Глава д в а д ц а т ь в т о р а я

ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ

22.1. ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОТОКА В ПОСТОЯННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Для измерения магнитного потока постоянного магнит­ ного поля применяют обычно измерительные катушки. При этом измеряют количество электричества в импульсе тока, возникающем при изменении потокосцеплеиия, с помощью баллистического гальванометра. Такой метод измерения называется индукционно-импульсным.

Катушка с известным числом витков wK подключается

к гальванометру (магнитоэлектрическому измерительному механизму ИМ) через резистор RA (рис. 22.1) и затем уда­

ляется из поля или вносится в него. Изменение потока, сцепленного с катушкой, наводит в ней ЭДС

е = — wKdO/dt,

которая вызывает ток

i = elR = - (wK/R) (dOidt),

где /?=#г+Яд+-Як> RTи Rn — сопротивления гальванометр

ра и катушки.

Изменение количества электричества dQ связано с изме­ нением потока dO, как это следует из выражения для тока

г, следующим образом:

dQ = idt = — (wJR) dO.

Интегрируя это уравнение в пределах от 0 до оо, полу­ чаем выражение для количества электричества в импульсе

Рис. 22.2. Схема определения цены деления гальванометра

Если длительность импульса тока мала по сравнению С периодом свободных колебаний гальванометра, то первое (оно же наибольшее) отклонение его указателя ат соглас­

но (5.18) пропорционально количеству электричества в им­ пульсе

рис. 22.2. Измерительная катушка включается в цепь галь­ ванометра, чтобы сохранить неизменным сопротивление це­ пи гальванометра при градуировке и измерении. Изменение потокосцепления осуществляют переводом переключателя 5Л из положения 1 в положение 2.

Цена деления по магнитному потоку

Сф = М ‘21/ат,

где М — взаимная индуктивность между обмотками ка­ тушки; 21 — изменение тока (от -f / до —I ) .

Измерение магнитного потока можно осуществить так­ же веберметром (рис. 22.3). Он представляет собой магни­ тоэлектрический гальванометр без противодействующего момента. Поэтому начальное положение стрелки веберметра безразличное. Для установки стрелки в начальное поло­ жение используется вспомогательный магнитоэлектричес­ кий механизм 2 — корректор. Для коррекции положения стрелки переключатель переводят в положение 2, при этом

Рис. 22.3. Схема измерения магнитного потока с помощью веберметра

рамка 1 веберметра подключается к рамке 2, которая ме­

ханически связана с ручкой, выведенной на верхнюю па­ нель прибора. ЭДС, возникающая при ее вращении, созда­ ет в цепи, а следовательно, и в рамке 1 ток, который, в

свою очередь, приводит к появлению вращающего момен­ та, поворачивающего рамку 1 на некоторый угол.

Положение 1 переключателя 5Л соответствует измере­

нию. При удалении измерительной катушки из исследуемо­ го магнитного поля ее потокосцепление уменьшается. За счет возникшего импульса тока рамка 1 поворачивается на

такой угол а, при котором происходит увеличение потокосцепления рамки, равное уменьшению потокосцепления измерительной катушки. Поскольку магнитное поле в ра­ бочем зазоре веберметра однородное и радиальное, изме­ нение потокосцепления рамки 1 будет пропорционально

углу ее поворота. Таким образом,

wKФ = wp Фр = wpBsa>

Большим преимуществом веберметров является то, что цена деления С ф практически не зависит от сопротивления

цепи веберметра при условии, что сопротивление внешней цепи не превышает допустимых значений, приведенных в паспорте прибора. Поэтому веберметр может иметь градуи­ рованную шкалу.

Магнитоэлектрические веберметры очень просты и удобны в эксплуатации. Однако по чувствительности они уступают баллистическим гальванометрам на один-два по­ рядка.

22.2. ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ И НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Описанные в предыдущем параграфе методы измерения магнитного потока с применением баллистического гальва­ нометра или веберметра могут быть использованы и для измерения магнитной индукции и напряженности магнитно­ го поля. Если поле однородно и плоскость витков измери­ тельной катушки перпендикулярна направлению вектора магнитной индукции, то

В = Ф/s,

где s — площадь витка.

ние измерительной катушки, отсчитать первое наибольшее

Рнс. 22.4. Упрощенная принципиальная схема тесламстра

15—409

левой индикатор НИ, состоящий из усилителя, фазочув­

ствительного выпрямителя и микроамперметра. Посколь­ ку компенсационная цепь и преобразователь Холла пита­ ются от одного и того лее генератора, исключается погреш­ ность от нестабильности частоты и выходного напряжения генератора.

С помощью преобразователей Холла можно измерять магнитную индукцию в диапазоне от 0,001 до 1—2 Тл с по­ грешностью 1—2 %.

Для точных измерений магнитной индукции применяют тесламетры с ЯРП. Структурная схема такой установки приведена на рис. 22.5. В измеряемое магнитное поле с ин­ дукцией Вх помещается катушка К колебательного контура генератора Г, внутри которой находится стеклянная ампу­

ла, наполненная водой, водным раствором хлористого ли­ тия или тяжелой водой, т. е. веществами, содержащими ядра водорода (протоны) или ядра других элементов (ли­ тия, дейтерия и др.), имеющие значения гиромагнитных отношений ядер, отличные от гиромагнитного отношения протона. Это позволяет расширить диапазон измере­ ний.

Для определения момента резонанса изменяют частоту колебаний генератора и ведут поиск резонансного сигнала с помощью электронно-лучевого осциллографа. Резонанс­ ная частота определяется частотомером.

Метод позволяет измерить индукцию и напряженность однородных магнитных полей с погрешностью, не превыша­ ющей 0,01 %.

Глава д в а д ц а т ь т р е т ь я

ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

23.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

При определении магнитных свойств ферромагнитных материалов чаще всего находят значения электрических величии, по которым, используя известные физические свя­ зи между электрическими и магнитными величинами, рас­ считывают значения искомых магнитных величин.

Одной из важнейших характеристик ферромагнитных материалов является зависимость индукции от напряжен­ ности магнитного поля

а также семейство гистерезисных циклов (петель гистерези­ са). Зависимость (23.1), полученная в постоянном магнит­ ном поле, называется статической характеристикой и опре­ деляет магнитные свойства самого материала. Эта же зависимость, полученная в переменном магнитном поле, на­ зывается динамической характеристикой. Динамическая характеристика зависит не только от свойств самого мате­ риала, но и от формы и размеров исследуемого образца, частоты поля, формы кривой поля (индукции). Поэтому характеристики, полученные для одного и того же образца в постоянных и переменных магнитных полях, могут зна­ чительно отличаться друг от друга..

При определении магнитных свойств образца можно воспользоваться различными методами. Прежде чем вы­ брать тот или иной метод, необходимо точно определить задачу и условия эксперимента, требуемую точность изме­ рений.

23.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Основная кривая намагничивания (рис. 23.1) строится как геометрическое место вершин семейства петель гисте­ резиса. Петля гистерезиса представляет собой кривую, опи­ сывающую изменение магнитной индукции В материала

при полном цикле его перемагиичивания, т. е. при измене­ нии напряженности магнитного поля, в котором находится

Рис. 23.1. Основная кри­

вая намагничивания и семейство петель гисте­

резиса

дельной. Значения ординат этой петли -\-Вг и —В Гу соответ­

ствующие Я = О, называются остаточной индукцией. Значе­ ния 4 -Нс и —Нс, соответствующие В = 0, называются коэр­

цитивной силой. Все петли, кроме предельной, называются частными циклами. Площадь петли гистерезиса пропорцио­ нальна энергии, затраченной на один цикл перемагничивания.

По основной кривой намагничивания определяются ин­ дукция насыщения, начальная и максимальная магнитные проницаемости. Испытание ферромагнитных материалов должно производиться при их равномерном намагничива­ нии. Поэтому в большинстве случаев стремятся, чтобы при испытании материал находился в замкнутой магнитной це­ пи, поля рассеяния которой очень малы.

Для снятия основной кривой намагничивания и петли гистерезиса наибольшее распространение получил индукци­ онно-импульсный метод. Экспериментальное определение этих характеристик производится на кольцевых или стерж­ невых образцах. На кольцевые образцы поверх изоляции наматывают равномерно по периметру сначала измери­ тельную w2, а затем намагничивающую W\ обмотки. Чтобы

размеры кольца не вносили погрешность в расчет напря­ женности намагничивающего поля, отношение внешнего диа­ метра кольца к внутреннему dbm!dвн должно быть не более

1,3. Указанная погрешность связана с различием числа вит­ ков на единицу длины по внутреннему и наружному пери­ метрам кольца.

Рис. 23.3. Устройство пермеаметра

откуда

в1= вю- д в = вт

W2s а'т ’

(23.3)

Указанные выше операции повторяют до получения всей кривой петли гистерезиса.

Из-за сложности изготовления кольцевых образцов и наматывания обмоток w1 и w2 пользуются стержневыми об­

разцами. Концы стержневого образца необходимо замы­ кать магнитопроводом с магнитным сопротивлением, во много раз меньшим сопротивления образца. Для этой цели используются пермеаметры. Одна из конструкций перме­ аметра показана на рис. 23.3. Он представляет собой маг-

площади поперечного сечения образца 2. Это обеспечивает

выполнение требования малого магнитного сопротивления пермеаметра.

Образец вставляется в боковые прорези пермеаметра и закрепляется. Воздушный зазор между образцом и торца­ ми магнитопровода должен быть как можно меньше.

Определение магнитных характеристик при измерениях с помощью пермеаметра практически не отличается от из­ мерений на кольцевых образцах.

23.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Измерения на переменном токе должны производиться при тех же условиях, при которых будет в дальнейшем ра­ ботать данный образец, т. е. при тех же частоте и форме намагничивающего тока. При определении магнитных ха­ рактеристик материалов на переменном токе промышлен­ ной и повышенной частот большое распространение полу­ чили феррометры.

Феррометр (рис. 23.4) состоит из магнитоэлектрического вольтметра V, механически управляемого выпрямителя В, катушки взаимной индуктивности М, фазорегулятора Ф /\

Рис. 23.4. Принципиальная схема феррометра

переключателя SA1 и регулятора напряжения Т Механи­

чески управляемый выпрямитель представляет собой элек­ тромагнит с обмоткой возбуждения w, управляющий состо­ янием контакта SA2, В течение одного полупериода тока iy контакт замыкает цепь вольтметра, в течение второго —

размыкает.

По намагничивающей обмотке W\ проходит переменный ток ix, возбуждающий в образце магнитный поток Ф, кото­ рый наводит в измерительной обмотке w2 ЭДС е2,

е2 = — w2dOldt.

Поставив переключатель SA1 в положение 1, поворотом ротора фазорегулятора ФР добиваются максимального отклонения указателя вольтметра V. При этом управляю­ щий ток iy совпадает по фазе с ЭДС обмотки ш2 и напря­

жение на вольтметре имеет форму выпрямленной синусо­ иды.

Показание магнитоэлектрического вольтметра U про­ порционально среднему за период Т значению измеряемой

величины, т. е.

Т/2

О е*(1)ли

ричную обмотку катушки взаимной индуктивности М, в ко­ торой наводится ЭДС егк(0 от протекающего по первичной обмотке переменного тока *У(/),

бак (0 = — M dil (t)/dt,

где I — длина осевой линии магнитного образца.

23.4. ИСПЫТАНИЕ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ

При расчете постоянных магнитов важно знать кривую размагничивания материалов магнита. В замкнутой петле гистерезиса (см. рис. 23.1) кривая размагничивания нахо­ дится во втором квадранте. Кривая размагничивания опре­ делена, если известны значения остаточной индукции Вг и коэрцитивной силы Нс.

Простой и очень распространенной является проверка магнита в разомкнутой магнитной цепи. Для этого образец намагничивается до насыщения и затем удаляется из на­ магничивающего поля. Измерительная катушка, соединен­ ная с веберметром, надевается на один из полюсов магнита и перемещается на нейтральное сечение. Когда затем ка­ тушка сдергивается с магнита, то отклонение веберметра будет пропорционально магнитной индукции в нейтраль­ ном сечении магнитопровода Вг.

Для исследования постоянных магнитов можно восполь­ зоваться пермеаметром. Испытуемый образец, полностью размагниченный, с помещенной на его нейтрали измери­ тельной катушкой, соединенной с веберметром, вставляется в намагничивающую катушку пермеаметра. В намагничи­ вающую катушку дается ток, намагничивающий образец до

насыщения и вызывающий отклонение указателя веберметра почти на всю шкалу. Через 3—4 с намагничивающий ток выключается и указатель веберметра показывает уменьшение магнитной индукции до точки Вг, соответству­ ющей Н = 0 (см. рис. 23.1). Затем в намагничивающую ка­

тушку дается небольшой размагничивающий ток, вызыва­ ющий уменьшение отклонения указателя веберметра. По­ степенно значение размагничивающего тока увеличивают до тех пор, пока указатель веберметра не достигнет нуля, по­ казывая падение магнитной индукции по кривой размагни­ чивания до точки Нс (см. рис. 23.1). При этом фиксируется

значение размагничивающего тока, прямо пропорциональ­ ное коэрцитивной силе исследуемого образца.

23.5. ВАТТМЕТРОВЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕРЬ НА ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЕ

Из всех методов измерения потерь в магнитных матери­ алах ваттметровый метод, идея которого была предложена М. О. Доливо-Добровольским, получил наибольшее распро­ странение. Сущность метода состоит в том, что мощность, показываемая ваттметром, включенным в цепь катушки с магнитопроводом, складывается из мощности потерь на вихревые токи и гистерезис и мощности, потребляемой об­ мотками образца и измерительной цепи приборов. Послед­ нюю можно рассчитать и, вычтя из общей мощности, найти значение потерь на вихревые токи и гистерезис.

