167

Глава 6. Методы измерения напряжения и мощности

6.1. Общие положения.

Измерение напряжений является наиболее распространённым в практике электрорадиоизмерений. В технике связи и электронике измерение напряжения имеет свою специфику:

1.широкая область частот - от постоянных напряжений и инфранизких частот до сверхвысоких частот в несколько ГГц;

2.большой диапазон измеряемых напряженийот долей микровольта, до сотен киловольт;

3.многообразие форм сигналов.

Измерения осложняются тем, что источники напряжений чаще всего маломощны. Включение измерительного прибора в цепь не должно изменять режимов работы цепи, т.е. прибор не должен потреблять мощности от цепи. Это практически невозможно, однако увеличением входного сопротивления прибора можно свести потребление энергии от измеряемой цепи к допустимому минимуму. Напомним, что вольтметр включается параллельно цепи, поэтому основное требование к нему – возможно большее входное сопротивление.

Напряжение является процессом, протекающим во времени. Частным случаем является измерение постоянного напряжения. Наиболее распространённой в измерительной практике является задача оценки четырёх параметров напряжения: пикового, среднего, средневыпрямленного, среднеквадратического значений.

Пиковое значение – наибольшее или наименьшее значение сигнала за время измерения. Для гармонического сигнала распространен термин - амплитудное значение. Обычно пиковое значение принято обозначать Uм (рис.6.1.а.). При разнополярных несимметричных кривых напряжения различают положительное -Uм (+) и Uм (+) отрицательное Uм (-) пиковое напряжение (рис.6.1.б).

168

Рис. 6.1.

Среднее за время измерения Т значение определяется выражением

По смыслу среднее значение – это постоянная составляющая сигнала u(t) за время измерения Т. Графически это среднее значение за время Т, равное разности площадей под и над осью времени. Для гармонического сигнала это значение равно нулю.

Средневыпрямленное за время измерения значение, определяется выражением

Геометрически это сумма площадей, ограниченная кривой над и под осью времени за время измерения Т. При таком определении считается, что операция нахождения средневыпрямленного значения осуществляется с помощью двухполупериодного преобразователя (выпрямителя и фильтра). При однополярном измеряемом напряжении Uср и Uср.в равны между собой. Отметим, что в измерительной практике используется и онополупериодное детектирование (положительных и отрицательных значений). Если нет специальных оговорок, то выпрямление считается двухполупериодным.

169

Среднеквадратическое значение определяется выражением

Квадрат среднеквадратического значения напряжения численно равен средней мощности, рассеиваемой на сопротивлении 1 Ом.

Связь между рассматриваемыми параметрами описывается тремя коэффициентами:

–амплитуды (пик-фактор), равным отношением пикового значения к среднеквадратическому:

–формы, равным отношению среднеквадратического значения к средневыпрямленному:

– усреднения, равным отношению пикового значения к средневыпрямленному:

Кроме того, для этих коэффициентов справедливо неравенство

1 ≤ K™ ≤ Ka ≤ K y .

Знак равенства выполняется для сигналов постоянного напряжения и сигналов типа "меандр".

Для каждой формы физически реализуемого сигнала все три коэффициента определены, и их значение не зависит от параметров измеряемого сигнала. Так, для сигнала синусоидальной формы с любой амплитудой, частотой и начальной фазой:

Следовательно:

. K™ = 2π2 ≈ 1,11;Ka = 2 ≈ 1,41;K y = π2 ≈ 1,57

170

Для сигнала пилообразной формы вида

u(t) =Um tT,0 ≤ t ≤T : K™ = 2 3 ≈ 1,16;Ka = 3 ≈ 1,73;K y = 2 (Рис. 6.2,.а) имеем:

Рис. 6.2.

Средневыпрямленное напряжение Uср.в = Uм /2 находится из графика (рис.6.2,а)

На рис. 6.2.б. представлен частный случай когда период разбит на две равные части и положительное и отрицательное напряжение равны. Такие прямоугольные симметричные импульсы называют меандром. Аналитически меандр записывается так:

171

Показания любого вольтметра или амперметра пропорциональны размеру одного из параметров. Вид параметра, на который реагирует вольтметр, определяет название этого вольтметра. Так пиковый вольтметр измеряет размер пикового значения сигнала, т.е. его показание пропорционально пиковому значению измеряемого напряжения; показание вольтметра среднеквадратических значений (квадратичный вольтметр) пропорционально размеру среднеквадратического значения измеряемого сигнала.

Очевидно, что все рассмотренные параметры для постоянного напряжения равны между собой и аналогичные названия не имеют смысла для приборов постоянного тока. Такие приборы называются просто вольтметрами постоянного напряжения.

6.2. Общая характеристика и классификация электронных вольтметров.

Напряжение в радиоэлектронной технике преимущественно измеряют электронными вольтметрами. В отличие от рассмотренных аналоговых стрелочных приборов для них характерны:

1)весьма слабая зависимость показаний от частоты измеряемого напряжения в широкой области частот; например, у вольтметра В7-37- область частот от 20 Гц до I ГГц;

2)ничтожное потребление мощности от объекта исследования, т. е. малозаметное влияние на режим работы объекта, иначе говоря, большое входное активное сопротивление (и малая входная емкость); например, у прибора ВЗ-59

Rвх=20 МОм и Свх=8пФ ;

3)высокая чувствительность при значительном диапазоне измерения: например, у

172

милливольтметра ВЗ-42 пределы измеряемых значений от 30 мкВ до 300 В;

4)малое время установления показаний;

5)способность выдерживать перегрузки (напряжения на входе прибора, превышающие допустимые);

6)необходимость источников питания.

Классифицировать электронные вольтметры можно по различным признакам:

1)по видам, т. е, назначению: калибраторы (В1), постоянного тока (В2),переменного тока (ВЗ), импульсного тока (В4), фазочувствительные (В5), селективные (В6), универсальные (В7);

2)по типу индикатора: стрелочные и цифровые (внутри других приборов у измерителей напряжения могут быть осциллографический индикатор, неоновый индикатор и т. п.);

3)по методу измерения; прямого измерения, сравнения с мерой, нулевые

(компенсационные);

4)по измеряемому параметру напряжения: пиковые (амплитудные), среднеквадратического и средневыпрямленного значений;

5)по типу основных электронных приборов, на которых выполнена схема: полупроводниковых или на интегральных схемах;

6).по частотному диапазону; низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, широкодиапазонные;

7.) по схеме входа (относительно постоянной составляющей тока): с открытым и закрытым входом.

При рассмотрении электронных вольтметров в последующих параграфах настоящей главы будут встречаться различные признаки классификации, но прежде, всего будем делить всю совокупность приборов на две большие группы: стрелочные вольтметры и цифровые вольтметры.

173

6.3. Структурныесхемыипринципыдействияэлектронныхвольтметров.

Структурная схема стрелочного электронного вольтметра в самом общем виде состоит из входного устройства, измерительного преобразователя, электроизмерительного прибора и узла питания.

Входное устройство обычно состоит из делителей напряжения — аттенюаторов, с помощью которых изменяют пределы измерения, и эмиттерного (истокового) повторителя (в приборах с предварительным усилителем), служащего для создания высокого входного сопротивления прибора.

Измерительным преобразователем вольтметра для измерения постоянного напряжения служит усилитель постоянного тока. В данном случае преобразование сигнала заключается в изменении его масштаба. Для измерения переменного напряжения необходим преобразователь переменного напряжения в постоянное. Иногда такой преобразователь не совсем удачно называют детектором, поскольку его задача не детектировать сигнал как в радиоприемнике (отделять звуковой сигнал от несущей), а преобразовывать переменное напряжение в постоянное в соответствии с алгоритмами определения пикового, средневыпрямленного (6.1) и среднеквадратического (6.2) значений. Преобразователь применяется обычно в сочетании с усилителем, который может включаться либо до него либо после. В первом случае это усилитель переменного напряжения, во втором постоянного. Усилители служит для увеличения мощности исследуемого сигнала до уровня, достаточного для получения значительного отклонения указателя стрелочного прибора.

Электроизмерительные приборы в большинстве случаев - это магнитоэлектрические стрелочные микроамперметры. Напомним, что измерительные механизмы магнитоэлектрических приборов обладают относительно большим моментом инерции и применяются только для измерения постоянных напряжений и токов. Если подать на магнитоэлектрический стрелочный прибор высокочастотное гармоническое напряжение, то стрелка останется неподвижной. При подведении пульсирующего напряжения, представляющего собой сумму постоянной и высокочастотной переменной составляющих, стрелка получит отклонение, обусловленное постоянной составляющей. Показания прибора будут соответствовать постоянной составляющей и при некоторых других напряжениях сложной формы поскольку, магнитоэлектрический прибор усредняет поданное на его вход напряжение сложной формы и отклонение стрелки соответствует среднему значению

174

напряжения. Однако если в измеряемом напряжении содержатся составляющие низких частот, то стрелка совершает колебания около среднего значения.

