Приборы для радиоизмерения
Московский Государственный Технический Университет
Гражданской Авиации
Кафедра теоретической радиотехники
Контрольная работа
по дисциплине "Радиоизмерения"
студента 3 курса заочного факультета
Табуреткина Ивана Ивановича
Специальность XXXXXX
Шифр: XXXXXX
Адрес: город N.
Москва 2009
План
1. Высокочастотные амперметры: схемы, принцип действия, погрешности
1.1 Особенности измерения токов высоких частот
2. Характеристика основных видов разверток и синхронизация в универсальном электронно-лучевом осциллографе
2.1 Генераторы непрерывной развёртки
2.2 Синхронизация частоты генераторов непрерывной развертки
2.3 Генераторы ждущей развертки
3. Электронно-счетный частотомер при измерении частоты СВЧ сигналов: схема, принцип действия, погрешности
4. Цифровые измерители сопротивления, индуктивности, емкости: схемы, принцип действия.
5. Аналоговые измерители спектральной плотности мощности случайного сигнала (метод фильтрации, по корреляционной функции): схемы, принцип действия
5.1 Краткие технические данные анализатора спектра С4-27 и его структурная схема
Литература, используемая при подготовке к выполнению контрольной работы
1. Высокочастотные амперметры: схемы, принцип действия, погрешности
1.1 Особенности измерения токов высоких частот
При настройке и контроле режима антенных и других колебательных систем радиотехнических устройств возникает необходимость в измерении токов высоких частот. Электромагнитные и электродинамические приборы непригодны для этой цели из-за больших значений индуктивностей катушек и входных емкостей. Ограниченно используются и выпрямительные приборы, обладающие значительной входной емкостью. Наибольшее применение для измерения токов в широком диапазоне высоких и низких частот получили термоэлектрические приборы.
Эквивалентные схемы высокочастотной цепи при двух возможных вариантах включения в нее амперметра (миллиамперметра) показаны на рисунке 1.
Рисунок 1. Варианты включения амперметра.
Амперметр представляет для этой цепи комплексное сопротивление, состоящее из активного сопротивления Rа и индуктивности La рабочей части прибора, емкости С2 между входными зажимами и емкостей С1 и С3 входных зажимов по отношению к корпусу. Поэтому включение амперметра приводит к изменению тока в цепи, размер и характер которого зависят от частоты тока. Кроме того, часть протекающего в цепи тока ответвляется через шунтирующие емкости С1, С2 и С3. Следовательно, ток I1 в цепи источника, ток I2, измеряемый прибором, и ток I3, протекающий через нагрузку Z, будут различны (для схемы на рисунке - I1 > I2 > I3). Поскольку соотношения между этими токами зависят от частоты, то возникает дополнительная частотная погрешность, возрастающая с повышением частоты. Даже в лучших приборах при частотах выше 100 МГц погрешность становится недопустимо большой.
Для получения достаточно высокой точности измерений необходимо, чтобы полное сопротивление прибора было значительно меньше сопротивления исследуемой цепи и носило по возможности активный характер. Это легче достигается при малых размерах измерительного механизма и удалении его от массивных металлических масс.
Влияние прибора на режим цепи можно уменьшить включением его в точки цепи с наименьшим высокочастотным потенциалом относительно корпуса (земли) (рисунок 1, б). В этом случае емкость С3 оказывается замкнутой накоротко, а ответвление тока через емкости С1 и С2 уменьшается и не ведет к шунтированию нагрузки Z.
Правильное включение приборов для измерения высокочастотных токов показано на рисунке 2.
Рисунок 2. Правильное включение приборов для измерения ВЧ токов.
Амперметр А измеряет контурный ток. В индуктивную ветвь контура, например в точке 1, его включать нельзя, так как результат измерений будет искажен прохождением через прибор постоянной составляющей I анодного тока. Нежелательно включать амперметр и в точке 2, так как емкость прибора относительно корпуса установки будет вызывать расстройку контура. По указанным выше причинам невозможно включение амперметра и в точке 3 с целью измерения высокочастотной составляющей анодного тока. Для связи миллиамперметра тА1 с анодной цепью используется (обычно в мощных передатчиках) измерительный трансформатор тока Тр. Миллиамперметр тА2 входит в состав термовольтметра, измеряющего переменную составляющую анодного напряжения.
