Генераторы сигналов высокочастотные

Измерительные генераторы высокочастотных сигналов (> 30 кГц) являются источниками гармонических немодулированных и модулированных электрических колебаний, параметры которых изменяются в широких пределах и фиксируются с нормированной погрешностью. Среди них можно выделить генераторы высоких частот (30 кГц - 50 МГц), ультравысоких частот (50 - 300 МГц), сверхвысоких частот (свыше 300 МГц).

Генераторы высоких частот в основном используются для настройки радиовещательных радиоприемников, в связи, с чем их особенностью является наличие АМ и возможность установки сигнала от 1В до 1 мкВ. Основными узлами таких генераторов являются ЗГ, широкополосный усилитель (модулятор) и выходное устройство. Структурная схема представлена на рис.

Внешн. мод.

Задающий LC - генератор определяет основные характеристики прибора (стабильность частоты и амплитуды, чистоту спектра выходного сигнала). Генератор, как правило, строится на базе широкополосного усилителя, охваченного кольцом отрицательной обратной связи. Весь частотный диапазон разбивается на ряд поддиапазонов. Перестройка частоты в пределах поддиапазона осуществляется КПЕ, переход к новому поддиапазону - посредством коммутации катушек индуктивности.

Усилитель (модулятор) с переменным электрически управляемым коэффициентом усиления является буферным каскадом, способствующим стабильности частоты, и одновременно амплитудным модулятором. Модулирующее напряжение создает либо внутренний генератор (обычно 400 Гц, 1 кГц), либо подводится извне.

Выходное устройство представляет собой систему калиброванных аттенюаторов, обеспечивающих изменение в широких пределах уровня выходного сигнала. Так как измерение малых уровней напряжений затруднительно, то о значении выходного напряжения судят по показанию вольтметра, включенного на входе аттенюатора, и известному коэффициенту ослабления. Как правило, используется сочетание потенциометров для плавного управления уровнем сигнала со ступенчатыми резистивными аттенюаторами, выполненными по декадной схеме. Для уменьшения ошибок из-за влияния параметров соединительных проводов выход генератора обычно рассчитан на подключение коаксиального кабеля с выносным делителем напряжения, в этом случае погрешность ослабления не превышает единиц процентов.

В генераторах ВЧ большое значение имеет экранировка, как всего прибора, так и его отдельных блоков.

Генераторы ультравысоких частот предназначены для настройки УКВ приемников с ЧМ, систем радионавигации, телевидения и т.п. В приборах предусмотрена АМ, ЧМ и импульсная модуляция. ЧМ осуществляется в ЗГ, АМ в усилителе-модуляторе, а импульсная - в выходном усилителе. Такое построение прибора позволяет одновременно и в произвольном сочетании реализовывать все виды модуляции.

ЧМ АМ ИМ

Необходимое число частотных поддиапазонов может быть создано и без коммутации катушек индуктивности. ЗГ перестраивается в пределах верхнего поддиапазона с помощью КПЕ, переход к следующему поддиапазону осуществляется путем деления частоты. Подобное построение прибора упрощает конструкцию и повышает стабильность частоты.

Генераторы СВЧ используются для настройки радиоприемных устройств радиолокационных и радионавигационных станций, систем космической связи, измерения параметров антенн и т.п.

Особенностью генераторов СВЧ является простота структурной схемы, и сложность механической части прибора. Некалиброванная мощность достигает единиц ватт, а калиброванная обычно изменяется от нескольких микроватт до 10^-14 - 10^-16 Вт.

ЗГ определяет основные характеристики выходных сигналов. От него зависит не только выходная мощность и диапазон рабочих частот всего прибора, но и характеристики модулированных сигналов: длительность, частота следования импульсов при импульсной модуляции и девиация частоты при частотной. Его выполняют на клистронах, ЛОВ, ЛПД, диодах Ганна, транзисторах и других приборах, допускающих широкодиапазонную перестройку.

Выходной блок в зависимости от частотного диапазона может быть либо коаксиальным, либо волноводным.

Генераторы качающейся частоты

Генераторами качающейся частоты (ГКЧ, свип-генераторами) называют источники гармонических колебаний со специальным (линейным, логарифмическим и т.д.) законом изменения частоты в пределах заданной полосы качания.

В зависимости от полосы качания ГКЧ делятся на узкополосные (f < 1% f_max), широкополосные (f < 100% f_max) и комбинированные. Основные параметры генераторов делятся на частотные (диапазон рабочих частот, полоса качания, нелинейность перестройки и т.п.) и амплитудные (уровень выходной мощности (напряжения), неравномерность этого уровня при перестройке и т.д.).

В ГКЧ применяют прямой метод генерации и метод биений. В диапазоне от единиц микрогерц до десятков МГц используются функциональные генераторы с электронным управлением частотой.

Генераторы импульсных сигналов

Измерительные генераторы импульсных сигналов прямоугольной формы применяют при исследованиях, испытаниях, настройке и регулировке импульсных электронных схем, широкополосных усилителей, снятии переходных характеристик и т.п. Обобщенная структурная схема такого генератора имеет вид

Вн. Зап.

Подобные генераторы могут быть разделены на три группы. Первая - группа объединяет одноканальные генераторы общего назначения, невысокого класса точности. Вторая - генераторы с точной установкой одного или ряда параметров, По параметру, погрешность которого нормируют, они в свою очередь делятся на группы U - нормируется погрешность установки амплитуды;  - погрешность длительности импульса; F - погрешность частоты повторения; D - погрешность временного сдвига; О - погрешность всех перечисленных параметров. Третья - генераторы кодовых комбинаций, псевдослучайных и других видов импульсных последовательностей. Генераторы этой группы предназначены для испытаний логических схем и устройств, каналов связи. Генераторы псевдослучайных последовательностей формируют периодические напряжения, которые в пределах периода не отличаются от случайных последовательностей импульсов, в которых вероятность появления одиночного импульса равна 1/2, двух рядом стоящих - 1/4, трех рядом стоящих - 1/8 и т.д.

Генераторы сигналов специальной формы

Генераторами сигналов специальной формы называют источники одиночных или периодических видеоимпульсных сигналов, форма которых отлична от прямоугольной. Наибольшее распространение получили так называемые функциональные генераторы, которые в широком диапазоне частот могут генерировать напряжения треугольной, прямоугольной, пилообразной и синусоидальной форм. Подобные генераторы применяются при настройке, испытаниях и исследованиях устройств автоматики, вычислительной, измерительной, геофизической и медицинской аппаратуры. Выпускаемые промышленностью аналоговые генераторы вырабатывают сигналы названных форм частотой от 0,001 Гц до 1 МГц. Более широкими возможностями обладают микропроцессорные генераторы.

Упрощенная структурная схема аналогового функционального генератора имеет вид

SIN

Сигн.

Синхр.

Основными узлами функционального генератора служат интегратор, представляющий собой усилитель постоянного тока, охваченный глубокой отрицательной обратной связью с помощью RC-цепи, и компаратор с петлей гистерезиса. В сочетании эти два узла образуют кольцевое автоколебательное устройство. На выходе компаратора формируется прямоугольное напряжение, на выходе интегратора - треугольное, из которых специальные схемы формируют пилообразное и синусоидальное. Плавная регулировка частоты осуществляется регулировкой пороговых уровней компаратора.

Генераторы шумовых сигналов

Генераторами шумовых сигналов называются измерительные генераторы, выходное напряжение которых представляет собой реализацию случайного процесса с контролируемыми статистическими характеристиками. Они применяются при измерении предельной чувствительности и коэффициента шума усилителей и приемных устройств, исследованиях их помехозащищенности и т.п. Структурная схема приведена на рис.

Зг - первичный источник шума. Его работа основана на использовании физических явлений, при которых возникают достаточно интенсивные шумы со статистическими характеристиками, поддающимися расчету. В качестве источников шума используются полупроводниковые шумовые диоды, ЛПД, стабилитроны, нагретые проволочные резисторы, фотоэлектронные умножители, газоразрядные приборы.

Преобразователь - решает три задачи. Преобразовывает исходный первичный шум в сигнал с требуемыми статистическими характеристиками, переносит спектр в низкочастотную область (обычно шумовой диод может служить источником шума в диапазоне частот от нескольких сотен Гц до 300 - 400 МГц), стабилизирует мощность шума. Эти задачи решаются с помощью фильтров, усилителей, нелинейных элементов, гетеродинных переносчиков спектра и других устройств.

Измеритель уровня - это квадратичный вольтметр, измеряющий среднеквадратическое значение выходного напряжения, и измеритель средней мощности.

Синтезаторы частоты и генераторы

с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты

Синтезаторами частоты называют специальные генераторы гармонического напряжения с дискретной перестройкой и стабильностью частоты, равной стабильности частоты лучших генераторов с кварцевой стабилизацией. Синтезаторы позволяют получить сетку напряжений фиксированных частот с дискретностью сотые доли Гц, при хорошей синусоидальной форме, чистом спектре и возможности программной перестройки. Синтезаторы частот могут использовать два метода синтеза - ПРЯМОЙ и КОСВЕННЫЙ.

Суть прямого метода состоит в многократном целенаправленном изменении частоты f₀ исходных высокостабильных колебаний с помощью операций деления, умножения, сложения и вычитания. Упрощенная структурная схема синтезатора, реализующего прямой метод, приведена на рис.

Генератор с кварцевой стабилизацией формирует исходное колебание с частотой обычно 0,1; 1,0 или 5,0 МГц и нестабильностью частоты в течение суток порядка 10^-8 - 10^-9.

Устройство формирования опорных частот создает сетку из ограниченного числа фиксированных частот, кратных f₀. Выбор частот определяется схемой последующего устройства синтеза. Для получения опорных частот исходное напряжение подают на нелинейный элемент и систему фильтров, выделяющих 10 последовательных гармоник. Затем путем деления и умножения на 10 из этой последовательности образуют две новые. Так как все опорные частоты получены делением или умножением частоты f₀, то их стабильность равна стабильности исходного колебания.

Устройство синтеза из сетки опорных частот формирует колебание нужной частоты из полного набора дискретных частот.

Косвенный метод синтеза основан на принудительной синхронизации выходного напряжения перестраиваемого генератора колебаниями вспомогательного генератора с кварцевой стабилизацией частоты. Упрощенная структурная схема синтезатора, реализующего косвенный метод, приведена на рис.

ё

Частотный дискриминатор обеспечивает захват частоты при перестройке (изменении коэффициента деления k), а фазовый детектор - точное удержание в режиме захвата. При этом f_вых = kf₀, диапазон перестройки - f = ( k_max - k_min)f₀, шаг перестройки - f = (k_i+1 - k_i)f₀.

Генераторы с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты являются источниками синусоидальных колебаний с высокой точностью установки (порядка 5 10^-7) и стабильности частоты ( 5 10^-9 за 15 мин и 3 10^-8 за 16 ч). Принцип их работы основан на объединении методов прямого и косвенного синтеза частоты. Генератор состоит из устройства формирования опорных частот, комбинированного синтезатора частоты, гетеродинного переносчика частоты и выходного устройства. Каждая частотная декада прибора формирует колебание, частота которого соответствует одной цифре десятичного числа, определяющего генерируемую частоту. Последовательное включение декад с использованием делителей частоты на 10 и смесителей приводит к понижению шага перестройки. Общее число декад определяется минимальным шагом.

Измерение напряжений

Измерение напряжений в электронных схемах отличается от подобных измерений в электротехнических цепях:

• исключительно широкой областью частот - от постоянного тока и инфранизких (доли

Гц) до СВЧ;

• большим диапазоном измеряемых значений напряжений (доли мкВ - сотни кВ);

• малой мощностью источника напряжения (это не допускает заметного потребления мощности измерительным прибором);

• многообразием форм сигналов (напряжения переменного тока характеризуют четырьмя основными параметрами: пиковым (амплитудным), средним , средневыпрямленным , (имеется в виду двухполупериодное выпрямление) и среднеквадратическим . Связь между рассмотренными параметрами описывается тремя коэффициентами: амплитуды (пик-фактором) k_a = U_m/U ( для синусоидального напряжения); формы (форм-фактором) k_ф = U/U_ср.в ( для синусоидального напряжения) и усреднения k_у = U_m/U_ср.в ( для синусоидального напряжения).

В связи с этим измеряют напряжение в электронных и радиотехнических цепях преимущественно электронными вольтметрами, для которых характерны слабая зависимость показаний от частоты, большое входное сопротивление (десятки МОм), малая входная емкость (единицы пФ), высокая чувствительность при большом диапазоне измерения, малое время установления показаний, способность выдерживать перегрузки. При этом может измеряться амплитудное (пиковое), среднеквадратическое либо средневыпрямленное напряжение.

Обобщенная структурная схема электронного вольтметра имеет вид

Входное устройство служит для изменения пределов измерений и обеспечивает высокое входное сопротивление.

Измерительный преобразователь преобразует входное напряжение к виду удобному для индикации на ПОКАЗЫВАЮЩЕМ приборе.

Электронные вольтметры постоянного тока

Аналоговыми электронными вольтметрами измеряют постоянные напряжения, начиная от единиц микровольт. Строятся они, как правило, по структурной схеме

и работают по принципу уравновешивающего преобразования с неполным уравновешиванием. Для уменьшения влияния помех, наводок и дрейфа нуля усилители постоянного тока (УПТ) выполняют по мостовым схемам. В высокочувствительных вольтметрах используют УПТ с конвертированием (входное напряжение преобразовывается в переменное обычно прямоугольной формы 400 Гц, усиливается, затем синхронно детектируется). Усилитель охватывается петлей глубокой ООС на прецизионных постоянных резисторах с возможностью ее регулировки для переключения пределов измерения. Входное устройство обычно содержит интегрирующий фильтр для уменьшения влияния переменной составляющей, присутствующей во входном сигнале.

Основными источниками погрешностей таких вольтметров являются погрешность градуировки, нестабильность канала преобразования, неравномерность шкалы, случайная погрешность стрелочного прибора, наличие собственных шумов и т.п. Основная погрешность обычно составляет 1,5 - 6,0%.

Электронные вольтметры переменного тока

Для электронных вольтметров переменного тока характерны три варианта структурной схемы

а)

б)

в)

Принцип действия вольтметра, построенного по первой схеме, заключается в преобразовании переменного напряжения в напряжение постоянного тока, которое потом измеряется стрелочным электроизмерительным прибором. Такие вольтметры пригодны лишь для измерения напряжений значительной амплитуды. Приборы, построенные по схеме б), более широкополосны, но недостаточно чувствительны по сравнению с приборами, построенными по схеме в), полоса которых ограничивается полосой усилителя. Такие схемы используются в милли- и микровольтметрах. Сочетание схемы б) с вольтметром постоянного тока позволяет построить универсальный вольтметр, служащий для измерения постоянного и переменного напряжений.

Приборы, построенные по схеме: входное устройство - усилитель - преобразователь - УПТ, встречаются очень редко.

Как видно из приведенных структурных схем, важнейшим узлом электронного вольтметра, в значительной мере определяющим его характеристики и, в частности, особенности шкалы, является преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока.

Преобразователи электронных вольтметров

По измеряемому параметру входного напряжения, которому непосредственно соответствует ток или напряжение выходной цепи, преобразователи делятся на пиковые (амплитудные), среднеквадратического и средневыпрямленного значения. По схеме входа они бывают с закрытым и открытым входом.

Выходное напряжение преобразователей пикового (амплитудного) значения должно соответствовать пиковому (амплитудному) значению напряжения, подаваемого на вход. В качестве таких преобразователей применяются линейные амплитудные детекторы с открытым и закрытым входом.

Из теории идеального диодного преобразователя с открытым входом известно, что при подаче на его вход синусоидального напряжения с амплитудой U_m, напряжение на выходе - U_mcos, где cos определяется соотношением , откуда следует, что напряжение на выходе всегда меньше амплитудного на входе. Относительную погрешность преобразования можно вычислить по формуле . Если на вход такого преобразователя подать сумму переменного и постоянного напряжений, то выходное напряжение будет равно сумме постоянной и амплитуды переменной составляющих. Входное сопротивление такого преобразователя равно половине сопротивления нагрузки. От этого недостатка свободен пиковый детектор с закрытым входом, но его входное сопротивление равно одной трети сопротивления нагрузки. Рассмотренные преобразователи являются пиковыми для сигналов с амплитудами - сотни милливольт, при меньших амплитудах они превращаются в квадратичные.

Алгоритм работы преобразователя среднеквадратического значения состоит из квадрирования, усреднения, извлечения квадратного корня.

Операция извлечения квадратного корня выполняется либо схемным путем, либо при градуировке шкалы. Из изложенного следует, что преобразователь должен обладать квадратичной характеристикой. Такой характеристикой обладает полупроводниковый диод на начальном участке ВАХ. Однако из-за малости этого участка такие преобразователи практически не используются. Квадратичные преобразователи, применяющиеся в электронных вольтметрах, можно разделить на две большие группы. К первой относятся устройства с преобразованием электрической энергии в тепловую (терморезисторные, термоэлектрические, термоэмиссионные). Вторую группу составляют квадратичные преобразователи мгновенных значений сигнала.

Преобразователь с терморезисторами состоит из двух терморезисторов, один из них нагревается входным напряжением, а второй - напряжением постоянного тока. Контур управления устроен таким образом, что он отслеживает равенство температур обоих резисторов. При этом постоянное напряжение, нагревающее второй резистор, будет равно среднеквадратическому значению входного напряжения.

Структурная схема квадратичного измерительного термоэлектрического преобразователя

U

Термопреобразователь Т₁ нагревается входным напряжением, а Т₂ - выходным. ЭДС термопреобразователя пропорциональна квадрату нагревающего напряжения. Поскольку ООС линейна, сигнал на выходе прямо пропорционален среднеквадратическому значению входного напряжения.

Среди квадраторов второй группы наибольшее распространение получили преобразователи на полевых транзисторах, работа которых основана на использовании квадратичной зависимости тока стока от напряжения затвор - исток.

Квадратичные преобразователи на полевых транзисторах обладают рядом достоинств: малая погрешность преобразования, устойчивость по отношению к дестабилизирующим факторам, возможность подачи на вход сравнительно высоких напряжений, широкополосность.

В современных вольтметрах широко применяется квадратичный преобразователь "логарифм - антилогарифм", алгоритм работы, которого:

Структурная схема, реализующая этот алгоритм

Для рассматриваемой схемы характерны малая погрешность преобразования и широкий динамический диапазон - много раз шире, чем у термоэлектрического, Верхняя граничная частота подобного преобразователя лежит в пределах 5 - 10 МГц.

Преобразователь средневыпрямленного значения - это, как правило, двухполупериодный выпрямитель, сочетаемый с магнитоэлектрическим усредняющим прибором.

Преобразователи СВЧ вольтметров это, как правило, пиковые СВЧ детекторы.

Особенности вольтметров импульсного тока

Электронные вольтметры импульсного тока это приборы с пиковым преобразователем, шкалы которых проградуированы в пиковых значениях. Их, как правило, выполняют по схеме преобразователь - УПТ - магнитоэлектрический прибор преимущественно с закрытым входом. В этом случае прибор измеряет пиковое значение импульсного напряжения без постоянной составляющей и отсчет по прибору меньше истинной амплитуды. Погрешность измерения при этом , где Q - скважность. При Q = 5 погрешность равна 20%, но это систематическая погрешность, которую легко учесть.

Весомая методическая погрешность возникает из-за того, что при большой скважности конденсатор пикового преобразователя за время действия импульса не успевает полностью зарядиться, а в течение паузы он существенно разряжается. Погрешность измерения при этом может быть найдена из условия сохранения заряда

,

где R - сопротивление нагрузки, R_i - внутреннее сопротивление диода, R_и - выходное сопротивление исследуемого источника.

Входное активное сопротивление пикового преобразователя .

Наряду с измерениями амплитуды импульсов периодической последовательности нередко необходимо измерять пиковое значение одиночных и редко повторяющихся импульсов. Подобные измерения можно осуществить несколькими методами. Одним из наиболее распространенных является метод преобразования импульсного напряжения в квазипостоянное с помощью диодно-емкостного расширителя импульсов. Их действие основано на продолжительном сохранении заряда конденсатора, накопленного за время действия импульса. Простейшим расширителем может служить диодный пиковый преобразователь с открытым входом, у которого постоянная времени заряда конденсатора очень мала, а постоянная времени разряда - велика.

Зависимость показаний вольтметра от формы напряжения

Многочисленные электронные вольтметры, выпускаемые промышленностью, содержат преобразователи разных типов: пиковые, квадратичные, средневыпрямленного значения. Шкалы электронных вольтметров градуируют в значениях различных параметров напряжения, причем далеко не всегда в значениях того параметра, который соответствует типу преобразователя. Например, преобразователь может быть пиковым, а шкала проградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. Поэтому при подключении нескольких вольтметров к одному источнику отсчеты могут быть неодинаковыми. Шкалы большинства стрелочных вольтметров переменного тока градуируют в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. Это объясняется тем, что при измерении гармонического напряжения преимущественно интересуются его среднеквадратическим значением.

На практике часто приходится измерять параметры напряжений несинусоидальной формы. Разумеется, следует применять вольтметр, позволяющий осуществить прямые измерения данного параметра напряжения, но не всегда это возможно. В подобных ситуациях находят интересующий параметр, применив вольтметр не по прямому назначению, т.е. проводят косвенные измерения. При этом следует помнить следующее:

• фактически измеряемый прибором параметр напряжения определяется типом преобразователя:, каков преобразователь - пиковый, квадратичный или средневыпрямленного значения, таков и фактически измеряемый параметр, данный вольтметр измеряет только параметр, соответствующий типу преобразователя.

