5.3 Обобщенная структурная схема радиоизмерительного прибора.

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

(5.61)

Сравнение и может производиться по четырем алгоритмам.

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

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

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

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

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

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

• преобразователи и ;

• меры ;

• устройство сравнения;

• устройство визуализации или автоматической регистрации.

В качестве мер в РИП чаще всего применяются:

• меры частоты в виде кварцевых генераторов; интервал времени

• меры разности фаз в виде калиброванных фазовращателей;

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

• меры напряжения в виде нормальных элементов или откалиброванных стабилитронов;

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

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

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

Меры одной или нескольких ФВ являются обязательной составной частью любого РИП. Они могут быть встроенными и быть неотъемлемой частью конструкции прибора или придаваться к прибору в качестве дополнительного средства измерений. Преобразователи всех типов, устройства сравнения и устройства визуализации или автоматической регистрации в совокупности объединяются и представляют собой компаратор, при помощи которого автоматически или вручную оператором производится уравнивание (уравновешивание) и .

В качестве преобразователей в РИП применяют преобразователи ФВ, масштабные преобразователи и преобразователи спектра (частоты), цифровые преобразователи. К преобразователям ФВ относятся, например:

• преобразователи разности фаз во временной интервал;

• преобразователи постоянного напряжения во временной интервал;

• преобразователи переменного напряжения и тока в постоянное напряжение (детекторы);

• преобразователи мощности и энергии электромагнитного излучения в тепло и далее в приращение температуры;

• преобразователи линейных перемещений и температуры в частоту;

• преобразователи тока и напряжения в линейное перемещение, плоский угол, механический момент или усилие;

• преобразователи напряжения в частоту и частоты в напряжение;

• преобразователи напряжения в перемещение электронного пучка (электронно-лучевая трубка).

К масштабным преобразователям, которые наиболее широко представлены в конструкциях РИП, относятся усилители и делители (аттенюаторы). Если эти преобразователи откалиброваны и имеют собственные средства визуализации, то они одновременно являются мерами отношений сигналов. К преобразователям ФВ и масштабным преобразователям предъявляют требование их линейности, то есть независимости коэффициента преобразования от интенсивности сигнала.

В РИП весьма широко применяют преобразователи частоты или спектра. К таким преобразователям относятся:

• сдвигатели частоты и спектра, например, смесители с гетеродином;

• умножители и делители частоты;

• генераторы гармоник - преобразователи спектра, например, выпрямитель;

• стробоскопические преобразователи напряжения.

Характерными особенностями этих преобразователей являются:

• обязательность присутствия в их составе нелинейного элемента и нелинейного преобразования сигнала;

• желательность высокого быстродействия, то есть малой инерционности преобразователя.

Все перечисленные виды преобразователей обычно являются аналоговыми. Кроме них существуют аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые (ПАП), а также преобразователи кодовых последовательностей. Цифровые преобразователи необходимы прежде всего для того, чтобы преобразовать измеряемую или в величину, поддающуюся дискретному счету, например, в количество импульсов или в код. С физическими величинами, преобразованным в цифровую форму, при помощи современных средств микроэлектроники легко удается производить математические операции и преобразования, которые не удается выполнять над аналоговыми величинами.

Рассмотрим обобщенные структурные схемы РИП, включающих меру и компаратор. Различают два основных элемента структурных схем - схема прямого преобразования и схема автоматического уравновешивания. Одна или несколько схем прямого уравновешивания формируют структуру прибора с ручным уравновешиванием и , когда равенство и устанавливается оператором. В автоматических приборах равенство и устанавливается автоматически, благодаря использованию отрицательной обратной связи системы автоматического регулирования. Эти две основных схемы существенно отличаются друг от друга по частным составляющим результирующей погрешности измерения и ее зависимости от погрешностей составных частей.