Структурная схема стрелочного электронного вольтметра для измерения постоянного напряжения приведена на рис. 6.3.

С помощью входного устройства обычно ступенчато регулируется величина сигнала, т.е. изменяется пределы измерения. Усилитель обеспечивает величину тока через рамку магнитоэлектрического прибора, необходимую для отклонения его стрелки.

Для приборов, измеряющих переменное напряжение, характерны три варианта структурной схемы. Предпочтительность выбора конкретного варианта зависит от величины измеряемого сигнала, его частоты, требуемого значения входного сопротивления, а так же от нормируемых метрологических характеристик.

Первый вариант приведен на рис. 6.4. Принцип действия такого вольтметра заключается в преобразовании переменного напряжения в постоянное, которое измеряется стрелочным электроизмерительным прибором. Приборы, построенные по этой схеме пригодны лишь для измерения напряжений значительного уровня. Они применяются для контроля напряжений в низкочастотных и высокочастотных измерительных генераторах, модуляторах мощных генераторов передающих устройств. При измерении малых напряжений чувствительность схемы, изображенной недостаточна. Поэтому в подобных случаях применяют вольтметры, в состав которых входит усилитель. Структурные схемы двух таких вольтметров представлены на рис. 6.5, и 6,6.. На первый взгляд их отличие несущественно. В схеме на рис.6.5 усилитель включен после преобразователя, а в схеме рис. 6.6 после. Однако технические и метрологические характеристики вольтметров существенно отличаются.

175

Вольтметр, собранный по схеме рис.6.5, отличается большим частотным диапазоном, а вольтметр рис. 6.6 – большей чувствительностью. Это объясняется возможностями построения усилителей постоянного и переменного токов. Усилитель переменного тока может быть сконструирован с весьма большим коэффициентом усиления, но, к сожалению, весьма трудно обеспечить его широкополосность, особенно если предъявляются высокие требования к равномерности частотной характеристики. Последнее важно, так как неравномерность частотной характеристики вызовет изменения показаний прибора на разных частотах.

Вольтметр, собранный по схеме, наоборот является широкополосным прибором. Входное устройство и преобразователь могут быть выполнены из высокочастотных деталей, а после преобразователя никаких частотных ограничений не существует, так как усиливается постоянный ток. Однако усилитель постоянного тока трудно сделать с большим коэффициентом усиления. Дело в том, что в усилителе постоянного тока отсутствуют разделительные конденсаторы между усилительными каскадами. При изменении температуры изменяются токи, протекающие через усилительные элементы. Дрейф рабочей точки первого каскада вызывает изменение напряжения на входе следующего каскада, который усиливает

176

его и т.д. Это явление вызывает нестабильность показаний прибора. Поэтому приходится ограничиваться сравнительно небольшим коэффициентом усиления.

Рис. 6.7.

На рис. 6.7. представлена структурная схема универсального вольтметра. С помощью переключателя П можно переключать режим вольтметра и измерять как постоянное, так и переменное напряжение. Примерами подобных вольтметров В753 и В7-65.

6.4. Преобразователи переменного напряжения в постоянное.

Преобразователи переменного напряжения в постоянное являются основным узлом вольтметров. Преобразователи различаются по параметру входного напряжения, которому соответствует ток или напряжение в его выходной цепи: пиковые (амплитудные), среднеквадратического или средневыпрямленного значения

( формулы 6.2 и 6.3).

177

Рис.6.8.

Схема преобразователя пиковых значений напряжения представлена на рис. 6.8. Элементом, который «запоминает» пиковое значение напряжения является конденсатор. Положительная полуволна синусоидального сигнала вызывает ток через диод. Далее ток разветвляется на два направления - через конденсатор и через резистор R и стрелочный прибор магнитоэлектрической системы. Последний ток мал, так как резистор R выбирается с большим сопротивлением (порядка 50 Мом). Ток через конденсатор наоборот велик, так как конденсатор не заряжен, входное напряжение приложено полностью к диоду и его сопротивление минимально, а емкость конденсатора С составляет обычно несколько десятков тысяч пикофарад. Положительная полуволна оставляет в конденсаторе некоторое количества заряда и напряжение на нем имеет полярность показанную на рисунке. При отрицательной полуволне диод закрывается и конденсатор разряжается через резистор R и стрелочный прибор. Заряд и разряд происходят по экспоненциальному закону. Скорости этих процессов определяются постоянными времени заряда и разряда.

Постоянная заряда τзар = С Rд , где Rд- внутреннее сопротивление диода в проводящем направлении. Постоянная разряда τраз = СR. Поскольку Rд<< R

имеем τзар<< τраз. Таким образом заряд конденсатора происходит быстро, а разряд медленно. За первый период синусоиды на конденсаторе накопится заряд. Этот заряд будет нарастать и через некоторое количество периодов на обкладках конденсатора устанавливается постоянное напряжение практически равное амплитудному (пиковому) значению входного напряжения. Сопротивление, показанное на рис.6.8. пунктиром, представляет собой эквивалентное сопротивление источника сигнала.

178

По мере повышения напряжения на конденсаторе разность потенциалов между анодом и катодом диода уменьшается. Как видно из рис.6.8. мгновенное значение напряжения между анодом и катодом диода равно разности входного переменного напряжения и напряжения на конденсаторе. При увеличении амплитуды входного напряжения в течение нескольких периодов возрастает напряжение на конденсаторе, при уменьшении напряжения диод закрывается, так как напряжение на конденсаторе, приложенное к диоду в запирающем направлении, больше амплитуды приходящего сигнала. Конденсатор начинает медленно разряжаться через резистор и стрелочный прибор. Через некоторое время ток через диод восстановиться.

На рис.6.9. показана вольтамперная характеристика диода, т.е. зависимость i= f (u) и синусоидальное напряжение, поступающее на вход схемы.

i i

UC

t

2θ

2θ Рис.6.9.

UM

179

Как видно из рис.6.9 ток проходит через диод в виде коротких импульсов пополняющих заряд конденсатора. Ток через диод проходит лишь в течение незначительной части периода, характеризуемой углом отсечки θ. Таким образом, рассматриваемый преобразователь представляет собой схему с автоматическим смещением, величина которого практически равна амплитуде приходящего сигнала. Погрешность преобразования определяется разрядом конденсатора, вследствие чего среднее значение напряжения на конденсаторе UC (пунктирная линия на рис.6.10) несколько меньше пикового значения сигнала.

u

UC UM ux

t

T

Рис.6.10

Эта погрешность тем меньше, чем больше сопротивление R, однако излишнее увеличение R вызовет необходимость использовать стрелочный прибор с большей чувствительностью (из-за уменьшения тока через цепь) и, кроме того, преобразователь станет более инерционным. При уменьшении входного напряжения, показания прибора установятся через заметный промежуток времени, так как разряд конденсатора будет происходить медленно. Для убыстрения процесса иногда в вольтметрах устанавливается

180

кнопка, с помощью которой конденсатор на короткое время замыкается и снимается его заряд.

До сих пор исследовался случай измерения напряжения синусоидальной формы. Если на вход рассматриваемой схемы подать не гармоническое напряжение, а напряжение в котором имеются и постоянная и переменная составляющие, то измеряемое прибором значение напряжения в этом случае будет зависеть не только от амплитуды Uм , но и от размера постоянной составляющей Uо, так как вход у детектора открытый. Отрытым вход называется потому, что при подаче постоянного напряжения, ток протекает через диод, через резистор R и стрелочный прибор. При подаче постоянного и переменного напряжения вместе ux = U0 +UM sin ωt (так бывает, например, если вольтметр подключается к коллекторной цепи транзистора где действует и переменное напряжение сигнала и напряжение питания), конденсатор С преобразователя с открытым входом заряжается до напряжения, определяемого суммарным воздействием постоянной и переменной составляющих напряжения т. е. до пикового значения U0 + UM

В том случае, когда необходимо произвести измерение только переменной составляющей применяется вольтметр с преобразователем, имеющим закрытый вход, как это показано на рис.6.11. Принцип работы данного преобразователя практически не отличается от рассмотренного ранее преобразователя с открытым входом. Однако, если в схеме рис.6.8. напряжение снималось с конденсатора и он выполнял роль фильтра, то в схеме рис.6.11. напряжение снимается с резистора, которое является пульсирующим и измерить его непосредственно магнитоэлектрическим прибором затруднительно (при низких частотах заметно колеблется стрелка). Поэтому между резистором R и стрелочным вольтметром включен фильтр нижних частот, пропускающий только постоянную составляющую пульсирующего напряжения.

181

С

Рис.6.11.

Поэтому между резистором R и стрелочным вольтметром включен фильтр нижних частот, пропускающий только постоянную составляющую пульсирующего напряжения.

При измерении напряжений, не содержащих постоянной составляющей, преобразователи с открытым и закрытым входом дают одинаковые результаты: напряжения на конденсаторах в обоих случаях весьма близки к UМ, и показания обоих вольтметров пропорциональны амплитуде измеряемого напряжения.

В случае подачи на вход преобразователя с закрытым входом пульсирующего напряжения он реагирует только на амплитуду переменной составляющей (напряжения, превышающего постоянную составляющую) и показания вольтметра пропорциональны ей. В этом несложно убедиться. Если напряжение uх содержит постоянную составляющую U0 (uх = U0+UMsinωt) , то конденсатор зарядится дополнительно и напряжение на его обкладках увеличится на U0 т.е. Uc=UM+U0 . Однако полярность дополнительной постоянной составляющей напряжения на конденсаторе (-U0) противоположна полярности постоянной составляющей U0, действующей на входе детектора. Алгебраическая сумма этих двух напряжений на нагрузочном резисторе R будет равна нулю, и вольтметр не будет реагировать на постоянную составляющую (Uо входного напряжения. Таким образом, при преобразователе с закрытым входом

182

вольтметр измеряет пиковое значение напряжения без постоянной составляющей, т. е. пиковое значение превышения над постоянной составляющей.

Входные сопротивления у детектора с открытым и закрытым входом неодинаковы. Входное активное сопротивление диодного преобразователя с открытым входом, определяется формулой Rвх. откр.=R/2, а входное сопротивление преобразователя с закрытым входом - соотношением Rвх.закр.=R/3. В том случае, когда схема начинается с детектора, входное сопротивление последнего определяет Rвх всего прибора.

При напряжении на входе детектора, превышающем несколько десятых долей вольта, т. е. когда работа происходит на линейном участке вольт-амперной характеристики диода, рассмотренные диодные детекторы являются пиковыми; при сигналах меньшего уровня вследствие кривизны характеристики детектор становится квадратичным.

Изображенные на рис. 6.8 и 6.11, схемы преобразуют пиковые значения напряжения положительной полярности. Для измерения напряжения отрицательной полярности используют аналогичные схемы, но с тем отличием, что диоды включают противоположным образом: анод и катод меняют местами. Преобразователи пикового значения применены в вольтметрах ВЗ-12, В7-14 и др.

Преобразователь среднеквадратического значения - это преобразователь переменного напряжения в постоянный ток, пропорциональный квадрату среднеквадратического значения измеряемого напряжения.

Как видно из формулы (6.3), измерение среднеквадратического значения напряжения связано с выполнением трех операций: квадрирования (возведения напряжения в квадрат), усреднения и извлечения квадратного корня из результата усреднения (последняя операция обычно осуществляется при градуировке шкалы вольтметра). Следовательно, преобразователь среднеквадратического значения должен обладать квадратичной вольтамперной характеристикой. Такие преобразователи называют квадратичными.

Если в выходную цепь квадратичного детектора включить магнитоэлектрический стрелочный измерительный прибор (микроамперметр) и фильтр нижних частот, то прибор

183

будет измерять постоянную составляющую (среднее значение) тока преобразователя, которая пропорциональна квадрату измеряемого среднеквадратичного значения напряжения.

Для квадрирования можно использовать начальный участок, вольтамперной характеристики полупроводникового диода. Однако в настоящее время подобные решения почти не применяются. Это объясняется малой протяженностью квадратического участка характеристики диода, и нарушением градуировочной характеристики при его замене вследствие существенного отклонения параметров.

В современных квадратичных вольтметрах распространены преобразователи, выполняемые по схеме диодной цепочки. Такая цепочка подобна диодному блоку нелинейной функции одной переменной аналоговых вычислительных машин. Она позволяет получить квадратичную характеристику в результате кусочно-гладкой аппроксимации параболической кривой. Диодная цепочка содержит много диодных элементов (правая часть рис. 6.12, а). Каждый элемент состоит из диода и делителя напряжения на двух .резисторах (рис. 6.12,6). Полагая, что прямое сопротивление диода Rпр≈ 0, а обратное Rобр = ∞, можно считать, что ток через диод отсутствует, пока напряжение подводимого к диоду сигнала меньше напряжения смещения Е (рис. 6.12, в).

Диодные элементы соединяются последовательно (рис. 6.12, а). При этом сопротивления резисторов делителей напряжения, подключаемых к диодам, рассчитаны так, чтобы на каждый последующий диод подавалось смещение большей величины, чем на предыдущий. При подаче входного напряжения на первичную обмотку трансформатора (рис.6.12а) в зависимости от полярности мгновенного значения сигнала ток проходит по цепи либо через диод Д1 либо через диод Д2.. Допустим, что в рассматриваемый момент открыт диод Д1

184

Тогда ток проходит от верхнего зажима вторичной обмотки трансформатора через диод Д1 далее через цепь содержащую переменный резистор стрелочный прибор к средней точке вторичной обмотки трансформатора. Стрелочный прибор зашунтирован резистором R и конденсатором С, образующих фильтр, пропускающий переменную составляющую тока. Диод Д3 при малом входном напряжении закрыт, так как на его катоде действует положительное напряжение смещения. На рис. 6.12,б поясняется принцип работы отдельной диодной ячейки. При подаче входного сигнала диод проводит ток лишь когда сигнал превышает положительное напряжение смещения, действующее на катоде диода – Е. Если подавать на ход (на анод диода) постепенно нарастающее напряжения положительной полярности, то можно снять зависимость тока через диод от

185

напряжения, показанную на рис.6.12 в. Как видно из рисунка, ток диода начинается, когда напряжение на входе превышает напряжение смещения –Е.

i1

u i2 E1

u

i3

●

i1+i2+i3

● i1+i2

E2

E3

E4

Рис.6.13.

Изменяя напряжение смещения подбором сопротивлений делителя, можно смещать положение точки отсечки. Формирование параболической формы вольтамперной характеристики преобразователя, состоящего из четырех диодных цепей показано на рис. 6.13.

186

Подбором напряжений смещения Е1 ….Е4 подбирают необходимые положения точек отсечки четырех диодов. Если напряжение на ходе квадратора превышает Е1 диод Д3 (рис.6.12,а) открывается ток протекает через диод, нижний резистор делителя, далее на корпус и через измерительный прибор к средней точке трансформатора. При дальнейшем увеличении напряжения открывается диод Д4 и следующая диодная цепь становится проводящей и т.д. Токи всех диодных цепей складываются и проходят через измерительный прибор. Последовательное включение диодных цепей позволяет сформировать зависимость суммарного тока от входного напряжения, показанную на рис. 6.13.Следующая полуволна напряжения на входе имеющая отрицательную полярность, открывает диод Д2 (рис.6.12,а). Образующиеся при этом токи протекают так же, как это было рассмотрено ранее.

Преобразователь средневыпрямленных значений напряжения.

Преобразователь средневыпрямленного значения - это преобразователь переменного напряжения в постоянный ток пропорциональный средневыпрямленному значению измеряемого напряжения. Часто подобный преобразователь представляет собой двухполупериодный выпрямитель, сочетаемый с магнитоэлектрическим прибором, который одновременно выполняет две функциипреобразует измеряемую величину в показания и производит операцию усреднения, в соответствии с определением средневыпрямленного напряжения.

Ucp.в = T∫ u(t) dt

0

Наиболее распространена мостовая схема (рис. 6.14.). При положительной полуволне переменного напряжения на входе ток протекает через диод Д1 , через диагональ моста, включающей резистор и стрелочный прибор магнитоэлектрической системы, далее через диод Д3. При отрицательной полуволне диоды Д1 и Д3 закрываются и ток протекает от нижнего входного зажима через диод Д4, диагональ моста (заметим, что в то же направлении), диод Д2, верхний входной зажим.

187

i

Д1 Д2

μА

Д4

Д3

i

Рис.6.14.

