19

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

Белорусский государственный университет

Информатики и радиоэлектроники

Кафедра метрологии и стандартизации

Реферат

на тему:

"Измерение параметров электрических сигналов электронными аналоговыми приборами"

Минск, 2008

Аналоговый измерительный прибор - измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией изменения измеряемой величины. В этих приборах непрерывная измеряемая величина вызывает подобное ей непрерывное отклонение указателя по шкале, т.е. аналоговая величина представляет собой подобие другой величины. К аналоговым приборам относятся приборы, у которых указатель жестко связан с подвижной частью измерительного механизма.

Содержание

• Измерение напряжения электронными аналоговыми вольтметрами 4
• 2 Аналоговые вольтметры постоянного и переменного тока 5
• 3. Селективные вольтметры 9
• 4 Аналоговые вольтметры сравнения 11
• 5. Компенсатор постоянного тока 12
• 6. Измерители уровня 16
• 7 Зависимость показаний вольтметров от формы измеряемого напряжения 18
• Литература 21

Измерение напряжения электронными аналоговыми вольтметрами

Измерение напряжений в радиоэлектронных схемах существенно отличается от аналогичных измерений в электрических цепях. Для радиоэлектроники характерны: - исключительно широкий диапазон частот измеряемых напряжений (от постоянного напряжения до частот ГГц); - большой динамический диапазон измеряемых напряжений (от долей мкВ до десятков кВ); - большое многообразие форм измеряемых напряжений; - малая мощность источников измеряемых сигналов, что требует очень высокого входного сопротивления вольтметров.

Удовлетворить этим сложным и противоречивым требованиям можно только, применяя электронные вольтметры.

В электронных аналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых электронных устройств в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический ИМ со шкалой, градуированной в единицах напряжения. Обобщенную структурную схему электронного аналогового вольтметра можно представить в следующем виде (рисунок 1):

19

Рисунок 1. - Обобщенная структурная схема электронного аналогового вольтметра

Она содержит в общем случае входное устройство (ВУ), на вход которого подается измеряемое напряжение , измерительный преобразователь (ИП) и измерительное устройство (ИУ). Как видно она соответствует типовой схеме прибора прямого преобразования.

Входное устройство представляет в простейшем случае делитель напряжения (аттенюатор), с помощью которого расширяются пределы измерения вольтметра. Помимо точного деления входное устройство должно обеспечивать и высокое .

Измерительный преобразователь. В качестве ИП в вольтметрах постоянного тока (В2) применяется усилитель постоянного тока (УПТ), а в вольтметрах переменного и импульсного тока (ВЗ и В4) -- детектор в сочетании с УПТ или усилителем переменного тока (в зависимости от структурной схемы вольтметра). В вольтметрах остальных типов преобразователи имеют более сложную структуру. Так преобразователи селективных вольтметров (В6) должны обеспечить, помимо детектирования и усиления сигнала, селекцию его по частоте, а преобразователи фазочувствительных вольтметров (В5) -- возможность измерения не только амплитудных, но и фазовых параметров исследуемого сигнала.

Измерительное устройство - это магнитоэлектрический измерительный прибор.

2. Аналоговые вольтметры постоянного и переменного тока

Структурная схема электронного аналогового вольтметра постоянного тока в соответствии с обобщенной схемой (рисунок 2) имеет следующий вид (рисунок 2):

19

Рисунок 2 - Структурная схема аналогового вольтметра постоянного тока

Основным функциональным узлом таких вольтметров является УПТ. Он в основном и определяет характеристики вольтметра в целом.

Погрешности большинства типов аналоговых вольтметров постоянного тока лежат в пределах ±(1-6) %. Входное сопротивление порядка 10 МОм. Примером является микровольтметр В2-25 (диапазон от 0,5мкВ до 1В). В настоящее время вольтметры постоянного тока разрабатываются как цифровые приборы.

