Нефедов В.И. - Электрорадиоизмерения (1066241), страница 32

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

Текст из файла (страница 32)

3. Перечислить основные методы измерения фазового сдвига.

4. В чем состоит метод линейной развертки измерения фазового сдвига с помощью осциллографа?

5. Как с помощью осциллографа измеряют сдвиг фазы, используя метод эллипса?

6. Как осуществляют измерение фазового сдвига методом круговой развертки?

7. На каком принципе работает фазометр с преобразованием фазы в интервал времени?

8. На каком принципе работают компенсационные фазометры?

9. Как измеряют фазовый сдвиг в СВЧ-диапазоне?

10. Пояснить принцип действия цифрового фазометра, измеряющего среднее значение фазы. Для пояснения нарисуйте временные диа­граммы.

11. Как работает цифровой фазометр на основе микропроцессора?

12. Как действует фазометр с гетеродинным преобразованием частоты исследуемого сигнала?

13. В каких случаях применяют фазометры с умножением частоты?

14. Поясните принцип измерения сдвига фазы фазовым детектором.

15. Как измеряют фазовый сдвиг с помощью детектора на логиче­ском элементе «Исключающее ИЛИ».

Глава 8 ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ

8.1. Общие сведения

В радиотехнике мощность измеряют практически во всем частотном диапазоне — от постоянного тока до миллиметровых и более коротких длин волн. Измерять уровни мощности приходится в очень широких пределах — от до Вт. В последние годы при измерениях наряду с абсолютными (ватт, милливатт и т.д.) широко используют относительные (логарифмические) еди­ницы мощности (децибелы). Относительные единицы измерения имеют ряд существенных преимуществ, их применяют для оцен­ки мощности источников радиотехнических сигналов, степени их усиления или ослабления, чувствительности приемных уст­ройств, погрешностей измерений и пр.

Как физическую величину, электрическую мощность определя­ют работой, совершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени. Размерность электрической мощности записыва­ют следующим образом: Дж/с = Вт.

Измерение мощности в разных частотных диапазонах имеет оп­ределенные особенности. Измерители мощности промышленной частоты наряду со счетчиками энергии являются основой дейст­вующей системы учета потребления электрической энергии в на­родном хозяйстве. Измерение мощности на постоянном токе, а также в диапазоне звуковых и высоких частот имеет ограничен­ное значение, поскольку на частотах до нескольких десятков ме­гагерц часто удобнее измерять напряжения, токи и фазовые сдви­ги, а мощность определять расчетным путем. На частотах свыше 300 МГц вследствие волнового характера процессов значения на­пряжения и токов теряют однозначность и результаты измерений начинают зависеть от места подключения прибора. Поскольку поток мощности через любое поперечное сечение линии передачи всегда остается неизменным, то основным параметром, характери­зующим режим работы устройства СВЧ, становится мощность.

Активную (поглощаемую электрической цепью) мощность однофазного переменного тока определяют по формуле

(8.1)

где U, I — средние квадратические значения напряжения и тока; — сдвиг фазы между их мгновенными значениями.

Если нагрузка R_H в электрической цепи активная ( = 0), то мощность переменного тока

P=UI=I²R_H = U²/ R_H (8.2)

Для сигнала произвольной формы, имеющего периодиче­скую структуру, электрическую мощность можно оценить с по­мощью ряда Фурье:

(8.3)

где U₀,, I₀ — постоянные составляющие; U_n,, I_n — средние квадра­тические значения гармоник напряжения и тока; — фазовый сдвиг между гармониками напряжения U_n, и тока I_n .

Электрическую мощность переменного тока можно измерять непосредственно с помощью специальных приборов — ватт­метров, или косвенно путем измерения величин, входящих в приведенные соотношения. Принцип действия ваттметров осно­ван на реализации операции умножения. Применяют устройства прямого и косвенного перемножения. Примерами устройств пря­мого перемножения являются измерительные механизмы ватт-метров электродинамической системы. Прямое перемножение напряжения и тока можно обеспечить с помощью преобразовате­лей Холла, или специальных схем на полевых транзисторах и т.д.

В устройствах косвенного перемножения произведение ве­личин находят путем сложения (вычитания), возведения в сте­пень, логарифмирования, интегрирования и пр. Для этих целей служат аналоговые интегральные перемножители. Современные ваттметры на частоты 1...10 МГц создают на основе интеграль­ных перемножителей с использованием термопреобразователей.

