Измерение параметров и характеристик электрических цепей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

на тему: "Измерение параметров и характеристик электрических цепей"



Содержание

1. Общие положения

2. Методы измерения активных сопротивлений

2.1 Измерение сопротивлений методом амперметра-вольтметра

2.2 Измерение активного сопротивления логометром

3. Мостовые схемы измерителей параметров элементов

3.1 Измерение параметров элементов на постоянном токе

3.2 Измерение индуктивности, емкости и тангенса угла потерь мостами переменного тока

4. Резонансные измерители параметров элементов. Куметр

5. Метод дискретного счета. Цифровые измерители параметров элементов

5.1 Метод дискретного счета

5.2 Измерение параметров элементов методом уравновешивающего преобразования

5.3 Микропроцессорные цифровые автоматические приборы

6. Измерители амплитудно-частотных характеристик

Литература



1. Общие положения

Радиотехнические цепи состоят из элементов, которые можно соединить в двухполюсники, четырехполюсники и многополюсники. Двухполюсник (отдельный элемент или сложная электрическая цепь) имеет два вывода - полюса; четырехполюсник - два входных и два выходных выводов - четыре полюса; многополюсник - более четырех выводов.

В линейных радиотехнических цепях с сосредоточенными параметрами широко применяют известные из курса физики элементы: резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы. При определенных допущениях эти элементы можно рассматривать как линейные пассивные двухполюсники, характеризуемые некими идеальными параметрами - сопротивлением Г (величина, обратная сопротивлению, - проводимость Y), индуктивностью L, емкостью С.

При измерениях не всегда удается определить значение того или иного параметра, соответствующее идеальному виду элемента. Несовершенство конструкции и характеристик применяемых материалов является причиной появления паразитных параметров элементов.

Так, наряду с главным параметром резистора - активным сопротивлением, он имеет и определенную индуктивность; катушка индуктивности, обладая индуктивностью, имеет паразитную емкость и активное сопротивление (сопротивление потерь) и т. д.

С учетом паразитных параметров резистор, конденсатор или катушку индуктивности можно соответственно характеризовать некоторым эффективным значением сопротивления, емкости, индуктивности, которые зависят от частоты протекающих в них токов. Поэтому эффективные параметры компонентов необходимо измерять на рабочих частотах, если их влиянием на результат измерения нельзя пренебречь. Еще надо знать и ряд вторичных параметров этих элементов, например: добротность Q катушки индуктивности, тангенс угла потерь д конденсатора, характеристическое сопротивление р контура, что позволяет более точно определять измеряемые параметры.



2. Методы измерения активных сопротивлений

В современных телекоммуникационных системах значения измеряемых активных (активное - значит потребляющее мощность) сопротивлений лежат в пределах от 10^-8 до 10^-10 Ом. Измеряют активное сопротивление как на постоянном, так и на переменном токе. Среди распространенных методов измерения активных сопротивлений на постоянном токе отметим: основанные на использовании амперметра-вольтметра, логометрические, мостовые.

2.1 Измерение сопротивлений методом амперметра-вольтметра

Измерение методом амперметра-вольтметра (точнее, методом амперметра или вольтметра) сводится к определению тока или напряжения в цепи с измеряемым двухполюсником и последующему расчету его параметров по закону Ома. Метод используют для измерения активного и полного сопротивления, индуктивности и емкости.

На рис. 1 показана схемная реализация этих методов при измерениях активного сопротивления. Измерение активных сопротивлений проводят на постоянном токе, при этом включать резистор _Гx в измерительную цепь можно по двум схемам.

В схеме с амперметром (рис. 1, а) отклонение показаний миллиамперметра мА пропорционально току:

(1)

и обратно пропорционально измеряемому сопротивлению Г_x. По такой схеме удается измерять достаточно большие сопротивления (от 1 Ом до 200 МОм). Перед измерениями зажимы х замыкают Кл (тем самым закорачивают, т. е. шунтируют резистор Г_x) и переменным резистором Г_дo6 устанавливают такой ток, чтобы стрелка отклонилась на всю шкалу, что соответствует точке 0 Ом.

а б

Рисунок 1. Измерение активных сопротивлений методом: а - амперметра; б - вольтметра

Для измерения небольших сопротивлений (0,01...100 Ом) используют схему с вольтметром (рис. 1, б), показания которого равны:

(2)

если Г_дo6 " Г_x и

U ? EГ_x /Г_дo6,

т. е. имеет место прямая зависимость вольтметра от измеряемого сопротивления Гx. Перед измерением стрелку на приборе совмещают с отметкой "" при разомкнутых зажимах х (тем самым отключают резистор Г_x).

