Лабораторная работа № 1 Основные радиоэлектронные измерения и измерительные приборы (стр. 2 )

Рис. 4. Структурная схема электронно-лучевого осциллографа

Рассмотрим кратко работу и назначение остальных узлов осциллографа. Исследуемый сигнал по коаксиальному кабелю через входной делитель подается на эмиттерный повторитель, нагрузкой которого является линия задержки (обычно отрезок кабеля). Эмиттерный повторитель имеет высокое входное сопротивление и малую входную емкость, что способствует отсутствию искажения слабых сигналов. Благодаря своему низкому выходному сопротивлению он согласован с волновым сопротивлением линии задержки. Задержка поступления сигнала относительно начала действия развертки дает возможность наблюдать передний фронт сигнала, особенно в режиме внутреннего запуска развертки от самого исследуемого сигнала при достижении им определенного уровня. После усиления сигнал поступает на вертикально отклоняющие пластины трубки, отклоняя луч на экране по вертикали пропорционально напряжению сигнала. Горизонтальное смещение луча, пропорциональное времени, осуществляется пилообразным напряжением, вырабатываемым генератором развертки и подаваемым на горизонтально отклоняющие пластины. Режим запуска генератора развертки может быть ждущим и периодическим. Запуск развертки при ждущем режиме осуществляется либо от внешнего синхронизирующего сигнала с входа Х (внешний запуск), либо от исследуемого сигнала (внутренний запуск). При периодическом режиме генератор развертки запускается периодически либо от сети, либо работает автоматически с собственной, но регулируемой частотой. Некоторые осциллографы имеют усилитель горизонтального отклонения (усилитель Х), который может подключаться к горизонтально отклоняющим пластинам вместо генератора развертки. В этом случае отклонение луча по горизонтали становится пропорциональным напряжению на входе Х. Это позволяет получать на экране зависимости сигнала Y от сигнала X, например, вольт-амперные характеристики устройств. К вспомогательным устройствам относятся калибраторы амплитуды и длительности. У многолучевых осциллографов электронно-лучевая трубка имеет несколько формирователей электронных лучей, общие для всех лучей горизонтально отклоняющие пластины, но отдельные для каждого луча вертикально отклоняющие пластины. При этом имеется несколько входов Y и несколько усилителей вертикального отклонения (по числу лучей). Эти осциллографы позволяют получать одновременно развертку нескольких сигналов. У многоканальных осциллографов трубка обычная, однолучевая, только сигналы на нее подаются поочередно от нескольких входов Y с помощью коммутатора. Запоминающие осциллографы имеют устройство памяти, запоминающее сигнал и затем подающее его на пластины уже после действия сигнала. Это позволяет наблюдать развертку сигналов очень малой длительности (наносекунды) в течение продолжительного времени (минуты).

2.4. Измерения напряжения и тока.

Измерения тока и напряжения являются основными при исследовании различных устройств и контроле их работы. Однако в радиотехнике преобладающее значение имеет измерение напряжения, а к измерению токов прибегают в довольно редких случаях, стараясь заменить измерением напряжения на известном сопротивлении и затем определяя ток по закону Ома. Измеряемые переменные напряжение и ток оцениваются следующими параметрами (рис. 5): амплитудой, средним, средневыпрямленным и действующим (эффективным) значениями.

Рис. 5. Параметры переменного напряжения

Амплитуда (пиковое значение) Um определяется как наибольшее значение напряжения за период. Для несимметричного относительно нуля напряжения вводят понятия пиковых отклонений вверх Um+ и вниз Um - . Среднее значение переменного напряжения Uср есть его постоянная составляющая:

.

Средневыпрямленное значение Uсв определяется как постоянная составляющая напряжения после его двухполупериодного выпрямления:

.

Действующее или эффективное значение Uэф оценивается по среднеквадратичному значению измеряемого напряжения:

.

Закону изменения напряжения соответствуют определенные количественные соотношения между Um, Uсв, Uэф, оцениваемые коэффициентами амплитуды Ка= Um/ Uэф и формы Кф= Uэф/ Uсв. Так, для гармонического напряжения Ка=1.41, Кф=1.11.

Прямоугольное колебательное напряжение — меандр — без постоянной составляющей характеризуется как Ка=Кф=1. При достаточно большой мощности измеряемого напряжения и тока они могут быть измерены приборами магнитоэлектрической системы в сочетании с дополнительными устройствами. Так, постоянный ток и среднее значение переменного тока (и напряжения) могут быть измерены непосредственно магнитоэлектрическим прибором.

Средневыпрямленное значение измеряют приборами магнитоэлектрической системы в сочетании с диодным выпрямителем мостового типа.

