Измерение параметров электрических сигналов

На практике приходится измерять следующие параметры электрических сигналов: ток, напряжение, мощность, частоту, сдвиг фаз и др. При этом измерения производятся в широком диапазоне значений измеряемых величин и рабочих частот. Ранее, в параграфах, посвященных рассмотрению различных приборов, указывалось на особенности их применения для измерения тех или иных величин, в том числе и параметров электрических сигналов. Резюмируем кратко эти сведения.

Измерение напряжения осуществляется в диапазоне частот от 0 до 10⁹ Гц. При более высоких частотах напряжение перестает быть информативным параметром. Напряжение постоянного тока от долей милливольта до сотен вольт удобно измерять магнитоэлектрическими вольтметрами, которые имеют достаточно высокую точность (класс точности до 0,05). Следует, однако, иметь в виду, что входное сопротивление магнитоэлектрического вольтметра, которое в основном определяется значением добавочного сопротивления, не превышает десятков килоом. При измерениях в высокоомных цепях собственная проводимость вольтметра может быть причиной значительных погрешностей измерения. Магнитоэлектрическим вольтметрам присуща также температурная погрешность, вызываемая зависимостью сопротивления рамки прибора от температуры.

Для измерения напряжения постоянного тока в высокоомных цепях широко используются электронные аналоговые и цифровые вольтметры. Электронные аналоговые вольтметры и милливольтметры являются многопредельными приборами. Ими можно измерять напряжение от единиц микровольт до нескольких киловольт. Высокое входное сопротивление вольтметров, равное десяткам и более мегаом, снижает потребление мощности из измеряемой цепи до пренебрежимо малых значений. Следовательно, влияние измерительного прибора на режим работы изучаемого объекта оказывается незначительным. Электронные аналоговые вольтметры имеют основную погрешность 1,5—6%. Источниками погрешностей являются нестабильность элементов и собственные шумы электронных цепей. Вносят вклад также погрешности измерительного механизма и градуировки шкалы.

Цифровые вольтметры постоянного тока также широко распространены. Они обладают широким диапазоном измерения, высокой точностью и чувствительностью, быстродействием, удобством считывания показаний, возможностью включения в состав измерительно-вычислительных комплексов. Возможности и особенности цифрового вольтметра определяются в первую очередь характеристиками использованного АЦП. Существуют цифровые вольтметры прямого и уравновешивающего преобразования. В схемах прямого преобразования применяются время-импульсные, время-импульсные интегрирующие и частотноимпульсные АЦП, а в схемах уравновешивающего преобразования—АЦП поразрядного уравновешивания.

Цифровые вольтметры прямого преобразования отличаются простотой и высоким быстродействием (более 10⁴ измерений в секунду). В интегрирующих вольтметрах благодаря усреднению напряжения по времени измерения достигается повышенная помехозащищенность. Основным достоинством цифровых вольтметров с АЦП поразрядного уравновешивания является высокая точность измерения (приведенная погрешность 0,01—0,001%).Диапазон напряжений, измеряемых цифровыми вольтметрами разных типов, охватывает диапазон от долей микровольта до единиц киловольт.

Современные цифровые вольтметры содержат микропроцессорные блоки и снабжены клавиатурой, что позволяет автоматизировать процесс измерения, проводить его в соответствии с заданной программой, осуществлять требуемую обработку результатов измерений, расширять функциональные возможности прибора, превратив его в мультиметр, позволяющий измерять не только напряжение постоянного тока, но и многие другие величины: напряжение переменного тока, сопротивление, емкость конденсатора, частоту и др.

Точные измерения напряжения постоянного тока производятся при помощи компенсаторов постоянного тока (§ 2.8). Класс точности этих приборов достигает 0,0005. Пределы измеряемых напряжений—от 10^-9 В до нескольких десятков вольт.

Среднеквадратическое (действующее) значение напряжения переменного тока измеряется электромагнитными (до 1—2кГц), электродинамическими (до 2—3кГц), ферродинамическими (до 1—2кГц); электростатическими (до 10МГц) и термоэлектрическими (до 10—100 МГц) приборами.

Выпрямительные приборы реагируют на средневыпрямленное значение

но градуируются обычно в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. Отличие формы измеряемого напряжения от синусоидальной может приводить к большим систематическим погрешностям. Выпрямительные вольтметры используются до частот 10—20кГц. Электромагнитные вольтметры в основном служат щитовыми приборами. Расширение их пределов измерения достигается использованием измерительных трансформаторов напряжения. Электродинамические, электростатические обычно являются лабораторными приборами, термоэлектрические используются на повышенных частотах. Выпрямительные вольтметры обычно входят в состав многофункциональных переносных измерительных приборов— тестеров.

