ОСНОВНЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Радиоэлектронные измерения и радиоизмерительные приборы широко используются в работе физика-экспериментатора и инженера-исследователя любой специальности. Измерение — это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. В радиоэлектронике объектами измерений являются параметры и характеристики радиоэлектронных цепей и сигналов, а средствами измерений являются радиоизмерительные приборы. Радиоэлектронные измерения имеют следующие особенности.

1. Разнообразие по характеру.

С этой точки зрения радиоэлектронные измерительные приборы подразделяются на четыре группы:

Первая группа — измерительные генераторы. Они служат для имитации сигналов при наладке и настройке радиоэлектронной аппаратуры, измерения некоторых параметров сигналов методами сравнения, питания и калибровки измерительной аппаратуры.

Вторая группа — приборы для измерения параметров и характеристик сигналов. Особенностью этой группы приборов является необходимость подачи на вход прибора измеряемых сигналов. На выходе прибора получается количественная информация о том или ином параметре сигнала. К этой группе относятся такие измерительные приборы, как осциллографы, электронные вольтметры, частотомеры, фазометры, анализаторы спектра и др.

Третья группа — приборы для измерения характеристик и параметров четырехполюсников, а также различных узлов радиоэлектронных схем. Особенностью приборов этой группы является наличие в них генераторов сигналов определенной формы, питающих исследуемый четырехполюсник или узел, и измерительных устройств, позволяющих оценивать прохождение этих колебаний через данный четырехполюсник или узел. Примером приборов третьей группы являются измерительные мосты, Q-метры, измерители частотных характеристик (характериографы) и др.

Четвертая группа — элементы измерительных схем. К ней относятся выполненные отдельно и прокалиброванные аттенюаторы, фазовращатели, измерительные трансформаторы и пр.

2. Широкий диапазон измерительной величины, иногда достигающий 10—12 порядков.

3. Малая мощность измеряемых сигналов.

В процессе измерения определяемая величина сравнивается с известной величиной, принятой за единицу и называемой образцовой мерой. Для этого шкала измерительных приборов калибруется. При измерении снимается отсчет — число, указываемое индикатором прибора. Показание — физическая величина, соответствующая отсчету и получаемая в результате умножения отсчета на переводной множитель.

2.2. Измерительные генераторы.

В измерительном генераторе частота, форма и напряжение имитируемого сигнала устанавливаются равными необходимому значению и могут перестраиваться в широких пределах. По форме выходных сигналов измерительные генераторы подразделяются на генераторы синусоидальных сигналов, генераторы импульсных сигналов и генераторы шумовых сигналов.

Генераторы синусоидальных сигналов в свою очередь разделяются на низкочастотные (звуковые) с частотой 20 Гц ÷ 200 кГц, высокочастотные с частотой 100 кГц ÷ 30 МГц и сверхвысокочастотные.

Звуковые генераторы (ГЗ) вырабатывают сигнал напряжением от десятков микровольт до 30 вольт. Эти генераторы обычно выполнены по многокаскадной схеме (рис. 1), что позволяет устранить влияние нагрузки на стабильность вырабатываемого сигнала и получить на нагрузке достаточную мощность. Задающий генератор обычно представляет собой двухкаскадный RС-автогенератор с цепочкой Вина в обратной связи. Ступенчатое изменение частоты осуществляется переключением емкости С, а плавное — изменением сопротивления R. Широкополосный усилитель представляет собой двухтактный усилитель мощности, связанный с задающим автогенератором через фазоинверсный каскад.

Рис. 1. Структурная схема генератора синусоидальных сигналов

Далее сигнал поступает на выходное устройство, состоящее из аттенюатора и согласующего устройства. Аттенюатор — делитель напряжения с коэффициентом ослабления сигнала, не зависящим от частоты. Выходной аттенюатор изменяет напряжение ступенями, а в пределах каждой ступени (диапазона) плавная регулировка осуществляется в широкополосном усилителе. Измеритель напряжения включен к выходу усилителя, что значительно упрощает его конструкцию, так как в этом случае он работает только в одном диапазоне напряжений сигнала. Напряжение на выходе равно напряжению на измерителе, умноженному на коэффициент деления аттенюатора. Для стабильности коэффициента деления аттенюатора нагрузка на его выходе должна быть постоянной (обычно 600 Ом). При отличии сопротивления нагрузки от этого значения оно согласуется с аттенюатором с помощью согласующего устройства, состоящего из трансформатора и внутренней нагрузки. Внутренняя нагрузка включается, если сопротивление нагрузки с учетом коэффициента трансформации существенно превышает 600 Ом. Трансформаторный выход, кроме того, позволяет легко получить симметричный выход. В последнем случае заземляется середина вторичной обмотки выходного трансформатора. При измерениях часто используется не напряжение сигнала, а его уровень в децибелах, определяемый по формуле:

U=20 lg(U/U₀) (дБ).

