Главная Коллекция "Otherreferats" Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника Метрологические основы измерений в радиотехнике

Метрологические основы измерений в радиотехнике

Понятие об измерениях, терминология и определения. Классификация методов измерений. Электронно-лучевые осциллографы. Общие свойства электромеханических приборов. Статистический метод измерения нелинейных искажений. Преобразователи электронных вольтметров.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид учебное пособие
Язык русский
Дата добавления 06.04.2012
Размер файла 766,6 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Чувствительность ЭЛТ - это отношение отклонения луча на экране hу к напряжению, вызвавшему это отклонение. Различают статическую (низкочастотную) и динамическую (высокочастотную) чувствительности трубки

где - расстояние от отклоняющей пластины до экрана, - длина пластины, - расстояние между пластинами, - отклоняющее анодное напряжение, - частота отклоняющего напряжения, - время пролета электронов вдоль отклоняющих пластин.

При "медленной" развертке (f<<1/t) чувствительности примерно равны, но с увеличением частоты динамическая чувствительность трубки падает. Критической частотой трубки считается такая частота, при которой / =0,707.

Исследуемый сигнал через входное устройство ВУ поступает на вход канала вертикальной развертки Y. Канал Y состоит и предварительного усилителя ПрУ, линии задержки ЛЗ и оконечного парафазного усилителя ОУВ, нагрузкой которого служат отклоняющие пластины Y электронно-лучевой трубки.

Входное устройство осциллографа
ВУ представляет собой калиброванный частотно-компенсированный аттенюатор, предназначенный для ослабления входного сигнала до уровня, обеспечивающего нормальную работу усилителей канала Y и обеспечения требуемых значений входных параметров (Rвх и Свх).

В ряде случаев при исследованиях напряжений переменного тока необходимо исключить постоянную составляющую сигнала. Для этой цели используется так называемый "закрытый" (с разделительным конденсатором) вход осциллографа.

Усилители канала вертикальной развертки

Предварительный усилитель канала Y обеспечивает необходимую чувствительность осциллографа. Это усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления и минимальными амплитудными, частотными и фазовыми искажениями в полосе частот от 0 до 50-100МГц. В нем предусмотрена плавная регулировка усиления (коэффициента отклонения) и смещения электронного луча по вертикали.

Оконечный парафазный усилитель канала ОУВ предназначен для формирования двух противофазных напряжений, достаточных для развертки луча в пределах экрана по вертикали. Для обеспечения линейности развертки максимальное выходное напряжение ОУВ должно не менее чем в три раза превышать требуемое напряжение развертки. В случае необходимости управление каналом может осуществляться от внешнего источника путем подачи напряжения непосредственно на отклоняющие пластины Y.

Канал Х содержит генератор развертки ГР и оконечный усилитель канала горизонтального отклонения ОУГ. Управление (синхронизация) ГР осуществляется блоком выбора синхронизации БВС либо от внешнего источника ("Внешняя синхронизация"). Для этого используется часть исследуемого сигнала, поступающая из канала Y ("Внутренняя синхронизация").

Для организации специальных видов развертки управляющие сигналы могут поступать на пластины Х непосредственно или через ОУГ. Оконечный усилитель по назначению и схеме аналогичен оконечному усилителю канала Y.

Канал Z предназначен для управления яркостью луча ЭЛТ. Он обеспечивает необходимую яркость изображения, осуществляет подсвечивание или гашение части осциллограммы. Установка яркости осуществляется вручную, а подсвет или гашение - автоматически, путем подачи на модулятор ЭЛТ импульсов соответствующей полярности. Канал осуществляет гашение обратного хода луча линейной непрерывной развертки, гашение луча в режиме ждущей развертки при отсутствии исследуемого сигнала и пр.

Калибраторы амплитуды и длительности предназначены для повышения точностных параметров осциллографа. Обычно это генератор прямоугольных импульсов стабильной амплитуды и длительности. При подаче этих импульсов в режиме "Калибровка" на вход канала Y и/или канала Х с помощью специальных подстроечных резисторов осуществляется корректировка соответствующих коэффициентов отклонения. Основная погрешность калибраторов составляет 1-1,5%.

Виды разверток электронного осциллографа

Генератор развертки ГР предназначен для формирования напряжения, вызывающего отклонение луча по горизонтали. Он имеет три режима работы: автоколебательный (непрерывной генерации), ждущий и однократный. Первый режим используется для анализа периодических сигналов с небольшой скважностью, при этом на экране осциллографа наблюдается один или несколько периодов сигнала.

Ждущий режим предназначен для наблюдения импульсных сигналов с большой скважностью. При поступлении запускающего (исследуемого) импульса ГР, находившийся в режиме ожидания, формирует рабочий ход развертки и снова устанавливается в режим ожидания. Следующий запуск развертки происходит при появлении нового входного импульса.

Режим однократного запуска похож на предыдущий. Он предназначен для фотографирования или запоминания одиночных импульсов. Нажатием кнопки "Пуск" ГР запускается очередным входным импульсом. После этого развертка автоматически блокируется и не запускается входными импульсами до нового нажатия кнопки "Пуск".

В ждущем режиме и режиме однократного запуска важную роль играет линия задержки ЛЗ в канале Y .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.29

В реальных осциллографах время прохождения исследуемого сигнала по каналу Y до отклоняющих пластин меньше времени, необходимого для прохождения импульса развертки до пластин Х: tз=tx-ty. В результате этого часть переднего фронта импульса не будет наблюдаться на экране осциллографа (рис.29). Для устранения указанного недостатка ЛЗ задерживает исследуемый сигнал по каналу Y на время tлз >tз.

Из всего разнообразия разверток ЭЛО наиболее распространенной является непрерывная линейная развертка. Напряжение развертки представляет собой пилообразное напряжение Ux, подаваемое на отклоняющие пластины Х (рис.29). Линия развертки горизонтальна и луч перемещается по экрану слева направо с равномерной скоростью. При достижении края экрана напряжение развертки падает до нуля и луч мгновенно (теоретически) возвращается к левому краю ЭЛТ. Далее процесс повторяется и идет непрерывно. При подаче на пластины Y напряжения исследуемого сигнала луч получает дополнительное перемещение в вертикальной плоскости и на экране формируется осциллограмма.

