Рис. 27.8. Измерение фазового сдвига методом синусоидальной развертки

ки окажется несколько сдвинутым вправо по отношению к точкам ра­ нее наблюдаемого изображения пер­ вого сигнала. Измерив расстояние в делениях шкалы между соответству­ ющими точками изображений пер­ вого и второго сигналов и умножив

его на цену деления в градусах, получим сдвиг фаз между двумя сигналами.

В практике измерений часто применяют метод синусои­ дальной развертки. Исследуемые синусоидальные напря­ жения подаются на входы каналов вертикального и гори­ зонтального отклонения однолучевого осциллографа, на экране ЭЛТ появляется осциллограмма в виде эллипса '(рис. 27.8). Генератор развертки осциллографа при этом должен быть выключен. Усиление по обоим каналам уста­ навливается таким, чтобы отклонения луча по вертикали и горизонтали были одинаковыми. Получив на экране осциллограмму эллипса, определяем фазовый сдвиг меж­ ду исследуемыми напряжениями по формуле

где А и Б — длины отрезков, показанных на рис. 27.8. Точ­

ность метода синусоидальной развертки невысока.

Г л а в а д в а д ц а т ь в о с ь м а я

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ

КОМПЛЕКСНОГО СОПРОТИВЛЕНИЕ ЧАСТОТЫ

ИУГЛА СДВИГА ФАЗ

28.1.ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОСТОЯННОМУ ТОКУ

Основные способы измерений сопротивления постоян­ ному току были изложены в гл. 17. В данной главе рас­ сматриваются способы, получившие распространение при проектировании электронных приборов.

При измерении сопротивлений электронными прибора-

Рис. 28.1. Схема измерения сопротивления по методу омметра

ми применяют метод омметра, метод преобразования из­ меряемого сопротивления в пропорциональное ему напря­ жение и мостовой метод.

Метод омметра объединяет ряд вариантов измерения сопротивления, основанных на определении значения то­ ков или напряжений, пропорциональных значениям изме­ ряемого сопротивления. Схемы измерения этими способа­ ми просты, но обеспечивают невысокую точность измере­ ния. Наиболее распространенная схема, используемая в электронных измерителях сопротивлений, приведена на рис. 28.1. Прибор содержит генератор Г с напряжением С/о, образцовый резистор R0, усилитель У, детектор и изме­

рительный механизм. Падение напряжения на измеряемом сопротивлении Rx, поступающего на вход усилителя,

При известных и постоянных UQ и R0 напряжение Ux зависит только от Rx, и, следовательно, путем измерения Ux можно определить значение измеряемого сопротивле­ ния Rx. Соотношение справедливо лишь в том случае, ког­

да входное сопротивление усилителя велико по сравнению с измеряемым сопротивлением Rx, что обычно обеспечи­

вается применением в качестве усилительных приборов электронных ламп или полевых транзисторов. Для инди­ кации измеряемого сопротивления обычно применяют мик­ роамперметр магнитоэлектрической системы, шкала кото­ рого градуируется непосредственно в единицах сопротив­ ления. В приведенной схеме легко осуществляется четырехзажимное включение резистора, сопротивление ко­ торого измеряется. Достоинство такого включения — неза­ висимость результата измерения от сопротивлений соеди­ нительных проводов и контактов — было обосновано в гл. 13 и 17. Метод омметра лежит в основе построения элек­ тронных миллиомметров промышленного изготовления.

Метод преобразования измеряемого сопротивления в

Мостовые методы пригодны для точного измерения со­ противлений в широком диапазоне их номинальных зна­ чений, однако довольно сложный процесс приведения мо­ ста к балансу делает его неудобным в эксплуатации при ручном методе регулирования. Мостовые методы измере­ ния сопротивлений широко применяются в универсальных мостах переменного тока промышленного изготовления.

28.2. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИИ ИНДУКТИВНОСТИ И ДОБРОТНОСТИ КАТУШЕК

В электротехнических устройствах широко применяют­ ся трансформаторы, катушки индуктивности, реакторы и другие узлы, основным параметром которых является ин­ дуктивность. Каждая катушка кроме индуктивности ха­ рактеризуется также собственной емкостью и активным сопротивлением. Совместное действие этих параметров на определенной частоте характеризуется добротностью. При измерении параметров катушек индуктивности с помощью электронных измерительных приборов применяются два основных метода: мостовой и резонансный.

Мост, предназначенный для измерения параметров ка­ тушек индуктивности (рис. 28.4), как правило, формиру­ ется из двух плеч активного сопротивления (R1, R3) — плеча с объектом измерения (Lx, Rx), сопротивление ко­

торого в общем случае является комплексным, и плеча с реактивным элементом (чаще конденсатором). Из условия равновесия моста (см. гл. 13) имеем

Добротность Q катушки индуктивности, т. e. отношение

ее реактивного сопротивления к активному, равно

Рнс. 28.4. Схема моста для измерения параметров катушек индуктив­ ности

где С' и С" — значения емкости С при резонансе в первом

и втором случаях.

