Мосты типа мип

При построении схем мостов для измерения L_x и Q_x удобно воспользоваться правилом, иллюстрируемым рис. 10.11, в, так как в этом случае образцовой мерой по-прежнему является конденсатор.

Рис. 10.14. Схемы мостов типа МИП.

Схема замещения реальной катушки индуктивности при 1/С_п >>L_x значительно упрощается (см. рис. 10.2, в) и учитывает только активные потери. При малых Q_X(Q_X<30) схема моста соответствует рис. 10.14, а, а при Q_X>30 — рис. 10.14, б. Для схемы рис. 10.14, а из условия равновесия

(R_П+jL_x)(R₃/jC₀)/(R₃+1/ jC₀)=R₂R₄

следует, что

L_x=C₀R₂R₄; Q_x=L_x/R_п=C₀R₃. (10.14)

Аналогичным образом для схемы рис. 10.14,б

L_x=C₀R₂R₄; Q_x=1/C₀R₃, (10.15)

т. е. свойства обеих схем аналогичны. Шкала R4 может быть проградуирована в значениях L_x, шкала R3 — в значениях Q_x, а с помощью R2 удобно расширять пределы измерения L_x. При измерении L_x моcт типа МИП также частотно-независим.

Мосты типа МИЕП

Анализ схем рис. 10.13 и рис. 10.14 и полученные соотношения (10.12)...(10.15) показывают, что универсальный мост может быть синтезирован из мостов типов МЕП и МИП, а различные режимы измерения получены коммутацией плеч такого моста. Именно этот путь используется при проектировании мостов типа МИЕП, которые в практических вариантах приборов обеспечивают дополнительно измерение R_x на постоянном и переменном токах. Они имеют общие ОУ, общее плечо резисторов, с помощью которых выбирается нужный предел измерения, и один образцовый конденсатор постоянной емкости. При измерениях на переменном токе в диагональ питания включается ИГ, а для обеспечения работы на постоянном токе предусматривается специальный выпрямитель. Соответственно индикаторами равновесия являются вольтметры переменного и постоянного токов.

Трансформаторные мосты

Трансформаторные измерительные мосты образуются на основе МИЦ с сильной индуктивной связью между элементами. Если мы имеем две катушки с индуктивностями LI и L2, то индуктивная связь между ними, характеризуемая значением взаимной индуктивности М и коэффициентом связи k_c = М/ L₁L₂ , будет сильном тогда, когда k_с близок к 1, т. е. M~L₁L₂. При такой связи плечей МИЦ трансформаторные мосты хорошо защищены от влияния внешних электромагнитных полей, а их характеристики стабильны во времени, при изменениях температуры и в очень широком частотном диапазоне (от низких частот до сотен мегагерц).

Четырехплечий трансформаторный мост (рис. 10.15) содержит трансформатор напряжения Tpl. На вторичной обмотке его, состоящей двух секций с числами витков п₁ и п₂, формируются напря­жения, создающие через измеряемый и образцовый ДП (Z_x и Z₀) токи I_x и I₀. В трансформаторе тока Тр2 происходит сравнение I_Х и I₀ (компаратор токов I_Х и I₀). Секции п₁ и п₂ трансформатора Tpl включены согласно, а секции n₃ и n₄ трансформатора Тр2 – встречно.

Как видно из рис. 10.15, равновесие моста (U_вых=0) , будет иметь место при

I_xn₃=I₀n₄.

Так как

I_x=U_г(n₁/n­)*1/Z_x; I₀=U_г(n₂/n)*1/Z₀,

то равновесию будет соответствовавть

Z_x=Z₀(n₁/n₂)*(n₃/n₄).

Таким образом, равновесие моста может быть достигнуто изменением n₁...п₄ при постоянном Z₀. Это еще одно важное преимуществo трансформаторных мостов. Действительно, при таком алгорит­ма уравновешивания число образцовых элементов МИЦ сводится к минимуму, а требуемое отношение числа витков может быть получено с очень высокой точностью. Более того, изменение n₁...n₄ позволяет одновременно расширять пределы измерения Z_х..