В практических схемах ЭЛО неидеальность формы напряжения развертки создает неравномерность прямого хода и конечное значение длительности обратного хода луча. Для устранения этих недостатков используются схемы линеаризации развертки, а линии обратного хода гасятся с помощью канала Z.

Синусоидальная развертка применяется для измерения фазового сдвига, частоты, параметров модулированных колебаний и пр. Для ее реализации напряжение, подаваемое на вход Х осциллографа изменяется по синусоидальному закону Ux(t)=Umsinщt. Положительная полуволна напряжения развертки перемещает луч от центра экрана к его правой части и обратно, отрицательная - к левой части и обратно к центру. Скорость перемещения луча изменяется по синусоидальному закону, поэтому, хотя линия развертки и представляет собой горизонтальную линию, эта развертка является нелинейной.

При подаче на пластины Y аналогичного синусоидального напряжения с фазовым сдвигом ц, т.е. Ux(t)=Umsin(щt+ц), на экране ЭЛТ будет наблюдаться фигура Лиссажу (в данном случае эллипс).

На основе синусоидальной развертки при равенстве амплитуд напряжений, подаваемых на входы Х и Y и фазовом сдвиге ц=90°, будет реализована круговая развертка. Для этой цели используется фазосдвигающая RC-цепочка.

Круговая развертка применяется для измерения фазового сдвига, для сравнения частот (например, при поверке частотомеров) и др. Исследуемый сигнал при этом подается через канал Z на модулятор трубки и воздействует на яркость луча.

Круговая развертка легко может превратиться в спиральную. В круговой развертке радиус окружности осциллограммы зависит от амплитуд UmX, UmY синусоидального напряжения, подаваемых на входы Х и Y осциллографа. Если эти амплитуды будут постепенно уменьшаться по линейному закону, то на экране ЭЛТ появится изображение спирали.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Такие колебания могут быть получены с помощью амплитудного модулятора. Период спиральной развертки Тс определяется периодом пилообразного модулирующего напряжения. Число витков спирали определяется отношением периода Тс к периоду синусоидального напряжения

, т.е.

Следует отметить, что не смотря на изменение радиуса окружности, каждый оборот спирали проходит за одинаковое время, что создает определенные удобства при проведении измерений.

Синхронизация разверток осциллографа

Для синхронизации развертки необходимо, чтобы ее период был кратен периоду входного сигнала. Выполнение этого условия осуществляется с помощью синхронизации генератора развертки исследуемым сигналом. При этом ГР работает в непрерывном режиме, т.е. независимо от наличия импульсов синхронизации.

Обычно в качестве управляющего устройства в ГР используется мультивибратор, работающий в автоколебательном режиме. Схема и временные диаграммы его работы приведены на рис.30.

Мультивибратор собран на транзисторах VT1 и VT2 с обратной связью через конденсаторы С1 и С2. Синхронизирующие импульсы отрицательной полярности, сформированные из входного напряжения, поступают на базу VT2 через конденсатор С3 и диод VD1.

При отсутствии синхроимпульсов напряжение на базе VT2 изменяясь по экспоненциальному закону в момент времени t2, достигнет нулевого уровня и произойдет перезапуск мультивибратора. Период колебаний Тмв не зависит от исследуемого сигнала и определяется собственными параметрами мультивибратора.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Если в момент времени t1 на базу VT2 поступит синхроимпульс отрицательной полярности с крутым фронтом, то нулевой уровень будет достигнут раньше и период колебаний мультивибратора Тмв = Тгр укоротится и станет кратным периоду следования синхроимпльсов Тсинхр. В данном случае на экране осциллографа будет наблюдаться пять периодов исследуемого сигнала.

Из рисунка видно, что при увеличении напряжения синхроимпульсов Uсинхр в 1,5-2 раза перезапуск мультивибратора может быть вызван четвертым синхроимпульсом. Такая регулировка обычно выводится на переднюю панель осциллографа (ручка "Уровень синхр." или "Стаб.") и позволяет, изменяя в небольших пределах уровень синхроимпульсов, в ряде случаев добиться устойчивой синхронизации.

3. Многолучевые осциллографы

Такие осциллографы предназначены для одновременного наблюдения на одном экране ЭЛТ нескольких сигналов. Наибольшее распространение получили ЭЛО позволяющие одновременно наблюдать два сигнала.

Для получения такого изображения может быть использован двухлучевой осциллограф, содержащий внутри ЭЛТ две электронных пушки со своими системами вертикально и горизонтально отклоняющих пластин. Обычно они имеют общий канал Х, что позволяет наблюдать сигналы в одном масштабе времени. Существенным недостатком таких осциллографов является сложность ЭЛТ.

В настоящее время более распространенными являются двухканальные осциллографы. Они имеют два идентичных канала Y, общие канал Х и однолучевую ЭЛТ. Одновременное наблюдение сигналов обеспечивается с помощью электронного коммутатора, который обеспечивает поочередную подачу сигналов на отклоняющие пластины Y осциллографа.

Электронный коммутатор управляется сигналами с ГР и может работать в одном из режимов: I, II, III, "Прерывисто" и "Попеременно". В режимах I и II на экране ЭЛТ воспроизводится только один сигнал (канал Y1 или Y2), в режиме III можно исследовать сумму или разность двух сигналов. В режимах "Попеременно" и "Прерывисто " (рис.31) переключение каналов осуществляется коммутатором с частотой 100кГц.

В первом случае (рис.31,а) на экране сначала воспроизводится осциллограмма исследуемого сигнала, подаваемого на вход Y1, затем - сигнал канала Y2. Учитывая ограниченность времени послесвечения люминофора ЭЛТ, этот режим приемлем для исследования относительно высокочастотных сигналов. При низкой частоте исследуемых сигналов осциллограмма первого воспроизведенного сигнала может "исчезнуть" до окончания цикла воспроизведения второго сигнала.