Выразив со через f и решив полученное уравнение от­ носительно LXt получаем

С ' — С"

(28.8)

4л 2 f 2 С С "

При измерении больших, индуктивностей методом заме­ щения индуктивность Lx подключается параллельно кон­ турной катушке L. Значение измеряемой индуктивности в

этом случае

Для измерения добротности катушек индуктивности ре­ зонансным методом применяются электронные приборы, называемые куметрами (рис. 28.6). Основными узлами куметра являются генератор высокой частоты Г, измеритель­ ный контур L C , электронный усилитель У и вольтметр. Вы­

сокочастотный ток, протекая по резистору /?, создает на нем падение напряжения, которое оказывается приложен­ ным к последовательно соединенным L и С. Если сопро­ тивление резистора R выбрано малым по сравнению с ре­

активным сопротивлением контура при резонансе, то по показаниям миллиамперметра молено судить о иапрялеении на контуре.

В последовательном колебательном контуре, настроен­ ном в резонанс с частотой генератора, падение напрялсения на емкости в Q раз больше напряжения, подводимого

к контуру. Следовательно, при известном значении тока, протекающего по резистору /?, шкалу электронного вольт­ метра, фиксирующего напряжение на конденсаторе, моле­ но проградуировать непосредственно в единицах добротно­ сти. Куметры молено применять также для измерения ем­ кости и индуктивности цепей и резонансной частоты контуров.

28.3.ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЕМКОСТИ

ИТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ КОНДЕНСАТОРОВ

Электрическая емкость конденсаторов, применяемых в электротехнических и радиотехнических устройствах, нахо­ дится в пределах от единиц пикофарад до тысяч микрофа­ рад. Конденсатор характеризуется также потерями энер­ гии в материале диэлектрика и изоляции. С учетом потерь схему замещения конденсатора можно представить в виде емкости Сх, включенной последовательно с сопротивлени­ ем потерь Rx. При включении конденсатора в цепь синусо­ идального тока падения напряжения на емкости Ucx и со­ противлении потерь URX сдвинуты на угол ср=90—6. По­

тери конденсатора на практике принято выражать через тангенс угла диэлектрических потерь б

шие потери имеют место в бумажных и электролитических конденсаторах, применение которых в основном ограничи­ вается областью низких частот. В области высоких и сверх­ высоких частот объектами измерений могут также явиться весьма малые междуэлектродные емкости электронных и полупроводниковых приборов, паразитные емкости между проводами и отдельными элементами схем и т. д.

Электронные приборы для измерения этих параметров обычно строятся на основе методов заряда и разряда кон­ денсатора, мостового и резонансного. При некоторых мето­ дах измерений потери в конденсаторе определяются одно­ временно с измерением его емкости. При этом следует иметь в виду, что с повышением частоты потери заметно возрастают, тогда как емкость практически не зависит от частоты. Напряжение, приложенное к конденсатору, при любом его испытании не должно превосходить допустимо­ го рабочего напряжения.

Измерение емкостей средних значений (примерно от 100 пФ до 10 мкФ) возможно с помощью электронных микрофарадметров, действие которых базируется на измерении среднего значения тока заряда или разряда проверяемого конденсатора. Схема измерительного устройства электрон­ ного микрофарадметра приведена на рис. 28.7. Во время действия импульса напряжения положительной полярно­ сти, поступающего от генератора Г, проверяемый конден­ сатор Сх заряжается через диод VD1 до максимального

Рис. 28.7. Структурная схема электронного мнкрофарадометра

значения Umax• В интерзале между импульсами конденса­

тор разряжается через выходное сопротивление генерато­ ра, резистор R и диод VD2 — до минимального значения Umin. В установившемся режиме при частоте повторения входных импульсов f и их амплитуде Um= U mах—Umin

среднее значение напряжения на входе усилителя постоян­

шкалу измерительного прибора молено проградуировать непосредственно в единицах емкости. Для сглаживания пульсаций и установления колебаний стрелки измеритель­ ного прибора служит конденсатор С, сопротивление кото­ рого при частоте f должно быть значительно меньше сопро­ тивления резистора R. Погрешность измерения емкости с

помощью электронного микрофарадметра не превышает 5 -1 0 % .

Для измерения емкостей в пределах от единиц пико­ фарад до десятков микрофарад с погрешностью 1—3 % и тангенса угла потерь применяются мосты переменного то­ ка. На рис. 28.8 приведены структурные схемы мостов пе­ ременного тока для измерения емкостей с малыми (рис. 28.8, а) и большими (рис. 28.8,6) потерями. Оба моста со­ держат по два плеча с активными сопротивлениями R2 и R3, плечо сравнения С1 и RJ и плечо, состоящее из емко­ сти Сх и сопротивления потерь Rx проверяемого конденса­ тора. Напряжение питания с частотой f подается от гене­ ратора низкой или высокой частоты Г.