Рис. 6. Термоэлектрический преобразователь

Эффективные значения токов и напряжений измеряют приборами магнитоэлектрической системы с термоэлектрическими преобразователями, представляющими собой сочетание термопары и подогревателя, по которому протекает ток (рис. 6). Подогреватель 1 соединен с рабочим (горячим) спаем термопары. К нерабочим (холодным) спаям подключен магнитоэлектрический прибор. Из-за тепловой инерции подогревателя можно считать, что его температура в установившемся режиме практически не меняется при изменении мгновенной мощности, так что прибор измеряет эффективное значение тока. Термопреобразователь часто помещают в вакуум для уменьшения теплоотдачи и увеличения чувствительности. Частотный диапазон (до 200 МГц) ограничен емкостью прибора относительно земли, собственной индуктивностью и скин-эффектом в подогревателе.

Электронные вольтметры (В2 — постоянного тока, В3 — переменного, В4 — импульсного, В5 — фазочувствительные, В6 — селективные, В7 — универсальные).

С целью повышения чувствительности и расширения диапазона измеряемых значений напряжений разработаны специальные приборы — электронные вольтметры. В соответствии с измеряемым параметром различаются вольтметры амплитудного значения (пиковые), среднего (постоянного напряжения), средневыпрямленного и действующего значений. Электронные вольтметры обладают большим входным сопротивлением, достигающим 10 МОм, имеют широкий частотный диапазон до 1—3 ГГц, способны выдерживать большие нагрузки. Типичные структурные схемы электронных вольтметров приведены на рис. 7. Входное устройство электронных вольтметров состоит из эмиттерного повторителя, чаще всего смонтированного в выносном пробнике для уменьшения влияния проводов на высоких частотах, и аттенюатора, представляющего собой резистивный делитель напряжения.

Рис. 7. Структурные схемы электронных вольтметров:

а) переменного напряжения; б) постоянного напряжения;

в) переменного и постоянного напряжения

Усилители в электронных вольтметрах предназначены для повышения чувствительности при измерении малых напряжений. Для повышения стабильности коэффициента усиления усилителя и уменьшения нелинейных искажений обычно используется многокаскадный усилитель, охваченный отрицательной обратной связью.

Детектор вольтметра предназначен для преобразования измеряемого напряжения в постоянную или пульсирующую форму, измеряемую магнитоэлектрическим прибором. В зависимости от закона преобразования детекторы подразделяются на пиковые (амплитудные), детекторы действующего значения и детекторы средневыпрямленного значения.

Рис. 8. Схема пикового детектора и график напряжений

В пиковом детекторе параметры схемы (рис. 8) подобраны так, что постоянная времени заряда конденсатора τ3= Ri*С (Ri — внутреннее сопротивление диода) намного меньше постоянной цепи разряда τр= R*С, которая много больше периода колебаний входного напряжения: τр>>Т. Вследствие этого через несколько периодов колебаний конденсатор зарядится до напряжения Uс со средним значением Uср, близким к амплитудному значению Um.

Детектор действующего значения должен иметь квадратичную вольт-амперную характеристику.

Рис. 9. Схема квадратичного детектора с кусочно-гладкой аппроксимацией ВАХ

Квадратичным участком вольт-амперной характеристики обладают почти все активные элементы: лампы, транзисторы, диоды; однако протяженность этого участка небольшая. Для ее увеличения применяют кусочно-гладкую аппроксимацию параболической кривой на К-участках, каждый из которых обеспечивается начальным квадратичным участком данного активного элемента. На рис. 9 показана схема такого детектора. Количество участков аппроксимации соответствует количеству диодных цепочек, в которых на каждый последующий диод подается ступенчато увеличивающееся напряжение обратного смещения (Есм), что вызывает открытие каждого из них при входном Uвх>Есм.

Рис. 10. Схема детектора средневыпрямленного значения

Детектор средневыпрямленного значения представляет собой двухполупериодный выпрямитель, собранный обычно по мостовой схеме (рис. 10). Чтобы ток в этом детекторе был пропорционален средневыпрямленному значению измеряемого напряжения, необходимо, чтобы амплитуда входного напряжения, подаваемая на диоды, значительно превышала квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода, т. е. чтобы детектирование было линейным, а не квадратичным. Рассмотрим некоторые специальные типы вольтметров.

Избирательный (селективный) электронный вольтметр предназначен для измерения синусоидального напряжения определенной (избранной) частоты в спектре других частот. Принцип действия такого вольтметра основан на выделении напряжения нужной частоты из спектра других частот, усилении и дальнейшем измерении напряжения выделенной частоты.