В режиме "Прерывисто" (рис.31,б) сигналы каналов Y1 и Y2 переключаются в пределах одного хода развертки с частотой 100кГц. Данный режим используется для наблюдения относительно низкочастотных сигналов. В противном случае осциллограммы сигналов будут содержать недостаточное количество элементов для проведения качественного наблюдения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.31

Перемещение (совмещение) осциллограмм сигналов по оси Yосуществляется регулировками постоянных составляющих сигналов, поступающих на вход коммутатора с соответствующих каналов Y.

VI. Анализ спектра сигналов

Классификация анализаторов спектра

В отличие от осциллографов анализаторы спектра применяются для получения информации о частотных составляющих сигналов. Спектральное представление сигнала дает более полное представление о его форме и качестве радиотракта, через который этот сигнал прошел.

Измерение спектра используется для оценки электромагнитной совместимости, при анализе речевых сигналов, нелинейности РЭА , для оценки искажений импульсных и параметров модулированных сигналов и пр.

Любая функция времени х(t) полностью описывается амплитудами и фазами её частотных составляющих - спектральной функцией вида:

Поскольку измерение проводят в некотором конечном интервале времени Т, то реально можно говорить о текущем спектре который с увеличением Т приближается к истинному.

Для измерения спектра сигнала необходимо измерить амплитуды и частоты его гармонических составляющих. Для этой цели используются приборы, называемые спектроанализаторами (анализаторами спектра). Низкочастотные спектроанализаторы, предназначенные для измерения амплитуд гармонических составляющих, называются анализаторами гармоник.

Параметры модулированных колебаний можно определить по их спектру, но это оправдано только для точных измерений малых амплитуд модуляции. На практике применяют более простые и удобные измерители параметров амплитудной модуляции (модулометры) и частотно-манипулированных сигналов (девиометры).

Классификация анализаторов спектра (группа С4-) осуществляется по разным признакам:

По способу анализа (анализаторы с последовательным, параллельным и смешанным анализом)

По способу выделения спектральных составляющих:

с перестраиваемым режекторным фильтром РФ

Размещено на http://www.allbest.ru/

с помощью гетеродинного переносчика спектра

Размещено на http://www.allbest.ru/

По типу измерительных устройств (с осциллографом или стрелочным измерителем)

По частотному диапазону (НЧ, ВЧ и широкодиапазонные)

По числу одновременно исследуемых сигналов (одно- или многоканальные)

К основным метрологическим характеристикам анализаторов относятся разрешающая способность, время анализа, погрешности измерений f и а. Разрешающая способность анализатора определяется как расстояние между частотами, при которых сигнал на индикаторе уменьшится на 3дБ по сравнению с максимальным значением при бесконечно малой скорости изменения частоты. Время анализа- это скорость анализа в заданном диапазоне частот с допустимыми погрешностями f и а.

Основными методами спектрального анализа являются параллельный и последовательный.

Анализаторы спектра параллельного действия

Исследуемый сигнал одновременно поступает на группу полосовых фильтров ПФ, настроенных на разные частоты. После каждого фильтра включен детектор. Выходное напряжение каждого из каналов снимается с помощью электронного коммутатора, работающего синхронно с разверткой осциллографа.

Число фильтров n зависит от диапазона анализируемых частот F и разрешающей способности фильтров F/f. Известен 73-канальный анализатор с рабочей полосой частот F= 100Гц- 100кГц.

Анализ спектра в широкой полосе частот требует большого числа перестраиваемых ПФ, поэтому несмотря на высокое быстродействие, анализаторы параллельного действия не находят широкого применения на практике.

Анализаторы спектра с последовательным анализом

Такие анализаторы применяются для исследования любых сигналов, спектр которых не изменяется за время анализа. Простейший анализатор последовательного анализа с гетеродинным преобразователем и осциллографическим индикатором показан на рис.33.

На один из входов смесителя См поступает исследуемый сигнал Ux(t), на другой - сигнал с генератора качающейся частоты ГКЧ.

Частота генератора изменяясь по закону

перемещает спектр сигнала относительно частоты настройки усилителя промежуточной частоты УПЧ fпч c полосой пропускания fф. В результате этого на выходе УПЧ последовательно будут выделяться составляющие спектра сигнала при выполнении условия

где =1,2,3,…- номера гармоник.

Спектральные составляющие через детектор поступают на вход усилителя вертикального отклонения УВО и далее- на отклоняющие пластины Y ЭЛТ. При этом ширина элементов спектрограммы будет равна полосе пропускания УПЧ fф.

Отклонение луча по горизонтали осуществляется генератором развертки ГР и усилителем горизонтального отклонения УГО.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Генератор развертки также синхронизирует частоту качания ГКЧ. Благодаря синхронной развертке отклик каждой спектральной составляющей последовательно воспроизводится на экране ЭЛТ. При этом горизонтальная развертка соответствует оси частот спектрограммы.

Если развертка калибрована в единицах частоты ( с помощью генератора меток ГМ), а коэффициент передачи анализатора от входа до пластин Y известен, то полученная осциллограмма будет соответствовать амплитудному спектру сигнала.

Время анализа tа=1/f в интервале частот F увеличивается в F/f раз по сравнению с анализатором параллельного действия и составляет

В остальном преимущества анализаторов последовательного действия несомненны: простота конструкции, надежность и высокая разрешающая способность.

Погрешность анализа складывается из погрешности калибровки анализатора, неравномерности АЧХ, погрешности аттенюаторов, влияния собственных шумов.

VII. Измерение нелинейных искажений

Изменение формы гармонического сигнала, возникшее в результате прохождения его через устройство, содержащее нелинейный элемент называется нелинейными искажениями. Нелинейное преобразование сигнала может быть полезным (например, при детектировании), а может быть и вредным (например, в усилителях).

Наличие нелинейных искажений проявляется в появлении в выходном сигнале новых гармоник и комбинационных составляющих, а также составляющих, изменяющихся по случайному закону. Нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник

равным отношению среднеквадратического напряжения высших гармоник сигнала к среднеквадратическому значению напряжения первой гармоники .Коэффициент гармоник характеризует отличие формы анализируемого сигнала от гармонической.

