2. Метод измерений

Поскольку значения исвязаны между собой, то достаточно определить одну только величину. Для правильных измерений предпочтительно выбрать метод, реализующий измерения в соответствии с формульным или словесным определением измеряемой величины. Поскольку дляесть две формулы (2) и (3), то выбор между ними обусловлен возможностью более точной реализации. На практике всегда легче (и получается точнее) сначала измерить действующее напряжение измеряемого сигнала, которое равно величине в знаменателе формулы (3), а затем выделить фильтрацией только гармоники, которые в числителе формулы (3), измерить их действующее значение и разделить результаты, то есть реализовать формулу (3) для. Именно такой метод реализуется в приборах группы С6 – измерителях нелинейных искажений.

Идея реализации метода будет ясна из рассмотрения схемы рис. 3.

K1

Измеряемый Делитель k2 Фильтр Вольтметр

усилителемнапряжения режекторный СКЗ

сигнал

Рис. 3.

Измеряемый сигнал сначала при замкнутом ключе К1 и разомкнутом ключе К2 направляется на вольтметр среднеквадратического значения. При этом делителем или регулировкой коэффициента деления усилителя устанавливается такое значение напряжения на входе вольтметра, чтобы его показания были вполне определенными и всегда одними и теми же. При этом значение напряжения на выходе вольтметра пропорционально действующему напряжению на входе, то есть :

,

где - коэффициент преобразования вольтметра.

Затем ключ К1 размыкают, ключ К2 замыкают, а фильтр настраивают на частоту первой гармоники. Если выполняется условие , то это легко сделать, минимизируя показания вольтметра СКЗ. Добившись минимума, производят отсчет:

.

Очевидно, . Если значениезаранее определено, например, составляет 100 % шкалы вольтметра, то на этой же шкале.

Отметим еще раз, что измеритель нелинейных искажений всегда содержит в своем составе вольтметр действующих значений.

3. Техническое описание прибора с6-7

1. Назначение

3.1.1. Измеритель нелинейных искажений автоматический С6-7 предназначен для измерения коэффициента гармоник в диапазоне частот от 20 Гц до 200 кГц при входном напряжении от 100 мВ до 100 В в автоматическом режиме.

3.1.2. Встроенный в прибор вольтметр среднеквадратических значений позволяет измерять напряжение переменного тока как с синусоидальной, так и с искаженной формой в пределах от 0,0001 до 100 В в диапазоне частот от 20 Гц до 1 МГц. Кроме того прибор может быть использован как децибелметр.

2. Технические данные

   1. Диапазон частот основной гармоники исследуемого сигна­ла от 20 Гц до 200 кГц с поддиапазонами:

- 20...60 Гц (1-й поддиапазон);

- 60...200 Гц (2-й поддиапазон);

- 200...600 Гц (3-й поддиапазон);

- 600 Гц...2 кГц (4-й поддиапазон);

- 2...6 кГц (5-й поддиапазон);

- 6...20 кГц (6-й поддиапазон);

- 20...60 кГц (7-й поддиапазон);

- 60...200 кГц (8-й поддиапазон);

2. Прибор обеспечивает измерение коэффициента гармоник в автоматическом режиме на шкалах с конечными значениями: 0,1; 0,3; 1; 3; 10; 30 % в диапазоне частот от 200 Гц до 20 кГц и 0,3; 1; 3; 10; 30 % в диапазоне частот от 20 до 200 кГц.

3. Абсолютное значение основной погрешности прибора при измерении коэффициента гармоник не превышает указанных в табл. 1 значений:

Таблица 1

Диапазон частот	Абсолютное значение основной погрешности
от 20 Гц до 200 Гц	(0,1+ 0,1 %)
от 200 Гц до 20 кГц	(0,1+ 0,05 %)
от 20 до 200 кГц	(0,1+ 0,1 %)

где — конечное значение шкалы, на которой производится измерение, в процентах.

4. Абсолютное значение дополнительной погрешности прибора при измерении коэффициента гармоник, вызванной отклонением температуры окружающего воздуха от нормальной, на каждые 10 ⁰С, не превышает указанных в табл. 2 значений:

Таблица 2

Диапазон частот	Абсолютное значение основной погрешности
от 20 Гц до 200 Гц	(0,05+ 0,05 %)
от 200 Гц до 20 кГц	(0,05+ 0,025 %)
от 20 до 200 кГц	(0,05+ 0,05 %)

5. Диапазон входных напряжений от 0.1 до 100 В с разбивкой на поддиапазоны через 10 дБ, в пределах которых осуществляется автоматическая калибровка.

