38) Измерение нелинейных искажений

При прохождении гармонического сигнала через устройство с нелинейной характеристикой возникают нелинейные искажения. Сигнал перестает быть синусоидальным и в его спектре появляются высшие гармоники. Нелинейные искажения гармонического сигнала оцениваются коэффициентом гармоник K_г, равным отклонению среднеквадратического напряжения гармоник сигнала (начиная со второй гармоники) к среднеквадратическому значению напряжения первой гармоники

.

Для измерения относительного значения напряжений гармоник можно использовать анализатор спектра.

С уществуют специальные приборы, измеряющие коэффициент нелинейных искажений, называемые измерителями нелинейных искажений. Структурная схема измерителя нелинейных искажений приведена на рис. 2.53.

Рис. 2.53. Структурная схема измерителя нелинейных искажений

Входное устройство (ВУ) предназначено для согласования входного сопротивления с выходным сопротивлением источника сигнала. Перед измерением переключатель (П) ставят в положение «калибровка» и с помощью усилителя (У) уровень исследуемого напряжения повышают до 100 % отклонения стрелки вольтметра действующего значения (В), при этом измеряется полное напряжение исследуемого сигнала

.

Затем переключатель ставят в положение «измерение». Настраивая заграждающий фильтр (ЗФ), подавляют напряжение первой гармоники U₁. Полное подавление первой гармоники будет при минимальном показании вольтметра. Это показание соответствует среднеквадратическому (действующему) значению суммы высших гармоник

.

Отношение вторых показаний к первым дает коэффициент нелинейности

.

Коэффициент гармоник K_г связан с коэффициентом нелинейности K_н формулой

.

При небольших искажениях (K_н < 0,1) коэффициенты K_г и K_н отличаются менее чем на 1 %.

3 9)Омметр. Метод непосредственной оценки реализуется в приборах для измерения сопротивления постоянному току - электромеханических и электронных омметрах. Электромеханические омметры строятся на основе приборов магнитоэлектрической системы и в зависимости от величины измеряемого сопротивления могут быть выполнены по схеме с последовательным (рис. 5.6,а) либо параллельным (рис. 5.6, б) включением измеряемого сопротивления.

Рис. 5.6. Электромеханический омметр

И сточником питания омметра обычно служит гальванический элемент. Ток, протекающий через магнитоэлектрический прибор в омметре с последовательным включением при разомкнутом ключе Кл, определяется по формуле:

где R_A - сопротивление прибора; R_P - регулировочный резистор.

При постоянных значениях R_A, R_P и U отклонение стрелки прибора  определяется измеряемым сопротивлением R_X, т.е. шкала прибора может быть проградуирована в единицах сопротивления. Как следует из (5.2), шкала омметра неравномерна (см. рис. 5.6, а). Перед проведением измерения сопротивления необходимо установить «размах» шкалы, т.е. отрегулировать омметр так, чтобы при R_X =  и R_X = 0 стрелка прибора устанавливалась бы на начальную и конечную отметки шкалы.

При незамкнутых входных зажимах омметра и разомкнутом ключе Кл (что соответствует R_X = ) стрелка прибора находится в крайнем левом положении на отметке 0 мА, следовательно, эта отметка шкалы будет соответствовать R_X = . Далее, замкнув ключ Кл, т.е., моделируя R_X = 0, наблюдают отклонение стрелки прибора и, в том случае, если стрелка не доходит до конечной отметки шкалы или переходит за нее, регулируют резистором R_P ток через прибор до достижения стрелкой конечной отметки. После этого, разомкнув ключ, можно выполнить измерение сопротивления R_X. Характер шкалы подсказывает, что омметр такого типа предпочтительно использовать для измерения сравнительно больших сопротивлений (до нескольких килоом), так как при малых значениях R_X этот омметр имеет малую чувствительность.

Д ля измерения небольших сопротивлений применяются омметры, выполненные по схеме с параллельным включением измеряемого сопротивления, уравнение шкалы для которых имеет вид:

Как и в схеме с последовательным включением, здесь отклонение стрелки прибора зависит только от R_X при условии, что остальные члены уравнения (5.3) постоянны. Перед проведением измерения также необходимо установить размах шкалы, моделируя ситуацию R_X = 0 и R_X =  и регулируя ток I сопротивлением резистора R_P. Для омметра с параллельным включением нулевое положение указателя совпадает с нулевым значением измеряемого сопротивления, а крайнее правое положение стрелки соответствует R_X = . Шкала такого омметра изображена на рис. 5.6,б.