Широко распространенные измерители нелинейных искажений по ряду причин измеряют так называемый коэффициент нелинейности

(%)

равный отношению среднеквадратического значения напряжений высших гармоник к среднеквадратическому значению напряжения всех гармоник, т.е. к полному сигналу.

Обе приведенные формулы связаны соотношением

Из последней формулы видно, что при оба выражения дают практически одинаковые результаты (различие менее 1%).

Различают три основных метода измерения нелинейных искажений:

гармонический метод (метод подавления основной частоты)

метод измерения по комбинационным частотам

статистический метод

Гармонический метод измерения нелинейных искажений

Наиболее распространенным на практике является гармонический метод, реализуемый двумя способами - аналитическим и интегральным.

Аналитический способ основан на реализации формулы (10) и осуществляется по следующему алгоритму:

гармонический сигнал с измерительного генератора через анализируемый объект подается на анализатор спектра или анализатор гармоник

с помощью анализатора спектра оценивают абсолютные или относительные уровни каждой из высших гармоник и первой гармоники

затем по формуле (10) рассчитывают Кг.

При использовании анализатора гармоник (или селективного вольтметра) настройку на каждую гармонику осуществляют вручную. Аналитический способ весьма трудоемок и применяется для оценки роли каждой гармоники в отдельности.

Интегральный способ реализует формулу (11) и позволяет оценить совокупное влияние высших составляющих сигнала. Этот способ часто называют способом подавления напряжения основной частоты.

Измерения проводят с помощью измерителей нелинейных искажений, работающих в диапазоне от 10Гц до 1МГц. Структурная схема измерителя приведена на рис. 34.

Исследуемый сигнал поступает на входное устройство ВУ, содержащее разделительный конденсатор для исключения постоянной составляющей сигнала, и аттенюатор для изменения уровня входного сигнала.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Устройство автоматической регулировки усиления АРУ предназначено для усиления и поддержания определенного уровня сигнала на выходе при изменении входного напряжения. Таким образом на вход перестраиваемого режекторного фильтра РФ всегда поступает весьма точно известное исследуемое напряжение, соответствующее 100%-ному Кн. В более ранних моделях измерителей для этой цели применялся режим "Калибровка", предусматривавший ручную установку требуемого уровня напряжения на входе РФ ("100%").

Перестраиваемый режекторный фильтр РФ предназначен для подавления напряжения первой гармоники (основной частоты). Это осуществляется с помощью заграждающего RC- фильтра, включенного в цепь обратной связи усилителя. Фильтр настраивается до получения минимального выходного напряжения.

В ранних моделях измерителей настройка РФ осуществлялась ручным способом ступенями (кратными 10) и автоматически в пределах декады с помощью специальной системы АРУ. В современных моделях измерителей имеется встроенный частотомер, измеряющий частоту основной гармоники. При этом выходной цифровой код частотомера управляя ЦАП, входящим в состав активного РФ, настраивает фильтр на требуемую частоту.

После РФ исследуемый сигнал без первой гармоники подается на среднеквадратический преобразователь с магнитоэлектрическим индикатором. Шкала индикатора градуируется непосредственно в значениях Кг. В некоторых современных моделях измерителей напряжение высших гармоник измеряется цифровым СК- вольтметром с автоматическим переключением пределов. Параметры АРУ и РФ подбираются так, что показания ЦВ численно равны значению Кг.

Например, измеритель нелинейных искажений автоматический С6-11 предназначен для автоматического измерения коэффициента гармоник Кг=0,03(0,1)-30% в диапазоне частот от 20Гц до 199,9кГц. Прибор измеряет также среднеквадратическое значение напряжения переменного тока в диапазоне частот от 20 до 106 Гц. В режиме измерения коэффициента гармоник прибор может измерять частоту входного сигнала в диапазоне частот от 20Гц до 199,9кГц.

Измерение нелинейных искажений по комбинационным частотам

При малых значениях нелинейных искажений (менее 1%) начинают сказываться собственные нелинейности измерительного генератора и измерительных приборов, которые определяют разрешающую способность измерений. В этом случае используется комбинационный метод, позволяющий снять требование малости собственных нелинейных искажений измерительной аппаратуры. Суть метода состоит в расчете Кг по результатам измерений комбинационных искажений.

При подаче на вход исследуемого объекта ИО сигнала в виде суммы двух гармонических составляющих (рис.35) и на выходе, кроме составляющих с теми же частотами и их гармоник с частотами nf1 и nf2 (n?2), появляются также комбинационные составляющие с частотами kf1 mf2 (k,m?1).

Коэффициент комбинационных искажений для каждой комбинационной составляющей определяется при равенстве амплитуд сигналов измерительных генераторов Г1 и Г2 по формуле

где - амплитуда -ой составляющей выходного сигнала (= k m). Используя анализатор спектра или перестраивая селективный вольтметр СВ, можно измерить , , а также .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Коэффициент гармоник вычисляется по результатам измерений комбинационных составляющих и их гармоник по формуле

Статистический метод измерения нелинейных искажений

Этот метод позволяет наиболее полно охарактеризовать нелинейные свойства объекта в условиях максимально приближенных к рабочим. В качестве источника сигнала используется низкочастотный генератор шума ГШ (рис.36) с равномерным спектром в диапазоне рабочих частот исследуемого объекта fмакс - fмин.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Напряжение шума подается на режекторный фильтр РФ, с помощью которого из спектра входного сигнала вырезается узкая полоса составляющих сигнала, расположенных вокруг его средней частоты fср.ф полосы пропускания. На выходе исследуемого объекта ИО в этой полосе появляются составляющие выходного сигнала, являющиеся продуктами нелинейности. Напряжение этих составляющих Ufср.ф измеряют селективным вольтметром СВ, настроенным на частоту fср.ф. Напряжение полного сигнала Uпс на выходе ИО измеряют широкополосным среднеквадратическим вольтметром СВ. Значение нелинейности, измеренной статистическим методом определяется по формуле

С помощью набора РФ с различными частотами настройки можно построить зависимость во всем диапазоне рабочих частот ИО.

