Структурные схемы реальных приборов.

Подавляющее большинство реальных измерительных приборов не могут быть представлены только одной схемой прямого преобразования, или только схемой уравновешивающего преобразования. Усложнение структур обусловлено несколькими задачами. Во-первых, часто необходимо преобразовать и и в некоторую промежуточную физическую величину и лишь потом производить ручное или автоматическое уравновешивание.

Во-вторых, усложнение структуры вызвано необходимостью производить автоматическое уравновешивание - полное или со статической погрешностью. Рассмотрим простейший пример автоматического измерительного прибора с полным уравновешиванием - магнитоэлектрический амперметр. В этом приборе измеряемая величина - постоянный ток преобразуется во вращающий момент рамки с током. Благодаря вращающему моменту рамка начинает равномерно ускоренно вращаться. При этом реализуется интегрирующее звено второго порядка, поскольку угол поворота пропорционален квадрату времени. Выходной величиной является угол поворота рамки, к которой жестко прикреплена стрелка, по которой производится визуально при помощи шкалы отсчет угла поворота. Мерой в приборе магнитоэлектрической системы является спиральная пружина, которая создает противодействующий механический момент, пропорциональный углу поворота. Когда, вращающий момент, пропорциональный измеряемой величине тока, станет равным противодействующему моменту пружины, может наступить равновесие. Структурная схема такого прибора выглядит следующим образом (рис. 5.34)

Сначала через схему прямого преобразования с коэффициентом преобразования, зависящим от индукции в зазоре магнита, площади рамки с током и числа, витков, величина тока преобразуется во вращающий момент рамки. Рамка начинает движение под воздействием механического момента. Угловое перемещение рамки на угол б вызывает противодействующий механический момент пружины, которая является одновременно и мерой и устройством сравнения, и преобразователем цепи обратной связи. Очевидно, в данном случае коэффициент преобразования цепи обратной связи - это - коэффициент, зависящий от упругости пружины.

Заметим, что отсчет , то есть противодействующего вращающего момента, производится по углу закручивания пружины. Таким образом, в магнитоэлектрическом приборе измеряемой величиной является ток; сравниваются автоматически между собой механические вращающие моменты, создаваемые и , а отсчет производится по величине угла закручивания пружины. Что касается отсчета показаний, то он может быть ручным, как в стрелочном приборе, или также автоматическим, как в шлейфовом осциллографе или самопишущем магнитоэлектрическом амперметре, где запись производится на диаграммную ленту. Поэтому можно сказать, что третьим обстоятельством, стимулирующим усложнение структуры измерительного прибора, является необходимость введения автоматической регистрации измеряемой величины. Для этого, как правило, требуются дополнительные схемы прямого преобразования.

Рассмотрим еще раз возможные структурные схемы приборов по мере их усложнения.

Схема N1. Измеряемая входная величина сравнивается с действительным значением этой же величины , воспроизводимым перестраиваемой многозначной мерой, в качестве которой используется преобразователь с регулируемым коэффициентом преобразования. Перестройка меры производится вручную оператором. Сравнение производится оператором визуально или по звуковому сигналу. Схема устройства рис. 5.35 включает только цепь прямого преобразования и устройство визуализации.

Таким образом измеряют частоту при помощи резонансного волномера. Коэффициент преобразования волномера (частота - выходное напряжение детектора) зависит от частоты. Зависимость эта известна. При определенных геометрических размерах резонатора при помощи устройства визуализации фиксируется равенство измеряемой частоты собственной частоте резонансной системы (контура или полого резонатора).

Схема N2. Измеряемая величина преобразуется в некоторую другую вспомогательную физическую величину y. В эту же величину преобразуется действительное значение однородной ФВ. Сравниваются два значения и . Например, в панорамном измерителе коэффициента отражения измеряемое значение коэффициента отражения преобразуется в конечном счете в отклонение по оси Y луча в электронно-лучевой трубке. В такое же отклонение преобразуется и значение коэффициента отражения от калибровочной меры коэффициента отражения, являющейся в данном случае мерой . Равенство или отношение и определяется визуально оператором. Такой прибор можно представить структурной схемой рис. 5.36.

В этой схеме, так же как и в предыдущей, операция уравновешивания производится вручную, сравнение преобразованных и производится оператором.

Схема N3. Измеряемая величина преобразуется по схеме прямого преобразования в некоторую другую величину , которая в свою очередь преобразуется по схеме уравновешивающего преобразования в величину , однородную с . Затем по цепи обратной связи преобразуется в и одновременно в форму, удобную для автоматической регистрации или для визуального наблюдения. Так построена структурная схема автоматического термисторного измерителя мощности (рис. 5.37).

В термисторном измерителе мощности СВЧ энергия излучения нагревает термистор. Температура термистора и его сопротивление изменяются. Термистор включен в мостовую схему так, что изменение сопротивления одного из плеч вызывает появление напряжения в диагонали мостовой схемы. Напряжение в диагонали моста и является величиной . Напряжение в диагонали усиливается усилительными устройствами таким образом, что изменяется ток питания мостовой схемы. Вследствие изменения тока изменяется мощность, выделяемая в терморезисторе. Если знак обратной связи выбран правильно, а начальная мощность, выделяемая в терморезисторе, больше, чем измеряемая мощность, то схема приобретет новое устойчивое состояние, которое будет характеризоваться новым значением величины мощности постоянного тока , выделяемой в терморезисторе. По цепи обратной, связи преобразуется в , причем Изменение мощности постоянного тока преобразуется при помощи специального преобразователя в форму, удобную для наблюдения и регистрации. Имеются две принципиальные особенности схемы N3. Во-первых, это наличие управляемой автоматически меры , в качестве которой в приведенном примере используется регулируемый источник постоянного тока. Во-вторых, это наличие измерительного устройства прямого преобразования для измерения .

Схема N4. Довольно часто в наиболее сложных автоматических РИП производится многократное прямое и уравновешивающее преобразование как , так и . Так в предыдущей схеме прямое преобразование величины может быть выполнено также по схеме уравновешивающего преобразования, так что получится схема рис. 5.38. Особенность схемы рис. 5.38 в том, что во второй схеме уравновешивающего преобразования обязательно присутствуют автоматически управляемые меры физической величины , которые включаются в цепь обратной связи.

Поскольку в некоторых радиоизмерительных приборах измеряется до трех физических величин одновременно, то часто структурные схемы, аналогичные приведенной на рис. 5.38, реализуются для каждой из измеряемых физических величин. Так, например, в панорамном автоматическом измерительном приемнике одновременно измеряются частота и мощность (напряжение) сигнала, а также отношение амплитуд двух сигналов. В измерителе комплексных коэффициентов передачи одновременно автоматически измеряются частота, модуль и фаза коэффициента передачи или отражения. Поэтому общая структурная схема такого прибора представляет собой соединение двух-трех схем N4.

Варианты алгоритмов преобразования величин.

Для выполнения измерений всего многообразия ФВ в радиотехнике испольуются радиоизмерительные приборы. Радиоизмерительный прибор (РИЛ) представляет собой техническое средство, с помощью которого автоматически или с участием оператора реализуется один из методов сравнения измеряемой ФВ с мерой этой же ФВ то есть материализуется основное уравнение измерений:

(5.61)

Сравнение и может производиться по четырем алгоритмам.

1. Непосредственное сравнение. В этом случае и не преобразуются в другие ФВ, то есть сравниваются между собой непосредственно. Например, измерение частоты методом нулевых биений, то есть когда сигнал неизвестной частоты сравнивается с сигналом генератора известной частоты, а равенство устанавливается по нулевым биениям.

2. Сравнение , преобразованной в другую ФВ, с , одноименной с той, в которую преобразована . Простейший пример - это преобразование измеряемого тока в приборах магнитоэлектрической системы в механический момент подвижной системы и сравнение этого момента с механическим моментом пружины.

3. Сравнение с преобразованным значением . Например, сравнивают методом нулевых биений частоту измеряемого сигнала с гармоникой кварцевого генератора, который используется в качестве меры . При этом производится преобразование (умножение) частоты кварцевого генератора, выдающего значение .

4. Сравнение преобразованной с преобразованной . В большинстве наиболее распространенных РИЛ используется именно такой алгоритм сравнения и . По этому алгоритму действуют все приборы, в которых предусмотрен режим “калибровка”. Например, в электронном осциллографе напряжение сигнала преобразуется в линейный размер изображения на экране ЭЛТ, то есть напряжение в вольтах преобразуется в длину в сантиметрах. Известное калибровочное напряжение также преобразуется в линейный размер. Таким образом на экране ЭЛТ производится сравнение преобразованных и . Другой пример сравнения преобразованных значений и - это сравнение измеряемой мощности СВЧ с известным значением мощности постоянного тока или тока низкой частоты.

Важнейшей операцией в алгоритме сравнения и является установление равенства их между собой. Момент равенства устанавливается при помощи устройства сравнения (УС), которое производит операцию вычитания и выдает сигнал, пропорциональный разности. Операция вычитания производится либо автоматически при помощи технических средств, либо человеком. Так, например, устройством сравнения в случае измерения напряжения при помощи электронного осциллографа является сам оператор, то есть человек, который визуально фиксирует момент равенства.

Таким образом в составе РИЛ должны быть четыре вида составных частей, узлов:

- преобразователи и ;

- меры ;

- устройство сравнения;

- устройство визуализации или автоматической регистрации.

В качестве мер в РИП чаще всего применяются:

- меры частоты в виде кварцевых генераторов; интервал времени

- меры разности фаз в виде калиброванных фазовращателей;

- меры отношения амплитуд в виде калиброванных переменных аттенюаторов и делителей напряжения (мощности);

- меры напряжения в виде нормальных элементов или откалиброванных стабилитронов;

- меры мощности тепловых шумов (шумового радиоизлучения) в виде тепловых или газоразрядных генераторов шума;

- откалиброванные резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности в качестве мер сопротивления, емкости, индуктивности;

- откалиброванные неоднородности в стандартизованных волноводных и коаксиальных трактах используются в качестве мер модуля и фазы коэффициента отражения.