Таким образом, осуществляется преобразование переменного напряжение в постоянное пульсирующее. Операция усреднения осуществляется за счет инерционных свойств прибора магнитоэлектрической системы, который как было рассмотрено в главе 4, реагирует на среднее значение тока, протекающего через его рамку.

u

UСР.В

i

Рис.6.15.

На рис. 6.15. показано выпрямленное напряжение при подаче на вход гармонического сигнала, и его средневыпрямленное значение.

Следует отметить, что отклонение стрелки микроамперметра пропорционально средневыпрямленному значению напряжения, подводимого к преобразователю лишь при использовании линейного участка характеристики диодов. Представленные на рис.6.12. и 6.13 графики являются идеализированными. В действительности начальный участок вольтамперной характеристики диода не линеен и может в первом приближении быть аппроксимирован параболой. Однако при достаточно большом входном напряжении (особенно если используется кремниевый диод) кривизну начального участка можно не

188

принимать во внимание и аппроксимировать вольтамперную характеристику ломаной прямой линией. Вывод из сказанного заключается в том, что перед преобразователем в случае если вольтметр проектируется на измерение малых сигналов, обязательно должен стоять усилитель. При выполнении этого условия линейная зависимость между входным напряжением и средневыпрямленным значением будет иметь место при любой форме измеряемого напряжения.

В качестве примеров вольтметров с преобразователями средневыпрямленного значения можно указать приборы ВЗ-10А и ВЗ-28, ВЗ-44, вольтметр в изкочастотном генераторе ГЗ-33 и др.

6.5.Зависимость показаний вольтметров от формы измеряемого сигнала.

Важнейшей метрологической характеристикой вольтметра является его функция преобразования, т.е. зависимость информативного параметра выходного сигнала (считываемого со шкалы) от информативного параметра его входного сигнала. Эту функцию можно представить в аналитическом виде, графическом или табличном. Для вольтметра, так же как для любого прибора, шкала которого проградуирована в значениях измеряемой величины, графически характеристика преобразования представляет собой прямую линию, проходящую под углом 450. В то же время угол отклонения стрелки прибора может быть нелинейной функцией от входного сигнала. Напомним, что в соответствии с материалами главы 4, только приборы магнитоэлектрической системы имеют линейную зависимость между отклонением стрелки и током, создающим вращающий момент. В соответствии с материалами главы 5, цифровые приборы в связи с процедурой квантования имеют ступенчатую функцию преобразования.

В процессе производства стрелочные вольтметры подвергаются процедуре градуировки. Градуировка заключается в подаче измерительного сигнала на вход градируемого прибора, величина которого устанавливается по образцовому средству измерения (рабочему эталону) и нанесения соответствующих отметок и чисел на шкалу. Процесс градуировки поясняется на рис. 6.16.

189

На этой схеме обозначено: Г – генератор сигнала с регулируемым значением амплитуды. Имеется образцовый вольтметр среднеквадратических значений, вольтметры 1, 2 и 3, которые являются градуируемыми. Поскольку вольтметр, расположенный в нижнем ряду, имеет преобразователь среднеквадратических значений так же как и образцовый вольтметр, то их показания должны совпасть. Так например, если образцовый вольтметр показывает 100 В, то 100 В надо написать у той отметки шкалы у которой остановится стрелка градуируемого вольтметра. Вообще шкалы образцового и градуируемого прибора могут иметь разные размеры и различное число делений, но показания в данном случае должны быть одинаковы.

Иначе обстоит дело при градуировке верхнего прибора, у которого имеется преобразователь пикового значения. Как следует из 6.4 для синусоидального сигнала UM = Ka U, где Ka – коэффициент амплитуды, равный для синусоидального сигнала 1,41. Желая проградуировать прибор в пиковых значениях мы должны показания образцового вольтметра умножить на 1,41 и при показании образцового вольтметра 100 В, следует у отметки, где остановилась стрелка написать 141 В. Таким образом градуировочным коэффициентом С1 пикового вольтметра является коэффициент амплитуды, равный 1,41.

190

Градуировочный коэффициент С2 для вольтметра средневыпрямленных значений напряжения можно определить из формулы 6.5. Из формулы следует, что

Uср. выпр.=U/Kф. Так как коэффицент формы для синусоидального сигнала равен 1,11, то градуировочный коэффицент С2 = 1/1,11 =0,9. У соответствующей отметке шкалы следует написать 90 В. Таким же образом градуируются и остальные точки шкал всех трех приборов.

Хотя приборы отградуированы на синусоидальном сигнале, они пригодны для измерений напряжений несинусоидальных сигналов. Следует отметить, что имеются некоторые особенности измерений пиковым вольтметром сигналов содержащую постоянную составляющую, что будет рассмотрено ниже.

Из рис.6.16 и из приведенных пояснений следует, что совсем не обязательно на практике иметь все три вольтметра. Достаточно измерить напряжение любым из них, а остальные два значения могут быть рассчитаны с помощью коэффициентов амплитуды и формы, равных соответственно 1,41 и 1,11. Однако вычисления усложняются, если измеряется несинусоидальный сигнал. В этом случае необходимо знание коэффициентов амплитуды и формы измеряемого сигнала. Если это сигнал какой либо стандартной формы (например, треугольной), то коэффициент амплитуды и формы могут быть вычислены с помощью формул 6.2 и 6.3. или найдены в справочнике. Если же форма сигнала достаточно сложна и вычисления интегралов трудоемки, лучше найти требуемый вольтметр и произвести прямые измерения.

Рассмотрим алгоритм расчета, если коэффициенты амплитуды и формы измеряемого несинусоидального сигнала известны.

1. Предположим, что измерено пиковое значение несинусоидального сигнала с

коэффициентом амплитуды Ка и коэффициентом формы Кф . Знак штрих

означает что речь идет о несинусоидальном сигнале. Коэффициенты амплитуды и формы синусоидального сигнала будем по-прежнему обозначать без штриха.

Если показание пикового вольтметра АM , то в соответствии с формулами 6.4 и 6.5

191

При определении средневыпрямленного значения согласно выражению 6.5 имеем

2.Предположим, что измерено среднеквадратическое значение напряжения того же сигнала. Показание на шкале вольтметра среднеквадратических значений - А. В соответствии с формулами 6.4 и 6.5 имеем:

U M =UKa′ и U ср.в = К1ф/ U

3.Предположим, что измерено средневыпрямленное значение напряжения того же сигнала. Показание на шкале вольтметра средневыпрямленных значений Аср.в. . В

соответствии с формулами 6.4 и 6.5 имеем:

U = Кф′ АСР.В и U M = Ka′U = Ka′Kф′ АСР.В .

Из приведенных выше примеров ясно, что вольтметры трех типов можно использовать для прямых измерений пиковых, среднеквадратических и средневыпрямленных значений напряжения независимо от его формы. Если измерения косвенные, т.е. если имеется вольтметр одного типа, а необходимо определить два остальных параметра напряжения, то осуществляется пересчет на основе показаний прибора

икоэффициентов амплитуды и формы для синусоидальных и несинусоидальных сигналов.

Взаключение обзора методик расчета с помощью коэффициентов амплитуды и формы при проведении косвенных измерений, рассмотрим еще один вариант расчета, который касается случая, когда в вольтметре тип преобразователя и тип шкалы отличаются друг от друга. Такое встречается достаточно часто. Причины, заставляющие разработчиков

192

1.В простых приборах (например тесторах) целесообразно шкалу градуировать в среднеквадратических значениях напряжения поскольку этот параметр наиболее широко применяется в энергетике. Измеряя напряжение в сети мы ожидаем получить результат 220 В, так как 220 в соответствует среднеквадратическому, или как любят говорить энергетики - эффективному значению. Помещать в простейший прибор преобразователь среднеквадратических значений, содержащий большое количество деталей (см. рис.6.12) не целесообразно. Гораздо удобнее поставить выпрямительный мост, показанный на рис. 6.14. Такие устройства выпускаются промышленностью в

магнитоэлектрический прибор, а стрелка, имеющая достаточную длину пересекает несколько шкал. Например, одна шкала служит для индикации величины постоянного напряжения подаваемого на вход прибора, другая среднеквадратического значения переменного напряжения или его средневыпрямленного значения. Помещать в одном приборе несколько преобразователей не целесообразно.