Обе схемы измерения активных сопротивлений вызывают появление методических погрешностей ДГ_x, зависящих от внутренних сопротивлений схем. Для схемы, показанной на рис. 1, а, методическая погрешность тем меньше, чем ниже внутреннее сопротивление амперметра (при Г_А > 0, ДГ_x > 0), а в схеме, показанной на рис. 1, б, погрешность тем меньше, чем выше внутреннее сопротивление вольтметра (при Г_V > , ДГ_x > 0). Итак, схемой, показанной на рис. 1, а, следует пользоваться для измерения больших сопротивлений, а схемой, показанной на рис. 1, б, - малых сопротивлений.

Погрешности измерения параметров элементов цепей методом вольтметра-амперметра на низких частотах составляют 0,5... 10 % и определяются погрешностью используемых приборов и наличием паразитных параметров. Погрешности увеличиваются с ростом частоты.

2.2 Измерение активного сопротивления логометром

Уменьшить влияние источника питания Е на точность измерения сопротивлений можно с помощью логометра. Логометром называют измерительный механизм, показывающий отношение двух электрических величин, чаще всего двух токов. Логометры бывают магнитоэлектрическими и электродинамическими.

Наиболее распространен при практических измерениях логометр магнитоэлектрической системы. Логометр содержит две жестко скрепленные между рамки, помещенные в неравномерное поле постоянного магнита, которое реализуется специальной конфигурации полюсных наконечников. Неравномерным поле создают для того, чтобы вращающие моменты, приложенные к рамкам, зависели не только от токов, протекающих в рамках, но и от положения рамок в магнитном поле, т. е.

М₁ = ш₁()I₁; М₂ = ш₂ ()I_X,

где I₁, I_X - токи, протекающие в рамках; ш₁(), ш₂ () - значения потокосцеплений магнитов с их рамками. Противодействующий момент будет равен нулю, когда М₁ = М₂;

ш₁()I₁ = ш₂ ()I_x,

а значит, угол отклонения подвижной системы:

(3)

Для схемы включения, приведенной на рис. 2, б,

(4)

где Г_p - сопротивление рамок; Г_o - образцовое сопротивление.

Итак, согласно формуле (4), показания логометра не зависит от колебания напряжения питания. Зависимость показаний от сопротивления Г_X позволяет создавать лабораторные логометры с погрешностью измерений, не превышающей 0,5 %. Нечувствительность логометра к колебаниям напряжения питания дала возможность разработать класс приборов, питающихся от генераторов, ротор которых вращают вручную и еще иногда использующиеся для определения сопротивления изоляции действующих телефонных сетей.

Измерение сопротивлений омметрами. Омметр - измерительный прибор, предназначенный для измерения сопротивлений. Электронный омметр аналогового типа выполняют по схеме инвертирующего усилителя на ОУ, охваченного отрицательной ОС с помощью измеряемого сопротивления Гx (рис. 3, а) Напряжение на выходе усилителя омметра определяется как:

U_вых = - UГ_Х / Г₁. (5)



а б

Рис. 3. Схемы омметров для измерения сопротивлений: а - малых; б - больших

Поскольку выходное напряжение линейно связано с измеряемым сопротивлением Г_x, то шкала прибора И может быть проградуирована непосредственно в единицах сопротивления. Шкала равномерна в широких пределах. Погрешности измерения электронных омметров 2...4 %.

В приборах для измерения особо больших активных сопротивлений (тераомметрах) сопротивления Г_z и Г, надо поменять местами (рис. 3, б), при этом шкала измерительного прибора И получается обратной и напряжение:

U_вых = - UГ₁ / Г_Х. (6)

Применение в одном приборе обоих вариантов схем позволяет создать измерители сопротивления с диапазоном измерения от единиц Ом до нескольких десятков МОм с погрешностью не более 10 %. Измерители сопротивлений, построенные по приведенным схемам, используют для измерения сопротивлений и на переменном токе.



3. Мостовые схемы измерителей параметров элементов

Для измерения параметров элементов цепей методом сравнения применяют мосты. Сравнение измеряемой величины (сопротивления, индуктивности, емкости) с образцовой мерой при помощи моста в процессе измерения осуществляют вручную или автоматически, на постоянном или переменном токе. Мостовые схемы обладают высокой чувствительностью, большой точностью, широким диапазоном измеряемых значений параметров элементов. На основе мостовых методов строят средства измерения, предназначенные как для измерения какой-либо одной величины, так и универсальные аналоговые и цифровые приборы. Существует несколько разновидностей мостовых схем измерения элементов Г, L, С: четырехплечие, уравновешенные, неуравновешенные и процентные. Управление этими мостами может осуществляться как вручную, так и автоматически.

Наибольшее распространение получили схемы четырехплечих уравновешенных мостов (рис. 4). Для установления равновесия электронный или цифровой нуль-индикатор НИ включают в диагональ уравновешенного моста (рис. 4, а). Сопротивления четырехплечего моста в общем случае имеют комплексный характер:

(7)

где Z₁, Z₂, Z₃, Z₄,- модули комплексных сопротивлений; ц₁, ц₂, ц₃, ц₄ - их соответствующие фазы.

Условия равновесия моста определяются равенствами:

(8)

(9)

а б

Рис. 4. Структурные схемы четырехплечих мостов: а - обобщенная; б - для измерения активных сопротивлений

Для выполнения этих равенств необходимо наличие в плечах моста элементов с регулируемыми параметрами. Для обеспечения условия равенства амплитуд (8) наиболее удобно применять образцовое (эталонное) регулируемое активное сопротивление. Условий равновесия фаз (9) может выполнить эталонный конденсатор емкостью С_о с малыми потерями.

3.1 Измерение параметров элементов на постоянном токе

Схема четырехплечего уравновешенного моста постоянного тока для измерений активных сопротивлений представлена на рис. 4, б. Ток в диагонали моста в момент измерения активного сопротивления устанавливают равным нулю. Согласно условию (8), для равновесия моста необходимо, чтобы выполнялось равенство:

Г_ХГ₄ = Г₂Г₃,

откуда неизвестное сопротивление:

Г_x = Г₂Г₃/Г₄. (10)

Для достижения равновесия моста с активными сопротивлении-ми достаточно иметь один регулируемый параметр (например, сопротивление резистора Г4), как показано на рис. 4, б. Пределы измеряемых сопротивлений для этих мостов составляют от 10^-2 до 10⁷ Ом; погрешности измерения - от долей процента до нескольких процентов в зависимости от диапазона измерения.

Показанная на рис. 4, б схема моста может быть частично реализована на цифровых элементах. Для этого регулируемый резистор изготавливают в виде набора сопротивлений, выполненных в соответствии с двоично-десятичным кодом. Сопротивления поочередно включают в плечо измерительного моста до тех пор, пока мост не уравновесится. Положение ключей характеризует код измеряемой величины, поступающий затем на цифровое отсчетное устройство.

3.2 Измерение индуктивности, емкости и тангенса угла потерь мостами переменного тока

Схемы четырехплечих мостов на переменном токе для измерения индуктивности и добротности катушек показаны на рис. 5.

В них используют источники гармонического тока с напряжением U и угловой частотой щ. Эти четырехплечие мосты обеспечивают наилучшее уравновешивание. Эквивалентные схемы замещения для катушек индуктивности с потерями могут быть последовательными или параллельными в зависимости от потерь, отраженных активным сопротивлением.

Условие равновесия моста для схемы, показанной на рис. 5, а:

, (11)

где L_x и Г_x - измеряемые индуктивность и сопротивление омических потерь в катушке; L_о и Г_о - образцовые индуктивность и сопротивление.

Приравняв действительные и мнимые члены в (11), находим:

Г_x = Г₀ Г₂ / Г₁; L_x = L₀ Г₂ / Г₁ (12)

Рисунок 5. Мостовые схемы измерения индуктивности и добротности с образцовыми элементами: а - катушкой; б - конденсатором

Поскольку изготовление высокодобротных образцовых катушек вызывает определенные трудности, часто в качестве образцовой меры в мостах переменного тока применяют конденсатор (рис. 5, б). Для этой схемы справедливо:

Г_x + jщL_Х = Г₂ Г₃(1/Г_о + jщC_o). (13)

Если в данном уравнении приравнять отдельно вещественную н мнимую части, то получим следующие выражения для определения параметров катушки индуктивности:

Г_Х = Г₂Г₃/Г_o; L_Х = C_оГ₂Г₃. (14)

Добротность катушки:

Q_х = щL_х /Г_х = Г_oщC_o (15)

Для измерения емкости и тангенса угла потерь конденсаторов с достаточно малыми потерями применяют мостовую схему, показанную на рис. 6, а (последовательное соединение С_Х и Г_x), а с большими потерями - на рис. 6, б (параллельное соединение С_х и Г_x).

а б

Рисунок. 6. Мостовые схемы измерения емкости и тангенса угла со значениями потерь конденсаторов: а - малыми; б - большими

Условие равновесия для схемы, показанной на рис. 6, а:

Г₄ [Г_x + 1/(jщС_х)]= Г₂ [Г_о +1/(jщС_х)]

Разделив вещественную и мнимую части этого выражения, получим формулы для определения параметров конденсатора:

С_х = C_oГ₄/Г₂; Г_x = Г₂Г_о/Г₄. (16)

Тангенс угла потерь конденсатора:

tg д_х = щC_хГ_х = щС_оГ_о (17)

Для моста с параллельным соединением элементов С_х и Г_x (см. рис. 6, б) условие равновесия имеет следующий вид:

(18)

При параллельной схеме замещения конденсатора eгo тангенс угла потерь определяется выражением:

(19)

Уравновешивание схем обеспечивают поочередным регулированием переменных образцовых сопротивлений или емкостей. Эту процедуру называют шагами, а количество шагов определяет сходимость моста. Мост с хорошей сходимостью имеет не более пяти шагов.

Мосты переменного тока используются на низких частотах (500 ... 5000 Гц), поскольку при работе на повышенных частотах погрешности измерения резко возрастают. Погрешность измерений моста переменного тока определяют погрешности элементов, образующих мост, переходных сопротивлений контактов и чувствительность схемы. Мосты переменного тока больше, чем мосты постоянного тока, подвержены влиянию помех и паразитных связей между плечами, плечами и землей и т д. Поэтому даже при тщательном экранировании моста и принятии других мер защиты погрешности у мостов переменного тока больше, чем у мостов постоянного тока.



4. Резонансные измерители параметров элементов. Куметр

Резонансные методы измерения основаны на использовании зависимости между резонансной частотой колебательного контура и параметрами его элементов L и С, связанных формулой:

Поэтому действие резонансных измерителей связано с настройкой в резонанс колебательного контура, включающего образцовый и измеряемый элементы (индуктивности или емкости), и определением его резонансной частоты. Резонансный метод измерений очень эффективен для измерения индуктивностей и емкостей на высоких частотах, поскольку в этом диапазоне резонансные явлении проявляются достаточно резко.

Резонансными схемами удобно осуществлять измерение методом замещения, при котором один и тот же эффект (например, резонанс на фиксированной частоте) повторяют дважды: первый раз - с измеряемым элементом, второй - с мерой той же физической природы. За результат измерения принимают значение, равное величине меры при резонансе. Резонансные схемы практичны при точных измерениях относительно малых значений само- и взаимоиндукции, малых сопротивлений, емкостей, тангенсов углов потерь конденсаторов и т. л. Поскольку измерения осуществляют на относительно высоких частотах, то резонансные схемы целесообразно использовать при измерении параметров радиоэлементов.

Наиболее универсальным прибором для измерения параметров цепей резонансным методом является куметр (от латинской буквы Q) обозначения добротности катушки индуктивности и метр - измерение), в котором основной измерительной цепью служит последовательный резонансный контур.

Упрощенная функциональная схема куметра представлена на рис. 7. Источником синусоидальных сигналов, подаваемых на последовательный резонансный контур, является генератор тока Г, нагруженный на малое активное сопротивление Г_p ? 0,05 Ом. Частота выходных колебаний генератора может изменяться в широких пределах. Уровень входного сигнала необходимо поддерживать постоянным (что контролируют по вольтметру V1).

Рисунок 7. Упрощенная функциональная схема куметра

При измерении индуктивности L_Х исследуемую катушку подключают к зажимам 1, 2. При этом резонансный контур будет образован катушкой измеряемой индуктивности L_х с активными потерями Г_Lx и межвитковой емкостью ее проводов C_Lx, а также перестраиваемым эталонным конденсатором С_э. Резонанс в контуре устанавливают изменением емкости С_э, эталонного конденсатора. Состояние резонанса контура определяют по вольтметру V2, отградуированному в значениях добротности Q. Измерение индуктивности L_x с учетом емкости C_Lx проводят на двук резонансных частотах, которые равны:

(20)

где С_э, и С_{э 2} - эталонные емкости на частотах f_{р 1} и f_{р 2}.

Пусть соотношение частот:

f_р1 = K f_р2,

где коэффициент К - вещественное число. Тогда совместное решение уравнений (20) позволяет вычислить неизвестные значения L_x и C_Lx по формулам:

; (21)

С помощью куметра можно определять неизвестные Г, С, tgдс, подключая измеряемые резистор или конденсатор к зажимам 3, 4.

В зависимости от используемой схемы погрешности измерения куметром параметров L, С, tgд_с, Г составляют 1...5 %. Причины погрешностей: нестабильность генератора, наличие в контуре сопротивления Гo, неточность шкалы эталонного конденсатора С_э погрешности измерительных приборов V1 и V2, погрешность считывания показаний.



5. Метод дискретного счета. Цифровые измерители параметров элементов

Цифровые методы измерения параметров элементов электрических цепей чаще всего основаны на использовании аналогового преобразователя, преобразующего определяемый параметр элемента в активную величину, и соответствующего цифрового прибора для измерения этой величины. Одним из методов измерения сопротивления, индуктивности и емкости является метод прямогo преобразования их значений в пропорциональный интервал времени и с последующим измерением этого интервала путем заполнения счетными импульсами. Подобный метод измерения называют методом дискретного счета. Второй метод цифрового измерения параметров элементов использует уравновешивающее преобразование сопротивления, индуктивности и емкости, основанное на сравнении измеряемой величины с образцовой.

5.1 Метод дискретного счета

При методе дискретного счета используют закономерности апериодического процесса, возникающего при подключении заряженного конденсатора или катушки индуктивности с протекающим в ней током к образцовому резистору. При измерении активного сопротивления применяют процесс разряда образцового конденсатора через измеряемый резистор. При этом измеренный интервал времени функционально связан с преобразуемым параметром. Преобразователи отличают высокая точность и быстродействие.

Схема преобразователя сопротивлений, индуктивностей и емкостей в интервал времени показана на рис. 8, а. Измерительная цепь ИЦ интегрирующего типа с образцовым сопротивлением Г_o и постоянной времени:

ф_x = Г_хC_о,

(или Г_хC_o, или L_x/Г_o - рис. 8, б) питается выходным напряжением операционного усилителя ОУ, являющегося основным элементом схемы сравнения - компаратора. Отметим, что классический ОУ питается двумя разнополярными напряжениями, которые поочередно служат выходными напряжениями, выделяемыми разделительным конденсатором С_р. Порог срабатывания компаратора задают делителем Г₁ и Г₂. Временные диаграммы работы преобразователя параметров элементов приведены на рис. 8, в и г.

Рисунок 8. Преобразователь параметров элементов в интервал времени: а - схема; б - измерительные цепи; в - временные диаграммы

При поступлении в момент времени t_о на ИЦ с выхода ОУ постоянного напряжения U_o происходит его интегрирование измерительной цепью. При этом напряжение на инвертирующем входе ОУ (см. рис. 8, в)

(22)

в= Г₂/(Г₁ +Г₂)

- коэффициент передачи цепи положительной ОС.

При достижении напряжением u(t) = u порогового значения +вU_o (момент времени t₁ на рис. 8, в) компаратор срабатывает и изменяет на выходе знак напряжения U_o на противоположный (см. рис. 8, г). Можно показать, что интервал интегрирования:

(23)

На следующем интервале времени

ф = t₂ - t₁,

происходит формирование развертывающей функции с противоположным знаком производной. Очевидно, что при равенстве значений положительного и отрицательного порогов срабатывания +вU_o = - вU_o интервалы ф₁ и ф₂ равны. Период напряжения на выходе ОУ

(24)

Этот интервал измеряют цифровым измерителем интервалов (или частотомером). Результат измерения периода Т_х пропорционален значению определяемого параметра Г_х (или С_х, или L_х).

На рис. 9 показана структурная схема цифрового измерителя емкости и сопротивления, реализующая метод дискретного счета, а также временные диаграммы к схеме. мост индуктивность ток амплитудная

Перед измерениями ключ Кл (рис. 9, а) устанавливают в положении 1 и конденсатор С_х заряжается через ограничительный резистор Г_д до значения стабилизированного источника напряжения Е.

В момент t₁ начала измерения емкости С_х (рис. 9, б) управляющее устройство УУ импульсом управления U_упр переключает триггер Т из состояния 0 в состояние 1, очищает предыдущие показания счетчика Сч импульсов и переводит ключ Кл в положение 2. Измеряемый конденсатор С_х начинает разряжаться через образцовый резистор Г_o по экспоненциальному закону (рис. 9, в), описываемому уравнением:

(25),

ф = Г_оC_x

- постоянная времени цепи разряда конденсатора.

а)

Рисунок 9. Цифровой измеритель емкости и сопротивления: а - схема; б - импульсы управления; в - процесс разряда конденсатора; г - сигнал на выходе УС; д - сигнал триггера; е - импульсы на входе счетчика

Импульс напряжения U_Т с выхода триггера в момент времени t₁ открывает схему совпадения СС, и счетчик Сч начинает счет тактовых импульсов U_{Т 0} генератора импульсов ГИ, следующих с частотой:

f_o = 1/Т_о,

(рис. 9, д). Напряжение U_с подают на один из входов устройства сравнения УС, ко второму входу которого подводится напряжение U_Г с делителя, состоящего из резисторов Г₁ и Г₂:

(26)

Сопротивления резисторов Г₁ и Г₂ выбирают такими, чтобы при разряде конденсатора уменьшающееся напряжение U_с по истечении времени ф стало равным напряжению U_Г. В момент t₂, когда напряжения будут равны, на выходе УС возникает импульс напряжения U_yс, переключающий триггер в исходное состояние, при котором задним фронтом его импульса U_т закрывается схема совпадения, и счетчик прекращает счет тактовых импульсов (рис. 9, в-е).

Поскольку при t = t₂ напряжения U_с = U_Г и:

ф = ф₂ - ф₁,

(27)

Итак, напряжение U_Г, снимаемое с делителя Г₁, Г₂, имеет определенное значение (U_Г= 0,368Е), что достигают подбором сопротивлений резисторов. За интервал времени ф = Г_oC_x на счетчик поступает напряжение U_cч., в виде тактовых импульсов (рис. 9, е), число которых:

(28).

Поскольку:

ф = Г_oC_x,

то при фиксированных значениях частоты f_о и сопротивления Г_o:

C _[= N/(fГ_o) = N/K₁ (29).

Здесь коэффициент:

К₁= f_оГ_o.

Согласно (29), величина измеряемой емкости пропорциональна числу импульсов N, поступивших на счетчик.

Включение образцового конденсатора С_о вместо Г_o позволяет аналогичным образом измерить сопротивление резистора:

Г_x = N /(f_oC_o) = N/K₂, (30)

К₂ = fC_o. - коэффициент

Цифровые измерительные приборы, построенные по методу дискретного счета, получили широкое распространение при измерении параметров электрических цепей. К достоинствам этого метода следует отнести достаточно высокую точность измерений. Погрешность измерений цифровым методом составляет 0,1...0,2 % и зависит в основном от нестабильности сопротивлений резисторов Г₁, Г₂, Г_о или конденсатора С_о, стабильности частоты f_o генератора счетных импульсов, а также неточности срабатывания устройства сравнения.

5.2 Измерение параметров элементов методом уравновешивающего преобразования

Наряду с методами прямого преобразования (дискретного счета) в практике используют также методы уравновешивающего преобразования измеряемых значений сопротивления, индуктивности и емкости, основанные на сравнении измеряемой величины с образцовой мерой. Сравнение измеряемой величины с образцовой мерой чаще всего осуществляют путем уравновешивания мостовой измерительной цепи, в одно из плеч которой включают исследуемый двухполюсник. В смежное плечо моста вводят образцовый элемент, представляющий собой набор квантованных образцовых мер, соответствующих весовым коэффициентам разрядов используемого цифрового кода. Изменением параметров образцового двухполюсника добиваются равенства нулю напряжения в измерительной диагонали.

На рис. 10 показана структурная схема цифрового моста постоянного тока уравновешивающего типа для измерения активного сопротивления или другого элемента с омическими потерями.

Рисунок 10. Структурная схема цифрового моста постоянного тока уравновешивающегo типа

Измеряемый резистор Г_х, образцовые резисторы Г₁ и Г₂ и преобразователь кода в сопротивление ПКС образуют мост, питающийся от источника постоянного напряжения ИП. Разбаланс моста фиксируют устройством сравнения УС. Устройство управления УУ анализирует выходной сигнал УС и в зависимости от его знака увеличивает или уменьшает значение цифрового кода N, выдаваемого на ПКС. Уравновешивание проводится до тех пор, пока напряжение в выходной диагонали моста станет меньше порога чувствительности УС. При этом сопротивление:

(31)

где Г_ПКС - сопротивление ПКС;

k_ПКС = Г_ПКС/ N

- коэффициент преобразования ПКС.

Как следует из формулы (31), результат измерения (он фиксируется ЦОУ) не зависит от напряжения питания. Пределы измерения подбирают путем изменения отношения сопротивлений резисторов Г₁ и Г₂ цепи положительной обратной связи. Цифровые мосты постоянного тока уравновешивающего типа обеспечивают погрешность измерения параметров около 0,01 % и поэтому их широко применяют для точного измерения активного сопротивления резисторов.

Более сложны по структуре мосты переменного тока, измеряющие комплексное сопротивление, индуктивность и емкость на фиксированной частоте (обычно 1 кГц). Эти мосты уравновешивают по двум параметрам: осуществляют раздельное и независимое уравновешивание двух составляющих комплексного сопротивления Г₂.

5.3 Микропроцессорные цифровые автоматические приборы

В микропроцессорных цифровых автоматических приборах при измерениях сопротивлений, индуктивностей и емкостей используют методы, связанные с преобразованием измеряемого параметра в напряжение или ток, частоту или интервал времени, а также устройства, построенные на основе мостовых и компенсационных схем.

Наибольшее распространение в практике измерений получили цифровые автоматические приборы с микропроцессором, выполненные по схемам с использованием уравновешенных мостов. Уравновешивание моста осуществляют автоматическим регулированием Двух его узлов (для каждого из измеряемых параметров).

Упрощенная структурная схема цифрового автоматического измерителя комплексного сопротивления, построенная на основе микропроцессора, приведена на рис. 11.

Рисунок 11. Упрощенная структурная схема цифрового автоматического измерителя комплексного сопротивления

В основу этого цифрового прибора заложен мостовой метод измерения с использованием фазочувствительных детекторов уравновешивания. Питание мостовой схемы осуществляют от генератора переменного напряжения (на рис. 11 для упрощения не показан).

Микропроцессор с встроенным тактовым генератором определенной частоты выполняет все функции управления измерительным процессом. Напряжение разбаланса моста U_р через усилитель сигнала разбаланса поступает на входы фазовых детекторов активной (АС) и реактивной (РС) составляющих комплексного сопротивления. Опорные напряжения фазовых детекторов U_опАС и U_опРС снимают с моста.

С выходов фазовых детекторов напряжения разбаланса подаются на реверсивные счетчики, управляющие состоянием органов уравновешивания мостовой схемы, и на микропроцессор, задающий сигналами U_АС и U_РС скорость счета соответствующих реверсивных счетчиков. Направление счета реверсивных счетчиков определяет знак напряжения разбаланса фазовых детекторов, скорость счета - уровень этого напряжения.

Изменение состояния счетчика, вызванное приходом на мост очередного тактового импульса U_т, с тактового генератора, приводит к изменению значения регулирующего параметра на одну единицу младшего разряда. Опорные напряжения фазовых детекторов выбираются такими, что сигналы, вырабатываемые ими, определяются отклонением сигналов органа управления от состояния равновесия: сигнал одного детектора отклонением по активной составляющей АС, сигнал другого - по реактивной составляющей РС.

Управление мостом осуществляют тактовыми импульсами U_Т. По мере приближения к состоянию баланса моста напряжение разбаланса уменьшается, поэтому замедляется скорость его уравновешивания. При достижении равновесия моста дискретное уравновешивание прекращается и результаты измерения параметра поступают на ЦОУ.

Микропроцессор автоматически осуществляет самокалибровку прибора перед началом измерений и учитывает влияние внешних условий на точность измерений.



6. Измерители амплитудно-частотных характеристик

В телекоммуникационных системах часто используются линейные четырехполюсники (линейные цепи), важной характеристикой которых является частотный коэффициент передачи (проще, коэффициент передачи). Коэффициент передачи цепи определяют как отношение комплексных амплитуд выходного U_вых(jщ) = U_вых и входного U_вх(jщ) = U_вх гармонических напряжений одной частоты щ:

(32)

Напомним, что модуль коэффициента называют АЧХ, а аргумент ц(щ) - фазочастотной характеристикой (ФЧХ) четырехполюсника.

В области некоторой полосы частот отклик линейного четырекполюсника на входное воздействие практически всегда начинает уменьшаться. В связи с этим используют понятие "полосы пропускания" (рабочей полосы) - области частот, где модуль коэффициента передачи К(щ) становится не менее своего максимального значения. Полоса пропускания линейного четырехполюсника заключена в области от нижней щ_н до верхней щ_в частоты, и поэтому ее ширина составляет:

Дщ₀ =щ_в - щ_н.

При практических расчетах используют не круговую частоту щ, а циклическую частоту f. При этом полоса пропускания линейного четырехполюсника:

Дf_o = f_в - f_н,

где f_в - верхняя, а f_н - нижняя граничные циклические частоты.

Приборы для исследования (точнее - снятия) АЧХ позволяют снимать кривую зависимости амплитуды напряжения на выходе цепи от частоты синусоидального напряжения на входе при постоянной его амплитуде. При исследовании ФЧХ определяют частотную зависимость разности фаз между синусоидальными напряжениями на выходе и входе исследуемого устройства.

Измерительные приборы для исследований АЧХ линейных цепей и устройств называют измерителями АЧХ. Их широко используют для настройки и контроля радиоаппаратуры, в частности усилителей и радиоприемников.

Структурная схема измерителя АЧХ линейных цепей приведена на рис. 12, а. Диапазонный генератор гармонических колебаний перестраивают в исследуемом диапазоне частот. Амплитудно-частотную характеристику удобно снимать с помощью цифрового вольтметра по точкам при последовательной настройке генератора на частоты f₁ f₂ f₃ и т. д. По результатам измерений графически строят искомую АЧХ (рис. 12, б). Этот метод достаточно трудоемок. Кроме того, могут быть упущены изменения АЧХ в промежутках между точками измерений. Недостатки метода особенно заметны при настройке радиотехнических схем, когда после каждого изменения элементов схемы всю процедуру снятия АЧХ приходится повторять.

Рисунок 12. К методу снятия АЧХ по точкам: а - структурная схема измерителя; б - графическое построение АЧХ

Широкое применение находят панорамные измерители АЧХ с электронно-лучевым или современным дисплеем, построенные на основе генератора качающейся частоты и цифровой схемы управления и настройки. По принципу действия панорамные измерители близки к гетеродинным анализаторам спектра. Однако между этими приборами имеются и различия, связанные с тем, что анализаторы спектра служат для измерения параметров сигналов, а измерители АЧХ - для исследования характеристик цепей и устройств.

Рисунок 13. Структурная схема панорамного измерителя АЧХ

Структурная схема панорамного измерителя АЧХ приведена на рис. 13. Основой прибора является ГКЧ, создающий высокочастотное напряжение с периодически меняющейся частотой. Закон изменения частоты определяется формой модулирующего напряжения, в качестве которого используют пилообразное напряжение развертки. Огибающая напряжения на выходе цепи повторяет форму АЧХ. Если это напряжение подать на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ, то на экране появится изображение АЧХ.

Напряжение на индикатор можно подавать непосредственно с выхода исследуемой цепи - режим первый или после детектора и усилителя низкой частоты - режим второй (ключ на рис. 13 в положениях 1 или 2 соответственно). Соответствующие изображения на экране дисплея приведены на рис.

Рисунок

Первый режим применяют тогда, когда напряжение на выходе линейной цепи имеет достаточно большую амплитуду. Этим устраняют ошибки, связанные с нелинейностью характеристики детектора и неравномерностью АЧХ усилителя низкой частоты. Второй режим используют при исследовании четырехполюсников с малым коэффициентом усиления.

Показанная на рис. 14 горизонтальная линия на экране индикатора прочерчивается автоматически во время обратного хода луча. Генератор качающейся частоты на это время запирают напряжением генератора развертки.

Рисунок 15

Применяемые измерители АЧХ линейных цепей кроме элементов, показанных на рис. 13, имеют ряд дополнительных устройств, повышающих точность воспроизведения исследуемых АЧХ на экране дисплея и улучшающих ряд других свойств прибора. Назначение этих устройств нетрудно пояснить на примере структурной схемы панорамного измерителя АЧХ (рис. 15).

Согласно принципу действия измерителя АЧХ, отклонение электронного луча на экране дисплея по горизонтали должно быть пропорционально частоте, т. е. в схеме необходимо обеспечить линейную зависимость между мгновенными значениями напряжения развертки и частоты ГКЧ. Отклонения указанных параметров от линейной зависимости может привести к неравномерности частотного масштаба на экране панорамного измерителя и искажениям формы исследуемых АЧХ. Для устранения недостатка, в измеритель АЧХ вводится схема линеаризации модуляционной характеристики ГКЧ. Однако качание частоты может сопровождаться изменением амплитуды выходного напряжения, что приведет к искажениям формы исследуемых АЧХ на экране дисплея. Поэтому в данном измерительном приборе предусмотрено устройство автоматической регулировки амплитуды (на рис. 15 не показано), стабилизирующее напряжение на выходе ГКЧ.

Чтобы изменить напряжение, подаваемое на исследуемую цепь, на выходе ГКЧ включен переменный калиброванный аттенюатор. Измерение частот в характерных точках исследуемых АЧХ производят с помощью генератора частотных меток. Как правило, метки формируют из нулевых биений, полученных смешением напряжения ГКЧ с напряжением, спектр которого содержит набор калибровочных частот. Усиленное напряжение меток подается на дисплей и образует частотную шкалу на экране измерительного прибора.



Литература

1. Барыбин, А.А. Электроника и микроэлектроника. Физико-технологические основы / А.А. Барыбин. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 424 c.

2. Белов, Н.В. Электротехника и основы электроники: Учебное пособие / Н.В. Белов, Ю.С. Волков. - СПб.: Лань, 2012. - 432 c.

3. Белоусов, В.В. Судовая электроника и электроавтоматика: Учебник / В.В. Белоусов, В.А. Волкогон. - М.: Колос, 2008. - 645 c.

4. Борисенко, В.Е. Наноэлектроника: теория и практика: Учебник / В.Е. Борисенко, А.И. Воробьева, А.Л. Данилюк, Е.А. Уткина. - М.: БИНОМ. ЛЗ, 2013. - 366 c.

5. Вайнштейн, Л.А. Теория дифракции. Электроника СВЧ / Л.А. Вайнштейн. - М.: Радио и связь, 1995. - 600 c.

6. Велстистов, Е. Все о приключениях Электроника: Повести / Е. Велстистов. - СПб.: Азбука-Аттикус, 2013. - 592 c.

7. Велтистов, Е.С. Победитель невозможного: третья книга из цикла о приключениях Электроника / Е.С. Велтистов. - М.: Дет. лит., 2010. - 235 c.

8. Воронков, Э.Н. Твердотельная электроника. Практикум: Учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений / Э.Н. Воронков. - М.: ИЦ Академия, 2010. - 128 c.

9. Воронков, Э.Н. Твердотельная электроника: Учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений / Э.Н. Воронков, А.М. Гуляев, И.Н. Мирошникова. - М.: ИЦ Академия, 2009. - 320 c.

10. Гальперин, М.В. Электротехника и электроника: Учебник / М.В. Гальперин. - М.: Форум, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 480 c.

11. Голубева, Н.С. Основы радиоэлектроники сверхвысоких частот: Учебное пособие / Н.С. Голубева, В.Н. Митрохин; Под общ. ред. проф. д.т.н. И.Б. Федоров. - М.: МГТУ им. Баумана, 2008. - 488 c.

12. Горохов, П.К. Толковый словарь по радиоэлектронике / П.К. Горохов. - М.: Русский язык, 1993.

13. Гусев, В.Г. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. - М.: КноРус, 2013. - 800 c.

14. Джонс, М.Х. Электроника - практический курс / М.Х. Джонс. - М.: Техносфера, 2013. - 512 c.

15. Евстратов, В.А. Радиоэлектроника прогулочных судов / В.А. Евстратов. - М.: ТрансЛит, 2008. - 128 c.

16. Ермуратский, П.В. Электротехника и электроника / П.В. Ермуратский, Г.П. Лычкина, Ю.Б. Минкин. - М.: ДМК Пресс, 2013. - 416 c.

17. Ефимов, И.Е. Основы микроэлектроники / И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь. - М.: Высшая школа, 1983.

Размещено на Allbest.гu

...