Аппарат для испытания электротехнической стали пред­ ставляет собой четыре одинаковые катушки с двумя обмот­ ками на каждой. Катушки расположены так, что образуют четыре стороны квадрата. В них закладываются пакеты, набранные из полос листовой электротехнической стали. Одна половина полос нарезана вдоль, а вторая — поперек проката. Пакеты собираются так, что образуют замкнутую магнитную цепь. Собранный аппарат представляет собой трансформатор. Схема его включения показана на рис, 23.5 Показания ваттметра в этой схеме равны

0У2»Ф — угол сдвига фаз между ними.

Потери на гистерезис и вихревые токи аппарата можно рассматривать как потери холостого хода трансформатора

Рис. 23.5. Схема включения аппа­ рата для опреде­ ления магнитных потерь ваттметровым методом

где Е\ — ЭДС в первичной обмотке; / 0 — ток холостого хо­ да, т. е. при разомкнутой обмотке w2\ щ — фазовый сдвиг между Е 1 и /о; /ocos<po=/oa^— активная составляющая тока

холостого хода.

Подключение к обмотке w2 вольтметра и параллельной

цепи ваттметра вызывает ток /2, который можно считать чисто активным, если активное сопротивление указанных приборов много больше индуктивного сопротивления вто­ ричной цепи. Протекающий в цепи обмотки w2 ток / а уве­

личивает активную составляющую тока в обмотке на I2w2fwi. Новое значение активной составляющей тока в об­

мотке равно

где h ~ U 2jR\ R2 — сопротивление обмотки ш2; R = R vR v/ l{Rv-\-Ru) — общее сопротивление вольтметра и парал­

лельной цепи ваттметра.

Выражая в (23.10) Е2 и / 2 через U2) находим

Отношение R 2IR можно выбрать много меньше единицы.

После преобразований имеем

р = [(£/31гcos ф) wx/w2— Щ/Rv — ЩВ.ц\'

Отсюда видно, что потери на гистерезис и вихревые то­ ки равны мощности, отсчитанной по ваттметру и умножен­ ной на коэффициент трансформации W \/w2, за вычетом

мощностей, потребляемых вольтметром и параллельной цепью ваттметра.

Таким образом, удельные потери на гистерезис и вихре­ вые токи можно рассчитать по формуле

где G — масса образца.

Магнитную индукцию, при которой измерялись потери, рассчитывают по формуле

B m = UA 4k<bfW2S)’

где &ф=1,11 для синусоидальной формы кривой индукции.

Г л а в а д в а д ц а т ь ч е т в е р т а я

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

24.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Комплексная автоматизация производства и научных исследований связана с получением данныхо значении раз­

личных физических величин, характеризующих состояние объекта управления (исследования), — механических, теп­ ловых, химических, оптических и других величин, которые принято называть неэлектрическими.

Существует ряд способов измерения неэлектрических величин, различающихся по виду энергии сигнала измери­ тельной информации.

Ранее были отмечены достоинства электрических изме­ рений: точность, удобство, сопряженность с ЭВМ и др. По­ этому в дальнейшем рассматриваются только электричес­ кие методы измерения неэлектрических величин.

, Упрощенная структурная схема устройства для измере­ ния неэлектрических величин представлена на рис. 24.1, где ПП — первичный измерительный преобразователь, ИЦ —

измерительная цепь, ОУ — отсчетное устройство, в качестве которого обычно используют электроизмерительный пока-

Рис. 24.1. Структурная схема устрой­ ства для измерения неэлектрических величии

зывающий прибор. В отдельных случаях результат измере­ ния представляется в цифровой форме (кодируется).

Размещенный непосредственно на объекте ПП преобра­ зует неэлектрическую величину X в электрическую У. Кро­

ме термина «первичный преобразователь» для обозначения элемента, преобразующего неэлектрическую величину в электрическую, применяют термин «датчик неэлектричес­ кой величины» или просто «датчик».

К первичным преобразователям (ПП) предъявляют

нообразны по принципу действия, устройству, виду энергии входного сигнала, метрологическим и эксплуатационным характеристикам.

Целесообразно классифицировать их по физической природе явлений, лежащих в основе их работы, с учетом вида преобразуемой энергии. По указанным признакам ПП неэлектрических величин можно подразделить на ме­ ханические резистивные (контактные, реостатные, тензо­ метрические), электростатические (емкостные, пьезоэлект­ рические), электромагнитные (индуктивные, индукционные, магнитоупругие), теплоэлектрические (термоэлектрические, терморезистивные), электрохимические (резистивные элек­ тролитические, гальванические, кулонометрические, химотронные), оптико-электрические, гальванокинетические, атомные (ионизационного излучения, квантовые) и др.

Только одно перечисление групп ПГ1 неэлектрических величин свидетельствует о том, сколь широк круг вопросов, относящихся к измерению неэлектрических величин, и как важно унифицировать методы и средства их измерений.

На вход ПП кроме входной величины X действуют и

другие параметры объекта и окружающей среды. В этих условиях ПП должен избирательно реагировать только на значение входной величины и не реагировать на влияние всех остальных факторов. Задача подавления чувствитель­ ности ПП к влияющим величинам относится к важным за-

Рнс. 24.2. Чувствительные элементы дифференциальных датчиков:

а — резистивного: 6 — индуктивного

дачам, решаемым конструктивными и схемными методами. Если изменение неэлектрической величины приводит к изменению пассивного параметра ПП — сопротивления, ем­ кости, индуктивности или взаимной индуктивности, то ПП называются параметрическими, а если к генерированию

активной величины (ЭДС тока), то генераторными. Особенно широко применяются дифференциальные ПП.

Чувствительные элементы (ЧЭ) таких ПП показаны на рис. 24.2.

При воздействии измеряемой величины X на ЧЭ диффе­

ренциального ПП на выходе его формируются два сигна­ ла, направленных навстречу друг другу. Разность этих сиг­ налов поступает в измерительный канал, состоящий из пре­ образователей и измерительного прибора. Например, ЧЭ индуктивного дифференциального ПП (рис. 24.2, б) состо­

ит из двух одинаковых неподвижных сердечников с обмот­ ками и одного общего якоря, при перемещении которого на расстояние X изменяются индуктивности L\ и L2 обмоток.

В зависимости от направления перемещения одна из индук­ тивностей увеличивается, а другая уменьшается.

Аналогично устроены резистивные, емкостные и другие дифференциальные ПП. Аддитивная составляющая погреш­ ности преобразования дифференциальных ПП существен­ но меньше, чем у недифференциальных, так как погрешно­ сти, вызванные влияющими величинами, взаимно компен­ сируются, а реакция на изменение неэлектрической величины гораздо сильнее.

Выходной сигнал ПП У поступает в канал преобразова­ ния измерительной информации, структурные схемы кото­ рого зависят от типа ПП, его выходной мощности, а также от требований к точности и быстродействию измерительно­ го устройства.

Рис. 24.3. Измерительные цепи приборов для измерения неэлектрических величин с параметрическими датчиками

Измерительные цепи ИЦ (см. рис. 24.1) могут строить­

ся по структурным схемам прямого и уравновешивающего преобразователя, описанным в гл. 1.

Измерительные цепи (ИЦ) прямого преобразования, в свою очередь, делятся на работающие с генераторными и параметрическими первичными преобразователями.

Основным принципом построения ИЦ прямого преобра­ зования с генераторными ПП является принцип согласова­ ния выходных и входных сопротивлений последовательно включенных преобразователей, обеспечивающий минималь­ ные потери измерительной информации в канале преобра­ зования.

С параметрическими ПП используются три вида изме­ рительных цепей прямого преобразования (рис. 24.3): цепи последовательного включения (а), цепи в виде делителей

В неравновесных мостах этот недостаток устранен. Кро­ ме того, ИЦ на основе небалансных мостов имеют больше возможностей, так как параметрические ПП могут быть включены в одно, два или все четыре плеча моста, что со­ ответствует увеличению выходной мощности ИЦ, т. е. по­ вышению ее чувствительности.

Чувствительность S всего измерительного устройства

прямого преобразователя, состоящего из последовательного

назначенный для измерения температуры, а остальные пле­ чи моста образованы резисторами R2, #4 и Rz+Rbl.

Пусть при измеряемой температуре 0 = 0 сопротивление R\ =:RS~\~RM и R2=R*, тогда напряжение на диагонали £/аб,

усилитель будет давать на выходе такой ток /ук, чтобы па­

будет оставаться в равновесии и шкала прибора будет ли­ нейна при приращениях ARu а сопротивление RMопределит масштаб соотношения между ARi и /ук. Измерительные це­

пи уравновешивающего преобразования с компенсацией измеряемых неэлектрических величии применяются часто для измерения механических усилий, крутящих моментов, магнитных величин и др.

Первичные преобразователи с помощью соединительных проводов могут быть удалены от ИЦ на некоторое рассто­ яние. В этом случае на результат измерения могут оказы­ вать влияние вариация значений сопротивлений соедини­ тельных проводов при изменении температуры окружающей среды и паразитные ЭДС, возникающие от действия внеш­ них электромагнитных полей.

Погрешность, вносимая соединительной линией (кана­ лом связи), должна рассматриваться как составляющая методической погрешности, входящей в суммарную погреш­ ность измерений неэлектрической величины. Точность результата такого измерения может быть оценена прибли­ женной максимальной погрешностью по формуле

где бта*— предел допускаемой относительной погрешности измерения неэлектрической величины; бпп— максимальное значение относительной погрешности ПП; биц— относи­ тельная погрешность измерительной цепи; бук—относитель­ ная погрешность измерения выходного показывающего при­ бора; бм — методическая погрешность.

24.2. ИЗМЕРЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Измерение угловых размеров. Угловые размеры обычно ограничены полной окружностью (360 угловых градусов) и измеряются с погрешностью до 0,5 угловой минуты.

Для преобразования угла в электрическую величину

Рис. 24.5. Реостатный датчик

применяют обычно реостатные пре­ образователи, способные обнару­ жить изменение угла на 10—20 уг­ ловых минут.

Более точные измерения произ­ водятся дискретными методами на основе кодовых дисков с контакт­ ным, фотоэлектрическим и индук­ тивным съемом сигнала. Эти мето­ ды позволяют уменьшить погреш­ ность до 30 угловых секунд.

Рассмотрим реостатный датчик (рис. 24.5). Входной величиной является угловое перемещение движка 6, а

выходной величиной—активное сопротивление, изменяюще­ еся линейно или по какому-либо иному закону в зависимо­ сти от угла поворота. На каркасе 1 из изоляционного мате­ риала намотана с равномерным шагом проволока 2. Изоля­

ция проволоки на верхней грани каркаса зачищается, и по материалу скользит щетка 3. Добавочная щетка 5 скользит по токосъемному кольцу 4, щетки изолированы от движка.

Обычно применяют провод из манганина или константа-

иридия увеличивает твердость и прочность сплава, повыша­ ет кислотоупорность, антикоррозийность и износостойкость. Платиноиридиевый провод сохраняет высокую прочность даже при диаметре, меньшем 0,05 мм. Это позволяет выпол­ нить на его основе высокоомные (в несколько килоом) пре­ образователи массой 10— 12 г.

Провод реостата должен быть покрыт либо эмалью, ли­ бо слоем оксидов, изолирующих соседние витки друг от друга. Щетка может выполняться в виде двух-трех прово­ лок из сплава платины с иридием или бериллием либо в виде набора пластин из серебра или фосфористой бронзы. Контактная поверхность намотанного провода полируется, ширина контактной поверхности движка должна быть рав­ на двум-трем диаметрам провода.

Каркас обычно выполняется из текстолита или пласт­ массы, применяются также каркасы из алюминия, покры­ того изоляционным лаком или оксидной пленкой.

Индуктивное и емкостное сопротивление реостатных преобразователей можно не учитывать до частот около де­ сятков килогерц.

Реостатные преобразователи относятся к ступенчатым (дискретным) преобразователям, поскольку непрерывному изменению измеряемой неэлектрической величины соответ­ ствует ступенчатое изменение сопротивления датчика. Это обстоятельство вызывает так называемую погрешность дис­ кретности, уменьшающуюся с увеличением числа витков преобразователя.

При перемещении движка на расстояние, соответствую­ щее w виткам, на выходной характеристике образуется 2 w

ступенек, так как выходное напряжение образует ступень­ ку при перемещении движка на расстояние, равное dj2, где d — диаметр провода.

Для реостатных преобразователей с равномерной на­ моткой погрешность дискретности, %> определяется из вы­ ражения 6Д= (100/2 w),

В ряде случаев применяются функциональные реостат­ ные преобразователи с нелинейным распределением сопро­ тивления вдоль каркаса. Это достигается, например, изме­ нением высоты каркаса, как показано на рис. 24.5, шунти­ рованием части линейного реостата постоянным сопротив­ лением, применением намотки с переменным шагом и другими способами.

Измерительными цепями для реостатных датчиков слу­ жат мостовые и компенсационные цепи следящего уравно­ вешивания.

К достоинствам реостатных датчиков относятся доста­ точно высокая точность (0,05—0,02 %), большая выходная мощность и простота устройства. Пределы преобразования от долей одного оборота до 20—40 оборотов.