• чтобы найти значения параметра напряжения, не соответствующего типу преобразователя, необходимо знать в значениях какого параметра проградуирована шкала и располагать значениями коэффициентов амплитуды и формы или моделью исследуемого сигнала.

• измеряя параметры несинусоидального напряжения вольтметром с закрытым входом, следует учитывать, что на преобразователь поступает напряжение исследуемого сигнала без постоянной составляющей со своими отличными от исходных коэффициентами амплитуды и формы.

В связи с этим при измерении параметров напряжений несинусоидальной формы к процессу измерений нужно подходить особо внимательно и применять прибор с преобразователем, не соответствующим измеряемому параметру напряжения, целесообразно лишь тогда, когда отсутствуют вольтметры, непосредственно измеряющие интересующий параметр.

Цифровые вольтметры

Общая структурная схема цифрового вольтметра включает предварительный преобразователь измеряемого переменного напряжения в постоянное, АЦП и цифровое отсчетное устройство. Поскольку цифровые вольтметры - приборы высокой точности, выполняющие измерения в широком диапазоне, то для них характерны многоразрядные цифровые дисплеи.

Разрядность - это число полных десятичных разрядов, которые индицируются цифрами от 0 до 9. Например, прибор с тремя разрядами при различных пределах измерений может давать следующие максимальные показания: 999; 99,9; 9,99; 0,999. Цифровой вольтметр, позволяющий индицировать дополнительно еще один разряд, но не полностью, называется прибором с расширенным диапазоном показаний или соответственно - разрядным вольтметром, при этом максимальное показание разрядного вольтметра будет 1999 в отличие от 999 для 3 -х разрядного.

Класс точности цифрового вольтметра определяется пределом допускаемой основной относительной погрешности, формула которой

 = (c+d(A_кА_п-1)),

где C и d - постоянные числа, характеризующие класс точности прибора, A_к и А_п соответственно конечное значение установленного предела измерений и показание прибора. Следует иметь в виду, что относительная погрешность и число разрядов, отображаемых дисплеем, - характеристики взаимосвязанные: уменьшение числа разрядов влечет за собой увеличение возможной относительной погрешности.

Современные цифровые вольтметры высокой точности для уменьшения влияния помех на точность измерений могут подключаться к измеряемому устройству с помощью четырех зажимов H - (high) - подключается к выводу высокого потенциала плавающего источника; L - (low) - подключается к низкопотенциальному выводу плавающего источника; G - (guard) - этот вывод соединен с внутренним экраном вольтметра и присоединяется при измерениях к низкопотенциальному выводу измеряемого источника; вывод корпуса - обозначен общепринятым значком  и при измерениях соединяется с корпусом источника.

Если не учитывать предварительный преобразователь, то основные метрологические характеристики (точность, быстродействие, помехозащищенность) цифровых вольтметров определяются способом преобразования измеряемого постоянного напряжения в цифровой сигнал. В связи с этим различают цифровые вольтметры прямого и уравновешивающего преобразования.

Структурная схема цифрового вольтметра прямого преобразования очень проста и включает в себя входное устройство (интегрирующий усилитель, делитель напряжения, устройство автоматического выбора предела измерения, схема определения полярности), АЦП, счетчик, дешифратор и дисплей, но построенные по этой схеме вольтметры не обладают высокой точностью.

Полярность и

положение децимальн.

знака

По типу АЦП вольтметры прямого преобразования делят на приборы с временным и частотным промежуточным преобразованием.

В основе работы вольтметра с временным промежуточным преобразованием (время-импульсного вольтметра) лежит преобразование измеряемого напряжения постоянного тока в интервал времени, заполняемый счетными импульсами. Преобразование осуществляется путем сравнения измеряемого напряжения с линейно-изменяющимся напряжением (однократное интегрирование). Структурная схема такого АЦП имеет вид

Вход

К счетчику

Напряжение измеряется циклами, задаваемыми блоком управления. В начале цикла тактовый импульс блока управления сбрасывает на нуль показания счетчика, запускает компаратор и генератор линейно-изменяющегося напряжения. Компаратор сравнивает входное напряжение с линейно-изменяющимся и на выходе формирует прямоугольный импульс, длительность которого пропорциональна входному напряжению. Этот импульс служит стробирующим для временного селектора, он заполняется счетными импульсами высокостабильного генератора счетных импульсов.

Как видно из рассмотренного принципа действия вольтметра, его точность в значительной степени зависит от характеристик линейно-изменяющегося напряжения. Вырабатывающий его генератор выполнен по схеме интегратора, представляющего собой операционный усилитель с большим коэффициентом усиления, охваченный глубокой ООС посредством RC - цепи. К входу интегратора подключен источник образцового постоянного напряжения U_обр. На выходе получается линейно-изменяющееся напряжение u = (U_обр/RC)t. При высокой стабильности образцового напряжения коэффициент нелинейности выходного напряжения интегратора может не превосходить 10^-6. Высокая линейность напряжения, с которым сравнивается измеряемое, - несомненное достоинство рассмотренного время-импульсного вольтметра с однократным интегрированием, но для него характерны два существенных недостатка, заметно снижающих точность измерений: дрейф нуля и непостоянство наклона линейно-изменяющегося напряжения, обусловленное изменением параметров RC элементов цепи ООС.

От этих недостатков свободны время-импульсные преобразователи с двойным интегрированием.

В ход

К счетчику

В начале цикла преобразования блок управления вырабатывает прямоугольный импульс калиброванной длительности Т₁, который подается на вход электронного переключателя. В течение этого промежутка времени на вход интегратора через электронный переключатель поступает измеряемое напряжение. Начинается первый этап интегрирования (вверх), при котором выходное напряжение интегратора растет по линейному закону, крутизна которого пропорциональна U_изм. Длительность этого этапа равна Т₁, по окончании которого электронный переключатель отключает от входа интегратора U_изм и подключает U_обр противоположной полярности. Начинается второй этап интегрирования (вниз), в течение которого напряжение на выходе интегратора линейно убывает. Этот этап заканчивается, когда напряжение на выходе интегратора становится равным нулю. Можно показать, что длительность этапа интегрирования вниз определяется выражением

,

откуда следует, что интервал t прямо пропорционален измеряемому напряжению и не зависит от постоянной времени интегратора. Так как длительность импульса T₁ и образцовое напряжение могут поддерживаться постоянными с высокой точностью, то погрешность преобразования напряжения в интервал времени весьма мала. Она определяется нестабильностью T₁, неточностью и нестабильностью образцового напряжения, а также недостаточно высокой линейностью выходного напряжения при интегрировании вниз вследствие паразитного эффекта в конденсаторе, называемого диэлектрическим поглощением. Относительная погрешность измерений имеет порядок  0,005%, разрешающая способность достигает 0,1 мкВ.

Кроме того, метод двойного интегрирования позволяет осуществить эффективную защиту от сетевых помех. Для этого генератор счетных импульсов синхронизируется напряжением сети, а интервал интегрирования вверх T₁ выбирается кратным периоду сетевого напряжения.

Метод двойного интегрирования реализован в АЦП КР572ПВ2, КР572ПВ5 и их зарубежных аналогах ICL7106, ICL7107 и др.

Модификация подобного АЦП реализована в универсальном цифровом вольтметре В7-22. Цикл преобразования начинается с разряда конденсатора током, пропорциональным измеряемому напряжению (интегрирование вниз). Затем конденсатор заряжается до исходного значения (интегрирование вверх). Время заряда конденсатора является мерой измеряемого напряжения.

Сохранить достоинства время-импульсного вольтметра с однократным интегрированием и устранить присущие ему недостатки (влияние на точность измерений дрейфа нуля и нестабильности параметров RC цепи интегратора) удалось путем введения в вольтметр микропроцессора. Структурная схема такого вольтметра имеет вид

По командам микропроцессора мультиплексор последовательно подключает ко входу компаратора измеряемое напряжение, источник образцового напряжения и закорачивает вход компаратора на корпус. Значения напряжения соответствующие трем положениям мультиплексора измеряются и запоминаются. Затем микропроцессор вычисляет измеряемое напряжение. Таким образом удается устранить влияние на точность измерений дрейфа нуля и нестабильности параметров RC цепи интегратора. Фактически, микропроцессор в процессе каждого измерения осуществляет автокалибровку вольтметра (коррекцию смещения нуля и уточнение масштабных коэффициентов). Уменьшение влияния помех достигается путем усреднения результатов измерений.

Основу цифрового вольтметра с частотным промежуточным преобразованием составляет интегрирующий АЦП частотного преобразования, состоящий из аналогового интегратора, схемы сравнения и схемы формирования прямоугольных импульсов (импульсов сброса).

U_изм

U_оп

На вход интегратора поступает измеряемое напряжение U_изм, напряжение на выходе интегратора будет линейно изменяться прямо пропорционально абсолютному значению U_изм. Когда напряжение на выходе интегратора сравняется с U_оп, схема сравнения вырабатывает импульс, поступающий на выход преобразователя, одновременно этот импульс поступает на схему формирования импульса сброса, обнуляющего интегратор. По окончанию импульса сброса все процессы повторяются. Частота следования выходных импульсов прямо пропорциональна абсолютной величине измеряемого напряжения. Погрешность преобразования определяется в основном нестабильностью параметров отдельных узлов и составляет обычно 0,01%. Подобные преобразователи применяются в серийных вольтметрах В7-18, В7-23.

Более высокой точностью обладают цифровые вольтметры уравновешивающего преобразования. Это достигается за счет использования метода сравнения и введения в структурную схему обратной связи.

Предел Полярность и положение

Измерений децимального знака

(+) (-)

Напряжение обратной связи формируется ЦАП, осуществляющим преобразование внешних сигналов, представленных кодом 1-2-4-2^* в эквивалентное напряжение постоянного тока. Преобразователь состоит из прецизионных резисторов, образующих потенциометр, источника высокостабильного тока I_ст и управляемых электронных ключей. Сопротивления резисторов выбраны в соответствии с принятым кодом входных сигналов. Веса различных декад учтены выбором соотношений однотипных резисторов. Переключение пределов измерений осуществляется дискретным изменением силы тока I_ст, одновременно устанавливается положение децимальной точки.

Помимо ЦАП структурная схема цифрового вольтметра включает: входной интегратор и делитель измеряемого напряжения, схему сравнения, устройство программного управления (микропроцессор), дешифратор и цифровой дисплей. Измеряемое напряжение после интегрирования в пределах одного периода промышленной частоты поступает на делитель, а с выхода делителя на схему сравнения. На второй вход схемы сравнения поступает компенсирующее напряжение, формируемое ЦАП. В зависимости от знака разности этих напряжений устройство программного управления изменяет компенсирующее напряжение до тех пор, пока не наступит равенство сравниваемых напряжений. Режимы электронных ключей, соответствующие этому моменту, посредством дешифратора преобразуются в десятичное число, которое и фиксируется дисплеем как результат измерения. Алгоритм функционирования устройства управления должен обеспечить получение отсчета за минимальное число тактов управления. Практическое применение находят два алгоритма уравновешивания напряжений - развертывающего и следящего уравновешивания.

В соответствии с алгоритмом развертывающего уравновешивания подбор величины компенсирующего напряжения начинается со старшего разряда по условию U_комп <=U_изм, (ближайшее меньшее). Затем по тому же условию подбирается следующий младший разряд и так до самого младшего.

В соответствии с алгоритмом следящего уравновешивания подбор величины компенсирующего напряжения состоит в последовательном увеличении напряжения, начиная с самого младшего разряда, до тех пор, пока компенсирующее напряжение не станет больше измеряемого. Тогда обнуляются все разряды, кроме старшего, и процедура увеличения опять начинается с самого младшего разряда. После того как будет выполнено условие U_комп>=U_изм, процесс увеличения прекращается, и опять обнуляются все разряды, кроме двух старших. Процесс продолжается до тех пор, пока не будет подобран самый младший разряд.

Таким образом, следящая логика быстро реагирует на малые изменения измеряемого напряжения и цифровые вольтметры следящего уравновешивания целесообразно применять в тех случаях, когда необходимо фиксировать малые изменения контролируемого напряжения. В то же время развертывающая логика каждое измерение начинает с последовательного изменения компенсирующего напряжения от нулевого уровня и вольтметры развертывающего уравновешивания целесообразно применять в системах с периодической коммутацией измеряемых напряжений.

Цифровые вольтметры переменного напряжения отличаются от вольтметров постоянного напряжения наличием дополнительных выпрямительных либо термоэлектрических преобразователей переменного напряжения в пропорциональное постоянное. В зависимости от типа преобразователя его выходное напряжение может быть пропорционально действующему, амплитудному или средневыпрямленному значению измеряемого напряжения. Так как характеристики дополнительных преобразователей существенно влияют на метрологические свойства цифровых вольтметров, то применяют специальные меры для повышения точности и линейности преобразования, а также для расширения их частотного и динамического диапазонов. Так как погрешность измерительных преобразователей обычно лежит в пределах 0,1 - 0,01%, то точность измерения переменного напряжения цифровыми вольтметрами будет ниже точности измерения постоянного напряжения. Как правило, точность измерения зависит от частоты переменного напряжения.

Измерение мощности

В радиотехнике приходится сталкиваться с измерением мощности в пределах от 10^-18 до 10⁸ Вт в частотном диапазоне от постоянного тока до частот оптического диапазона. Такие большие пределы значений измеряемой мощности, широкий диапазон частот, а также различные требования к возможным погрешностям измерений обусловили разработку многих методов и выпуск большого числа приборов, основанных на различных физических принципах. При измерениях наряду с абсолютными (ватт, милливатт и т.д.) широко используются относительные (логарифмические) единицы. При этом измеряемую мощность Р_х оценивают числом децибел, определяемым из соотношения

,

где Р₀ мощность, принимаемая за исходный уровень. Практически Р₀ выбирают равным 1 мВт или 1 Вт. В первом случае единица измерения 1 дБмВт, во втором - 1дБВт. В зависимости от соотношения Р_х и Р₀ значение  может быть положительным или отрицательным. Знак минус означает, что Р_х меньше Р₀. Относительные единицы имеют свои преимущества и применяются для оценки мощности источников радиотехнических сигналов, чувствительности приемных устройств, погрешностей измерений.

В цепях постоянного тока и переменного тока промышленной частоты измерения мощности осуществляют с помощью приборов непосредственной оценки - электродинамических ваттметров, в основе работы которых лежит взаимодействие двух катушек с током. Неподвижную катушку ваттметра включают подобно амперметру последовательно с нагрузкой, а подвижную - подобно вольтметру параллельно. Систематическая погрешность измерений обусловлена мощностью, потребляемой обмотками катушек ваттметра, и зависит от их сопротивления R_A и R_V и схемы соединения подвижной и неподвижной катушек.

R_A R_A

R_V R_H R_V R_H

 R_A/R_H = R_H/R_V

Очевидно, что первую схему следует применять при условии R_A<< R_H, а вторую - при условии R_V>> R_Н.

Случайная погрешность определяется классом точности ваттметра.

При больших значениях переменного тока неподвижную катушку включают через измерительный трансформатор тока, а при высоких напряжениях используют измерительный трансформатор напряжения. Погрешности измерений в этом случае возрастают за счет фазовых сдвигов измерительных трансформаторов и неточности определения коэффициентов трансформации.

Значения мощности постоянного тока и переменного тока промышленной частоты можно измерить косвенным методом. Для этого измеряют ток и напряжение и полученные значения перемножают. Систематические погрешности при этом будут такие же, как и при прямых измерениях.

В цепях переменного тока звуковых и высоких частот косвенные измерения мощности выполняют с помощью электронных вольтметров и термоэлектрических амперметров, частотные возможности которых соответствуют частоте тока в измеряемых цепях. На высоких частотах, когда линия передачи является цепью с распределенными параметрами, амперметр включают возможно ближе к нагрузке так, чтобы расстояние до нее было по крайней мере в сто раз меньше , а вольтметр - на расстоянии, кратном 2. При этом погрешность включения не превышает 1%. Если известно сопротивление нагрузки, мощность может быть измерена одним вольтметром.

Прямые измерения мощности выполняют с помощью высокочастотных ваттметров, обобщенная структурная схема которых

В аналоговом приемном преобразователе измеряемая мощность преобразуется в пропорциональную ей другую физическую величину, более удобную для измерений.

Частота	Ваттметр	Величина, в которую преобразуется измеряемая мощность
Высокая	Вольтметровый Квадраторный С датчиком Холла	Переменное напряжение Постоянный ток ЭДС Холла
СВЧ	Термоэлектрический Калориметрический Пондеромоторный	Термо ЭДС Теплота Механическое движение

В измерительном устройстве она измеряется, и результат в аналоговой или цифровой форме фиксируется отсчетным устройством.

Вольтметровый ваттметр, предназначенный для работы в диапазоне звуковых частот, состоит из резистивного приемного преобразователя, представляющего набор прецизионных резисторов, подключаемых в качестве нагрузки к измеряемому устройству, и электронного вольтметра, проградуированного в единицах мощности. Ваттметр М3-19 в диапазоне от 20 Гц до 30 кГц измеряет уровни мощности 0,1 мВт - 10 Вт с погрешностью 3 - 10%. Ваттметр, работающий в диапазоне высоких и нижнем участке диапазона сверхвысоких частот, представляет собой коаксиальную нагрузку сопротивлением 50 или 75 Ом и электронный пиковый вольтметр. Для устранения зависимости показаний от скважности при измерении импульсной мощности вольтметр построен по автокомпенсационной схеме. Ваттметр М3-3А в диапазоне частот 30 МГц - 1,2 ГГц с погрешностью до 15% измеряет среднюю мощность в пределах от 0,25 до 15 Вт и от 5 до 5000 Вт импульсную.

В

0 Т₁ t₁ t₂

ольтметровый цифровой ваттметр, основой которого являются два АЦП двойного интегрирования, работает следующим образом. На вход первого интегратора подается сигнал, пропорциональный напряжению. В течение интервала времени Т₁ первый интегратор выполняет интегрирование "вверх". В конце интервала Т₁ ко входу первого интегратора прикладывается образцовое напряжение и в течение интервала t₁ осуществляется интегрирование "вниз". В начале интервала t₁ на вход второго интегратора подается сигнал, пропорциональный току нагрузки, и этот интегратор в течение интервала t₁ интегрирует "вверх". В конце этого интервала на вход второго интегратора подается образцовый сигнал и начинается интегрирование "вниз". Несложно убедиться, что интервал t₂ , необходимый для возврата второго интегратора в исходное состояние, пропорционален произведению напряжения и тока.

Среднюю мощность, потребляемую нагрузкой цепи переменного тока, можно найти путем перемножения мгновенных значений напряжения и тока с усреднением произведения. Современная микроэлектроника располагает аналоговыми перемножителями, осуществляющими различные методы перемножения: переменной крутизны, широтной модуляции, "логарифм - антилогарифм" и др.

Квадраторный ваттметр работает на основе известного алгебраического тождества (a+b)² - (a-b)² = 4ab. Это обусловлено тем, что в электронных схема сложение и возведение в квадрат осуществляется проще, чем умножение. Структурная схема такого ваттметра

на один из входов поступает , а на второй - , в результате на выходе устройства - . Переменная составляющая отфильтровывается ФНЧ, а постоянная - измеряется соответствующим прибором. В качестве квадраторов, как правило, используются термоэлектрические преобразователи. Подобные ваттметры применяют в диапазоне частот до 1Мгц. Их достоинством является независимость показаний от формы тока и напряжения, погрешность составляет 1,5 - 2%. Основной недостаток - жесткие требования к идентичности термопреобразователей.

В ваттметрах с датчиком Холла преобразователь представляет собой тонкую пластинку из кремния или германия, расположенную в зазоре электромагнита так, что магнитное поле с индукцией В, пропорциональной току через нагрузку, перпендикулярно ее плоскости. Через пластину в направлении, перпендикулярном индукции В, проходит ток, пропорциональный напряжению на нагрузке. В результате на ортогональных току гранях пластины появляется измеряемая милливольтметром э.д.с. Холла, пропорциональная индукции В и току через пластину и, следовательно, пропорциональная мощности, потребляемой нагрузкой. Достоинствами ваттметров с преобразователями Холла являются: малое потребление мощности, сравнительно широкий диапазон частот ( вплоть до СВЧ), независимость показаний от формы напряжения и тока, малая погрешность ( до 0,5%). Существенным недостатком является высокая чувствительность к изменению температуры окружающей среды.

Особое положение занимает измерение мощности на СВЧ. Здесь не приемлем метод измерения, основанный на измерении тока и напряжения, по следующим причинам. Во-первых, напряжение и ток на СВЧ теряют свою однозначность: их значение не постоянно по сечению линии передачи. Во-вторых, измерение напряжения и тока на СВЧ представляет трудности, обусловленные сильным влиянием измерительного прибора на измеряемую цепь. По этим причинам на СВЧ применяют методы, основанные на преобразовании электромагнитной энергии в другие виды, чаще всего в тепловую, и последующем измерением мощности преобразованного процесса. Основанием правомерности таких методов измерения служит закон сохранения энергии. Различают два основных случая измерения мощности на СВЧ: измеряют мощность, поглощаемую согласованной нагрузкой и мощность, проходящую по линии передачи к произвольной нагрузке. В соответствии с этим существуют методы измерения и ваттметры ПОГЛОЩАЕМОЙ и ПРОХОДЯЩЕЙ мощности.