При равновесии мостов, которое достигается регулиров­ кой сопротивлений резисторов R1 и R2 и отмечается по

нулевому индикатору, измеряемая емкость и сопротивле­

терь и сопротивления переменному току используют пита­ ние мостаМ переменным током. С этой целью переключатель SAI устанавливается в верхнее положение. Напряже­ ние разбаланса моста через усилитель У подается на де­

тектор, на выходе которого включен микроамперметр маг­ нитоэлектрической системы. При измерении сопротивления постоянному току переключатель SA1 устанавливается в

нижнее положение, измерительный прибор при этом непо­ средственно подключается в диагональ моста.

28.4. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЧАСТОТЫ

Электронные приборы применяются для измерений ча­ стот в диапазоне от единиц герц до десятков гигагерц.

Наряду с понятием частоты f в измерительной технике часто пользуются понятием периода повторения Т или дли­ ны волны X. Связь между этими величинами определяется

согласно известному выражению

где с= 3*108 м /с — скорость распространения электромаг­ нитных колебаний в свободном пространстве. Следователь­ но, для характеристики электрических колебаний можно измерить частоту, период или длину волны. На практике в большинстве случаев измеряют частоту переменного на­ пряжения, реже — период и только в диапазоне сверхвысо­ ких частот производят измерение длины волны.

Основные методы измерения частоты можно разделить на следующие группы, различающиеся как техническими решениями, так и получаемой точностью измерения: метод

Рис. 28.11. Схема измерителя частоты с помощью вольтметра

вольтметра, мостовые методы, метод заряда и разряда кон­ денсатора, методы сравнения, резонансные методы и абсо­ лютные методы с помощью электронно-счетных (цифро­ вых) частотомеров (см. гл. 30).

Наиболее простым является метод измерения частоты с помощью вольтметра, основанный на зависимости сопро­ тивления реактивных элементов от частоты протекающего по ним тока. Возможная схема измерений с помощью это­ го метода приведена на рис. 28.11. Напряжение измеряе­ мой частоты Uf поступает на цепочку, состоящую из пере­

где / — ток, протекающий через последовательное соедине­ ние R1 и С/.

Сопоставив эти выражения, получим

Таким образом, частота исследуемого сигнала зависит как от параметров элементов R1, С/, так и от напряжений UR и Uc• Если при постоянной емкости конденсатора обес­ печить выполнение условия UR=Uc, то будет зависеть только от Rl. С помощью диодных амплитудных детекто­ ров (VD1, С2, R2 и VD2, СЗ, R3) переменные напряжения UH и Uс выпрямляются и поступают на усилитель УД с

дифференциальными входами, выходное напряжение кото­ рого пропорционально разности входных напряжений. При равенстве UR и Uc стрелка микроамперметра, включенно* го на выходе УД, устанавливается в нулевое положение.

Рис. 28.12. Схема конденсаторного частотомера

Из этого следует, что при равенстве напряжений U R и U C , которое достигается регулировкой сопротивления R1 до

получения нулевых показаний микроамперметра, частота исследуемого сигнала отсчитывается по шкале резистоpa RJ.

Мостовые методы измерения частоты основаны на ис­ пользовании частотно-зависимых мостовых схем, например моста Вина, резонансного моста и др. В настоящее время мостовые частотомеры не выпускаются, так как при срав­ нительной сложности конструкции они имеют низкую точ­ ность и очень узкие пределы измеряемых частот (не более 8— 10 кГц).

Метод заряда и разряда конденсатора используется при построении конденсаторных частотомеров. Схема конденса­ торного частотомера (рис. 28.12) состоит из двустороннего амплитудного усилителя-ограничителя УО и электронного коммутатора, выполненного на транзисторе VT. Принцип

работы частотомера заключается в следующем. Прямо­ угольные импульсы с частотой следования fx с выхода уси­

лителя-ограничителя поступают на вход электронного ком­ мутатора и управляют его работой. Во время действия на входе электронного коммутатора отрицательного импульса транзистор закрыт и конденсатор С заряжается через ре­ зистор RH, диод VD1 и микроамперметр магнитоэлектри­ ческой системы до напряжения U, близкого к напряжению

питания Ек. Импульс положительной полярности открыва­ ет транзистор, и конденсатор быстро разряжается через транзистор и диод VD2 до напряжения, близкого к нулю.