Выключение измерительного прибора из колебательной системы (контура, цепи антенны) после настройки последней неизбежно ведет к некоторой расстройке этой системы, изменению режима ее работы. Поэтому часто прибегают к постоянному включению высокочастотных приборов в контролируемые цепи.
3. Электронно-счетный частотомер при измерении частоты СВЧ сигналов: схема, принцип действия, погрешности
Электронно-счетные частотомеры по своим возможностям являются универсальными приборами. Их основное назначение - измерение частоты непрерывных и импульсных колебаний, осуществляемое в широком частотном диапазоне (примерно от 10 Гц до 100 МГц) при погрешности измерений не более 0,0005%. Кроме того, они позволяют измерять периоды низкочастотных колебаний, длительности импульсов, отношения двух частот (периодов) и т.д.
Действие электронно-счетных частотомеров основано на дискретном счете числа импульсов, поступающих за калиброванный интервал времени на электронный счетчик с цифровой индикацией. На рисунке 7 приведена упрощенная функциональная схема прибора. Напряжение измеряемой частоты fx в усилительно-формирующем устройстве преобразуется в последовательность однополярных импульсов, повторяющихся с той же частотой fx. Для этой цели часто используется система из усилителя-ограничителя и триггера Шмитта, дополненная на выходе дифференцирующей цепочкой и диодным ограничителем. Временной селектор (электронный ключ с двумя входами) пропускает эти импульсы на электронный счетчик лишь в течение строго фиксированного интервала времени Δt, определяемого длительностью прямоугольного импульса, воздействующего на его второй вход. При регистрации счетчиком m импульсов измеряемая частота определяется формулой:
fx= m / Δt
Например, если за время Δt= 0,01 с отмечено 5765 импульсов, то fx = 576,5 кГц.
Погрешность измерения частоты определяется главным образом погрешностью калибровки выбранного интервала времени счета. Задающим компонентом в системе формирования этого интервала является высокостабильный кварцевый генератор, положим, частоты 100 кГц. Создаваемые им колебания с помощью группы последовательно включенных делителей частоты преобразуются в колебания с частотами (f0) 10 и 1 кГц, 100, 10, 1 и 0,1 Гц, которым соответствуют периоды (Т0) 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1 и 10 с (последние одно или два из указанных значений f0и Т0 у некоторых частотомеров отсутствуют).
Колебания выбранной (посредством переключателя В2) частоты f0 (числовое значение последней является множителем к отсчету по счетчику) с помощью триггера Шмитта преобразуются в прямоугольные колебания с частотой повторения f0. Под их действием в управляющем устройстве формируется интервальный импульс длительностью Δt = Т0 = 1/ f0строго прямоугольной формы. Этот импульс вызывает сброс предыдущих показаний счетчика, а затем (с задержкой на несколько микросекунд) поступает на селектор и открывает его на время Δt для пропускания импульсов с частотой повторения fx. После закрывания селектора число пропущенных им импульсов m фиксируется индикатором счетчика, а измеряемая частота определяется по формуле fx= m / Δt.
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.
Формулы 5 и 6 определяют значение реактивных сопротивлений для идеальных емкостей и индуктивностей. Реально каждая ёмкость имеет свое внутреннее конечное сопротивление между пластинами, которое приводит к возникновению внутренних утечек. Это сопротивление зависит от частоты. Очевидно, что чем меньше это сопротивление, тем лучше ёмкость. Аналогично и для индуктивности, любая индуктивность имеет активное сопротивление витков, магнитный поток рассеивания и другие параметры, влияющие на отклонение идеальной индуктивности от реальной. Для оценки степени внутренних потерь в емкостях и индуктивностях вводят параметр тангенс угла потерь (или тангенс угла диэлектрических потерь). Для последовательной схемы замещения (понятие последовательной и параллельной схемы замещения следует ниже) определяется как:
(формула № 7)
(формула № 8)
Для параллельной схемы замещения, формулы расчета тангенса потерь имеют обратный вид:
(формула № 9)
(формула № 10)
Существует второй параметр, определяющий потери в реактивных элементах - это добротность. Добротность это величина обратная тангенсу угла потерь:
(формула № 11)
Исторически сложилось так, что потери в емкости оценивают по тангенсу угла потерь, а в индуктивности по величине добротности, хотя, еще раз подчеркнем, эти величины являются обратными друг другу и для емкости возможно понятие добротность, так же как и для индуктивности возможно понятие тангенса угла потерь.
Формулы c № 1 по № 11 определяют основные понятия и взаимосвязи из области измерения комплексных и реактивных сопротивлений.
