книги из ГПНТБ / Найдеров, В. З. Специальные радиотехнические измерения

дования импульсов. В первом случае импульсы подают на вход канала вертикального отклонения осциллографа, а синусоидаль­ ное напряжение от источника известной частоты — на вход кана­ ла горизонтального отклонения. Плавно изменяя частоту синусои­ дального напряжения от нуля, добиваются устойчивого или мед­ ленно перемещающегося вдоль линии развертки изображения одиночного импульса. При этом частота следования импульсов равна частоте образцового синусоидального напряжения.

Во втором случае синусоидальным напряжением генератора известной частоты осуществляется круговая развертка, а импульс­ ное напряжение измеряемой частоты подается в канал управляю­ щего электрода трубки. Если импульсы положительные, то с по­ мощью регулятора яркости можно погасить изображение круго­ вой развертки и на экране остаются светящиеся точки. Изменением

частоты синусоидального на­ пряжения добиваются непод­ вижного положения точек. По числу светящихся точек мож­

но определить отношение из­ меряемой и образцовой частот.

Однако при работе с поло­ жительными импульсами воз­

можна неоднозначность при дробно-рациональном соотно­ шении частот (рис. 5.21). По­

этому удобнее работать с им­ пульсами отрицательной по­

лярности, амплитуда которых достаточна для гашения изооражения; при этом на круговой развертке появляются разрывы

(темные промежутки), если частота следования импульсов в целое число раз выше образцовой частоты синусоидального напряжения. По числу разрывов п определяется частота следования импульсов:

При дробном отношении п разрывы наблюдаться не будут, так как разрывы, полученные при одних оборотах луча, засвечиваются

короткие импульсы, то их рекомендуется подавать на управляю­ щий электрод не непосредственно, а через интегрирующую цепоч­ ку, расширяющую измеряемый импульс. Это увеличивает раз­ рывы и делает их более заметными.

90

§ 5.7. ИЗМЕРЕНИЕ ДЕВИАЦИИ ЧАСТОТЫ

Как известно, выражение для частотномодулированного коле­ бания в случае гармонической частотной модуляции может быть представлено в виде

Девиация частоты / д может быть измерена различными ме­ тодами. В настоящее время преимущественное распространение получили девиометры, работа которых основана на предваритель­ ном преобразовании частоты с помощью смесителя и гетеродина,

ванного колебания (рис. 5.22). При таком преобразовании на вы­ ходе смесителя получаются колебания разностной частоты:

Рис. 5.22.

В зависимости от способа дальнейшего преобразования коле­ баний разностной частоты и регистрации результата измерения возможны различные варианты постооения девиометров (рис. 5.22).

91

которого используется либо конденсаторный, либо электронносчет-

малым по сравнению с постоянной времени цепи магнитоэлектри­ ческого индикатора частотомера). Если эти условия выполняются, частотомер фиксирует среднее значение отклонения частоты, и его

показание равно — / д.

TZ

Действительно, среднее значение тока через магнитоэлектри­ ческий индикатор конденсаторного частотомера, как показано в § 5.5, пропорционально измеряемой частоте:

колебание можно рассматривать как гармоническое колебание с медленно меняющейся частотой. Для бесконечно малого интерва­ ла времени эту частоту можно считать постоянной и, следователь­ но, мгновенное значение тока, протекающего через магнитоэлект­ рический прибор частотомера, можно полагать пропорциональным мгновенному значению разностной частоты:

i(t) = fl/p (0 = я / д cos Q t.

Тогда среднее значение тока, протекающего через прибор

или, с учетом выражения (5.10),

f ^ ~ F -

Здесь F — отсчет в единицах частоты по шкале магнитоэлактрщ ческого индикатора конденсаторного частотомера.

92

При использовании электронносчетного частотомера длитель­ ность временных ворот выбирают много большей периода моду­ лирующего напряжения:

В этом случае количество импульсов, сформированных из коле­ баний разностной частоты и фиксируемых счетчиком частотомера, также равно среднему значению отклонения частоты:

амплитуде и поступает на частотный детектор. Частотный детек­ тор преобразует частотно-модулированный сигнал, имеющий ста­ бильную амплитуду, в напряжение низкой частоты, амплитуда ко­ торого пропорциональна девиации частоты.