Достоинством трансформаторного моста является также возможность точного измерения параметров ДП при трех-, четырех- и пятизажимной схемах включения. Если, например, объектом измерения является трёхэлектродный конденсатор (см. рис. 10.3, а), то при трёхзажимной схеме паразитные сопротивления Z₁₃ и Z₂₃ (см. рис. 10.3, б) оказывается включенными параллельно секциям n₁ мало, а секция n₃ в момент равновесия представляет собой короткозамкнутую цепь (за счёт компенсации магнитных потоков), то шунтирующие действие Z₁₃ и Z₂₃ пренебрежно мало и мост измеряет Z₁₂.

Перечисленные достоинства трансформаторных мостов o6условили широкое применение их в автоматических измерителях параметров ДП. С помощью операционных усилителей Z_x и Z₀ преобразуются в пропорциональные напряжения (по аналогии с рис. 10.8), которые затем сравниваются и компенсируются. Трансформаторный мост превращается в компенсационно-мостовую измерительную схему и называется автокомпенсационным мостом.

Автокомпенсационные мосты могут быть двух видов: квадратурные и экстремальные. В квадратурных мостах используется информация об активной и реактивной составляющих U_ВЫх, и уравновешивание производится одновременно по обеим составляющим. Для экстремальных мостов характерно использование информации толькоко об амплитуде Uвы_Х, и уравновешивание сводится к достижению минимума (равенства нулю) этой амплитуды. Основу современных измерителей параметров ДП образуют, как правило, квадратурные автокомпенсационные мосты. Рассмотрим характерный пример структурной схемы автоматического цифрового универсального измерителя параметров ДП с автокомпенсационным квадратурным мостом.

Как видно из рис. 10.16, выходное напряжение моста через усилитель сигнала разбаланса поступает на входы ФД активной (R_x), и реактивной (Х_х) составляющих. Опорные напряжения (U_оп) ФД сдвинутые по фазе на 90°, также снимаются с моста. Выходные напряжения ФД, характеризующие разбаланс по R_x и Х_х, подаются на РСИ, управляющие органами уравновешивания моста, и на генеpаторы импульсов, задающие скорость счета РСИ. Таким образом, направление счёта определяется знаками выходных напряжений ФД, а скорость счёта – значениями этих напряжений.

Уравновешивание прекращается при уменьшении выходного напряжения моста до величины, соответствующей 0,5 единицы младшего разряда ОУ. В состав моста вводятся специальные декадные и штабные трансформаторы, секции которых коммутируются с по­мощью ключей, управляемых РСИ. В остальном измеритель анало­гичен другим видам ЦИП. Результаты измерений, индицируемые ОУ Rx и Х_х, представляют собой числа импульсов, прошедших через РСИ Rx и Х_х за время уравновешивания моста.

10.2.3. РЕЗОНАНСНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ

Резонансный метод измерения параметров ДП сводится к определению степени влияния измеряемого ДП на параметры образцовой колебательной системы в момент настройки ее в резонанс. Так создание на НЧ высокодобротных колебательных систем с резки|м проявлением резонанса и точной его фиксацией затруднено, резонансный метод получил распространение только в диапазоне ВЧ.

Эквивалентные схемы даже простейших ДП становятся на ВЧ слож-1и (см. рис. 10.2). Поэтому резонансным методом, как правило, измеряются эквивалентные (эффективные) параметры ДП, а их измерения проводятся на рабочей частоте (частотах).

Количественные соотношения из теории колебательных систем свидетельствуют о том, что с помощью резонансного метода можно определить практически любой параметр ДП. Поэтому резонансные измерители в принципе являются универсальными приборами и даны относиться к виду Е7. Однако исторически они разрабатывались и как специализированные приборы, среди которых наиболее распространение получили измерители Q_x— куметры (Е4). Поскольку и куметры, согласно ГОСТ 11286—69, проектируются как универсальные измерители, рассмотрим измерение С_х, L_x и других параметров ДП как режимы работы универсального резонансного измерителя. При этом необходимо выделить измерители контурного и генераторного типов, так как они существенно различаются способом индикации момента резонанса.

