4. Обобщенная структурная схема радиоизмерительного прибора

Для выполнения измерений всего многообразия ФВ в радиотехнике используются радиоизмерительные приборы. Радиоизмерительный прибор (РИП) 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

x_изм = x_д или x_изм – x_д = 0. (4.1)

Сравнение x_изм и x_д может производиться по четырем алгоритмам.

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

2. Сравнение x_изм, преобразованной в другую ФВ, с x_д, одноименной той, в которую преобразована x_изм. 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 x_изм с преобразованным значением x_д. Например, сравнивают методом нулевых биений частоту измеряемого сигнала с гармоникой кварцевого генератора, который используется в качестве меры x_д. При этом производится преобразование (умножение) частоты кварцевого генератора, выдающего значение x_д.

4. Сравнение преобразованной x_изм с преобразованной x_д. В большинстве наиболее распространенных РИП используется именно такой алгоритм сравнения x_изм и x_д. 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 x_изм и x_д.

Важнейшей операцией в алгоритме сравнения x_изм и x_д явля­ется установление равенства их между собой. Момент равенства уста­навливается при помощи устройств сравнения (УС), которое производит операцию вычитания (x_изм – x_д) 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 РИП должны быть четыре вида составных частей, узлов:

- преобразователи x_изм и x_д;

- меры x_д;

- устройство сравнения;

- устройство визуализации или автоматической регистрации.

В качестве мер x_д в РИП чаще всего применяются:

- меры частоты в виде кварцевых генераторов;

- 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 x_д 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) x_изм и x_д.

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 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 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 (ЦАП), а также преобразователи кодовых последова­тельностей. Цифровые преобразователи необходимы прежде всего для то­го, чтобы преобразовать измеряемую x_изм или x_д 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 x_д и компаратор. Различают два основных вида структурных схем: схема прямого преобразования и схема автоматического уравновешивания. Одна или несколько схем прямого уравновешивания формируют структуру прибора с ручным уравновешиванием x_изм и x_д, когда равенство x_изм и x_д устанавливается оператором. В автоматических приборах равенство x_изм и x_д 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.