Таким образом, каждое колебание измеряемой частоты со.- провождается протеканием через микроамперметр импуль­ са тока, несущего заряд CU. Среднее значение тока через

микроамперметр выражается соотношением

Для стабилизации U используют кремниевый стабилит­ рон VD3, благодаря чему шкала частотомера линейна игра­

дуируется непосредственно в значениях частоты. Резисто­ ры Rl, R2 и /?б задают режимы; Ср — разделительный кон­

денсатор.

Частотомеры этого типа строятся для диапазона частот от 10 Гц до 1 МГц и имеют погрешность 1—3%. Для пе­ риодической калибровки в структуре конденсаторного час­ тотомера предусматриваются внутренние генераторы об­ разцовой частоты.

Измерение частоты методом сравнения заключается в сопоставлении измеряемой частоты с частотой, принимае­ мой за образцовую. Процесс сравнения осуществляется с помощью электронного осциллографа или с использовани­ ем явления биений.

Из осциллографических методов сравнения частот наи­ более распространены методы фигур Лиссажу и яркостной модуляции круговой развертки, рассмотренные в гл. 27.

Измерение звуковых и высоких частот методом сравне­ ния с использованием явления биений проводится по схе­ мам, приведенным на рис. 28.13. Для измерения звуковых частот с помощью явления акустических биений (рис. 28.13, а) источник колебаний Г1 измеряемой частоты сое­ диняют последовательно с генератором Г2 образцовой час­ тоты /о и телефоном В. Если /0 и fx лежат в области зву­

ковых частот, то органы слуха человека воспринимают сум­ марное колебание как звук двух тонов, интенсивность кото­ рого изменяется с разностной частотой, а при достижении

Рис. 28.13. Схемы измерения звуко­ вых и высоких частот методом биений

равенства f0=f.* в телефоне будет слышен звук одного то­ на. Следовательно, процесс измерения неизвестной часто­ ты fx этим пособом сводится к медленному изменению час­

тоты f0 образцового генератора до пропадания звуковых биений в телефоне.

Сравнение высоких частот по нулевым биениям пояс­ няется на рис. 28.13,6. Напряжения неизвестной fx и об­ разцовой f0 частот с генераторов Г1 и Г2 подаются на вход

нелинейного элемента (например, полупроводникового дио­ да VD), на выходе которого включен телефон В, зашуитированный по высокой частоте конденсатором С. В ре­

зультате детектирования суммарного колебания в цепи нелинейного элемента возникает пульсирующий ток, содер­ жащий составляющие основных частот f0 и fx, а также со­

ставляющие высших гармоник и комбинационных частот

nf0 ± mfx,

где п и т — целые числа.

Если частоты fo и f* близки, то разностная частота бие­

может оказаться в пределах диапазона звуковых частот и тон этой частоты будет слышен в телефоне. Если изме­ нять одну из частот, например f0, приближая ее к другой частоте fx, тон в телефоне будет понижаться, и при равен­

стве этих частот будут наблюдаться так называемые нуле­ вые биения, обнаруживаемые по пропаданию звука в теле­ фоне. Таким образом, измерение сводится к определению частоты опорного генератора, при которой наступают ну­ левые биения.

Погрешность измерения частоты этим способом опре­ деляется в основном погрешностью калибровки шкалы опорного генератора. Однако при точных измерениях при­ ходится учитывать возможную ошибку в несколько десят­ ков герц, обусловленную тем, что органы слуха человека не воспринимают тона с частотой ниже некоторой частоты Fa. Для исключения этой ошибки последовательно с теле­

фоном можно включить магнитоэлектрический измеритель тока, стрелка которого при очень низкой разностной час­ тоте будет пульсировать с этой частотой. При подходе к нулевым биениям колебания стрелки измерительного при­ бора замедляются, а при равенстве частот f0 и fx исчезают.

Связь между генератором образцовой частоты и источ-

ником измеряемой частоты не должна быть сильной во из­ бежание возникновения явления «захватывания», ведуще­ го к возрастанию погрешности измерений. При сильной связи между двумя генераторами, разность частот настро­ ек которых невелика, один из генераторов может навязать свою частоту другому, и оба генератора будут создавать колебания одинаковой частоты. В этом случае частота бие­ ний в области «захватывания» оказывается равной нулю и звук в телефоне отсутствует. Т — трансформатор, связы­ вающий Г1, Г2 и цепь телефона В.

