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

вращателя щ. Затем к правому фланцу фазовращателя подсоеди­ няют исследуемый элемент, короткозамкнутый на «конце. Узел стоячей волны при этом смещается. С помощью фазовращателя изменяют фазу стоячей волны настолько, чтобы узел снова ока­ зался в сечении зонда. Снимают отсчет аг по шкале фазовращате­ ля и определяют искомый фазовый сдвиг:

<Р= ~2 (“<- а2).

Вместо фазовращателя и зонда можно также применять изме­ рительную линию.

Метод преобразования фазового сдвига в напряжение постоян­ ного тока реализуется с помощью балансного фазового детектора, изучаемого в курсе радиоприемных устройств.

Разновидности осциллографического метода сводятся к геомет­ рическим измерениям параметров изображения с помощью сетки, на«кладываемой на экран трубки, весьма просты и обычно даются в описаниях осциллографов. Поэтому эти методы здесь не рассмат­ риваются.

§ 6.4. РАСШИРЕНИЕ ЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА ФАЗОМЕТРОВ

При измерении разности фаз на высоких частотах применяется преобразование частоты, т. е. перенос фазы с высокой частоты на более низкую. Этот метод основан на известном положении, кото­ рое заключается в следующем. Если напряжения

И, — и ,т COS шс і И U2 — U 2m COS (ü)c t -f- cp)

преобразовать с помощью сигнала гетеродина иг — Urmcos (<or t 6)

в разностные частоты, то на выходах смесителей получим напря­ жения

Структурная схема фазометра с преобразованием частоты при­ ведена на рис. 6.9. Входные устройства обеспечивают нормальный режим работы смесителей в диапазоне входных напряжений.

Два колебания частоты / с, сдвиг фаз между которыми нужно измерить, подаются на два одинаковых смесителя. Одновременно на смесители подается сигнал гетеродина частоты / г. На выходах

101

смесителей получаются колебания комбинационных частот, в том числе разностной частоты /7 = / с —/і- Избирательные усилители служат для усиления сигналов разностной частоты и подавления побочных гармоник преобразования. Выходные сигналы усилите-

р=* - / г •'C Jr

F*fe-fr

Рис. 6.9.

лей подаются на низкочастотный фазометр. Частота F выбирается порядка 10 кГц. Для обеспечения требуемого диапазона частот применяется гетеродин с плавной перестройкой частоты. В случае необходимости преобразование может быть двухступенчатым.

Подобный принцип используется в фазометре типа Ф2-7, кото­ рый имеет следующие метрологические характеристики:

—диапазон измеряемых фазовых сдвигов 0-г- ±180°;

—рабочий диапазон частот 75 кГц—10 МГц;

— погрешность измерения 2° в диапазоне частот до 1 МГц и 3° г- диапазоне частот до 10 МГц;

— диапазон входных напряжений 0,1 — 10 В;

— входное сопротивление 100 кОм, входная емкость 15 пФ. Фазометр Ф2-4- с преобразованием частоты и цифровым отсче­

том предназначен для измерения фазовых сдвигов 0-:~ДЧ80о в диа­ пазоне частот 20 Гц-т-10 МГц с погрешностью, не превышающей

1,5°.

102

где U1, U2,.. — действующие значения гармонических составляю­ щих напряжения сложной формы.

Средневыпрямленное значение — среднее значение напряжения, взятого по модулю

т

о

Для однополярных напряжений UCB-=U0, для разнополярных

^св ф U*-

Отношение пикового (амплитудного) значения напряжения к действующему называется коэффициентом амплитуды

(7.4)

а отношение действующего значения к средневыпрямленному — коэффициентом формы:

Требования, предъявляемые к вольтметрам, и их классификация

Измерению напряжений в радиотехнических цепях присущ ряд особенностей, отличающих подобные измерения от измерений на­ пряжений в электротехнике.

К этим особенностям относятся:

— чрезвычайно широкий диапазон частот измеряемых напря­ жений — от напряжений постоянного тока до сверхвысоких час­ тот (2—3 ГГц);

—большой диапазон величин измеряемых напряжений — от долей микровольта до десятков киловольт;

—многообразие форм измеряемых напряжений — от простей­ шего гармонического напряжения до напряжений, имеющих харак­

тер «белого» шума.