VIII. Измерение частоты и интервалов времени

Развитие многих направлений науки и техники определяется достигнутой точностью измерения частоты и времени.

Из семи основных физических величин эталоны времени и частоты являются самыми точными.

В настоящее время Государственный первичный эталон времени и частоты обеспечивает воспроизведение секунды и герца со среднеквадратической погрешностью не более 10-13.

Особенность частоты состоит в том, что ее эталонное значение может быть передано на рабочее место, минуя промежуточные этапы передачи размера частоты.

Для этого используются каналы радиовещания и телевидения. Приборы для сличения частот в настоящее время выполняются в виде приборов общего применения.

С помощью этих приборов осуществляется начальная установка и синхронизация всех часовых систем по сигналам эталонных частот и сигналам точного времени, передаваемым радиостанциями Государственной метрологической службы РФ.

Используемые в радиотехнике частоты, простираются от 10-3 до 1012Гц и более. Их условно можно разделить на

низкочастотные (инфразвуковые)- менее 20Гц

звуковые частоты 20Гц - 20кГц

ультразвуковые 20кГц - 200кГц

высокочастотные - более 200кГц

В настоящее время Международный консультативный комитет по радио (МККР) упорядочил разделение спектра частот, применяемых для радиосвязи, радиовещания, телевидения. Этот спектр разбит на 9 полос, внутри которых частоты меняются в 10 раз.

Полосы обозначаются от 4 до 12. Например.

Номер полосы

Диапазон частот

Сокращенное обозначение

по частотам

по длинам волн

4

3 - 30кГц

ОНЧ (VLF) - очень низкие

СДВ

5

30 - 300кГц

НЧ (LF) - низкие

ДВ

6

300 - 3000кГц

СЧ (MF) - средние

СВ

7

3-30МГц

ВЧ(HF) - высокие

КВ

В радиотехнике чаще всего измеряется частота, реже период и длина волны. Учитывая, что измерения частоты проводятся с наибольшей точностью, многие физические величины (напряжение, температура, давление и пр.) с помощью измерительных преобразователей превращаются в частотно-временные параметры. Согласно ГОСТ15094 приборы для измерения частоты и времени относятся к группе Ч- и подразделяются на

Ч1 - установки для поверки измерителей частоты, воспроизведения образцовых частот, сличения частот сигналов

Ч2 - частотомеры резонансные

Ч3 - частотомеры электронно-счётные

Ч4 - частотомеры емкостные, гетеродинные, мостовые

Ч5 - преобразователи частоты сигнала

Ч6 - синтезаторы частоты, делители и умножители частоты

Ч7 - приёмники сигналов эталонных частот; компараторы частотные, фазовые, временные

Ч9 - преобразователи частоты

Приборы для измерения частоты СВЧ диапазона называют волномерами (т.к. они измеряют длину волны).

В зависимости от диапазона частот и требуемой точности используются следующие основные методы измерения:

метод сравнения - осциллографический, гетеродинный (метод нулевых биений)

конденсаторный

резонансный

метод дискретного счёта

Метод сравнения

Этот метод получил широкое распространение благодаря своей простоте и универсальности. Измеряемая частота fx определяется по равенству или кратности образцовой частоте fo. Следовательно, для реализации метода сравнения необходим источник образцовой частоты и индикатор равенства или кратности частот fx и fo. Индикатором может служить осциллограф или нелинейный преобразователь частоты. В соответствии с этим метод сравнения делится на две вида: осциллографический и гетеродинный.

Осциллографический метод

Область применения метода ограничена только полосой пропускания ЭЛТ. Измерения могут проводиться при следующих видах развёртки: линейной, синусоидальной и круговой.

Линейная развёртка

Напряжение измеряемой частоты fx подают на вход канала Y, а сигнал с генератора меток fo - на вход канала Z. На экране ЭЛТ устанавливают несколько периодов измеряемой частоты и регулируют частоту меток так, чтобы их изображение попадало в одну и ту же точку каждого периода (рис.37). В этом случае измеряемая частота fx=fo/n, где n- число меток, находящихся в пределах одного периода исследуемого сигнала ( в данном случае n=10 и fx=0,1fo).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 37

Точность измерений определяется точностью и стабильностью образцовой частоты (частоты меток).

Более простым вариантом является использование собственного калибратора длительности осциллографа. После калибровки канала Х осциллографа на вход Y подают исследуемый сигнал и получают неподвижное изображение 1-2 периодов. Частота сигнала определяется по формуле

где - масштаб времени осциллографа, - число делений осциллограммы, занимаемых одним периодом сигнала.

Синусоидальная развёртка

При синусоидальной развёртке измеряемая частота подается на канал Y, образцовая - на канал Х (генератор развертки отключен). Изменяя образцовую частоту получают неподвижную или медленно вращающуюся фигуру Лиссажу. При равенстве частот получается линия, эллипс или круг в зависимости от фазовых соотношений.

В общем случае

где - число пересечений с горизонтальной осью (проходящих не через узел), - число пересечений с вертикальной осью. Практически выбирается кратность не более 10.

В качестве примера на рис.38,а изображены фигура Лиссажу с ny=2 и nx=2, т.е. , на рис.38,б ny=4 и nx=2, т.е. .

Следует заметить, что форма фигуры Лиссажу зависит от фазового сдвига между частотами , при этом число пересечений осей Х и Y не изменяется.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Круговая развёртка

Круговая развертка реализуется при подаче на вход Х осциллографа напряжения образцовой частоты , а на вход Y- этого же напряжения, но сдвинутого на 900, т.е. . Обычно сдвиг частот осуществляется с помощью фазосдвигающей цепи на входе осциллографа.

Напряжение измеряемой частоты подается на канал модуляции яркости луча Z. При этом если частоты fx > f0 и относятся как целые числа, то на экране ЭЛТ появятся светящиеся дуги (рис.39). Если fx < f0, то источники частот нужно поменять местами.

Число светящихся меток (дуг) равно кратности частот k= fx /f0, откуда .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Осциллограмма неподвижна только при точном равенстве или кратности частот. В противном случае она вращается со скоростью, пропорциональной разности частот fx и f0.

