно выполняется соотношение:

	R2		1	, UR		E	, t2	t1 tи .
	R1 R2		e			e

По мере разряда конденсатора напряжение UC уменьшается, и через интервал времени τ = R0·Сх после начала разряда напряжение на конденсаторе в момент t2 равенства напряжений на обоих входах компаратора на его выходе возникает импульс, поступающий на вход цифрового измерителя и задающий конец измеряемого интервала времени:

			E	E e	tи		e	tи	e 1,
	UC	UR			,					tи .
			e

Сосчитанное счётчиком прибора число N импульсов, следующих с частотой Fсч, однозначно определяет интервал времени τ. Применив образцовые конденсаторы вместо образцовых резисторов, можно аналогичным образом измерять сопротивления резисторов:

N

tи

t

F F R C F ,

R

N

, C

N

.

и

x

T

сч

сч

сч

x

C F

R F

сч

сч

сч

115

ИЗМЕРЕНИЕ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – это зависимость модуля коэффициента передачи от частоты. Для неискажающего сигнал тракта (его модель

– четырёхполюсник) эта характеристика представляет собой горизонтальную прямую, что означает одинаковый коэффициент усиления для всех частотных составляющих сигнала K( ) = const. По определению АЧХ можно записать:

K ( ) Uвых ( ) .

Uвх ( )

Как следует из этой формулы, схема для снятия АЧХ должна быть представлена в следующем виде (рис. 144).

K( )

~ V1 K( ) V2

Рисунок 144 - Измерение АЧХ

Процесс измерения заключается в изменении частоты сигнала генератора синусоидального сигнала, измерении напряжения на входе и выходе, нахождении их отношения и построения по точкам зависимости. Затем точки соединяются и получается график АЧХ:

Uвх const K, K( ) Uвых K 1 .

Практическая реализация данного метода требует определенного навыка измерений. Например, если АЧХ имеет большие перепады (наличие режекторных или резонансных частот), надо быть внимательным при выборе входного сигнала. Может оказаться, что выбранный за исходный входной сигнал окажется слишком малым на частотах режекции и выходной сигнал не может быть измерен вольтметром 2. Может случиться, что входной сигнал слишком велик и на частоте резонанса в исследуемом объекте возникнут нелинейные искажения, что приведет к «уплощению» АЧХ в месте её подъема. Следует так же правильно выбрать шаг частот. Чем больше дискретность выбора, тем быстрее можно выполнить измерения, однако редкое расположение точек, на основе которых строится экспериментальная АЧХ на графике, предполагает большую вероятность потерять какиелибо детали характеристики.

116

Панорамный АЧХ

Автоматизировать процесс измерений АЧХ удалось за счёт применения генератора, частота которого может периодически плавно изменяться по определенному закону в нужной полосе частот, и осциллографического индикатора

(рис. 145).

Измерительный сигнал вырабатывается генератором качающейся частоты (ГКЧ), который управляется пилообразным напряжением, поступающим с генератора модулирующего напряжения. Это же напряжение используется для отклонения луча на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). В результат воздействия модулирующего напряжения частота синусоидального колебания ГКЧ изменяется по линейному закону. Важно только, чтобы закон изменения частоты совпадал с законом отклонения луча ЭЛТ по горизонтали, так как только в этом случае создается линейный частотный масштаб по оси X.

Генератор

Генератор

X

качающейся

модулирующего

ЭЛТ

частоты

напряжения

Y

Усилитель

Усилитель

вертикального

отклонения

Блок частотных

меток

Аттенюатор

Аттенюатор

Детектор

Выход

Вход

Исследуемый четырёхполюсник

Рисунок 145 - Схема измерения АЧХ панорамным способом

Модулированный по частоте сигнал с ГКЧ поступает на усилитель и аттенюатор. Усилитель служит для усиления измерительного сигнала, а также для исключения влияния аттенюатора на ГКЧ. Аттенюатор в совокупности с усилителем позволяет изменять в широких пределах напряжение сигнала, что необходимо, поскольку каждый исследуемый четырёхполюсник может иметь свой коэффици-

