Змістовний модуль №2 Методи та засоби вимірювання електричних та неелектричних величин

2.1. Вимірювання фази та частоти

2.1.1. Вимірювання частоти осцилографом

Метод застосовується, коли частота зразкового генератора відрізняється від частоти вимірювального генератора (сигналу) приблизно на один порядок. Якщо напругу однієї частоти (зразковою) використовувати для отримання кругової розгортки на екрані осцилографа, а напруга іншій (більшої частоти) подати на електрод (модулятор), керівник яскравістю свічення трубки, то в позитивний напівперіод цієї напруги яскравість розгортки збільшуватиметься, а в негативних зменшуватися. В результаті коло вийде переривистим, причому число темних (або світлих) штрихів цього кола буде рівне відношенню частот (n). При цілому числі n осцилограма буде нерухомою. При цьому сигнал, що має меншу частоту, подається на вертикальну і горизонтальну пластини осцилографа по схемі:

Другий сигнал подається на вхід Z осцилографа. Z – канал управління яскравістю. Якщо частоти не кратні, то круг обертатиметься. Якщо за період частоти F1 я скравості менш парна яскравості менш парна яскравість, то картина не рухома, а кількість темних і світлих смуг на колі буде рівна відносній частоті:

; ; , звідки

2.1.2. Гетеродинний і резонансний спосіб вимірювання частоти

1. Гетеродинний метод вимірювання частоти

Цей спосіб вимірювання низьких і високих частот полягає в порівнянні частоти досліджуваного сигналу з частотою малопотужного генератора перебудовуваної частоти (гетеродина). Суть гетеродинного методу полягає в порівнянні частоти досліджуваної напруги з частотою напруги перебудовуваного гетеродина, який заздалегідь проградуйований. Такі прилади – гетеродинні частотоміри (рис.1). Їх використовують для вимірювання в діапазонах високих і надвисоких частот, хоча в даний час такі прилади самостійно не випускаються. Основне застосування гетеродинний метод знаходить в гетеродинних перетворювачах частоти, які служать для розширення діапазону частоти, вимірюваних цифровим частотоміром.

Рис.1. Схема гетеродинного частотоміра

Регулятор зразкової частоти прагне, щоб виконувалася умова (рис.2), або до деякого значення, що фіксується. По відомій частоті f_ОБР гетеродина і різниці частот визначають невідому частоту. Для однозначності результатів вимірювання обидва генератори повинні виробляти напругу чисто синусоїдальної форми.

Рис.2.Графік, що пояснює вимірювання частоти способом нульового биття

Індикатором різницевої частоти може бути світлодіод, електромагнітний прилад або динамічна головка ( погрішність обмежена порогом по частоті чутності 20 Гц.). Погрішність вимірювання складається з погрішності міри, тобто нестабільності частоти і непостійності градуировочной таблиці гетеродина, погрішностей порівняння і фіксації нульового биття. Для зменшення погрішності, пов'язаної з градуюванням гетеродина, в схемах частотоміра передбачений кварцовий генератор, що виконує функції зразкової міри. З його допомогою повіряють і коректують градуїровочну характеристику шкали гетеродина.

2. Резонансний метод вимірювання частоти

Частотоміри, що використовують явище електричного резонансу, є коливальною системою (рис.3), що настроюється в резонанс з вимірюваною частотою зовнішнього джерела сигналів. Стан резонансу фіксують за найбільшими свідченнями індикатора резонансу, пропорційними струму (напрузі) в коливальній системі. Вимірювану частоту відлічують безпосередньо за шкалою елементу настройки, що калібрується, або за допомогою градуїровочних таблиць і графіків. Вхідний пристрій здійснює узгодження частотоміра з джерелом сигналу.

Рис.3. Структурна схема резонансного методу вимірювання частоти

Як вхідний блок застосовується аттенюатор з емітерним повторювачем.

Вхідний сигнал подається на коливальний контур ( один з елементів, який перебудовується). Струм контура вимірюється індикатором резонансу (миліамперметр).

Для шкали калібрів до 200 МГц. застосовується LC і RC контури. Вище 200 Мгц. застосовуються контури з розподіленими резонаторами ( поршні) до постійності хвилі. Погрішність в цьому випадку досягає 0,01 %.

2.1.3. Цифровий фазометр

У його основі лежить перетворення двох синусоїдальної напруги U1 і U2, фазове зрушення яких вимагає зміряти, в періодичні послідовності коротких імпульсів, відповідних моментам переходів цієї напруги через 0 з похідними однакового знаку (даний метод для аналогових і аналого-цифрових фазометрів). Цифровий фазометр побудований по схемі з жорсткою логікою. Інтервали часу можна вимірювати методом дискретного рахунку. Він, природно, застосовний і для вимірювання відносних інтервалів часу, відповідних певному фазовому зрушенню.

Рис.4. Структурна схема цифрового фазометра

На рис.4 приведена структурна схема цифрового фазометра, що вимірює середні за період фазові зрушення. Вона складається з двох частин: вимірювального перетворювача (два канали формування імпульсів з досліджуваних синусоїдальних сигналів і трігер, що формує прямокутні імпульси тривалістю, рівною тимчасовому зрушенню ∆T) і цифрового вимірника.

Досліджувана напруга, що підводиться до входів 1 і 2 приладу, перетвориться в періодичні послідовності прямокутних імпульсів тривалістю ∆Т і періодом проходження Т.

Рис.5. Часові діаграми

За допомогою трігера з цих двох послідовностей формується періодична послідовність коротких імпульсів тривалістю ДТ і періодом проходження Т (рис.5, а). Отримані імпульси подаються на вхід 1 тимчасового селектора і заповнюються рахунковими імпульсами, що підводиться до входу 2 селектори (рис.5,а і б). Пачки рахункових імпульсів подаються з виходу селектора в лічильник імпульсів (рис.5, в). На вході 3 тимчасові селектори діє стробуючий імпульс, задаючий інтервал вимірювання Тізм (рис.5, г). Його вибирають з умови Тизм>>Тн, де Тн - період самої низькочастотної напруги, досліджуваної даним фазометром. У перебігу часу Тізм пачки рахункових імпульсів проходять в лічильник, який підраховує загальну кількість імпульсів за цей час.

При вимірюванні фазового зрушення двохканальним фазометром позначається апаратурна погрішність, обумовлена неідентичністю каналів. У сучасних фазометрах корекція погрішності виконана автоматично.