Данный факт используется при настройке частоты fкг кварцевых генераторов цифровых частотомеров. Сигнал эталонной частоты, принимаемый по радиоканалу обеспечивает круговую развертку на ЭЛТ. Подавая частоту fкг на вход канала Z, подстройкой генератора добиваются остановки или медленного вращения осциллограммы. В этом случае частота fкг будет с высокой точностью равна или кратна эталонной частоте.

Гетеродинный метод

Суть этого метода, позволяющего измерять частоту с высокой степенью точности (10-5-10-6), заключается в сравнении исследуемой частоты с частотой перестраиваемого гетеродина, который заранее отградуирован. Такие приборы относятся к группе Ч4 и называются гетеродинными частотомерами. Их область применения - диапазон высоких и сверхвысоких частот.

Функциональная схема гетеродинного частотомера приведена на рис.40.

В положении переключателя "Калибровка" осуществляется градуировка гетеродина Гет по кварцевому генератору КГ. Гетеродин представляет собой перестраиваемый LC- генератор высокой стабильности, а кварцевый генератор настроен на фиксированную частоту fкв.

Частоты обоих генераторов подаются на смеситель См - нелинейный элемент, на выходе которого появляются комбинационные частоты nfг mfкв. Установив на шкале гетеродина опорные значения частот, соответствующие кварцевым опорным точкам, плавно подстраивают частоту гетеродина до появления "нулевых биений" (частот порядка 20Гц). Для повышения чувствительности используется усилитель УНЧ.

Опорные частоты ( при nfг = mfкв, где n и m - любые целые числа) фиксируются индикатором Инд, качестве которого может быть использован телефон, стрелочный прибор, осциллограф, светодиод и т.п.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В режиме "Измерение" на смеситель подаются измеряемая частота fх и частота гетеродина fг. Равенство частот так же определяется по нулевым биениям f>0. Отсчет показаний производится по градуированной шкале гетеродина.

Погрешности гетеродинных частотомеров определяются погрешностью кварцевого генератора и градуировки гетеродина, точностью фиксации равенства частот.

Гетеродинные переносчики частоты используются для расширения частотного диапазона цифровых частотомеров в сторону высоких частот. Функциональная схема переносчика аналогична приведенной, только к выходу смесителя подключается электронно-счетный частотомер. Целью настройки гетеродина в этом случае является снижение измеряемой частоты до области рабочих частот частотомера. Например, частота 10ГГц не может быть измерена большинством цифровых частотомеров. Настроив гетеродин на частоту fг=9,9..9,0ГГц на выходе смесителя получим разностную частоту f=0,1-1ГГц. Зная частоту настройки гетеродина и измерив f частотомером можно определить частоту fх.

Конденсаторные частотомеры

Конденсаторные частотомеры, реализующие метод заряда и разряда образцового конденсатора, так же относятся к группе Ч4-. Принцип работы заключается в измерении тока конденсатора, переменно переключаемого с заряда на заряд с частотой измерений (рис.41).

Конденсатор С0 с помощью ключа (положение1) заряжается от источника GB через токоограничивающий резистор R до напряжения и разряжается через магнитоэлектрический прибор (положение 2) до .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Следовательно, количество электричества подводимое к конденсатору и отдаваемое прибору за один такт переключения

где

Если частота переключений за 1 секунду равна , то

т.е. ток протекающий через прибор прямо пропорционален .

Частотомеры этого типа используются на частотах 10-106Гц и обеспечивают погрешность 2-3%. Для увеличения точности измерений в частотомеры встраиваются калибровочные генераторы образцовой частоты. В качестве примера можно привести частотомер Ч4-7.

Резонансные частотомеры

Резонансный метод заключается в настройке предварительно откалиброванного резонансного контура на измеряемую частоту. Резонансные частотомеры, относящиеся к группе Ч2, применяются в основном в диапазоне ВЧ и особенно СВЧ. Это объясняется тем, что в низкочастотных диапазонах есть более простые методы изменения частоты.

Структурная схема частотомера и упрощенный вариант ее реализации приведены на рис.42,а,б. Источник измеряемой частоты через входное устройство (элемент связи L1) соединяется с прецизионным резонансным контуром ПРК, который настраивается на резонанс с измеряемой частотой fх.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Момент резонанса фиксируется по максимальному показанию индикатора, соединенного с ПРК через другой элемент связи L2. Результат измерения считывается с градуированной шкалы механизма перестройки конденсатора переменной емкости. Если шкала механизма градуирована в длинах волн, то такой прибор называют резонансным волномером.

Источники погрешности резонансного частотомера: погрешность градуировки, нестабильность параметров схемы, неточность фиксации резонанса. Последняя погрешность зависит от добротности контура ПРК (рис.42,в) и определяется зависимостью

где - напряжение резонанса, -напряжение при расстройке контура на частоту f.

Резонансные частотомеры с сосредоточенными параметрами используются до частоты 100МГц и в настоящее время вытесняются цифровыми частотомерами. Частотомеры с распределенными параметрами широко используются в диапазоне СВЧ (до 16ГГц) и имеют погрешность порядка 0,05%.

4. Метод дискретного счета

В современной измерительной технике метод дискретного счета, на основе которого строят цифровые (электронно-счетные) частотомеры, является доминирующим. Это обусловлено весьма широким диапазоном измеряемых частот (10-32·109Гц), высокой точностью, цифровой индикацией результата, удобством сопряжения с МПС и ИВК.

Цифровые частотомеры являются многофункциональными приборами: помимо частоты они измеряют период сигнала, длительность импульсов, интервалы времени, отношение и разность частот, число импульсов и т.д.

Измерение частоты

Суть метода заключается в подсчёте числа импульсов N, следующих с неизвестным периодом , прошедших через калиброванные во времени временные ворота длительностью . Число импульсов , откуда можно определить значение измеряемой частоты . Следовательно алгоритм измерения частоты предусматривает выполнение следующих операций:

формирование временных ворот длительностью

заполнение временных ворот импульсами, следующими с измеряемой частотой

подсчет числа импульсов N, попавших во временные ворота

вычисление соотношения .