За нулевой уровень принимают чаще всего такое напряжение U₀, которое на сопротивлении 600 Ом создает рассеиваемую мощность 1 мВт. Иногда за нулевой уровень принимают напряжение, равное одному вольту.

Генераторы стандартных сигналов (ГСС, группа Г4) выдают калиброванные по частоте, выходному напряжению и форме синусоидальные сигналы высокой частоты (несущей), которые могут быть промоделированы как от внутреннего, так и от внешнего генератора низкой частоты. Источником высокочастотного напряжения является перестраиваемый автогенератор высокой частоты (рис. 2), который представляет собой LС-генератор синусоидальных колебаний.

Рис. 2. Структурная схема генератора стандартных сигналов

Усилитель-модулятор представляет собой усилитель высокой частоты, который в режиме модуляции выполняет и функции модулятора. Выходное устройство состоит из плавного аттенюатора, затем ступенчатого и иногда выносного делителя, находящегося на конце кабеля. Положение плавного аттенюатора калибруется с помощью шкалы. Измеритель напряжения несущей и глубины модуляции представляет собой электронный вольтметр с детекторами высокочастотного (ВЧ) и низкочастотного (НЧ) сигналов. Выходное сопротивление ГСС в большинстве случаев составляет десятки Ом и согласовано с кабелем.

Генераторы импульсов (ГИ, группа Г5) являются источником импульсных сигналов определенной формы (чаще всего прямоугольной). Схема типичного ГИ приведена на рис. 3. Задающий генератор вырабатывает импульсы, необходимые для запуска блока формирования импульсов, а также для выхода синхроимпульсов от данного прибора. В качестве задающего генератора могут использоваться автогенераторы синусоидальных колебаний с последующим двухсторонним ограничением или релаксационные генераторы. Запуск формирователя основного импульса осуществляется с устанавливаемой задержкой во времени относительно выхода импульса синхронизации. Задержка основного импульса относительно импульса синхронизации широко используется при применении генераторов. Так, при использовании осциллографа синхроимпульсом запускается развертка осциллографа, а основной импульс подается на исследуемую схему и через нее на осциллограф. При этом на экране осциллографа хорошо виден передний фронт импульса.

Рис. 3. Структурная схема генератора импульсов

Принцип действия блока формирования импульсов состоит в следующем. Запускающий импульс, поступая на релаксатор и вызывая его опрокидывание, формирует передний фронт измерительного импульса. Одновременно запускающий импульс, проходя через внутреннюю линию задержки, равную длительности импульса τ, подается на другой вход данного релаксатора, вызывая его опрокидывание в первоначальное состояние и тем самым формируя задний фронт основного импульса длительностью τ. Выходной усилитель представляет собой широкополосный усилитель, обеспечивающий получение на выходе измерительных импульсов нужной амплитуды. Выходное устройство состоит из фазоинверсного каскада для получения на выходе импульсов нужной полярности, эмиттерного повторителя для обеспечения заданной величины внутреннего сопротивления генератора и аттенюатора. Измерители амплитуды работают обычно по методу сравнения с образцовым напряжением.

2.3. Электронно-лучевые осциллографы.

Осциллограф предназначен для визуального наблюдения электрических сигналов и измерения их параметров. Это универсальный прибор, позволяющий измерять напряжение, частоту, разность фаз, временные интервалы и другие параметры сигналов. На рис. 4 приведена структурная схема осциллографа. Основным узлом осциллографа является электронно-лучевая трубка, формирующая узкий электронный луч, попадающий на люминесцирующий экран и описывающий форму исследуемого сигнала, подаваемого на вертикально отклоняющие пластины при условии, что на горизонтально отклоняющие пластины подано линейно изменяющееся напряжение, обеспечивающее движение электронного луча в горизонтальном направлении с постоянной скоростью, т. е. прямо пропорционально времени. Формирование электронного луча осуществляется модулятором (М), работающим по аналогии с управляющей сеткой электронной лампы и регулирующим количество электронов в луче (яркость). Аноды A1 и А2 предназначены для фокусировки электронов на экране трубки. Анод АЗ служит для увеличения скорости электронов в луче, что важно для возбуждения люминофора экрана.