Измерители контурного типа

Основой измерителей этого типа является резонансный контур, связанный с возбуждающим ИГ и индикатором резонанса. Могут использоваться последовательные и параллельные резонансные контуры, имеющие в принципе одинаковые возможности и характеристики. Однако измерение Q_x в схеме с последовательным контуром оказывается более простым и реализуется с помощью вольтметра, к подключаемого параллельно образцовому конденсатору контура. Примем поэтому за основу последовательный контур.

Важное значение для обеспечения правильности измерений имеют величина и характер связи измерительного контура с ИГ. Сразу отметим, что эта связь должна быть минимальной, иначе параметры контура ИГ и схемы связи, вносимые в измерительный контур, станут источниками значительных систематических погрешностей. По характеру связь может быть гальванической, индуктивной, емкостной и трансформаторной. Гальваническая связь на ВЧ не применяется, а из остальных видов связи предпочтение отдают емкостной.

Как видно из рис. 10.17, связь контура с ИГ осуществляется через емкостный делитель С1, С2, а второй делитель СЗ, С4 уменьшает потери, вносимые в контур вольтметром. Образцовый конденсатор переменной емкости С₀ постоянно включен в контур, а к зажимам 1...5 могут подключаться образцовая индуктивность L₀ или измеряемые ДП. Напряжение ИГ должно быть стабильным по частотам и амплитуде. Установка требуемой амплитуды производится с помощью вольтметра в режиме калибровки измерителя (положение «К»). Значение U_вх не превышает, как правило, 50 мВ.

В простейшем случае для измерения С_х достаточно образовать колебательный контур из С_х и L₀, настроить его в резонанс изменением частоты ИГ и, отсчитав значение резонансной частоты (f_р) по шкале ИГ, определить С_х по общеизвестной формуле

С_х=1/4²f_Р²L₀. (10.16)

Однако при таком способе существенное влияние на точность измерения оказывают паразитные параметры контура (особенно паразитные емкости), и мы фактически измеряем не С_х, a емкость контура. Поэтому в реальных приборах резонансный метод сочетают с таким эффективным способом исключения систематических погрешностей, как способ замещения (см. § 1.2.2). При реализации такого комбинированного способа возможны два случая.

1. Значение С_х< Соmах. В этом случае после установки требуемой частоты ИГ настраивают в резонанс контур, образованны C₀ и L₀, фиксируя в момент резонанса значение С₁. Затем к зажимам 4 — 5 подключают С_х и вновь настраивают контур в резонанс на ту же частоту, уменьшая С₀ от значения С₁ до значения С₂. Очевидно, в этом случае

C_x=C₁-C₂, (10.17)

систематические погрешности, обусловленные паразитными параметрами контура, исключаются из результата измерения С_х, так они входят с одинаковыми значениями и знаками в С₁ и С₂. Кроме того, исключается погрешность, связанная с измерением f_п (но остается в силе требование высокой стабильности установленного значения f_p).

2. Значение С_х>Соmах. Аналогичным образом измеряется значение С₁, а затем размыкается перемычка, соединяющая зажимы 3 - 4, и к этим зажимам подключается С_х. Емкость контура образуется теперь последовательно соединенными С₀ и С_х. Поэтому при второй настройке в резонанс С₁ увеличивается до значения С₂ и

С_х=С₂С₁/(С₂-С₁). (10.18)

Если не предъявляется повышенных требований к точности измерения L_Xt ее можно подключить вместо L₀ к зажимам 1—2, установить требуемую частоту ИГ, настроить контур в резонанс изменением С₀ и, отсчитав полученное значение С_р, определить L_x по формуле, аналогичной (10.16). При использовании комбинированного способа L_x замещается в процессе измерений С₀ (по аналогии с мостом типа МИП) и подключается к тем же зажимам, что и С_х. Метод­ика измерения С₁ и С₂ остается прежней. При этом катушки с малой L_x должны подключаться к зажимам 3—4, а катушки с большой L_x — к зажимам 4—5. В первом случае C₂<C₁ (общая индуктивость контура возрастает) и

L_x=(1/4²f_р²)*((C₁-C₂)/C₁C₂) (10.19)