117

ент передачи. Например, при измерении АЧХ заграждающего фильтра может возникнуть необходимость в подаче измерительного сигнала большой амплитуды. При измерении АЧХ усилителя с большим коэффициентом усиления выходной сигнал прибора наоборот должен быть малым. Вход исследуемого четырёхполюсника соединяется с выходом измерительного прибора. Сигнал с его выхода возвращается обратно в измерительный прибор. Если измеряемый четырёхполюсник содержит детектор (например, усилитель с детектором), то сигнал через аттенюатор и переключатель поступает на усилитель вертикального отклонения и на пластины ЭЛТ. Если исследуемый четырёхполюсник детектора не содержит, то сигнал через переключатель поступает на предварительный усилитель, в котором сигнал усиливается и детектируется, а затем подается на усилитель вертикального отклонения.

При прохождении через исследуемый четырёхполюсник частотномодулированный сигнал приобретает амплитудную модуляцию, причём огибающая несет информацию о форме АЧХ исследуемого объекта. В результате воздействия продетектированного сигнала на вертикально отклоняющие пластины и пилообразного напряжения развёртки на горизонтально отклоняющие пластины на экране ЭЛТ образуется изображение АЧХ. Модулирующее напряжение для ГКЧ и напряжение развёртки ЭЛТ формируются одним генератором, поэтому отклонение луча на экране и изменение частоты колебаний, воздействующих на исследуемый четырёхполюсник, осуществляется синхронно. Таким образом ось Х на экране ЭЛТ является одновременно и осью времени, и осью частот.

Для измерения частотных параметров четырёхполюсника необходимо знать частоты, соответствующие отделенным точкам горизонтальной оси, для чего используются специальные метки. Для их формирования в ИАЧХ предусмотрен блок частотных меток. Метки образуются путём смешивания сигналов опорной и качающейся частот. Блок частотных меток содержит генератор опорных частот, стабилизированный кварцем. В блоке частотных меток сигналы опорных частот поступают на смеситель, на который подается также сигнал с ГКЧ. При совпадении частоты ГКЧ с гармониками опорных частот на выходе смесителя образуются сигналы, из которых с помощью фильтра низких частот формируются частотные метки. После усиления метки поступают на усилитель вертикального отклонения и наблюдаются на экране ЭЛТ в виде вертикальных всплесков.

118

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Хромой Б.П., Кандинов А.В., Сенявский А.Л. и др. Метрология, стандартизация и измерения в технике связи: учебное пособие для вузов / Под ред. Б.П. Хромого. – М.: Радио и связь, 1986. – 424 с.

2.Мирский Г.Я. Электронные измерения. – М.: Радио и связь, 1986. – 440 с.

3.Винокуров В.И., Коплин С.И., Петелин И.Г. Электрорадиоизмерения: учебное пособие. – М.: Высшая школа, 1986. – 351 с.

4.Хромой Б.П. Метрология и измерения в телекоммуникационных систе-

мах. Т.1. – М.: ИРИАС, 2007. – 544 с.

5.Артемьев Б.Г., Голубев С.М. Справочное пособие для работников метрологических служб. Кн.1. – М.: Издательство стандартов, 1986. – 352 с.

6.Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии: учебное пособие для вузов. – М.: Изд-во стандартов, 1972. – 312 с.

7.Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. – Л.: Энергоатомиздат, 1985. – 248 с.

8.Авдеев Б.Я., Антонюк Е.М., Душин Е.М. Основы метрологии и электрические измерения: учебник для вузов / Под ред. Е.М. Душина. – Л.: Энергоатом-

издат, 1987. – 480 с.

9.Куликовский К.Л., Купер В.Я. Методы и средства измерений: учебное пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 448 с.

10.Бахтнаров Г.Д., Малинин В.В., Школин В.П. Аналого-цифровые преобразователи. – М.: Советское радио, 1980. – 280 с.

119