Рис. 4. Структурная схема электронно-лучевого осциллографа

Рассмотрим кратко работу и назначение остальных узлов осциллографа. Исследуемый сигнал по коаксиальному кабелю через входной делитель подается на эмиттерный повторитель, нагрузкой которого является линия задержки (обычно отрезок кабеля). Эмиттерный повторитель имеет высокое входное сопротивление и малую входную емкость, что способствует отсутствию искажения слабых сигналов. Благодаря своему низкому выходному сопротивлению он согласован с волновым сопротивлением линии задержки. Задержка поступления сигнала относительно начала действия развертки дает возможность наблюдать передний фронт сигнала, особенно в режиме внутреннего запуска развертки от самого исследуемого сигнала при достижении им определенного уровня. После усиления сигнал поступает на вертикально отклоняющие пластины трубки, отклоняя луч на экране по вертикали пропорционально напряжению сигнала. Горизонтальное смещение луча, пропорциональное времени, осуществляется пилообразным напряжением, вырабатываемым генератором развертки и подаваемым на горизонтально отклоняющие пластины. Режим запуска генератора развертки может быть ждущим и периодическим. Запуск развертки при ждущем режиме осуществляется либо от внешнего синхронизирующего сигнала с входа Х (внешний запуск), либо от исследуемого сигнала (внутренний запуск). При периодическом режиме генератор развертки запускается периодически либо от сети, либо работает автоматически с собственной, но регулируемой частотой. Некоторые осциллографы имеют усилитель горизонтального отклонения (усилитель Х), который может подключаться к горизонтально отклоняющим пластинам вместо генератора развертки. В этом случае отклонение луча по горизонтали становится пропорциональным напряжению на входе Х. Это позволяет получать на экране зависимости сигнала Y от сигнала X, например, вольт-амперные характеристики устройств. К вспомогательным устройствам относятся калибраторы амплитуды и длительности. У многолучевых осциллографов электронно-лучевая трубка имеет несколько формирователей электронных лучей, общие для всех лучей горизонтально отклоняющие пластины, но отдельные для каждого луча вертикально отклоняющие пластины. При этом имеется несколько входов Y и несколько усилителей вертикального отклонения (по числу лучей). Эти осциллографы позволяют получать одновременно развертку нескольких сигналов. У многоканальных осциллографов трубка обычная, однолучевая, только сигналы на нее подаются поочередно от нескольких входов Y с помощью коммутатора. Запоминающие осциллографы имеют устройство памяти, запоминающее сигнал и затем подающее его на пластины уже после действия сигнала. Это позволяет наблюдать развертку сигналов очень малой длительности (наносекунды) в течение продолжительного времени (минуты).

2.4. Измерения напряжения и тока.

Измерения тока и напряжения являются основными при исследовании различных устройств и контроле их работы. Однако в радиотехнике преобладающее значение имеет измерение напряжения, а к измерению токов прибегают в довольно редких случаях, стараясь заменить измерением напряжения на известном сопротивлении и затем определяя ток по закону Ома. Измеряемые переменные напряжение и ток оцениваются следующими параметрами (рис. 5): амплитудой, средним, средневыпрямленным и действующим (эффективным) значениями.

Рис. 5. Параметры переменного напряжения

Амплитуда (пиковое значение) U_m определяется как наибольшее значение напряжения за период. Для несимметричного относительно нуля напряжения вводят понятия пиковых отклонений вверх U_m+ и вниз U_m- . Среднее значение переменного напряжения U_ср есть его постоянная составляющая:

.

Средневыпрямленное значение U_св определяется как постоянная составляющая напряжения после его двухполупериодного выпрямления:

.

Действующее или эффективное значение U_эф оценивается по среднеквадратичному значению измеряемого напряжения:

.

Закону изменения напряжения соответствуют определенные количественные соотношения между U_m, U_св, U_эф, оцениваемые коэффициентами амплитуды К_а= U_m/ U_эф и формы К_ф= U_эф/ U_св. Так, для гармонического напряжения К_а=1.41, К_ф=1.11.

Прямоугольное колебательное напряжение — меандр — без постоянной составляющей характеризуется как К_а=К_ф=1. При достаточно большой мощности измеряемого напряжения и тока они могут быть измерены приборами магнитоэлектрической системы в сочетании с дополнительными устройствами. Так, постоянный ток и среднее значение переменного тока (и напряжения) могут быть измерены непосредственно магнитоэлектрическим прибором.

Средневыпрямленное значение измеряют приборами магнитоэлектрической системы в сочетании с диодным выпрямителем мостового типа.

Рис. 6. Термоэлектрический преобразователь

Эффективные значения токов и напряжений измеряют приборами магнитоэлектрической системы с термоэлектрическими преобразователями, представляющими собой сочетание термопары и подогревателя, по которому протекает ток (рис. 6). Подогреватель 1 соединен с рабочим (горячим) спаем термопары. К нерабочим (холодным) спаям подключен магнитоэлектрический прибор. Из-за тепловой инерции подогревателя можно считать, что его температура в установившемся режиме практически не меняется при изменении мгновенной мощности, так что прибор измеряет эффективное значение тока. Термопреобразователь часто помещают в вакуум для уменьшения теплоотдачи и увеличения чувствительности. Частотный диапазон (до 200 МГц) ограничен емкостью прибора относительно земли, собственной индуктивностью и скин-эффектом в подогревателе.

Электронные вольтметры (В2 — постоянного тока, В3 — переменного, В4 — импульсного, В5 — фазочувствительные, В6 — селективные, В7 — универсальные).