В практике измерения комплексных сопротивлений также существуют понятия параллельной или последовательной схемы замещения. Она представляет собой схему, на которой отражены все возможные сопротивления (как активные так и реактивные) оказывающие влияние на полное сопротивление цепи или компонента. Выбор схемы замещения зависит от частоты сигнала в цепи и учитывает, какое реактивное сопротивление при этой частоте оказывает большее влияние. Так, например, для емкости, схема замещения включает последовательное сопротивление выводов, обладающих как активным так и индуктивным характером, собственно ёмкость, а так же параллельное обкладкам емкости паразитное сопротивление. При достаточно большой емкости и небольшой частоте, паразитная индуктивность выводов не оказывает практически никакого влияния на комплексное сопротивление (см. формулу 5), но при увеличении частоты, когда реактивное сопротивление емкости уменьшается (см. формулу 6), а реактивное сопротивление индуктивности увеличивается, характер сопротивления, а следовательно и результат измерения емкости может быть существенно искажен.
Из всего сказанного выше, следует, что при проведении измерений с помощью измерителя RLC необходимо учитывать следующее:
Выбор частоты измерения емкости и индуктивности должен быть осуществлен грамотно, с учетом величин этих элементов.
Для достижения более низкой погрешности измерения, малые значения индуктивности (мкГн) и емкости (пФ) следует измерять на более высоких частотах, а большие значения индуктивности (Гн) и емкости (мФ) следует измерять на более низких частотах.
Так же корректно должна быть выбрана и схема замещения. При больших значениях индуктивности (Гн) и емкости (мФ) следует выбрать параллельную схему замещения. При малых значениях индуктивности (мкГн) и емкости (пФ) следует выбирать последовательную схему замещения.
Пренебрежение этими правилами значительно искажает достоверность измерения.
В настоящий момент на рынке средств измерения присутствует достаточное количество измерителей RLC, отличающихся как ценой, так и функциональными возможностями.
5. Аналоговые измерители спектральной плотности мощности случайного сигнала (метод фильтрации, по корреляционной функции): схемы, принцип действия
В диапазоне СВЧ наблюдение формы сигнала (зависимости его во времени) не позволяет получить полную информацию о нем. Так, осциллограмма радиосигнала с частотной модуляцией практически мало отличим от синусоидального сигнала, наличие в составе сигнала дополнительных гармонических составляющих маскируется большой величиной гармоники несущей частоты и пр. Анализ спектральных характеристик радиосигналов в диапазоне СВЧ более информативен и позволяет измерить его мощность, частоту, коэффициент модуляции и пр. Практически анализатор спектра в СВЧ диапазоне является таким же универсальным прибором для исследования радиосигналов, каким на низких частотах является осциллограф.
Напомним спектральные характеристики радиосигнала. Для сигнала u (t) вводят спектральную функцию (или спектральную плотность), определяемую прямым преобразованием Фурье.
Эта функция комплексная, имеет размерность В/Гц и представляет распределение амплитуд и фаз гармонических составляющих по частотной оси. Спектральная функция существует при абсолютной интегрируемости функции сигнала. Для реальных сигналов это условие обычно всегда выполняется.
Спектральная функция- это функционал уже закончившегося процесса (интеграл берется до "бесконечного" времени). В реальных условиях измерять можно только текущий частотный спектр
характеризующий незаконченный процесс. Чаще измеряют модуль этого выражения - его называют амплитудной спектральной функцией или амплитудным спектром сигнала. Фазу измерить сложнее, поэтому в стандартных измерительных задачах этого не делают.
Для периодических бесконечных сигналов спектральная функция представляет собой последовательность дельта-функций, смещенных друг относительно друга на частоту повторения сигнала. Для этого случая используют спектральное представление в виде ряда Фурье:
где T - период повторения сигнала (u (t ± kT) = u (t), k = 0,1,2,3).
Ряд Фурье представляет собой совокупность гармонических колебаний с кратными частотами. Составляющая с нулевой частотой U0 является постоянной составляющей сигнала. Последовательности амплитуд Un и начальных фаз φn гармоник представляют собой амплитудный и фазовый спектры периодических сигналов.
Особый класс сигналов, который исследуется в спектральном представлении - это шумовые и случайные сигналы. Важной характеристикой шумового сигнала является его спектральная плотность мощности:
влении - это шумовые и случайные сигналы. Важной характеристикой шумового сигнала является его спектральная плотность мощности:
