книги / Специальные методы электрических измерений

очевидно, ожидать в ближайшие годы появления еще более совершенных стабилизированных источников пи­ тания. Можно предполагать, что в будущем подобные источники получат предпочтительное применение в из­ мерительной практике.

4-4. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Применяемые в измерительной технике источники питания переменного тока в зависимости от диапазона частот можно разбить на три совершенно различные группы: источники тока низкой, тональной и высокой частоты. Последнюю группу мы рассматривать не бу­ дем: она относится к специфической области радиотех­ нических измерений.

Питание измерительных схем током промышленной частоты требуется главным образом при поверках при­ боров переменного тока. Для этой цели применяются специальные генераторы. Часто при менее точных изме­ рениях используется нормальная силовая сеть. В слу­ чае необходимости применяются трансформаторы и иногда в целях устранения высших гармоник — фильтры.

Ряд измерений целесообразно выполнять при зву­ ковой частоте. Соответствующие генераторы мы и имеем в виду, рассматривая вопрос об источниках пита­ ния переменного тока.

Дополнительные технические требования, предъ­ являемые к этим генераторам, сводятся в основном к обеспечению устойчивости частот, амплитуды и полу­ чению кривой синусоидальной формы (отсутствию выс­ ших гармоник). Кроме того, генератор должен иметь нужный диапазон частот и давать на выходе достаточ­ ную мощность. Что касается диапазона частот, то сле­ дует заметить, что существующие измерительные гене­ раторы строятся обычно для частот от 20 гц до 200 кгц\ каких-либо жестких установленных пределов не имеется.

Однако наряду -с подобными генераторами с плав­ ным изменением частоты в измерительной практике до­ вольно широко применяются генераторы фиксированной частоты, которые вообще не рассчитаны на ее измене­ ние. Выбор рабочей частоты, а следовательно, выбор того или иного типа генератора определяется частотой,

82

По 'принципу своего действия генераторы звуковой частоты могут быть разбиты на три группы: машинные, зуммерные и электронные.

Машинные генераторы, а также в значительной -сте­ пени и зуммерные, в настоящее время устарели и при­ меняются редко, поэтому мы на них останавливаться не будем. Отметим только, что применять их для скольконибудь точных измерений нельзя, так как они дают очень искаженную кривую напряжения. Кроме того, у зуммерных генераторов невозможно плавное измене­ ние частоты. У машинных генераторов хотя это и воз­ можно, но зато частота довольно неустойчива, так как она определяется скоростью двигателя, вращающего генератор, которая может колебаться довольно значи­ тельно.

В современной измерительной практике в качестве источников питания переменного тока применяются главным образом электронные генераторы. Они очень просты в работе, достаточно надежны, обладают не­ обходимой мощностью и позволяют получить удовле­ творительную форму кривой в широком диапазоне ча­ стот при достаточной стабильности частоты. Применяя на выходе трансформатор с секционированной обмот­ кой, легко согласовать сопротивление нагрузки (измери­ тельной схемы) с сопротивлением выходного каскада генератора.

Электронные генераторы по принципу своего дей­ ствия в свою очередь также могут быть разбиты на три группы: генераторы основных колебаний класса ЬС (в настоящее время практически вышедшие из употреб­ ления), генераторы на биениях и, наконец, получившие довольно широкое распространение в последние годы генераторы основных колебаний класса /?С.

Генераторы звуковых частот, основанные на исполь­ зовании явления биений (интерференции) двух колеба­ ний. Эти генераторы в отличие от генераторов клас­ са ЬС дают возможность очень легко и просто перекры­ вать любой требуемый диапазон частот, вплоть до сколь угодно низких. Поэтому их рационально применять именно как диапазонные генераторы.