С целью повышения чувствительности и расширения диапазона измеряемых значений напряжений разработаны специальные приборы — электронные вольтметры. В соответствии с измеряемым параметром различаются вольтметры амплитудного значения (пиковые), среднего (постоянного напряжения), средневыпрямленного и действующего значений. Электронные вольтметры обладают большим входным сопротивлением, достигающим 10 МОм, имеют широкий частотный диапазон до 1—3 ГГц, способны выдерживать большие нагрузки. Типичные структурные схемы электронных вольтметров приведены на рис. 7. Входное устройство электронных вольтметров состоит из эмиттерного повторителя, чаще всего смонтированного в выносном пробнике для уменьшения влияния проводов на высоких частотах, и аттенюатора, представляющего собой резистивный делитель напряжения.

Рис. 7. Структурные схемы электронных вольтметров:

а) переменного напряжения; б) постоянного напряжения;

в) переменного и постоянного напряжения

Усилители в электронных вольтметрах предназначены для повышения чувствительности при измерении малых напряжений. Для повышения стабильности коэффициента усиления усилителя и уменьшения нелинейных искажений обычно используется многокаскадный усилитель, охваченный отрицательной обратной связью.

Детектор вольтметра предназначен для преобразования измеряемого напряжения в постоянную или пульсирующую форму, измеряемую магнитоэлектрическим прибором. В зависимости от закона преобразования детекторы подразделяются на пиковые (амплитудные), детекторы действующего значения и детекторы средневыпрямленного значения.

Рис. 8. Схема пикового детектора и график напряжений

В пиковом детекторе параметры схемы (рис. 8) подобраны так, что постоянная времени заряда конденсатора τ₃= R_i*С (R_i — внутреннее сопротивление диода) намного меньше постоянной цепи разряда τ_р= R_*С, которая много больше периода колебаний входного напряжения: τ_р>>Т. Вследствие этого через несколько периодов колебаний конденсатор зарядится до напряжения U_с со средним значением U_ср, близким к амплитудному значению U_m.

Детектор действующего значения должен иметь квадратичную вольт-амперную характеристику.

Рис. 9. Схема квадратичного детектора с кусочно-гладкой аппроксимацией ВАХ

Квадратичным участком вольт-амперной характеристики обладают почти все активные элементы: лампы, транзисторы, диоды; однако протяженность этого участка небольшая. Для ее увеличения применяют кусочно-гладкую аппроксимацию параболической кривой на К-участках, каждый из которых обеспечивается начальным квадратичным участком данного активного элемента. На рис. 9 показана схема такого детектора. Количество участков аппроксимации соответствует количеству диодных цепочек, в которых на каждый последующий диод подается ступенчато увеличивающееся напряжение обратного смещения (Е_см), что вызывает открытие каждого из них при входном U_вх>Е_см.

Рис. 10. Схема детектора средневыпрямленного значения

Детектор средневыпрямленного значения представляет собой двухполупериодный выпрямитель, собранный обычно по мостовой схеме (рис. 10). Чтобы ток в этом детекторе был пропорционален средневыпрямленному значению измеряемого напряжения, необходимо, чтобы амплитуда входного напряжения, подаваемая на диоды, значительно превышала квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода, т. е. чтобы детектирование было линейным, а не квадратичным. Рассмотрим некоторые специальные типы вольтметров.

Избирательный (селективный) электронный вольтметр предназначен для измерения синусоидального напряжения определенной (избранной) частоты в спектре других частот. Принцип действия такого вольтметра основан на выделении напряжения нужной частоты из спектра других частот, усилении и дальнейшем измерении напряжения выделенной частоты.

Цифровые вольтметры.

Применение цифрового отсчета повышает скорость и точность измерения, позволяет автоматизировать процесс измерения. Основным узлом цифровых приборов является аналого-цифровой преобразователь, преобразующий непрерывную измеряемую величину в цифровой код. Рассмотрим структурную схему цифрового вольтметра с времяимпульсным преобразователем (рис. 11).

Рис. 11. Структурная схема цифрового вольтметра

В начале цикла измерения импульс от управляющего устройства сбрасывает на нуль показания электронного счетчика и запускает схему генератора линейно-изменяющегося напряжения, одновременно открывая электронный ключ. С момента открытия электронного ключа на вход электронного счетчика через электронный ключ поступают счетные импульсы с частотой следования f от генератора счетных импульсов. Линейно-изменяющееся напряжение подается на один из входов сравнивающего устройства, на второй вход которого поступает измеряемое напряжение. Сравнивающее устройство в момент равенства измеряемого и линейно-изменяющегося напряжения выдает импульс, закрывающий электронный ключ. Таким образом, измеряемое напряжение будет пропорционально интервалу времени Dt работы электронного ключа, а следовательно, и количеству счетных импульсов, зарегистрированных электронным счетчиком. При большом числе счетных импульсов (большая их частота) точность измерения напряжения будет высокой.

2.5. Измерение частоты.

Измерение частоты является одной из важнейших задач, решаемых в радиоэлектронике, так как, с одной стороны, частота является одной из основных характеристик сигнала, а с другой — техника измерения частоты является наиболее точной по сравнению с техникой измерений любой другой величины, что и послужило предпосылкой для сведения измерений других физических величин к измерению частоты и временных интервалов. Разработаны несколько методов измерения частоты: мостовой, заряда и разряда конденсаторов, резонансный, гетеродинный, электронно-счетный.

