книги / Приборы и методы измерения электрических величин.-1

Падение напряжения на резисторах /?,и1 = Р ш2 пропорционально току нагрузки М* падение напряжения на резисторе Р3 дели­ теля пропорционально напряжению на нагрузке, т. е. к2и. Как видно из схемы, напряжения и\ и и2 на диодах Дг и Д2 будут соот­ ветственно:

При идентичных характеристиках диода и работе на квадратич­ ном участке вольтамперной характеристики токи и 12 пропорцио­ нальны квадратам напряжений:

где к = 4 (Р/Ри) кгкф.

Постоянная составляющая тока, измеряемая магнитоэлектри­

где Р — измеряемая мощность.

Электронные ваттметры, включающие в свою схему диоды, обла­ дают невысокой точностью (определяющим является неидентичность характеристик диодов), погрешностью измерения ± 1,5—6 %, малой чувствительностью, большей мощностью потребления, частотным диапазоном, ограничивающимся десятками килогерц.

Измерение мощности термоэлектрическим ваттметром. Частот­ ный диапазон может быть расширен до 1 МГц, если квадратор по­ строить на бесконтактных термопреобразователях. Термоэлектри­ ческий ваттметр отличается от выпрямительного тем, что вместо диодов включаются нагреватели бесконтактных термопар, а раз­ ность термо-ЭДС на холодных концах, измеряемая магнитоэлектри­ ческим милливольтметром, пропорциональна средней мощности потребления нагрузки.

Термоваттметры используют при измерении мощности в цепях с несинусоидальной формой тока и напряжения; при измерении мощности в цепях с большим сдвигом фаз между напряжением и током, при определении частотной погрешности электродинамиче­ ских ваттметров.

Измерение мощности ваттметром с преобразователем Холла. Пре­ образователь Холла представляет собой четырехполюсник, выпол­ ненный в виде тонкой полупроводниковой монокристаллической пластинки. Токовыми выводами Т — Т преобразователь Холла подключается к внешнему источнику постоянного или переменного

мощности р (() строят по произведению ординат кривых напря­ жения и (/) и тока / (/) для каждого момента времени действия импульса.

По кривой мгновенных значений мощности за период определяют максимальное значение мгновенной мощности р||>макс, среднее вначение мощности Р и импульсную мощность Р„ (см. § 8.1). Для определения среднего значения мощности Р и импульсной мощ­ ности Рп вычисляют площадь, ограниченнуюкривой мгновенной мощности за период, и затем строят прямоугольник равной, пло­ щади. Если основание прямоугольника равно длительности им­ пульса, то его высота представляет собой значение импульсной мощности Л,„ если же основание прямоугольника равно периоду следования импульсов, то высота прямоугольника равна значению средней мощности Р (см. с. 136).

Глава 9

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ И ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ

§ 9.1. Общие сведения

Частота — одна из важнейших характеристик периодического процесса; определяется числом полных циклов (периодов) измене­ ния сигнала в единицу времени.

Период — наименьший интервал времени, удовлетворяющий уравнению и (*) = и (I + Т). Мгновенная угловая частота опреде­ ляется через производную во времени от фазы напряжения сигнала, т. е. со (0 = Так как фаза у гармонического сигнала растет во времени по линейному закону, то частота / — постоянная вели­ чина, т. е. / = 1/(2я) (ФрШ) — со/(2я).

Диапазон используемых частот в радиоэлектронике, автоматике, экспериментальной физике, технике связи и т. д. простирается от долей герца до тысяч гигагерц, т. е. от инфранизких до сверхвысо­ ких частот.

Выбор метода измерения частоты определяется ее диапазоном, необходимой точностью измерения, формой сигнала, мощностью источника сигнала измеряемой частоты и другими факторами.

Измерение частоты электрических сигналов производится мето­ дами непосредственной оценки и сравнения.