В перечисленных случаях при градуировки шкал с помощью синусоидального сигнала используются коэффициенты амплитуды и формы. Так если применен преобразователь пиковых значений, а шкала градуируется в среднеквадратических значениях, то градуировочный коэффициент определяется следующим образом. На выходе преобразователя пиковых значений при преобразовании напряжения сети 220 В, постоянное

12 и 220 В

пишется у соответствующей отметки шкалы. Читатель может спросить: « А нельзя ли проще? Подать сигнал на вход преобразователя, измерить его образцовым вольтметром среднеквадратических значений и полученную цифру написать на шкале градуируемого прибора? При этом можно вообще не задумываться о величине градуировочного

194

Приведенные примеры показывают, что косвенные измерения, связанные с измерением напряжения несинусоидальных сигналов вполне реализуемы, однако расчеты могут оказаться достаточно трудоемкими, особенно если не известны необходимые коэффициенты амплитуды и формы. Поэтому их лучше избегать. Однако во избежание ошибок, прежде чем измерять напряжение несинусоидальных сигналов, необходимо выяснить тип преобразователя, который применен в выбранном приборе и соответствует ли он типу шкалы.

195

6.6. Измерение уровней напряжения.

Существенной особенностью измерений в технике связи является то, что в подавляющем большинстве случаев подлежат измерениям не абсолютные величины напряжений и токов, а так называемые абсолютные уровни этих величин, определяемые в единицах передачи (децибелах) по отношению к принятым абсолютным нулевым уровням напряжений и токов. Международным консультативным комитетом по телефонии и телеграфии (МККТТ) рекомендованы к применению единицы измерений, определяемые логарифмами отношений мощностей, напряжений или токов. Использование таких единиц существенно упрощает расчеты, поскольку позволяет заменять деление и умножение вычитанием и сложением [2,3].

В настоящее время в таких единицах выражается большинство норм, определяющих качество передачи сигналов по международным и внутренним линиям связи во всех странах мира. В этих же единицах градуируется большое количество измерительных приборов, применяемых в технике проводной связи. Характерной особенностью использования логарифмических единиц является то обстоятельство, что при сравнении результатов отсчета в них, неправомерно говорить, ВО сколько раз один результат больше (меньше) другого, надо говорить, НА сколько он больше (меньше).

Если сказать, например, что затухание (в каких-то логарифмических единицах) выросло вдвое, то нельзя понять физический смысл такого выражения. Для различных цифровых значений затухания, выраженного в логарифмических единицах, рост его величины вдвое даст различные изменения мощности, напряжения или тока, которые затухали. Если же имелось в виду, допустим, уменьшение вдвое величины напряжения (затухание «в разах»), то затухание, выраженное в логарифмических единицах, изменит свое значение не в два раза, а НА логарифм двух, поэтому нужно было сказать, что затухание возросло НА столько-то (в зависимости от употребляемой системы единиц).

6.6.1. Абсолютные уровни по мощности, напряжению и току.

Международный консультативный комитет (еще в то время, когда

196

наибольшее распространение имели воздушные цепи из медных проводов) установил для измерения мощностей, напряжений и токов в логарифмических единицах одинаковое для всех стран начало отсчета, называемое абсолютным нулевым уровнем (аналогично уровню моря для отсчета географических высот). В качестве исходного установлен абсолютный уровень по мощности. За мощность, соответствующую нулевому отсчету в логарифмических единицах, взята мощность в один милливольтампер для кажущихся мощностей и один милливатт для активных мощностей. Выбор этой величины обусловлен, с одной стороны, малыми значениями мощностей сигналов, передаваемых по цепям связи, и, с другой стороны, необходимостью математически удобно связать ее с общепринятыми в электротехнике единицами.

В качестве производных от уровня по мощности установлены: абсолютный нулевой уровень по напряжению 0,775 В и абсолютный нулевой уровень по току 1,29 мА. Эти значения напряжения и тока получены из расчета (с достаточно малой погрешностью), что мощность 1 мВ·А выделяется па сопротивлении 600 Ом по известной формуле

Все другие значения абсолютных уровней по мощности, напряжению и току выражаются с помощью десятичных логарифмов в единицах, называемых децибелами, исходя из формул:

- для уровней по мощности

напряжению, измеряемые вольтметрами, проградуированными в логарифмических единицах и называемыми указателями уровня (УУ) или измерителями уровня (ИУ). Уровни по току используются редко.

В случаях, когда Р>1 мВ·А, U>0,775 В, I>1,29мА, то соответствующие им

197

уровни положительны, если же Р<1 мВ·А, U<0,775 В, I<1,29 мА, то соответствующие им уровни отрицательны. Поэтому, говоря об абсолютных уровнях, следует упоминать знак. Исходя из ф-лы (6.8), нетрудно найти соотношение между уровнями по мощности, напряжению и току, присущими некоторому сопротивлению Z. Так как

Таким образом, абсолютные уровни по мощности, напряжению и току совпадают по величине только на сопротивлении 600 Ом. Если сопротивление больше 600 Ом, то уровень по мощности меньше, чем уровень по напряжению на величину 10lg (Z/600), и на столько же превышает значения уровня по току; если же сопротивление меньше, чем 600 Ом, то уровень по мощности в нем превышает уровень по напряжению на величину 101g(600/Z) и на столько же меньше уровня по току.

Сумма абсолютных уровней по напряжению и по току на некотором сопротивлении цепи всегда равна удвоенному абсолютному уровню по мощности, выделяющейся на этом сопротивлении. Очевидно, что уровень, например, по напряжению, измеренный на каком-то сопротивлении, может быть переведен, скажем, в уровень по мощности только в том случае, когда величина этого сопротивления известна. Из определения абсолютных уровней вытекает весьма важное для расчетов следствие: разность уровней по напряжению определяется логарифмом отношения этих напряжений:

PТ − PТ2 =120lg II1 ,дБ . (6.12).

2

Это следствие особенно удобно применять в случаях, когда соотношение напряжений равно соотношению сопротивлений. Если в качестве исходного взять сопротивление, на котором выделяется мощность 1 мВ·А, не 600 Ом , а, например, 135Ом или 75 Ом (среднее значение волнового сопротивления коаксиальных кабелей), то значения напряжений и токов, соответствующих

198

абсолютному нулевому уровню по мощности (который строго одинаков для всех цепей связи), оказались бы отличными от 0,775 В и 1,29 мА .

Согласно рекомендациям МККТТ за величины, соответствующие абсолютным нулевым уровням напряжений и токов, в настоящее время принимаются синусоидальное напряжение с действующим значением в 0,7750 в и синусоидальный ток со среднеквадратическим значением в 1,290 мА. Эти значения установлены, исходя из номинальной активной мощности 1 мВт и номинального активного сопротивления цепей 600 Ом. В настоящее время, указанные величины являются общепризнанными и практически стандартными при установлении режимов в цепях, градуировке и поверке измерительных приборов и в других подобных случаях.

В соответствии с международными рекомендациями считается, что эти значения универсальны и сохраняют свой смысл при установлении режимов в цепях с различными характеристическими и оконечными сопротивлениями. Однако на практике возникает необходимость принимать за абсолютные пулевые уровни значения напряжений и токов, определяемых из мощности в 1 мВт, но при других величинах номинального активного сопротивления цепей, равных, в частности, 50, 75, 135, 150, 600, Ом. В табл. 6.1 приводятся среднеквадратические значения синусоидальных напряжений и токов, соответствующие нестандартным абсолютным нулевым уровням при мощности в 1 мВт перечисленных номинальных сопротивлениях цепей.

Это обусловливается наличием в эксплуатации измерителей напряжения, проградуированных в единицах передачи относительно напряжений, различных по абсолютной величине. Во избежание недоразумений на шкалах приборов, предназначенных для измерений уровней (ИУ) напряжения, обычно пишут, относительно какого напряжения произведена градуировка приборов в единицах передачи.

199

Таблица6.1

Для перехода от шкал нестандартных измерителей уровней напряжения к стандартным значениям абсолютных уровней напряжения необходимо вводить поправки U, приведенные в табл. 6.2.

Переход от измеренного абсолютного значения уровня по напряжению L, дБ, к

величине напряжения осуществляется по формуле: U =0,775e0,05L . Значение

абсолютного уровня по напряжению совпадает со значением абсолютного уровня по мощности в данной точке при полном сопротивлении Zx, равном активному сопротивлению 600 Ом. При других полных сопротивлениях Zx значение уровня по мощности может быть найдено прибавлением к значению уровня по напряжению в

данной точке поправки, равной:10lg 600 .