Мостовые методы измерения частоты применяются только на низких частотах (до 50 кГц), так как на высоких частотах трудно сбалансировать мост из-за влияния паразитных индуктивностей и емкостей соединительных проводов и монтажа. Суть метода основана на том, что баланс моста зависит от частоты подведенного напряжения. Таким образом, балансируя мост для каждой новой частоты, можно проградуировать изменяемый для баланса параметр в значениях частоты. Рассмотрим условие равновесия моста в схеме моста переменного тока Вина (рис. 12):

R₃/R₄=(R₁+1/(iω₀C₁))/(1/ R₂+ iω₀C₂)^-1 или R₃/R₄= R₁/R₂+С₁/ С₂+i(R₁ω₀C₂-1/(R₂ω₀C)).

Приравнивая действительную и мнимую части, получим

R₁/R₂+ С₂/ С₁= R₃/R₄ и R₁ω₀C₂-1/(R₂ω₀C₁)=0.

Из второго равенства определяется частота, при которой наступает равновесие моста:

ω₀=1/(R₁R₂С₂С₁)^1/2.

Рис. 12. Схема моста Вина для измерения частоты

Условие равновесия моста R₁R₂ фиксируется по минимуму показания индикаторного прибора (ИП) при изменении значения сопротивлений R₁R₂ и емкостей С₁С₂. Обычно R₁=R₂=R, С₁=С₂=С, ω₀=1/(RС), значения R и С градуируют в значениях частоты, причем R₁ и R₂ изменяются одновременно и имеют плавную регулировку, а С₁ и С₂ являются множителями для шкалы частот при одновременном скачкообразном изменении.

Метод заряда и разряда конденсатора основан на измерении среднего тока заряда или разряда конденсатора, который при неизменном напряжении источника сигнала пропорционален его частоте (рис. 13). Усилитель-ограничитель усиливает слабые и ограничивает сильные сигналы до определенной амплитуды U₀, одинаковой для всех сигналов. Постоянную времени заряда конденсатора С выбирают много меньшей половины периода входного напряжения, так что конденсатор даже на самых высоких частотах успевает разрядиться.

Рис. 13. Схема периодического заряда и разряда конденсатора

Количество электричества перезаряда равно Q =СU₀. Таким образом, среднее значение тока i=fQ=cfU₀, проходящего через диод и магнитоэлектрический прибор, пропорционально частоте. Частотомеры данного типа работают в диапазоне от десятков герц до единиц мегагерц. Переход с предела на предел достигается сменой емкости.

Рис. 14. Резонансный волномер:

а) структурная схема; б) колебательная система с контуром; в) коаксиальный резонатор

Резонансный волномер основан на получении явления резонанса на измеряемой частоте в перестраиваемой колебательной системе. Этот метод применяется на высоких и сверхвысоких частотах, начиная от 50 кГц. На частотах до сотни мегагерц применяются резонансные контуры с сосредоточенными параметрами, а на более высоких частотах — резонаторы или отрезки коаксиального кабеля. Состояние резонанса определяется магнитоэлектрическим прибором по максимуму напряжения. Значение измеряемой частоты считывается со шкалы конденсатора. В коаксиальном резонаторе длина волны определяется по механическому перемещению поршня. Условие резонанса — l=(kλ)/2, где k — целое число. Добротность коаксиального резонатора — 10³—10⁴.

Гетеродинный частотометр основан на сравнении измеряемой частоты с известной частотой перестраиваемого калиброванного генератора (гетеродина).

Рис. 15. Структурная схема гетеродинного частотометра

При измерении на смеситель поступает напряжение измеряемой частоты с входного устройства и напряжение от гетеродина переменной частоты. Меняя частоту гетеродина, добиваются появления на выходе нулевых биений, регистрируемых индикатором (телефоны или стрелочный индикатор). Получение на выходе нулевых биений свидетельствует о равенстве измеряемой частоты с частотой гетеродина, которая определяется по шкале. Для градуировки шкалы гетеродина служит кварцевый генератор, напряжение с выхода которого подается на смеситель. Частота гетеродина устанавливается равной частоте кварцевого генератора (или его гармоники) подстройкой с помощью построечных конденсаторов.

Электронно-счетный частотометр.

Обычно схема прибора (рис. 16) строится таким образом, чтобы можно было измерять непосредственно как частоту, так и период колебаний.