Частотомеры — приборы, измеряющие частоту. Измерение ча­ стоты методом непосредственной оценки производится частотоме­ рами: электромеханическими с логометрическими механизмами, конденсаторными, цифровыми (электронно-счетными).

Измерение частоты сигналов методом сравнения производится с помощью осциллографа, частотно-зависимого моста переменного тока, частотомеров гетеродинных, построенных на биениях, резо­ нансных и др.

Аналоговые электромеханические частотомеры (электромагнит­ ные, электродинамические, ферродинамические) предназначаются в основном для измерения частот напряжений 20—2500 Гц, приме­ няемых в цепях питания, с невысокой точностью (классы точности 0,2; 0,5; 1,5; 2,5). Эти частотомеры имеют ограниченное применение, значительную мощность потребления и подвержены вибрациям.

Аналоговые конденсаторные частотомеры предназначаются для измерения частоты периодических сигналов в диапазоне 10 Гц — 500 кГц; применяются при регулировке, наладке звукозаписываю­ щей и радиоаппаратуры.

Цифровые (электронно-счетные) частотомеры предназначаются для точных измерений частоты гармонических и импульсных сигна­ лов в диапазоне 10 Гц — 50 ГГц; используются для измерения от­

ношения частот, периода, длительности импульсов, интервалов вре­ мени.

Измерение частоты сигнала с помощью осциллографа осущест­ вляется сравнением этой частоты с частотой сигнала образцового генератора, этот метод используется при измерении частоты непре­ рывных, импульсных периодических сигналов в диапазоне 10 Гц — 20 МГц.

Частотно-зависимые мосты переменного тока позволяют изме­ рять частоты в диапазоне 20 Гц — 20 кГц.

Гетеродинные частотомеры предназначаются для измерения ча­ стоты непрерывных, амплитудно-модулированных сигналов в диа­ пазоне 100 кГц — 20 ГГц при различных измерениях в радиотех­ нике.

Резонансные частотомеры предназначаются для измерения ча­ стоты непрерывных, амплитудно-модулированных и импульсно-мо- дулированных сигналов в диапазоне 50 кГц — 10 ГГц; применяются при наладке приемно-передаточной аппаратуры.

В последние годы наиболее широкое распространение получили цифровые частотомеры.

§ 9.2. Аналоговые конденсаторные частотомеры

Работа конденсаторного частотомера основана на измерении среднего значения тока разряда / конденсатора, периодически перезаряжаемого в такт с измеряемой частотой [х (рис. 9.1). Если

ва, протекающее через микроамперметр в одну секунду, представ­ ляет собой среднее значение разрядного тока за период:

Из данного выражения следует, что ток, протекающий через

Если емкость С и напряжения 0 ^ (/2 поддерживать постоян­ ными, то шкалу микроамперметра можно проградуировать в едини­ цах частоты. На этом принципе работают конденсаторные частото­ меры, в которых переключение конденсатора с заряда на разряд осуществляют электронным коммутатором с частотой переключения /* при подаче на его вход напряжения измеряемой частоты. Линей­ ная зависимость между током / и частотой }х возможна при выпол-

нении условия С ((/х — II») = соп$1. Поэтому в схеме частотомера предусмотрен ограничитель, поддерживающий постоянными напря­ жения Уг — при заряде и напряжения II2— при разряде конденса­ тора во всем рабочем диапазоне частот.

Измерение частоты сигналов в широком диапазоне частот воз­ можно при условии, что постоянные времени заряда и разряда кон­ денсатора будут меньше, чем полупериод самой высокой частоты. Это достигается изменением емкости конденсатора (применение на­ бора конденсаторов), а сопротивления цепей заряда и разряда оста­ ются постоянными.

Верхний предел измеряемой частоты сигналов (минимальное зна­ чение емкости С) определяется чувствительностью по току микро­ амперметра, нижний предел — частотой измеряемого сигнала, при котором возникают механические колебания стрелки микроампер­ метра (около 10 Гц).