а во втором C₂>C₁ (L_x и L₀ включены параллельно) и

L_x=1/(4²f_р²(C₂-C₁)) (10.20)

При измерениях L_x комбинированным способом все соединения нужно выполнять так, чтобы взаимная индуктивность между L₀ и L_x была пренебрежимо малой. Задача измерения взаимной индуктивности и М_х является специфической. Если имеются взаимно связанные катушки индуктивности L1 и L2, то при согласном включении их L₊=L_- + L₂ + 2M_x, а при встречном L-=L_l + L₂—2M_X. Следовательно, измерив L₊ и L_ по рассмотренной методике, мы можем определить искомое значение М_х= (L₊—L_)/4.

Нa высоких частотах в эквивалентной схеме L_x (см. рис. 10.2, в) нельзя пренебрегать величиной С_п, которая в основном является межвитковой и называется собственной емкостью катушки индуктивности. Задача измерения С_п может быть решена двумя спо­рами: аналитическим и графическим.

Аналитический способ позволяет определить С_п по двум изме­ренным значениям частоты ИГ (f₁ и f₂) и двум соответствующим значениям емкости С₀ (C₁ и С₂), при которых контур, образованный С₀, настроен в резонанс. В результате таких измерений

(f₂/f₁)²=n²=(C₁+C_n)/(C₂+C_n),

откуда

С_п=(С₁-n²C₂)/(n²-1)

и, например, при f₂/f₁=2

C_n=(C₁ - 4C₂)/3,

а при f₂/f₁=2 C_n=C₁-2C₂.

Графический способ базируется на выражении для f_р, которое можно записать следующим образом:

(1/f_р²)=4²L_x(C_n+C₀),

т. е. представить как уравнение прямой y=k(a+x) в координатах y=1/f_р² и х=С₀ (рис. 10.18). Эта прямая пересекается с осью С₀ при 1/f_р²=0, чему соответствует

С ₀=-С_п. Таким образом, задавшись, например, значениями С₁, С₂ и С₃ и измерив соответствующие значения f_р, можно построить график и отсчитать по оси С₀ искомое значение С_п.

При измерении Q_x используют явление резонанса напряжении в последовательном колебательном контуре. При настройке его и резонанс напряжения на реактивных сопротивлениях в Q раз боль­ше вводимого в контур напряжения. Для схемы рис. 10.17 в момент резонанса контура, образованного L_х и С₀,

U_c/U_вх=Q,

т. е. после калибровки измерителя показания вольтметра в положении «И» будут пропорциональны Q. Если калибровке соответствует установка U_вх на условную единицу, то шкала вольтметра прям градуируется в значениях Q, и мы получаем куметр.

Строго говоря, под Q следует понимать добротность контура, учитывающую добротности всех его элементов:

1/Q=1/Q_x+1/Qc₀.

Конструкция образцового конденсатора всегда обеспечивает Qc₀ >> Q_x,, и куметры, таким образом, измеряют эффективную добротность объектов индуктивного характера. Методика измерения позволяет определять не только Q_х,, но и разность значений добротности двух объектов. Возможны следующие модификации методики измерения

Измерение Q_х расстройкой контура в резонанс отсчитывают по шкале вольтметра зна­чение Q_x. Затем уменьшением и увеличением С₀ расстраивают кон­тур в обе стороны от резонанса, уменьшая показания вольтметра до 0,707 Q_x и отсчитывая по шкале С₀ соответствующие значения С₁ и С₂. В этом случае

Q_x=(C₁+C₂)/(C₂-C₁),

а погрешность измерения Q_x в основном определяется погрешностя­ми измерения С₁ и С₂.

2. Измерение Q_x расстройкой контура по частоте. В этом случае фактически измеряется полоса пропускания контура f, а искомое значение Q_X=f_P/f.