8.2. Измерение мощности в диапазонах низких и высоких частот

При прямых измерениях в диапазонах частот 1... 10 кГц ино­гда используют электродинамические ваттметры.

Электродинамические ваттметры

Принцип действия электродинамического ваттметра основан на том, что угол поворота а рамки (со стрелкой) электродинами­ческого прибора пропорционален произведению токов, умножен­ному на косинус угла ф между ними:

(8.4)

где k— постоянный для данного прибора коэффициент.

Пусть требуется измерить активную мощность, потребляемую некоторой нагрузкой Z_H, к которой приложено среднее квадратиче-ское значение напряжения U_н. Через нагрузку Z_H протекает гармо­нический ток со средним квадратическим значением I_Н сдвинутый по фазе на угол ф по отношению к напряжению. Схема включения катушек электродинамического ваттметра показана на рис. 8.1. Если параметры ваттметра вы­браны так, что R_доб >> Z_H, то ток в неподвижной катушке , а в подвижной — . По­этому угол отклонения стрелки а с учетом формулы (8.4) будет пропорционален активной мощ­ности в нагрузке Р:

(8.5)

где k— коэффициент пропорциональности.

Ваттметры электродинамической системы можно применять Для измерения электрической мощности в цепях как постоянного, так и переменного тока, но наиболее широко их используют для измерения мощности промышленной частоты.

Ваттметры на интегральных аналоговых перемножителях

Интегральный перемножитель сигналов реализует передаточную функцию

где k_a — масштабный коэффициент, и₁ и и₂ — перемножаемые напряжения.

Рассмотрим упрощенную структурную схему аналогового интегрального перемножителя двух напряжений (рис. 8.2), в ос­нову принципа действия которого заложен четырехквадрантный метод перемножения. В технике измерения мощностей данную схему иногда называют квадратором.

При перемножении двух аналоговых напряжений произво­дятся операции:

• суммирование —

• вычитание —

• возведение в квадрат —

• вычитание квадратов —

• деление напряжения на четыре —

Чтобы применить перемножитель сигналов в схеме ватт­метра, достаточно в качестве выходного каскада измерителя включить низкочастотный фильтр. Если напряжения и , где R — эталонное сопротивление, то сигнал на выходе . Приняв k_a = 1, сопротивление R = 1 Ом и учитывая формулу произведения коси­нусов, получим . Выде­ленная специальным низкочастотным фильтром постоянная со­ставляющая данной мощности будет пропорциональна измеряе­мой мощности, т.е. .

В перемножителях используют идентичные, со стабильными параметрами нелинейные элементы, имеющие квадратичные ха­рактеристики. Более высокую точность измерения мощности по методу прямого умножения сигналов обеспечивает операция ин­тегрирования, которую применяют в прецизионных измерительных преобразователях активной мощности промышленной частоты.

По уровню измеряемых электрических мощностей все изме­рители мощности делят на ваттметры малой (до 10 мВт), средней (10 мВт...10 Вт) и большой мощностей (свыше 10 Вт).

8.3. Измерение мощности СВЧ-колебаний

Способы измерения мощности СВЧ существенно отличаются от рассмотренных ранее. Все они основаны на эквивалентном преобразовании энергии исходных электромагнитных колебаний в другой вид энергии, удобный для измерения. Косвенные мето­ды, изложенные выше, не находят применения, так как токи и напряжения различны в разных сечениях линии передач (стоячие волны) и подключение измерительного прибора меняет режим работы измерительной цепи. Поэтому в СВЧ-диапазоне исполь­зуют методы преобразования энергии электромагнитных колеба­ний в другой вид энергии, удобный для измерения.

Различают два метода измерения мощности СВЧ-колебаний.

1. Измерение мощности генератора электромагнитных коле­баний ваттметрами поглощающего типа. Согласно общеприня­тому определению, под мощностью генератора понимают мощ­ность, отдаваемую им в согласованную нагрузку (рис. 8.3, а). В этом случае измеряемая мощность полностью рассеивается на Некотором измерительном эквиваленте нагрузки с последующим измерением мощности теплового процесса. Такие измерители мощности называют ваттметрами поглощающего типа. Посколь­ку нагрузка должна полностью поглощать измеряемую мощность, то использование прибора возможно лишь при отключенном по­требителе. Результат измерения наиболее точен, если входное со­противление измерительного прибора полностью согласовано с выходным сопротивлением исследуемого генератора или волновым сопротивлением линии передачи, т.е. R_Г = R_Н ; х_Г = -х_Н.

Характеристики

Список файлов книги