более 15 пФ.

Частотомер обеспечивает измерение частоты повторения прямо­ угольных отрицательных импульсов в диапазоне 10 Гц — 20 кГц с длительностью 0,5—200 мкс, с основной погрешностью ± 2 % при амплитуде входного напряжения 5—50 В.

§ 9.3. Цифровые (электронно-счетные) частотомеры

Принцип действия цифрового (электронно-счетного) частотомера построен по схеме, в которой подсчитывается число импульсов к , соответствующее числу периодов неизвестной частоты за извест­ ный высокоточный интервал времени, называемый временем измере­ ния Т„. Если за это время Тн подсчитано N импульсов, то среднее значение измеряемой частоты /* = Ы/Тн.

При времени измерения Ти в 1с количество подсчитанных импульсов (периодов) N и есть значение измеряемой частоты /.* (Гц), т. е. }х = N.

На рис. 9.2, а приведен пример построения схемы одного из цифровых частотомеров. Входное устройство, состоящее из широко­ полосного усилителя с полосой пропускания 10 Гц — 3,5 МГц и аттенюатора, предназначено для согласования частотомера с источ­ ником сигнала, а также для усиления или ограничения напряжения на входе до значения, запускающего формирователь. Последний преобразует синусоидальные или периодические импульсные сиг­ налы в последовательность импульсов постоянной амплитуды с большой крутизной фронтов, независимо от входного сигнала, частота следования которых равна частоте измеряемого сигнала (рис. 9.2, б). Временной селектор (электронный ключ с двумя вхо­ дами) открывается строб-импульсом, вырабатываемым устройством управления (схемой автоматики), на высокоточное время измерения

ив

и пропускает эти импульсы на электронный счетчик. Цифровой ин­ дикатор автоматически выдает результат измерения в герцах. Ге­ нератор меток времени состоит из генератора образцовой частоты 1 МГц с кварцевой стабилизацией и делителей частоты. Делители

10; 1; 0,1; 0,01 Гц. Полученные частоты используются для формирова­ ния высокоточного времени измерения — меток времени, равных соответственно 10"®; 10~5; 10~4; 10~3; 10"2; 10"1 1; 10; 100 с.

Рис. 9.2. Схема цифрового частотомера (а) и временные диаграммы, поясняющие принцип его работы (б)

Устройство управления (автоматики) управляет всем процессом измерения и обеспечивает регулируемое время индикации 0,3—5 с результатов измерения на цифровом табло, сброс счетных декад и других схем в «нулевое» состояние перед каждым измерением, ре­ жим ручного, автоматического и внешнего пуска прибора, выраба­ тывает из частот, поступающих с делителей, строб-импульс, откры­ вающий селектор на время счета; импульс запуска цифропечатаю­ щего устройства.

Электронный счетчик, предназначенный для счета поступающих С временного селектора N импульсов, состоит из нескольких после­ довательно соединенных счетных декад, каждая из которых соот­ ветствует определенному порядку частоты /Л- (единицам, десяткам, сотням герц и т. д.). Цифровой индикатор обеспечивает расшифровку результатов измерений, поступающих с дешифратора. Последний

преобразует двоично-десятичный код 8—4—2—1, поступающий со счетных декад в десятичный.

Основная особенность последовательного счета импульса, поло­ женного в основу работы цифровых частотомеров, состоит в увели­ чении погрешности измерения при уменьшении частоты.

Относительная погрешность измерения частоты равна

ворот» селектора) и периода Т х = 1//* исследуемого сигнала. По­ грешность дискретности обусловлена несовпадением моментов появ- * ления счетных импульсов относительно фронта и спада строб-им­ пульса: если Т я и Тх являются кратными числами, то погрешность счета импульсов АЫ = 0; если же Т„ и Тх — не кратные числа, то значение АДО зависит от взаимного расположения Т„ и Тх, т. е. не­ совпадения моментов их появления, при этом максимальная абсо­ лютная погрешность счета импульсов АЫ не превышает одного импульса АЫ =* ± 1 , определяющего младший разряд счета.