Рис. 16. Структурная схема цифрового частотометра

При измерении частоты f_x напряжение неизвестной частоты подается на вход 1. Входное устройство представляет собой делитель напряжения и широкополосный усилитель для усиления напряжения до величины, достаточной для работы формирующего устройства. Формирующее устройство преобразует синусоидальное напряжение в прямоугольные импульсы с крутыми фронтами, постоянной амплитуды, с частотой, равной частоте сигнала. Эти импульсы через электронный ключ подаются на электронный счетчик. С другой стороны, на электронный ключ через управляющее устройство поступают импульсы калиброванных интервалов времени длительностью Δt, которые формируются декадными делителями частоты из высокостабильных по частоте колебаний, вырабатываемых кварцевым генератором. Эти импульсы открывают электронный ключ на время Δt, в течение которого на электронный счетчик подаются счетные импульсы измеряемой частоты; последние подсчитываются и на устройстве цифрового отсчета выдаются в виде отсчета f_x=n/Δt. При измерении периода колебаний напряжение неизвестной частоты подается на вход 2 и далее на формирующее устройство, вырабатывающее интервалы времени Δt=Т_x, в течение которых управляющее устройство открывает электронный ключ. Счетными импульсами в данном случае являются калиброванные во времени прямоугольные импульсы, полученные в формирующем устройстве после предварительного умножения частоты высокостабильного кварцевого генератора. Количество этих импульсов, поступающих за время Δt на электронный счетчик, и будет пропорционально периоду неизвестной частоты Т_x=n/f. Точность измерения периода тем выше, чем больше период, т. е. ниже частота сигнала, в то время как точность измеряемой частоты по входу 1 тем выше, чем выше частота сигнала.

2.6. Измерение разности фаз.

Измерение разности фаз между двумя гармоническими напряжениями одной частоты широко применяется в радиоэлектронике при исследовании различных четырехполюсников. Рассмотрим некоторые методы измерения разности фаз. Осциллографические методы наглядно представлены на рис. 17.

Рис. 17. Осциллографические методы измерения разности фаз:

а) развертка обоих сигналов на двухлучевом (двухканальном) осциллографе Δφ=2π Δt/T;

б) использование фигур Лиссажу при одинаковом усилении по X и Y (одноканальный осциллограф с усилителем по X), sinφ=h/H, tg(φ/2)=b/a,

где a и b – большая и малая полуоси эллипса

Метод сравнения (компенсации) состоит в сравнении измеряемого фазового сдвига на выходе исследуемого четырехполюсника с фазовым сдвигом калиброванного фазовращателя, питаемых от одного источника гармонических колебаний (pис.18).

Рис. 18. Структурная схема измерителя фазового сдвига по методу компенсаций

Напряжение, прошедшее исследуемый четырехполюсник, и такое же напряжение, прошедшее калиброванный фазовращатель и регулятор амплитуды, подаются на компенсационный узел, представляющий собой обычный дифференциальный трансформатор. При равенстве входных напряжений по фазе и амплитуде напряжение на выходе компенсационного узла равно нулю, о чем свидетельствуют нулевые показания индикатора напряжения. Сдвиг фазы определяется по шкале фазовращателя, затухание сигнала в четырехполюснике определяется по шкале регулятора амплитуды.

Цифровой метод (метод дискретного счета) основан на измерении количества счетных импульсов калиброванной частоты за время Δt=T Δφ/2π, пропорциональное фазовому сдвигу.

Рис. 19. Структурная схема цифрового фазометра

Формирователи преобразуют гармонические колебания, между которыми нужно измерить сдвиг фаз, в остроконечные однополярные импульсы, передний фронт которых соответствует моментам перехода гармонических колебаний через нуль. Управляющее устройство открывает электронный ключ на время сдвига Δt между импульсами с различных входов, и счетчик подсчитывает количество прошедших за это время импульсов.

Отметим, что при измерении разности фаз на высоких и сверхвысоких частотах предварительно производится понижение частоты с помощью гетеродинного преобразователя, имеющего два одинаковых смесителя и один общий гетеродин (рис. 20). Затем в области низких частот производится измерение разности фаз одним из рассмотренных выше способов.

Рис. 20. Схема преобразования частоты

Сдвиг фазы напряжений на выходе смесителя такой же, как и входных напряжений:

U₁= U₁sin[(ω-ω_r)t+φ₁-φ_r]; U₂= U₂ sin[(ω-ω_r)t+φ₂-φ_r].

2.7. Спектроанализаторы.

Спектроанализаторы предназначены для визуального наблюдения спектра сигнала. Наиболее часто применяют спектроанализаторы последовательного анализа с двумя структурными схемами: схемой с перестраиваемым фильтром и супергетеродинной схемой.

В спектроанализаторе с перестраиваемым фильтром спектр исследуемого сигнала просматривают путем автоматической перестройки фильтра, выделения составляющих спектра, детектирования, усиления и наблюдения на кране ЭЛТ (рис. 21).

Рис. 21. Спектроанализатор с перестраиваемым фильтром

Перестройка фильтра осуществляется изменяющимся напряжением развертки, вследствие чего изображение спектра на экране получается неподвижным. Недостатком схемы является ее узкодиапазонность.