В зависимости от назначения все электронные вольтметры переменного и импульсного тока выполняются по одной из следующих двух структурных схем (рисунок 3), которые различаются типом ИП:

1 С детектором на входе

19

2 С усилителем на входе

19

Рисунок 3. Структурные схемы аналоговых вольтметров переменного и импульсного тока

В вольтметрах первой модификации (рисунок 3, 1) измеряемое переменное напряжение преобразуется в постоянное напряжение , которое затем измеряется вольтметром постоянного тока. В вольтметрах второй модификации (рисунок 3, 2) измеряемое напряжение сначала усиливается с помощью усилителя переменного тока, а затем детектируется и измеряется. При необходимости между детектором и ИУ может быть дополнительно включен УПТ.

Вольтметры первой модификации характеризуются широким частотным диапазоном (до ГГц). Однако чувствительность таких вольтметров ограничивается дрейфом нуля УПТ.

Чувствительность вольтметров второй модификации значительно выше, так как на переменном токе легче можно получить большой коэффициент усиления, чем на постоянном. Однако частотный диапазон таких вольтметров ограничен полосой пропускания усилителя (10 - 15 МГц). Кроме того, усилитель переменного тока является источником нелинейных искажений, которые практически отсутствуют в вольтметрах первой модификации. Вольтметры обеих модификаций могут иметь большой диапазон измеряемых напряжений за счет изменения коэффициента усиления усилителей. На практике широко представлены обе группы вольтметров.

Тип детектора в структурных схемах определяет принадлежность вольтметров обеих модификаций к вольтметрам амплитудного, среднеквадратического или средневыпрямленного напряжения. При этом вольтметры импульсного тока могут иметь ряд особенностей при их структурной и схемной реализации. Во-первых, они проектируются только как вольтметры первой модификации, чтобы избежать искажений формы импульсов в усилителе переменного тока. Во-вторых, при измерении пиковых значений одиночных и редко повторяющихся импульсов применяются либо диодно-емкостные расширители импульсов в сочетании с пиковыми детекторами, либо амплитудно-временное преобразование импульсов. И, наконец, для измерения импульсных напряжений могут использоваться так называемые компенсационные вольтметры, в которых амплитуда импульса сравнивается с калиброванным постоянным напряжением.

Детекторы, применяемые в практических схемах аналоговых вольтметров, классифицируются следующим образом: - по параметру на пиковый, среднеквадратического значения и средневыпрямленного значения. - по схеме входа: детекторы с открытым и закрытым входом по постоянному напряжению. - по характеристике детектирования: линейные и квадратичные.

Шкалы промышленных типов вольтметров независимо от типа детектора градуируются в среднеквадратических (действующих) значениях синусоидального сигнала на частоте 50 Гц. Поэтому градуировка справедлива только при измерении сигналов синусоидальной формы, за исключением вольтметра со среднеквадратическим детектором. Показания этого вольтметра при измерении напряжения любой формы всегда соответствуют среднеквадратическому значению измеряемого напряжения.

Иногда шкалы вольтметров градуируют в относительных значениях (дБ) с использованием соотношения 20lg(), где - измеряемое напряжение;

- нулевой уровень по напряжению, равный 0,775 В на градуировочном сопротивлении 600 Ом.

Для исключения погрешностей, вызванных влиянием паразитных емкостей, клеммы электронного вольтметра и объекта измерения, соединенные с корпусом, должны быть соединены вместе и заземлены. При измерениях напряжения на частотах выше 1 МГц необходимо пользоваться пробником, снижающим частотную погрешность, вызванную и при высоких частотах, а также позволяющим осуществлять измерение непосредственно у объекта измерения.

По сравнению с электромеханическими вольтметрами электронные аналоговые вольтметры имеют следующие достоинства: - широкий частотный диапазон измеряемых напряжений от единиц Гц до ГГц; - слабую зависимость показаний от частоты измеряемого напряжения в рабочем диапазоне частот; - высокую чувствительность, практически постоянную в рабочем диапазоне частот; - широкий динамический диапазон от десятков мкВ до сотен вольт; - малую собственную потребляемую мощность, так как имеют большое входное сопротивление = (10 - 10⁶) МОм; малую = (1 - 4) пФ.