Z X

200

6.6.2.Относительные и измерительные уровни

Довольно часто в технике связи оказывается удобным иметь дело не с абсолютными уровнями, а с уровнями (Ротн), отсчитываемыми относительно некоторого уровня (PО), принятого за начальный (соответствующего какой-то норме или имеющегося в какой-то точке цепи, принятой за исходную). Такие уровни называются относительными. Их величина определяется как разность между абсолютным уровнем в данной точке (Р1) цепи и абсолютным уровнем (Ро) соответствующим началу отсчета:

Следует иметь в виду, что при подсчете относительных уровней сохраняют силу формулы раздела, определяющие соотношения уровней по мощности, напряжению и току.

В технике связи широкое применение имеет понятие еще об одном уровне, характеризующемся режимом на входе цепи, так называемом измерительном уровне. Измерительным уровнем (Ризм) в некоторой точке цепи связи называется абсолютный уровень, возникающий в этой точке при подаче на вход цепи тока частотой 800 Гц от генератора, имеющего эдс 2x0,775 В и внутреннее сопротивление 600 Ом. Заметим, что такой генератор на нагрузке 600 Ом выделяет напряжение 0,775 В, т. е. абсолютный нулевой уровень по напряжению.

Графики распределения измерительных уровней вдоль тракта связи широко используются при эксплуатации многоканальных связей.

6.6.3.Единицы передачи.

С понятием об уровнях неразрывно связаны понятия об единицах передачи, определяющих затухание и усиление сигналов и выражающихся, как и уровни, в децибелах.

Уровень характеризует соотношение между мощностью (напряжением или током), выделяющейся в данной, одной точке цепи, и мощностью (напряжением или током), принятой за начало отсчета; единицы же передачи выражают соотношение между мощностями (напряжениями или токами), взятыми в двух различных точках. Это соотношение, поскольку разговор идет о логарифмических единицах, выражается через разность уровней, существующих в упомянутых точках. Так, если

201

абсолютный уровень по мощности равен Рм = 10 lg(P(мВ А)/1), то затухание по мощности равно

αМ = 10lg P1 ,дБ

P2

где P1 - кажущаяся мощность, выделяющаяся в некоторой первой точке цепи на некотором сопротивлении Z1, а Р2 — кажущаяся мощность в некоторой второй точке, выделяющаяся на каком-то сопротивлении Z1. Иначе говоря, αм = 10 (lg P1 - lg Р2) = Pм1 -Pм2, дБ

Соответственно можно считать затухание по напряжению

αН = 20lg UU1 = PН1 − РН2 ,

2

И затухание по току

αТ = 20lg II1 = PТ1 − РТ2 ,

2

Однако, как правило, если нет специальной оговорки, затухание считается по мощности и обозначается просто а с индексом, определяющим, в каких условиях и в каких точках берутся кажущиеся мощности Р1 и Р2. Тогда

6.6.4.Структурные схемы измерителей уровня.

Измерители уровня напряжения кроме градуировки отличаются от вольтметров требованиями к входному устройству. Эти требования обусловлены двумя способами включения ИУ: 1) параллельно уже имеющемуся в цепи сопротивлению; 2) в качестве нагрузки, на которой измеряется уровень напряжения. В первом случае ИУ должен иметь возможно большее сопротивление, чтобы не изменить режим работы цепи и не дать большой

202

погрешности при определении уровня, имевшего место на нагрузке до его подключения. Во втором случае входное сопротивление ИУ делается соответствующим стандартным сопротивлениям для цепей проводной связи: 600, 135 и 75 Ом. Обычно низкоомное входное сопротивление получается подключением с помощью тумблера параллельно входу ИУ резистора с соответствующим сопротивлением. Большое входное сопротивление обычно около

50 кОм.

Часто ИУ имеет две шкалы: одну, проградуированную в абсолютных уровнях напряжения для 600-омной цепи (нулю соответствует 0,775 В), другую для 135-омной (нулю соответствует 0,367 В) или же одну для 135-омной и вторую для 75-омной (нулю соответствует 0,274 В). Входное устройство ИУ, использующихся на воздушных и симметричных кабельных цепях, содержит обычно трансформатор, симметричный относительно земли.

В качестве преобразователей переменного напряжения в постоянное в ИУ применяются либо преобразователя пикового значения напряжения, либо двухполупериодные мостовые выпрямители, обеспечивающие получение средневыпрямленного значения напряжения. Переход к среднеквадратическим значениям осуществляется при градуировке шкалы. Удобнее, если в ИУ использован преобразователь, образующий сразу среднеквадратическое значение напряжения, но обычно такие преобразователи, имеющие квадраторы на полупроводниковых диодах, обладают значительными погрешностями. В настоящее время в качестве таких преобразователей успешно применяются преобразователи термоэлектрического типа. Они обладают тем преимуществом, что позволяют измерять уровни напряжения не только синусоидальной формы, т, е. их показания не зависят от содержания гармоник в измерительном сигнале.

Измерители уровня делятся на два типа: широкополосные и избирательные. Широкополосные ИУ не имеют элементов, обеспечивающих ограничение полосы частот. Они используются в случаях, когда необходимо оценить уровень какоголибо многочастотного сигнала, а также, когда сигнал представляет собой гармоническое колебание, практически не искаженное гармониками и помехами. Избирательные ИУ предназначены для измерения отдельных составляющих многочастотного сигнала, измерений в системах уплотнения в полосе телефонных

203

каналов и частотных интервалах между каналами ТЧ без перерыва связи, измерений больших затуханий и т, п.

Широкополосные измерители уровня подразделяются по классу точности, рабочим диапазонам частот, пределам измерений, входным устройствам (симметричным или несимметричным относительно земли), чувствительности, типам применяемых детекторов.

Структурная схема типового измерителя уровня показана на рис.6.17. Этот прибор обеспечивает измерение уровней напряжения в широкополосном режиме в диапазоне частот 0,5 ... ... 25 МГц и предназначен для проведения измерений в системах передачи организованных по коаксиальному кабелю. Сигнал поступает на вход либо непосредственно на аттенюатор, либо через выносное устройство. Выносное устройство обеспечивает получение высокого входного сопротивления. При его применении активная составляющая входного сопротивления Rвx = 50 кОм, входная емкость 10 пФ. Если выносное устройство не используется, входное сопротивление равно 75 Ом. Применение аттенюатора и последовательно с ним включенного широкополосного усилителя позволяет измерять уровни по напряжению -60 ...+10 дБ при низкоомном входе и -50 ... +25 дБ при высокоомном входе.

Преобразователь выделен в отдельный блок. Преобразование переменного напряжения в постоянное осуществляется с помощью вакуумного термопреобразователя Тп1. Применение термопреобразователя позволяет получать сигнал, пропорциональный среднеквадратическому значению измеряемого напряжения в широком диапазоне частот. В детектирующем устройстве применены следующие меры для повышения его температурной стабильности. Усиление сигнала, полученного с выхода Тп1, осуществляется преобразованием его в переменное с помощью модулятора и генератора.

Переменное напряжение усиливается усилителем звуковой частоты (УЗЧ), имеющим высокую температурную стабильность. Выделение исходного сигнала осуществляется в демодуляторе, работающем по принципу синхронного детектора. Это обеспечивает высокую помехоустойчивость прибора при измерении малых уровней напряжения, близких к -60 дБ. На выходе имеется усилитель постоянного тока (УПТ), усиливающий сигнал и обеспечивающий отрицательную обратную

205

На вход термопары Тп 2 поступает напряжение U3 , снимаемое с выхода усилителя. Ее выходное напряжение равно:

( 6.15.).

Термопары включены так, что образуемые ими ЭДС направлены встречно, следовательно, на вход поступает разностное напряжение U1 −U2 . После усиления разностного сигнала усилителем в К раз, выходной сигнал составит

( 6.16).

Подставив ( 6.15 ) и ( 6.16), получим:

среднеквадратических значениях, то шкала вольтметра будет линейной. Данное обстоятельство благоприятствует и построению логарифмической шкалы в ИУ.

Основной недостаток термопреобразователей заключается в изменении величины ЭДС в зависимости от температуры окружающей среды, особенно при малых значениях измеряемого сигнала. В примененной схеме это явление в значительной степени подавлено, поскольку ЭДС термопар включены встречно.

В рассматриваемом приборе предусмотрен режим повышенной разрешающей способности. Этот режим обеспечивается применением «электронной лупы». В этом режиме увеличивается коэффициент усиления выходного каскада УПТ. На стрелочный прибор одновременно с основным сигналом подается напряжение от источника компенсирующего напряжения ИКН, величина которого подбирается так, чтобы отметка 0 дБ приходилась на средину шкалы. Делитель

206

напряжения 10X1 дБ позволяет «растягивать» любой нормированный участок основной шкалы в пределах ±1 дБ, при этом отсчет ведется по дополнительной (нижней) шкале, цена делений которой 0,05 дБ.