Мощность СВЧ	Методы измерения	Мощность СВЧ	Методы измерения
Поглощаемая	Калориметрический Термоэлектрический Терморезистивный	Проходящая	Ответвления Пондеромоторный

Поглощаемую мощность обычно измеряют при определении выходной мощности источника СВЧ энергии, поэтому в ваттметре поглощаемой мощности приемный преобразователь содержит эквивалентную согласованную нагрузку и фактически измеряется поглощаемая ею мощность. Относительная погрешность измерения вследствие рассогласования этой нагрузки

.

Значение КСВ приводится в паспорте ваттметра, что позволяет исключить эту систематическую погрешность.

Калориметрический метод относится к наиболее точным методам измерения средних и высоких уровней поглощаемой мощности. Наиболее распространены проточные калориметрические ваттметры с непрерывно циркулирующей жидкостью - водой, омывающей твердое рабочее тело, или кремний-органической жидкостью, являющейся объемной нагрузкой. Под воздействием энергии СВЧ жидкость нагревается. В установившемся режиме количество теплоты, выделяемой нагрузкой, равно количеству теплоты, отводимому жидкостью. По разности температур на входе и выходе можно судить о поглощаемой мощности , где С_уд - удельная теплоемкость жидкости (Дж/(кг К)), v - скорость протекания жидкости (литры/сек),  - разность температур жидкости на входе и выходе. Для измерения  применяют батареи термопар, включенных встречно, чтобы исключить влияние температуры среды.

Погрешность измерения обусловлена изменением удельной теплоемкости жидкости при ее значительном нагревании, изменении скорости протекания, дополнительного нагрева жидкости за счет трения о стенки, потерь теплоты на излучение. Для уменьшения погрешности используют метод сравнения, при котором тепловой эффект, вызванный энергией поля СВЧ, сравнивают с тепловым эффектом постоянного тока или тока НЧ. В этом случае приемный преобразователь представляет собой двухкамерную систему. Жидкость в одной камере нагревается полем СВЧ, а во второй - постоянным или НЧ током. Процесс измерения мощности заключается в измерении мощности постоянного или НЧ тока, значение которой устанавливают так, чтобы температура жидкостей на выходах обеих камер была одинакова. Очевидно, что в этом случае исключаются погрешности за счет непостоянства удельной теплоемкости, неравномерного течения жидкости и ее дополнительного нагрева за счет трения. Измеряемую мощность СВЧ находят по формуле _ = _K_э, где K_э - коэффициент эффективности приемного преобразователя, учитывающий неэквивалентность нагрева жидкости мощность СВЧ и НЧ тока, он зависит от частоты и принимает значения 1,0 … 0,7 в диапазоне частот 30 МГц - 37,5 ГГц. Погрешность измерения определяется погрешностью измерения мощности НЧ. Проточный водяной калориметр с коаксиальным входом М3-48 измеряет среднюю мощность от 60 до 6000 Вт в диапазоне частот 10 МГц - 1,6 ГГц с пределом допускаемой погрешности 4,0 - 7,0%, М3-47 - 10 - 1000 Вт в диапазоне частот 5,64 - 37,5 ГГц с погрешностью 4,0 - 5,0%. Калориметр М3-11А, в котором используется кремний-органическая жидкость, в диапазоне частот 10 МГц - 11,5 ГГц измеряет мощность в пределах 0,01 - 10 Вт с погрешностью 7,0%.

В статических калориметрах рабочее тело, где энергия СВЧ превращается в тепловую, неподвижно и в процессе измерения не меняет формы и физических свойств. Рабочим телом может служить жидкость, а также твердые объемные или пленочные поглотители. При использовании твердых поглотителей калориметры называют сухими. Как правило, для уменьшения погрешностей используется метод сравнения. На основе статических калориметров созданы образцовые и рабочие ваттметры СВЧ для измерения в диапазоне до 18 ГГц средних мощностей 1 - 100 мВт с погрешностью менее 0,5%. Промышленные образцы М3-54, М3-56, М3-62, М3-63 обеспечивают измерение средней мощности в пределах 0,1 мВт - 100 Вт в диапазоне частот 0 - 18 ГГц с погрешностью 4 - 8% в коаксиальных и волноводных трактах.

Терморезистивный метод основан на изменении сопротивления чувствительного элемента под воздействием теплоты, вызванной энергией поля СВЧ, в котором он помещается. Чувствительный элемент является поглощающей нагрузкой и помещается в преобразователе ваттметра. Измеряемая мощность замещается мощностью постоянного или НЧ тока, эквивалентной по тепловому воздействию. Изменение сопротивления чувствительного элемента определяется с помощью моста постоянного тока, в одно из плеч которого он включен. В качестве чувствительного элемента используется либо терморезистор либо болометр.

Терморезистор представляет собой бусинку (иногда диск) диаметром 0,2 - 0,5 мм, изготовленную из полупроводника с отрицательным ТКС и покрытую тонким слоем стекла. В бусинку запресованы выводы из платиновой проволочки диаметром 25 - 50 мкм. Бусинка заключается в стеклянный баллончик с жесткими латунными выводами диаметром 0,8 мм.

Болометр представляет собой вольфрамовую или платиновую проволочку диаметром 3 - 10 мкм, длиной 1 мм, заключенную в заполненный инертным газом стеклянный баллончик с латунными выводами. Проволочные болометры используются на частотах до 1 ГГц. На более высоких частотах используются пленочные болометры в виде подложки из слюды или стекла с напыленной пленкой платины. Размеры подложки соответствуют сечению волновода. В отличие от терморезисторов болометры имеют положительный ТКС.

Основными характеристиками терморезисторов и болометров являются: сопротивление в рабочей точке R_T0, равное сопротивлению по постоянному току, при котором терморезистор согласуется с волновым сопротивлением тракта СВЧ, зависимость сопротивления R_T от рассеиваемой мощности, чувствительность в рабочей точке , максимально допустимая рассеиваемая мощность - средняя и импульсная, а также тепловая постоянная времени.

Выпускаемые в настоящее время проволочные болометры характеризуются максимальной допустимой мощностью рассеивания от 10 мВт до 2 Вт, чувствительностью от 3 до 8 Ом/мВт, сопротивлением в холодном состоянии от 6 до 120 Ом. Пленочные болометры рассеивают до 1 Вт, их чувствительность составляет 3 - 3,5 Ом/мВт на частотах ниже 10 ГГц. На более высоких частотах она снижается до 0,3 Ом/мВт. Сопротивление в холодном состоянии 50 - 75 Ом.

Максимальная допустимая мощность, рассеиваемая терморезисторами 30 - 40 мВт, импульсная - до 50 Вт. Они устойчивы к перегрузкам. Чувствительность достигает 100 Ом/мВт, поэтому их используют для измерения малых мощностей. Сопротивление в холодном состоянии колеблется от десятков Ом до нескольких кОм.

Сопротивление в рабочей точке терморезистора и болометра устанавливается предварительным подогревом постоянным или НЧ током.

Терморезисторный ваттметр состоит из приемного преобразователя, в котором размещен чувствительный элемент и элементы согласования; измерительного моста постоянного тока для определения изменения сопротивления чувствительного элемента; отсчетного устройства с цифровой или стрелочной индикацией; стабилизированного источника питания.

Приемный преобразователь (термисторная головка) в зависимости от диапазона частот выполняется в виде отрезка коаксиальной (от 20 МГц до 6 ГГц) либо волноводной (выше 6 ГГц) линии. Назначение приемного преобразователя - согласование линии передачи с чувствительным элементом и обеспечение подключения в низкочастотную измерительную схему, а также размещение и включение термокомпенсируюшего терморезистора. Согласование с линией передачи достигается выбором места расположения термистора в линии передачи и изменением рабочего сопротивления током подогрева. Развязка низкочастотных и СВЧ цепей обеспечивается с помощью дросселей и конденсаторов. Приемный преобразователь характеризуется входным Ксвн и коэффициентом эффективности, равным отношению мощности постоянного тока к мощности СВЧ, вызывающей то же изменение сопротивления термистора. Девять термисторных головок М5-40 - М5-89 (коаксиальных и волноводных) перекрывают диапазон частот от 30 МГц до 78,3 ГГц с Ксвн до 1,7 и коэффициентом эффективности от 0,5 до 1,05.

Измерение мощности СВЧ выполняется с помощью моста постоянного тока, в одно плечо которого включается термистор, а в остальные три - постоянные резисторы, сопротивления которых равны сопротивлению термистора в рабочей точке. Такой равноплечий мост обладает максимальной чувствительностью. Измерение мощности можно выполнять при неуравновешенном или при уравновешенном состоянии моста.

Ваттметр с неуравновешенным мостом работает следующим образом. Сначала мост приводится в равновесие на постоянном токе. Для этого, изменяя ток подогрева, добиваются нулевого показания микроамперметра в диагонали моста. Это свидетельствует о равенстве сопротивления термистора всем остальным сопротивлениям плеч. Затем на вход подают мощность СВЧ, термистор дополнительно нагревается, его сопротивление изменяется, мост выходит из равновесия и стрелка микроамперметра отклоняется. Шкала микроамперметра заранее градуируется в единицах мощности. Ваттметр с неуравновешенным мостом прост и надежен в работе, с его помощью можно непрерывно и непосредственно измерять мощность СВЧ. Однако необходимость предварительной градуировки и значительная (до 10%) погрешность измерения ограничивают область его применения. Источниками погрешностей являются рассогласование с трактом СВЧ вследствие изменения сопротивления термистора, изменение температуры окружающей среды, нестабильность источника питания моста, изменение характеристик термистора при его старении и замене.

Значительно большую точность измерений обеспечивает ваттметр с уравновешенным мостом. Измерение проводят в два этапа. Сначала мост приводят в равновесие при постоянном токе и измеряют ток питания моста. Через термистор протекает половина питающего мост тока I₁, поэтому мощность, рассеиваемая на термисторе P=I²R/4. Затем подается мощность СВЧ, термистор дополнительно нагревается, мост выходит из равновесия. Мост вторично приводят в равновесие, уменьшая до I₂ постоянный ток через термистор. Очевидно, разность мощностей постоянного тока равна измеряемой мощности СВЧ

.

Измерение мощности ваттметром с уравновешенным мостом является косвенным, так как требует вычислений. Преимущества по сравнению с неуравновешенным мостом следующие: не нарушается согласование с трактом СВЧ, так как сопротивление термистора приводится к одному и тому же значению независимо от уровня измеряемой мощности, не нужна предварительная градуировка, изменение характеристик термистора от старения и при замене не влияют на результаты измерений. Недостатками являются: необходимость двух операций уравновешивания моста, выполнение вычислений, увеличение погрешностей при малом различии между двумя значениями измеряемых постоянных токов.

От этих недостатков свободен прямопоказывающий ваттметр с уравновешенным мостом, измеряющий не два значения постоянного тока, а их разность I = I₁ - I₂. При этом измеряемая мощность СВЧ равна P_~ = (2I₁ - I)IR/4. Если поддерживать значение тока I₁ постоянным, то значение измеряемой мощности СВЧ однозначно определяется приращением постоянного тока I. Шкалу миллиамперметра, измеряющего это приращение, можно градуировать в единицах мощности. Существует много схем прямопоказывающих ваттметров с разными способами измерения разности токов I. В "схеме с шунтом" первоначально мост уравновешивается путем изменения тока высокостабильного стабилизатора тока. Затем, при подаче мощности СВЧ, параллельно мосту включается шунтирующий резистор, в который ответвляется часть стабилизированного тока. Изменением величины шунтирующего резистора мост опять уравновешивается. Миллиамперметр в цепи шунтирующего резистора градуируется в единицах мощности.

В процессе эксплуатации ваттметра градуировка может нарушиться при изменении температуры окружающей среды, замене и старении термистора. Для обеспечения постоянства градуировки значение тока I₁ устанавливают несколько меньшим, чем нужно для уравновешивания моста, а точное уравновешивание получают путем дополнительного косвенного подогрева термистора переменным током НЧ. Нарушение первоначального уравновешивания под влиянием внешних факторов устраняют только регулировкой тока НЧ, а значение I₁ постоянного тока сохраняется неизменным.

На основе рассмотренных схем выполняют ваттметры с автоматическим уравновешиванием моста. Для этого вместо гальванометра в диагональ моста включается УПТ с большим коэффициентом усиления, а вместо шунтирующего резистора - управляемый источник постоянного тока. Напряжение разбаланса, возникающее при подаче мощности СВЧ, усиливается УПТ и используется для управления источником постоянного тока до восстановления равновесия моста.

Без учета погрешности, обусловленной рассогласованием, терморезисторный метод обеспечивает измерение мощности с погрешностью менее 3 - 10%.

Термисторный мост ваттметра дискретного действия запитывается импульсным напряжением, при этом рассеиваемая термистором мощность линейно связана с частотой следования импульсов. В диагональ моста такого ваттметра включается детектор и УПТ. Усиленное напряжение разбаланса моста подается на управляемый по частоте генератор импульсов. В начале мост уравновешивается при частоте следования импульсов F₁, а после подачи мощности СВЧ - при частоте следования F₂. Разность частот фиксируется цифровым измерителем, проградуированным в единицах мощности. Погрешность подобного ваттметра не превышает 0,5%.

Термоэлектрический метод состоит в преобразовании энергии СВЧ в тепловую непосредственно на высокочастотном термопреобразователе прямого или косвенного нагрева и измерении возникающей в результате нагрева термо-ЭДС, пропорциональной рассеиваемой мощности. Таким образом, термопреобразователь в данном случае выполняет две функции - поглощающей нагрузки и дифференциального термометра. Метод применяется для измерения среднего значения мощности непрерывных и импульсных сигналов. Так как термо-ЭДС определяется разностью температур между спаями термопар, которая в отсутствие мощности СВЧ близка к нулю, влияние температуры окружающей среды ничтожно. Поэтому измерительные устройства не требуют схем температурной компенсации. При высокой чувствительности термопреобразователей термоэлектрические приемные преобразователи могут работать непосредственно с магнитоэлектрическим прибором. Конструктивно термоэлектрические преобразователи подобны терморезистивным с той лишь разницей, что вместо термистора устанавливается термоэлектрическая вставка, состоящая из двух дифференциальных термопар.

Основные достоинства метода: малое время установления показаний, малая зависимость от температуры окружающей среды, возможность измерения малых уровней мощности.

Основной недостаток состоит в неустойчивости к перегрузкам, которая особенно проявляется при измерении мощности импульсных сигналов.

Промышленность выпускает коаксиальные и волноводные термоэлектрические ваттметры поглощаемой мощности типа М3-50 … М3-60, которые перекрывают диапазон 30 МГц - 78,3 ГГц при уровнях мощности 10^-5 - 1 Вт и имеют основную погрешность 4 - 6%.

Класс точности выпускаемых промышленностью терморезистивных и термоэлектрических ваттметров связан с Ксвн входной цепи преобразователя и в соответствии с ГОСТ 13605-75 они соответствуют следующим значениям:

Класс точности 1,0 1,5 2,5 4,0 6,0 10,0

Ксвн, не более 1,1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5

Проходящая мощность определяется из выражения P_пр = P_п(1-_н²), где P_п - падающая мощность. Ваттметр проходящей мощности включается в линию передачи между источником и нагрузкой и при этом не должна искажаться структура электромагнитного поля в линии. Несоблюдение этого требования приводит не только к значительным погрешностям измерений, но и к нарушению режима работы тракта с нагрузкой.

Метод ответвления реализуется чувствительными ваттметрами поглощаемой мощности в совокупности с направленными ответвителями. Схема измерения имеет вид

Направленные ответвители НО 1 и НО 2 с одинаковыми характеристиками и противоположными ориентациями включены последовательно в линию передачи. Ответвленные части падающей и отраженной мощности измеряются поглощающими ваттметрами 1 и 2. Результаты измерений поступают на вычитающее устройство, на выходе которого включен измеритель, проградуированный в единицах мощности. Его показания пропорциональны проходящей мощности.

Пондеромоторный метод основан на преобразовании энергии электромагнитного поля в механическую. Пондеромоторный ваттметр состоит из отрезка прямоугольного волновода, внутри которого на упругой кварцевой нити подвешена легкая металлическая пластинка. Под действием пондеромоторных сил пластинка перемещается, закручивая нить подвеса. Мерой мощности является угол закручивания нити.

Пондеромоторные ваттметры обеспечивают высокую точность измерения (погрешность менее 1%), устойчивы к перегрузкам, потребляют малую мощность. Недостатком являются чувствительность к механическим толчкам, вибрациям, необходимость горизонтирования прибора при включении в тракт СВЧ, сложность изготовления. Максимальная измеряемая мощность определяется электрической прочностью волноводной секции и составляет для ваттметра, использующего волновод сечением 23 х 10 мм² , примерно 70 кВт в импульсе. Они используются преимущественно в метрологических целях (для поверки, градуировки и т.п.).

Для измерения проходящей мощности используются преобразователи Холла, преобразователи, основанные на эффекте "горячих" носителей в полупроводнике, а также измерители с поглощающей стенкой, чувствительными элементами которых являются термоэлементы, размещенные в отверстиях широкой стенки волновода.

Измерение импульсной мощности больших уровней, как правило, проводят косвенным путем, используя метод ответвления. При этом при помощи одного ответвителя и поглощающего ваттметра измеряется средняя мощность, а при помощи другого ответвителя, детектора и осциллографа контролируется форма, длительность и частота следования импульсов. Погрешность определения импульсной мощности при этом составляет (6 - 12)%. Достоинством метода является широкий динамический диапазон 1мВт - 100 кВт.

Импульсная мощность может быть определена по выходному напряжению пикового детектора. Метод пикового детектора применим во всем диапазоне СВЧ, динамический диапазон составляет 0,1 - 200 Вт, при использовании вакуумных и 0,5 - 100 мкВт - полупроводниковых диодов.

При измерении мощности лазерного излучения приходится измерять мощность излучения в непрерывном режиме, энергию излучения одиночных импульсов, среднюю мощность в импульсе и среднюю мощность импульсно-модулированного излучения. Эти измерения, как правило, не отличаются высокой точностью (ошибки измерения имеют порядок 5%). Для измерений применяются способы аналогичные способам измерения на СВЧ, однако их реализация для волн оптического диапазона имеет некоторые особенности. В калориметрических измерителях обычно применяются твердые поглотители, массой 0,3 - 0,1 г, позволяющие измерять энергию импульса в пределах 10^-3 - 10^-1 Дж. Изменение температуры регистрируют с помощью терморезисторов либо термопар. В жидкостных калориметрах мерой поглощенной энергии служит изменение объема жидкости, регистрируемое по изменению ее уровня в капиллярном сосуде (аналогично термометру). Кроме этого применяются фотоэлектрические, пироэлектрические, пондеромоторные и др. типы преобразователей.

Измерение разности фаз

Разностью фаз  называют разность начальных фаз ₁ и ₂ двух гармонических колебаний одинаковой частоты. Это определение распространяют также на два переодических колебания несинусоидальной формы, если в моменты перехода колебаний через нуль их напряжения имеют одинаковые направления изменений (это эквивалентно разности фаз колебаний первых гармоник). В радиоизмерительной технике пользуются понятием фазовый сдвиг, под которым понимают модуль разности фаз. Приборы для измерения разности фаз называют фазометрами (группа Ф2), а мерами разности фаз служат средства измерения, называемые фазовращателями - это четырехполюсники с известной постоянной или регулируемой разностью фаз между входным и выходным сигналами.

Единица угла сдвига фаз - градус воспроизводится на высшем метрологическом уровне с помощью государственных эталонов фазового сдвига в диапазонах 10^-3 - 2 10⁵ Гц и 8,2 - 12 ГГц со СКО соответственно не более 0,01^о и 0,1^о при НСП не более 0,01^о и 0,1^о.

Для измерения разности фаз применяют следующие методы: сравнения; компенсационный; преобразования в постоянное напряжение; преобразования во временной интервал (два последних метода реализованы в серийных фазометрах).

Метод сравнения используется для измерения фазового сдвига на сравнительно низких частотах, в качестве индикатора используется осциллограф и, поэтому, этот метод часто называют осциллографическим. В свою очередь этот метод можно разделить на способы линейной, синусоидальной и круговой разверток.

Способ линейной развертки осуществляется двухлучевым или двухканальным осциллографом, в каналы вертикального отклонения которого подаются напряжения U₁ и U₂. Фазовый сдвиг вычисляется по смещению осциллограмм.

Способ синусоидальной развертки реализуют однолучевым осциллографом. Исследуемые напряжения подаются в каналы вертикального и горизонтального отклонений, генератор развертки выключен. Сдвиг фаз определяется по характерным размерам осциллограмы в виде эллипса.

где A и B - соответственно малая и большая оси эллипса. Способ не позволяет определить фазовый сдвиг однозначно, для устранения неоднозначности нужно ввести дополнительный сдвиг 90^о и по изменению вида осциллограмы определить действительный фазовый сдвиг.

С пособ круговой развертки позволяет измерить фазовый угол в пределах  180^о с указанием знака. Измерительная схема имеет вид. При отсутствии модуляции яркости на экране будет изображение полуокружности. При модуляции яркости при  =0 видна дуга полуокружности, при положительном фазовом сдвиге видна левая часть полуокружности, при отрицательном - правая часть полуокружности, при  =180^о виден диаметр. Измеряемый фазовый угол отсчитывается по делениям транспортира. Точность способа выше точности способа синусоидальной развертки.

Осциллографический метод не требует никаких дополнительных приборов и прост по идее. Однако он является косвенным, требует линейных измерений и вычислений, что приводит к значительным погрешностям. Общая погрешность складывается из случайных погрешностей: измерения длин отрезков, совмещения следа луча с линиями масштабной сетки и конечного значения диаметра светового пятна на экране осциллографа; и систематических; инструментальной и методической. Инструментальная погрешность возникает за счет наличия собственных фазовых сдвигов в каналах осциллографа. Методическая погрешность связана с наличием гармоник в исследуемых напряжениях. Случайные погрешности могут быть уменьшены тщательной фокусировкой луча при малой яркости и применением осциллографа с масштабной сеткой на внутренней поверхности экрана. Инструментальная погрешность может быть исключена методом компенсации. Для этого необходимо выполнить два измерения, причем при втором подать исследуемые напряжения на противоположные входы осциллографа. Искомый фазовый сдвиг ₂₁.