Супергетеродинная схема (рис. 22) обеспечивает электрическую перестройку в широком диапазоне частот. Принцип действия ее сводится к линейному последовательному переносу спектра исследуемого сигнала в область промежуточной частоты и перемещению его относительно средней частоты настройки фильтра. При этом фильтр неизменно настроен на промежуточную частоту, а последовательное перемещение спектра сигнала получается благодаря изменению частоты гетеродина, представляющего собой генератор качающейся частоты (ГКЧ), управляемый напряжением генератора развертки. За период качания ГКЧ на экране ЭЛТ наблюдается спектр исследуемого сигнала в виде светящихся линий, каждая из которых пропорциональна средней мощности для данной гармоники спектра исследуемого сигнала.

Рис. 22. Схема спектроанализатора супергетеродинного типа

2.8. Измерители амплитудно-частотных характеристик (характериографы).

Применение характериографов позволяет заменить довольно длительный и трудоемкий процесс снятия по точкам амплитудно-частотных характеристик с помощью измерительного генератора и вольтметра непосредственным наблюдением амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) на экране электронно-лучевой трубки. Особенно очевидно преимущество характериографов при использовании их для настройки четырехполюсников, так как влияние изменения тех или иных параметров в процессе настройки сразу же видно на экране характериографа по изменению формы амплитудно-частотной характеристики.

Рис. 23. Схема измерителя амплитудно-частотных характеристик

Качание частоты автогенератора обычно осуществляется с помощью варикапа или магнитного модулятора. Так как прибором перекрывается широкий диапазон частот, то некоторые узлы в измерителе выполнены по принципу преобразования частоты — на смеситель подается два сигнала: один от диапазонного генератора, другой — от частотно-модулированного генератора (ГКЧ). На выходе смесителя фильтры низких частот выделяют разностную частоту с таким же качанием, как и в ГКЧ. С переключателя частотно-модулированный сигнал поступает на широкополосный усилитель с системой автоматической регулировки усиления (АРУ), где усиливается до напряжения 1 В, и далее через аттенюатор подается на исследуемый четырехполюсник. С выхода четырехполюсника сигнал поступает на детекторную головку, а после детектирования — на усилитель вертикального отклонения ЭЛТ. Так как развертка трубки по горизонтали осуществляется синхронно с модуляцией (качанием) частоты автогенератора, то на экране воспроизводится АЧХ исследуемого четырехполюсника.

Для калибровки частоты в схеме могут формироваться частотные метки, которые образуются в блоке меток в результате нулевых биений между ГКЧ и гармониками калиброванных частот: 0,1; 0,5; 1; 5 МГц.

2.9. Измерение параметров элементов радиотехнических цепей (R, L, С, tgδ=1/Q)

Метод вольтметра-амперметра не требует специальных приборов (рис. 24).

Рис. 24. Схема измерения комплексного сопротивления методом вольтметра-амперметра

При питании схемы от источника переменного тока с частотой f можно определить модуль полного сопротивления:

,

где R_U - внутреннее сопротивление вольтметра. Активную часть сопротивления определяют измерением на постоянном напряжении. После этого можно рассчитать реактивную часть сопротивления. Обычно используют электронный вольтметр и термоэлектрический амперметр. При включении в качестве конденсатора или катушки индуктивности, зная частоту f питающего генератора, можно определить L и C: 1) X_c=1/(ωC)=U/I и C=I/wU, 2) X_L=ωL=U/I и L=U/wI.

Мостовые методы применяются в диапазоне низких радиочастот и позволяют достичь наибольшей точности измерения полных сопротивлений. Индикатор равновесного состояния должен иметь большое сопротивление, чтобы исключить влияние его на работу моста. Таким индикатором может быть электронный осциллограф или вольтметр. Равновесие моста наступает при условии

, Z₁ Z₃e^i(φ1+φ3)= Z₂ Z₄e ^i(φ2+φ4),

отсюда Z₁ Z₃= Z₂ Z₄; φ1+φ3= φ2+φ4. Если принять за измеряемое сопротивление , а за образцовое — , то в мосте переменного тока для достижения равновесия должны быть две регулировки: модуля образцового сопротивления Z₂ и его аргумента φ₂. Следует учитывать, что эти параметры при регулировке взаимосвязаны. Отсюда следует, что балансировку моста необходимо вести методом последовательного приближения, одновременно регулируя активную и реактивную составляющие.

Рис. 25. Схема моста переменного тока

Резонансным методом можно измерять индуктивности, емкости, сопротивления потерь в них, а также активную и реактивную составляющие комплексного сопротивления любого двухполюсника. Так как почти во всех случаях при определении названных параметров приходится измерять добротность эквивалентного контура, то такие приборы получили название измерителей добротности или куметров.

