Нефедов В.И. - Электрорадиоизмерения (1066241), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Измеритель мощности излучения с использованием обратного электрооптического эффекта. Данный эффект состоит в том, что при падении монохроматического излучения на некоторые кристаллы в них возникает поляризация. Если такой кристалл поместить в конденсатор специальной формы (рис. 8.9, б), то измеряемая мощность излучения будет связана с напряжением и на зажимах конденсатора определенным соотношением.
Наиболее эффективно использовать полупроводники при измерении мощности лазеров, работающих в инфракрасном диапазоне (например, лазеров на СОг). При этом верхний уровень измеряемой мощности определяет оптическая прочность кристалла, которая для пьезокристаллов находится в пределах (0,15...1) • 1010 Вт/см2, что сравнимо с оптической прочностью оптических стекол лучших марок, используемых в лазерах.
Измеритель мощности лазерного излучения с использованием обратного электрооптического эффекта содержит прозрачный для измеряемого излучения кристалл; конденсатор с помещенным в него кристаллом, с пластин которого снимают напряжение, пропорциональное пиковой мощности импульса лазера; электронную схему для измерения наведенной ЭДС (как правило, вольтметра амплитудного значения). Для регистрации длительности лазерного импульса при измерении энергии излучения к измерителю подключают осциллограф.
Пондеромоторный ваттметр. Действие пондеромоторного (механического) измерителя мощности основано на использовании светового давления. Давление электромагнитных волн на отражающую поверхность пропорционально значению вектора Умова-Пойнтинга, который определяет плотность потока энергии, проходящей ежесекундно через единичную площадь. Такие приборы применяют для измерения энергии и мощности излучения лазеров, работающих как в импульсном, так и непрерывном режимах. Верхний предел измеряемых уровней мощности или энергии практически не ограничен.
Пондеромоторные измерители мощности обладают высокой точностью измерений, потребляют незначительную мощность, малоинерционны и не боятся перегрузок. К их недостаткам можно отнести необходимость тщательного согласования и изготовления деталей по высшему классу точности.
8.5. Цифровые ваттметры
Повсеместно внедряемая в последние годы в измерительной технике автоматизация процесса измерения распространилась и на средства измерения мощности. Необходимость в автоматизации средств измерения мощности обусловлена двумя причинами: во-первых, развитием автоматических систем контроля и, во-вторых, сложностью управления работой, связанной с балансировкой мостовых схем,
В цифровых ваттметрах применяют различные типы преобразователей мощности, в том числе и терморезисторные. Упрощенная структурная схема цифрового ваттметра представлена на рис. 8.10.
Основным элементом схемы ваттметра является микропроцессор. Усилитель постоянного тока УПТ усиливает выходное напряжение термоэлектрического приемного преобразователя до значения, обеспечивающего устойчивую работу блока АЦП. Напряжение, пропорциональное значению измеряемой мощности, преобразуют с помощью времяимпульсного преобразователя (на схеме не показан) в интервал времени, который заполняют импульсами опорной частоты. Число импульсов, пропорциональное измеряемой мощности, отображают на ЦОУ или выводят в специализированное устройство обработки измерительной информации.
Микропроцессор ваттметра содержит элементы автоматического управления режимами работы прибора и дистанционного переключения пределов измерения, индикации условного обозначения измеряемой величины. Калибратор мощности переменного тока используют для самокалибровки ваттметра, а калибратор мощности постоянного тока —• для калибровки цифрового ваттметра, работающего с преобразователями на средних и больших уровнях мощности. Все узлы ваттметра запитывают от встроенного источника питания,
Приемный преобразователь состоит из отрезка коаксиальной линии (или волновода) со стандартным высокочастотным разъемом, поглощающего элемента, термоэлектрического модуля, «образца сравнения». Поглощающий элемент представляет собой тонко пленочный резистор на теплопроводящей (бериллиевой) керамике. Центральным проводником коаксиального тракта является тонкостенная трубка из нержавеющей стали, исключающая тепловое влияние внешней среды на поглощающий элемент. Для уменьшения потерь на СВЧ трубку покрывают медью и серебром. Один конец поглощающего элемента за счет плотной посадки имеет электрический контакт с центральным проводником. Другой его конец впаян в согласующий медный экран с серебряным покрытием. В согласующем экране предусмотрено ступенчатое изменение диаметра, что обеспечивает согласование поглощающего элемента с трактом во всем диапазоне частот.
Термоэлектрический модуль представляет собой диск с отверстием и расположен так, что горячий спай имеет тепловой контакт с внешней поверхностью согласующего экрана в месте пайки поглощающего элемента, а холодный спай — с «образцом сравнения». К выводам термоэлектрического модуля припаивают провода соединительного кабеля. Для защиты модуля от случайных внешних тепловых воздействий используют внутренний и внешний экраны. На внешнем экране укреплены ребра, образующие вместе с экраном радиатор. Применение радиатора позволяет увеличить мощность рассеяния преобразователя.
Цифровой ваттметр с микропроцессором осуществляет ряд автоматизированных операций: автоматический выбор пределов измерений уровня мощности, автоматическую установку нуля и сам о калибровку. Кроме того, предусматривают выход информации на канал общего пользования при включении ваттметра в состав информационно-измерительной системы.
Контрольные вопросы
1. Что собой представляет мощность электрических колебаний?
2. Перечислить основные методы измерения мощностей в различных частотных диапазонах.
3. Объяснить принцип действия электродинамического ваттметра.
4. Какой алгоритм лежит в основе ваттметра на перемножителях?
5. Каковы особенности измерения мощности электромагнитных колебаний в СВЧ-диапазоне?
6. По какому принципу строят ваттметры поглощающей мощности для СВЧ-диапазона?
7. Приведите пример ваттметра поглощающей мощности.
8. Поясните принцип действия терморезисторного метода измерения СВЧ-мощности?
9. Какие типы мостов применяют для измерения мощности с помощью терморезисторов?
10. Приведите схемы неуравновешенного и уравновешенного мостов.
11. В чем заключается метод измерения электрической мощности
термопарами?
12. На чем основан калориметрический метод измерения мощности?
13. Как работают ваттметры проходящей мощности? Привести основные примеры.
14. На каком принципе основаны измерители мощности использующие преобразователи Холла?
15. Как осуществляется измерение мощности с преобразователями Холла?
16. Как работают ваттметры на основе эффекта «горячих» носителей тока?
17. Как измеряют мощность и энергию лазерного излучения?
18. Объяснить принцип действия цифрового ваттметра по его структурной схеме.
Глава 9
_______АНАЛИЗ СПЕКТРА СИГНАЛОВ_______
9.1. Общие сведения
В радиотехнических устройствах протекают электрические процессы, имеющие специфический характер. Реальный радиотехнический сигнал как физический объект аналитического и практического исследований достаточно сложен. Чтобы провести анализ прохождения сигнала через радиотехнические цепи, необходимо его представить в удобной математической форме. В теории сигналов широкое применение нашли два способа математического и физического представления электрических сигналов: временной и спектральный. При временном способе анализа сигнал отражают непрерывной функцией времени или совокупностью элементарных импульсов, следующих друг за другом через определенные интервалы времени. Спектральный способ основан на представлении (аппроксимации) сигнала в виде суммы гармонических составляющих разных, обычно кратных друг другу частот.
Анализ процессов в электрических цепях главным образом зависит от сложности формы поступающих на них сигналов. В этих случаях часто становится эффективным спектральное представление сигналов. Фундаментальная идея такого представления принадлежит Ж. Фурье. Для периодических сигналов Фурье ввел разложение по различным видам рядов — тригонометрическим, гармоническим, комплексным и т.д. Фурье также доказал, что непериодические (импульсные) сигналы можно описать с помощью двух его преобразований — прямого и обратного.
Итак, практически любой сигнал можно представить в виде суммы гармонических составляющих (спектра), амплитуды и частоты которых можно определить с помощью прямого преобразования Фурье. Этот спектр гармонических составляющих зачастую
Рис. 9.1. Представление сигнала: а — временная диаграмма; б — спектр
удобно отобразить графически, если по оси абсцисс откладывать обозначение частот, а по оси ординат — величины амплитуд гармоник. На рис. 9.1 наглядно показано временное и спектральное представление достаточно сложного по форме сигнала. Анализ спектра включает определение как амплитуд гармоник (спектра амплитуд), так и их начальных фаз (спектра фаз). Однако для многих практических задач достаточно знать лишь спектр амплитуд. Поэтому под анализом спектра принято понимать определение амплитуд гармоник исследуемого сигнала.
Автоматическое представление спектра сигналов осуществляют специальными приборами — анализаторами спектра.
Анализаторы спектра электрических сигналов классифицируют следующим образом:
• по способу анализа — последовательные, параллельные (одновременные) и смешанные;
• по диапазону частот — низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, широкодиапазонные.
Основными характеристиками анализаторов являются: разрешающая способность, время анализа и погрешности измерения частоты и амплитуды.
Для спектрального анализа непериодических сигналов (функций) используют аппарат интегрального преобразования Фурье. При этом применяют известную формулу прямого преобразования Фурье, характеризующую спектральную плотность непериодического (импульсного) сигнала:
Однако существует одно обстоятельство, общее для всех схем анализаторов, ограничивающее точность анализа спектра сигнала: преобразование Фурье широко применяют при аналитических исследованиях физических процессов, если выполняются условия Дирихле и абсолютной интегрируемости. Для реальных физических процессов эти условия обычно выполняются. Преобразования Фурье предполагают, что процесс u(t) задан на всей оси времени от -∞ до + ∞. Спектр (9.1) определяется всем закончившимся процессом. Однако при измерениях наблюдают процессы на конечном интервале времени Tа (времени анализа, наблюдения), т.е. не закончившиеся во времени. Это несоответствие позволяет устранить модель текущего частотного спектра, определяемого соотношением:
Иными словами, текущая спектральная плотность зависит от времени анализа и форма текущего спектра в общем случае отличается от истинного тем больше, чем меньше Та. Отличие текущего спектра от спектра закончившегося процесса зависит от того, проявились ли за время анализа Та все характерные особенности сигнала. Если исследуемый анализатором электрический сигнал — периодический с периодом следования Т, то необходимо, выполнение условия: Та >>Т.
При измерении спектра нижний предел времени анализа является конечным, т.е. интегрирование (усреднение) проводится в интервале от 0 до Та. За счет этого возникает методическая погрешность определения составляющих спектра, связанная с методом измерений. Эта погрешность для ряда технических применений не играет особой роли, но в некоторых случаях ее необходимо учитывать и исследовать.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