С ущность компенсационного метода состоит в том, что измеряемую разность фаз с помощью фазовращателя, включенного в цепь одного из сигналов, изменяют так, что результирующий эффект воздействия разности фаз на устройство сравнения доводят до нуля. Зная изменение разности фаз, вносимое фазовращателем, можно определить разность фаз между сигналами. В соответствии с ГОСТ 16263-70 данная разновидность метода сравнения называется нулевым методом.

Однако в технической литературе этот метод называют компенсационным и измерительные приборы на его основе - компенсационными. На рис. приведена структурная схема компенсационного фазометра. В качестве индикатора на НЧ обычно используют электронный осциллограф, на более высоких - фазовый детектор, а на СВЧ - измерительную линию. Подавая на оба входа фазометра одно и то же напряжение, с помощью установочного фазовращателя устанавливают на индикаторе рабочий уровень разности фаз. Затем, подавая исследуемые напряжения, с помощью измерительного фазовращателя изменяют фазу сигнала до тех пор, пока не получится прежняя разность фаз на индикаторе. При использовании в качестве индикатора осциллографа устанавливают максимальное усиление обоих каналов, осциллограмма при этом выходит за пределы экрана. На экране появляется эллипс или его центральная часть в виде двух параллельных линий. Измерительным фазовращателем добиваются слияния этих линий в одну. Погрешность измерения в основном определяется погрешностями измерительного фазовращателя, в качестве которого обычно используются мостовые RC-фазовращатели.

Н а СВЧ компенсационный метод реализуют способом короткого замыкания. Измерительная установка состоит из генератора, развязывающего аттенюатора (вентиля) и фазовращателя. В произвольном сечении тракта устанавливают зонд с детектором и индикатором.

Зонд и индикатор

КЗ

В начале выход фазовращателя замыкают накоротко и с помощью фазовращателя добиваются нулевого показания индикатора, т.е. совмещают узел напряжения с плоскостью установки зонда, снимают показания фазовращателя ₁. Затем вместо короткозамыкателя к выходу фазовращателя присоединяют испытуемое устройство, также замкнутое накоротко. Фазовращателем возвращают узел напряжения на прежнее место. Фазовый сдвиг, вносимый исследуемым устройством, равен половине разности показаний фазовращателя ₁₂. Для уменьшения погрешности тракт должен быть согласован, а индикатор чувствительным. Для повышения чувствительности в качестве индикатора используют селективный вольтметр, а СВЧ сигнал модулируют. Вместо фазовращателя и неподвижного зонда можно использовать измерительную линию. При этом фазовый сдвиг L, где L смещение узла напряжения. Фазовый сдвиг положителен, если узел смещается к генератору, и отрицателен в противном случае.

Простейшим устройством, реализующим метод преобразования разности фаз в постоянное напряжение, является фазовый детектор, выходное напряжение которого пропорционально амплитудам входных напряжений и косинусу сдвига фаз между ними. Главными недостатками подобного преобразователя являются нелинейная зависимость выходного напряжения от измеряемой разности фаз, а также само наличие зависимости между выходным напряжением и амплитудами входных.

От этих недостатков свободен фазометр с предварительным преобразованием входных напряжений в напряжения прямоугольной формы, структурная схема которого имеет вид.



180

90

-0,5 0 0,5 I/I₀

Детекторы выделяют среднее значение суммарно-разностных напряжений, а показание индикатора пропорционально разности выходных токов детекторов. Характеристика такого преобразователя линейна, но не однозначна в пределах периода. Возникшую двузначность устраняют, регистрируя совпадение положительных фронтов напряжения на входах устройства и выходах устройств суммирования и вычитания. Частотный диапазон подобных фазометров определяется техническими возможностями формирования импульсов с малой длительностью фронта. Чтобы длительность фронта не влияла на работу, она должна быть в 50 - 100 раз меньше периода колебаний. В настоящее время частотный диапазон подобных фазометров ограничен единицами МГц при погрешности измерения порядка 1%.

Сущность метода преобразования разности фаз в интервал времени состоит в преобразовании синусоидальных напряжений в периодические последовательности коротких импульсов, формируемых в моменты перехода этих напряжений через нуль с производными одного знака. Интервал времени между ближайшими импульсами пропорционален измеряемой разности фаз, он может быть измерен как аналоговыми, так и цифровыми измерителями. Структурная схема подобного фазометра имеет вид

Двухканальное формирующее устройство, каждый из каналов которого состоит из входного блока и формирователя, преобразует два синусоидальных напряжения в серии коротких импульсов с крутыми фронтами. Из соседних пар импульсов с помощью триггера формируются прямоугольные импульсы, длительность которых пропорциональна сдвигу фаз. Периодическая последовательность этих импульсов усредняется с помощью ФНЧ и среднее за период напряжение измеряется вольтметром (аналоговым или цифровым). Для исключения неопределенности отсчета фазового сдвига при значении, близком к нулю, из-за конечной длительности импульсов на выходе формирователя и ограниченного быстродействия триггера, в одном из каналов предусмотрена возможность введения дополнительного фазового сдвига 180^о. В этом случае малые значения  будут наблюдаться на фоне общего фазового сдвига около 180^о.

На принципе преобразования разности фаз в длительность прямоугольных импульсов с периодом повторения, равным периоду исследуемых сигналов, с последующим измерением среднего тока основывается работа фазометра Ф2-13. Прибор предназначен для измерения разности фаз синусоидальных сигналов в пределах 180^о в диапазоне частот от 20 Гц до 1 МГц с погрешностью (0,015+0,5)^о на частотах до 200 кГц и (0,02+1)^о на частотах до 1 МГц. Погрешности измерений обусловлены погрешностью преобразования разности фаз в прямоугольные импульсы (здесь существенна случайная погрешность, обусловленная шумами) и погрешностью измерения среднего тока.

В фазометре Ф2-16 для измерения постоянной составляющей преобразованных прямоугольных импульсов используется цифровой вольтметр.

Длительность прямоугольных импульсов периодической последовательности на выходе триггера может быть измерена и методом дискретного счета. При этом 360_иТ=360NT_сч/T = 360Nf/f_сч, где N число счетных импульсов. Из этого выражения следует, что мы имеем случай косвенного измерения  по прямым измерениям числа импульсов и частоты сигнала. Для устранения этого частоту счетных импульсов принимают равной 360f, т.е. счетные импульсы формируют из исследуемого сигнала, умножая его частоту на 360, при этом N (с учетом погрешности дискретности), а это уже прямое измерение.

Рассмотренные фазометры обеспечивают высокую точность измерений на инфранизких и низких частотах. В этом легко убедиться, проанализировав выражение 360Nf/f_сч =СN. Максимальной абсолютной погрешности дискретности, равной  младшего разряда, соответствует абсолютная погрешность измерения фазового сдвига C, а она может быть малой, если мало С=360f/f_сч. Чтобы расширить частотный диапазон, прибегают к предварительному гетеродинному преобразованию частоты исследуемых сигналов. Структурная схема такого фазометра

Легко показать, что разность фаз между напряжениями ПЧ равна разности фаз между измеряемыми напряжениями ВЧ.

Фазометр, построенный по структурной схеме,

позволяет перенести измеряемую разность фаз на частоту кварцевого генератора. Это бывает необходимо когда частота сигнала, на которой необходимо измерить разность фаз, нестабильна либо очень высока. Для выравнивания фазовых характеристик обоих каналов служит компенсирующий фильтр.

Для реализации фазометров с перекрытием по частоте до 1000 без переключения поддиапазонов гетеродина используются стробоскопические преобразователи частоты. Структурная схема такого фазометра

Основным узлом фазометра является двухканальный стробоскопический преобразователь с системой ФАПЧ. Гетеродин устройства плавно перестраивается в диапазоне 1 - 2 МГц. Генератор импульсов из напряжения гетеродина формирует последовательность импульсов с частотой гетеродина и длительностью менее 0,5 нсек. В спектре такой последовательности, оцениваемой по уровню 0,7, содержится 1000 гармоник (при частоте гетеродина 1МГц и 500 гармоник при частоте 2 МГц). Таким образом, фазометр может быть настроен на любую частоту, удовлетворяющую соотношению nf_гетf_пч. Промежеточная частота обычно не превышает 50 кГц. В систему ФАПЧ кроме перечисленных узлов входят опорный кварцевый генератор и фазовый детектор с электронным коммутатором, с помощью которого ФД может быть подключен к любому из каналов. Для уменьшения влияния изменений амплитуд входных сигналов на фазовые измерения в каждом из каналов включен усилитель-ограничитель. Стробоскопический фазометр ФК2-12 позволяет измерять разность фаз в пределах 180^о на частотах 1 - 1000 МГц с погрешностью 2,5^о (при равных сигналах) и 5^о (при любом соотношении напряжений сигналов). Фазометр ФК2-14 работает в диапазоне 0,11 - 7 ГГц.

Для повышения точности измерения малых фазовых сдвигов применяется предварительное умножение частоты, при этом в n раз увеличивается и фазовый сдвиг. Однако, следует учитывать то, что появляется систематическая погрешность, вызванная не идентичностью фазовых характеристик двух умножителей, которая может быть легко устранена введением поправки, кроме того увеличиваются флуктуации фазы (шумы умножения) и появляется неоднозначность отсчета (например, при n=5 и отсчете 25^о измеряемый сдвиг может быть 25^о/5=5^o, а также (360^о+25^о)/5=77^o).

С измерениями фазового сдвига тесно связаны измерения группового времени запаздывания. По определению ГВЗ это или, переходя к конечным приращениям, . Значение ГВЗ легко определить по снятой фазовой характеристике, такой способ аппаратурно очень прост, но не обеспечивает необходимой точности.

Наиболее распространенным методом измерения ГВЗ является метод Найквиста, заключающийся в сравнении фазового сдвига огибающих модулированного по амплитуде сигнала. Упрощенная структурная схема метода

Частота модуляции выбирается достаточно низкой (F  0,01f), глубина модуляции - 20 - 30%. ГВЗ находится из соотношения , поскольку частота модуляции постоянна, шкала фазометра может быть проградуирована в единицах времени.

Измерение частоты

В качестве образцовых мер при измерениях частоты применяют кварцевые и квантовые стандарты частоты. В квантовых стандартах в качестве опорной частоты используют одну из спектральных линий атомов или молекул вещества и соответственно квантовый стандарт называют атомным или молекулярным. Если в квантовом стандарте используют частоту излучения электромагнитных волн одного из переходов атомов или молекул, то такой стандарт называют активным. Если же опорной частотой служит частота поглощения электромагнитных волн одного из переходов атомов или молекул, такой стандарт называют пассивным. Проверка стандартов частоты осуществляется по сигналам эталонных частот, передаваемых по радио Государственной службой времени и частоты. Для приема служат приемники сигналов точного времени и эталонных частот (Ч7-8, Ч7-13). Сличение частот осуществляется с помощью частотных (Ч7-12) и фазовых (Ч7-17) компараторов частоты.

Кварцевый стандарт частоты (Ч1-53) представляет собой кварцевый автогенератор с частотами выходных сигналов 0,1; 1,0; 5,0 МГц. Суточное относительное изменение частоты  10^-9, кратковременные (за 10 сек) уходы частоты не превышают 2 10^-11. Основным недостатком кварцевых стандартов частоты является продолжительное время вхождения в режим (от 24 часов до 6 месяцев для различных типов приборов).

Квантовые стандарты частоты свободны от этого недостатка и обладают многими достоинствами: практической независимостью частоты от внешних условий и параметров установки, минимальной шириной спектральной линии, малой погрешностью воспроизведения, простотой, надежностью и устойчивостью при продолжительной работе. Основу квантового стандарта составляет кварцевый генератор, синхронизируемый по частоте квантового генератора (водородный стандарт) или квантового дискриминатора (рубидиевый и цезиевый стандарты). Долговременная нестабильность частоты определяется главным образом нестабильностью частоты квантового генератора или частотного дискриминатора, а кратковременная - характеристиками кварцевого генератора и цепей систем ФАПЧ. Водородный (Ч1-44), рубидиевый (Ч1-43) и цезиевый (Ч1-42) стандарты частоты вырабатывают напряжение 1В на нагрузке 50 Ом на частотах 0,1; 1,0 и 5,0 МГц с погрешностью 1 10^-10 - 3 10^-12 и долговременной (за год) нестабильностью порядка 3 10^-12.

Для измерения частоты применяются как аналоговые методы, так и методы дискретного счета. В свою очередь аналоговые методы можно разделить на метод сравнения, резонансный метод и метод заряда и разряда конденсатора.

Для измерения частоты методом сравнения необходимо иметь генератор сигнала образцовой частоты, точность которого, по крайней мере, в 5 раз выше точности контролируемого источника, и индикатор равенства или кратности измеряемой и образцовой частот. В качестве индикатора может использоваться осциллограф, телефон, магнитоэлектрический микроамперметр. Принципиально метод сравнения пригоден для измерения низких и высоких частот. Если в качестве индикатора используется осциллограф - способ измерения называют осциллографическим. Он может быть реализован при линейной, синусоидальной и круговой развертках.

При линейной развертке в качестве источника сигнала образцовой частоты используется генератор развертки осциллографа. Исследуемый сигнал подается на вход Y и по масштабной сетке осциллографа измеряется его период. Диапазон измеряемых частот и точность измерения определяются характеристиками осциллографа.

При синусоидальной развертке исследуемый и образцовый сигналы подаются на Y и X входы осциллографа и частоту образцового генератора изменяют до получения на экране устойчивого изображения простейшей интерференционной фигуры. Полученную фигуру нужно мысленно пересечь вертикальной и горизонтальной линиями. Отношение числа m пересечений горизонтальной прямой с фигурой к числу n пересечений вертикальной прямой равно отношению частот Отношение частот можно определить и по числу касаний фигуры Лиссажу к горизонтальной и вертикальной сторонам описывающего ее прямоугольника. Метод фигур Лиссажу применим при кратности частот  10, верхний предел измеряемой частоты определяется полосой пропускания усилителей в каналах осциллографа. Верхнюю граничную частоту можно существенно увеличить, если использовать делитель частоты. Напряжения более 10 В можно подавать непосредственно на пластины ЭЛТ, минуя усилители. При этом верхний предел измерения частоты может превышать 100 МГц. Погрешность измерения определяется погрешностью меры - нестабильностью и погрешностью образцовой частоты и погрешностью сравнения, которая определяется частотой вращения фигуры Лиссажу.

Подобным способом измеряют также частоту следования импульсов. В этом случае импульсное напряжение подают на вход Y, а синусоидальное на вход X. Плавно изменяя частоту синусоидального напряжения, добиваются устойчивого или очень медленного перемещения изображения одиночного импульса на экране осциллографа. Это свидетельствует о том, что частота следования импульсов равна или в целое число раз меньше частоты синусоидального напряжения. Метод наиболее рационален при измерении частоты следования импульсов с большой скважностью.

При круговой развертке сигнал более низкой частоты одновременно подается на оба входа осциллографа со сдвигом по фазе на 90^о. Регулировками добиваются на экране фигуры, близкой к окружности. Сигнал более высокой частоты подают в канал управления яркостью. Изменяя частоту образцового генератора получают на экране неподвижное изображение, состоящее из ярких отрезков окружности с одинаковыми темными промежутками между ними. Число ярких (темных) дуг однозначно определяет отношение между частотами . Круговая развертка позволяет измерить частоты с кратностью значительно большей, чем при синусоидальной развертке, так как штрихи считать удобнее, чем пересечения. Погрешность измерений и пределы измеряемых частот определяются так же, как и при синусоидальной развертке. Аналогичным образом может измеряться частота следования импульсов. В этом случае синусоидальным напряжением НЧ генератора осуществляется круговая развертка, а импульсное напряжение измеряемой частоты подается в канал модуляции яркости.

Для измерения более высоких частот используется разновидность метода сравнения, называемая гетеродинным методом, сущность которого состоит в сравнении измеряемой частоты с частотой высокостабильного перестраиваемого гетеродина путем гетеродинного преобразования частоты. Структурная схема гетеродинного частотомера

На смеситель поступают одновременно напряжения измеряемой частоты f_x и гетеродина f_обр. Перестраивая гетеродин, на выходе смесителя добиваются низкочастотных колебаний, фиксируемых по индикатору (головные телефоны, магнитоэлектрический прибор, осциллограф и т.п.). При этом . В СВЧ гетеродинных частотомерах применяют гетеродины, частота которых во много раз ниже измеряемой. В этом случае уравнение измерений приобретает вид . Поскольку при измерениях номера гармоник m и n неизвестны, то метод измерения неоднозначен. Для устранения неоднозначности в состав входного устройства вводят простой резонансный частотомер, позволяющий приближенно определить f_x и, следовательно, и номера гармоник. Часто измерения проводятся на первых гармониках, в этом случае метод называется методом нулевых биений.

Погрешность измерений складывается из погрешности меры, т.е. нестабильности частоты и непостоянства градуировочной характеристики гетеродина и погрешностей сравнения. Для уменьшения погрешности, связанной с градуировкой гетеродина шкала настройки обычно делается двух- или трехступенчатой с большим замедлением и в схемах частотомеров предусмотрен кварцевый генератор, выполняющий функции образцовой меры. С его помощью проверяют и корректируют градуировочную характеристику шкалы гетеродина. Эту операцию проводят после предварительного (ориентировочного) измерения неизвестной частоты. На вход смесителя вместо исследуемого сигнала подключается кварцевый генератор. Отсчетный лимб гетеродина устанавливается в положение, соответствующее ближайшей к измеряемой частоте "кварцевой точке". Биения, наблюдаемые на индикаторе, с помощью "корректора" гетеродина доводят до нулевых. Если корректор отсутствует, то шкалу гетеродина проверяют в соседних точках по обе стороны от f_x и с помощью линейной интерполяции вводят поправку. Затем опять измеряется неизвестная частота и делается окончательный отсчет по шкале.

Погрешность сравнения определяется полосой пропускания канала индикатора. При использовании в качестве индикатора головных телефонов погрешность сравнения  20Гц. Для ее уменьшения измерения производятся способом вилки. Абсолютную погрешность сравнения не удается сделать менее 10 Гц.

В качестве примеров гетеродинных частотомеров можно привести приборы Ч4-1 (диапазон 125 кГц - 20 МГц, основная погрешность - 2 10^-4, чувствительность 100 мВ); Ч4-5 (2,5 - 18 ГГц, основная погрешность 5 10^-5, чувствительность 100 мкВт); Ч4-25 (37,5 - 78,3 ГГц, основная погрешность 1 10^-5, чувствительность 100 мкВт). Процесс измерения частоты гетеродинными частотомерами довольно длительный и требует квалификации и внимания оператора.

Резонансный метод

Резонансный метод основывается на сравнении измеряемой частоты с частотой собственных колебаний прецизионной колебательной системы с точным градуированным механизмом перестройки. Метод применяется в диапазоне от сотен кГц до сотен ГГц. Структурная схема резонансного частотомера

Измеряемый сигнал через элемент связи 1 возбуждает колебательную систему, частота собственных колебаний изменяется с помощью механизма перестройки. Момент резонанса фиксируется с помощью индикатора, связанного с колебательной системой через элемент связи 2. По шкале отсчетного устройства отсчитывается значение измеряемой частоты.

Основным узлом резонансного частотомера является перестраиваемая по частоте колебательная система. На частотах до сотен МГц в качестве колебательной системы применяются резонансные контуры с сосредоточенными параметрами, до 1 ГГц - колебательные системы с распределенными параметрами в виде отрезков коаксиальных или полосковых линий, на более высоких - объемные, а на частотах свыше 30 ГГц - открытые резонаторы. Индикатором чаще всего служит полупроводниковый детектор с магнитоэлектрическим микроамперметром. В тех случаях, когда требуется измерить частоту последовательности радиоимпульсов большой скважности применяют усилители.

Резонанс в колебательной системе имеет место при X+X_вн=0. Поскольку градуировка шкалы обычно выполняется при X_вн=0, то любое нарушение этого условия ведет к появлению погрешности измерения. Поэтому элементы связи должны обеспечивать минимально возможные значения связи с измеряемым сигналом и индикатором. Другим источником погрешности измерения служит неточность фиксации резонанса по показаниям индикатора. Относительная погрешность измерения частоты при этом может быть оценена как где U - наименьшее заметное отклонение напряжения индикатора от максимального значения. Погрешность этого вида уменьшают уменьшением связи (увеличением Q) и проведением двух измерений по обе стороны от резонанса.

Основное практическое применение резонансные частотомеры находят в области СВЧ, а в области ВЧ лишь как встроенные приборы. Резонансные частотомеры СВЧ по способу включения в измерительную цепь разделяются на проходные и поглощающие. Колебательная система проходного частотомера снабжена двумя элементами связи: входным для связи с электромагнитным полем в линии передачи энергии и выходным для связи с индикатором. Момент настройки в резонанс определяется по максимальному показанию индикатора, вне резонанса показания индикатора нулевые.