К их недостаткам можно отнести сравнительно большую основную погрешность (2,5 - 4) %, которая возрастает с ростом частоты измеряемого напряжения (на частотах единиц ГГц может возрасти до 25 %) и необходимость вспомогательных источников питания.

При сопоставлении рассмотренных схем вольтметров видно, что нетрудно совместить в одном приборе функции измерения постоянных и переменных напряжений, а путем косвенных измерений обеспечить дополнительно измерение тока. Образуемые таким образом комбинированные приборы получили название универсальных вольтметров (В7). Современные типы универсальных вольтметров проектируются в виде цифровых приборов, что позволяет дополнительно расширить их функциональные возможности (ввести, например, режимы измерения сопротивления, температуры и др.) а также повысить точность.

3. Селективные вольтметры

Рассмотрим типовую структурную схему селективного вольтметра, которую можно представить в следующем виде (рисунок 4):

Как видно из рисунка 4 селективный вольтметр представляет собой по существу супергетеродинный приемник. Частотная селекция входного сигнала осуществляется с помощью преобразователя частоты, который состоит из перестраиваемого гетеродина, смесителя и узкополосного усилителя промежуточной частоты (УПЧ). С помощью УПЧ обеспечивается требуемая избирательность. Если она недостаточна, в вольтметре может быть применено двухкратное, а иногда и трехкратное преобразование частоты. Кроме того, в современных типах селективных вольтметров обязательно наличие системы автоматической подстройки частоты (АПЧ). Высокая чувствительность вольтметра обеспечивается в основном с помощью УПЧ. В остальном структурная схема селективных вольтметров вида В6 не отличается от структурных схем рассмотренных уже вольтметров переменного и импульсного токов видов В3 и В4, за исключением наличия калибратора. Калибратор - это образцовый источник (генератор) переменного напряжения определенного уровня. Он необходим для исключения систематической погрешности из-за изменения напряжения гетеродина при его перестройке, изменения коэффициентов передачи узлов вольтметра, влияния внешних факторов и т. д. Калибровка вольтметра производится перед измерением при установке переключателя П в положение 2.

19

Рисунок 4 - Структурная схема селективного вольтметра

Селективные вольтметры применяются при измерении малых синусоидальных напряжений в условиях действия помех, при исследовании спектров периодических сигналов, при определении АЧХ радиоустройств, при измерениях в линиях связи и в целом ряде других случаев. Диапазон измеряемых значений синусоидальных напряжений от единиц мкВ до единиц В, диапазон частот от сотен кГц до десятков МГц, основная погрешность в пределах ±(10…15) %.

4. Аналоговые вольтметры сравнения

Электронные аналоговые вольтметры сравнения в большинстве своем реализуют наиболее распространенную модификацию метода сравнения, а именно нулевой метод. Поэтому чаще они называются компенсационными вольтметрами.

По сравнению с вольтметрами прямого преобразования они являются более сложными приборами, но и более точными. Более того, так как в момент компенсации , вольтметр не потребляет мощности от источника измеряемого напряжения, а следовательно и не нарушает режима работы исследуемого объекта. Это так же означает, что этими вольтметрами можно измерять не только напряжение, но и Э.Д.С. маломощных источников.

Компенсационные вольтметры применяются для измерения постоянных и переменных напряжений, Э.Д.С. и могут быть электронными и электромеханическими приборами.

В компенсационных электронных аналоговых вольтметрах измеряемое постоянное, переменное, импульсное напряжение сравнивается с постоянным компенсирующим напряжением , которое измеряется вольтметром постоянного тока и является мерой .