Кроме того, источники измеряемых напряжений в большинстве случаев маломощные, поэтому вольтметр должен потреблять нич­ тожно малую мощность от объекта измерения, так как в противном случае его подключение нарушает электрический режим измеряе­ мой цепи.

Для измерения напряжений в радиотехнике применяются элект­ ронные вольтметры. К электронным вольтметрам предъявляются следующие основные требования, вытекающие из особенностей из­ мерения радиочастотных напряжений.

101

1. Большое входное сопротивление (а также малая входная емкость); например, прибор ВК7-9 имеет входное сопротивление не менее 3 МОм при измерении напряжений переменного тока и не менее 15 МОм при измерении напряжений постоянного тока.

2. Слабая зависимость показаний от частоты в рабочем диапа­

входных напряжений. Например, вольтметр B3-37 имеет пределы измерения от 10 м«В до 300 В.

Электронные вольтметры, как правило, требуют внешнего ис­ точника питания.

Электронные вольтметры классифицируются по различным признакам:

—по назначению: постоянного напряжения, переменного на­ пряжения, импульсные, селективные, универсальные и др.;

—по характеру измеряемого значения напряжения: пиковые (амплитудные), действующего значения, средневыпрямленного

значения;

—по схеме входа (относительно постоянной составляющей): с открытым и закрытым входом;

—по частотному диапазону;

—по способу измерения: непосредственного измерения и из­ мерения сравнением.

Возможны и другие классификационные признаки (по форме измеряемого напряжения, по конструктивным признакам и т. д.).

Независимо от сочетания признаков классификации в том или ином приборе, все вольтметры могут быть разделены на две большие группы: вольтметры со стрелочными индикаторами (стре­ лочные вольтметры) и цифровые вольтметры.

Метрологические характеристики электронных вольтметров включают:

—назначение (для измерения каких напряжений или каких значений напряжения предназначен вольтметр);

—пределы измерения напряжений;

—рабочий диапазон частот или диапазон длительностей и час­ тот повторения импульсов;

—допустимую погрешность измерения (класс точности);

—схему входа и входные данные (активное входное сопротив­ ление и входная емкость).

ГОСТ 9781-67 устанавливает 8 классов точности стрелочных

электронных вольтметров: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4; 6.

§ 7.2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СТРЕЛОЧНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ВОЛЬТМЕТРОВ

Общая структурная схема электронного вольтметра состоит из ьходного устройства, преобразователя и индикатора (рис. 1.1).

105

Входное устройство обычно содержит делитель напряжения для расширения диапазона измеряемых напряжений, а иногда и ка­ тодный повторитель (в приборах с предварительным усилителем), для создания высокого входного сопротивления.

Преобразователем вольтметра для измерения напряжения по­ стоянного тока служит усилитель постоянного тока (УПТ), а для измерения переменного напряжения — детектор.

Детектор обычно применяется в сочетании с усилителем пере­ менного напряжения, включенным до детектора, или с усилителем постоянного тока, включенным после детектора. Усилители пред­ назначены для увеличения мощности измеряемого сигнала до уров­ ня, достаточного для значительного отклонения стрелки индика­ торного прибора. Индикатором, как правило, служат магнито­ электрический микроамперметр.

Структурная схема вольтметра постоянного напряжения при­ ведена на рис. 7.2,а, а структурные схемы вольтметров переменно­ го напряжения — на рис. 7.2,б,в и г. На схемах не показаны ис­ точники питания.

Рис. 7.2.

В дальнейшем будем рассматривать электронные вольтметры переменного напряжения. Принцип действия всех стрелочных вольтметров переменного напряжения заключается в преобразо­ вании этого напряжения в напряжение постоянного тока, которое фиксируется магнитоэлектрическим индикатором.

Приборы, построенные по схеме, показанной на рис. 7.2,6, при­ годны лишь для измерения напряжений значительного уровня. Они применяются для контроля выходного напряжения в измеритель­ ных генераторах гармонических колебаний и других приборах

106

(встроенные вольтметры), а также в качестве малочувствительных переносных приборов, не требующих питания.