Колебательная система частотомера поглощающего типа имеет только один элемент связи - связь с индикатором. Индикатор, в свою очередь, связан с линией передачи. Пока колебательная система не настроена в резонанс, показания индикатора максимальны. При настройке часть энергии поглощается колебательной системой, и показания индикатора уменьшаются. Момент резонанса отсчитывается по минимуму показаний индикатора. Для устранения влияния отраженной от частотомера волны на параметры измеряемого сигнала между генератором и частотомером необходимо включать развязывающий аттенюатор с ослаблением порядка 10 дБ или вентиль. Иногда резонансный частотомер включают через НО. Основная погрешность резонансных частотомеров лежит в пределах 0,01 - 3%.

Метод заряда и разряда конденсатора

Метод основан на преобразовании исследуемого сигнала в последовательность следующих с частотой сигнала прямоугольных импульсов постоянной площади и измерении постоянной составляющей напряжения на образцовом конденсаторе, переключаемом с заряда на разряд этой последовательностью. Метод применяется на частотах от 10 Гц до сотен кГц. Серийный частотомер Ч3-7, работающий по этому методу, имеет погрешность порядка 1,5- 2%.

Метод дискретного счета

Основан на счете числа периодов измеряемой частоты за калиброванный интервал времени. Частотомеры, работающие по этому методу, являются цифровыми измерительными приборами и применяются в диапазоне от десятка Гц до сотен МГц. Упрощенная структурная схема цифрового частотомера, работающего по методу прямого счета

Исследуемый сигнал поступает на входное устройство, где осуществляется небходимые усиление и фильтрация. Формирующее устройство преобразует сигнал в последовательность счетных импульсов, частота которых равна частоте сигнала. Счетные импульсы поступают на первый вход временного селектора, на второй вход которого пуступает строб-импульс, сформированный устройством управления из сигнала опорного генератора. Опорный генератор с кварцевой стабилизацией и термокомпенсацией (или термостатированием) формирует последовательность прямоугольных импульсов с частотой следования f_o=10^k, где k - целое число, обычно равное 5, 6 или 7. Делитель частоты имеет коэффициент деления 10^m. В результате устройство управления формирует строб-импульс длительностью T_c = 10^m-k сек. Число импульсов, прошедших через временной селектор на счетчик, N_x=f_xT_c. Откуда измеряемая частота f_x=10^k-m N_x. Изменяя коэффициент деления делителя мы меняем время измерения и положение десятичной точки на дисплее. Погрешность дискретности составит 1 счетный импульс и относительная погрешность измерения частоты  = 1/N_x= 1/(f_xT_c). Погрешность дискретности можно уменьшить, если момент начала измерения, т.е. появления стробирующего импульса, синхронизировать с исследуемым сигналом. Погрешность дискретности при этом всегда положительна  = 1/(f_xT_c). Из этого выражения следует, что цифровые частотомеры, работающие по методу прямого счета, обеспечивают малую ошибку дискретности лишь при измерении сравнительно высоких частот (больших N_x). При измерении низких и инфранизких частот эта погрешность становится недопустимо большой. Для расширения пределов измерения в сторону низких частот в серийных частотомерах предусматривают возможность перехода на второй режим, при котором измеряется период колебаний с последующим вычислением частоты.

При измерении периода исследуемое напряжение подается на вход 2 и из него с помощью фомирователя, делителя частоты и устройства управления формируется строб-импульс длительностью T_c= 10^m/f_x. Счетные импульсы формируются из напряжения опорного генератора с частотой f_o путем умножения в 10ⁿ раз. В результате число счетных импульсов, поступивших на счетчик, N_x= 10^m+n f_o/f_x. Относительная погрешность измерения периода (и, соответственно, частоты)  = 1/N_x в этом случае будет мала.

Расширение частотного диапазона работы цифровых частотомеров вверх при ограниченном быстродействии универсальных счетчиков может быть решена двумя путями: предварительным делением измеряемой частоты и гетеродинным переносом в область более низких частот.

Предварительное деление частоты может осуществляться простыми триггерами, быстродействие которых значительно выше быстродействия декадных счетчиков. Прием позволяет повысить верхнюю рабочую частоту на порядок.

Второй путь позволяет поднять верхнюю рабочую частоту до десятков ГГц . Перенос измеряемой частоты в область более низких частот осуществляют посредством дискретного гетеродинного преобразования либо путем гетеродинного переноса.

Структурная схема устройства дискретного гетеродинного преобразования частоты f_x

Напряжение кварцевого генератора цифрового частотомера поступает на генератор гармоник, который формирует сетку дискретных частот nf_o. Перестраиваемый фильтр выделяет одну из гармоник, используемую в качестве сигнала гетеродина. Результат измерений находят из соотношения f_x=nf_o  F_сч. Для исключения неоднозначности измерение следует повторить при соседних значениях гармоник. Так как для переноса измеряемой частоты и для формирования строб-импульсов в приборе используется общий источник образцовой частоты, результирующая погрешность измерения определяется погрешностью из-за нестабильности частоты кварцевого генератора и погрешностью дискретности. Применение встроенного микропроцессора позволяет полностью автоматизировать выполнение всех измерительных и вычислительных операций включая выбор нужной гармоники и проверку точности измерений.

Частотомер с гетеродинным переносом частоты осуществляет непрерывное и точное сравнение измеряемой частоты с n-ой гармоникой напряжения перестраиваемого гетеродина.

f_x-nf_г f_o

f_г f_г

Высокая точность измерений обеспечивается системой ФАПЧ. Наличие в кольце ФАПЧ частотного дискриминатора и ФД позволяет осуществлять автоматическое отслеживание любых изменений частоты, что обеспечивает возможность измерения частоты ФМ и ЧМ сигналов. Если значение f_x приблизительно известно, то номер гармоники определяется одновременно с вычислением f_x из соотношения f_x=f_o+nf_г. При неизвестном значении f_x определение n требует дополнительного измерения при работе на соседней гармонике. Эти вопросы легко решаются встроенным микропроцессором.

По своему назначению и основным характеристикам электронно-счетные частотомеры (ЭСЧ) подразделяются на сервисные, универсальные и специализированные. Отдельную группу составляют приборы, расширяющие функциональные возможности ЭСЧ. Конструктивно они изготавливаются в виде отдельных блоков.

Сервисные ЭСЧ - это малогабаритные автономные часто переносные приборы, которые могут встраиваться в автоматизированные системы. С внешними преобразователями и датчиками они используются для измерения различных физических величин. Сервисными ЭСЧ являются Ч3-36, Ч3-41.

Универсальные ЭСЧ отличаются многофункциональностью, они обеспечивают работу во всех режимах, присущих ЭСЧ. Все универсальные ЭСЧ имеют вывод результатов в цифровом параллельном коде и дистанционное управление. Универсальными являются Ч3-47, Ч3-54, Ч3-57, Ч3-52, Ч3-49.

Специализированные ЭСЧ предназначены, как правило, для измерения частоты. Они значительно проще универсальных и уступают им по техническим характеристикам, предназначены для замены резонансных волномеров во всем диапазоне радиочастот.

Измерение временных интервалов

Различают два основных способа измерения интервалов времени: осциллографический и цифровой. Измерение временных интервалов методом прямого счета реализуется в универсальных частотомерах при измерении периода колебаний.

При измерении коротких однократных интервалов времени приборами, работающими на методе прямого счета, становится существенной погрешность дискетизации, обусловленная конечным быстродействием используемой элементной базы. Цифровые измерители с нониусным преобразованием временного интервала позволяют реализовать большую точность при использовании счетчиков ограниченного быстродействия.

U_старт

U_стоп

Формирующее устройство из входного сигнала, длительность которого надо измерить, вырабатывает стартовый и стоповый импульсы. Стартовый импульс запускает опорный генератор 1 с периодом повторения Т₁, импульсы которого поступают на счетчик 1. Стоповый импульс запускает опорный генератор 2 с периодом повторения Т₂, несколько меньшим Т₁, Т₂=Т₁-Т. Эти импульсы считает счетчик 2. Момент совпадения импульсов первого и второго опорных генераторов регистрируется схемой совпадения, вырабатывающей сигнал прекращения работы генераторов. Арифметическое устройство по показаниям счетчика 1 N₁ и счетчика 2 N₂ вычисляет длительность входного сигнала Поскольку управляемые нониусные генераторы заметно уступают по стабильности генераторам с непрерывным режимом работы, которых можно стабилизировать кварцевыми резонаторами, число уровней квантования Т₁/Т обычно берут не более 100.

Измерение спектральных характеристик сигналов

Измерительные приборы, предназначенные для анализа спектра и измерения его параметров, называются спектроанализаторами (группа С4). Низкочастотные спектроанализаторы, предназначенные для измерения амплитуд гармонических составляющих, называются анализаторами гармоник.

Теоретически спектр сигнала определяется выражением

.

Порознь ни амплитудный, ни фазовый спектры сигнала однозначно не определяют. Главный интерес для спектрального анализа представляет амплитудный спектр или спектр мощности . Аппаратурно может быть определен только текущий спектр, определяемый выражением

.

Отличие текущего спектра от спектра закончившегося процесса зависит от того, проявились ли за время T_a все характерные особенности сигнала. Если сигнал периодичен с периодом Т, то текущий спектр будет достаточно близок к спектру сигнала лишь при Т_а>>T.

Работа спектроанализаторов основана на ряде методов, основными из которых являются фильтровый, дисперсионно-временной и цифровой.

Фильтровый метод состоит в выделении спектральных составляющих сигнала с помощью узкополосного фильтра. Метод реализуется способами параллельного (одновременного) и последовательного анализа.

Параллельный анализ осуществляется с помощью ряда узкополосных фильтров, каждый из которых выделяет одну составляющую спектра. Для одновременного выделения спектральных составляющих сигнала с полосой f необходимо n фильтров с полосой пропускания f_ф=f/n. Структурная схема спектроанализатора параллельного анализа

Полоса пропускания и АЧХ фильтра определяют статическую разрешающую способность спектроанализатора, т.е. способность раздельного измерения составляющих спектра с близкими частотами при большом времени анализа Т_а. При идеальной прямоугольной частотной характеристике фильтра статическая разрешающая способность f_p=f_ф. На практике f_p=qf_ф, где q > 1. Для однорезонаторного фильтра коэффициент прямоугольности по уровню 0,5 равен 3, поэтому принимается f_p=3 f_ф.

Если время анализа мало, избирательные свойства фильтров характеризуются динамической частотной характеристикой и динамической разрешающей способностью. Время установления _у напряжения на выходе фильтра от уровня 0,1 до 0,9 установившегося значения приближенно может быть оценено, как _уf_ф.Если пренебречь временем индикации по сравнению со временем установления, то полное время параллельного анализа составит Т_а_уf_ф, скорость параллельного анализа v=f/T_a=nf_ф². Скорость анализа резко снижается при сужении полосы пропускания фильтра.

Достоинства анализатора параллельного действия: малое время анализа и возможность анализировать спектры одиночных импульсов. Однако из-за сложности системы фильтров они не получили широкого распространения.

Для исследования периодических, а точнее, многократно повторяющихся процессов применяют последовательный анализ, реализуемый за счет плавной перестройки резонансной частоты одного узкополосного фильтра. При этом резонансная частота последовательно совпадает с частотами гармонических составляющих анализируемого сигнала, которые поочередно возбуждают сигналы на выходе фильтра. Перестройка фильтра в широком диапазоне частот при сохранении высокой избирательности является сложной задачей. Поэтому способ последовательного анализа видоизменяют так, чтобы не перестраивать резонансную частоту фильтра, а перемещать по шкале частот весь спектр исследуемого сигнала. Для этого анализатор спектра выполняют в виде супергетеродинного приемника с двойным или тройным преобразованием частоты. Структурная схема спектроанализатора с двойным преобразованием частоты

Средняя частота f₀₁ УПЧ1 выбирается большей, чем полоса частот, занимаемая наиболее широким из исследуемых сигналов (это позволяет исключить влияние зеркального канала), средняя частота f₀₂ УПЧ2 больше полосы пропускания УПЧ1. Разрешающая способность определяется полосой пропускания УПЧ2, поэтому f₀₂ должна быть достаточно низкой, чтобы можно было реализовать узкую полосу пропускания. Время анализа зависит от ширины исследуемой области частот и полосы пропускания УПЧ2. Если анализ в полосе УПЧ2 проводится за время _уf_ПЧ, то полное время анализа T_min=ff_ПЧ 1 f_ПЧ=ff ²_ПЧ. С учетом отличия формы АЧХ УПЧ2 от прямоугольной T_min=qff²_ПЧ здесь Т_min - минимальное время анализа, при котором не ухудшается разрешающая способность, с увеличением которой (уменьшением f_ПЧ) время анализа резко возрастает. Поэтому для разрешающей способности несколько единиц Гц последовательный анализ не применяется.

При быстрой перестройке частоты гетеродина спектроанализатор будет работать в динамическом режиме, при котором сказываются переходные процессы. Динамические характеристики определяются статическими и скоростью перестройки v=f/T. С увеличением скорости перестройки частотные характеристики фильтров деформируются, максимумы смещаются, полосы пропускания расширяются. Это приводит к ухудшению разрешающей способности, таким образом, уменьшение времени анализа ниже T_min можно получить только за счет ухудшения разрешающей способности.

Связь времени анализа и разрешающей способности следует также из теории спектрального анализа. Выражение для спектра в соответствии с преобразованием Фурье содержит интегрирование в пределах . Конечность интервала интегрирования можно трактовать как то, что мы получаем спектр произведения нашего сигнала на некоторую функцию равную единице в пределах времени интегрирования и равную нулю вне его (прямоугольный импульс единичной амплитуды с длительностью равной времени анализа). Спектр произведения равен свертке спектров. (Спектр прямоугольного импульса описывается функцией sin( ). Это наглядно можно показать когда спектр сигнала представляет собой две рядом стоящие составляющие, для малых выборок наблюдаемый спектр может существенно отличаться от истинного (не разрешаются близкие частоты и появляются мелкие выбросы, которых нет в истинном спектре).

Основными параметрами анализатора спектра, наряду с разрешающей способностью (полосой пропускания), являются диапазон частот, полоса обзора, погрешность измерения частоты и частотных интервалов, чувствительность, динамический диапазон, пределы измеряемых напряжений, погрешности измерения напряжений. По ширине полосы обзора спектроанализаторы можно разделить на панорамные с широкой полосой обзора и анализаторы узкополосных спектров. Для определения разности частот между характерными точками спектра в анализаторах предусмотрена возможность получения калибровочных частотных меток. Для этого на вход анализатора совместно с исследуемым сигналом подают ЧМ сигнал, вырабатываемый калибратором. Дискретный спектр сигнала калибратора используется в качестве частотных меток. Уровни составляющих спектра обычно оценивают по отношению к максимальной составляющей спектра с помощью калиброванных аттенюаторов, входящих в состав анализатора. Чтобы измерить абсолютные уровни составляющих спектра, спектроанализатор предварительно калибруется по внутреннему генератору, либо с помощью внешнего генератора сигналов и измерителя мощности.

В качестве примера серийного панорамного анализатора можно привести прибор С4-60. Диапазон частот 0,01 - 39,6 ГГц, полоса обзора 0,05 - 2000 МГц, полоса пропускания по уровню -3 дБ 0,1 - 300 кГц, разрешающая способность 1 кГц, чувствительность минус (100 - 120) дБВт/кГц, погрешности измерения частоты (0,01f+1) МГц, уровня - 6%.

Существуют способы анализа спектров, позволяющие без ухудшения разрешающей способности уменьшить время анализа. Первый состоит в автоматическом управлении скоростью перестройки гетеродина, другой - в преобразовании (сжатии) исследуемого сигнала во времени.

Первый способ применим при исследовании дискретных спектров, когда интервал между соседними линиями во много раз превышает ширину полосы пропускания анализирующего фильтра. Замысел состоит в том, чтобы уменьшить время анализа за счет увеличения скорости перестройки частоты гетеродина, а промежутках между выбросами на экране. Скорость перестройки устанавливается автоматически с помощью напряжения, снимаемого с нагрузки детектора. Она велика, когда это напряжение близко к нулю и резко уменьшается при появлении напряжения сигнала на выходе детектора. Способ позволяет уменьшить время анализа в 20 - 25 раз.

Идея второго метода состоит в том, что ширина спектра сжатой в n раз копии сигнала увеличивается в n раз. Если для анализа копии применить фильтр с полосой пропускания (и соотвественно разрешающей способностью) nf, то время анализа уменьшится в n раз. Сжатие сигнала может быть осуществленно различными способами. Сигнал может быть записан на магнитный носитель с одной скоростью, а считан с большей, для сжатия импульсных сигналов применяются устройства с запаздывающей обратной связью. На низких и инфранизких частотах применяется стробоскопическое преобразование сигнала. Из анализируемого сигнала в соответствии с теоремой Котельникова берутся выборки мгновенных значений, преобразуются с помощью АЦП в цифровой код и последовательно заносятся в ЗУ. Записанная в ЗУ информация считывается с повышенной скоростью и преобразовывается в аналоговую форму. Полученная таким образом сжатая копия сигнала может быть исследована анализатором последовательного типа в темпе поступления информации, т.е. в реальном времени.

Предварительное временное сжатие сигналов применяется в серийном спектроанализаторе низких и инфранизких частот С4-73, работающем в диапазоне 0,05 Гц - 20,0 кГц с частотной погрешностью не более 1,5%.

Дисперсионно-временной метод

Сущность метода состоит в использовании для анализа спектра дисперсионной линии задержки (ДЛЗ), т.е. устройства в котором задержка зависит от частоты. В настоящее время чаще всего применяются ультразвуковые ДЛЗ и ДЛЗ на ПАВ. Подобные устройства в широком (до 500 МГц) диапазоне обладают постоянным модулем коэффициента передачи и квадратичной фазовой характеристикой _()a₁(₁a₁)², откуда ГВЗ _a₁+2a(₁).

Различают два способа реализации дисперсионно-временного метода. Первый применяется для анализа спектров радиоимпульсов с большой скважностью. В этом случае исследуемый импульс при необходимости переносят на частоту рабочего диапазона ДЛЗ и подают на линию задержки. Сигнал с выхода которой поступает на осциллограф, работающий в ждущем режиме и запускаемый исследуемым сигналом. Огибающая отклика на экране осциллографа соответствует форме спектра. Чтобы огибающая без искажений передавала форму спектра сигнала необходимо выполнение условия <<1. В противном случае будут иметь искажения, обусловленные нелинейностью ФЧХ ДЛЗ. Масштаб частоты по оси времени на экране осциллографа составляет ddt=1/2a. Откуда следует, что время анализа сигнала с эффективной полосой _эф можно записать, как Т_а= _эф/ ddt=2a_эф, а условие неискаженного воспроизведения модуля спектральной функции можно выразить через время анализа Т_а>>0,5 . Понятно, что период развертки должен быть больше времени анализа. Для того, чтобы отклики соседних импульсов периодического сигнала не перекрывались необходимо, чтобы длительность паузы между импульсами была больше времени анализа. Отсюда вытекают требования к скважности исследуемого сигнала. Разрешающая способность такого анализатора оценивается величиной .

При импульсах произвольной скважности, рассмотренные выше условия неискаженного воспроизведения спектра не выполняются. В этом случае используется другой способ реализации дисперсионно-временного метода. Перед подачей сигнала на ДЛЗ осуществляется модуляция несущей частоты радиоимпульса по линейному закону со скоростью v=-1/2a. Этим компенсируются фазовые искажения, возникающие при прохождении импульса через ДЛЗ.

Структурная схема широкополосного спектроанализатора

Продетектированный входной сигнал служит для запуска ЛЧМ гетеродина и (через линию задержки с задержкой, равной задержке ДЛЗ на минимальной частоте диапазона) для запуска генератора развертки. ЛЧМ гетеродин совместно с преобразователем осуществляют линейную частотную модуляцию несущей частоты и перенос спектра на промежуточную частоту. Время анализа и длительность импульса связаны соотношением T_a=_и_эф_д, где _д = - девиация частоты гетеродина, равная рабочей полосе ДЛЗ. Откуда следует, что увеличивая девиацию частоты гетеродина, т.е. расширяя полосу пропускания ДЛЗ, время анализа можно сделать равным или даже меньшим длительности импульса. Однако паузы принципиально необходимы, так как во время паузы наблюдается отклик от предыдущего импульса. Разрешающая способность оценивается величиной _рa_длз, т.е. зависит не только от дисперсионных свойств ДЛЗ, но и от ее рабочей полосы.

Промышленный дисперсионный спектроанализатор С4-47 в комплекте с преобразователем частоты обеспечивает анализ спектров в диапазоне частот 10 МГц - 39,6 ГГц с разрешающей способностью не хуже 50 кГц. Анализатор позволяет получать спектры не только импульсных, но и периодических непрерывных сигналов, при анализе которых осуществляется деление их на отдельные реализации. Максимальная полоса обзора 10 МГц в режиме анализа спектра радиоимпульсов и 3 МГц в режиме анализа непрерывного сигнала.

Цифровой метод анализа спектра

Цифровой метод состоит в преобразовании исследуемого сигнала в цифровой код и вычислении составляющих спектра с помощью цифровых вычислительных устройств. Преобразование включает в себя дискретизацию по времени, квантование по уровню и цифровое кодирование. Определение составляющих спектра дискретизированного сигнала основывается на использовании дискретного преобразования Фурье (ДПФ).

Если исследуемый сигнал u(t) является непрерывной функцией времени, определен в интервале времени 0 - Т и предстален большим, но конечным числом отсчетов N, взятых через одинаковые интервалы времени t, составляющие комплексного спектра представляются ДПФ

,

где: N=T/t, ₀=2T, n =0; 1; 2; ….N-1 - номер спектральной составляющей.

Цифровой анализ спектра характеризуется высокой разрешающей способностью, составляющей десятые и сотые доли Гц. Однако прямое применение ДПФ затруднено вследствие большого объема вычислений (N² комплексных умножений).

На практике для цифрового анализа спектра применяют цифровые фильтры (ЦФ) или быстрое преобразование Фурье (БПФ). Оба эти способа могут быть реализованы в виде программ на универсальных ЭВМ, однако целесообразно использование специализированных микропроцессорных вычислительных устройств. ЦФ предпочтительны для анализа спектра НЧ сигналов, а БПФ - ВЧ сигналов.

Характеристики ЦФ определяются набором коэффициентов, хранящихся в памяти вычислителя. Меняя эти коэффициенты можно получить разнообразные АЧХ и ФЧХ при высокой стабильности параметров. ЦФ пригодны как для параллельного, так и для последовательного анализа.

Алгоритмы БПФ позволяют значительно сократить объем и, соответственно, время необходимых вычислений ДПФ. Обычно при использовании БПФ число отсчетов выбирается равным целой степени числа 2. Применение БПФ дает выигрыш по времени вычислений примерно в 200 раз при N=1024 и примерно в 650 раз при N=4096. Цифровой анализ спектра с помощью БПФ эквивалентен параллельному анализу с N/2 фильтрами и разрешающей способностью f=1/T.

Измерение параметров модулированных колебаний

Приборы для измерения коэффициента АМ называются модулометрами (группа С2), они позволяют контролировать качественные показатели сигналов радиопередатчиков, определять модуляционные параметры ВЧ сигналов, исследовать искажения АМ сигналов в передающих и приемных трактах.

При измерении параметров АМ колебаний различают коэффициент модуляции вверх и коэффициент модуляции вниз

где U_св - средневыпрямленное значение. При синусоидальном модулирующем напряжении m_вв= m_вн= m=(U_max-U_min)/ (Umax+Umin).

Для измерения коэффициента АМ модуляции применяют осциллографический, спектральный методы и метод двух вольтметров. Простейшая разновидность осциллографического метода состоит в косвенном измерении коэффициента модуляции по результатам прямых измерений U_max, U_min, U_св, производимых непосредственно по осциллограмме АМ сигнала. Точность измерения не велика из-за погрешности осциллографа.

Другая разновидность осциллографического метода - метод трапеций. На пластины Y подается АМ сигнал, а на пластины Х - модулирующее напряжение. При фазовом сдвиге между огибающей АМ сигнала и модулирующим напряжением равном нулю фигура на экране имеет вид трапеции. Коэффициент модуляции находят по формуле . Погрешность измерений при m=(30 - 100)% составляет (4 - 7)%. Достоинством осциллографического метода является то, что он не требует специализированных приборов.

Спектральный метод предполагает измерение с помощью спектроанализатора спектрального состава и относительного (по отношению к несущему колебанию) уровня боковых составляющих, что позволяет найти парциальные коэффициенты модуляции

.

Метод двух вольтметров или метод двойного детектирования основан на измерении с помощью одного из вольтметров средневыпрямленного значения модулированного напряжения, а с помощью другого - максимального отклонения от этого напряжения в плюс и минус. На основе этого метода реализованы промышленные образцы прямопоказывающих модулометров. Упрощенная структурная схема метода

Первый вольтметр измеряет средневыпрямленное значение напряжения, второй пиковый вольтметр с закрытым входом в зависимости от полярности включенного в нем диода измеряет максимальное значение отклонения напряжения от средневыпрямленного в плюс или минус. Если поддерживать постоянным значение средневыпрямленного напряжения, второй вольтметр можно проградуировать в значения коэффициента модуляции. Метод позволяет измерить коэффициенты модуляции и вверх и вниз. Погрешность метода не превышает 10%.

По методу двойного детектирования построен серийный измеритель коэффициента амплитудной модуляции С2-23. Измеряемый АМ сигнал переносится на промежуточную частоту и усиливается, чем обеспечивается широкий диапазон частот, помехоустойчивость, высокая чувствительность. Далее сигнал детектируется, и средневыпрямленное значение сигнала ПЧ специальной схемой поддерживается неизменным при любых изменениях входного сигнала. Цифровым вольтметром с закрытым входом измеряются пиковые значения переменной составляющей продетектированного напряжения ПЧ. Цифровое табло высвечивает значения m вверх и вниз.

При измерении параметров ЧМ сигналов обычно измеряют девиацию частоты. Приборы для измерения параметров УМ называются девиометрами (группа С3). При несинусоидальной модуляции может определяться девиация вверх и девиация вниз. Для измерений применятся осциллографический, спектральный и методы, использующие частотное детектирование.

Структурная схема одного из разновидностей осциллографического метода

На вход Y подается исследуемый ФМ сигнал частотой ₀, на вход Х через регулируемый фазовращатель сигнал с частотой ₀. Вначале в отсутствие ФМ с помощью фазовращателя добиваемся на экране появления наклонной прямой. После включения ФМ на экране образуется семейство эллипсов, образующих светящуюся площадь. Индекс угловой модуляции находится из выражения , где AB и CD соответственно максимальный размер эллипса по оси Х и размер эллипса по оси Х в центральном сечении. Метод применим при m<, так как в противном случае засвечивается весь прямоугольник экрана. Достоинством метода является возможность его применения при наличии АМ, так как при этом размер по оси Х не изменяется. При m>>1 применяется модификация этого метода в соответствии со структурной схемой

Исследуемый сигнал с несущей частотой ₀ подается на вход смесителя, на другой вход которого подается сигнал от внешнего генератора с частотой ₀. Напряжение разностной частоты, выделенное фильтром, подается на вход Y осциллографа. На вход Х подается напряжение от вспомогательного плавно перестраиваемого генератора. Частоту этого генератора изменяют до тех пор, пока на экране не получится почти неподвижный светящийся эллипс. Это свидетельствует о том, что частота вспомогательного генератора равна девиации частоты.

Существует еще одна модификация осциллографического метода, позволяющая измерять девиацию порядка 100 кГц и выше при индексах модуляции, превышающих 10 и несущих частотах до 7 ГГц. Структурная схема метода

Когда разность между частотами сигнала и генератора _г равна девиации частоты в моменты времени t= на осциллограмме появляется характерная полочка, уровень, на котором она появляется, определяется начальной фазой сигнала. Девиация частоты определяется с помощью частотомера как разность между _г и несущей частотой сигнала. Погрешность измерения составляет примерно 1%, но требуются высокоточный частотомер и высокостабильные генераторы.

Спектральный метод измерения индекса угловой модуляции и девиации частоты основывается на использовании особенностей соотношения между спектральными составляющими при различных индексах модуляции. Известно, что амплитуды спектральных составляющих, включая несущую, определяются функциями Бесселя 1 рода, аргумента m. По соотношению между амплитудами можно судить об индексе модуляции, особенно в тех случаях, когда некоторые составляющие обращаются в нуль.

Метод частотомера применяется для измерения девиации при m>10 - 20. Структурная схема

Частотная модуляция переносится на нулевую промежуточную частоту. Напряжение с выхода ФНЧ поступает на частотомер, измеряющий среднюю за время измерения частоту. При тональной модуляции средняя частота связана с девиацией также как средневыпрямленное напряжение с амплитудным .

Принципиального значения тип частотомера не имеет. Важно, чтобы период минимальной модулирующей частоты был много меньше времени измерений. Кроме того необходимо, чтобы m>>1, ибо при девиации меньшей модулирующей частоты частотомер вообще не будет реагировать на девиацию, его показания будут равны частоте модуляции. Погрешность измерений девиации при малых нелинейных искажениях закона модуляции, стабильных частотах и достаточном времени измерений может быть примерно 0,5%.

Метод частотного детектора состоит в частотном детектировании ЧМ колебания и измерении пиковым детектором амплитуды переменной составляющей выходного напряжения, пропорциональной девиации частоты. Структурная схема прибора

Гетеродин настраивается на среднюю частоту ЧМ сигнала. Сигнал разностной частоты усиливается и через усилитель-ограничитель, устраняющий паразитную АМ, поступает на ЧД. Амплитуда продетектированного напряжения пропорциональна девиации частоты. Шкалу пикового детектора можно градуировать в единицах девиации частоты.

По подобной структурной схеме построен девиометр СК3-41 с частотным детектором в виде аналогового счетчика импульсов (из исследуемого сигнала формируется последовательность однополярных прямоугольных импульсов постоянной площади, модулированная по частоте следования, постоянная составляющая которой пропорциональна частоте сигнала). В диапазоне от 4 до 1000 МГц он позволяет измерять девиацию в пределах 1 кГц - 1МГц при частотах модуляции 30 Гц - 200кГц. Кроме того, прибор позволяет измерять коэффициент АМ в пределах от 0,1 до 100% в том же диапазоне частот.

Измерение нелинейных искажений

Причиной возникновения нелинейных искажений в радиоэлектронных цепях является нелинейность ВАХ элементов этих цепей. На практике основной интерес представляют нелинейные искажения периодических сигналов, близких к синусоидальным. Степень искажений характеризуется коэффициентом гармоник (нелинейных искажений)

где U_i - амплитуды основной и высших гармоник. Приборы для измерения коэффициента гармоник (группа С6) называются измерителями нелинейных искажений. В отличие от спектроанализаторов, они предназначены для оценок искажений сигналов в трактах передачи интегральным методом без учета распределения амплитуд высших гармоник. Наибольшее распространение получил метод измерения, основанный на подавлении основной частоты.

Метод состоит в измерении отношения среднеквадратического значения напряжения высших гармоник к полному среднеквадратическому значению измеряемого сигнала, т.е. фактически измеряется

связаны соотношением и при малых значениях коєффициента гармоник (<10%) они мало (менее 1%) отличаются. Измерители нелинейных искажений измеряют . Если <10%, то принимают = , в противном случае значение корректируют. Структурная схема аналогового измерителя нелинейных искажений

Исследуемый сигнал поступает на входное устройство, содержащее разделительный конденсатор, чтобы развязать последующие цепи от постоянной составляющей сигнала, и аттенюатор. Устройство АРУ предназначено для усиления и поддержания постоянного среднеквадратичного уровня исследуемого сигнала. В простейшем случае оно включает в себя управляемый делитель напряжения на постоянном и фоторезисторе и лампу накаливания. Напряжение на лампу накаливания, освещающую фоторезистор, поступает с управляемого делителя. Таким образом, на выходе делителя поддерживается постоянное точно известное среднеквадратическое значение исследуемого напряжения. Исследуемый сигнал с подавленной режекторным фильтром основной гармоникой поступает на вольтметр среднеквадратического значения. Активный фильтр выполняется, как правило, на основе двойного Т-моста с электрической перестройкой с помощью оптронов. Настройка фильтра осуществляется устройством автоматической настройки. Шкала вольтметра может быть проградуирована непосредственно в значениях .

По рассмотренной схеме построен серийный автоматический измеритель нелинейных искажений С6-7, измеряющий в диапазоне частот 20 Гц - 200 кГц в пределах от 0,05 до 30% с основной погрешностью 0,1 %+0.1%.

Цифровой автоматический измеритель нелинейных искажений С6-8 в диапазоне частот 20 Гц - 200 кГц измеряет в пределах 0,03 - 30% с вдвое меньшей погрешностью.

Измерение характеристик случайных процессов

Измерение вероятностных характеристик в настоящее время проводится следующим образом: реализация случайного процесса записывается в память ЭВМ, а затем обрабатывается по определенному алгоритму. Существуют, однако, и специализированные измерители вероятностных характеристик случайных процессов. Вероятностная характеристика Q случайного процесса X(t), представленного ансамблем реализаций x_i(t), i=1, 2, …, , определяется усреднением по множеству

где - некоторое преобразование, лежащее в основе определения вероятностной характеристики.

Вместо усреднения по множеству можно произвести усреднение по времени, используя k -ю реализацию случайного процесса

В общем случае результаты усреднения по множеству и времени неодинаковы. Предел среднего по множеству представляет вероятностную характеристику, выражающую зависимость вероятностных свойств процесса от текущего времени, а предел среднего по времени - от номера реализации. Наличие и отсутствие зависимости значений вероятностных характеристик от времени или номера реализации определяют такие фундаментальные свойства процесса, как стационарность и эргодичность. Для стационарного процесса отсутствует зависимость характеристик от времени, а для эргодичного - от номера реализации. Таким образом, случайные процессы могут быть стационарными и нестационарными, эргодическими и неэргодическими. Мы будем рассматривать только стационарные эргодические процессы, хотя в радиоэлектронике приходится сталкиваться со всеми классами случайных процессов.

На практике интерес представляют две группы характеристик, содержащие информацию о распределении значений процесса во времени (среднее значение, функция распределения, функция корреляции) и о распределении энергии процесса по частоте (спектральная плотность, полоса частот).

Характеристики случайных процессов определяются в большинстве случаев как интегралы по бесконечным пределам и, следовательно, могут быть определены по бесконечному множеству реализаций бесконечной длительности. Реально можно наблюдать только ограниченные выборки, т.е. реализацию конечной длительности или конечный ансамбль реалиаций. Задача измерений - найти оценки характеристик случайного процесса на основании конечной выборки. Такие оценки называются выборочными. Конечность выборки является причиной появления систематической погрешности определения характеристик случайного процесса. Эту погрешность часто называют методической, присущей методу измерений.

Математическое ожидание или среднее значение стационарного эргодического случайного процесса обычно определяют по одной реализации, при этом используют как аналоговые , так и методы дискретного счета.

При аналоговом измерении исходят из соотношения, справедливого для любой реализации

Реально измерения проводятся в течение ограниченного интервала времени Т, поэтому практические измерения основаны на использовании формулы

дающей оценку среднего значения, определяемого на конечном интервале. Структурная схема аналогового измерителя среднего значения

Усреднитель, выполняющий свои функции согласно выражению для М(х), должен быть идеальным интегратором. На практике в качестве усреднителей используются некоммутируемые и коммутируемые RC-цепочки, интеграторы на основе УПТ с глубокой ООС. Напряжение на выходе такого усреднителя в момент времени Т может быть найдено из соотношения

где h() - импульсная характеристика усреднителя. Вычислив математическое ожидание от левой и правой частей этого выражения, получим

где

Если напряжение z(Т) принять за оценку , то .

Откуда для некоммутируемой RC-цепочки при Т>>RC u_вых(T), для коммутируемой RC-цепочки при Т<<RC u_вых(T)RC/T, для интегратора Ku_вых(T)RC/T, где К - коэффициент усиления усилителя. При усреднении напряжения реализации x(t) некоммутируемой RС-цепью (простейшим фильтром НЧ) в течение интервала времени T>>RC отпадает необходимость фиксации этого интервала.

Относительная погрешность измерения, обусловленная конечностью интервала измерения при усреднении интегратором а при усреднении фильтром НЧ при условии, что T>>4RC для фильтра и T>>_к для интегратора, где _x и _к- соответственно СКО и интервал корреляции исследуемого процесса. На практике погрешность может быть меньше этой величины за счет дополнительного усреднения магнитоэлектрическим измерительным прибором.

Цифровые измерители математического ожидания работают в соответствии с алгоритмом где Т₀ - интервал дискретных выборок, N - общее число выборок. Структурная схема

Дисперсия в общем случае определяется корреляционной функцией случайного процесса, длительностью реализации Т и интервалом дискретизации Т_о. Если длительность процесса по условиям эксперимента не ограничена, то следует брать некоррелированные выборки. Для этого интервал дискретизации должен быть много больше максимального времени корреляции. В этом случае

Для вычисления математического ожидания применяется также дискретный алгоритм эспоненциального усреднения (сглаживания).Он определяется рекуррентной формулой

где - оценка среднего после i-ой выборки; - оценка среднего из i-1 предыдущих выборок; - значение напряжения реализации в момент iT₀ осуществления i-ой выборки; F -коэффициент сглаживания. Обычно схему сглаживания строят так, чтобы F=2ⁿ, где n -целое число, изменяемое согласно неравенству 2^n-1<i<2ⁿ.

Прямопоказывающий цифровой измеритель оценки математического ожидания стационарного эргодического процесса может быть выполнен на основе универсального ЭСЧ по структурной схеме

Б

А

Напряжение реализации x(t) поступает на вход АЦП, на второй вход которого поступают импульсы опроса от генератора импульсов. В моменты опроса происходит выборка и значение x(t) преобразуется в пропорциональное ему число импульсов. Эти импульсы поступают на вход А ЭСЧ, работающего в режиме измерения отношения частот. На вход Б поступают опросные импульсы. Показания счетчика будут пропорциональны оценке математического ожидания.

Измерение средней мощности и дисперсии основано на методе квадрирования. Средняя мощность стационарного эргодического процесса оценивается выражением и отличается от оценки математического ожидания тем, что усредняется квадрат Х(t). Измерение оценки дисперсии состоит в измерении средней мощности центрированного процесса, т.е. средней мощности переменной составляющей. Центрирование заключается в предварительном определении математического ожидания и вычитании его из реализации либо в пропускании реализации через конденсатор большой емкости. Структурная схема измерителя

В зависимости от способов квадрирования и усреднения измерители делятся на аналоговые, аналогово-цифровые и цифровые.

В качестве аналоговых квадраторов используются термоэлектрические преобразователи или аналоговые перемножители. Их недостатками являются температурная нестабильность, узкий динамический диапазон уровней входных сигналов, неточность воспроизведения квадратичной зависимости.

Аналогово-цифровые измерители разделяются на две группы. Первую составляют измерители, осуществляющие аналоговое квадрирование с последующим цифровым усреднением. Ко второй группе относятся измерители с аналогово-цифровым квадрированием, при этом в основном используются два метода квадрирования - время-импульсный и стохастическо-эргодический.

В цифровых измерителях на входе осуществляется аналогово-цифровое преобразование сигнала с последующей цифровой его обработкой.

Измерение средней мощности и дисперсии может быть выполнено с помощью электронного вольтметра, содержащего квадратичный детектор. Такой вольтметр должен обладать высокой чувствительностью и иметь протяженный квадратичный участок ВАХ, поскольку для случайных сигналов, как правило, характерен большой пикфактор. Такими вольтметрами являются вольтметры В3-48 (0,3 - 300 мВ, 10 Гц - 50 МГц, погрешность до 10%) и В3-57 (10 мкВ - 300 мВ, 5 Гц - 5 МГц, погрешность до 4%).

Для измерения корреляционных и взаимных корреляционных функций применяют приборы, называемые коррелометрами. С их помощью получают либо отдельные координаты корреляционной функции, либо график - коррелограмму. Коррелометры используют различные методы измерения, причем доминирующее положение занимают цифровые коррелометры.

Метод перемножения (мультипликативный метод) (аналоговый вариант) заключается в определении корреляционной функции в соответствии с соотношением

Коррелометры такого типа могут быть одноканальными и многоканальными. Структурная схема одноканального коррелометра

Входное устройство обязательно содержит центрирующую схему. Значение корреляционных функций измеряют последовательно во времени, устанавливая дискретные значения задержки.

В многоканальном коррелометре осуществляется одновременное (параллельное) вычисление всех значений корреляционных функций

Канал 0

Канал 1

Канал n

  

Точность аппаратурного получения корреляционной функции зависит от числа точек, в которых ее получают. Однако очень большое число точек брать нецелесообразно из-за увеличения времени анализа.

Аналоговый вариант метода перемножения с дискретизацией времени предполагает переход от непрерывных реализаций к дискретным выборкам из реализаций, что открывает возможности существенного упрощения аппаратурных решений. Это объясняется тем, что дискретизация времени позволяет применять даже в рамках аналоговой техники более простые устройства задержки и перемножения по сравнению с приборами непрерывного действия. Вычислительные операции при этом описываются формулами вида

где - центрированные значения реализации случайного процесса в дискретные моменты времени.

Цифровой вариант метода перемножения предполагает дискретизацию времени и квантование по уровню. Вычислительные операции осуществляются согласно формуле

где - квантованные значения центрированной реализации случайного процесса в дискретные моменты времени.

Метод преобразования Фурье является косвенным методом и предполагает двукратное БПФ; сначала прямым преобразованием Фурье получают оценку энергетического спектра исследуемого случайного процесса, а затем обратным преобразованием получают оценку корреляционной функции. Однако следует помнить, что в этом случае получается циклическая (с периодом N) оценка функции корреляции. Алгоритм БПФ успешно реализуется лишь для сравнительно низкочастотных процессов (верхняя граничная частота -десятки МГц).

Коэффициент корреляции можно оценить с помощью осциллографа по так называемой диаграмме разброса. Для этого на входы X и Y подают исследуемые случайные сигналы. Место электронного луча на экране осциллографа в каждый момент времени определяется значениями исследуемых случайных процессов. Яркость свечения элемента экрана пропорциональна времени пребывания луча на этом элементе. Вследствие ограниченной разрешающей способности глаза по яркости и свойств послесвечения люминофора для коррелированных процессов на экране осциллографа можно наблюдать фигуры с очерченными границами (эллипс при нормальном распределении). Для нормального распределения коэффициент корреляции может быть найден по формуле

где А и В соответственно значения большой и малой осей эллипса диаграммы разброса. Погрешность такой оценки определяется особенностями субъективной оценки границ наблюдаемой фигуры, свойств люминофора экрана, конечности времени накопления и т.д.

При оценке спектральной плотности случайного процесса наибольшее распространение получили два метода - метод измерения корреляционной функции и метод фильтрации.