Согласно этому алгоритму измерение частоты не импульсных последовательностей (например, синусоидальной формы) требует промежуточного преобразования исследуемого сигнала. Он может быть преобразован в последовательность коротких импульсов, моменты появления которых соответствуют началу периодов исследуемого сигнала, либо в последовательность импульсов, соответствующих положительным полупериодам исходного сигнала.

Структурная схема цифрового частотомера и временные диаграммы его работы в режиме измерения частоты показана на рис.43.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Напряжение измеряемой частоты f0 поступает на входное устройство ВУ частотомера, представляющего собой частотно-компенсированный аттенюатор. Формирующее устройство ФУ1 преобразует исходную последовательность в последовательность коротких импульсов. В состав ФУ1 входит усилитель-ограничитель с дифференцирующей цепочкой (или триггер Шмитта), что позволяет исключить зависимость выходного сигнала ФУ1 от амплитуды напряжения измеряемой частоты.

Временной селектор ВС пропускает измеряемые импульсы в течение длительности временных ворот Т0, формируемых узлом формирования и управления УФУ из частоты f0 кварцевого генератора КГ.

Частота КГ обычно равна 1 или 5МГц, поэтому для получения требуемой длительности Т0 используют декадные делители частоты ДЧ, на выходах которых формируются частоты в 10q раз ниже частоты генератора. Поэтому длительность временных ворот (времени счета) можно установить декадными ступенями от 10-6-10с.

В результате этого на электронный счетчик СТ поступит импульсов. Эта информация с помощью дешифратора и УФУ будет показана устройством отображения информации УОИ (светодиодные индикаторы, ЖКИ- дисплей и пр.).

Погрешность измерений определяется главным образом нестабильностью частоты КГ(10-8 - 10-9) и погрешностью за счёт несинхронности измеряемых импульсов и временных ворот (погрешностью дискретности). Причем вторая составляющая является доминирующей.

Погрешность дискретности обратно пропорциональна числу импульсов N, прошедших в счетчик СТ за время Т0

Полученное выражение позволяет определить необходимое время счета (длительность Т0), обеспечивающее необходимую точность измерения f частоты fх. Так, чтобы измерить частоту 10кГц с точностью 0,1%, необходимо установить "время счета" на частотомере не менее 0,1с. Измерение частоты 1кГц с точностью 0,01% потребует Т0=10с, что в ряде случаев невозможно из-за высоких требований к временной стабильности источника измеряемой частоты.

Можно указать ряд способов уменьшения погрешности дискретности:

увеличение длительности временных ворот (требует большого времени измерения)

применение умножителей измеряемой частоты

синхронизация фронта временных ворот с измеряемой частотой (уменьшение погрешности в раз)

измерение периода синусоидальных колебаний с последующим пересчетом в частоту

применение специальных устройств для измерения погрешности дискретности.

Решением проблемы в частотомерах с жесткой логикой (без микропроцессора) является переход на измерение периода низкочастотных сигналов с дальнейшим вычислением fх по известной формуле (4й способ).

Измерение периода

Принцип измерения аналогичен рассмотренному принципу измерения частоты. Разница состоит в том, что ВС открывается импульсом, сформированным из входного сигнала, а считаются метки времени, полученные из частоты КГ.

Функциональная схема и временные диаграммы частотомера в режиме измерения периода показаны на рис.44.

Входной сигнал с помощью ФУ1 преобразуется в прямоугольный импульс длительностью Тх (или nТх после деления декадным ДЧ), поступающий на вход ВС. На другой вход ВС подаются счетные импульсы (метки времени) КГ.

Число импульсов, прошедших в счетчик СТ, является мерой измеряемого периода Тх. Аналогичным образом можно получить значение доминирующей погрешности дискретности частотомера в режиме измерения периода

Из формулы следует, что измерение периода целесообразно только в области относительно низких частот, когда выполняется неравенство >>. Для этого в схему частотомера после КГ (ФУ2) вводят умножитель частоты в 10m (m=1,2,3) раз.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для повышения точности измерений вместо кварцевого генератора может быть включен стандарт частоты 10k, где k- целое число.

В противном случае показания частотомера не будут соответствовать измеряемой частоте или периоду с учетом положения запятой.

Верхняя граница частотного диапазона частотомера определяется быстродействием декадного делителя частоты. Для ее увеличения используются предварительные более быстродействующие делители (до 200МГц) и преобразователи (переносчики частоты)- до 100ГГц.

IX. Измерение фазового сдвига

Фазовым сдвигом называется модуль разности начальных фаз двух гармонических сигналов одной частоты

и

Таким образом фазовый сдвиг равен . Он является постоянной величиной и не зависит от момента отсчёта.

Фазовый сдвиг можно выразить через разность моментов времени Т= t2-t1, в которых эти колебания имеют одинаковые фазы (рис.45,а)

Это определение распространяется на два периодических сигнала несинусоидальной формы (рис.45,б), если в момент перехода через ноль их напряжения изменяются в одну сторону (например, от положительных значений к отрицательным).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Необходимость измерения фазового сдвига возникает при исследованиях фазочастотных характеристик радиотехнических устройств, измерениях реактивной мощности, оценке свойств веществ.

Приборы для измерения разности фаз называют фазометрами или измерителями фазового сдвига и согласно ГОСТ15094 подразделяются на

Ф1 - установки и приборы для поверки измерителей фаз

Ф2 - измерители фаз

Ф3 - фазовращатели измерительные

Ф4 - измерители группового времени запаздывания.

Методы измерения фазового сдвига весьма разнообразны и зависят от диапазона частот, требуемой точности и от формы исследуемых сигналов. На практике нашли применение следующие методы:

осциллографический

компенсационный

преобразование фазового сдвига во временной интервал

Осциллографический метод

Этот метод реализуется с помощью линейной, синусоидальной и круговой разверток (см. виды разверток осциллографа на стр.52).

Метод линейной развёртки

Для этого используется двухлучевой или двухканальный осциллограф. На входы Y1 и Y2 подаются исследуемые сигналы. Частота развертки подбирается так, чтобы на экране наблюдалось 1-2 периода сигналов (рис.45,а). Измерив Т и ДТ по формуле

определяют фазовый сдвиг, где и - измеренные на экране ЭЛТ длины отрезков.