Кроме реостатных датчиков для измерения угла пово­ рота применяются трансформаторные датчики на базе ферродинамических измерительных механизмов, а также им­ пульсные датчики, преобразующие угол поворота а вала датчика в амплитудно-модулированный сигнал, а затем в число прямоугольных импульсов напряжения. Такие датчи­ ки применяются, например, в АСУ ТП для измерения угло­ вых перемещений в механизмах прокатных станов.

Измерение линейных размеров. Измерение линейных размеров требуется выполнять в большом диапазоне — от долей микрометра (при измерении шероховатостей поверх­ ности деталей в точном машиностроении) до десятков мет­

ров (при определении уровней горючего в нефтехранили­ щах, баках самолетов и автомобилей, зерна в элеваторах, разностей уровней верхнего и нижнего бьефов гидроэлект­ ростанций). Методы измерений выбираются в зависимости от значения измеряемого размера и требуемой точности ре­ зультата измерений.

Так в машиностроении используются преобразователи, области применения которых и погрешности приведены в табл. 24.1.

Часто требуется измерять не все значения размера, а лишь его отклонение от некоторого заданного значения.

В зависимости от измеряемого размера приборы делятся на следующие группы: профилометры, микрометры и тол­ щиномеры, уровнемеры.

Профилометры применяются для измерения шерохова­ тости поверхности ощупыванием исследуемой поверхности детали. Измерения профилометрами проводятся в пределах от долей микрометра до нескольких микрометров. Наи­ большее распространение получили профилометры с индук­ тивными преобразователями (рис. 24.6).

Щуп 1 жестко скреплен с катушкой 2, которая находит­

ся в иоле постоянного магнита. На конце щупа расположе­ на алмазная игла 3. Щуп с катушкой может перемещаться

вдоль вертикальной оси датчика вверх и вниз в зависимости от выступов и впадин на поверхности проверяемой детали. В результате этих перемещений в катушке индуктируется ЭДС, пропорциональная скорости перемещения щупа. Для оценки шероховатости поверхности преобразователь вклю­ чается в измерительную цепь. Выходной прибор градуиру­ ется в микрометрах. Выпускаются также профилометры с пьезоэлектрическими преобразователями.

Рис. 24.6. Устройство профилометра с индуктивным датчиком

Микрометры и толщиномеры предназначены для изме­ рения размеров от нескольких микрометров до 200 мм. В электрических микрометрах могут применяться все виды преобразователей перемещения: емкостные, индуктивные, а также ионизационные и фотоэлектрические. К толщиноме­

рам в отличие от микрометров часто предъявляется требо­ вание, чтобы толщина объекта (стенка трубы, гальваничес­ кого покрытия и т. д.) была измерена при доступе только с одной стороны.

Для измерения толщин проката резинового полотна и

конденсатора. Емкость конденсатора зависит от толщины материала.

Толщиномеры с индуктивными и ионизационными пре­ образователями обычно применяются для измерения тол­ щины проката листов металла.

На рис. 24.7 показано устройство датчика трансформа­ торного толщиномера для определения толщины гальвани­ ческих покрытий ферромагнитных материалов (за исключе­ нием ферромагнитных покрытий).

Преобразователем является трансформатор Т с разомк­

нутой магнитной цепью, магнитный поток которого замыка­ ется через испытуемую деталь 1. Значение магнитного по­

тока при заданной магнитодвижущей силе первичной об­ мотки зависит от толщины покрытия 2, и, следовательно, индуктированная во вторичной обмотке ЭДС Е окажется

функцией толщины покрытия.

В ионизационных толщиномерах для измерения толщи-

/=const

> (—

\

-> 1 К

77777Ш Щ 7777777777Г,

1 frz

Рис. 24.7. Трансформаторный датчик для определения толщины гальванических по­ крытий

Рис. 24.8. Емкостный датчик для измерения уровня жидкости

ны проката стали используется зависимость поглощения р-частиц от толщины металлического листа, расположен­ ного между ионизационной камерой и источником излуче­ ния р-лучей.

Уровнемеры — приборы, предназначенные для измере­ ния уровня жидкости (водохранилищ, баков и т. п.). Широ­ ко распространены электрические уровнемеры поплавково­ го типа, в которых поплавок, плавающий на поверхности жидкости, при изменении ее уровня перемещает подвижный элемент преобразователя перемещения какого-либо типа (реостатного, индуктивного или ионизационного).

Для измерения уровня бензина и других жидких диэлек­ триков применяются уровнемеры с емкостными преобразо­ вателями, плоскими или цилиндрическими электродами, частично погруженными в жидкость, уровень которой изме­ ряется (рис. 24.8). Изменение уровня жидкости h вызывает

изменение емкости преобразователя.

Измерительной цепью в этом случае служит равновес­ ная или неравновесная мостовая схема (см. гл. 13) и схемы с использованием резонансных методов измерения емкости (см. § 28.2). Последние позволяют создавать приборы с высокой чувствительностью, способные реагировать на пе­ ремещения около 10~7 мм.

Емкости большинства емкостных преобразователей со­

Рис. 24.9. Схема лазерного светодальиомера

ходимость в специальных источ­ никах питания повышенной час­ тоты.

В последнее время для изме­ рения различных неэлект­

рических величии, в том числе и геометрических размеров, находят применение лазерные приборы.

На рис. 24.9 показано устройство лазерного светодальномера, принцип действия которого основан на зависимости между измеряемым расстоянием и фазовым сдвигом меж­ ду электромагнитными колебаниями в двух лучах, вызыва­ емым разностью оптического хода этих лучей.

Излучение лазера А, модулированное по амплитуде с помощью генератора гармонических колебаний Г, распро­ страняется до уголкового отражателя УО, установленного на измеряемом расстоянии Dx от дальномера. Отраженное излучение возвращается к фотоприемнику ФП. Время рас­

пространения волны до отражателя и обратно составляет t= 2 Dxti/c. За это время фаза напряжения, питающего ла­ зер, изменится на ф*=о)о/=й)<г2 Dxti/c, где со0 — частота модуляции; п — показатель преломления среды; с — ско­

рость света в вакууме. Сдвиг фаз ф* измеряется фазомет­ ром.

Порог чувствительности современных промышленных высокочастотных фазометров составляет около 0,1°, что при частоте модуляции /0= Ю МГц и /г«1 соответствует Dxmin= 4 мм. Стабильность результатов измерения опреде­

ляется стабильностью частоты модуляции и постоянством условий на пути светового потока. Линейные размеры из­ меряются и другими методами с использованием тензомет­ рических, электронных и других датчиков.

Для измерения геометрических размеров и перемещений в устройстве числового программного управления (ЧПУ) металлорежущих станков широко используются кодирую­ щие измерительные преобразователи линейных и угловых перемещений. Пределы допустимых погрешностей для наи­ более точных преобразователей составляют \" — для угло­

вых размеров и 0,03 мкм — для линейных размеров (для перемещений до 10 мм).

Когда необходимо получить нанвысшую точность, ис­ пользуют методы, основанные на интерференции света, а

Сердечники катушки П-образной формы 1 и 2 собраны из

листовой трансформаторной стали, скрещены под углом 90° и укреплены неподвижно. Между торцами сердечников и валом имеется воздушный зазор. Часть вала, около которой расположены катушки, выполняется из ферромагнитного материала, имеющего большую магнитоупругую чув­ ствительность. Эта часть и является упругим элементом преобразователя. При однородной структуре материала упругого элемента и отсутствии крутящего момента потокосцепление между катушками w i и w2 не возникает, ЭДС Е2 на зажимах катушки w 2 равна нулю. Как только под

влиянием крутящего момента в упругом элементе возник­

ны, трубчатые пружины и сильфоны.

Первичными преобразователями торсиометров, преобра­ зующих крутящий момент в перемещение, служат всевоз­ можного вида насадки, жестко скрепленные с валом.

Основными преобразователями приборов третьей груп­ пы могут быть любые преобразователи, у которых входной величиной является перемещение.

Измерение параметров движения жидких и газообраз­ ных сред. Основным параметром движения жидкости, пара и газа является расход, т. е. количество вещества, перемеща­ ющегося через сечение потока в единицу времени. Сущест­ вует большое количество электрических расходомеров, ос­ нованных на различных методах измерения расхода.

Для измерения расхода электропроводной жидкости может применяться индукционный расходомер, принцип действия которого основан на том, что при движении пото­ ка электропроводной жидкости в магнитном поле соглас­ но закону электромагнитной индукции в ней наводится ЭДС.

На рис. 24.12 показано устройство индукционного рас­ ходомера. В трубе 1 из немагнитного материала протекает

электропроводная жидкость. Поток жидкости пронизыва­ ется переменным магнитным полем, создаваемым электро­ магнитом 2. В потоке возникает ЭДС, которая подводится

стота магнитного потока; В — индукция магнитного потока;

где Q = vn d 2/ 4 — расход, т. е. количество жидкости, прохо­

дящей через поперечное сечение трубы в единицу времени. Такой преобразователь малоииерционен, поэтому индук­ ционный расходомер можно использовать для измерения изменяющихся во времени расходов. Основная погрешность

таких расходомеров находится в пределах 1—2,5 %.

Для измерения скорости газовых потоков и их направ­ ления применяют термоанемометры, Г1П скорости являет­ ся терморезистор, вносимый в поток. При постоянных токе нагрева терморезисторов и составе газовой среды его тем­ пература и, следовательно, электрическое сопротивление будут зависеть от скорости и направления газового потока. Измерительная цепь обычно выполняется в виде мостовой схемы постоянного тока.

24.3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Диапазон измеряемых температур очень широк — от температур, близких к «абсолютному нулю», до нескольких тысяч градусов и выше. Требования к точности темпера­ турных измерений с каждым годом повышаются. В табл. 24.2 приведены диапазоны преобразования наиболее рас­ пространенных ПП для измерения температуры и их по­ грешности.

Измерение температур в области низких и средних зна­ чений производится в основном контактными методами с использованием наиболее распространенных на практике преобразователей — терморезисторов и термопар. При

этом наивысшей точностью обладают приборы, использую­ щие образцовые платиновые терморезисторы, а также по­ явившиеся в последние годы кварцевые термопреобразова­ тели с выходным сигналом в виде частоты электрических колебаний.

Бесконтактные методы измерения температуры основа­ ны на дистанционном измерении интенсивности излучения 1% нагретых тел специальными приборами — пирометрами

излучения.

К достоинствам этих методов следует отнести принци­ пиально неограниченный верхний температурный предел измерения; отсутствие обратного влияния на объект изме­ рения; возможность измерения температуры газовых пото­ ков при больших скоростях.

Основным недостатком бесконтактных методов измере­ ния температуры являются систематические погрешности показаний пирометров, возникающие вследствие отклоне­ ния свойств реальных излучателей от идеального излучате­ ля («черного тела»), по которому градуируют пирометры.

Термоэлектрические преобразователи. Для измерений температуры в пределах от —200 до +2500 °С (табл. 24.3) применяются стандартные технические термоэлектрические преобразователи, выпускаемые в СССР согласно ГОСТ 6616-74. Градуировочные таблицы и метрологические ха-

го значения в диагонали моста аб появляется разность по*

тенциалов, суммирующаяся с термо-ЭДС термопары. Изме­ нение термо-ЭДС от колебаний температуры свободных концов компенсируется сигналом, снимаемым с моста.

Для измерения термо-ЭДС часто используются автома­ тические потенциометры (см. гл. 14), применение которых обеспечивает достаточно высокую точность измерения тем­ пературы.

Терморезистивные преобразователи. Принцип работы терморезистивного преобразователя основывается на зави­ симости сопротивления проводника или полупроводника от температуры.

Полупроводниковые термосопротивления реализуют за­ висимость вида

где R e — сопротивление при температуре 0; А , В — посто­

янные коэффициенты, зависящие от материала полупровод­ ника, формы и размеров преобразователя;

Несмотря на ряд весомых преимуществ — высокую чув­ ствительность (—4% /К ), высокое сопротивление (десятки килоом), простоту конструкции, дешевизну и др., полупро­ водниковые терморезисторы не получили распространения для точных измерений, так как имеют разброс номиналь­ ных значений сопротивления до ± 3 0 % и нелинейность ха­ рактеристики.

Более высокой точностью отличаются проводниковые терморезисторы. Материалом для них служат чистые ме­ таллы, платина, медь и др.

Наиболее распространенные промышленные типы про­ водниковых терморезисторов (ГОСТ 6651-78) приведены в табл. 24.4.

Функция преобразования медных терморезисторов прак­ тически линейна в диапазоне от —50 до +180 °С:

где Ro — сопротивление при 0°С; а — температурный коэф­

фициент электрического сопротивления ( « 0 , 4 %/°С). Платиновые терморезисторы можно применять до тем­

пературы 1100°С. Функция преобразования у них нелиней­ ная и имеет вид для температур 0:

Рис. 24.15. Схемы изме­ рения температуры тер­ мометром сопротивле­ ния

При использовании терморезисторов применяют мосто­ вые, потенциометрические и логометрические измеритель­ ные цепи.

Простейшая схема измерения температуры с помощью терморезистора и магнитоэлектрического' логометра приве­ дена на рис, 24.15, а.

Для уменьшения влияния соединительных проводов на результаты измерений применяют трехпроводную схему включения. Сопротивление линии глз, которое включено в цепь питания логометра, не влияет на его показания, а со­ противления глi и гП2 суммируются с сопротивлениями па­ раллельно включенных рамок логометра R1 и R2, поэтому

вариация сопротивлений соединительных проводов мало влияет на показания прибора.

В приборах серийного производства используется схема рис. 24.15, б, где сопротивления линий гя\ и гя2 суммируют­

ся с сопротивлениями двух соседних плеч моста и при г , , = г Л2, R I = R 2 и Rt=Ra влияние температурных измене­

но!)