Примечание. При входных напряжениях от 30 до 100 В измерения проводятся с внешним делителем напряжения.

6. Динамическая погрешность прибора, вызванная изменением частоты входного сигнала внутри поддиапазонов со скоростью не более 1 октавы в минуту, не превышает 2,5 % от верхнего предела шкалы.

7. Динамическая погрешность прибора, вызванная изменением частоты входного напряжения внутри каждого поддиапазона со скоростью не более 2 дБ/с, не превышает 5 % от верхнего предела шкалы.

8. Вольтметр обеспечивает измерение среднеквадратических значений напряжений на шкалах с верхними пределами 0,3; 1; 3; 10; 30, 100, 300 мВ; 1; 3; 10; 30, 100 В в диапазоне частот от 20 Гц до 1 МГц. Измерение напряжений от 10 до 100 В обеспечивается с внешним делителем напряжения.

9. Основная погрешность вольтметра при синусоидальном входном сигнале в диапазоне частот от 20 Гц до 200 кГц не превышает 4 % и в диапазоне частот от 200 кГц до 1 МГц не превышает 10 % от верхнего предела шкалы.

10. Дополнительная погрешность вольтметра, вызванная отклонением температуры окружающего воздуха от нормальной, в диапазоне частот от 20 Гц до 200 кГц не превышает 2 % и в диапазоне частот от 200 кГц до 1 МГц не превышает 5 % от верхнего предела шкалы на каждые 10 ⁰С.

11. Уровень собственных шумов и фона вольтметра, приведенный ко входу прибора, не превышает 50 мкВ.

12. Входное сопротивление прибора не менее:

100 кОм – в режиме измерения коэффициента гармоник на частоте 80 Гц;

900 кОм – в режиме измерения напряжения.

13. Входная емкость прибора в режиме измерения коэффициента гармоник не превышает:

100 пФ – в режиме измерения коэффициента гармоник;

80 пФ – в режиме измерения напряжения;

25 пФ – при использовании внешнего делителя.

14. Ослабление фильтра верхних частот с частотой срезе 1 кГц составляет не менее 15 дБ на частоте 400 Гц относительно уровня на частоте 1 кГц.

15. Время самопрогрева прибора – 15 мин.

16. Прибор сохраняет свои технические характеристики в пределах норм при питании его от сети переменного тока напряжением 22022 В частотой 500,5 Гц и содержанием гармоник до 5 %.

17. Потребляемая от сети мощности при номинальном напряжении не более 50 ВА.

18. Время непрерывной работы не менее 8 ч.

19. Габаритные размеры прибора – 490х355х135 мм.

20. Масса прибора не более 15 кг.

3. Принцип действия

   1. Принцип действия прибора основан на измерении отношения среднеквадратических значений напряжения высших гармоник исследуемого сигнала и напряжения полного сигнала.

Напряжение полного сигнала устанавливается в приборе равным условно выбранной единице, принятой за 100 % . Далее из спектра исследуемого сигнала при помощи режекторного усилителя исключается 1-я гамоника и на вход вольтметра прибора поступает напряжение высших гармоник. Прибор измеряет величину, определяемую как отношение среднеквадратического значения высших гармоникк среднеквадратическому значению напряжения полного сигнала:

Так как истинное значение коэффициента гармоник определяется как отношение среднеквадратического значения высших гармоник к напряжению первой гармоники , то есть:

,

то следует помнить, что при показаниях прибора до 10 % разница между истинным значением коэффициента гармоник и показанием приборанесущественна, и отсчет величины коэффициента гармоник следует проводить непосредственно по показанию прибора С6-7. При показаниях прибора более 10 % для определения истинного коэффициента гармоник следует пользоваться табл. 3 или формулой пересчета показаний приборав:

. (5)

Таблица 3

Показания С6-7 , %	Действительное значение, %	Показания С6-7 , %	Действительное значение, %
10	10,05	21	21,48
11	11,07	22	22,55
12	12,09	23	23,63
13	13,11	24	24,72
14	14,14	25	25,82
15	15,17	26	26,93
16	16,20	27	28,04
17	17,25	28	29,17
18	18,30	29	30,30
19	19,35	30	31,45
20	20,41	-	-

1. Измеритель нелинейных искажений С6-7, структурная схема которого приведена на рис. 3, состоит из следующих функциональных узлов:

• внешнего делителя напряжения, предназначенного для расширения диапазона измеряемых напряжений, с коэффициентом деления 1:10 для режима вольтметра и 1:17 для режима ;

• аттенюатора входного, предназначенного для ступенчатой регулировки входного напряжения при измерении коэффициента гармоник;

• блока АРУ (автоматическая регулировка усиления), предназначенного для стабилизации среднеквадратического значения напряжения измеряемых прибором сигналов на условно выбранном уровне, соответствующем 100 % ;

• УР (усилитель режекторный), предназначенного для подавления первой гармоники исследуемого напряжения;

• вольтметра, предназначенного для измерения среднеквадратического значения напряжения;

• калибратора, предназначенного для периодического контроля коэффициента преобразования вольтметра;

• блока АПФ (автоматическая подстройка фильтра), предназначенного для автоматической подстройки фильтра усилителя режекторного на частоту первой гармоники исследуемого напряжения;

• блока питания, предназначенного для обеспечения измерительной части прибора стабилизированными напряжениями: +27 В и минус 27 В.

3. Измерение коэффициента гармоник прибором С6-7 осуществляется следующим образом.

На вход прибора при нажатой кнопке подается исследуемое напряжение. Через аттенюатор и блок АРУ исследуемое напряжение поступает на вход УР, где с помощью блока АПФ осуществляется автоматическое подавление первой гармоники предварительно усиленного исследуемого напряжения. Напряжение высших гармоник с выхода УР поступает на вход вольтметра среднеквадратического значения, который имеет градуировку в %. Показания прибора ИП1 соответствуют значению измеряемого. Блоки АРУ и АПФ имеют выходы на измерительные приборы ИП2 и ИП3, служащие для контроля работы этих узлов.

1. Преобразователь среднеквадратического значения напряжения служит для преобразования переменного напряжения в постоянный ток, пропорциональный среднеквадратическому значению измеряемого напряжения. Он состоит из следующих узлов (рис. 4):

• усилителя, выполненного на микросхеме МС1;

• повторителя по схеме Уайта на транзисторах Т1 и Т2;

• преобразователя «напряжение-сопротивление» на оптроне, состоящем из лампы Л1 и фоторезистора R10;

• источника ЭДС постоянного тока с последовательно включенной цепью микроамперметра, выполненного на стабилитроне Д1 и резисторах R18...R21.

Для стабилизации режима работы преобразователя служит цепь отрицательной обратной связи, образованной резисторами R8 и R9. Переменные резисторы R6, R8 и R20 служат для калибровки шкалы измерительного прибора. Конденсатор С7, включенный в цепь отрицательной обратной связи усилителя, предназначен для коррекции амплитудно-частотной характеристики преобразователя на частоте 1 МГц.

Принцип действия преобразователя следующий. При отсутствии напряжения на входе преобразователя фоторезистор не освещен, значение его темнового сопротивления более 1 МОм и ток через микроамперметр практически равен нулю. С увеличением входного напряжения световой поток лампочки накаливания возрастает, а значение сопротивления фоторезистора уменьшается. Это приводит к возрастанию тока через микроамперметр от от источника постоянного тока, то есть имеет место преобразование среднеквадратического значения напряжения в постоянный ток.

Р

ис.4. Преобразователь

Рис.5. Калибратор

Кроме того, уменьшение значения сопротивления фоторезистора приводит к увеличению глубины отрицательной обратной связи усилителя и к уменьшению коэффициента усиления, то есть система охвачена параметрической обратной связью, при которой глубина обратной связи является нелинейной функцией входного напряжения.

Действие параметрической отрицательной обратной связи приводит к выпрямлению характеристики преобразования, шкала прибора становится близкой к линейной. Амплитудная характеристика преобразователя близка к логарифмической, что создает удобство при наблюдении искажений по осциллографу.

1. Калибратор предназначен для периодического контроля коэффициента преобразования вольтметра. Калибратор генерирует напряжение прямоугольной формы частотой 2 кГц с высокой временной и температурной стабильностью. Схема калибратора (рис. 5) состоит из:

• мультивибратора, выполненного на микросхемах МС1;

• усилителя на транзисторе Т1;

• двустороннего диодного ограничителя, выполненного на кремниевом стабилитроне Д2;

• выходного делителя на резисторах R4, R5 и R6.

Переменным резистором R5 регулируется среднеквадратическое значение калиброванного напряжения, которое устанавливается равным 31,6 мВ.