Измерители уровня избирательного типа характеризуются возможностью получения узкой полосы пропускания и «перемещения» ее по частотному диапазону. Избирательные ИУ часто конструктивно объединяются с широкополосными. В этом случае отмечается, что ИУ работает как в узкополосном, так, и широкополосном режимах. Избирательные ИУ различаются по назначению. Так, например, имеются избирательные ИУ, предназначенные для измерения основной составляющей при относительно малых напряжениях помех и гармоник, ИУ для измерения основной составляющей, но при относительно больших напряжениях помех (иногда при отношении сигнал-помеха меньше единицы), ИУ для измерения не только основной составляющей, но и любой другой («составляющей спектра, отличающейся от основной по амплитуде в 1000... 2000 раз, ИУ для измерения только малых и определенных составляющих спектра в присутствии доминирующих сигналов.

Измерители уровня первого типа наиболее просты. Они выполняются иногда с однократным преобразованием частоты. Приборы второго типа значительно сложнее, осуществляются по схеме с несколькими преобразованиями частоты, содержат блоки подавления помех. Измерители уровня третьего типа имеют многократное преобразование частоты, в них принимаются меры по снижению собственных нелинейных искажений и увеличению избирательности. Приборы четвертого типа используются при измерении весьма малых нелинейных искажений по гармоникам или продуктам преобразования частоты в условиях, когда основные составляющие спектра устраняются с помощью специальных фильтров.

Избирательные ИУ характеризуются числом применяемых преобразований частоты и видом продуктов преобразований, используемых в качестве колебаний ПЧ. В современных высококачественных приборах число преобразований частоты иногда доходит до четырех. В качестве колебаний ПЧ используются как суммарная fпр = fг +fс, так и разностная fпр = fг -fс частоты, получаемые на выходе преобразователя частоты, здесь fг - частота гетеродина, fс -частота сигнала. Низкочастотное преобразование с использованием частоты fг < fс.мин применяется только в индикато-

207

рах из-за существенного влияния зеркальных составляющих. Высокочастотное преобразование с fг > fс.макс. используется чаще. В первом случае ПЧ может быть равной fпр = fc± fг, а во втором случае – fпр = fг± fс.

На рис. 6.19. и 6.20 приведены упрощенные структурные схемы избирательных ИУ. На рис. 6.19 представлена схема ИУ с одной ступенью преобразования, а на рис. 6.20. - с двумя. В первой ступени преобразования обычно используется частота гетеродина, превышающая частоту сигнала и fпр = fг- fс. Это позволит избавиться от ряда паразитных составляющих. Многократное преобразование частот производится для повышения избирательности, а также, когда измерения необходимо производить в широкой полосе частот. Следует отметить, что избирательные ИУ требуют определенных навыков работы с ними. В определенных случаях в них могут появляться ложные показания. Для избежания возможных ошибок следует детально знакомиться с особенностями конкретной схемы ИУ и точно следовать рекомендациям заводской инструкции.

Наличие настраивающихся контуров и большого числа фильтров в ИУ избирательного типа с большим числом преобразований частоты не позволяет обеспечивать нижний предел рабочего диапазона менее 1 ... 2 кГц. Избирательные ИУ на рабочий диапазон от десятых долей герца выполняются без преобразования.

Рис. 6.19.

208

Использование преобразования частоты – прием, широко используемый в технике радиоприема для увеличения избирательности. Избирательность по частоте может быть создана лишь с помощью резонансных цепей. Если в устройстве предусмотрена возможность перестройки по частоте, возникает техническая сложность в реализации высокой избирательности. Дело в том, что избирательность, т.е. способность устройства выделять нужные частотные компоненты и подавлять соседние, может быть получена усложнением фильтрующего элемента. Например нужный эффект может быть получен применением системы связанных контуров, однако при этом практически невозможно осуществить перестройку этой системы по частоте. Так же невозможно использовать для этой цели кварцевые фильтры, которые имеют узкую полосу пропускания, но не допускают перестройки.

Преобразование частоты с помощью гетеродина позволяет решить эту проблему. Данный прием широко используется в схемах супергетеродинных радиоприемников. При настройке радиоприемника на определенную станцию перестраивается не колебательный контур резонансного усилителя, а частота гетеродина. Обычно частота гетеродина выбирается более высокой, чем частота сигнала. В преобразователе частоты, как в нелинейном устройстве, возникают комбинационные частоты. Одна из них выбирается как промежуточная, т.е.

fпр = fг- fс . В радиовещании промежуточная частота стандартизирована, она составляет 465 кГц. На эту частоту настраивается усилитель промежуточной частоты (УПЧ). Если, например, необходимо принять станцию, работающую на частоте 1 МГц, частота гетеродина должна выбрана равной 1,465 МГц. В этом случае станция будет принята, так как разностная частота составит 465 кГц. Остальные станции будут подавлены. Если принимается станция, работающая на частоте 2 Мгц, то частота гетеродина должна быть равной 2,465 МГц, а промежуточная частота будет 465 кГц.

Метод преобразования частоты имеет и один недостаток - зеркальные частоты. Зеркальные частоты возникают потому, что кроме разностной частоты fпр =fг- fс в преобразователе частоты возникает разностная частота fпр = fс - fг. Так, если вернуться к рассмотренному ранее примеру, когда частота гетеродина

fг=1,465 кГц, промежуточная частота 465 кГц может быть получена-

fпр =fг- fс=1,465 – 1=465 кГц или fпр = fс - fг= 1,930 – 1,465 = 465 кГц. Таким образом относительно частоты гетеродина fг=1,465 кГц есть две зеркально расположенные

209

частоты 1МГц и 1,930 МГц. Одна из них, например 1 МГц, может быть выбрана в качестве основной, тогда вторая 1,930 МГц является помехой. В радиоприемниках проблема помехи от зеркально расположенной станции решается просто. Ведь «зеркальная» станция отстоит от основной на двойную промежуточную частоту 930 МГц и может быть подавлена с помощью обычного перестраиваемого одноконтурного резонансного усилителя, поскольку высокой избирательности здесь не требуется. Такой усилитель в радиоприемниках устанавливается между антенной и преобразователем частоты.

В избирательных ИУ, в которых применяется многократное преобразование частоты принимаются специальные меры устранения возможных помех за счет соответствующего выбора промежуточных частот на различных ступенях преобразования. Однако в процессе работы с такими приборами могут возникать ложные показания, способы борьбы с которыми обычно указываются в инструкциях по эксплуатации.

Технические и метрологические характеристики широкополосных и избирательных измерителей уровня существенно отличаются. Прежде всего это касается диапазонов уровней в пределах которого эти приборы работают. Обычно широкополосные измерители уровня, работающие в диапазоне 0,5….25 МГц позволяют измерять уровни по напряжению в диапазоне от – 60…..+10 дБ. Избирательные измерители уровня работающие в том же диапазоне частот имеют диапазон измеряемых уровне от -110……..+20 дБ. Это объясняется тем, что при работе в узкополосном режиме, когда полоса частот не превышает 70 -100 Гц, внутренние шумы оказывают минимальное воздействие на процесс измерения. При применении фиксированных частот и специальных методов детектирования удается сместить нижнюю границу диапазона измеряемых уровней до -160 дБ, что составляет всего 5 нВ.

6.6.5. Входные цепи вольтметров и измерителей уровня.

Вольтметры и измерители уровня при подключении к измеряемым цепям должны вносить минимальные изменения в режим работы аппаратуры. Это достигается соответствующим построением их входных устройств.Следует рассмотреть различие симметричного и несимметричного входных устройств. Схема

211

выводах вторичной обмотки напряжения, пропорционального напряжению между проводами линии, симметричных относительно земли (рис. 6.22.). Трансформатор при соответствующей нагрузке вторичной цепи обеспечивает достаточно высокое входное сопротивление, необходимое для подключения ИУ параллельно измеряемой цепи. Для использования ИУ в режиме, когда его входное сопротивление является нагрузкой линии, необходимо обеспечить согласование сопротивлений. В этом случае параллельно первичной обмотке трансформатора подключается с помощью тумблера К соответствующий резистор R. Вторичная обмотка трансформатора для упрощения схемы прибора обычно заземляется. Применение входных трансформаторов существенно ограничивает частотный диапазон работы ИУ из-за снижения входного сопротивления.