С помощью измерителя (рис. 10.17) удобно также измерять составляющие Z_X(Y_K), а затем при необходимости рассчитывать значения tg_x или Q_x. Измерение реактивных составляющих Z_X(Y_X) фактически уже рассмотрено. Если при измерении С_х и L_x комбинированным способом фиксировать не только значения gi и С₂, но и соответствующие им значения Q₁ и Q₂, то одновременно с Х_Х(В_Х) будет обеспечено определение R_x. В частности, при подключении к зажимам 4—5 (параллельная схема подключения) значение Х_Х(В_Х) определится в зависимости от характера с помощью формул (10.17) или (10.20), а для определения R_x справедлива следующая формула

R_x=(1/2f_рC₁)*(Q₁Q₂/(Q₁-Q₂). (10.21)

При подключении ДП к зажимам 3—4 (последовательная схема подключения) определение Х_Х(В_Х) нужно производить с помощью формул (10.18) или (10.19), а

R_x=(1/2f_р)*((1/C₂Q₂) – (1/C₁Q₁)). (10.22)

Итак, измеритель (рис. 10.17) позволяет с помощью формул (10.17) ...(10.22) определять эффективные значения всех параметров и действительно является универсальным резонансным измерителем контурного типа. Диапазон измеряемых параметров определяется пределами изменения С₀ и L₀ (в комплекте прибора могут быть несколько образцовых катушек индуктивности), а частотный диапазон простирается до частот, на которых сами ДП еще относят-

к цепям с сосредоточенными постоянными. Основные составляющими погрешностей измерения определяются f- и U-параметрами ИГ (см. § 9.2), погрешностью градуировки шкалы С₀ и неточностью фиксации момента резонанса, а также точностными характеристиками применяемых вольтметров. При измерении С_х основная погрешность прибора не превышает ±2 %, а при измерении L_x, Q_x и составляющих Z_x возрастает до ±5 %.

Измерители генераторного типа

В приборах этого типа измеряемый ДП вносится в контур LC - генератора и вызывает изменение частоты генерируемых им колебаний. Измерив это изменение частоты, можно определить искомое значение L_x или С_х. Таким образом, принцип построения измерителей генераторного типа позволяет еще до рассмотрения структурной схемы сделать два важных вывода. Во-первых, погрешность иск­рения L_x и С_х такими приборами должна быть существенно меньше, чем приборами контурного типа, так как изменение частоты может б ыть зафиксировано значительно точнее, чем момент настройки контура в резонанс. Во-вторых, генераторные приборы позволяют измерять толькоL_x и C_x, что является их основным недостатком.

В реальных приборах частота генератора сравнивается с частотой другого генератора, резонансный контур которого образован образцовыми L₀ и С₀. Сравнивание производятся по нулевым биениям частот генератора, и в целом структурную схему такого измерителя можно представить так, как это показано на рис. 10.19.

В зависимости от режима работы измерителя в контур генератора Г2 включается либо L_x, либо С_х (зажимы / — 2 при этом закорачиваются). Для образования напряжения звуковой частоты (нулевых биений) применяется типовая схема, образуемая смесителем, ФНЧ и усилителем. Индикатором нулевых биений является телефон либо другой индикатор (стрелочный, световой и т. п.), подключаемый через дополнительный детектор.

Первоначально (при отсутствии L_x и С_х) генератор Г1 настраивается по нулевым биениям на частоту Г2 изменением емкости дополнительного переменного конденсатора С_н при нулевом показании шкалы С₀. Это начальная установка, которой соответствует

L₀C_н=L’₀C’₀.

Если в контур Г2 включить, например, L_x, частота его уменьшится, и для восстановления равенства частот Г1 и Г2 увеличивают уже С₀ (вновь до получения нулевых биений). Теперь

L₀(C_н+С₀)=(L’₀+L_x)C’₀,

т. е. в результате

L_x=L₀C₀/C’₀.

Так как Lo/C’₀ = const, то шкала С₀ может быть проградуирована в значениях L_x. В случае измерения С_х картина аналогична, а при L₀=L’₀ отсчет по шкале С₀ непосредственно определяет значение С_х.

10.3. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКОВ

Из всех видов приборов подгруппы X, перечисленных в § 10.1, серийно выпускаются измерители АЧХ и АХ, а также ИКШ. Ими мы и ограничим круг вопросов, связанных с измерением параметров ЧП. Не выпускаются приборы вида ХЗ, которые (как и вольтметры вида B5) были вытеснены амплифазометрами (ФК2). На это обра­тилось внимание в § 6.1.