На принципе измерения высоких частот методом нуле­ вых биений основано действие кварцевых гетеродинных частотомеров. Кварцевый гетеродинный частотомер (рис. 28.14) содержит генератор Г1, стабилизированный кварце­ вым резонатором, интерполяционный гетеродин Г2, пред­

ставляющий собой маломощный LC-генератор, смеситель, усилитель низкой частоты УНЧ и индикатор нулевых бие­ ний В, Перед измерением частоты fx с помощью кварцево­

го генератора шкала интерполяционного гетеродина калиб­ руется по ближайшим к fx гармоникам методом нулевых

биений. Чтобы знать, по какой именно гармонике следует калибровать гетеродин, необходимо предварительно грубо определить значение fx любым известным способом. Пос­

ле калибровки шкалы интерполяционного гетеродина с по­ мощью переключателя кварцевый генератор отключа­ ется, а на вход смесителя подается сигнал измеряемой час­ тоты fx, определение которой производится также методом

ее сравнения с частотой гетеродина. При этом следует ос­ терегаться ошибки, обусловленной возможностью возник­ новения биений между колебаниями интерполяционного гетеродина и гармоникой измеряемой частоты.

Погрешность измерения частоты кварцевым гетеродин­ ным частотомером достигает 5*10-6.

К числу измерительных приборов, основанных на ис­ пользовании резонансных явлений в колебательных систе-

Рис. 28.15. Структурная схема резонансного частотомера

мах, относятся резонансные частотомеры. Резонансные ча­ стотомеры для различных частотных диапазонов отлича­ ются типом колебательных систем, выполненных в виде контуров с сосредоточенными постоянными L и С, или от­

резков двухпроводной (коаксиальной) линии, или же в ви­ де объемных резонаторов.

Колебательные контуры с сосредоточенными постоян­ ными применяются до 100—200 МГц. Резонансный частото­ мер в этом случае состоит из переменного конденсатора С

с градуированной шкалой, набора сменных катушек индук­ тивности L и индикатора резонанса И (рис. 28.15). В каче­

стве индикаторов в современных частотомерах чаще всего применяют электронные вольтметры переменного тока ти­ па детектора-усилителя. Измерение частоты прибором осу­ ществляется следующим образом. Колебательный контур LC настраивают в резонанс с колебаниями измеряемой ча­ стоты fx, поступающими от исследуемого источника через

элемент индуктивной связи LCBь Состояние резонанса фик­ сируется с помощью электронного вольтметра переменно­ го тока, состоящего из элемента индуктивной связи Lcu2» амплитудного детектора, усилителя постоянного тока УПТ

и измерительного механизма магнитоэлектрической систе­ мы. Отсчет резонансной частоты производится по шкале конденсатора переменной емкости С.

Погрешность измерения с помощью резонансных часто­ томеров определяется точностью настройки колебательного контура в резонанс, точностью отсчетов показаний по шка­ ле конденсатора переменной емкости и влиянием темпера­ туры окружающей среды.

Точность настройки колебательного контура в резонанс зависит от его добротности и может быть существенно уве­ личена применением для определения резонанса метода «вилки». Этот метод заключается в определении частот, лежащих на границах полосы пропускания колебательного контура f\ и ^2' Резонансная частота fo затем определяется как среднеарифметическое частот f\ и ft. Так как крутиз-

на резонансной кривой на частотах f\ и f2 во много раз больше, чем при fQ, то и точность определения резонансной

частоты этим методом существенно повышается. Погрешности, определяемые влиянием температуры

окружающей среды, можно уменьшить применением соот­ ветствующих материалов с малыми температурными коэф­ фициентами расширения или в особо ответственных случа­ я х — термостатированйем всей колебательной системы.

28.5. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ УГЛА СДВИГА ФАЗ

Различие состояний двух синусоидальных колебаний одинаковой частоты характеризуется фазовым сдвигом ф, под которым понимают разность мгновенных значений их фазовых углов. При сравнении несинусоидальных периоди­ ческих колебаний с одинаковой частотой под фазовым сдви­ гом ф можно понимать фазовый сдвиг их первых гармоник или разность фаз этих колебаний при прохождении ими оп­ ределенного уровня.

Приборы, применяемые для измерения разности фаз, называются фазометрами. В силовых цепях переменного то­ ка фазометры используются для измерения угла сдвига фаз между током и напряжением, определяющего коэф­ фициент мощности (cos ф), а следовательно, и мощность в исследуемой цепи. Для этой цепи применяются фазометры электродинамической, ферродинамической и электромаг­ нитной систем, устройство и принцип работы которых бы­ ли рассмотрены выше. В диапазоне звуковых, высоких и сверхвысоких частот фазометры применяют для определе­ ния фазовых искажений в радиоэлектронных устройствах (усилителях, фильтрах, трансформаторах и др.), т. е. для снятия их фазовых характеристик, представляющих собой зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты.

В зависимости от диапазона частот, назначения прибо­ ров и требуемой точности сдвиг фаз измеряется разными методами и устройствами. Наиболее часто для этой цели применяются осциллографы, приборы, реализующие ком­ пенсационные методы, и целая группа двухканальных фа­ зометров, различающихся способом отсчета результата из­ мерения.