Генераторы звуковой частоты на биениях представ­ ляют собой комбинацию двух генераторов высокой ча­ стоты, преобразователя частоты, фильтрующие и уси*

84

лительных блоков. Как известно, частота биений равна разности основных частот1. Поэтому можно получить сколько угодно низкую частоту биений при весьма вы­ соких основных частотах, если только эти частоты до­ статочно близки друг к другу. Нормально генераторы основной частоты строятся на частоты порядка 100 кгц, причем один из них—-с фиксированной частотой, а вто­ рой— с частотой, меняющейся в пределах, определяе­ мых заданным диапазоном звуковых частот.

Полная принципиальная схема генератора на бие­ ниях имеет довольно сложный вид, однако все возмож-

Рис. 4-8.

ные схемы в общем не отклоняются от общей принци­ пиальной блок-схемы, изображенной на рис. 4-8.

Не вдаваясь подробно в рассмотрение работы подоб­ ных генераторов, что является предметом курсов радио­ техники, можно себе представить, что на этом принципе легко построить однодиапазонный генератор звуковой частоты на любой диапазон частот от 0 до Т^аксДля этого нужно только, чтобы частота основного генерато­ ра была равна /ь а частота второго генератора (2 ме­ нялась ъ 'пределах -от ^ до А+'^максТак как частоты

и /2 отнюаительно высокие, то изменение частоты /г в указанных пределах осуществляется относительно легко, при помощи обычного воздушного конденсатора переменной емкости. С другой стороны, устойчивость частоты у генераторов на биениях обеспечить несколько сложнее, так как сравнительно небольшое относитель­ ное изменение частоты основного генератора вызовет значительное по величине относительное изменение ча-

статы биений, поскольку сама частота биений много

этой причины у генераторов на биениях обычно предусматриваются специальные приспособления для уста­ новки нуля шкалы; обычно они представляют собой ма­ ленький подстроечный конденсатор, позволяющий в не­ больших пределах регулировать частоту генератора фиксированной частоты так, чтобы она точно соответ­ ствовала частоте другого генератора, когда ручка на­

можность путем специальных мер повысить эту ста­ бильность. Следует также заметить, что, несмотря на более сложную схему соединений, конструктивно эти ге­ нераторы, благодаря несравненно большей простоте вы­ сокочастотных контуров, в общем проще генераторов класса ЬС, меньше их по габаритам и легче по весу. Эти причины обусловили широкое их распространение в качестве диапазонных генераторов в измерительной практике. Однако они, несомненно, уступают генерато­ рам основных колебаний класса ДС.

Генераторы класса ДС впервые появились только в конце 30-х годов; однако в связи с простотой устрой­ ства, малыми габаритами и низкой -стоимостью они по­ лучили довольно большое распространение. Уже и сей­ час большинство новых моделей измерительных генера­ торов относятся к классу ДС.

Генератор класса ДС, простейшая принципиальная схема которого изображена на рис. 4-9, представляет собой, по существу, усилитель на сопротивлениях с обратной связью. Как известно, подобные схемы

85

ний емкости или сопротивления. Следовательно, подоб­ ный генератор на широкий диапазон частот построить несравненно легче, чем генератор класса 1С, так как для этого нужно обеспечить во много раз меньшие из­ менения параметров контура. Это обеспечивает просто­ ту и малые габариты генераторов класса НС. Кроме того, замена катушки индуктивности сопротивлением упрощает и облегчает конструкцию прибора, особенно в тех случаях, когда нужно генерировать очень низкие частоты.

По сравнению с генераторами на биениях генерато­ ры класса НС из-за простоты их схемы и устойчивости работы имеют некоторые практические преимущества. Следует заметить, что по устойчивости частоты эти ге­ нераторы принципиально могли бы быть весьма совер­ шенны, особенно в области относительно низких частот. Это объясняется тем, что колебания частоты у них глав­ ным образом определяются изменениями емкости и со­ противления, т. е. элементов, более устойчивых, чем ка­ кие-либо другие.

Что касается формы кривой напряжения (коэффи­ циента искажения), то и с этой точки зрения генерато­ ры класса НС во всяком случае не уступают всем остальным.