В основу метода измерения корреляционной функции положено преобразование Фурье, которым связаны выборочные функция корреляции и спектральная плотность

При реализации этого метода, как правило, применяются алгоритмы БПФ. Однако непосредственная оценка энергетического спектра по этому выражению имеет большую дисперсию. В случае гауссова процесса дисперсия равна квадрату оцениваемой величины . Существенно, что дисперсия оценки не уменьшается при увеличении длины реализации (Т), хотя при тех же условиях выборочная оценка функции корреляции стремится к ее истинному значению. Такая разница в свойствах оценок энергетического спектра и функции корреляции объясняется тем, что эргодическое свойство, справедливое для функции корреляции, не имеет места для спектральной плотности того же процесса. Для уменьшения погрешностей измерений производится сглаживание оценки, состоящее в нахождении среднего арифметического множества реализаций. Для стационарного эргодического случайного процесса требуемые наборы реализаций можно получить из одной реализации путем разбиения ее на части нужной длины. Длина реализации определяется на основании требуемого разрешения по частоте.

Метод фильтрации основан на пропускании исследуемой реализации случайного процесса через узкополосный фильтр. Если в пределах полосы пропускания фильтра f спектральную плотность можно считать постоянной, то на выходе фильтра будет иметь место узкополосный случайный процесс со средней мощностью P(f, f). Тогда спектральная плотность мощности G(f)P(f, f)/ f. Структурная схема измерителя спектральной плотности мощности

От спектроанализатора регулярных сигналов анализатор случайных процессов отличается наличием квадратичного преобразователя и усреднителя и, соответственно, большим временем анализа. Сглаживание оценки будет происходить в том случае, если постоянная времени узкополосного фильтра существенно меньше времени накопления в интеграторе.

Сглаженная оценка спектральной плотности является смещенной. Величина смещения зависит от длительности реализации и тем меньше, чем длиннее реализация и уже полоса пропускания фильтра

где С₁ и С₂ константы, G^"(f) - вторая производная по частоте от истинной спектральной плотности.

Анализ распределения вероятностей выполняется приборами, называемыми анализаторами распределения вероятностей (статистическими анализаторами). Для анализа стационарных эргодических процессов применяют два метода: измерение по относительному времени пребывания реализации случайного процесса выше заданного уровня (в интервале уровней) и измерение по дискретным выборкам.

Первый метод реализуется с помощью как аналоговой, так и цифровой аппаратуры и основывается на существующей связи между функцией распределения стационарного эргодического процесса и относительным временем пребывания реализации этого процесса выше заданного уровня анализа x₀ , а также связи между плотностью распределения и относительным временем пребывания реализации процесса в интервале значений x₀ и x₀ + x. Оценки функции и плотности распределения находятся по формулам

где Т - длительность реализации, а t_i - интервалы времени пребывания случайной величины выше значения x₀ и в интервале значений x₀ и x₀ + x, соответственно.

Структурные схемы соответствующих приборов

X₀

X₀

X₀+x

Основным узлом измерителя является компаратор, формирующий импульсы постоянной амплитуды с длительностью, равной длительности пребывания случайной величины выше уровня, установленного на втором входе компаратора. Кривые распределения можно наблюдать на осциллографе с послесвечением. На вход Y подается напряжение с выхода усреднителя, а на вход X - развертывающее напряжение, изменяющееся синхронно с x_o.

Оценка функции распределения является несмещенной и при Т стремится к истинному значению. Оценка плотности распределения является смещенной, при этом систематическая ошибка смещения приближенно определяется выражением

где = вторая производная функции плотности распределения. Время анализа для обеспечения заданной величины погрешности зависит от уровня x_o. Это связано с тем, что при больших по абсолютной величине x_o вероятность перехода через этот уровень уменьшается. Для обеспечения ошибки не менее заданной необходимо увеличивать время анализа.

Анализатор функции распределения, работающий по дискретным выборкам, строится по структурной схеме

x_o

Напряжение реализации случайного процесса преобразуется в периодическую последовательность импульсов, огибающая амплитуд которых повторяет по форме исследуемую реализацию. Число импульсов за время измерения N определяется первым счетчиком. Второй счетчик подсчитывает число n импульсов с амплитудой большей x_o. Вычислитель по формуле находит оценку функции распределения.

В другом варианте анализатора АЦП преобразует напряжение выборки в пропорциональное число импульсов, которые поступают на один из входов цифрового дискриминатора, где сравниваются с заранее введенным числом, пропорциональным x_o при анализе функции распределения и x при анализе плотности распределения.

Измерение параметров и характеристик СВЧ устройств

При настройке и эксплуатации СВЧ трактов измеряют параметры, характеризующие степень согласования нагрузки с трактом - КСВн и комплексный коэффициент отражения. Двухполюсные СВЧ устройства - оконечные нагрузки, неоднородности с малой по сравнению с длиной волны протяженностью и т.п. характеризуют комплексным сопротивлением или проводимостью. При экспериментальном исследовании многополюсных СВЧ устройств измеряют элементы волновой матрицы рассеяния (параметры рассеяния) или коэффициент ослабления. При этом применяются следующие методы - измерительной линии, направленного ответвителя, поляризационный, двенадцатиполюсника и импульсный.

Метод измерительной линии заключается в измерении напряженности электрического поля вдоль линии передачи с помощью универсального средства измерения - измерительной линии с последующим вычислением искомых параметров. Метод позволяет измерять практически все параметры цепей с распределенными параметрами: КСВн, коэффициент отражения, полное сопротивление (проводимость), постоянную затухания, длину волны, добротность колебательных систем и т.п.

Измерительная линия (ИЛ) представляет собой отрезок регулярной линии передачи, вдоль которой прорезана узкая щель, длиной не менее 3/4 _max. Вдоль щели перемещается каретка, несущая зондовую головку с емкостным зондом, введенным на небольшую регулируемую глубину в линию передачи. Перемещение каретки измеряется с высокой точностью (0,1 - 0,01 мм в зависимости от диапазона частот). Наведенное на зонде напряжение возбуждает связанные резонаторы бикоаксиальной или тороидальной перестраиваемой резонансной системы зондовой головки. Благодаря настройке резонаторов достигается высокое и чисто активное входное сопротивление зондовой головки со стороны зонда. Это позволяет при высокой чувствительности вносить минимальные искажения в исследуемый тракт. Чтобы настройка резонансной системы не нарушалась при перемещении зонда вдоль линии, его помещают в экран, соединенный с кареткой. Электромагнитные колебания резонансной системы детектируются встроенным детектором. Постоянная составляющая либо напряжение частоты модуляции СВЧ генератора подается на индикатор.

Д

Длина волны в линии  = x₁+x₂+x₃+x₄. Отсчетный уровень может быть любым, но точность измерений повышается, если он лежит в области перегиба кривой.

лину волны с помощью ИЛ измеряют по картине стоячих волн. Расстояние между двумя соседними минимумами или максимумами всегда равно половине длины волны в линии. Практически измеряют расстояние между минимумами, так как они острее. Для этого на конце ИЛ обеспечивают режим ХХ или КЗ. Если нагрузка задана, положение минимумов находят методом двойного отсчета.

x₁ x₂ x₃ x₄

КСВн равен отношению максимального напряжения в СВЧ тракте к минимальному а в волноводных трактах - отношение напряженностей электрического поля в максимуме и минимуме стоячей волны . Из этих соотношений следует, что для определения КСВн необходимо измерить максимальное и минимальное значения напряжения (напряженности электрического поля) в исследуемом тракте. Фактически измеряется ток на выходе детектора ИЛ. При токах < 10 мкА, что возможно при слабой связи зонда с линией и малой мощности генератора, ВАХ детектора близка к квадратичной и Если закон детектирования неизвестен, необходимо построить градуировочную кривую детектора . Для этого выход линии замыкают накоротко и снимают зависимость тока детектора от положения зонда между точками, соответствующими узлу и пучности. Эта зависимость сравнивается с синусоидальной зависимостью, характерной для линейного детектора . Подобным образом измеряют КСВн менее 5. При больших КСВн возникают трудности измерения малых значений I_{д min}, кроме того, с увеличением КСВн растет сопротивление в области максимума стоячей волны и влияние проводимости зонда на распределение поля становится существенным. Поэтому при КСВн > 5 применяют способ, основанный на измерении поля вблизи узла стоячей волны.

Измеряют напряженность поля в узле и точке, отстоящей от узла на расстояние b_o. Зная длину волны в линии, КСВн находят по формуле

E_в 2b_o

E_min

При E_в/E_min= формула принимает вид и при КСВн > 10 можно пользоваться приближенным выражением . Способ позволяет существенно уменьшить погрешность измерений, так как отсчет токов производится на близких уровнях, кроме того, зонд находится вблизи узла, где его влияние на распределение поля минимально. Основной недостаток способа заключается в том, что при больших КСВн ширина узла невелика и требуется очень высокая точность отсчета положений зонда.

Другой способ измерения больших КСВн состоит в использовании калиброванного переменного аттенюатора, включенного между генератором и ИЛ. Зонд ИЛ устанавливается в узле, уровень минимального тока устанавливают равным более половины шкалы индикатора. Затем перемещают зонд в положение максимума и аттенюатором устанавливают значение тока детектора равным току в минимуме. При этом A - разность показаний аттенюатора. В данном случае характеристика детектора ИЛ значения не имеет.

При измерении коэффициента отражения измеряют КСВн иcходя из того, что модуль коэффициента отражения  связан с КСВн соотношением . Фазовый угол коэффициента отражения определяется выражениями , где l_min и l_max - расстояние от нагрузки до первого минимума и максимума стоячей волны соответственно. Поскольку минимумы стоячей волны определяются точнее, то обычно пользуются первым выражением. Если непосредственно измерить положение первого минимума или максимума невозможно, определяют смещение узлов стоячей волны при включении на выходе ИЛ сначала КЗ, а затем исследуемой нагрузки. При этом , смещение l считается положительным при смещении узла в сторону генератора.

Измерение полного сопротивления с помощью ИЛ сводится к измерению коэффициента отражения и вычислению нормированного к волновому сопротивлению линии полного сопротивления z из соотношения . Для сокращения расчетов применяют круговую диаграмму полных сопротивлений.

Особый интерес представляет измерение параметров малых реактивных неоднородностей в линии передачи (изгибы, переходы, соединители и т.п.). КСВн таких неоднородностей близок к единице, поэтому способ измерения, состоящий в определении отношения максимума распределения к минимуму, дает большую погрешность. Структурная схема измерительной установки

Неоднородность представляется четырехполюсником, характеризуемым тремя комплексными параметрами: коэффициентами отражения входа и выхода , и коэффициентом передачи , из которых лишь три величины являются независимыми, а остальные связаны соотношениями

При перемещении подвижного КЗ в отсутствие отражений от неоднородности между перемещением короткозамыкателя и смещением минимума в ИЛ существует линейная связь. Влияние неоднородности проявляется в том, что она вносит циклическое изменение в величину сдвига минимума. Модуль коэффициента отражения где - размах отклонения от линейной зависимости. Тогда

Измерение ослабления неотражающих четырехполюсников выполняется в установке, собранной по той же структурной схеме. Короткозамыкатель остается неподвижным и измеряется КСВн в тракте. Коэффициент ослабления находится из соотношения .

Погрешности измерений с помощью ИЛ обусловлены непостоянством сечения волновода, погрешностями выполнения щели, плохой экранировкой зонда, изменением связи зонда с полем линии при его перемещении вдоль щели, шунтирующим действием зонда, отражениями от фланцевого соединения, затуханием в линии (особенно в мм диапазоне), неточностью определения характеристик детектора, погрешностями показывающих приборов. Методика оценки погрешностей содержится в описаниях к ИЛ.

Метод направленного ответвителя основан на раздельном ответвлении из исследуемого тракта колебаний с амплитудами, пропорциональными падающей и отраженной волнам. Эти колебания содержат информацию для измерения, как модуля, так и фазы коэффициента отражения. Однако если информация о модуле извлекается сравнительно простыми средствами, то информацию о фазе коэффициента отражения извлекать сложнее. Структурная схема измерителя КСВн

Направленный ответвитель НО 1 ответвляет падающую волну, а идентичный ему НО 2 - отраженную. Измеритель отношений определяет КСВн. Такие приборы называются рефлектометрами. ГПН осуществляет перестройку в требуемом диапазоне частот генератора с системой автоматической регулировки мощности, ЭЛ индикатор позволяет наблюдать частотную зависимость КСВн. Измеритель КСВн позволяет также измерить модуль коэффициента передачи четырехполюсника или ослабление, вносимое в тракт.

Промышленные образцы панорамных рефлектометров группы Р2 перекрывают диапазон от 20 МГц до 78 ГГц. Пределы измерения КСВн от 1,05 до 5 с основной погрешностью до 5%, а ослаблений от - 40 до + 30 дБ с погрешностью 0,05А_х+0,3 дБ.

Рефлектометры, измеряющие не только модуль, но и фазу коэффициента отражения, называются измерителями комплексных коэффициентов передачи и применяются для измерения комплексных коэффициентов матрицы рассеяния. В этих приборах реализуется принцип переноса измерения из диапазона СВЧ в диапазон более низких частот. Структурная схема

Напряжение канала падающей (можно и отраженной) волны поступает на преобразователь 1, сдвигающий частоту сигнала на величину , на преобразователь 2 подается напряжение отраженной волны. На выходе этого преобразователя сигнал на частоте  несет информацию о модуле и фазе коэффициента отражения u  cos(t+). На выходах фазовых детекторов напряжения пропорциональны cos и sin. Эти напряжения подаются на ЭЛТ. Положение светящейся точки на экране будет соответствовать значению коэффициента отражения: отрезок от центра до светящейся точки - модулю, а угол, образуемый им с вертикалью, - фазе. Погрешности измерения обусловлены неидентичностью и непостоянством АЧХ и ФЧХ узлов каналов падающей и отраженной волн.

Серийные измерители комплексных коэффициентов передачи Р4-11, Р4-23, Р4-36 перекрывают диапазон 1 - 12 ГГц и воспроизводят на экране ЭЛТ модуль и фазу Г при k_u= 1 - 2, также модуль в пределах - 60 - + 40 дБ и фазу коэффициента передачи коаксиальных устройств с погрешностями порядка 5% для модулей, 10^o для фаз.

Поляризационный метод основан на том, что с помощью ответвляющих устройств линейно-поляризованная волна в основном тракте преобразуется в эллиптически поляризованную волну во вторичном волноводе круглого сечения. Параметры эллипса таковы, что отношение напряженностей электрического поля, соответствующих большой и малой осям равны КСВн, а угол между большой осью и некоторым фиксированным направлением несет информацию о фазе коэффициента отражения. Распределение амплитуды поля по окружности может быть снято с помощью электрического или магнитного зонда. Один полный оборот эквивалентен одной длине волны в основном тракте. Метод реализован как в прямоугольном, так и в коаксиальном волноводах.

В прямоугольном волноводе при волне ТЕ₁₀ и отсутствии отражений поперечная Н_х и продольная Н_z компоненты магнитного поля определяются выражениями

Поперечная и продольная составляющие сдвинуты по фазе на , следовательно, в сечении волновода есть точки, в которых будет магнитное поле с круговой поляризацией. Если в этой точке широкой стенки выполнить отверстие и возбудить с торца круглый волновод, ось которого нормальна к плоскости широкой стенки, в круглом волноводе будет распространяться кругополяризованная волна. Волновод выбирают таким, чтобы он был запредельным для волны ТЕ₁₁.

Если в основном волноводе есть отраженная волна, то в точке подключения круглого волновода комплексные амплитуды падающей и отраженной волн при z = 0

где - коэффициент отражения.

Падающая волна возбудит в круглом волноводе кругополяризованную волну с одним направлением вращения плоскости поляризации, а отраженная - с противоположным. Поскольку амплитуды падающей и отраженной волн различны, суммарная волна будет эллиптически поляризованной, при этом отношение большой и малой осей эллипса равно КСВн.

Измерение параметров эллипса поляризации с помощью петли связи затруднительно из-за значительной паразитной емкостной связи. Поэтому для измерения параметров эллипса поляризации используют емкостные зонды. Применение одного подвижного зонда вызывает конструктивные трудности. Установка четырех идентичных неподвижных зондов в одной плоскости круглого волновода через 45^о также конструктивно затруднено. Поэтому применяют систему из четырех отверстий связи, каждое из которых возбуждает свой круглый волновод, нагруженный детекторной камерой.

В коаксиальном варианте измерительный преобразователь представляет собой коаксиальный тройник, симметричные плечи которого нагружены на измеряемое сопротивление и образцовый переменный конденсатор. К несимметричному плечу подводится сигнал от генератора. В месте разветвления тройника располагается круглый волновод.

Подобным образом устроены серийные измерители полных сопротивлений в метровом и дециметровом диапазонах Р3-32 - Р3-35, предназначенных для измерений в коаксиальных трактах с волновым сопротивлением 50 и 75 Ом. При КСВн < 2 погрешность измерения не превышает 7%, погрешность измерения фазы в пределах 0 - 360^о не превышает 7^о.

Метод двенадцатиполюсника позволяет определить модуль и фазу коэффициента отражения, полное сопротивление нагрузки, а также S-параметры узлов СВЧ. Обобщенная структурная схема

Основным узлом является СВЧ двенадцатиполюсник, часто называемый датчиком полных сопротивлений, два плеча которого включаются в СВЧ тракт, четыре оставшихся нагружены на квадратичные детекторы. Сигналы с детекторов, пропорциональные мощности в соответствующих плечах, подаются на устройство обработки, а затем на осциллографический индикатор.

Наиболее простая конструкция датчика полных сопротивлений представляет собой четыре зонда, измеряющих напряженность поля в точках линии передачи, отстоящих друг от друга на величину _ср/8. При отсутствии отраженной волны напряжения, наведенные на зондах, равны по амплитуде и сдвинуты по фазе на . При коэффициенте отражения нагрузки напряжения на зондах описываются следующими выражениями:

Постоянные составляющие напряжений на выходах квадратичных детекторов

Эти напряжения поступают на устройство обработки, где попарно вычитаются, усиливаются и подаются в каналы X и Y осциллографического индикатора:

Если на экране ЭЛТ нанесена круговая диаграмма полных сопротивлений, то по положению светящейся точки можно определить При качании частоты светящаяся точка описывает кривую, соответствующую изменению в диапазоне частот. Однако при отклонении частоты от среднего значения изменяются фазовые сдвиги между зондами, что приводит к погрешностям измерений. Поэтому датчик с четырьмя зондами обеспечивает требуемую точность измерений только в узком диапазоне частот - до 10%. Для панорамных измерений в широком диапазоне частот используются более сложные двенадцатиполюсники. Перед проведением измерений измеритель калибруется. При этом к нагрузочному плечу подключаются образцовые нагрузки с известными коэффициентами отражения. Существует несколько способов калибровки. Один из них требует использования в качестве образцовых нагрузок четырех короткозамкнутых отрезков различной длины, согласованной нагрузки и промежуточной нагрузки с известными параметрами. Точность измерения модуля и фазы коэффициента отражения при этом достигает 0,006% и 0,1^о.

Применение двух двенадцатиполюсников позволяет создать анализатор параметров рассеяния четырехполюсников. Структурная схема

Импульсный метод применяется для измерения коэффициента отражения неоднородности в линии передачи, расстояния до нее, характера неоднородности и характера повреждения линии передачи (разрыв, КЗ). Метод состоит в том, что в исследуемую линию передачи посылают короткие зондирующие видеоимпульсы, которые, распространяясь в линин, частично или полностью отражаются от неоднородности и возвращаются на вход. Измеряется временной интервал между зондирующим и отраженным импульсами, а также отношение амплитуд. Расстояние до неоднородности определяется в предположении отсутствия дисперсии в линии по формуле , а коэффициент отражения неоднородности , где U_o и U_з - амплитуды отраженного и зондирующего импульсов. По знаку коэффициента отражения, т.е. по полярности отраженного импульса можно судить о характере неоднородности. Отраженный импульс сохраняет свой знак при увеличенном сопротивлении в месте отражения и меняет при уменьшенном.

Измерительные приборы на основе этого методы называются импульсными рефлектометрами (группа Р5) и применяются для контроля коаксиальных радиочастотных (до 300 МГц) кабелей и линий электропередач длиной до 300км.

Прибор Р5-8 позволяет измерять расстояние до неоднородностей до 2 км с погрешностью 1%.

Основы стандартизации

Стандартизация - установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определенной области на пользу и при участии всех заинтересованных сторон, в частности для достижения всеобщей оптимальной экономии при соблюдении условий эксплуатации и требований безопасности. Стандартизация основывается на объединенных достижениях науки, техники и передового опыта и определяет основу не только настоящего, но и будущего развития и должна осуществляться неразрывно с прогрессом.

Принципы стандартизации

Принципами стандартизации являются обязательность соблюдения стандартов, плановость работ по стандартизации, перспективность, динамичность, эффективность, комплексность и систематичность.

Несоблюдение стандартов преследуется по закону. За нарушение требований стандартов и технических условий конкретные виновники несут дисциплинарную, материальную и уголовную ответственность.

Особо следует подчеркнуть, что выпуск продукции ненадлежащего качества не может оправдываться ссылками на использование недоброкачественного сырья либо комплектующих изделий, поставленными другими предприятиями. Ответственность за выпуск нестандартных, недоброкачественных или некомплектных товаров наступает независимо от того, поступили ли они в таком виде от изготовивших их предприятий либо были испорчены в магазинах, торговых базах, складах, секциях. Уголовно наказуемым признается уже сам выпуск таких товаров в продажу, фактическое приобретение их покупателями не обязательно.

Перспективность работ по стандартизации обеспечивается выпуском опережающих стандартов, устанавливающих повышенные по отношению к достигнутому уровню нормы и требования к объектам стандартизации, которые будут оптимальными в будущем. Тем самым стимулируется ускорение темпов научно-технического процесса. Базой опережающей стандартизации служат научно технические прогнозы.