Основным элементом многих измерительных схем фа­ зового сдвига является фазовращатель, дающий возмож-

Рис. 28.16. Схемы фазовращателей

ность изменить на определенное значение угол сдвига фаз между входным и выходным напряжениями. В качестве фазовращателей используются фазосдвигающие #С-цепи, мостовые схемы, гониометры, искусственные линии и т. д.

В простейшем случае для получения небольших фазо­ вых сдвигов (до 50°) можно применить обычную /?С-цепь (рис. 28.16,а). В этой схеме напряжение иг(0 повернуто

относительно wi(t) в сторону опережения на угол

Если регулируемым элементом такого фазовращателя яв­ ляется переменный резистор R, то выходное напряжение

будет тем меньше, чем больше установленный фазовый сдвиг, поэтому фазовращатели этого типа применяются только для получения небольших сдвигов.

Для получения выходного напряжения «2 (О с ампли­ тудой, не зависящей от установленного фазового сдвига, применяются мостовые схемы (рис. 28.16,6). При измене­ нии сопротивления резистора R3 изменяется фаза между напряжениями U\{t) и «2(0 без изменения абсолютного

значения последнего. Практически получаемый фазовый сдвиг с помощью мостовых схем не превышает 150— 160°. Недостатком мостового фазовращателя является ограни­ ченный частотный диапазон.

На высоких частотах применяются гониометрические фазовращатели (рис. 28.17). Исследуемое напряжение U\{t) частоты f с помощью фазосдвигающей RC-цепи пре^ образуется в два напряжения UR и Uc, различающихся

по фазе на 90°. Эти напряжения подводятся к двум парам взаимно перпендикулярных неподвижных (статорных) ка­ тушек индуктивности L l . l , L1.2 и L2.1, L2.2. В сфере, охва­

тываемой статорными катушками, возникает вращающе­ еся с угловой скоростью ш = 2 я / магнитное поле, которое

Рис. 28.17. Схема гониометрического фазовращателя

наводит в подвижной (роторной) паре катушек индуктив­ ности L3.1, L3.2 ЭДС той же частоты. Фазовый сдвиг меж­

ду напряжениями U \ ( t ) и «2 (t) зависит от угла поворота роторной катушки и может плавно и линейно регулиро­ ваться в пределах от 0 до 360° при постоянстве амплиту­ ды выходного напряжения Погрешность установки угла ф примерно составляет 0,1 %.

В качестве высокочастотных фазовращателей иногда используются искусственные линии, фазовый сдвиг кото­ рых зависит от количества LC-звеньев. В диапазоне сверх­ высоких частот для изменения фазовых сдвигов электро­ магнитных колебаний используют коаксиальные линии или волноводы.

Для измерения сдвига фаз широко применяются осциллографические методы, подробно рассмотренные в гл. 27, и методы компенсации. Сущность компенсационного мето­ да состоит в том, что в одно из исследуемых напряжений вносится фазовый сдвиг, обратный по знаку и равный по значению разности фаз между указанными колебаниями. Значение вносимого сдвига фаз изменяется до тех пор, по­ ка разность фаз между исследуемыми напряжениями не превратится в нуль или 180°. Необходимый сдвиг фазы одного из сравниваемых напряжений создается образцо­ вым фазовращателем и отсчитывается по его шкале. Ра­ венство или противоположность фаз исследуемых напря­ жений (на выходе фазовращателя) устанавливается с по­ мощью индикатора равенства фаз, в качестве которого обычно используется электронный осциллограф, детектор­ ный или электронный вольтметр, а в диапазоне звуковых частот еще и телефон. Погрешность метода определяется в основном качеством используемого образцового фазо­ вращателя и может достигать 0,5—1° в зависимости от частоты измеряемых напряжений.

Современные электронные приборы для измерения раз­ ности фаз строятся преимущественно по двухкаиальной схеме. В основе принципа действия двухканальных фазо­ метров лежит метод преобразования фазового сдвига в импульсы тока, длительность которых пропорциональна измеряемому сдвигу фаз.

Простейший двухканальиый фазометр (рис. 28.18) со­ держит амплитудные усилители-ограничители У01 и У02, усилитель с дифференциальными входами УД, детектор и магнитоэлектрический измерительный механизм И. Ис­ следуемые синусоидальные напряжения щ (t) и u2(t) пре­

образуются в прямоугольные напряжения одинаковой ам-

’плитуды u^{t), u'2 (t) и поступают соответственно на

инвертирующий и неинвертирующий входы усилителя. Им­ пульсы, поступающие на неинвертирующий вход усилите­ ля, подвергаются только усилению, а импульсы, посту­ пающие на инвертирующий вход, кроме того, изменяют свою полярность на противоположную. Так как выходное напряжение усилителя пропорционально разности напря­ жений на его входах, во время действия входных импуль­ сов одинаковой амплитуды напряжение на его выходе бу­ дет равно нулю. Наличие сигнала, отличного от нуля, на выходе дифференциального усилителя возможно, если на­ пряжение, отличное от нуля, присутствует только на од­