Значение второй компоненты погрешности АТ„!Т„ определя­ ется нестабильностью частоты кварцевого генератора /0, задающего «временные ворота» прибора Т„.

Относительная погрешность времени измерения равна относи­ тельной погрешности частоты внутреннего кварцевого генератора и составляет значение порядка 10~7, т. е. АТа/Т„ = А/0//о — У?-

Итак, относительная погрешность измерения (%) частоты

измерения частоты исследуемого сигнала при прочих равных усло­ виях зависит от его значения. Относительная погрешность измере­ ния частоты ничтожна при измерении высоких частот и велика при измерении низких частот, например, если !х — 10 МГц, Т„ = 1 с, то V/ = 2* 10-6 %, и =» 10 Гц, Т„ = 1 с, у, = 10 %.

Следовательно, при измерении высоких частот погрешность обусловлена в основном нестабильностью кварцевого генератора, а при измерении низких частот — погрешностью дискретности. Для уменьшения погрешности измерения низких частот необходимо уве­ личить время измерения, но это не всегда возможно, поэтому в циф­ ровых частотомерах либо применяют умножители, позволяющие повышать измеряемые частоты в 10" раз, либо переходят от изме­ рения частоты исследуемого сигнала к измерению его периода Тх

с последующим вычислением значения измеряемой частоты по фор­ муле Ь — 11ТХ.

При измерении периода Тх входной сигнал через входное устрой­ ство и формирователь поступает на устройство управления, форми­ рующее строб-импульс, период которого Те_„ = Тп = Тх, т. е. время измерения, в течение которого открыт временной селектор, равно периоду Тх измеряемого сигнала, и электронным счетчиком подсчитывается число прошедших за это время импульсов образцо­ вой частоты /0 = 1 /Т0 кварцевого генератора. Следовательно, период исследуемого сигнала

Цифровые частотомеры кроме частоты и периода исследуемого сигнала измеряют отношение, сумму двух частот, интервал времени, длительность импульсов (см. § 9.8), частоту их следования.

§ 9.4. Измерения частоты осциллографом

Частота исследуемого сигнала может быть определена, если сиг­ нал измеряемой частоты подать на К-вход осциллографа, исполь­ зовать линейную развертку и получить на экране несколько перио­ дов исследуемого сигнала. Тогда частота = 11ТХ = ЫНХ, где N — число периодов, 1Х— измеренный интервал времени.

Точность измерения может быть увеличена, если измерение ча­ стоты осуществить методом сравнения измеряемой частоты с об­ разцовой /о. Осциллограф при этом используется в качестве инди­ каторного устройства. В зависимости от вида осциллограмм и спо­ соба отсчета результата измерения частоты исследуемого сигнала различают измерение частоты по интерференционным фигурам (фи­ гурам Лиссажу) и круговой развертки с модуляцией яркости луча. Способы измерения просты, удобны и обеспечивают достаточную точность.

Измерение частоты сигнала по интерференционным фигурам (фигурам Лиссажу). Применяют этот способ для измерения частот сигналов синусоидальной формы в диапазоне частот от 10 Гц до значения, определяемого полосой пропускания осциллографа.

Сигналы образцовой /0 и измеряемой [х частот подводят непо­ средственно или через усилитель к вертикальным и горизонталь­ ным пластинам осциллографа. Измерения выполняют при выклю­ ченном генераторе развертки. Частоту образцового генератора изменяют до получения на экране устойчивого изображения какойнибудь фигуры Лиссажу. Форма фигуры зависит от соотношения амплитуд, частот и начальных фаз сравниваемых сигналов. Непод­ вижные фигуры на экране получаются, когда частоты сигналов об­ разцового генератора и исследуемого равны или относятся друг