На рис. 4-10 изображена принципиальная схема отечественного генератора класса Я С типа ЗГ-10. Генератор имеет двухкаскадный возбудитель с обратной связью через фазирующую цепь ./?!, Сь /?2, С2 и отрицательной обратной связью через сопротивления Яз, Яте. Для автоматической регулировки амплитуды сопротивление Яте цепи от­ рицательной обратной связи выполнено в виде нелинейного сопро­ тивления типа ТП6/2, изменяющегося в зависимости от нагрузки.

0+

Рис. 4-10.

указывающий прибор, шкала которого проградуирова­ на в единицах напряжения, подаваемого на вход, т. е. с учетом постоянного коэффициента усиления. Из ска­ занного видно, что измерительные усилители по сути дела представляют собой ламповые вольтметры, но на очень малые пределы напряжения (обычно милливольт ты). Подобные устройства применяются как в цепях переменного тока, так и в цепях постоянного тока.

Легко видеть, что всякие колебания коэффициента усиления непосредственно являются погрешностью из­ мерения. Поэтому требования к стабильности коэффи­ циента усиления весьма жестки; часто требуется при­ менение всех известных в радиотехнике мер стабилиза­ ции, чтобы удовлетворить этим требованиям. В резуль­ тате измерительные усилители представляют собой достаточно сложные специальные радиотехнические устройства, рассмотрение которых выходит за пределы вопросов, разрешаемых в настоящей книге.

Однако, помимо упомянутых, в измерительной тех­ нике довольно широко применяются значительно бо­ лее простые, вспомогательные усилители. Их назначе­ ние чаще всего сводится к усилению сигнала (напря­ жения) на выходе некоторой (обычно уравновешивае­ мой) измерительной цепи в тех случаях, когда сигнал этот слишком мал. В принципе вспомогательные усили­ тели могут быть постоянного и переменного тока, но практически применяются чаще усилители переменного тока. Создание усилителей постоянного тока связано, как известно, со значительными трудностями, и поэто­ му там, где это возможно, стремятся использовать уси­ лители переменного тока. В качестве примера примене­ ния вспомогательного усилителя можно привести почти непременное включение таких усилителей на выходе мостов переменного тока. Очевидно, что технические требования к ним несравненно легче. Действительно, если речь идет о применении усилителя для увеличения чувствительности какого-либо нулевого метода и конеч­ ной задачей является определение момента отсутствия выходного сигнала, то ясно, что некоторые колебания степени усиления будут только менять чувствитель­ ность, не отражаясь на конечном результате. Таким образом, дело сводится к усилению малых .напряжений в сравнительно ограниченном частотном диапазоне; не-

90

которая неустойчивость режима усиления в большин­ стве случаев допустима. Что же касается частотного диапазона, то здесь возможны два варианта. При ра­ боте измерительной установки на технической частоте усилитель рассчитывается на очень узкий диапазон по­ рядка 30—60 гц. Когда же основным рабочим диапазо­ ном частот являются звуковые, то и усилитель должен удовлетворительно работать в этом диапазоне (пример­ но 100—10 000 гц). Чаще всего работа происходит на 50 или 1 000 гц. В некоторых специальных случаях при­ меняются и резонансные усилители е колебательными контурами или электромеханическими резонансными системами (камертонными или магпитострикциоинымн фильтрами).

Подводя итоги сказанному, можно заметить, что любой известный в радиотехнике усилитель низкой ча­ стоты без труда удовлетворит этим требованиям, кото­ рые легче, чем предъявляемые к приемным усилителям (например, отсутствует меобходимость постоянства ча­ стотной характеристики, малой величины собственных искажений и пр.).

Для примера на рис. 4-11 изображена в несколько упрощенном виде схема усилителя 28ИМ, серийно выпускаемого промышленно­ стью. Усилитель обеспечивает усиление и измерение токов звуковой частоты в диапазоне от 200 до 10 000 гц и содержит три каскада усиления. В схеме усилителя имеются две цепи отрицательной об­ ратной связи. Одна из них охватывает все три каскада. Вторая цепь отрицательной обратной связи, охватывающая два последних каска-

Рис. 4-11.