ний сопротивлений этих проводов взаимно компенсиру­ ется.

Измерение температуры с помощью неравновесных мо­ стов осуществляется по схеме рис. 24.15, в. Напряжение на

выходе измерительной цепи может измеряться магнито­ электрическим милливольтметром со световым указателем (узкопрофильным) или другими высокочувствительными измерителями электрических напряжений.

В промышленности широко применяются автоматичес­ кие мосты и потенциометры типов КСМ и КСП класса точ­ ности 0,25—0,5 со стандартными терморезисторами и тер­ мопарами для измерения, регистрации и регулирования температуры, описанные в гл. 13 и 14.

Пирометры излучения. В основу построения оптических пирометров для бесконтактных измерений температуры по­ ложена зависимость интенсивности излучения данной дли­ ны волны от температуры излучателя

h — f (@) при %= const.

Выпускаются яркостные, радиационные и цветовые пи­ рометры. Принцип действия яркостных пирометров заклю­ чается в сравнении яркостей излучения исследуемого объ­ екта и образцового излучателя. Образцовым источником яркости может быть, как это показано на рис. 24.16, лампа накаливания 1 с плоской вольфрамовой нитью. Если яр­

кость нити меньше яркости исследуемого объекта, то она выглядит темной на светлом фоне, а если больше, то свет­ лее фона. Если яркости одинаковы, нити не видно на фоне раскаленного тела. Для выравнивания яркостей изменяют значение тока лампы с помощью реостата R. При этом

шкала амперметра градуируется в градусах Цельсия. Так

Рис. 24.16. Устройство яркостного пирометра

17—409

как нить лампы можно нагревать только до 1400 °С, то при измерении более высоких температур используют свето­ фильтр 2, который ослабляет интенсивность излучения

объекта. В приборах с ручным уравновешиванием момент совпадения яркостей определяется экспериментатором ви­

сивности излучения в спектре монохроматических лучей, в пирометре применяют красный светофильтр <?, коорый про­ пускает лучи с длиной волны 0,62 мкм и больше. Глаз че­ ловека чувствителен к лучам с длиной волны до 0,73 мкм, поэтому сравнивают интенсивности излучения в узком спек­ тре — 0,62—0,73 мкм.

Серийные яркостные пирометры предназначены для из­ мерения температур от 700 до 6000 °С. Погрешность изме­ рения не превышает ± (0,6±2) % •

Цветовые пирометры измеряют отношения интенсивнос­ тей излучения при двух длинах волн, которые выбирают в красном и синем участках спектра. Интенсивность излуче­ ния каждой из волн преобразуется фотоэлементом, а изме­ ряемую температуру определяют отношением фототоков при облучении волнами двух длин. Примером цветового пирометра служит прибор ЦЭП-3, который позволяет из­ мерять температуру в пределах 1400—2800 °С с погрешно­ стью ± 1 %.

В радиационных пирометрах измеряют интегральное (полное) излучение. Приемник полного излучения должен быть чувствителен ко всем длинам воли. Им служит тонкая металлическая пластинка, покрытая сажей. Приемник, оп­ тическая система и другие дополнительные устройства образуют телескоп радиационного пирометра, помещенный в металлический корпус.

Температура приемника преобразуется в электрический сигнал с помощью батареи термопар. Радиационные пиро­ метры применяют для измерения температуры от 20 до 3000 °С. Основная погрешность таких пирометров составля­ ет от ± 1 2 до ± 3 5 °С в зависимости от измеряемой темпе­ ратуры.

Глава д в а д ц а т ь п ят ая

АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

25.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Электронные измерительные приборы, основными функ­ циональными узлами которых являются различные элект­ ронные устройства, применяются для измерения электри­ ческих величин как на постоянном токе, так и в широкой полосе частот, а также для наблюдения и исследования фор­ мы радиосигналов и характеристик радиоэлектронных уст­ ройств и генерирования испытательных сигналов.

По принципу действия электронные измерительные при­ боры делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых измерительных приборах показания являются непрерывной функцией измеряемой величины, а цифровые измеритель­ ные приборы автоматически вырабатывают дискретные сиг­ налы измерительной информации, и их показания представ­ ляются в цифровой форме.

Аналоговые электронные измерительные приборы мож­ но разделить на четыре основные группы. В первую — са­ мую большую — можно включить приборы для измерения параметров и характеристик сигналов (например, вольт­ метры, осциллографы, частотомеры, анализаторы спектра и др.).

Вторая группа — приборы для измерения параметров и характеристик элементов электрических и радиоэлектрон­ ных схем и измерения характеристик активных и пассивных двухполюсников и четырехполюсников. Сюда входят изме­ рители сопротивления, емкости, индуктивности, парамет­ ров транзисторов, туннельных диодов, электронных ламп, а также приборы для снятия частотных и переходных харак­ теристик и др.

Третью группу образуют измерительные генераторы, яв­ ляющиеся источником сигналов различных уровня, формы и частоты.

Элементы измерительных схем, такие, как аттенюаторы (ослабители сигнала), фазовращатели и др., образуют чет­ вертую группу.

В соответствии с ГОСТ 15094-69 «Приборы электрон­ ные радиоизмерительные. Классификация. Наименования и

обозначения» все электронные измерительные приборы и меры электрических величин для них в зависимости от ха­ рактера измерений и вида измеряемых величин делятся на 20 подгрупп, которые обозначаются прописными буквами русского алфавита. Каждая подгруппа состоит из несколь­ ких видов, обозначаемых арабскими цифрами по порядку. Приборы, образующие один вид, подразделяются на типы, имеющие порядковые номера. Номер типа прибора отделя­ ется от номера вида дефисом (черточкой).

Классификация электронных измерительных приборов приведена в приложении.

В обозначении комбинированного прибора, предназна­ ченного для измерения нескольких физических величин, к основному обозначению подгруппы добавляется буква «К». Модернизированные приборы сохраняют прежнее обозна­ чение, но после номера модели добавляется прописная бук­ ва русского алфавита: А — первая модернизация, Б — вто­ рая и т. д.

Примеры обозначений: В2-25 — вольтметр постоянного тока, тип 25; ВЗ-48 — вольтметр переменного тока, тип 48; В7-17 — вольтметр универсальный, предназначенный для измерения постоянного и среднеквадратического значений гармонических напряжений и активного сопротивления; ВК.2-17.— вольтомметр; В4-9А— вольтметр импульсного тока модернизированный.

Приборы, предназначенные для эксплуатации в услови­ ях тропического климата, должны иметь в обозначении пос­ ле номера модели букву «Т». При конструктивной модифи­ кации ее номер обозначается арабскими цифрами после дробной черты. Например, прибор В2-10БТ/2 является вольтметром постоянного тока, десятой модели, второй мо­ дернизации, предназначен для работы в условиях тропиче­ ского климата и относится ко второй конструкторской мо­ дификации.

25.2. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА В ВЫСОКООМНЫХ И ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЦЕПЯХ

Большинство радиоэлектронных устройств содержит высокоомные цепи и работает в диапазоне высоких частот, поэтому измерение напряжения и тока в этих устройствах имеет ряд особенностей по сравнению с измерением напря­ жения и тока в низкоомных цепях постоянного и перемен­ ного тока промышленной частоты.

его индуктивность и емкость должны быть как можно мень­ ше. Кроме того, включение амперметра в исследуемую цепь рекомендуется производить в точках с наименьшим потен­ циалом относительно корпуса, так как при этом ток утечки через паразитные емкости минимален.

Таким образом, для измерения напряжения и тока в вы­ сокоомных и высокочастотных цепях требуются приборы с высоким входным сопротивлением, малыми входной емко­ стью и индуктивностью. Именно такими приборами явля­ ются электронные измерительные приборы, использующие активные элементы радиоэлектроники — транзисторы раз­ личных типов, интегральные микросхемы и электронные лампы. Важнейшим структурным узлом электронного при­ бора является усилитель мощности, построенный на основе этих элементов. Коэффициент его усиления по напряжению обычно превышает единицу в широком диапазоне частот, благодаря чему чувствительность электронных приборов ограничивается лишь уровнями воздействующих на вход прибора помех и собственных шумов усилителя. Вместе с тем наличие большого числа компонентов уменьшает на­ дежность работы, увеличивает стоимость и повышает тре­ бования к квалификации операторов.

25.3. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ВОЛЬТМЕТРОВ

Электронные вольтметры составляют наиболее обшир­ ную подгруппу среди электронных приборов. В соответст­ вии с назначением приборы этой подгруппы делятся на ус­ тановки для поверки вольтметров; вольтметры постоянного, переменного и импульсного тока; фазочувствительные, се­ лективные и универсальные вольтметры; измерители отно­ шения и разности напряжений; преобразователи напря­ жений.

Приборы и установки для поверки вольтметров предна­ значены для настройки, регулировки и поверки измерите­ лей напряжения. Основу их составляют источники напря­ жений калиброванного уровня.

Отличительной особенностью электронных вольтметров постоянного тока являетя их высокое входное сопротивле­ ние, благодаря которому эти приборы пригодны для изме­ рения постоянного напряжения на участках цепей, сопро­ тивление которых достигает сотен килоом, а иногда и не­ скольких мегаом.

В таком режиме УПТ обладает очень высоким входным и весьма малым выходным сопротивлениями. Это позволяет для определения пределов измерений ставить на входе вы­ сокоомный делитель напряжения с полным сопротивлением, достигающим десятков мегаом. Установка нуля измерите­

осуществляется с помощью высокоомного резистивного де­ лителя R1—R3 и переключателя SAL Снижение дрейфа

нуля обусловлено симметрией схемы и идентичностью ха­ рактеристик симметрично расположенных элементов VT1— VT2, R5—R8. Вольтметр, схема которого показана на рис.

25.3, предназначен для измерения напряжений только отно­ сительно высокого уровня, так как коэффициент усиле­ ния истокового повторителя по напряжению меньше единицы.

Электронные вольтметры, выполненные на полевых транзисторах, по основным техническим характеристикам во многом аналогичны ламповым вольтметрам, но значи­ тельно превосходят их по компактности и экономичности питания.

В вольтметрах для измерения малых напряжений (0,1 В и ниже) применяют метод модуляции сигнала, сни­ жающий дрейф нуля до единиц микровольт и долей микро­ вольта за несколько часов работы.

Структурная схема микровольтметра постоянного тока В2-25 приведена на рис. 25.4, Усилитель постоянного тока этого прибора охвачен глубокой отрицательной обратной связью и содержит модулятор, преобразующий входное напряжение УПТ в переменное. Далее переменное напря-

жение усиливается усилителем низкой частоты УНЧ, вы­ прямляется синхронным детектором (демодулятором) и подается на дополнительный УПТ, на выходе которого включен измерительный механизм. Для уменьшения влия­ ния на точность измерения переменной составляющей тока промышленной частоты 50 Гц, обычно присутствующего во входном сигнале, служит входной фильтр нижних частот. Сигнал дрейфа, зарождающийся во входных цепях УНЧ,

преобразуется в переменное напряжение на выходе демо­ дулятора и отфильтровывается от полезного выпрямленно­ го напряжения. Работой микровольтметра управляет гене­ ратор импульсного напряжения Г Усилители постоянного

тока с такой структурой называются УПТ с каналом МДМ (модуляция — демодуляция).

Переключение пределов измерения осуществляется пу­ тем изменения коэффициента усиления УПТ. Для этого с помощью делителя в цепи обратной связи, собранного на прецизионных резисторах, производится выбор коэффици­ ента обратной связи [см. (1.6)], а значит, и коэффициента усиления усилителя. Предусмотрена возможность регули­ рования коэффициента усиления от 1 до 333 333 раз. Уси­ ленное напряжение выводится также на специальный вы­ ход и может быть подано на регистратор или какое-либо другое устройство.

25.S. ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Одним из самых необходимых приборов в условиях ра­ диотехнической практики является многопредельный вольт­ метр переменного тока, сохраняющий в широком диапазо­ не низких и высоких частот большое входное сопротивле­ ние и достаточно высокую точность.

Кроме входного делителя напряжения, усилителя посто­ янного или переменного тока и магнитоэлектрического ин­ дикатора электронный вольтметр переменного тока содер­ жит также преобразователь переменного напряжения в по­ стоянное— детектор (выпрямитель). В зависимости от

Рис. 25.6. Временная диаграмма сигналов в цепях диодного пикового детектора

параллельно соединенными резистором R и конденсатором

С. Если на вход подать измеряемое напряжение синусои­ дальной формы t/nx, «вх(0» т0 первый положительный полупериод этого напряжения вызовет большой импульс тока

ется до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет зна­ чения UKtпик, близкого к амплитуде измеряемого напряже­

ния. Тогда процесс устанавливается и напряжение на кон­ денсаторе слегка пульсирует вокруг С/к.ник.

Пульсация происходит за счет разряда конденсатора че­ рез резистор R и заряда его через внутреннее сопротивле­ ние диода и источника сигнала Ri. Значения С и R в схе­

мах пиковых диодных детекторов выбираются в основном из условия значительного превышения постоянной времени

Принцип действия диодного пикового детектора с за­ крытым входом отличается тем, что конденсатор С заря­

жается во время действия на входе детектора отрицатель­ ного полупериода и ток его разряда протекает через резис­ тор R и внутреннее сопротивление источника сигнала (на

схеме не показано). При измерении пульсирующего напря­ жения, состоящего из переменной и постоянной составляю­ щих, электронные вольтметры, содержащие детекторы с открытым и закрытыми входами, дают различные показа­ ния. На показания вольтметра с открытым входом влияет постоянная входного сигнала. Показания вольтметра с за­ крытым входом не зависят от постоянной составляющей,

Рис. 25.7. Структурная схема универсального электронного вольтметра В7—17

так как конденсатор С отделяет ее от диода и резистора

выходной цепи детектора. Пиковые детекторы с закрытым входом имеют преимущественное применение в электрон­ ных вольтметрах переменного тока.

