Методы радиоизмерений

Работа № 8

Измерение параметров радиокомпонентов

Линейные пассивные двухполюсники – резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности – характеризуются каждый одним основным и рядом паразитных (сопутствующих) параметров. При расчете электронных устройств реальный двухполюсник в ряде случаев заменяется некоторой эквивалентной схемой, содержащей несколько идеализированных компонентов. Вариантов эквивалентной схемы каждого двухполюсника может быть построено несколько, в зависимости от величины параметров и вида сигналов, которые в цепи присутствуют (в основном, в зависимости от частоты). Некоторые из вариантов эквивалентных схем приведены на рисунке 1:

Рисунок 1

Основной параметр резистора (рисунок 1а) – сопротивление R, паразитные, проявляющиеся в цепях переменного тока – индуктивность и емкость. Основной параметр конденсатора (рисунок 1б) – его емкость С, а паразитные – индуктивность L_C обкладок и выводов, а также потери в диэлектрике, характеризуемые в данной схеме некоторым сопротивлением R_C . Для катушки индуктивности основным параметром является индуктивность L, а паразитными – ее собственная (межвитковая) емкость C_L и активное сопротивление провода обмотки R_L. Если циклическая частота сигнала  не слишком велика, так что можно пренебречь величинами L_C и C_L , то схемы 1б и 1в несколько упрощаются.

Рассмотрим некоторые методы измерения основных параметров:

Метод амперметра – вольтметра основан на законе Ома и состоит в измерении силы тока (постоянного или переменного) через радиодеталь при некотором приложенном к ней напряжении. Ток измеряется амперметром, напряжение – вольтметром. При спользовании переменного тока циклической частотой  , пренебрегая паразитными параметрами, можно получить значение основных параметров: L_X = U / I , C_X = I / (U).

При измерении методом амперметра-вольтметра необходимо учитывать, что, в зависимости от схемы подключения, вольтметр показывает падение напряжения не только на измеряемом сопротивлении, а суммарное падение на сопротивлении и амперметре, либо амперметр показывает суммарный ток – через измеряемое сопротивление и вольтметр, что вносит дополнительную (методическую) погрешность.

В приборах для измерения активного сопротивления (омметрах) часто обходятся без вольтметра – используется источник питания с фиксированным известным напряжением, а шкала микроамперметра градуируется непосредственно в Омах. Существуют два варианта схемы такого омметра:

Рисунок 2

Последовательная схема (рисунок 2а) – при R_X = 0 переменным резистором устанавливают в цепи такой ток, чтобы стрелка микроамперметра отклонилась на всю шкалу. При R_X   (т.е. сопротивление не подключено) стрелка не отклоняется, на шкале в этом месте (нуль микроамперметра) рисуется отметка “” . Далее шкалу градуируют, подключая различные образцовые резисторы. Шкала получается обратной, неравномерной со сжатием в конце. Омметры с такой схемой используются для измерения сравнительно больших сопротивлений –до 10 МОм ( пр фиксированном сопротивлении микроамперметра чем больше измеряемое сопротивление, тем меньше относительная погрешность измерения R_X ). Параллельная схема (рисунок 2б) применяется для измерения относительно небольших сопротивлений - до 1 кОм, также из соображений уменьшения методической погрешности. У приборов с такой схемой шкала получается прямой, но также нелинейной.

Линейной может быть шкала электронного омметра – рисунок 3:

Рисунок 3

Если входное сопротивление усилителя много больше R_X , то напряжение на входе усилителя U = E R_X / (R₀ + R_X) , где Е – постоянное напряжение источнка питания. При выполнении условия R₀  R_X получается, что это напряжение U будет прямо пропорционально измеряемому сопротивлению R_X , и шкала проградуированного в Омах магнитоэлектрического индикатора И будет линейна относительно R_X .

Резонансный метод измерения емкости и индуктивности основан на использовании явления резонанса в колебательном контуре. Рассмотрим разновидности метода.

Косвенный метод (рисунок 4):

Рисунок 4

Генератор, слабо связанный с контуром, перестраивают по частоте до достижения резонанса в контуре, что определяется по максимуму показаний электронного вольтметра. Определив резонансную частоту, по формуле Томпсона вычисляют неизвестную емкость C_X . Источники погрешности – неточность установки и нестабильность частоты генератора, неточность первоначального измерения значения (номинала) индуктвности катушки L₀ , а также нестабильность этой индуктивности. Кроме того, в формулу входит общая емкость контура, включающая в себя , кроме C_X , еще и паразитные межвитковую емкость катушки и емкость монтажа, что особенно существенно при измерении относительно небольших емкостей.

Метод замещения. Схема измерения такая же, как в косвенном методе. Включив в резонансный контур измеряемый конденсатор C_X , изменяя частоту генератора. Затем C_X убирают, а на его место устанавливают образцовый проградуированный конденсатор переменной емкости. Изменяя его емкость, вновь добиваются резонанса, и незвестную емкость C_X считывают со шкалы образцового конденсатора. Таким образом из указанных в предыдущем методе источников погрешностей остаются только нестабильности частоты генератора и индуктивности катушки, причем влияние этих нестабильностей может усугубиться, т.к. возрастает время одного измерения. Кроме того, добавляется погрешность, связанная с неточностью градуировки шкалы образцового генератора.

Метод обратного замещения:

Рисунок 5

Используется генератор фиксированной частоты, стабилизированной кварцем, тем самым практически устраняются погрешности, связанные с неточностью установки и нестабильностью частоты.

Частота генератора, индуктивность и образцовый конденсатор подбираются так, чтобы (когда измеряемый конденсатор не подключен) резонанс в контуре наступал при максимальной емкости проградуированного образцового конденсатора переменной емкости C₀. Измерения проводят следующим образом – проверяют настройку контура в резонанс при максимальном значении емкости образцового конденсатора и при необходимост проводят подстройку с помощью вспомогательного подстроечного конденсатора C_П . Далее подключают исследуемый конденсатор параллельно образцовому и, уменьшая емкость последнего на некоторую величину  C₀ , снова добиваются резонанса. Очевидно, что C_X = C₀ . Градуировку шкалы образцового конденсатора удобно производить непосредственно в значениях C_X . Метод двух генераторов позволяет по сравнению с ранее расмотренными значительно повысить точность определения момента резонанса. Схема соответствующей установки (с использованием метода обратного замещения ) приведена на рисунке 6:

Риисунок 6

Введение в контур LC – генератора дополнительного реактивного элемента – емкости или индуктвности – приводит к изменению генерируемой им частоты.

Два идентичных высокочастотных генератора Г1 и Г2 до подключения измеряемого конденсатора настроены на одну частоту. Контроль настройки осуществляется индикатором нулевых биений (см. работу №2) И. Сигнал биений (разностная частота) поступает на индикатор с фильтра нижних частот, который выделяет его из спектра комбинированных частот, выдаваемых смесителем. Сигналы на смеситель поступают через развязывающие усилители У1 и У2. Затем в контур первого генератора вводится измеряемая емкость C_X . Уменьшая емкость конденсатора C₀ , вновь добиваются нулевых биений.

В некоторых автоматических цифровых измерителях емкости используют метод измерения, который можно назвать релаксационным. Зарядив измеряемый конденсатор C_X до некоторого напряжения, подключают его к образцовому резистору R₀ , и измеряют время  , за которое напряжение на конденсаторе уменьшится в е раз. Затем по известной формуле  = R₀ C_X определяется C_X и результат выводится на цифровое табло.