ляющая которых равна нулю, а длительность t$ пропор­

циональна ф. Детектор пропускает в измерительный меха­ низм импульсы одной полярности, благодаря чему среднее

Рис. 28.19. Временные диаграммы сигналов в двухканальных электрон­ ных фазометрах

Рис. 28.20. Обобщенная структурная схема двухканального фазо­ метра

Более точным является двухканальный фазометр, схе­ ма которого приведена на рис. 28.20. Прибор включает в себя два канала формирования импульсов, каждый из ко­ торых содержит усилитель-ограничитель УО/, У02, триг­ гер Шмитта ТШ1, ТШ2, дифференцирующую цепь ДЦ1, ДЦ2 и ждущий мультивибратор Г1, Г2 с регулируемой

длительностью выходных импульсов. Первоначально дли-

тельности выходных импульсов мультивибраторов регули­ руются так, чтобы при подаче одного и того же напряже­ ния на оба входа фазометра их задние фронты точно сов­ падали по времени. Тогда при измерении сдвига фаз временное расстояние между задними фронтами выходных импульсов мультивибраторов будет мерой измеряемого фазового сдвига (см. рис. 28.19,6). В качестве измеритель­ ного устройства используется /^.S-триггер, который сраба­ тывает от заднего фронта запускающих импульсов. В этом случае длительность выходных импульсов триггера про­ порциональна фазовому сдвигу исследуемых напряжений. Таким образом, при постоянной амплитуде выходных им­ пульсов прибор магнитоэлектрической системы, реагирую­ щий на среднее значение тока / 0, может быть проградуи­ рован непосредственно в значениях угла ср. Общая погреш­ ность, фазометра этого типа не превышает 1°.

Изложенными выше методами удается измерять фазо­ вые сдвиги между напряжениями на частотах до 1 МГц. Практически требуется проводить измерения фазового сдвига на частотах до нескольких гигагерц. Такие измере­ ния можно выполнять любым из известных методов, пред­ варительно преобразовав частоту исследуемых колебаний в более низкую.

Принцип измерения фазового сдвига с преобразовани­ ем частоты следующий. Исследуемые колебания, поданные на входы фазометра, поступают на два одинаковых смеси­ теля СМ1 и СМ2 (рис. 28.21). Одновременно на смесители

подается одна, и та же частота вспомогательного гетероди­ на Г. В результате преобразования частоты на выходах

с таким же фазовым сдвигом ср, который подается на вход

СМ1

Рис. 28.21. Структурная схема фазометра с преобразованием частоты

низкочастотного фазометра. Если f^>1 МГц, то применяет­

ся двойное преобразование частоты.

В целях уменьшения погрешности измерений оба кана­ ла фазометра предварительно регулируются. Для этого на входы фазометра подают напряжение одного и того же источника и настраивают прибор на нуль. Благодаря пред­ варительной регулировке каналов метод преобразования позволяет измерять фазовый сдвиг с погрешностью, близ­ кой к погрешности низкочастотного фазометра.

В качестве примера приведем основные технические данные двухканального комбинированного фазометра ФК2-12. Прибор ФК2-12 предназначен для измерения раз­ ности фаз и значений напряжений двух переменных сину­ соидальных сигналов в широком диапазоне частот. Он вы­ полнен по двухканальной схеме с одноступенчатым пре­

Глава дв а дц а т ь д е в я т а я

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЦИФРОВЫХ

ПРИБОРОВ И ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

29.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Любая непрерывная величина, ограниченная некото­ рыми предельными значениями, может быть дискретизова­ на во времени (рис. 29.1, а) и квантована по уровню (рис. 29.1,6).

Дискретизация — это операция преобразования непре­ рывной во времени величины в дискретную, при которой сохраняются ее мгновенные значения только в определеи-

вые моменты времени (моменты дискретизации). Проме­ жуток времени At между двумя ближайшими моментами

дискретизации называется шагом дискретизации. Дискрет­ ный сигнал в отличие от непрерывного может иметь толь­ ко конечное число значений.

Квантование — это операция преобразования непре­ рывной величины в дискретную путем замены ее мгновен­ ных значений ближайшими фиксированными значениями, совокупность которых образована по определенному зако­ ну. Разность Ах между двумя соседними значениями на­ зывается квантом. При квантовании теряется часть ин­ формации, но полученное в результате квантования зна­ чение величины известно с точностью, определяемой ступенью квантования. В результате равномерного кван­ тования мгновенные значения непрерывной величины пред­ ставляются конечным числом ступеней квантования.