Омметры, выполненные по схемам рис. 5.6,а,б, выпускаются как отдельные приборы, а также входят в состав комбинированных приборов (тестеров, авометров). Класс точности омметров не ниже 2,5.

Электронные омметры. При построении электронных омметров используются два метода измерения: метод стабилизированного тока в цепи делителя и метод преобразования измеряемого сопротивления в пропорциональное ему напряжение.

С хема измерения сопротивления по методу стабилизированного тока приведена на рис. 5.7,а.

Рис. 5.7. Измерение сопротивления по методу стабилизированного тока. Д елитель напряжения, составленный из известного образцового R_ОБР и измеряемого R_X сопротивлений, питается от источника опорного напряжения U_ОП. Падение напряжения на образцовом резисторе усиливается усилителем У с большим входным сопротивлением. Выходное напряжение усилителя U_ВЫХ зависит от значения сопротивления R_X. В качестве индикатора обычно применяется микроамперметр магнитоэлектрической системы, шкала которого градуируется в единицах сопротивления. Если усилитель имеет коэффициент усиления К и входное сопротивление R_ВХ >> R_ОБР, то измеряемое сопротивление определяется выражением.

Этот вариант схемы омметра применяется для измерения достаточно больших сопротивлений, когда R_X > R_ОБР.

Д ля измерения малых сопротивлений (R_X < R_ОБР) используется схема, представленная на рис. 5.7, б. Измеряемое сопротивление здесь определяется выражением.

Э та схема реализована в ряде выпускаемых промышленностью миллиомметров, обеспечивающих измерение активных сопротивлений в диапазоне 10^-4 ÷ 10²Ом с погрешностью 1,5 ÷ 2,0%. Измерение средних и больших (до 10¹⁸ Ом) сопротивлений осуществляется с использованием преобразования измеряемого сопротивления в пропорциональное ему напряжение. В основу метода положен принцип работы операционного усилителя ОУ постоянного тока с отрицательной обратной связью (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Схемы омметров на основе операционных усилителей.

Д ля схемы, представленной на рис. 5.8,а, измеряемое сопротивление R_X определяется выражением:

где U_ВЫХ - выходное напряжение усилителя; R_ОБР - образцовый резистор.

П ри постоянных значениях U_ОП и R_ОБР напряжение U_ВЫХ будет зависеть только от R_X и, следовательно, шкала микроамперметра может быть отградуирована в единицах сопротивления. Указанная схема применяется в основном для измерения больших сопротивлений в приборах, называемых тераомметрами.

Поменяв местами R_X и R_ОБР, получим схему (рис. 5.8, б), пригодную для измерения малых сопротивлений (от единиц Ом). Измеряемое сопротивление в такой схеме определяется выражением

Применение в одном приборе обеих вариантов схем позволяет создать измерители сопротивления с диапазоном измерения от единиц Ом до нескольких десятков мегаом с погрешностью не более 10%.

40)Косвенное измерение сопротивления Методы измерения сопротивления основаны на законе Ома. При косвенном измерении сопротивления используется метод амперметра и вольтметра, варианты схем реализации которого показаны на рис. 2.54.

а б

Рис.2.54. Схемы измерения сопротивления методом амперметра и вольтметра:

а – схема для измерения малых сопротивлений; б – схема для измерения

больших сопротивлений

Для схемы, приведенной на рис. 2.54,а, справедливо выражение

,

где I_V – ток через вольтметр; R_V – внутреннее сопротивление вольтметра.

Погрешность измерения сопротивления зависит от соотношения R_x и R_V. Если R_V >> R_x, то . Данная схема предпочтительна для измерения малых сопротивлений.

Для измерения больших сопротивлений применяют схему рис. 2.54,б. В этом случае

,

где R_A – внутреннее сопротивление амперметра. Если R_A << R_x, то

Достоинство метода амперметра и вольтметра состоит в том, что можно измерять сопротивление в условиях реальной нагрузки, когда по цепи, сопротивление которой измеряется, течет рабочий ток. Это особенно важно для цепей с нелинейной характеристикой.