Амплитуда низкочастотного напряжения измеряется электрон­ ным пиковым вольтметром со стрелочным индикатором (гл. 7), шкала которого градуируется непосредственно в значениях девиа­ ции частоты. Такой метод позволяет измерять девиации от единиц до сотен килогерц при диапазоне частот модулирующего напряже­ ния от десятков герц до десятков килогерц и любой его форме с по­ грешностью не более 10%. Например, девиометр СЗ-5 измеряет де­ виации 25—800 кГц с погрешностью ± (0,06/ д +2) кГц в диапа­ зоне несущих частот 250—1000 МГц при модулирующих частотах 50 Гц — 10 кГц; прибор СЗ-32 имеет пределы измерения девиации 2 Гц—20 кГц, диапазон модулирующих частот 20 Гц—20 кГц, диа­ пазон частот 0,5—10000 МГц и погрешность измерения не бо­ лее 10%.

93

Г Л А В А 6

ИЗМЕРЕНИЕ РАЗНОСТИ ФАЗ

Под разностью фаз будем понимать фазовый сдвиг между дву­ мя гармоническими напряжениями одной и той же частоты

(0 = ^im sin ( W + '?,);

«2 (t) — U2mSin(i»t + cp2).

Измерители разности фаз <р--- с?, — (фазометры) исполь­ зуются при исследовании четырехполюсников (усилителей, фильт­ ров, трансформаторов), градуировке фазовращателей, снятии фа­ зочастотных характеристик различных устройств и т. д.

Измерение разности фаз осуществляется различными методами. Наиболее известны следующие:

—метод преобразования сдвига фаз в постоянный ток;

— метод дискретного счета;

— компенсационный метод;

—метод преобразования сдвига фаз в напряжение;

—осциллографические методы.

Метрологические характеристики фазометров включают:

—диапазоны измеряемых фазовых сдвигов;

—рабочий диапазон частот;

—погрешность измерения сдвига фаз;

—пределы изменения величин входных сигналов.

§6.1. МЕТОД ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СДВИГА ФАЗ

ВПОСТОЯННЫЙ ТОК

Сущность метода состоит в формировании из синусоидальных напряжений прямоугольных импульсов, длительность которых равна интервалу времени между моментами переходов этих напря­ жений через нуль с производной одного знака (рис. 6.1), и после­ дующем измерении относительной величины этого интервала (по

94

отношению к периоду). Метод получил широкое распространений в различных фазометрах, отличающихся друг от друга лишь спо­ собами измерения относительной величины временного интервала.

Используя известные выражения

ср = сот и и» = 2 V.JT,

получим зависимость между сдвигом фаз гр и относительной вели­ чиной временного интервала:

/

гая лампа заперта). После подачи на входы фазометра двух си­ нусоидальных напряжений на выходе первого канала появляется положительный остроконечный импульс. Этот импульс опрокиды­ вает триггер в противоположное состояние, при котором ток про­ текает через левую лампу и магнитоэлектрический прибор. Через

95

интервал т, определяемый измеряемым сдвигом фаз, поступает положительный импульс из второго канала, возвращая триггер в

мирующих устройств к моментам перехода синусоид через нуль;

—нестабильностью напряжения питания триггера, что приво­ дит к нестабильности тока 7М;

—наличием высших гармоник во входных сигналах, что при­

от десятков герц до сотен килогерц.

Несколько более сложная схема лежит в основе работы фазо­ метра Ф2-1, который имеет следующие характеристики:

—пределы измерения фазовых углов 0 -ь- +180°;

—диапазон частот 20 Гц—100 кГц;

—погрешность измерения 0,01 српрЧ-Г (при коэффициенте нели­ нейных искажений входных сигналов не более 2%);

—входное напряжение 0,5—50 В;

—■допустимый перепад входных напряжений 1—100;

— входное сопротивление 2 МОм, входная емкость 25 пФ.

96

руют две последовательности коротких импульсов, сдвинутых на время т = ф/со. Обе последовательности подаются на управляющий триггер. На выходе триггера получаются прямоугольные импульсы длительностью т. Эти импульсы подаются на левый вход времен­ ного селектора /, открывая его на время т. В течение этого време­ ни селектор / пропускает на селектор 2 импульсы образцовой час­ тоты с периодом То, сформированные из колебаний кварцевого ге­ нератора формирующим умножителем.

На выходе селектора 1 получается последовательность пакетов импульсов образцовой частоты. Длительность каждого пакета рав­ на т. Селектор 2 пропускает эти пакеты на электронный счетчик в течение определенного образцового интервала времени Ти, кото­ рый формируется из колебаний кварцевого генератора формирую­ щим делителем.

Покажем, что общее число импульсов, пропускаемых селекто­ ром 2 на счетчик в течение времени Ти, пропорционально средне­ му значению сдвига фаз ф за это время независимо от частоты на­ пряжений и1 и и2.

Действительно, количество импульсов в одном пакете

Л -= 4 г = т / 0;

1 о

количество пакетов, прошедших на счетчик за время Т„,

где Т — период исследуемых напряжений (за один период форми­ руется один пакет). Общее количество импульсов, поступивших на счетчик в течение интервала Тя, равно

т. е. измеряемый фазовый сдвиг ф пропорционален количеству им­ пульсов N и не зависит от частоты входных напряжений f —lJT.

Для получения непосредственного отсчета в угловой мере (в электрических градусах) произведение / 0 Тя выбирают равным

/о 7; = 360-10*.

Например, если взять /0 = 900 кГц, а Т„ =40 мс, то / 0 Т„ = = 36-ІО3. Тогда получим

®° —0,01 N, эл. град.

98

Погрешность фазометра определяется погрешностью дискрет­ ности, вносимой селекторами, погрешностью формирования интер­ валов времени %и Ти, а также наличием высших гармоник в ис­ следуемых сигналах. Можно показать, что погрешность дискретно­ сти при измерении сдвига фаз этим методом определяется выра­ жением

? “ ^ / о ± 4 / Г и-

Такие фазометры позволяют измерять фазовые сдвиги в пределах О—360° с погрешностью порядка десятых долей процента в диапа­ зоне частот до 5—10 кГц.

§ 6.3. КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МЕТОД

Сущность метода состоит в компенсации измеряемого сдвига (или дополнении его до 180°) с помощью градуированного фазо­ вращателя (рис. 6.6). С помощью фазовра­ щателя фаза одного из напряжений (и2) изменяется до тех пор, пока индикатор укажет равенство фаз (равенство нулю фазового > сдвига). Фазовый сдвиг определяется по шка­ ле фазовращателя.

В качестве фазовращателей на низких и высоких частотах используются мостиковые RC-схемы, устройства с подвижными катуш­ ками (индукционные фазовращатели), специ­ альные конденсаторы с секционированными пластинами и вращающимся эксцентриком из диэлектрика (емкостные фазовращатели), ис­

кусственные линии. На СВЧ применяются раздвижные коаксиаль­ ные линии, отрезки волноводов с диэлектрическими и ферритовы­ ми вставками и др.

В качестве индикаторов сдвига фаз используются осциллогра­ фы, фазовые детекторы, электронные вольтметры. В диапазоне СВЧ сравнение фаз может быть выполнено с помощью волновод­ ных мостов и измерительных линий. На рис. 6.7 приведена схема

измерения компенсационным методом фазового сдвига, создавае­ мого исследуемым четырехполюсником. Она может использовать­ ся на низких и высоких частотах.

После включения схемы на экране получается изображение эллипса. Фазовращателем изменяют фазу напряжения, подаваемо­ го на У-пластины, до тех пор, пока эллипс не преобразуется в пря­ мую. Если прямая наклонена вправо, то общий сдвиг между на­ пряжениями, поданными на обе пары пластин, равен нулю. По шкале фазовращателя отсчитывают внесенный им фазовый сдвиг с. Измеряемый сдвиг <р = —а. В случае наклона прямой влево об­ щий сдвиг равен 180° и <p°=180°—а. Наибольшая точность полу-