Автоматическое преобразование непрерывной измеряе­ мой величины или ее аналога (физической величины, про­ порциональной измеряемой) в дискретную форму, а так­ же цифровое кодирование и выдача результата измерения на отсчетное устройство в виде чисел осуществляются с помощью цифровых измерительных приборов.

Цифровые измерительные приборы, многопредельны, универсальны, предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, частоты, фазы, сопро­ тивления, отношения напряжений и других электрических, а также неэлектрических величин. Они позволяют быстро и просто производить точные измерения, осуществлять оперативный множественный контроль большого числа

измеряемых параметров, исключить субъективные ошибки из результатов измерений, регистрировать текущую изме­ ряемую информацию с большой точностью и скоростью и выдавать ее в форме, удобной для обработки на быстро­ действующих цифровых вычислительных машинах.

Цифровой прибор содержит аналого-цифровой преоб­ разователь (АЦП), устройство цифрового отсчета, а так­ же устройства автоматики.

Цифровые приборы классифицируют по способу пре­ образования непрерывной величины в дискретную, струк­ турной схеме АЦП, применяемым техническим средствам, способу уравновешивания (компенсации).

По способу преобразования различают цифровые при­ боры с кодо-, время- и частотно-импульсными преобразо­ ваниями. В цифровых приборах с кодо-импульсным преоб­ разованием (поразрядным кодированием) происходит по­ следовательное сравнение значений измеряемой величины с рядом дискретных значений образцовой величины; в циф­ ровых приборах с время-импульсным преобразованием значения измеряемой величины преобразуются во времен­ ной интервал; в цифровых приборах с частотно-импульс­ ным преобразованием происходит преобразование значе­ ния измеряемого напряжения в частоту следования им­

пульсов.

По структурной схеме АЦП цифровые приборы делят­ ся на приборы прямого и уравновешивающего преобразо­ вания. В приборах прямого преобразования отсутствует обратная связь с выхода на вход и непрерывная измеряе­ мая величина непосредственно преобразуется в дис­

кретную.

По способу уравновешивания цифровые приборы де­ лятся на приборы со следящим и развертывающим урав­ новешиванием. В приборах со следящим уравновешивани­ ем измеряемая величина непрерывно сравнивается с ком­ пенсирующей величиной. В приборах с развертывающим уравновешиванием операция сравнения измеряемой и компенсирующей величин происходит по определенной программе. Компенсирующее напряжение принудительно изменяется от нуля до значения, равного входному напря­ жению.

Измерительная информация в цифровых приборах мо­ жет быть представлена в десятичном коде для визуально­ го отсчета и выведена в двоичном коде для передачи на внешние устройства. Каждый цифровой прибор имеет уст-

ройство цифрового отсчета, состоящее из дешифратора знаковых индикаторов и предназначенное для представле­ ния результатов измерения в цифровой форме. В настоя­ щее время в цифровых приборах в основном применяются вакуумные (люминесцентные), газоразрядные, полупро­ водниковые (светодиодные матрицы) и жидкокристалли­ ческие индикаторы.

Дешифратор — комбинационное устройство, позволяю­ щее преобразовать сочетание входных сигналов (вход­ ной код) в сигнал, действующий только на одном выходе. Схема дешифратора представляет собой матрицу логиче­ ских элементов, содержащую в общем случае п входов и

2Л выходов. Каждой комбинации входных сигналов соот­ ветствует появление сигнала на одном из выходов. В циф­ ровых вольтметрах дешифраторы преобразуют двоично­ десятичный код в соответствующее напряжение, управ­ ляющее цифровыми индикаторами, обеспечивающими визуальную индикацию в десятичном коде.

К функциональным узлам отсчета цифрового прибора относятся также счетчики импульсов, назначением кото­ рых является подсчет числа импульсов, поступающих от АЦП; временное хранение каждого состояния; преобразо­ вание непрерывной последовательности импульсов в па­ раллельный двоичный код; деление частоты следования импульсов. Основу счетчиков составляют статические триггеры. В зависимости от связей между триггерами счетчики импульсов делятся на следующие группы: прямо­ го счета (сложения), обратного счета (вычитания), ревер­ сивные (работающие в двух направлениях), делители ча­ стоты. Группа применяемого счетчика определяется на­ значением и функциональными возможностями цифрового прибора.

Кроме специальных устройств цифровые приборы со­ держат преобразователи переменного напряжения (детек­ торы), входные делители измеряемого напряжения (атте­ нюаторы) и блоки питания, а также ряд вспомогательных узлов.

К основным параметрам цифровых приборов относят­ ся: точность преобразования, время преобразования, диа­ пазон преобразования, разрешающая способность.

Точность преобразования определяется погрешностью квантования по уровню, характеризуемой числом разря­ дов в выходном коде. Погрешность цифровых приборов имеет две составляющие, из которых одна (мультиплика-