Метод синусоидальной развёртки
Метод может быть реализован с помощью однолучевого осциллографа. Один сигнал подается в канал Y, а второй - на канал Х (генератор развертки отключен). На экране осциллографа получается эллипс (рис.46), уравнение которого
где - максимальные отклонения по горизонтали и вертикали соответственно.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Существует ряд методов определения фазового сдвига по полученной фигуре.
Метод 1. Положив = 0 получим вертикальный отрезок . Если = 0, то горизонтальный отрезок . Следовательно
, откуда можно определить
Метод неточен из-за трудности определения центра эллипса, но зато полученные формулы не зависят от соотношений и .

Метод 2. Реализуется при условии = . В этом случае

где - малая ось эллипса, - его большая ось.

Метод 3. При любых значениях и

где определяются по экрану ЭЛТ осциллографа.

Осциллографический метод прост, не требует дополнительных приборов, но не даёт однозначности (знак угла) и обладает большой субъективной погрешностью. Погрешность определения фазового сдвига составляет 5-10% из-за неточностей определения длин отрезков, искажений эллипса.

Метод круговой развёртки

Размещено на http://www.allbest.ru/

При использовании этого метода опорное напряжение с помощью фазовращателя ФВ расщепляется по фазе и в виде двух сдвинутых на 900 напряжений подается на вход усилителей У1 и У2 каналов X и Y (рис.47).

Регулировкой коэффициентов усиления и установлением фазовой симметрии в обоих каналах добиваются получения круговой развертки.

Напряжение исследуемого сигнала подается на модулирующий электрод ЭЛТ (канал Z).

На время отрицательного полупериода ЭЛТ запирается и на экране становится видимой только половина окружности. Для обеспечения необходимой точности измерений необходимо, чтобы трубка запиралась в моменты перехода сигнала через ноль, что обеспечивается применением усилителя-ограничителя УО.

В процессе измерения фазового сдвига на вход УО сначала подается опорное напряжение (положение 1) и по полуокружности на экране ЭЛТ отмечается положение диаметра mn, являющегося началом отсчета. Затем на УО подается измеряемый сигнал (положение 2) и отмечается положение pq. Измеряемый фазовый угол равен ц углу между прямыми mn и pq.

Источниками погрешности являются: непостоянство частоты круговой развертки, погрешность измерения угла между диаметрами, погрешность УО.

Компенсационный метод

Для осуществления измерений по этому методу необходимо иметь два фазовращателя, один из которых должен быть калиброван. Фазовращатель (группа Ф3) - это устройство, с помощью которого в схему вводятся известный и регулируемый фазовый сдвиг.

Измерения проводят по схеме рис.48. Сначала устраняют собственный фазовый сдвиг между каналами X и Y осциллографа.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для этого переключатель S переводят в положение 1, подавая тем самым на X и Y одно и то же напряжение U1(t). Указатель шкалы калиброванного фазовращателя ФВ1 устанавливают на ноль, затем вращая ФВ2, добиваются прямой линии на экране ЭЛТ. При этом происходит компенсация собственного фазового сдвига осциллографа.

Затем переключатель S переводят в положение 2 и на вход Х подают напряжение U2(t). В результате на экране ЭЛТ появляется эллипс, который снова превращают в прямую линию, вращая на этот раз калиброванный ФВ1.

По шкале ФВ1 отсчитывают фазовый сдвиг между напряжениями U1(t) и U2(t). Если U1(t) опережает U2(t), то показания ФВ1 равны фазовому сдвигу , если наоборот, то сдвиг вычисляется по формуле

Размещено на http://www.allbest.ru/

Простейший низкочастотный фазовращатель представляет собой неуравновешенный 4х плечий мост, построенный на RC-элементах. Фазовый сдвиг равен и регулируется в диапазоне 10-1600. Для исключения влияния сопротивления нагрузки в качестве часто включают эмиттерный повторитель, что позволяет получить погрешность фазовращателей не более 0,10.

Метод преобразования фазового сдвига в импульсы тока

Сущность метода состоит в том, что фазовый сдвиг между двумя исследуемыми напряжениями преобразуется в прямоугольные импульсы тока, длительность которых пропорциональна измеряемому фазовому сдвигу.

Функциональная схема фазометра и временные диаграммы его работы приведены на рис.49.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Напряжение прямоугольной формы, полученное с помощью формирующих устройств ФУ каждого из каналов, дифференцируется с помощью соответствующих дифференцирующих цепочек ДЦ. В результате этого в каждом канале получаются короткие импульсы, соответствующие моментам переходов исследуемых синусоидальных сигналов через ноль.

После выпрямления эти сигналы подаются на управляющие входы D и R триггера Т. Длительность выходных импульсов Т триггера будет пропорциональна фазовому сдвигу, а амплитуда постоянна. Показания магнитоэлектрического индикатора И, осуществляющего эффект усреднения, будут равны

где - коэффициент пропорциональности. Из формулы видно, что показания фазометра не зависят от амплитуды и частоты входных сигналов

Шкала индикатора может быть градуирована непосредственно в градусах фазового сдвига. Погрешность измерения зависит от погрешности ФУ и индикатора, нестабильности триггера и составляет 1-30.

Метод дискретного счета

Как было показано выше, фазовый сдвиг легко преобразуется во временной интервал. Метод дискретного счета предполагает заполнение этого временного интервала счётными импульсами и подсчет их количества. Если частота следования счетных импульсов , то в интервале их будет . Тогда фазовый сдвиг

Измерив и с помощью цифрового измерителя временных интервалов или цифровым частотомером (см. п.3.6 и 8.4) можно косвенным методом по приведенной формуле рассчитать величину фазового сдвига.

Более удобным является использование цифрового фазометра. Чаще всего они строятся по схеме интегрирующего фазометра (рис.50), когда результат измерений представляет собой среднее значение фазового сдвига за большое число периодов входного напряжения. Этим достигается повышение точности и помехозащищенности.

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены