Приборы для радиоизмерения (стр. 3 из 6)
Рисунок.7 - Структурная схема электронно-счётного частотомера.
Цепь управления селектором может запускаться вручную (нажатием кнопки "Пуск"); в этом случае управляющее устройство посылает на селектор одиночный импульс длительностью Δt и счетчик выдает разовый результат измерений с неограниченным временем его индикации. В режиме автоматического измерения частоты импульсы реле времени периодически повторяются и результаты измерения обновляются через выбранные интервалы времени.
Частотомер может служить источником колебаний ряда опорных частот f0; получаемых с помощью кварцевого генератора, умножителя и делителей частоты и снимаемых со специального выхода. Эти же колебания, поданные на вход частотомера, могут служить для проверки правильности показаний счетчика.
Счетчик частотомера собирается из 4-7 пересчетных декад на триггерных схемах и цифровых индикаторных лампах. Число декад определяет максимальное число значащих цифр (разрядов) в результатах измерений. Возможная ошибка счета, называемая погрешностью дискретности, составляет одну единицу в цифре самого младшего разряда. Поэтому желателен выбор такого интервала времени счета Δt, при котором используется максимальное число разрядов счетчика. Так, в рассмотренном выше примере при Δt = 0,01 с (f0 = 100 Гц) для отсчета оказалось достаточным четырех разрядов счетчика и результат измерений fx = 576,5 кГц±100 Гц. Предположим, что измерения повторены при Δt = 0,1 с (f0 = 10 Гц) и получен отсчет m = 57 653 импульсов. Тогда fx = 576,53 кГц± 10 Гц. Еще меньшая погрешность дискретности (± 1 Гц) будет получена при Δt = 1с (в этом случае счетчик должен иметь не менее шести декад).
При расширении диапазона измерений частотомера в сторону высоких частот ограничивающим фактором является быстродействие пересчетных декад. При выполнении триггерных схем на высокочастотных кремниевых транзисторах (например, типа КТ316А), имеющих время рассасывания заряда в базе примерно 10 нc, верхняя предельная измеряемая частота может достигать десятков мегагерц. В некоторых приборах при измерении высоких частот, превышающих, например, 10 МГц, их предварительно преобразуют в частоту, меньшую 10 МГц (например, частоту 86,347 МГц в частоту 6,347 МГц),, пользуясь гетеродинным методом.
Фактором, ограничивающим нижнюю предельную измеряемую частоту, является время измерений. Если, например, установить наибольший для многих частотомеров интервал времени счета Δt = 1с, то при регистрации счетчиком 10 импульсов результатом измерений явится частота fx = 10 ± 1 Гц, т.е. погрешность измерения может достигать 10%. Для уменьшения погрешности, положим, до 0,01% необходимо было бы производить счет импульсов в течение времени Δt = 1000 с. Еще большее время требуется для точного измерения частот, равных 1 Гц и менее. Поэтому в электронно-счетных частотомерах измерение очень низких частот fx заменяют измерением периода их колебаний Тx = 1/fx. Схема измерения периода колебаний образуется при установке переключателя В1 в положение "ТХ". Исследуемое напряжение после преобразования в триггере. Шмитта воздействует на управляющее устройство, в котором формируется прямоугольный импульс длительностью Тx, поддерживающий временной селектор в открытом состоянии; в течение этого времени счетчик регистрирует импульсы, формируемые из колебаний одной из опорных частот f0, определяемой установкой переключателя В2. При числеm отмеченных импульсов измеряемый период Tx=m / f0.
Например, при m= 15 625 и f0 = 1000 Гц период Тx = 15,625 с, что соответствует частоте fx = 1/Тx= 0,064 Гц. Измерения, в целях уменьшения их погрешности, желательно производить при возможно большем значении частоты f0 (исключающем, конечно, перегрузку счетчика). Если период Тх < 1 с (fx > 1 Гц), то может оказаться рациональным использование колебаний частоты f0, равной 1 или 10 МГц, получаемых после умножителей частоты. При этом нижний предел измеряемых частот удается расширить до 0,01 Гц.
Измерению отношения двух частот f1/f2 (f1 > f2) соответствует установка переключателей В2 в положение "Выключено", a B1 - в положение "fx". Напряжение меньшей частоты f2подводят к зажимам "f0", и его период определяет интервал времени счета Δt. Напряжение частоты f1, подводимое к входу "fx", преобразуется в импульсы, число которых (m) регистрируется счетчиком в течение временя Δt = l // 2. Искомое отношение частот f1/f2 = m (с погрешностью до единицы). Очевидно, что данным способом имеет смысл находить отношение лишь значительно различающихся частот.
К недостаткам электронно-счетных частотомеров следует отнести сложность их схем, значительные габариты и массу, высокую стоимость.
4. Цифровые измерители сопротивления, индуктивности, емкости: схемы, принцип действия.
Для измерения комплексных параметров цепей на различных частотах или комплексного сопротивления предназначены приборы, которые называют измерители импеданса. Если прибор имеет возможность измерения комплексной проводимости (амитанса), то такой прибор называется измеритель иммитанса. Чаще всего эти приборы упрощенно называют измерители RLC, хотя это название не отражает реального функционального назначения этих средств измерения. Кроме измерения R, L и C, в зависимости от типа, эти приборы позволяют измерять такие параметры как:
добротность цепи или электронного компонента;
тангенс угла потерь;
комплексное сопротивление на различных частотах;
фазовый сдвиг между током и напряжением в цепи;
активное сопротивление постоянному току.
Основными характеристикам измерителей импеданса, кроме диапазона и погрешности измерения R, L и C являются:
частотный диапазон тестового сигнала, чем шире частотный диапазон, тем шире пределы измерения L и C приборе Для измерения малых емкостей и индуктивностей необходима как можно более высокая частота тестового сигнала.
пределы изменения уровня тестового сигнала и возможность его стабилизации при изменении сопротивления измеряемой цепи;
наличие внутреннего и внешнего смещения тестового сигнала постоянным напряжением (например, необходимо для измерения емкости варикапов);
возможность связи прибора с персональным компьютером для документирования результатов измерения или программной обработки результатов измерения (например, построение графиков зависимости емкости или индуктивности от температуры в реальном масштабе времени и т.п.)
возможность программирования прибора для сортировки и отбраковки компонентов на производстве; возможность подключения механического манипулятора.
Принцип измерения всех измерителей импеданса (иммитанса) основан на анализе прохождения тестового сигнала с заданной частотой через цепь, обладающую комплексным сопротивлением и последующим сравнением с опорным напряжением.
Напряжение рабочей частоты с внутреннего генератора подается на измеряемый объект и на объекте измеряется напряжение. Ток, протекающий через объект, с помощью внутреннего преобразователя ток-напряжение преобразуется в напряжение. Измерение отношения этих двух напряжений и дает полное сопротивление цепи.
Графическое представление полного сопротивления представлено на рисунке 8. Как видно на рис.1, полное сопротивление Z состоит из двух компонентов. Один это активное сопротивление RS, второй реактивное сопротивление XS.
Рисунок 8 - графическое представление полного сопротивления.
Комплексное сопротивление Z определяется как:
(формула № 1)Из формулы 1 следует, что:
Активное сопротивление RS связано с комплексным сопротивлением как:
(формула № 2)И соответственно реактивное сопротивление XS связано с комплексным сопротивлением как:
(формула № 3)где Θ - угол между активным и комплексным сопротивлением.
Из рис.1 так же следует, что комплексное сопротивление связано с активным и реактивным как:
(формула № 4)Существует два типа реактивного сопротивления емкостное XС и индуктивное XL. Исходя из параметров емкости, индуктивности и частоты они определяются как:
(формула № 5) 
(формула № 6)Где C (L) - значение емкости (индуктивности),
f - частота на которой измеряется реактивное сопротивление.
Из практики измерения известно, что наиболее оптимальным, сточки зрения погрешности измерения, является измерение сопротивлений в пределах от 0,1 Ом до 10 МОм. Измерение сопротивления ниже 0,1 Ом требует применения специальных методов с большими токами, а измерение сопротивления выше 10 Мом требует более высокого напряжения. Из формул 5 и 6 следует, что для измерения малых индуктивностей и емкостей следует использовать более высокие частоты, а для измерения больших емкостей и больших индуктивностей наоборот более низкие.