Опережающие стандарты позволяют планировать процесс повышения качества, дают в руки разработчиков и потребителей информацию о параметрах изделий в недалеком будущем. В известной мере они являются программой организации производства по выпуску продукции повышенного качества. В то же время на разработчиках опережающих стандартов лежит большая ответственность за правильность прогнозирования развития науки и техники на определенный период.

Динамичность стандартизации обеспечивается периодической проверкой стандартов, внесением в них изменений, а также своевременным пересмотром или отменой стандартов. Действующие стандарты подлежат проверке в соответствии со сроками указанными в информационных данных. При проверке определяется научно-технический уровень стандартов, при необходимости разрабатываются предложения по обновлению устаревших показателей, норм требований, терминов, определений, обозначений, единиц физических величин. Результаты проверки могут служить основателем для пересмотра стандарта.

Экономическая эффективность стандартизации в первую очередь связана с сокращением номенклатуры продукции до некоторого рационального минимума и с отбором из всевозможных решений минимума наиболее рациональных. Экономия в этом случае достигает за счет сокращения необоснованного многообразия изделий, агрегатов, узлов и деталей, технологических процессов, методов, режимов и т. д. Одновременно создаются предпосылки для концентрации производства и организации специализированных производств, обладающими экономическими преимуществами по сравнению многономенклатурными предприятиями.

Другим источником эффективности стандартизации является повышение качества выпускаемой продукции в результате внедрения стандартов, содержащих повышенные требования к качеству продукции. В этом случае экономия достигается в сфере эксплуатации и за счет повышения конкурентоспособности на внешнем рынке.

Определение экономической эффективности стандартизации даёт возможность оценивать влияние стандартизации на производственно-хозяйственные показатели предприятий всех отраслей, определять наиболее эффективные направления стандартизации, осуществлять материальное поощрение работ в области стандартизации.

Комплектность стандартизации обеспечивается разработкой программ, охватывающих стандартизацией не только готовые изделия, но и сырье, материалы, комплектующие изделия, элементы технологии, средства измерения, методы подготовки и организации производства.

Комплексная стандартизация является методической основой комплексной системы управления качеством. В современном сложном и разнообразном производстве нельзя добиться значительного повышения качества отдельными разрозненными мероприятиями. Должна быть система, предусматривающая взаимоувязанные требования ко всем составным частям конечного изделия и к организационно-техническим мероприятиям, охватывающим все стадии жизненного цикла изделия, начиная с научных разработок, опытно-конструкторских работ и заканчивая эксплуатацией, включая ремонтные работы.

Программы комплексной стандартизации разрабатываются на основе следующих принципов:

опережающее развитие стандартизации сырья, материалов, комплектующих изделий;

выбор прогрессивных требований, норм и показателей, включаемых в стандарты и технические условия;

оптимизация показателей и объема работ по комплексной стандартизации и выбор наиболее эффективных направлений стандартизации.

Цели программ комплексной стандартизации, состав входящих в нее элементов и значений стандартизуемых показателей определяется с учетом результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Методы стандартизации

Методами стандартизации являются унификация, агрегатирование и типизация, обеспечивающие взаимозаменяемость и специализацию на разных уровнях.

Под унификацией понимается один из важнейших методов стандартизации, заключающийся в рациональном сокращении видов, типов и размеров изделий одинакового функционального назначения, а также узлов и деталей, входящих в изделие с целью создания ограниченного числа взаимозаменяемых узлов и деталей, позволяющих собирать новые изделия с добавлением определенного количества оригинальных элементов. Чем больше унифицированных узлов и деталей в машине, тем короче сроки проектирования и изготовления, так как сокращается количество чертежей, количество вновь разрабатываемых технологических процессов, проектируемой оснастки. Унификация позволяет снизить стоимость производства новых изделий, повысить серийность и, следовательно, уровень автоматизации производственных процессов, снизить трудоёмкость изготовления, обеспечить большую мобильность промышленности при выпуске новых изделий, организовать специализированные производства.

Унификация изделий осуществляется на основе определенного их подобия в выполнении аналогичных функций. Унификация, целесообразность которой экономически обоснована, должна завершаться стандартизацией унифицированных изделий, При этом необходимо помнить, что унификация должна производится с учётом перспектив совершенствования узлов и деталей.

Наиболее элементарным видом унификации является симплификация - простое сокращение наименее употребляемых элементов до целесообразного минимума. Симплификация используется для рационального ограничения номенклатуры при разработке ограничительных стандартов. Различаются следующие виды унификации: типоразмерная, внутритиповая и межтиповая.

Типоразмерная унификация осуществляется в изделиях функционально одинакового назначения, отличающихся друг от друга числовым значением главного параметра.

Внутритиповая унификация осуществляется в изделиях одного и того же функционального назначения, имеющих одинаковое числовое значения главного параметра, но отличающихся конструктивным исполнением составных частей.

Межтиповая унификация осуществляется в изделиях различного типа и конструктивно различного исполнения.

Работы по унификации могут проводиться на трёх уровнях: заводском, отраслевом, межотраслевом. Кроме того, в последнее время успешно развивается международная унификация. Работа по унификации проводится в определенной последовательности. В первую очередь необходимо определить направление, вид и уровень унификации, а затем произвести сбор чертежей унифицируемых изделий, классифицировать чертежи в соответствии с поставленной задачей. Дальше либо разрабатывается новая конструкция, либо выбирается одна из существующих в качестве унифицированной конструкции, которая сможет заменить все ранее применявшиеся. Затем устанавливается оптимальное количество типоразмеров и разрабатывается стандарт на конструктивно унифицированный ряд деталей. Завершающим этапом работы по унификации является организация специализированного производства стандартных деталей.

Уровень унификации изделий или их составных частей определяется с помощью системы показателей, из которых обязательным является коэффициент применяемости на уровне типоразмеров.

Под коэффициентом применяемости понимается выраженное в процентах отношение количества заимствованных, покупных и стандартизированных типоразмеров к общему количеству типоразмеров изделия.

Агрегатирование - это метод создания и эксплуатации машин, приборов и оборудования из отдельных стандартных, унифицированных узлов, многократно используемых при создании различных изделий на основе геометрической и функциональной взаимозаменяемости.

Агрегатирование обеспечивается расширением области применения машин путём замены их отдельных узлов и блоков, возможность компоновки машин, приборов, оборудования разного функционального назначения из отдельных узлов, изготавливаемых на специализированных предприятиях, создания универсальных приспособлений при разработке технологической оснастки и т. д.

Агрегатирование позволяет также увеличить номенклатуру выпускаемых машин и оборудования за счёт модификации их основных типов и создания различных исполнений. Кроме того, агрегатирование дает возможность применения приспособлений и сложной технологической, механизированной и автоматизированной оснастки за счёт использования общих агрегатов и узлов, организовать высокопроизводительный ремонт машин и других изделий за счёт использования взаимозаменяемых агрегатов и узлов.

Агрегатированное оборудование обладает конструктивной обратимостью, что дает возможность многократного применения стандартных агрегатов и узлов в новых компоновках при изменении конструкций объекта производства и при необходимости переналадки производства на выпуск новых видов продукции в гибких производственных системах. Поэтому у агрегатного оборудования в наибольшей степени развита конструктивная преемственность, упрощён ремонт, снижена номенклатура запасных частей. Агрегатирование дает возможность уменьшить объём проектно-конструкторских работ, сократить сроки подготовки и освоения производства, снизить трудоёмкость изготовления изделий и снизить расходы на ремонтные операции. Дальнейшее развитие принципов агрегатирования требует разработки вопросов теории. Так, широкое внедрение агрегатирования должно сопровождаться разработкой параметрических стандартов на показатели качества, надёжности и долговечности различных типов машин и оборудования.

Принцип агрегатирования используется при создании контрольно-измерительных приборов, которые могут компоноваться из унифицированных электронных блоков, датчиков, измерительных головок, элементов пневматических приборов и т.д.

Агрегатирование нашло широкое применение также в радиоэлектронике при проектировании радиоэлектронной аппаратуры на основе прогрессивного функционально-узлового метода. В радиоэлектронике разрабатываются унифицированные функциональные узлы, которые играют туже роль, что и агрегаты в машиностроение, и позволяют создавать большее количество радиоэлектронных устройств.

В перспективе развития агрегатирования позволяет:

перейти от конструирования специального оборудования к выбору стандартных узлов и агрегатов и компоновки их в таких сочетаниях, которые наиболее полно будут удовлетворять требованию получения от нового изделия оптимальных потребительских свойств;

сократить сроки проектирования и освоения новых изделий за счет использования освоенных ранее узлов. При этом изменение изменяется процесс проектирования, так как создание изделий превратится в процесс подбора и компоновки его из готовых узлов, что значительно сократит объём документации;

увеличить объём производства оборудования на тех же площадях и снизить стоимость его изготовления на 25 -30 %;

уменьшить требующийся парк оборудования на 20 -25 % за счет лучшего его использования, сократив соответственно количество обслуживающего персонала;

создать парк нового универсального оборудования, состоящего на 70 - 75 % из унифицированных узлов и агрегатов.

Типизация - метод стандартизации, заключающийся в установление типовых объектов для данной совокупности, принимаемых за основу (базу) при создании других объектов, близких по функциональному назначению. Этот метод иногда называется методом " базовых конструкций", так как в процессе типизации выбирается объект, наиболее характерный для данной совокупности, с оптимальными свойствами, а при получении конкретного объекта - изделия или технологического процесса выбранный объект (типовой) может претерпевать лишь, некоторые, частичные изменения или доработки. Таким образом, типизация является распространением большого количества функций на малое число объектов, так как обеспечивает сохраняемость только типовых объектов из данной совокупности. Эффективность типизации обусловлена использованием проверенного решения при разработке нового изделия, ускорением и снижением стоимости подготовки производства изделий, создаваемых на одной базе, облегчением условий эксплуатации типовых (базовых) изделий и их модификаций. Типизация завершается стандартизацией разработанных типовых изделий.

Типизация как эффективный метод стандартизации развивается в трёх основных направлениях: стандартизация типовых технологических процессов; стандартизация типовых изделий общего назначения; создание нормативно-технических документов, устанавливающих порядок проведения каких-либо работ, расчётов, испытаний и т. п.

Типизация технологических процессов включает анализ возможных технологических решений при изготовлении деталей классификационной группы и проектирования оптимального технологического процесса для каждой группы.

Типовой технологический процесс, являющийся общим для группы деталей, имеет единый план обработки по основным операциям, однотипное оборудование и оснастку. При разработке типового технологического процесса за основу может быть взят наиболее совершенный действующий технологический процесс или спроектирован новый.

Взаимозаменяемость - это свойство независимо изготовленных деталей, узлов и агрегатов обеспечивать беспрепятственную сборку машин или приборов и выполнять своё служебное назначение без нарушения технических требований, предъявляемых к данному изделию в целом. Взаимозаменяемыми детали и узлы являются в том случае, если характеризующие их параметры находятся в заданных пределах. Требования взаимозаменяемости предъявляется к таким параметрам, как точность сопрягаемых размеров, отклонение формы и расположение поверхностей, волнистость и шероховатость, физико-химические свойства материалов Беспрепятственная сборка обеспечивается за счёт точности геометрических параметров, а для обеспечения функциональных требований необходимо обеспечить заданную точность функциональных параметров, т. е. таких параметров, которые влияют на эксплуатационные показатели изделий и на служебные функции деталей и узлов.

Функциональные требования наиболее полно учитываются на основе метода функциональной взаимозаменяемости. Под методом функциональной взаимозаменяемости определяется точность геометрических и физико-химических параметров деталей и узлов на основе достаточно строго установленных связей между этими параметрами и эксплуатационными показателями. При этом исходят экономически оптимальных пределов изменения эксплуатационных показателей.

Различают взаимозаменяемость полную и неполную, внешнюю и внутреннюю.

Полная взаимозаменяемость обеспечивается соблюдением параметров с такой точностью, которая допускает сборку и замену любых сопрягаемых деталей, узлов и агрегатов без каких-либо дополнительных мероприятиях - обработки, подбора, регулировки. При полной взаимозаменяемости упрощаются процессы сборки и создаются условия для её автоматизации, специализации и кооперирования, упрощается ремонт. В тех случаях, когда возникает необходимость изготовить деталь с малыми и трудно выполнимыми допусками, нецелесообразными с экономической точки зрения, от полной взаимозаменяемости переходят к неполной.

Неполная взаимозаменяемость характеризуется возможностью проведения таких дополнительных мероприятий при сборке, как групповой подбор деталей (селективная сборка) применение компенсаторов, регулировка положения, пригонка.

Внешняя взаимозаменяемость - это взаимозаменяемость покупных и кооперируемых изделий и узлов по эксплуатационным показателям, а также по размерам и формам присоединительных поверхностей, по которым взаимосвязанные узлы основного изделия соединяются между собой, а также с покупными и кооперируемыми изделиями.

Внутренняя взаимозаменяемость - это взаимозаменяемость деталей, составляющих отдельные узлы, или составных частей и механизмов, входящих в изделие.

Уровень взаимозаменяемости производства характеризуется коэффициентом взаимозаменяемость, который равен отношению трудоёмкости изготовления взаимозаменяемых деталей и частей к общей трудоёмкости изготовления изделия. Он является показателем технического уровня производства. Взаимозаменяемость позволяет расчленить производственный процесс, повысить производительность труда на сборочных операциях, организовать серийное массовое производство, выделить специализированное производство отдельных узлов, деталей и агрегатов, осуществить кооперирование производства, агрегатирование, внедрить механизацию и автоматизацию производственных процессов, в том числе сборки. В эксплуатации взаимозаменяемость обеспечивает помимо требуемой надёжности и долговечности изделий бесподгоночную замену старых узлов и деталей, облегчает ремонт. Нормативной базой взаимозаменяемости является стандартизация.

Существуют стандарты, которые регламентируют общие нормы взаимозаменяемости, и стандарты, содержащие требования взаимозаменяемость конкретных изделий. К стандартам первой группы в основном относятся государственные стандарты, распространяющие на всё машиностроение и приборостроение или на несколько отраслей (стандарты на ряды предпочтительных чисел, ряды нормальных линейных размеров, стандарты на допуски и посадки, резьбы, зубчатые передачи и т. п.). В стандартах второй группы устанавливаются, как правило, требования, определяющие внешнюю взаимозаменяемость (основные присоединительные размеры, допуски этих размеров, выходные эксплуатационные характеристики и их допустимые отклонения). Показатели взаимозаменяемости в таких стандартах должны соответствовать общим нормам.

С развитием экономических связей между странами и ростом международной торговли большое значение приобретает обеспечение взаимозаменяемости в международном масштабе, в связи с чем большое внимание вопросам взаимозаменяемости уделяется в деятельности международных организаций по стандартизации.

Унификация, агрегатирование, типизация, взаимозаменяемость являются базой для развития работ по специализации. Возможны два пути увеличения выпуска продукции: первый - расширение производственных площадей и увеличение численности рабочих (экстенсивный); второй - развитие специализации производства (интенсивный). Стоимость изделий при специализированном производстве снижается. Специализация может быть предметной, технологической и функциональной.

Предметная специализация заключается в том, что на отдельном предприятии сосредоточивается выпуск продукции, соответствующей профилю предприятия. При предметной специализации используется принцип преемственности конструкции, что означает установление ограниченного перечня типов машин (подлежащих выпуску), построенного на основе параметрических рядов. В результате увеличивается объём выпуска и снижается себестоимость продукции. Предметная специализация - это начальная форма производства.

Подетальная специализация заключается в том, что в процессе изготовления выделяется производство отдельных деталей, узлов и сборочных единиц, Этот вид специализации экономически наиболее выгоден. При подетальной специализации предприятия-смежники поставляют сборочным предприятиям необходимые детали, узлы, агрегаты

Технологическая специализация - это выделение отдельных стадий технологического процесса в специализированные заводы, цехи, участки. При технологической специализации увеличиваются масштабы производства, повышается производительность труда, снижается себестоимость, рациональней используются средства производства.

Функциональная специализация возникла в результате разделения и кооперирования труда в области вспомогательного обслуживания производства. Наиболее важной разновидностью функциональной специализации является организация централизованного ремонтного обслуживания группы предприятий, объединенным по тем или иным признакам: территориальному, отраслевому или эксплуатационному. Функциональная специализация обеспечивает высокую производительность и снижение себестоимости вспомогательного обслуживания производства.

Специализация может осуществляться на заводском, отраслевом и межотраслевом уровнях. Успешно развивается международная специализация.

Нормативно-правовая регламентация

Наличие в метрологии большого числа принципиальных положений, устанавливаемых по соглашению, отличает ее от других естественных наук. К таким положениям относятся:

• выбор основных физических величин;

• выбор реперных точек и установление размеров основных единиц;

• правила образования производных единиц;

• способ воспроизведения и передачи информации о размере единиц;

• правила формирования и выбор систем единиц;

• выбор нормируемых метрологических характеристик средств измерений;

• установление норм точности средств измерений;

• установление нормальных условий измерений;

• выбор методик измерений;

• ограничение точности измерений;

• использование равномерного закона распределения вероятности для ситуационного моделирования;

• выбор вероятности, с которой принимаются статистические решения;

• требования к оценкам (минимизация суммы квадратов невязок, например, в методе наименьших квадратов);

• правила экспертизы; требования к экспертам и т. д.

Малейший произвол и несогласованность в решении этих вопросов влекут за собой нарушение единства измерений и дезорганизацию хозяйственной деятельности. Поэтому все решения, принимаемые по соглашению, должны быть строго регламентированы, т. е. облечены в форму юридических актов, имеющих четкую правовую основу. Эти вопросы являются объектом законодательной метрологии - комплекса юридических и нормативно-технических документов, регламентирующих метрологические положения, правила и нормы, устанавливаемые по соглашению.

Актами высшей государственной власти в нашей стране являются законы, принимаемые Верховным Советом. Своды законов в отдельных областях называются кодексами.. Таков Кодекс законов о труде (КЗОТ), Уголовный кодекс и т. д. Законодательными актами по метрологии являются постановления правительства. Первым из них был декрет Совета Народных Комиссаров (СНК) от 14 сентября 1918 г. "О введении Международной метрической системы мер и весов".

Вопросы законодательной метрологии относятся к компетенции Госстандарта. Они регламентируются нормативно-техническими документами, в число которых входят стандарты, технические условия, методические указания, положения, инструкции, правила и др. Нормативно-технический документ - документ, устанавливающий требования к объектам стандартизации, обязательный для исполнения в определенных областях деятельности, разработанный в установленном порядке и утвержденный компетентным органом. Основным из нормативно-технических документов является стандарт, устанавливающий требования к группам однородной продукции и в необходимых случаях требования к конкретной продукции, правила, обеспечивающие ее разработку, производство и применение, а также требования к иным объектам стандартизации. В зависимости от требований к объектам стандартизации стандарты подразделяются на следующие категории:

• государственные стандарты Украины (ДСТУ);

• отраслевые стандарты (ГСТУ);

• стандарты научно-техническихи инженерных обществ и союзов Украины (СТТУ);

• технические условия (ТУУ);

• стандарты предприятий (СТП);

• ведомственные документы (КНД).

Государственные стандарты утверждает Госстандарт (по закрепленной за ним номенклатуре). Эти стандарты являются обязательными для всех министерств и ведомств, предприятий, организаций и учреждений. Отраслевые стандарты утверждают министерства (ведомства), являющиеся головными (ведущими) по видам выпускаемой продукции. Эти стандарты являются обязательными для предприятий, организаций и учреждений, независимо от их ведомственной подчиненности. Требования к конкретной продукции (моделям, маркам) устанавливаются техническими условиями. Технические условия утверждаются по отраслевому принципу соответствующими министерствами, ведомствами, центральными органами кооперативных и иных общественных организаций. Технические условия на продукцию машиностроения утверждаются в порядке, устанавливаемом министерством (ведомством) - разработчиком. Технические условия в соответствии с областью их распространения обязательны для предприятий, организаций и учреждений, изготовляющих, поставляющих (реализующих), хранящих, транспортирующих, использующих (эксплуатирующих) и ремонтирующих продукцию. Стандарты и технические условия разрабатываются на основе высших достижений отечественной и зарубежной науки, техники, технологии и передового опыта и должны предусматривать решения, оптимальные для экономического и социального развития страны. Производимая и реализуемая в стране продукция должна соответствовать требованиям стандартов и технических условий. Кроме того, на каждом предприятии, в учреждении или организации действуют приказы, указания и распоряжения администрации, а также нормативно-технические документы, включающие стандарты предприятия (СТП), правила, инструкции, методики и т. п. Стандарты предприятий, разрабатываемые предприятиями (организациями), обязательны для подразделений и служб предприятия (организации), утвердившего стандарт.

Стандарты предприятий устанавливают:

• порядок проведения работ в области управления производством, в том числе управления качеством продукции (работ);

• технологические процессы, технологические нормы и требования;

• требования к технологической оснастке и инструменту, производимым и применяемым только на данном предприятии.

На поставляемую продукцию стандарты предприятий не утверждаются, и в конструкторской документации основного производства не допускаются ссылки на стандарты предприятия. Порядок разработки и оформления стандартов предприятия устанавливает ГОСТ . Построение, содержание и изложение стандартов предприятий должно соответствовать требованиям этого ГОСТа. С помощью перечисленных документов законодательная метрология охватывает все уровни управления: от государственного до уровня руководства отдельными предприятиями и организациями, причем стандартизация служит нормативно-правовой основой всех видов метрологической деятельности. Благодаря этому, достигается повсеместное соблюдение метрологических правил, требований и норм, установленных по соглашению, и обеспечивается единство измерений в стране.