10.3.1. ИЗМЕРИТЕЛИ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

По определению (10.1) измерение АЧХ в элементарном случае может быть организовано с помощью ИГ и вольтметра. Изменяя частоту ИГ и поддерживая U_1m=const, можно измерить вольтметром значения U_2m на определенных частотах, а затем построить результатам этих измерений график К(). Такая методика весьма трудоемка (особенно при настройке ЧП по заданной АЧХ) и не наглядна. Поэтому автоматизация измерений АЧХ — одна из актуальных задач электрорадиоизмерительной техники. Она решается с помощью панорамных измерителей АЧХ (И АЧХ), которые являются одними из первых автоматических радиоизмерительных приборов.

В соответствии с принципами построения панорамных приборов (см. § 2.5) ИАЧХ должен иметь в своем составе функциональные блоки и узлы, показанные на рис. 10.20. Большинство их нами уже рассматривалось ранее. Ограничимся поэтому общей характеристикой работы ИАЧХ, укажем основные параметры ИАЧХ как радиоизмерительных приборов и отметим характерные особенности отдельных блоков.

Как видно из рис. 10.20, выходное напряжение (мощность) ГКЧ (см. § 9.3.5), стабилизированное системой АРА (АРМ), подаётся на вход исследуемого ЧП. Выход ЧП соединяется со входом индикаторного блока, управляющего отклонением луча ЭЛТ по вертикали и горизонтали. При этом отклонение луча по горизонтали осуществляется синхронно с перестройкой ГКЧ, благодаря чему создается частотная ось панорамы. В современных ИАЧХ применяется исключительно пилообразное модулирующее напряжение, излучаемое с помощью ГЛИН и обеспечивающее линейный частотный масштаб и одинаковую яркость свечения всех участков наблюдаемой АЧХ. Во время обратного хода развертки ГКЧ может запираться, и тогда на экране ЭЛТ прочерчивается «нулевая линия» (сама частотная ось панорамы).

Часть выходного напряжения (мощности) ГКЧ подается также на вход блока частотных меток (рис. 10.20). С его помощью устанавливается частотный масштаб панорамы и измеряются частоты, соответствующие характерным точкам АЧХ.

Панорамные ИАЧХ — это сложные радиоизмерительные приборы, совмещающие функции ГКЧ и осциллографического индикатора. Для характеристики их возможностей применяется система параметров. Укрупненно они подразделяются на входные, относящиеся к осциллографическому индикатору и рассмотренные в § 7.2, выходные, определяемые в основном ГКЧ и рассмотренные в § 9.2 и 9.3.5, а также общие параметры, характеризующие совместную работу ГКЧ и индикатора. К общим параметрам ИАЧХ относятся погрешности измерения частоты и амплитуды отдельных точек АЧХ, нелинейность частотного масштаба на экране ЭЛТ и неравномерность собственной АЧХ прибора (при отсутствии ЧП). Требования к общим параметрам регламентируются ГОСТ 17023 - 74. В частности, погрешность измерения амплитуды отдельных точек АЧХ нормируется, как правило, в пределах ± (0,4 + 0,1 К)дБ.

Генератор качающейся частоты

В зависимости от диапазона частот ГКЧ различают низкочастотные ИАЧХ (20Гц...200 МГц) и высокочастотные (0,5...1500 МГц).

Очень важно правильно выбрать при измерениях выходное напряжение (мощность) ГКЧ. В случае пассивных ЧП оно по возможности должно быть большим, так как это гарантирует работу детектора на линейном участке характеристики и неискаженное в произведение АЧХ. При исследовании АЧХ активных ЧП выходи напряжение (мощность), наоборот, должно быть минимальным чтобы не нарушить режим работы ЧП.

Важным является также правильный выбор периода качания частоты ГКЧ. Он определяется ДХ ИАЧХ и может являться причиной значительных отклонений воспроизводимой (динамической) АЧХ от истиной (статической). Поэтому при практических измерениях необходимо контролировать оптимальность выбранного периода качания и уменьшать его только до тех пор, пока не наступят заметные изменения формы АЧХ или смещения её по оси частот.