В качестве примера приведем структурную схему (рис. 25.7) и основные технические данные универсального элек­ тронного вольтметра В7-17:

значен для измерения постоянного, среднеквадратического значения гармонических напряжений и активного сопро­ тивления.

Измеряемое постоянное или выпрямленное пиковым ди­ одным детектором переменное напряжение подается через делитель напряжения на вход УПТ, к выходу которого под­ ключен микроамперметр со шкалой, проградуированной в вольтах, децибелах и омах.

Детектор конструктивно выполняется в виде пробника и во время измерений подносится непосредственно к иссле­ дуемой цепи. К требуемой точке цепи пробник подсоеди­ няется коротким проводником; второй зажим предвари­ тельно подключают к точке наименьшего потенциала цепи, обычно к корпусу.

Рис. 25.8. Структурная схема милливольтметра переменного тока

Питается прибор от источника стабилизированного на­ пряжения.

Вольтметры типа усилитель — детектор характеризуют­ ся более узким диапазоном частот (до 30 МГц), ограничен­ ным полосой пропускания усилителя. Нижний предел из­ меряемых напряжений определяется уровнем собственных шумов усилителя и обычно составляет несколько микро­ вольт. Эти приборы представляют собой электронные мил­ ливольтметры переменного тока. При необходимости изме­ рения малых и больших напряжений милливольтметры переменного тока выполняются многопредельными. Обоб­ щенная структурная схема многопредельного милливольт­ метра переменного тока приведена на рис. 25.8. Он содер­ жит входной делитель напряжения В Д , усилитель мощности УМ, основной многоступенчатый делитель напря­ жения ДН, широкополосный усилитель ШУ, детектор Д и

измерительный механизм Я. Электронными милливольт­ метрами без усложнения их схемы можно измерять боль­ шие переменные напряжения лишь при условии включения на входе резистивного или емкостного делителя напряже­ ния. Входные делители напряжения выполняются в виде отдельной приставки к прибору или конструктивно объеди­ няются с ним. Для упрощения конструкции и в целях предотвращения возрастания погрешности измерений вход­ ные делители напряжений обычно выполняются односту­ пенчатыми с коэффициентом передачи напряжения, напри­ мер, 1 :1 или 1 : 1000. Благодаря применению входного делителя напряжения удается удвоить число пределов из­ мерения милливольтметра.

Для ослабления влияния на исследуемую цепь и обеспе­ чения сравнимости показаний при измерении малых и боль­ ших напряжений милливольтметр должен иметь входное сопротивление, сохраняющее высокое и по возможности стабильное значение на всех пределах измерений. При ис­ пользовании в качестве усилителя мощности катодного или истокового повторителя входное сопротивление может до­ стигать нескольких мегаом.

Рис. 25.10. Преобразователь среднего значения с отрицательной обрат­ ной связью

тщательная экранировка усилителя в целом или отдельных его каскадов и хорошая фильтрация питающих напряже­ ний.

Вмилливольтметрах переменного тока применяются ди­ одные детекторы средневыпрямленного, амплитудного и среднеквадратического значений переменного напряжения.

Простейшие диодные детекторы средневыпрямленного значения представлены на рис. 6.2—6.4. В таком виде они находят применение в милливольтметрах.

Вцелях уменьшения влияния изменения сопротивлений диодов в прямом направлении от температуры и улучшения линейности характеристик преобразователя применяют от­ рицательную обратную связь по току (рис. 25.10). Преоб­ разователь содержит дифференциальный усилитель У, де­ тектор, выполненный на полупроводниковых диодах VD1— VD4 по мостовой схеме, и резистор обратной связи R0,с*

Напряжение обратной связи, значение которого пропорцио­ нально выходному току преобразователя, поступает на ин­ вертирующий вход дифференциального усилителя. Иссле­ дуемое напряжение Ux подается на неинвертирующий вход

усилителя. Частотные возможности такого преобразовате­ ля определяются в основном амплитудно-частотными ха­ рактеристиками усилителя.

Вэлектронных милливольтметрах для измерения амп­ литуды переменного напряжения применяются пиковые де­ текторы.

Детекторы действующего значения, используемые в большинстве электронных милливольтметров переменного тока, выпущенных в последние годы, включают в себя схе­ му с термоэлектрическими преобразователями (рис. 25.11). Измеряемое напряжение, предварительно усиленное широ-

Таким образом, постоянный выходной ток, протекающий через измерительный механизм, пропорционален действу­ ющему значению входного переменного тока.

Подобные преобразователи имеют значительную тепло­ вую инерцию, что позволяет использовать их для измерения напряжения инфранизких частот. Общий недостаток прибо­ ров с термоэлектрическими преобразователями — чувстви­ тельность к перегрузкам. Их нагреватели перегорают при

тока ВЗ-48. Милливольтметр предназначен для измерения среднеквадратического значения напряжения произвольной формы и для преобразования среднеквадратического значе­ ния напряжения произвольной формы в пропорциональное напряжение постоянного тока.

Структурная схема милливольтметра ВЗ-48 соответст­ вует приведенной на рис. 25.8.

25.6. ИМПУЛЬСНЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Импульсные вольтметры предназначены для измерения амплитуды импульсов любой полярности в широком диапа­ зоне длительностей и частот следования и синусоидальных сигналов. По принципу действия импульсные вольтметры ранних выпусков, так же как и вольтметры переменного тока, представляли собой приборы типа детектор—усили­ тель или усилитель — детектор. Первые из них (например,

Рис. 25.13. Схема автокомпенсациониого импульсного вольт­

метра с закрытым входом

тельно, и С2 до тех пор, пока напряжение на этих конден­

саторах не будет равно амплитуде полжительного импуль­ са. Установившееся таким образом напряжение на конден­ саторе С2 поступает на усилитель постоянного тока УПТ и

измерительный механизм.

На рис. 25.13 приведена структурная схема автокомпенсационного импульсного вольтметра с закрытым входом. Схема работает следующим образом. Положительный им­ пульс, проходя через диод VD1 и резистор R1, заряжает конденсатор С до определенного значения. При этом на ре­ зисторе R1 возникает импульсное напряжение, которое

поступает на вход инвертирующего импульсного усилителя УИ. Усиленные импульсы отрицательной полярности через диод VD2 и R0,c подзаряжают конденсатор С. Описанный

процесс продолжается до тех пор, пока напряжение на кон­ денсаторе достигает пикового значения измеряемого сигна­ ла. При этом ток через диод VD1 прекращается, напряже­

ние на входе импульсного усилителя оказывается равным нулю.

Недостатком подобных приборов является то, что они способны следить только за увеличивающимися значения­ ми амплитуды импульсов, а при контроле амплитуд, умень­ шающихся во времени, перед каждым отсчетом следует разряжать конденсатор. Приборы автокомпенсационной си­ стемы обладают высокой чувствительностью, что позволяет использовать их в качестве милливольтметра импульсного тока.

Структурная схема импульсного милливольтметра В4-12 приведена на рис. 25.14. Входное устройство прибора вы­ полнено в виде выносного высокочастотного пробника, со­ держащего катодный повторитель, а внешний делитель — в виде насадки к этому пробнику. Такое конструктивное по­ строение дает возможность измерять импульсные напряже­ ния с фронтами малой длительности. С входного устройст­ ва импульсы поступают на основной делитель напряжения

рых могут регулироваться в некоторых пределах и отсчи­ тываться (или устанавливаться) с гарантированной для данного прибора точностью.

Основной эксплуатационной характеристикой измери­ тельного генератора является диапазон перекрываемых им частот, fmin — f m a x . Это такой частотный интервал, в кото­ ром сигнал соответствует всем нормам по точности, пред­ писанным данному прибору.

К другим не менее важным эксплуатационным харак­ теристикам измерительных генераторов относятся диапа­ зон регулировки выходного сигнала, пределы регулировки глубины амплитудной модуляции, значения девиации для режима частотной модуляции, длительности импульса в режиме импульсной модуляции, значения выходного со­ противления ИТ. д.

Регулировка частоты в измерительных генераторах обычно осуществляется двумя способами: ступенчато и плавно. Часть частотного диапазона генератора, в котором частота сигнала устанавливается плавно, называется поддипазоном. Иногда в измерительных генераторах весь ча­ стотный диапазон перекрывается плавно (например в ге­ нераторах на биениях), понятие поддиапазон в таких ге­ нераторах не используется.

Амплитуда выходного сигнала устанавливается также двумя способами: изменением опорного уровня сигнала по шкале измерительного прибора или методом сравнения с опорным напряжением и затем установкой необходимого значения ослабления с помощью выходного аттенюатора.

Все измерительные генераторы должны отвечать опре­ деленным техническим требованиям в отношении формы генерируемых колебаний, диапазона генерируемых частот, погрешности установки частоты и ее стабильности, преде­ лов изменения и погрешности установки выходного напря­ жения (мощности), степени модуляции, значения выходно­ го сопротивления и т. д.

Визмерительных генераторах, выпускаемых промыш­ ленностью, погрешность установки частоты не превышает 3% , а коэффициента нелинейных искажений выходного сигнала 1,5 %.

Взависимости от формы выходного напряжения разли­ чают измерительные генераторы шумовых сигналов, сину­ соидальных колебаний и сигналов несинусоидальной формы.

Измерительные генераторы шумовых сигналов являют-

ся источниками случайного шумового сигнала с широким спектром частот и калиброванным уровнем выходного на­ пряжения. Они предназначены для измерения коэффициен­ та шума приемно-усилительных устройств, коэффициента усиления и нелинейных искажений усилителей, определе­ ния уровня помех, снятия частотных и переходных харак­ теристик электронных устройств и т. д. Серийные измери­ тельные генераторы шумовых сигналов Г2-5Б, Г2-6Б, Г2-37, Г2-41, Г2-43 и др. классифицируются преимущест­ венно по диапазону частот. В зависимости от диапазона, в котором находится верхняя граничная частота спектра шума, измерительные генераторы шумовых сигналов де­

по диапазону генерируемых частот подразделяются на низ­ кочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные.

Низкочастотные измерительные генераторы являются источниками стабильных синусоидальных колебаний йнфразвуковых (0,01—20 Гц), звуковых (20—20000 Гц) и ультразвуковых (20—200 кГц) частот. Они применяются при испытании и наладке низкочастотных усилителей и электроакустических установок, устройств автоматики и вычислительной техники, градуировке частотомеров и вольтметров, измерении частоты и фазового сдвига мето­ дами сравнения, а также для модуляции колебаний высо­ кочастотных генераторов и питания различных измери­ тельных устройств.

Широкое распространение получили измерительные генераторы низкочастотных сигналов ГЗ-2, ГЗ-4, ГЗ-18, ГЗ-ЗЗ, ГЗ-36, ГЗ-102, ГЗ-106 и др.

Высокочастотные (сверхвысокочастотные) измеритель­ ные генераторы — это источники маломощных немодулированных или модулированных высокочастотных (сверхвы­ сокочастотных) колебаний с регулируемыми и контроли­ руемыми амплитудой, частотой, формой выходного сигнала. Ориентировочно диапазон частот высокочастот­

Рис. 26.3. Принципиальная электрическая схема задающего генерато­ ра измерительного прибора ГЗ-37

На этой частоте напряжения U\{t) и «2 (0 совпадают по

фазе.

Коэффициент затухания фазирующей цепи при R1=R2 и С1=С2 равен трем. Это означает, что минимальный

коэффициент усиления напряжения усилителя, при кото­ ром удовлетворяется условие самовозбуждения, также должен быть равен трем. Это требование выполняется с помощью отрицательной обратной связи, которую наряду с положительной обратной связью можно ввести в усили­ тель. Отрицательная обратная связь способствует сниже­ нию нелинейных искажений генерируемых колебаний.

Принципиальная электрическая схема задающего ге­ нератора измерительного прибора ГЗ-36 приведена на рис. 26.3. Задающий генератор выполнен на трех транзи­ сторах. На транзисторах VT1 и VT3 выполнены усилители напряжения, а на транзисторе VT2 — усилитель мощности

(эмиттерный повторитель), который служит для согласо­ вания каскадов. Так как выходное напряжение эмиттерного повторителя совпадает по фазе с входным напряжением и число фазоинвертирующих каскадов четное, условие са­ мовозбуждения задающего генератора выполняется.

Фазирующая цепь содержит резисторы R1—R4 и кон­ денсаторы С1— С8. Выбор требуемого поддиапазона осу­ ществляется переключателем SA1, а плавное изменение

частоты в пределах поддиапазона производится измене­ нием сопротивлений сдвоенного резистора Rl, R3. В ка­

честве нагрузок усилителей напряжения используются ре­ зисторы R7, R8 и R17. Резистор R13 является нагрузкой

усилителя мощности. Температурная стабилизация напря­ жения смещения транзисторов обеспечивается резистивны­ ми делителями R5, R6 и R14, RJ5, R16, а стабилизация эмиттерного тока — резисторами R9, R10 и R18, R19. Связь

между первым и вторым каскадайи гальваническая, а между вторым и третьим — емкостная {С10). Конденсатор С11, блокируя переменную составляющую эмиттерного то­ ка транзистора VT3, устраняет отрицательную обратную

связь по переменному току, возникающую на резисторе R19, что способствует увеличению коэффициента усиле­

ния. В целях стабилизации рабочего режима транзисто­ ров, уменьшения коэффициента нелинейных и частотных искажений выходного сигнала в схему усилителя введены отрицательные обратные связи по току (резисторы R9, RIO, R18) и напряжению (элементы С9, RIO, Rll, R12).

Температурная стабилизация глубины обратной связи обеспечивается термистором R12. С помощью резисторов R7, R14 осуществляется первоначальная установка рабо­

чего режима транзисторов.

Измерительные генераторы низкой частоты на биениях качественно отличаются от генераторов других типов по­ вышенной стабильностью частоты выходного сигнала. Не­ достатками генераторов, ограничивающими их применение, является относительная сложность схемы и конструкции задающего генератора, значительные габаритные размеры и масса.

Задающий генератор на биениях (рис. 26.4) содержит два однотипных высокочастотных генератора Г1 и Г2, ко­

торые представляют собой маломощные генераторы типа LC. Первый из них генерирует колебания опорной частоты fi. Частоту колебаний второго генератора f2 можно плавно изменять в некоторых пределах. Для предотвращения вза­ имосвязи между LC-генераторами и влияния выходных це­ пей на режим их работы, высокочастотные колебания дополнительно усиливаются с помощью буферных усилите­ лей высокой частоты VI и У2 и затем подаются на смеси­

тель. В смесителе при взаимодействии колебаний с часто­ тами ft и /г возникают биения, представляющие собой сум­ марное колебание, амплитуда которого периодически изме­ няется с разностной частотой,

Рис. 26.4. Структурная схема задающего генератора на биениях

При детектировании биений выходное напряжение помимо постоянной составляющей содержит составляющие высо­ ких частот fi, f2, 2fu 2f2, f i+ f 2, fi + 2f2, 2Д+ f 2, 2/i-j-2f2 и т.д., а также низкочастотную составляющую fi—f2*

Высокочастотные составляющие выходного сигнала уст­ раняются с помощью фильтра нижних частот, и на выходе задающего генератора действует лишь напряжение низкой частоты F. Эту частоту можно плавно регулировать в пре­ делах от нескольких десятков герц до Fmax изменением

частоты второго высокочастотного генератора. Например, если fI= 2 0 0 кГц, a f2 имеет возможность плавного изме­

нения в пределах от 200 до 180 кГц, то низкочастотная со­ ставляющая выходного сигнала будет плавно изменяться в пределах примерно от 20 Гц до 20 кГц.

Высокочастотные генераторы, применяемые в задаю­ щем генераторе на биениях, имеют аналогичное схемное решение, питаются от общего источника и находятся в од­ ном конструктивном блоке, поэтому внешние факторы ока­ зывают примерно одинаковое воздействие на режим их ра­ боты и, следовательно, на изменение частоты генерируе­ мых колебаний. Разностная частота выходного сигнала при этом изменяется незначительно. Измерительные генерато­ ры на биениях характеризуются широким диапазоном плавного изменения частоты.

Сигнал синусоидальной формы, сформированный в за­ дающем генераторе, подлежит дальнейшему усилению по напряжению и мощности. Если требуемая выходная мощ­ ность генератора не превышает десятых долей ватта, то уси­ литель напряжения отсутствует и усилитель мощности под­ ключают непосредственно к задающему генератору. При большей мощности измерительного генератора между за­ дающим генератором и усилителем мощности помещают дополнительный промежуточный (буферный) усилитель на­ пряжения. Усилители напряжения и мощности, применяе­

занную с катушкой L2. Режим работы транзистора по по­ стоянному току обеспечивается резисторами Rl, R2, R3. Резисторы R2, R3, кроме того, стабилизируют значение эмиттерного тока транзистора. Подстроечный резистор R2

является также элементом отрицательной обратной связи генератора. Благодаря действию отрицательной обратной связи происходит уменьшение нелинейных и частотных ис­ кажений, а также частичная стабилизация уровня выход­ ного сигнала. Блокировкой резистора R3 конденсатором С5 устраняется отрицательная обратная связь по перемен­

ному току, возникающая на этом резисторе. Емкостная связь контура с транзистором обеспечивается конденсато­ ром СЗ. Конденсатор С4 служит для блокировки источника

питания по переменному току.

В целях дальнейшего усиления сигнала, а также для предотвращения влияния выходных цепей на режим работы задающего генератора в измерительных генераторах высо­ кой частоты применяются буферные усилители. Кроме то­ го, в буферном усилителе при необходимости легко осуще­ ствляется амплитудная модуляция высокочастотного сиг­

нала.

Буферные каскады, применяемые в измерительных ге­ нераторах высокой частоты, представляют собой резонанс­ ные или широкополосные усилители. Применение широко­ полосных усилителей исключает громоздкую и сложную механику сопряжения резонансного усилителя с контуром задающего генератора, однако отрицательно сказывается на шумовых характеристиках сигнала,.

Рис. 26.7. Схема бу­ ферного каскада из­ мерительного генера­ тора высокой частоты

В качестве примера приведем схему буферного каскада (рис. 26.7), состоящего из широкополосного усилителя, выполненного на транзисторе VT1, и эмиттериого повтори­ теля (транзистор VT2). Нагрузкой широкополосного уси­ лителя являются резистор R3 и реактор высокой частоты Ы . С помощью реактора и элементов эмиттерной цепи С2, R4 осуществляется коррекция частотной характеристики

усилителя в области верхних частот. Выбор и стабилизация режима работы транзистора обеспечиваются с помощью ре­ зисторов R l , R2, R4. Связь буферного каскада с задающим генератором емкостная (конденсатор С1). Выходное на­ пряжение снимается с резистора нагрузки R5 эмиттериого повторителя и через разделительный конденсатор СЗ пода­

ется на аттенюатор.

Для настройки и испытания радиоприемных устройств требуется калиброванное высокочастотное напряжение вплоть до единиц или долей микровольта. Такое малое на­ пряжение получают с помощью специального делителя (аттенюатора), коэффициент ослабления которого можно регулировать в широких пределах. Непосредственное изме­ рение столь малых напряжений в широком частотном диа­ пазоне затруднительно, поэтому в измерительных генера­ торах применяют косвенный метод измерения напряжения. С помощью простейшего' высокочастотного вольтметра из­ меряют уровень высокочастотного напряжения, подводимо­ го к аттенюатору, а напряжение на выходе генератора оп­

Рис. 26.8. Схемы аттенюаторов измерительных генераторов высокой час­ тоты

усилителя подводится напряжение высокой частоты. По­ тенциометр R1 обычно снабжается шкалой, пользуясь

которой, можно производить приближенный отсчет снимае­ мых с него напряжений. Для дальнейшего ослабления вы­ ходного напряжения служит ступенчатый аттенюатор, со­ стоящий из пяти Г-образных ячеек (резисторы R2—RU) и переключателя SA1. Каждая ячейка содержит два резисто­

ра и ослабляет напряжение в 10 раз. Следовательно, пять ячеек ступенчатого аттенюатора позволяют ослабить напря­ жение в 105 раз, что при входном напряжении, равном 1В, и при установке шкалы потенциометра R1 в положение, со­

ответствующее 0,1 В, обеспечивает наименьшее выходное напряжение 1 мкВ.

Недостатком данного аттенюатора является зависимость его выходного сопротивления от коэффициента ослабле­ ния. При испытании радиоприемных устройств выходное сопротивление генератора является частью активного со­ противления эквивалентной антенны, поэтому изменение последнего может привести к расстройке входной цепи ра­ диоприемного устройства и, следовательно, к возникнове­ нию дополнительной погрешности измерения.

Аттенюатор, схема которого приведена на рис. 26.8, б, имеет постоянное выходное сопротивление на всех преде­ лах. Здесь выходное напряжение с потенциометра плавной регулировки R1 подается непосредственно на выход, кото­

рый используется для снятия высокочастотных напряжений в пределах от 1 до 0,1 В. Резистор R2 — балластная на­ грузка. Напряжение, снимаемое с потенциометра R1, че­ рез резистор R3 подводится к ступенчатому аттенюатору (резисторы R4—R12), в котором регулировка ослабления

осуществляется со стороны выхода высокочастотного сиг­ нала.

В качестве соединительных проводов, связывающих вы­ ход аттенюатора с исследуемой установкой, обычно исполь­ зуется коаксиальный кабель с постоянным эквивалентным сопротивлением нагрузки на его конце. С помощью сопро­ тивления нагрузки можно дополнительно ослабить выход­ ное напряжение в 10 или 100 раз.

В целях предотвращения воздействия электромагнит­ ных полей Генератора аттенюатор конструктивно подвер­ гается тщательной экранировке. Кроме того, высокочастот­ ные наводки могут иметь место и внутри аттенюатора за счет емкостных и индуктивных связей, поэтому отдельные ячейки аттенюатора разделяются между собой с помощью дополнительных экранов. В качестве материала, используе­ мого для изготовления экранов, обычно применяется лис­ товая медь или дюралюминий толщиной 0,5— 1,5 мм.

Наиболее распространенными генераторами рассматри­ ваемой подгруппы являются генераторы Г4-102, Г4-106 и генератор повышенной мощности Г4-118.

Структурная схема измерительного генератора высокой частоты Г4-102 приведена на рис. 26.9. Сигнал высокой час­ тоты формируется в задающем генераторе LC-типа И ,

Плавная настройка частоты производится конденсатором переменной емкости, а переключение поддиапазонов—ком­ мутацией катушек индуктивности. Смодулированный сиг­ нал с задающего генератора через широкополосный буфер­ ный усилитель вспомогательного канала У1 подается на

выход. В тракте основного канала сигнал с задающего ге­ нератора поступает на амплитудный модулятор М, пред­ ставляющий собой широкополосный буферный усилитель, коэффициент передачи которого управляется модулирую­ щим сигналом. Модулирующий сигнал частотой 1 кГц в режиме внутренней модуляции поступает от генератора низкой частоты Г2. В режиме внешней модуляции напря­

жение модуляции подается от отдельного источника сигна­ ла. Регулировка и отсчет уровня амплитудной модуляции осуществляются в блоке Р. На выходе канала основного

сигнала применен дополнительный широкополосный усили­ тель У2 и аттенюатор с переменным коэффициентом ослаб­ ления Д.

Для поддержания опорного уровня сигнала на входе аттенюатора, который в процессе эксплуатации измери­ тельного генератора может изменяться в некоторых преде­ лах, предусмотрена система автоматического регулирова­ ния усиления (АРУ).. Продетектированный выходной сиг­ нал подается на вход дифференциального усилителя УЗ

системы АРУ, на второй вход которого подается постоян­ ное опорное напряжение с регулятора R. Выходное напря­ жение дифференциального усилителя УЗ, поступающее в цепи баз транзисторов буферного усилителя модулятора М,

изменяет его коэффициент усиления. Система АРУ так ре­ гулирует выходной сигнал, что разность напряжений на входах дифференциального усилителя УЗ стремится к ну­

лю. Следовательно, изменение сигнала на входе аттенюато­ ра Д или опорного напряжения на втором входе дифферен­ циального усилителя УЗ вызывает изменение коэффициен­

та усиления буферного каскада модулятора и соответствен­ но значения выходного напряжения в нужную сторону.

Основной эксплуатационной особенностью описываемо­ го прибора является взаимная независимость регулировок основных параметров выходного сигнала. Например, изме­ нение частоты задающего генератора не вызывает измене­ ний уровня выходного сигнала и коэффициента модуляции или регулировка уровня сигнала не влияет на глубину мо­ дуляции и наоборот. Наличие немодулированного сигнала на вспомогательном выходе позволяет точно контролиро-

ных систем или приборов, используемых при измерениях совместно с генератором импульсов. В качестве задающих генераторов преимущественно применяются блокинг-гене- раторы и мультивибраторы.

Упрощенная электрическая схема задающего генерато­ ра приведена на рис. 26.11. Блокинг-генератор, используе­ мый в качестве задающего генератора, содержит транзис­ тор VT1, импульсный трансформатор 77, зарядно-разряд­ ный конденсатор С1 и резисторы R1—R4. С помощью резисторов R2—R4 и переключателя SA1 осуществляется вы­ бор требуемого поддиапазона, а с помощью резистора R I—

плавная регулировка частоты следования импульсов в пре­ делах поддиапазона. В целях повышения уровня стабили­ зации периода повторения выходных импульсов и вых напря­ жение питания генератора Ек поддерживается постоян­

ным с помощью дополнительного устройства. Блокинг-гене­ ратор работает в режиме большой скважности. Вырабаты­ ваемые им импульсы, по форме близкие к прямоугольным, поступают на устройство задержки.

Обычно устройство задержки импульсов представляет собой совокупность схем фиксированной и регулируемой задержки. Фиксированная задержка типа LC. Изменяя ко­

личество LC-звеньев в линии, можно ступенчато изменять время задержки в некоторых пределах. Регулируемая за­ держка зачастую выполняется на ждущих мультивибрато­ рах (рис. 26.12). Удобным в этом отношении является жду­ щий мультивибратор с эмиттерной обратной связью, обра­ зующейся на резисторе R6. В исходном состоянии транзис­ тор VT1 закрыт, a VT2 открыт. Такое состояние мультиви­

братора обеспечивается подбором сопротивлений резисторов R1 и R2. Запускающий импульс положительной поляр-

ности, который поступает от задающего генератора через

на выходе мультивибратора формируется прямоугольный импульс положительной полярности, длительность которого определяется временем разряда конденсатора С2 через резисторы R4, R5. По истечении этого времени ждущий

мультивибратор переходит в первоначальное состояние. Резисторы R3 и R7 являются элементами нагрузки тран­

зисторов мультивибратора.

После дифференцирования выходного импульса мульти­ вибратора с помощью цепи СЗ, R8 на выходе схемы задер­

жки формируется отрицательный импульс, задержанный по сравнению с запускающим на время Д£. Время задерж­ ки равно длительности выходного импульса ждущего муль­ тивибратора. Таким образом, с помощью резистора R4 про­

изводится регулировка времени задержки импульсов, по­ ступающих от задающего генератора.

С устройства задержки импульсы поступают на блок формирования, который вырабатывает прямоугольные им­ пульсы заданной амплитуды и длительности с высокой крутизной фронтов. В некоторых генераторах выходные им­ пульсы формируются с помощью ждущего блокинг-генера- тора и схемы задержки. В этом случае импульс задающе­ го генератора запускает ждущий блокинг-генератор и од­ новременно поступает на схему регулируемой задержки, выполненной на ждущем мультивибраторе. Ждущий бло­ кинг-генератор формирует широкий импульс с крутым пе­ редним фронтом, длительность которого больше времени

задержки запускающего импульса. Задержанный с помо­ щью регулируемой схемы задержки импульс поступает на ждущий блокинг-генератор и срывает режим формирова­ ния широкого импульса. Таким образом, с помощью регу­ лировки времени задержки запускающего импульса произ­ водится регулировка длительности выходных импульсов ждущего блокинг-генератора. Такой способ формирования обеспечивает высокую крутизну фронтов и заданную дли­ тельность выходных импульсов.

Для придания сформированным по длительности им­ пульсам прямоугольной формы используется амплитудный ограничитель, с выхода которого импульсы подаются на выходной усилитель.

Выходной усилитель предназначен для увеличения ам­ плитуды выходных импульсов до необходимого уровня, из­ менения их полярности, а также согласования схемы фор­ мирования с нагрузкой. Импульсы положительной и отрица­ тельной полярностей с усилителя мощности подаются на основной выход генератора. В усилителе предусмотрена возможность плавного регулирования амплитуды выход­ ных импульсов. Для получения малой амплитуды выход­ ных импульсов используется ступенчатый аттенюатор, на который подаются импульсы с усилителя мощности. Сту­ пенчатый аттенюатор позволяет ослабить амплитуду сиг­ нала на 40—60 Б, а в некоторых генераторах даже до 100 дБ.

Измеритель амплитуды импульсов служит для определе­ ния установленного значения амплитуды выходных им­ пульсов и представляет собой импульсный вольтметр. Ино­ гда для этой цели используется осцилл©графический инди­ катор или схема сравнения. В зависимости от требуемой точности измерения амплитуды выходных импульсов, по­ ступающих на основной выход, схемы измерителей ампли­ туды импульсов и методы измерения амплитуды бывают различными.

В качестве примера приведем структурную схему и ос­ новные технические данные измерительного генератора им­ пульсов общего применения Г5-50 (рис. 26.13). Генератор Г5-50 предназначен для исследования, настройки и провер­ ки радиотехнических устройств различного назначения. Он формирует прямоугольные видеоимпульсы переключаемой полярности и регулируемой длительности заданных ампли­ туды и частоты следования; пилообразное напряжение ре­ гулируемой частоты и амплитуды; синхронизирующие им-

Глава д в а д ц а т ь с е д ь м а я

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

27.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Электронно-лучевой осциллограф (ЭЛО) — это изме« рительный прибор, предназначенный для наблюдения и ис­ следования электрических процессов, воспроизводимых на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Помимо каче­ ственной оценки исследуемых процессов электронно-луче­ вые осциллографы позволяют измерять ряд их параметров? максимальное и мгновенное значения напряжений и токов, длительность импульсов, частоту и фазу периодических ко­ лебаний и другие параметры.

Электронно-лучевые осциллографы пригодны для ис­ следования периодических колебаний, а также непериоди­ ческих и редко повторяющихся сигналов,, например одиноч­ ных импульсов. Высокая чувствительность определяет воз­ можность исследования очень слабых сигналов, а большое входное сопротивление, малые входные емкости и индук­ тивность обусловливают возможность их использования для измерений в высокоомных цепях и в широком диапазо­ не частот.

В соответствии с ГОСТ 15094-69 ЭЛО разделяются на универсальные, скоростные, стробоскопические, запомина­ ющие и специальные.

Наибольшее распространение имеют универсальные ЭЛО, позволяющие исследовать электрические сигналы в широком диапазоне амплитуд, длительностей и частот по­ вторения. Полоса пропускания таких ЭЛО достигает 250 МГц. Их можно использовать для наблюдения и изме*

Электронно-лучевые осциллографы облегчают провер­ ку, регулирование и отыскание неисправностей в электрон­ ной аппаратуре; они позволяют по форме кривой колебаний судить о качестве работы генераторных и усилительных устройств, обнаруживать появление искажений при про­ хождении сигналов через электрические цепи. Осциллографические методы измерения весьма эффективны при из­ мерении динамических параметров различных неэлектри­ ческих процессов с использованием соответствующих датчиков-преобразователей неэлектрических сигналов в электрические.

27.2. УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Электронно-лучевые осциллографы выполняются по раз­ личным схемам и отличаются компоновкой, системой уп­ равления, степенью универсальности и сложности.

На рис. 27.1 представлена структурная схема простей­ шего ЭЛО, предназначенного для воспроизведения на эк­ ране электронно-лучевой трубки кривых периодических колебаний, подводимых к входу У канала вертикального от­ клонения (канал У) . Осциллограф содержит также генера­ тор развертки Г и блок питания.

В качестве индикатора в ЭЛО используется электронно­ лучевая трубка (ЭЛТ) с электростатической фокусировкой

Рис. 27.1. Структурная схема простейшего электронно-лучевого осцил­ лографа

•Экран ЭЛТ представляет собой тонкий слой вещества (люминофора), способного светиться при бомбардировке электронами. К таким веществам относятся сульфид цин­ ка (виллемит), вольфрамово-кислый кальций и др. В за­ висимости от состава люминофора может быть получено свечение различного цвета.

Попадая на экран, электроны создают на нем отрица­ тельный заряд, который может возрасти до большого зна­ чения и нарушить нормальную работу трубки. Для предот­ вращения накопления заряда экрана внутренняя поверх­ ность конусной части баллона трубки покрывается электропроводящим графитовым слоем (аквадагом), сое­ диненным со вторым анодом. К этому слою притягиваются также вторичные электроны, выбитые из люминофора при бомбардировке его первичными электронами.

По каналу вертикального отклонения (канал У) посту­ пает исследуемый сигнал, вызывающий вертикальное от­ клонение луча в ЭЛТ. В канал У входят аттенюатор для ослабления больших сигналов; предварительный усили­ тель для усиления малых сигналов; линия задержки для небольшой временной задержки сигнала; оконечный уси­ литель, на выходе которого вырабатывается симметричный противофазный сигнал, поступающий на вертикально от­ клоняющие пластины.

Основным узлом канала горизонтального отклонения (канала X) является генератор развертки Г, формирую­

щий напряжение пилообразной формы. Перемещение луча по горизонтали обеспечивается подачей на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ с генератора развертки пило­ образного напряжения, под воздействием которого элек­ тронный луч перемещается во времени слева направо по экрану. Время, в течение которого поисходит это переме­ щение, называется временем прямого хода. Дойдя до края экрана, луч быстро возвращается в исходное положение. Время, в течение которого это происходит, называется вре­ менем обратного хода.

Принцип получения изображения на экране ЭЛО пока­ зан на рис. 27.2. Положения 0, 1, 2... светового пятна на

экране в соответствующие моменты времени определяют­ ся мгновенными значениями исследуемого и развертыва­ ющего напряжений.

Для получения неподвижного изображения на экране осциллографа необходимо, чтобы при каждом перемеще­ нии луча вдоль линии развертки на него действовали каж-

Рис. 27.3. Структурная схема универсального электронно-лучевого ос циллографа

задержки 3 и оконечный усилитель ОУ; канал горизонталь­ ного отклонения (канал X), включающий селектор синхро­ низации СС, формирующее устройство ФУ, генератор раз­ вертки ГР и оконечный усилитель Ух\ канал управления яркостью (канал Z), содержащий усилитель яркостного си­ гнала,. калибратор амплитуды и длительности К, блок пи­ тания БП.

В универсальных ЭЛО применяются электронно-луче­ вые трубки с электростатическим формированием и управ­ лением лучом. Эти трубки имеют несложную конструкцию и довольно дешевы, но непригодны для работы на частотах выше 20 МГц вследствие малой яркости получаемой ос­ циллограммы. Яркость осциллограммы определяется кине­ тической энергией, которую электроны отдают экрану. Для увеличения яркости получаемой осциллограммы следует увеличивать ускоряющее напряжение или же снижать час­ тоту развертки ЭЛТ. Однако увеличение ускоряющего на­ пряжения приводит либо к уменьшению чувствительности, либо к неприемлемому увеличению длины трубки, а сниже­ ние частоты развертки — к невозможности наблюдения ос­ циллограмм быстро протекающих процессов.

Современные ЭЛТ для получения лучшего соотношения

яркости изображения и чувствительности при приемлемой длине содержат дополнительные устройства. В некоторых трубках широкополосных осциллографов в области откло­ няющей системы с этой целью применяются специальные квадрупольные линзы или куполообразные сетки. Кроме того, в ЭЛТ с большими ускоряющими напряжениями для увеличения яркости свечения экрана применяются алюми­ нированные экраны. Поверх люминофора в таких трубках наносится тонкий слой алюминия, прозрачный для электро­ нов, но. непрозрачный для светового излучения. Выигрыш в яркости свечения при этом получается за счет того, что световой поток от люминофора, направленный внутрь труб­ ки, отражается алюминиевой пленкой в сторону наблюда­ теля.

Для улучшения использования площади экрана при ото­ бражении исследуемых зависимостей в прямоугольной си­ стеме координат современные ЭЛТ имеют квадратный или прямоугольный экран со шкалой, нанесенной на внутрен­ нюю поверхность стекла.

Чувствительность глаза человека различна к световым волнам разной длины. Лучше всего человек воспринимает свечение зеленого и желтого цветов, несколько хуж е—- оранжевого, голубого и синего. Фотографические матери­ алы, как правило, имеют максимальную чувствительность в области голубого и фиолетового цветов и малую чувст­ вительность в области оранжевого и красного. Глаз чело­ века также утомляется при наблюдении процессов с пери­ одом следования от десятых долей до единиц секунд из-за мелькания светового изображения на экране. В связи с этим важной характеристикой ЭЛТ является тип люминесцент­ ного покрытия, от которого зависит цвет свечения и время послесвечения экрана. Так, для визуального наблюдения процессов с частотой следования свыше 10 Гц наилучшим видом люминесцентного покрытия является тип «И» с зе­ леным свечением и послесвечением средней продолжитель­ ности. Для фотографирования процессов с экрана осцил­ лографа или записи на киноленту предпочтительнее люми­ несцентное покрытие типа «А» голубого свечения с малым послесвечением. Для наблюдения процессов с частотой сле­ дования менее 10 Гц наиболее удобным является люмине­ сцентное покрытие типа «В», имеющее послесвечение около

нескольких секунд. Тип люминесцентного покрытия указы­ вается в условном обозначении ЭЛТ (последний символ).

Канал вертикального отклонения луча (канал У) пред-

назначен для передачи исследуемого сигнала от входа осциллографа на пластины вертикального отклонения с ми­ нимальными допустимыми искажениями. На вход осцил­ лографа (вход У) может быть подан сигнал в виде пере­ менного или постоянного напряжения любых значения, формы и полярности, поэтому в состав канала У входят ступенчатый аттенюатор, предварительный и оконечный усилитель и линия задержки.

Высокоомный широкополосный входной аттенюатор ка­ нала У (рис. 27.4), применяемый для расширения диапазо­ на амплитуд исследуемых сигналов, имеет ступенчато изменяемый коэффициент деления с калиброванным коэф­ фициентом ослабления. Он содержит две независимые сту­ пени деления, первая из которых ослабляет входное на­ пряжение в 1; 10; 100 раз, а вторая — 1; 2; 5 раз. Таким образом, в зависимости от положения переключателей SA2.1—SA2.4 суммарный коэффициент ослабления аттеню­

атора составит 1; 2; 5; 10; 20; 50; 100; 200; 500 раз. Высо­ кочастотные резисторы R1—R8, например типа С2-1, подо­

браны такими, при которых обеспечивается постоянство входного сопротивления аттенюатора независимо от поло­ жения переключателя. Полупеременные конденсаторы С2, СЗ, С6, С7 на входе каждой делительной ячейки служат

для обеспечения постоянства входной емкости на всех под­ диапазонах аттенюатора. Подстроечные конденсаторы С4, С5, С8, С9 служат для настройки коэффициента деления

в заданной полосе рабочих частот.

Медленно изменяющиеся во времени исследуемые коле­ бания должны подаваться на открытый вход осциллографа. Для этой цели применяется переключатель SA1, с по­

мощью которого производится закорачивание разделитель­ ного конденсатора С/. В одном из положений переключа-

Рис. 27.5. Схема предварительного усилителя канала вертикального от.

клонения

теля SA2 (на схеме не показано) непосредственно на вход

предварительного усилителя вертикального отклонения мо­ жет подаваться напряжение известного уровня от калиб­ ратора амплитуды. С выхода аттенюатора исследумый сиг­ нал подается на предварительный усилитель канала верти­ кального отклонения.

Конструктивно входной аттенюатор оформлен в виде отдельного узла и во избежание действия наводок заклю­ чен в металлический экран.

Предварительный усилитель канала У предназначен

для усиления исследуемых сигналов при минимальных ам­ плитудных, частотных и фазовых искажениях. Пример его схемной реализации показан на рис. 27.5. Высокое входное сопротивление обеспечивается истоковым повторителем, выполненным на полевом транзисторе VT1. В цепи затвора

каскада установлена цепочка из четырех высокочастотных полупроводниковых диодов ( VD1— VD4), предохраняющая

полевой транзистор от повреждения при перегрузках. Для уменьшения дрейфа нуля применяется симметрич­

ная балансная схема, состоящая из двух одинаковых плеч. Входной каскад второго плеча представляет собой также истоковый повторитель, выполненный на идентичном поле­ вом транзисторе VT2. Изменением потенциала затвора транзистора истокового повторителя второго плеча при помощи резистора R1 производится балансировка усилите­

ля вертикального отклонения. В качестве нагрузки потоко­ вых повторителей используются резисторы R2, R3.

Эмиттерные повторители, выполненные на транзисторах VT3, VT4 и резисторах нагрузки R4, R5, согласуют выход­

ные сопротивления истоковых повторителей с входными сопротивлениями последующего усилительного каскада (транзисторы VT5, VT6), выполненного по схеме парал­

лельного баланса. Усилительный каскад представляет со­ бой схему фазоинвертора с эмиттерной связью, в котором входной несимметричный сигнал преобразуется в симмет­ ричный с одновременным усилением. Переменный резистор R10, включенный в цепь эмиттерной связи, образованной резисторами RIO, R6, R9, служит для регулировки усиле­ ния канала У Резисторы R7, R8 являются элементами кол­

лекторных нагрузок усилителя.

Для уменьшения емкости, нагружающей коллекторные цепи фазоинверсного каскада, и, следовательно, для улуч­ шения частотной характеристики между фазоинвертором и следующим усилительным каскадом включены эмиттер­ ные повторители, выполненные на транзисторах VT7, VT8.

Нагрузкой эмиттерных повторителей являются резисторы

R ll, R12.

Второй усилительный каскад (транзисторы VT9, VT10)

представляет собой двухтактный усилитель, выполненный по схеме с общим эмиттером. Элементы R13, R16 образу­

ют резистивную нагрузку каскада. Для коррекции частот­ ной характеристики в области верхних и средних частот применяется отрицательная обратная связь по току, обра­ зованная элементами R14, R15, R17, R18, Cl, С2. Усилен­ ный сигнал с выхода первого плеча усилителя (Выход 1)

подается на искусственную линию задержки, которая обес­ печивает возможность наблюдения переднего фронта им­ пульсов путем создания в канале У задержки исследуемо­ го сигнала на время, затрачиваемое генератором развертки на образование начала рабочего хода. С выхода второго плеча усилителя (Выход 2) снимается сигнал для синхро­

низации периода повторения пилообразного напряжения генератора развертки.

Канал горизонтального отклонения (Канал X), пред­

назначенный для отклонения луча по горизонтали, может работать в нескольких режимах. В режиме непрерывной развертки он формирует периодическое пилообразное на­ пряжение, синхронное с исследуемым сигналом. В ждущем режиме импульсы пилообразной формы получаются путем

запуска вспомогательным или исследуемым сигналом специального формирующего устройства. Для осуществле­ ния однократной развертки импульс пилообразного напря­ жения получается при нажатии кнопки «Пуск». Канал К (см. рис. 27.3) состоит из селектора синхронизации СС, формирующего устройства ФУ, генератора развертки ГР и

оконечного усилителя Ух.

Главной частью канала X является генератор разверт­

ки, работающий в широком диапазоне регулирования час­ тоты при непрерывной развертке или длительностей им­ пульсов пилообразной формы при ждущей развертке. Прин­ цип получения пилообразного напряжения заключается в заряде конденсатора для получения прямого хода луча и разряде — для обратного. Линейность нарастания напря­ жения при заряде достигается применением стабилизатора тока в зарядной цепи или использованием глубокой отри­ цательной обратной связи при заряде конденсатора через резистор. Переключение конденсатора с заряда на разряд происходит автоматически с помощью электронного быст­ родействующего переключателя. При непрерывной развер­ тке этот процесс периодически повторяется, при ждущей— вызывается внешним воздействием.

Для управления частотой развертывающего напряже­ ния используется напряжение синхронизации, поступаю­ щее из канала У или от внешнего источника через СС и

ФУ. Выбор рода синхронизации осуществляется переклю­ чателем SA1 (см. рис. 27.3).

Селектор синхронизации и формирующее устройство предназначены для отбора и преобразования сигналов син­ хронизации любой формы в импульсы, крутизна фронта и амплитуда которых не зависит от параметров входного си­ гнала.

Усилитель горизонтального отклонения Ух (рис. 27.3) представляет собой балансный усилитель постоянного тока. Его коэффициент усиления, а значит, и длительность раз­ вертки регулируются плавно и ступенчато. Вход усилите­ ля с помощью переключателя SA3 можно присоединить к выходу генератора развертки или к зажимам «Вход X». Двухтактный выход усилителя X связан с горизонтально

отклоняющими пластинами трубки гальванической связью. Канал управления яркостью Z предназначен для управ­

ления током луча в целях установки необходимой яркости изображения на экране трубки, а также высвечивания или гашения (подсвета или бланкировки) части осциллограм*

мы. Установка яркости производится вручную, а подсвет или бланкировка — автоматически, путем подачи с генера­ тора развертки в цепь модулятор — катод импульсов напряжения соответствующей полярности нижнее положе­ ние SA2 на рис. 27.3. Импульсы подсвета должны совпа­

дать по времени с прямым ходом луча, а импульсы гаше­ ния — с обратным. Изменение яркости получается за счет изменения плотности потока электронов в луче.

Существует и другой способ подсвета и гашения осцилло­ граммы. Он осуществляется путем подачи соответствующих импульсов па дополнительные, так называемые бланкирующие пластины, расположенные внутри электронно­ лучевой трубки между первым анодом и специальной диа­ фрагмой с малым отверстием. Импульс напряжения, при­ ложенный к бланкирующим пластинам, отклоняет луч за пределы диафрагмы, и экран затемняется; плотность луча при этом не изменяется. Такой способ применяется в ос­ циллографах со сравнительно узкой полосой пропускания

иимеет ограниченное распространение.

Вцепь модулятор — катод, кроме того, иногда подают калиброванное напряжение для измерения длительности линии развертки или исследуемого сигнала. Такой способ калибровки оси X применялся в ЭЛО старых конструкций.

Обычно канал Z представляет собой схему усилителя-

ограничителя с согласующими эмиттерными повторителями на его входе и выходе. В некоторых осциллографах уси­ литель канала Z отсутствует, в этом случае сигнал управ­

ления яркостью при необходимости подается непосредст­ венно на модулятор трубки. При положении SA2 на рис.

27.3 оказывается возможным управлять яркостью с лице­ вой панели ЭЛО.

К числу вспомогательных устройств осциллографа мож­ но отнести калибраторы амплитуды и длительности, пред­ ставляющие собой генераторы сигналов с точными значе­ ниями амплитуды и частоты соответственно. Калибраторы применяются для проверки и установки коэффициентов от­ клонения и развертки, а также для калибровки коэффици­ ента ослабления ступенчатого аттенюатора. Обычно выход­ ной сигнал калибратора имеет форму прямоугольных им­ пульсов с частотой следования 1—2 кГц со скважностью, равной двум (меандр). Иногда в электронных осциллогра­ фах встречаются калибраторы с синусоидальной формой сигнала. Часто один и тот же сигнал используется для ка: либровки коэффициента отклонения по амплитуде сигнала

27.4. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ОСЦИЛЛОГРАФОВ

Основным режимом работы электронных осциллографов является режим непрерывной развертки, пригодный для наблюдения любых непрерывных периодических сигналов и последовательностей импульсов с малой скважностью. В этом режиме генератор развертки формирует периодичес­ кое пилообразное напряжение, синхронное с исследуемым сигналом. Исследуемый сигнал, поданный на вход У, мо­ жет вызвать слишком большое или, наоборот, очень малое отклонение луча по вертикали. В этом случае с помощью ручек «Ослабление» или «Усиление» канала У добиваются требуемого размера изображения на экране ЭЛТ. Если приблизительно известен период колебаний исследуемого сигнала, переключатель длительности развертки формиру­ ющего устройства пилообразного напряжения следует ус­ тановить в требуемое положение. В противном случае пере­ ключатель длительности следует экспериментально уста­ новить в такое положение, при котором на экране ЭЛТ будет наблюдаться один или несколько периодов исследуе­ мого сигнала.

Для устойчивости изображения на экране ЭЛТ следует синхронизировать колебания генератора развертки с ис­ следуемым сигналом. Для этого в канал X необходимо

подать исследуемый сигнал по цепи внутренней или внеш­ ней синхронизации. Внешняя синхронизация осуществля­ ется от генератора, частота которого в точности равна час­ тоте входного сигнала. Ручками «Уровень» и «Стабиль­ ность» добиваются устойчивого изображения на экране трубки. Яркость и фокусировку при этом необходимо от­ регулировать так,, чтобы изображение исследуемого сигна­ ла было максимально четким.

При исследовании импульсов с большой скважностью, когда период повторения много больше длительности им­ пульсов, может быть два случая: период развертки уста­ новлен равным периоду повторения и период развертки близок к длительности импульса; в обоих случаях осцилло­ граммы непригодны для наблюдения. В первом изображе­ ние импульса будет слушком узким, во втором — бледным и неустойчивым. Причина малой яркости и неустойчивос­ ти заключается в том, что за период повторения импульсов совершается много пробегов луча, из которых лишь один «рисует» импульс. Непериодические, случайные и одно­

ливается удобный для отсчета размер вертикального от­ клонения на экране ЭЛТ. Зная цену деления Ny, коэффи­ циент ослабления входного аттенюатора Ку и количество делений у, соответствующих значению измеряемого напря­

жения, производят расчет амплитуды исследуемого сигна­ ла по формуле

Ручка «Усиление» при измерении амплитуды должна на­ ходиться постоянно в крайнем правом положении.

В современных осциллографах длительность развертки обычно калибрована, поэтому измерение длительности им­ пульсов и периода повторения исследуемого сигнала про­ изводится с использованием собственного калибратора длительности. Регулятор «Длительность» при измерениях должен быть в крайнем правом положении, в котором бы­ ла произведена калибровка. Переключатель длительности развертки устанавливают в такое положение, при котором измеряемый интервал занимает на экране ЭЛТ не менее четырех делений шкалы. Зная цену деления шкалы в еди­ ницах времени Nx, значение множителя Кх и длину изме­ ряемого интервала времени в делениях шкалы х, измеряе­

мый интервал времени определяют по формуле

С помощью электронного осциллографа можно изме­ рить частоту сигнала, используя для этого несколько спо­ собов. Простейший из них заключается в определении ча­ стоты сигнала по формуле

предварительно измерить период колебаний исследуемого сигнала Т одним из ранее рассмотренных методов.

Другой способ предусматривает сравнение неизвест­ ной частоты с частотой образцового генератора по фигу­ рам Лиссажу. В этом случае на вход У осциллографа по­

пряжение от генератора образцовой частоты. При сближе­ нии частот на экране ЭЛТ осциллографа появляется изо­ бражение вращающегося эллипса, остановка которого указывает на полное совпадение частот. При кратном со­ отношении частот на экране трубки получается изображе-

жение исследуемого сигнала подается на вход Z канала управления яркостью или непосредственно на модулятор ЭЛТ. Результирующее напряжение на модуляторе в этом случае будет изменяться с измеряемой частотой, модули­ руя яркость изображения на экране с той же частотой. Если при этом частоты обоих сигналов находятся в цело­ численном отношении и правильно установлена амплиту­ да модулирующего напряжения, на экране получится не­ подвижное «штриховое» изображение круговой развертки. Зная частоту образцового генератора fx и число подсве­

ченных дуг /г, можно определить частоту сигнала, подан­ ного на модулятор ЭЛТ, по формуле

Этот метод применяется тогда, когда измеряемая частота выше частоты образцового генератора. Если частота ис­ следуемого сигнала ниже образцовой частоты, то для фор­ мирования круговой развертки используется исследуемый сигнал, а напряжение образцовой частоты подается на мо­ дулятор. Точность измерения частоты методами фигур Лиссажу и круговой развертки определяется точностными характеристиками применяемого источника образцовых частот.

Электронный осциллограф также позволяет осущест­ вить измерение фазового угла между двумя колебаниями методом линейной или синусоидальной развертки. При измерении фазового сдвига методом линейной развертки необходимо получить на экране осциллографа одновремен­ но осциллограмму двух напряжений. Это осуществимо с помощью двухлучевого осциллографа или однолучевого, снабженного электронным коммутатором.

При измерении фазового сдвига однолучевым осцилло­ графом, в комплекте которого отсутствует электронный коммутатор, рекомендуется описанная ниже последова­ тельность работы. Первый, опережающий по фазе сигнал подается одновременно на вход усилителя канала верти­ кального отклонения и на вход устройства синхронизации для осуществления режима внешней синхронизации ча­ стоты генератора развертки. С помощью регулятора «Сме­ щение X» совмещается точка, принятая за начало отсчета,

с началом шкалы экрана трубки. Затем вместо первого сигнала на вход усилителя канала вертикального откло­ нения подается второй сигнал. Но так как сигнал отстает во времени от первого, то его изображение на экране труб-