книги / Приборы и методы измерения электрических величин.-1

с частотой маломощного генератора перестраиваемой частоты (гете­ родина). При измерениях сигнал частотой [х генератора измеряемой частоты и сигнал частотой /0 генератора образцовой частоты подво­ дятся на смеситель (рис. 9.5), на выходе которого образуется слож­ ный по форме сигнал, содержащий большое число комбинацион­ ных частот, в том числе наименьшую разностную частоту [х — /0 = = Р. Сигнал разностной частоты Р выделяется, усиливается усили-

Рис. 9.5. Схема гетеродинного частотомера

телем низкой частоты и подается на индикатор. Индикатором мо­ жет быть головной телефон, магнитоэлектрический микроампер­ метр, осциллограф, электронно-оптический прибор. Регулируя частоту сигнала /0 гетеродина, сводят разность частот Р либо к нулю (нулевые биения), либо к некоторому фиксированному значению. По известной частоте /0 гетеродина и разности частот Р определяют неизвестную частоту /*.

При использовании в качестве индикатора телефона возникают погрешности, так как ухо человека не реагирует на частоты при­ мерно ниже 16—30 Гц. На рис. 9.6 пунктиром показана зона нулевых бие­ ний.

Резонансный способ. Частотомеры, использующие явление электрическо­ го резонанса, представляют собой ко­ лебательную систему (рис. 9.7), на­ страиваемую в резонанс с измеряемой частотой внешнего источника сигна­ лов. Состояние резонанса фиксируют по наибольшим показаниям индика­ тора резонанса, пропорциональным току (напряжению) в. колебательной системе. Измеряемую частоту отсчи­

тывают непосредственно по шкале калиброванного элемента на­ стройки (в частотомерах малой точности) или с помощью градуи­ ровочных таблиц и графиков. Входное устройство осуществляет согласование частотомера с источником сигнала.

Частотомеры, содержащие колебательные контуры с сосредото­ ченными постоянными, измеряют частоты до 200 МГц, настраи­ ваются в резонанс при помощи переменного конденсатора.

Частотомеры, содержащие колебательные системы с распре­ деленными постоянными (отрезки линии, объемные резонаторы),

Рис. 9.7. Схема резонансного частотомера

измеряют частоты выше 200 МГц, настраиваются в резонанс изме­ нением геометрических размеров колебательной системы.

Резонансный метод прост, удобен, погрешность измерения при его применении составляет десятые и сотые доли процента.

§ 9.6. Измерение интервалов времени

Многие задачи радиоэлектроники, автоматики, эксперименталь­ ной физики, импульсной вычислительной техники и других областей решают измерением интервалов времени, составляющих значения от десятых долей наносекунды до сотен секунд. Временные интер­ валы, представляемые в виде длительности импульсов, временных сдвигов импульсов относительно друг друга, длительности фрон­ тов, срезов импульсов и т. п., можно измерять осциллографом с по­ мощью калиброванной развертки, сдвоенной развертки, калибро­ ванной задержки, растяжки развертки, калиброванных меток вре­ мени (см. § 4.6).

С развитием цифровой техники в последнее время измерения интервалов времени с помощью осциллографа вытесняютсяэлектрон- но-счетными (цифровыми) измерителями, позволяющими охватить измерениями довольно широкий диапазон временнйх интервалов при высокой степени точности измерений. При измерении интерва­ лов времени этими приборами необходимо учесть, что измеряемый временной интервал может задаваться периодическими, непериоди­ ческими, однократными сигналами; импульсными сигналами, сни­ маемыми с выходов различных приборов, интервалом между двумя импульсами на неодинаковых для обоих импульсов уровнях ампли­ туд; интервалом между различными уровнями одного и того же им­ пульса и т. д. Следовательно, электронно-счетные измерители интер­ валов времени должны иметь два входных формирующих устройства, одно из которых формирует «стартовый», а другое — «столовый» импульсы, определяющие соответственно начало и конец измеряе­ мого временного интервала. В формирующих устройствах преду­ смотрена специальная регулировка уровней формирования для возможности измерения временных интервалов на различных уров­ нях входных сигналов.

Измерение интервала времени преобразованием интервала в про­ порциональное ему число импульсов. Измерение интервала времени между двумя импульсами производится по схеме, показанной на рис. 9.8. Импульсы, интервал времени между которыми необходимо измерить, подаются на входные усилители-формирователи А, Б.

Рис, 9.8. Схема измерителя интервалов времени

Усиленные и сформированные входные импульсы подаются на устройство управления, где формируется строб-импульс, длитель­ ность которого равна измеряемому интервалу 1Х. Строб-импульс дли­ тельностью {х поступает на временной селектор, открывает его и в ре­ зультате на электронный счетчик от генератора меток времени поступают метки (импульсы) с периодом следования Т0. Количество N прошедших через селектор на счетчик импульсов и является цифровой формой представления измеряемого интервала времени:

(9.10)

Относительная погрешность (%) измерения временных интерва­ лов определяется

где уг — относительная погрешность частоты внутреннего генера­ тора кварцевого или внешнего источника опорной частоты; Т0 — период следования меток времени; — измеряемый интервал вре­ мени.

При измерении длительности /„ импульса любой полярности ис­ следуемый сигнал подается одновременно на вх ->ды А к Б усилите­ лей-формирователей (рис. 9.8). Оба фронта (передний и задний) сформированных импульсов создают «стартовый» и «стоповый* импульсы, которые управляют формирователем строб-импульсов, формируя строб-импульс длительностью, равной длительности вход­ ного исследуемого сигнала. Дальнейший процесс измерения аналоги*

чен измерению интервала времени. Погрешность измерения (%)

где — измеряемая длительность импульсов.

Измерение интервала времени с преобразованием масштаба вре­ мени. Суть преобразования масштаба времени заключается в том, что значение измеряемого интервала 1Х преобразуется в импульс, амплитуда которого пропорциональна длительности этого интер­ вала, а затем амплитуда вновь преобразуется во временной интер­ вал й; длительность которого пропорциональна амплитуде и в к

Схема измерителя с преобразованием масштаба времени пред­ ставлена на рис. 9.9. Импульсы, интервал времени 1Х между кото-

Рис. 9.9. Схема измерителя интервалов времени с преобразованием масштаба времени

рыми необходимо измерить, создают стартовый и столовый им­ пульсы, поступающие на вход формирователя строб-импульсов. Строб-импульс длительностью 1Х запускает генератор линейноизменяющегося (пилообразного) напряжения, задний фронт стробимпульса прекращает нарастание пилообразного напряжения. Ам­ плитуда пилообразного напряжения оказывается пропорциональной длительности 1Х. Таким образом происходит преобразование времени в амплитуду. Следующий затем амплитудно-временной преобразо­ ватель преобразует амплитуду в пропорциональное время Ух (§7.5). С выхода преобразователя импульс 1'х = Ых поступает на времен­ ной селектор, открывает его и электронный счетчик подсчитывает количество импульсов генератора образцовой частоты за этот ин­ тервал времени.

где Т0 — период следования импульсов образцовой частоты. Основными преимуществами электронно-счетных измерителей

интервалов времени являются их точность, цифровой отсчет показа­ ний, большая скорость измерений.

Глава 10

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ПО ФАЗЕ

Фаза гармонического сигнала является линейной функцией вре­ мени.

Измерение сдвига по фазе между входным и выходным напряже­ ниями любого четырехполюсника (усилителя, фильтра, трансформа­ тора, устройства автоматики и др.) в заданном диапазоне частот, а также определение зависимости изменения фазы от частоты широк» применяются в радиоэлектронике.

Методы измерения сдвига по фазе зависят от диапазона частот, уровня, формы сигнала и требуемой точности измерения.

Измерение сдвига по фазе производится методами непосредст­ венной оценки и сравнения.

Фазометры — приборы, измеряющие сдвиг по фазе. Сдвиг по фазе выражается в радианах или градусах.

К фазометрам непосредственной оценки относят: аналоговые электромеханические фазометры с логометрическими механизмами; аналоговые электронные фазометры с преобразованием фазового сдвига в пропорциональный ток; цифровые фазометры (электронно­ счетные).

Измерение сдвига по фазе методом сравнения производится с по­ мощью осциллографа. На промышленной частоте и на частотах от нескольких десятков герц до 6—8 кГц при измерении сдвига по фазе применяют логометрические фазометры, использование которых рекомендуется при больших уровнях синусоидального сигнала и со­ пряжено с большим потреблением энергии и невысокой точностью. В широком диапазоне частот в маломощных цепях при грубых изме­ рениях сдвиг по фазе измеряют с помощью осциллографа, а при более точных измерениях — компенсационным методом, используя осциллограф в качестве индикатора равенства фаз. В диапазоне частот от нескольких герц до десятков мегагерц при точных изме­ рениях сдвига по фазе используют аналоговые и цифровые элек­ тронные фазометры. Их применение рекомендуется при различных формах и малых уровнях сигнала с малым потреблением энергии.

Измерение сдвига по фазе ср между напряжением V и током I на промышленной частоте осуществляется с помощью трех прибо-

ров: вольтметра, амперметра и ваттметра; <р определяется так:

Точность измерения ф невысока из-за методической погрешно­ сти, вызванной собственной мощностью потребления приборов.

§10.2. Аналоговые электронные фазометры

Воснову работы двухканального аналогового электронного фа­ зометра (рис. 10.1, а) положен принцип преобразования сдвига по фазе между двумя синусоидальными напряжениями в интервал вре­ мени между импульсами с последующим преобразованием в ток, среднее значение которого пропорционально измеряемому сдвигу по фазе.

Синусоидальные сигналы и1г и2 одной и той же частоты, сдвиг по фазе ф между которыми измеряется, подают на входы опорного и сигнального (измерительного) каналов; состоящих из усилителейограничителей, дифференцирующих цепей и синхронизированных мультивибраторов. Входные сигналы их и и%в обоих каналах уси­ ливаются и преобразуются усилителями-ограничителями в симмет­ ричные сигналы прямоугольной формы с крутыми фронтами и сре­ зами типа «Меандр» (рис. 10.1, б), дифференцируются, а затем син­ хронизированные мультивибраторы * формируют периодически повторяющиеся прямоугольные импульсы с неизменной крутизной (рис. 10.1, в), длительностью, равной 772, и сдвинутых друг отно­ сительно друга на интервал времени АТ, пропорциональный сдвигу по фазе ф.

Прямоугольные импульсы с опорного и сигнального каналов по­ ступают в специальную дифференцирующую и распределительную цепи, на выходе которой получаются остроконечные импульсы оди­ наковой формы и длительности; положительные импульсы соответ­ ствуют фронтам, а отрицательные — срезам (рис. 10.1, г). Продиф­ ференцированные импульсы подаются на выходные синхронизиро­ ванные мультивибраторы.

На выходной мультивибратор опорного канала поступают про­ дифференцированные положительные импульсы опорного канала и отрицательные — измерительного канала, а на мультивибратор из­ мерительного канала соответственно — положительные импульсы измерительного и отрицательные — опорного каналов. При этом мультивибратор опорного канала формирует импульс (рис. 10.1, д) длительностью 772 + Д7\ а мультивибратор измерительного канала — импульс длительностью 772 — АТ. Показания магнито­ электрического микроамперметра, включенного по схеме вычита­ ния токов, пропорциональны среднему значению (постоянной со­ ставляющей) разности токов (рис. 10.1, ё) выходных мультивибрато-

* Двухпозиционные формирователи периодически повторяющихся прямо­ угольных импульсов, частота которых определяется воздействующим на них другим генератором,

Рис, 10.1. Схема аналогового электронного фазометра (а) и временные диаграммы (б—е), поясняющие работу аналогового электронного фазометра

ров за период входного сигнала:

где / м — фиксированное значение амплитуды выходных импульсов. Используя выражения ф = о>ДТ и ш = 2л/Т, получим формулу, связывающую сдвиг по фазе ф с значением относительного времен­

ного интервала ДТ1Т

Сдвиг по фазе ф пропорционален интервалу времени АТ между импульсами. После подстановки в (10.4) значения ДТ из (10.3)

Из (10.5) следует, что шкала микроамперметра может быть от­ градуирована непосредственно в градусах сдвига по фазе и не зави­ сит от частоты и уровней входных сигналов, сдвиг по фазе между которыми измеряется.

Погрешность измерения сдвига по фазе определяется погреш­ ностью преобразования последних во временной интервал, степенью стабильности выходных токов и точностью самого микроамперметра и составляет значение порядка 1,5—3 %. По описанной схеме выпол­ няются аналоговые фазометры Ф2-1.

§ 10.3. Цифровые (электронно-счетные) фазометры

В основе построения цифрового фазометра лежит формула ф = 360° АТ/Т, в которую следует вместо временных интервалов АТ и Т подставить соответствующее им число импульсов образцо­ вой частоты. Схема цифрового фазометра подобна схеме цифрового измерителя интервалов времени (см. рис. 9.8). Принцип измерения сдвига по фазе за один период сводится к измерению периода сину­ соидальных напряжений иг и и2. Время открытого состояния селек­ тора определяется измеряемым периодом Т и за этот промежуток времени через селектор на электронный счетчик проходят импульсы образцовой частоты /0 (периода Т0). Число импульсов N

Затем синусоидальные напряжения их и иг, сдвиг по фазе между которыми следует измерить, преобразуются в последовательность импульсов, привязанных к определенной фазе входного напряже­ ния (рис. 10.2, г, д). В результате импульсы одной последовательно­ сти оказываются сдвинутыми относительно импульсов другой последовательности на время АТ, пропорциональное сдвигу по фазе ф. Время открытого состояния определяется уже АТ, число п (рис. 10.2, е) сосчитанных импульсов образцовой частоты /0 будет равно

сигналов должна быть не более 10 кГц. При измерении малых

образуются в периодическую последовательность импульсов, сдвинутых на интервал Д7\ Устройство управления формирует прямоугольный импульс длительностью Д7\ который открывает временной селектор 1 и через него проходят импульсы образцовой частоты /0. Чтобы импульсы подсчитывались электронным счетчиком в течение нескольких периодов исследуемого напряжения, преду­ смотрен второй селектор, открываемый импульсом с делителя ча­ стоты на время цикла измерения Тн — кТ0, где к — коэффициент деления частоты. Таким образом, в течение времени усреднения на электронный счетчик пройдет несколько групп импульсов. Число групп определяется отношением времени усреднения к периоду исследуемых напряжений Т„/Т, а число импульсов в группе — отношением длительности интервала ДТ к периоду счетных импуль-

сов Т 0. Общее число импульсов, прошедших в электронный счетчик и далее в цифровой индикатор,

Рис. 10.3. Схема цифрового фазометра с усреднением (а) и временные диаграммы напряжений (б)

Таким образом, фазометр получается прямопоказывающим. Для фазометра по сравнению с измерителем интервалов времени име­ ется еще погрешность времени измерения Т„.

§ 10.4. Измерение сдвига по фазе осциллографом

Измерения сдвига по фазе между двумя напряжениями одина­ ковой частоты можно выполнить, использовав электронный осцил­ лограф. Способ измерения прост и широко применяется при гру­ бых измерениях. Сдвиг по фазе рассчитывают по параметрам, изме­ ренным с изображения на экране — по осциллограммам напряже­ ния при линейной развертке и фигурам Лиссажу при круговой развертке.