Нефедов В.И. - Электрорадиоизмерения (1066241), страница 17

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 17)

Блок нормализации сигналов с помощью соответствующих преобразователей приводит входные измеряемые параметры (на­пряжения переменного и постоянного тока, сопротивления по­стоянному току и пр.) к унифицированному сигналу и₌, который подается на вход АЦП. Последний действует обычно по методу двойного интегрирования. Блок управления обеспечивает выбор режима работы для заданного вида измерений, управление АЦП, дисплеем и создает нужную конфигурацию системы измерения.

Основой блока управления является микропроцессор, кото­рый связан с другими узлами через сдвигающие регистры. Управление микропроцессором осуществляется с помощью кла­виатуры, расположенной на панели управления или через стан­дартный интерфейс (блок сопряжения; стык) подключаемого

канала связи. Программа работы микропроцессора хранится в постоянном запоминающем устройстве ПЗУ и обеспечивается с помощью оперативного запоминающего устройства ОЗУ.

Для измерений используют встроенные высокостабильные и прецизионные резистивные делители опорного напряжения, дифференциальный усилитель ДУ и ряд внешних элементов (ат­тенюатор и устройство выбора режима, блок опорного напряже­ния u_оп). Все импульсные и цифровые устройства синхронизируют сигналами генератора тактовых импульсов.

3.6. Техника измерения напряжения

Для измерения напряжения необходимо правильно выбрать прибор с учетом его диапазона измерения, частотного диапазона, класса точности, потребления мощности из измерительной цепи, влияния формы сигнала на результат измерения. Эти параметры указаны в технической документации на прибор. При этом следу­ет обратить внимание на следующие важные обстоятельства. При измерении гармонических напряжений частота измеряемого сиг­нала должна находиться в пределах рабочего диапазона частот. Следует проверить по паспорту, не имеет ли место дополнитель­ная частотная погрешность в измеряемой точке. При измерении сигналов сложной формы частотный диапазон выбирают с уче­том высших гармоник. Если используется электронный прибор с амплитудным детектором, то по его показаниям можно опреде­лить среднее квадратическое значение U только для случая, когда известен коэффициент амплитуды измеряемого сигнала. Анало­гично, при измерении прибором с преобразователем средневы-прямленного значения U_np для определения среднего квадратического значения сигнала нужно знать коэффициент его формы К_ф.сиг. Тогда, с учетом формулы (3.6), получим:

( 3.14)

Необходимо помнить, что приборы средневыпрямленного значения подчас вообще непригодны для измерения сигналов сложной формы, поскольку не обеспечивают необходимого рабо­чего диапазона частот.

При измерениях на переменном токе с помо­щью электронных приборов следует иметь в ­ виду, что основная их масса имеет «закрытый вход» для постоянной состав­ляющей сигнала. Это позволяет производить измерения в схемах, где уро­вень сигнала значительно меньше, чем постоянные напряжения режима покоя схемы. Однако при измерении импульсных сигна­лов приборами с амплитудными преобразователями на это следу­ет обратить особое внимание

На временных диаграммах, представленных на рис. 3.16, по­казано, как можно определить параметры однополярных пря­моугольных импульсов, амплитуда U_р, длительность х и частота f= 1/T следования которых известны. Пусть шкала измерительно­го прибора отградуирована в средних квадратических значениях синусоиды. Тогда показание прибора с амплитудным преобразо­вателем измеряемого напряжения должно быть U_np = U_m / 1,41.

Рис. 3.16. Диаграммы к вольтметру c амплитудным преобразователем

Вследствие того, что прибор реагирует только на переменную составляющую сигнала, представленную на рис. 3.16 по отноше­нию временной оси t' показания прибора будут: U_np = U_m⁺/1,41

или U_np = U_m^-/1,41 в зависимости от полярности его подключения, где U_m⁺ =U_P(T- )/Т — положительное амплитудное значение;

U_m^- =U_p /T — отрицательное амплитудное значение импульса.

Формулы перевода напряжений получены из условия равенства нулю постоянной составляющей, т.е. площади S₁ и S₂ относительно оси времени t' равны:

S₁ =U_m⁺ , S₂=U'(T- ). (3.15)

Измерение шумового напряжения

Наиболее точно среднее квадратическое значение шумового напряжения можно измерить вольтметром с квадратичным детектором. Градуировка такого вольтметра не зависит от формы на­пряжения, а следовательно, пригодна и в данном случае.

При измерении шумовых напряжений необходимо учитывать ряд специфических требований.

1. Шумовое напряжение может иметь большие выбросы, пре­вышающие в 3-4 раза его среднее квадратическое значение. По­этому протяженность квадратичного участка характеристики детектора должна быть большой, при этом не должно быть огра­ничения шумового напряжения в усилителях, включенных до де­тектора. Амплитудная характеристика входного усилителя должна быть линейной до уровня, вероятность превышения кото­рого шумовым напряжением невелика.

2. Спектральная плотность шумового напряжения обычно за­нимает широкую полосу частот. Усилители, включенные до не­линейного устройства, не должны вносить линейных искажений.

3. При измерении показания вольтметра определяются реали­зацией исследуемого процесса за конечное время накопления, т.е. измеряется среднее квадратическое значение отдельных реализа­ций шумового напряжения. Пусть исследуемый шум — стацио­нарный случайный процесс и его математическое ожидание и дисперсия не зависят от времени. Показания вольтметра будут раз­личны для разных реализаций, т.е. имеет место ошибка измерений, обусловленная конечностью времени накопления. Разброс показа­ний от одной реализации к другой тем меньше, чем больше время накопления. При этом ошибка измерений также уменьшается.

Измерения импульсных и высокочастотных напряжений

Импульсные напряжения измеряют с помощью импульсных вольтметров, построенных по схеме, показанной на рис. 3.6, а. В этой схеме возможно измерение амплитуды только положитель­ных импульсов, для отрицательных необходимо обратное вклю­чение диода. Специальные импульсные вольтметры градуируют в амплитудных (пиковых) значениях.

При исследовании радиоимпульсов процессы в схеме вольт­метра протекают так же, как и при измерении видеоимпульсов. Однако заряд конденсатора происходит только при положитель­ных полупериодах несущей частоты, т.е. при положительной оги­бающей. Погрешность измерений в этом случае может возрасти.

В случае измерения импульсных напряжений необходимо иметь в виду, что спектр частот, занимаемый импульсами, бывает широким, особенно спектр радиоимпульсов малой длительности. Составляющие спектра могут находиться в области высоких час­тот, на которых появляются дополнительные погрешности.

При измерении напряжений высокой частоты появляется погрешность, обусловленная влиянием следующих факторов:

• наличием входных емкостей детектора, емкостью и индук­тивностью монтажа; наличие этих емкостей приводит к резо­нансным явлениям, при этом напряжение, приложенное к конденсатору и диоду, не равно измеряемому напряжению, как это имеет место на низких частотах;

• инерционностью носителей заряда в активных элементах (например, транзисторах усилителей).

Для уменьшения погрешности первого вида необходимо час­тоту резонанса входной цепи расположить вне диапазона рабочих частот вольтметра и предельно уменьшить длину соединитель­ных проводов. Для этого детектор выполняют в виде отдельного выносного блока, который можно непосредственно подключать в точках, где измеряется напряжение. Иногда измеряемое напряже­ние подается на вход вольтметра через отрезок длинной линии. Следует подчеркнуть, что резонансные процессы во входной це­пи приводят к завышению значения измеряемого напряжения. Инерционность носителей заряда ведет к тому, что вольтметр по­казывает заниженное значение измеряемого напряжения, причем занижение тем больше, чем выше частота. Погрешности за счет резонанса и инерционности носителей заряда имеют противопо­ложные знаки, и поэтому происходит их частичная компенсация.

3.7. Особенности измерения силы тока

Существует ряд методов измерения силы тока в электриче­ских цепях: кроме прямых измерений, широко используют кос­венные измерения.

Прямое измерение силы тока. В этом случае амперметр включают последовательно в разрыв электрической цепи, в кото­рой проводится измерение силы тока (рис. 3.17, а). Включение в исследуемую цепь амперметра искажает результат измерения. В частности, наличие в схеме рис. 3.17, а амперметра с внутренним сопротивлением R_A приведет к тому, что вместо силы тока I_x = U/R, который протекал в этой

Рис. 3.17. Схемы измерения силы тока: а — амперметром; б — с помощью вольтметра

цепи без амперметра, после его включе­ния потечет ток:

(3.16)

Абсолютная погрешность измерения I = I_х - I₁ будет тем больше, чем выше внутреннее сопротивление амперметра R_A.

Измерение силы тока косвенным методом с помощью электронных вольтметров. Поскольку между напряжением и током в электрической цепи имеется линейная связь (согласно закону Ома), то ток можно измерить косвенным методом с по­мощью схемы, показанной на рис. 3.17, б. При этом, измерив вольтметром напряжение на сопротивлении эталонного резисто­ра R_э, силу тока находим по формуле:

где U_э — напряжение, измеренное вольтметром; I_x — ток, подле­жащий определению; R_э — активное эталонное сопротивление известного номинала.

Однако при измерении малых токов подобная методика может оказаться неприемлемой. В этом случае в измерительных приборах применяют схему входного усилительного каскада с достаточно ма­лым входным сопротивлением.

Особенности измерений малых напряжений и силы то­ков. Рассмотренные способы измерения напряжения или силы тока малых уровней основаны, главным образом, на применении усилителей. Для усиления малых сигналов требуется иметь уси­литель с большим коэффициентом усиления. Настоящий уровень развития электронной техники позволяет успешно решить эту задачу. Поэтому не коэффициент усиления, а внутренние шумы усилителя и источника исследуемого сигнала определяют пре­дельно достижимый порог чувствительности при измерении ма­лых сигналов.

Контрольные вопросы

1. Что называется амплитудным, средним, средневыпрямленным и средним квадратическим значениями напряжения или тока?

2. Какие коэффициенты устанавливают связь между амплитудным и средним квадратическим, средним квадратическим и средним значениями напряжения (тока)? Чему равны эти коэффициенты для гармонической формы сигнала?

3. Из-за чего может появиться методическая погрешность при изме­рении несинусоидального сигнала? Приведите примеры прибо­ров, в которых наблюдается такая погрешность.

4. Перечислить основные системы электромеханических приборов и дайте сравнительные характеристики по параметрам.

5. Почему магнитоэлектрический механизм работоспособен только на постоянном токе?

6. Какие системы электромеханических приборов являются высоко­частотными?

7. Каковы достоинства компенсационного метода измерения?

8. Приведите основные схемы построения электронных аналоговых вольтметров и их отличия.

9. Объясните работу амплитудного диодного преобразователя пере­менного тока в постоянный.

10. Почему амплитудный преобразователь наиболее высокочастотен?

11. Как функционирует преобразователь среднего квадратического значения, реализованный с помощью кусочно-линейной аппрок­симации вольтамперной характеристики?

12. Какой принцип реализован в кодоимпульсных цифровых вольт­метрах?

13. На каком принципе строят вольтметры времяимпульсного типа?

14. Какова техника измерения напряжений?

15. Как измеряют шумовые и импульсные напряжения?

16. В чем состоят особенности измерения силы тока?

Глава 4

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

4.1. Общие сведения

Характеристики

Список файлов книги