Рис. 26. Принципиальная схема куметра

В измерительный последовательный колебательный контур, состоящий из образцовой (L₀R₀) или измеряемой (L_xR_x) катушки индуктивности и образцового прокалиброванного конденсатора переменной емкости С₀, вводится определенное калиброванное напряжение U₁ от генератора, имеющего широкий диапазон частот. Сопротивление R₁ весьма малой величины ставится для уменьшения сопротивления источника, чтобы не ухудшать параметры контура. При подключении измеряемой катушки индуктивности L_xR_x куметр позволяет непосредственно измерить добротность контура L_xR_xС₀ : Q=U_c/U₁. Вследствие этого вольтметр, измеряющий U_c, обычно прокалиброван в значении добротности. Учитывая, что образцовый конденсатор и сопротивление R₁ имеют очень малые потери, найденная добротность контура будет равна добротности катушки. При резонансе в контуре, отмечаемом по максимуму, показания вольт-метра U_c, можно записать как

Q=U_c/U₁=ω₀L_x/R_x=1/(ω₀C₀R_x).

Отсюда, зная С₀, Q и регистрируя резонансную частоту ω₀, можно определить L_x и R_x. При измерении неизвестной емкости С_х в контур включается образцовая индуктивность L_оR_o и далее по резонансной частоте и значению добротности определяется емкость С_х=1/(ω₀QR₀).

С помощью куметра можно также измерять активную и реактивную части комплексного сопротивления любого двухполюсника. При его индуктивном характере двухполюсник подключается вместо L_xR_x, при емкостном характере — вместо С_х.

Гетеродинный метод основан на зависимости частоты колебаний автогенератора от индуктивности и емкости его колебательного контура и сравнении частоты данного генератора с частотой перестраиваемого с помощью образцового конденсатора С₀ генератора по нулевым биениям, что позволяет получить высокую точность.

Рис. 27. Схема гетеродинного метода измерения емкости и индуктивности

До подключения измеряемой индуктивности или емкости оба генератора с помощью образцового конденсатора С₀ настраиваются на одну частоту, что фиксируется по нулевым биениям. При подключении С_х частота генератора 2 изменяется и тогда конденсатор С₀ подстраивается, чтобы частоты совпали. При одинаковых индуктивностях в контурах измеряемая емкость будет равна изменению емкости образцового конденсатора. Погрешность 0.2—0.5%.

Метод дискретного счета (цифровой) основан на подсчете калиброванных по частоте импульсов в течение определенного интервала времени. В зависимости от того, как формируется этот интервал, применяют две разновидности схем: 1) схема, в которой используется апериодический разряд конденсатора на резистор с использованием временного интервала, равного постоянной времени разряда; 2) схема, в которой используется процесс затухания колебаний в колебательном контуре. В первой схеме, в зависимости от того, что выбрано эталонным (R₀ или С₀), можно измерять С_х и R_x. Перед началом измерений конденсатор С_x заряжается до напряжения Е (переключатель в положении 1). Затем переключатель переводится в положение 2 и начинается разряд конденсатора С_x на резистор R₀ по экспоненциальному закону U_c=E e^-t/τ. В момент переброса переключателя в положение 2 на цифровой измеритель временных интервалов поступает импульс, открывающий счет времени. С делителя R₁R₂ на второй вход сравнивающего устройства подается напряжение E^.₂/(R₁+R₂) = E/2.72. Момент, когда напряжение на конденсаторе в процессе его разряда достигнет значения Е/2,72, наступает при t = τ = С_x R₀. В это время сравнивающее устройство выдает второй импульс, прекращающий счет времени. Погрешность измерения ±0,1 %.

По второй схеме строятся цифровые куметры (рис. 29).

Рис. 28. Схема измерения С_x R_х по постоянной времени τ = С_x R_х

Принцип действия основан на следующем: отношение двух амплитуд затухающего колебания, разделенных временным интервалом, равным одному периоду, равно Δ = U₁/U₂=e^δT, где δ=R_x/(2L_x) – декремент затухания, Т — период колебаний. Отсюда Т=lnΔ/ δ, так что добротность контура равна

Q=(2π L_x)/(TR_x)= (2L_x/R_x)(π δ/ lnΔ)=π/ lnΔ.

Отсюда lnΔ≈π/Q и D≈exp(π/Q). Отношение амплитуд затухающих колебаний первой и n-й равно Δⁿ=U₁/U_n=e^n/Q. При n=Q имеем Dⁿ= e^π=23,14, откуда U_n=Q=0.0432.

Рис. 29. Структурная схема цифрового куметра

От генератора импульсов с большой скважностью заряжается конденсатор контура С₀ до амплитуды U₁, после чего начинается затухающий колебательный процесс в контуре, образованном С₀, L_х и R_x. Одновременно пороговое устройство 1 открывает временной селектор и счетчик импульсов считает количество периодов импульсных колебаний, сформированных в формирующем устройстве из затухающих колебаний в контуре. Когда амплитуда затухающих колебаний достигнет значения 0,0432 U₁, при котором n=Q, пороговое устройство 2 закрывает селектор и счет импульсов прекращается. Показания счетчика через некоторое время, определяемое линией задержки, сбрасываются. Погрешность измерения 0,1—0,2% и зависит только от точности срабатывания пороговых устройств.