При измерении малых напряжений применяют вольтметры, у

7.2,в, отличаются широким частотным диапазоном (до сотен МГц). Приборы, выполненные по схеме (рис. 7.2,г), имеют значитель­ но более узкий диапазон частот, ограниченный полосой пропуска­ ния усилителя переменного напряжения. Зато эта схема позволяет получить более высокую чувствительность, чем предыдущая, бла годаря включению усилителя перед детектором. Такие схемы ис­ пользуются в милливольтметрах. В этих приборах нижний предел измеряемых напряжений ограничивается в основном уровнем соб­ ственных шумов усилителя. В приборе с предварительным усиле­ нием возможны нелинейные искажения формы кривой измеряемо­ го напряжения, которые практически отсутствуют в схеме, где

детектор включен перед усилителем.

Важнейшим узлом вольтметров переменного напряжения яв­ ляется детектор. Рассмотрим основные схемы детекторов, приме­ няемые в электронных вольтметрах.

§ 73. ДЕТЕКТОРЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ВОЛЬТМЕТРОВ

Детектор, т. е. преобразователь переменного напряжения в напряжение постоянного тока, определяет основные характерис­ тики вольтметра, в частности характер его шкалы.

Детекторы классифицируются по различным признакам:

— по значению входного напряжения, которому непосредствен­ но соответствует напряжение или ток в выходной цепи детектора: пиковые (амплитудные), действующего значения, средневыпрямленного значения;

—по схеме входа: с открытым входом и закрытым входом;

—по характеристике детектирования: линейные и квадратич­

ные;

—по виду детектирования: диодные, анодные, сеточные. Возможны и другие признаки классификации. Чаще всего на

практике применяются диодные детекторы. Рассмотрим диодные детекторы, классифицируя их по первому признаку, который будем считать основным.

Пиковый (амплитудный) детектор

Напряжение на выходе пикового детектора непосредственно со­ ответствует амплитудному (пиковому) значению измеряемого на­ пряжения. Такой детектор содержит нелинейный элемент (диод), конденсатор, запоминающий пиковое значение измеряемого напря­ жения, и сопротивление нагрузки.

107

Детектор с открытым входом (последовательный детектор),

Схема пи.кового детектора с открытым входом приведена на рис. 7.3. Эта схема по существу яв­ ляется простейшей схемой пи­ кового вольтметра с открытым входом. Пунктиром на 7.3 по­ казан источник измеряемого напряжения. Элементы /?„ и С образуют фильтр нижних час­ тот.

Рассмотрим вначале работу детектора при измерении гар­ монического напряжения:

их (0 == ^Лп sin <о t.

Для обеспечения эффективного преобразованияпеременного напряжения в постоянное параметры схемы должны удовлетворять следующим условиям:

разряд конденсатора) через несколько периодов после включения на конденсаторе С устанавливается практически постоянное на­ пряжение Т/с0, почти равное амплитуде Um измеряемого напряже­ ния ик. Временные диаграммы измеряемого напряжения, напря­ жения на .конденсаторе «с (т. е. выходного напряжения детекто­ ра) и тока диода в установившемся режиме приведены на рис. 7.4, из которого видно, что в течение интервала времени At, когда на­

пряжение на диоде пд >0, через диод протекает ток, подзаряжаю­ щий конденсатор. В течение интервала времени Т—At, когда ил < 0, диод закрыт и конденсатор разряжается через большое сопротив­

108

тельно, отклонение его стрелки пропорционально напряжению Uc0, близкому к амплитуде измеряемого напряжения Um. Степень бли­ зости этих напряжений зависит только от соотношения между со­ противлениями R[ и RH. Чем лучше выполняется условие R\ <<СRm тем ближе режим работы схемы к режиму идеального пикового детектирования. При RH= °° величина Uc0 — Um. Из теории детек­ тирования известно, что в общем случае коэффициент передачи такого детектора определяется формулой

Кл = у г = cos

где угол отсечки тока диода Ѳ связан с величиной RJRi следую­ щей трансцендентной зависимостью:

Графи« зависимости коэффициента передачи детектора от от­ ношения RJRi приведен на рис. 7.5. Разность между единицей и

ординатой графика при данном значении отношения RJRi дает относительную погрешность измерения:

109