К входному сопротивлению прибора предъявляются довольно жесткие требования. При параллельном подключении ИУ к нагрузке измерительной

цепи его входное сопротивление должно быть возможно большим. Точное значение сопротивления здесь не имеет решающего значения. Поэтому в справочниках точное значение сопротивления высокоомного входа ИУ не указывается. Например, для измерителя уровня ИУ-2-2 дано: сопротивление высокоомного входа R ≥ 4 кОм . В том случае, когда ИУ является нагрузкой линии, необходимо точное согласование и к значению входного сопротивления ИУ предъявляются жесткие требования. Кроме того, входное сопротивление должно быть чисто активным. Однако на практике приходится ограничиваться некоторым минимально допустимым значением высокого входного сопротивления (как, например, сопротивлением 4 кОм) и вводить разумные допуски по модулю и

212

углу для низкого входного сопротивления.

Необходимость установления допусков на значение низкого входного сопротивления вытекает из следующего. Допустим, что входное сопротивление прибора равно заданной величине R. Тогда при подключении прибора к цепи с ЭДС Е и внутренним сопротивлением, также равном R, прибор покажет напряжение Uвх

продолжая оставаться чисто активным, отклоняется от заданного номинального значения на m процентов, то напряжение на входе прибора будет U'BX, причем оно относится к UВХ следующим образом:

и, следовательно, погрешность (δR,%) из-за отклонения входного сопротивления прибора от номинального значения входного сопротивления примерно равна

δR ≈ m2 % .Таким образом, допуск по входному сопротивлению можно взять

равным удвоенной допускаемой погрешности по напряжению. Однако эта рекомендация не учитывает наличия реактивной составляющей у входного сопротивления, из-за которой появится своя составляющая погрешности измерения, равная δφ. В этом случае δR должна составлять только часть (например, 0,5 ... 0,7) общей допускаемой погрешности δU за счет отклонения входного сопротивления от номинального значения. Таким образом, должно соблюдаться условие:

или m ≤ δU .

Если принять ошибку из-за реактивной составляющей входного

где U"BX — напряжение на входе прибора при наличии реактивной составляющей входного сопротивления. Соответственно должно соблюдаться условие для допустимого угла сдвига фаз

213

что при погрешности δU=1% соответствует углу входного сопротивления 50. Однако это допустимое значение угла может оказаться завышенным в том случае, когда ИУ подключается к цепи, внутреннее сопротивление которой тоже не является чисто активным. На практике встречаются случаи, когда внутреннее сопротивление цепи имеет угол, доходящий до ±45°. Если допустить наиболее сложный случай, когда углы, соответствующие выходному сопротивлению цепи и входному сопротивлению ИУ, имеют разные знаки, то допуски следует уменьшить. Считаются допустимыми следующие значения углов входного сопротивления φн: для приборов класса точности 2,5 φн = ±2030', класса точности 1,5 φн = = ±1°30' и класса точности φн = ±1°. Таким образом, можно считать, что и допуск по модулю и углу низкого входного сопротивления не должен превышать по абсолютной величине класс точности прибора.

При высоких входных сопротивлениях реактивная составляющая, обусловленная входной емкостью прибора, также приводит к погрешности. Рекомендации по выбору отношения высокого входного сопротивления к низкому n(ZB/ZH) различны для приборов различных классов точности: 4- n>17; 2,5 — n>27; 1,5 — n>45; 1— n>70.

При наличии входного трансформатора, использующегося в схемах, симметричных относительно земли, высокое входное сопротивление и равномерная амплитудно-частотная характеристика довольно трудно обеспечиваются из-за паразитных свойств трансформаторов (емкостей, индуктивностей рассеяния, потерь в сердечнике, асимметрии и т. п.).

Подключение измерительных приборов не должно нарушать симметрию цепи относительно земли. Симметрия приборов относительно земли определяет защищенность приборов от продольных ЭДС, которые наводятся в линии и могут составлять несколько сотен вольт. При идеальной симметрии линии продольные ЭДС поступают на ИУ в одинаковой фазе и компенсируются. При нарушении синфазности ИУ измеряет разностное значение ЭДС. Влияние синфазных продольных ЭДС на процесс измерения и рабочий процесс можно устранить, приняв специальные меры по симметрированию цепей.

Значение асимметрии проводов относительно земли принято выражать

214

величиной модуля отношения разности полных сопротивлений между первым проводом и землей Z13 и вторым проводом и землей Z23 к их полусумме:

Нормирование асимметрии осуществляется с помощью параметра, называемого затуханием асимметрии переменному току, дБ, определяемого с помощью выражения αa = 20gl1OO/Aa.

L

Рис.6.24

Для защиты от продольных ЭДС наиболее существенное значение имеют эквивалентные частичные емкости между обмотками С3 и С4 и в некоторой степени внутренняя емкость С5. При экспериментальной оценке защищенности оба вывода первичной обмотки рассматриваются как эквипотенциальные и в соответствии с этим закорачиваются. Эквивалентная схема входного устройства при испытании представлена на рис. 6.24.б, где Епр—наведенная продольная ЭДС относительно земли, a Z — выходное сопротивление измеряемой цепи. Из рисунка видно, что емкость С4 только шунтирует цепь с наведенной продольной ЭДС на землю; емкость С3 образует цепь, по которой ток вызванный Епр может пройти по вторичной обмотке и создать падение напряжения U2 и ложное показание ИУ. Для оценки защищенности входной цепи следует производить испытания измерительных

215

приборов при закороченной первичной обмотке, как показано на рис. 6.24,6.

Для затухания асимметрии установлены нормы, при разработке которых учитывалось, что напряжение между проводами и землей, вызванное продольными ЭДС, наведенными за счет энергетических систем, может иметь значение 200 ... 250 В. Несмотря на то, что продольные ЭДС имеют частоту 50 Гц, нормы оговаривают для более высоких частот. Величина затухания асимметрии входа измерителя уровня низкой частоты обычно составляет 40 дБ.

6.6.6.Влияние соединительных шнуров на погрешность измерения уровня.

В некоторых случаях на низких частотах и всегда на частотах, превышающих 1,5 МГц, входное устройство ИУ выполняется несимметричным относительно земли. Соединение прибора с объектом измерения осуществляется с помощью шнуров. Влияние соединительных шнуров становится все более заметным при увеличении частоты, так как начинают проявляться присущие им реактивные сопротивления. Особенно заметно влияние соединительных шнуров при частотах свыше 300 кГц, когда начинает дополнительно проявляться фазовая постоянная шнуров. Влияние шнуров проявляется двояко: изменяется входное сопротивление ИУ, изменяется коэффициент передачи, т. е. отношение напряжения на входе прибора к напряжению на входе шнура. Обычно влияние изменения входного сопротивления является доминирующим. Так, например, шнур длиной 1 м с Zc = 75 Ом имеет R = 0,05 Ом, емкость С = 68 пФ, индуктивность L = 0,4 мкГн. Для такого шнура коэффициенты затухания и фазы, определенные из соотношений α = R/2Zc и β = LCω , составляют α = 0,006 дБ и β= 0,033

рад/МГц. Как видно из приведенных данных, влияние затухания, вносимого шнуром, можно практически не учитывать. Если при проведении измерений удалось добиться согласования, то в шнурах наблюдается режим бегущей волны. В этом случае можно считать, что напряжения на входе и выходе шнуров практически одинаковы. При несогласованном включении необходимо учитывать свойства соединительного шнура как линии с распределенными постоянными. Учет влияния шнура на высоких частотах следует производить на основе известных формул для четырехполюсника:

216

где U1 и U2 напряжения на входе и выходе шнура; Z2 — сопротивление нагрузки; γ=α+jβ.

Поскольку входное сопротивление ИУ значительно больше характеристического сопротивления шнура, т. е. Z2>>ZC, выражение (6.23) может быть приведено к виду U1/U2≈chγl. Если учесть, что α≈0, то:

Из соотношения (6.25) видно, что при βl = π/2, cosβl = 0 и на выходе шнура образуется пучность напряжения, причем U2 во много раз превысит U1. На рис. 6.8 приведены графики зависимости относительной погрешности

(U1- U2/U1 ) l00% от частоты для шнуров длиной 1 и 1,5 м. Как видно из графиков, до частот 1,5 ...2 МГц влияние шнуров на отношение напряжений на их входе и выходе мало. Этот вывод справедлив для сравнительно коротких шнуров. Если их длина более 3 м, влияние фазовой постоянной проявится на частотах менее 1 МГц.

217