Рассмотрим типовую структурную схему компенсационного вольтметра, которая имеет следующий вид (рисунок 5):

19

Рисунок 5 - Структурная схема компенсационного вольтметра

Как видно из рисунка основу вольтметра составляет компенсационный измерительный преобразователь. Этот преобразователь состоит из измерительного диода V с нагрузкой R, регулируемого источника напряжения , усилителя и индикатора с двумя устойчивыми состояниями. При отсутствии индикатор, находится в первом устойчивом состоянии, а при некотором пороговом значении переходит во второе состояние. Процесс измерения как раз и сводится к постепенному увеличению до тех пор, пока индикатор не перейдет во второе устойчивое состояние. Значение , соответствующее моменту перехода, измеряется вольтметром постоянного тока и является мерой . Поскольку этот вольтметр является автономным, он может быть выполнен как высокоточный прибор. В сочетании с другими схемными решениями (применение индикатора с малым пороговым напряжением, измерительного диода со стабильной характеристикой и т.п.) оказывается возможным проектировать высокоточные компенсационные вольтметры переменного и импульсного тока. Недостатком рассмотренной схемы является необходимость установки вручную. Поэтому в части типов современных компенсационных вольтметров схему компенсационного измерительного преобразователя усложняют, обеспечивая автоматическую компенсацию и . Автокомпенсационные вольтметры являются, таким образом, прямопоказывающими приборами и удобны в эксплуатации.

5. Компенсатор постоянного тока

Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемых Э.Д.С. или напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксирует индикатор, имеющий очень высокую чувствительность и реагирующий на очень маленькие токи.

Упрощенная схема компенсатора постоянного тока приведена на рисунке 6.

Одним из основных функциональных узлов любого компенсатора является высокоточный переменный резистор , по шкале которого отсчитывают измеряемое значение Э.Д.С. () или напряжение (). Поэтому компенсаторы называют еще измерительными потенциометрами. В качестве образцовой меры Э.Д.С. применяется нормальный элемент (НЭ) - электрохимический источник, Э.Д.С. () которого известна с очень высокой точностью. Однако ёмкость НЭ невелика, и длительное сравнение в процессе измерений () с невозможно. Поэтому схема компенсатора дополняется источником постоянного напряжения с Э.Д.С. () большой ёмкости. Таким образом для сравнения с () используется не , а падение напряжения на образцовом резисторе , которое создается током от источника - рабочим током (), который перед измерением устанавливается. Процесс измерения () состоит из двух этапов: установки и непосредственно измерения ().

19

Рисунок 6 - Упрощенная схема компенсатора постоянного тока

Для установки требуемого значения переключатель П устанавливается в положение 1 и изменением сопротивления регулировочного резистора добиваются нулевого показания индикатора И. Этому соответствует отсутствие тока в цепи индикатора, что возможно при выполнении равенства . Тогда значение рабочего тока определяется как . Так как и величины постоянные, то и рабочий ток далее в процессе измерений будет оставаться постоянным и следовательно воспроизводить значение .

На втором этапе измеряют значение (). Для этого переключатель П переводится в положение 2, и изменением сопротивления резистора вновь добиваются нулевого показания индикатора И. Так как этому состоянию соответствует равенство и . Таким образом искомое значение () однозначно определяется величиной и может быть отсчитано по шкале потенциометра .

С помощью компенсатора измеряемое () определяется с достаточно высокой точностью и без нарушения работы измерительной цепи, так как в момент измерения ток в ней отсутствует. Погрешность измерения () определяется погрешностями образцовых резисторов и , Э.Д.С. нормального элемента и чувствительностью индикатора. В качестве НЭ применяются насыщенные и ненасыщенные обратимые гальванические элементы, классы точности которых регламентируются в пределах 0,0002-0,02 и в значительной степени определяют класс точности компенсатора в целом. Установочный резистор представляет собой катушку сопротивления специальной конструкции с точно известным и стабильным сопротивлением. Потенциометр выполняется также по специальной схеме, обеспечивающей постоянство при измерении и необходимое число знаков (декад) при отсчете (). Индикатором, как правило, является магнитоэлектрический гальванометр.

Современные компенсаторы постоянного тока имеют классы точности в пределах от 0,005 до 0,2. Верхний предел измерения составляет (1 - 2,5) В, а нижний - единицы нановольт. Для увеличения верхнего предела измерения до нескольких десятков вольт в последних конструкциях компенсаторов вместо нормального элемента применяют высокостабильные источники напряжения с более высоким значением стабилизированного напряжения.

В настоящее время существуют и применяются на производстве автоматические компенсаторы, в которых отслеживается разностное значение с помощью следящей системы. и - это части измерительного сопротивления в начале и конце цикла слежения.

С помощью компенсатора можно также измерять ток, предварительно преобразовав его в напряжение с помощью образцового резистора с известным сопротивлением . Искомое значение тока определится по результатам измерения напряжения из формулы .

Компенсационные методы могут использоваться и для измерения переменных напряжений. Однако в этом случае компенсирующее напряжение необходимо регулировать не только по модулю, но и по фазе. Поэтому такие компенсаторы (потенциометры) имеют более сложную схему, чем компенсаторы постоянного тока, а по точности значительно уступают им из-за отсутствия на переменном токе образцовой меры, аналогичный по своим параметрам НЭ. В настоящее время они полностью вытеснены электронными компенсационными вольтметрами.

6. Измерители уровня

В технике связи, помимо измерения напряжения, актуальной является задача измерения уровня сигналов звукового вещания. Это вызвано тем, что в соответствии с психофизическим законом Вебера-Фехнера громкость воспринимаемого звука находится не в прямой, а в логарифмической зависимости от амплитуды сигнала. Поэтому было введено понятие уровня (N) сигналов. Это, выраженное в логарифмическом масштабе, отношение двух сигналов различной величины. Соответственно приборы, предназначенные для таких измерений, получили название измерителей уровня (ИУ).

Отличием измерителей уровня от вольтметров является градуировка их шкалы в абсолютных уровнях по напряжению (дБ). В некоторых случаях градуировка может быть в абсолютных уровнях по мощности. При этом абсолютным называют уровень, определенный относительно некоторой начальной (нулевой) величины. За эту начальную величину в технике связи принято считать мощность = 1мВт, чему соответствует напряжение В на нагрузке = 600 Ом. Таким образом, уровень сигнала по мощности определяется из выражения

(1)

Соответственно уровень сигнала по напряжению равен

, (2)

Эти уровни и связаны между собой соотношением

,

где - сопротивление реальной нагрузки.

Если берется отношение двух сигналов, не связанных с нулевой величиной, то тогда говорят об относительных уровнях. Относительным уровнем удобно пользоваться при характеристике, например, коэффициентов передачи активных и пассивных четырехполюсников, затухания в трактах передачи сигналов и их отдельных элементах и т.п.

В зависимости от назначения различают широкополосные и избирательные измерители уровня. Причем избирательные ИУ обеспечивают выделение эквивалентной полосы канала тональной частоты 3,1 кГц и шумового канала 1,74 кГц. Структурные схемы измерителей уровня в основном соответствуют схемам вольтметров с детектором на (для широкополосных) и селективных (для избирательных). Однако функциональные узлы их могут иметь ряд специфических особенностей.

Прежде всего, измерители уровня могут иметь как симметричный, так и несимметричный вход относительно земли. Это позволяет подключать измеритель уровня, как к несимметричным, так и к симметричным цепям. Симметричность входа обеспечивается, как правило, с помощью симметрирующего трансформатора. Входное сопротивление измерителя уровня может быть высоким (при измерении ) и низким (при измерении ). Аттенюатор входного устройства градуируется в дБ.

Детекторы измерителей уровня обязательно выполняются по двухполупериодной схеме, поскольку звуковые сигналы, как правило, являются несимметричными. Они имеют линейную характеристику и могут быть пиковыми или средневыпрямленного значения. Пиковые детекторы должны регистрировать как длительные сигналы, так и короткие, при этом сами сигналы звукового вещания имеют нестационарный характер. Поэтому, в отличие от пиковых детекторов вольтметров, в измерителях уровня нашли широкое применение так называемые квазипиковые детекторы, у которых отношение постоянных времени разряда и заряда равно ~10³. Это повышает динамические свойства измерителей уровня, и в тоже время оператор успевает следить за изменением показаний и проводить отсчет уровней.

Для расширения динамического диапазона измеряемых уровней в состав измерителей уровня могут включаться после детектора логарифмические преобразователи измеряемых сигналов (логарифматоры). Теоретически с их помощью можно получить любой динамический диапазон, однако в практических схемах измерителей уровня достаточно обеспечить диапазон порядка 55дБ. Для этой цели применяют логарифматоры с кусочно-линейной аппроксимацией логарифмической характеристики, осуществляемой нелинейными делителями на диодно-резистивных цепочках.

В качестве измерительных устройств в современных типах измерителей уровня применяются магнитоэлектрические измерительные приборы. Тип ИУ определяется конкретными требованиями, при этом они могут быть монофоническими и стереофоническими.

7. Зависимость показаний вольтметров от формы измеряемого напряжения

Как мы уже отмечали, принципиальной особенностью измерения напряжения в радиоэлектронике является большое многообразие форм измеряемых напряжений. Форма напряжения определяет количественную связь между его измеряемыми параметрами. Эта связь характеризуется значениями коэффициента амплитуды и коэффициента формы .

;

В таблице 1 приведены значения и для трёх, наиболее часто встречающихся на практике, форм напряжений.

Таблица 1

19

19

19

Любой вольтметр фактически измеряет только один параметр , определяемый типом детектора. Таким образом, возникае задача определения искомого параметра по показаниям реального вольтметра. Для ее решения необходимо знать правила градуировки шкал аналоговых вольтметров переменного и импульсного тока.

Шкалы промышленных типов вольтметров переменного тока принято градуировать в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. Шкалы импульсных вольтметров, принято градуировать в амплитудных значениях . Таким образом, отсчет со шкалы импульсного вольтметра всегда соответствует .

Если измеряемое напряжение имеет синусоидальную форму, то значения его параметров определяются просто, так как значения и для синусоиды известны ( = 1,41 и = 1,11) и шкала вольтметра также проградуирована по образцовому напряжению синусоидальной формы. При этом значения соответствуют прямо показаниям вольтметра и не нужно никаких пересчетов (прямые измерения). Для определения и измерения становятся косвенными, так как искомые параметры связаны с показаниями вольтметра соотношениями и их необходимо определять

и

Таким образом измерять параметры переменных, особенно несинусоидальных, напряжений нужно с большим вниманием. Применение вольтметров, имеющих детектор не того значения напряжения, которое нам нужно измерить, оправдано только в том случае, если нужный тип вольтметра отсутствует или, если точно известны форма или значения и измеряемого напряжения.

Литература

1. Архипенко А. Г., Белошицкий А. П., Ляльков С. В. Метрология, стандартизация и сертификация. Учеб. пособие. Ч.2. Основы стандартизации. Мн.: БГУИР, 2007.

2. Болтон У. Справочник инженера-метролога. М. Додэка 2002. - 386 с (пер. с англ.).

3. Дерябина М. Ю., Основы измерений. Учебное пособие. Мн., БГУИР, 2001.

4. Елизаров А.С. Электрорадиоизмерения - Мн.: Выш.шк., 2006.

5. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи. - Л.: Энергоатомиздат, 2003.

6. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах: Учебник для ВУЗов. Нефедов В. И. и др.; Под ред. Нефедова В.И. - М.: Высш. шк., 2001.

7. Резин В.Т., Кострикин А.М. Метрология и измерения. Генераторные измерительные преобразователи. Методическое пособие. Мн., БГУИР, 2004.

8. Тули М.. Справочное пособие по цифровой электронике. - М. Энерго-атомиздат, 2000. (пер. с англ.).

9. Электрические измерения /Под ред. А. В. Фремке и Е. М. Душина. - Л.: Энергия, 2000.