Электронные аналоговые вольтметры применяются для измерения среднеквадратичных, средневыпрямительных и пиковых (амплитудных) значений переменного тока. Их отличает большое входное сопротивление, высокая чувствительность и возможность измерений на высоких частотах (вплоть до сотен мегагерц).

Цифровые вольтметры, предназначенные для измерения напряжения переменного тока, строятся на основе цифровых вольтметров постоянного тока, снабженных преобразователем переменного напряжения в постоянное. В диапазоне частот до 100кГц их основная погрешность может не превышать 0,5%.Цифровые вольтметры средневыпрямленного значения используют одно—и двухполупериодные выпрямители. В цифровых вольтметрах среднеквадратического значения применяются термоэлектрические преобразователи. Однако инерционность последних существенно снижает быстродействие вольтметров.

Для одновременного измерения амплитуды и фазового сдвига синусоидального напряжения используются компенсаторы переменного тока. Относительная погрешность измерения при помощи компенсаторов лежит в пределах ± 0,5%.

Измерение тока. Постоянный ток измеряется при помощи магнитоэлектрических приборов. Они обеспечивают наивысшую точность среди электромеханических аналоговых приборов (класс точности 0,05—2,5).

Магнитоэлектрические амперметры позволяют измерять токи от 10^-7 до 50А (при измерении токов больше 0,05А используются внутренние шунты). Применение шунтов приводит к увеличению влияния изменений температуры на показания приборов. Это связано с тем, что вследствие неодинаковых значений температурных коэффициентов сопротивления рамки и шунта происходит изменение соотношения их сопротивлений, а следовательно, и перераспределение текущих по ним токов. Для уменьшения температурной погрешности применяются различные цепи температурной компенсации. Простейшая из них содержит только один элемент—добавочный резистор из манганина, включенный последовательно с рамкой измерительного механизма. Такая термокомпенсация удовлетворительна только для приборов классов точности 1,0 и хуже. Более точные приборы используют несколько более сложные цепи термокомпенсации, содержащие как последовательные, так и параллельные цепочки резисторов.

Для измерения больших постоянных токов (от 50А до нескольких килоампер) применяются магнитоэлектрические амперметры и килоамперметры с наружными шунтами.

Малые постоянные токи (меньше 10^-6 А) измеряются при помощи гальвано метров.

Измерения постоянного тока с повышенной точностью производятся косвенным образом. Образцовый резистор включается в измеряемую цепь и компенсатором измеряется падение напряжения на этом резисторе. Значение тока вычисляется при помощи закона Ома.

Переменный ток измеряется амперметрами электромагнитной, электродинамической и ферродинамической систем. Электромагнитные амперметры являются в основном однопредельными щитовыми приборами (класс точности 1,0; 1,5; 2,5). Они работают со встроенными или наружными измерительными трансформаторами тока, позволяя измерять токи до 300А и 15кА соответственно.

Также в качестве щитовых часто работают ферродинамические амперметры. Электродинамические амперметры и миллиамперметры обычно выполняются в виде переносных лабораторных приборов. Их типичные классы точности 0,2; 0,5; 1,0. Выпрямительные амперметры обычно входят в состав переносных лабораторных комбинированных приборов (тестеров). Их диапазон измерения—от долей миллиампера до нескольких ампер, Набор шунтов обеспечивает изменение пределов измерения. Точность выпрямительных амперметров невелика (классы точности 1,5; 2,5; 4,0). Другим недостатком является зависимость показаний от формы тока. Термоэлектрические миллиамперметры и ампер метры применяются на повышенных частотах (до сотен мегагерц). Их диапазон измерений—от нескольких миллиампер до нескольких ампер. Расширение пределов измерения достигается применением высокочастотных трансформаторов тока. Классы точности 1,0; 1,5. Термоэлектрические приборы имеют малую перегрузочную способность. Это является их недостатком.

Измерение мощности в цепях постоянного и переменного однофазного тока чаще всего производится электродинамическими и ферродинамическими ваттметрами (§ 2.4). Электродинамические ваттметры выпускаются в виде переносных лабораторных многопредельных приборов. Их классы точности 0,1—0,5. Изменение пределов измерения достигается коммутацией секций токовой катушки и подключением различных добавочных резисторов.

Частотный диапазон электродинамических ваттметров ограничен сверху частотами порядка нескольких килогерц. С повышением частоты индуктивное сопротивление катушек начинает вносить заметный вклад в погрешность прибора.

Ферродинамические ваттметры обычно служат щитовыми приборами классов точности 1,5 и 2,5. Их частотный диапазон несколько уже, чем у электродинамических ваттметров, из-за погрешностей, обусловленных потерями в магнитных сердечниках.

Направление отклонения стрелки зависит от направления тока в обмотках ваттметров, поэтому их зажимы имеют специальную маркировку, обеспечивающую правильное подключение прибора. Зажимы, обозначенные знаком * (звездочкой), соединяются с проводами, идущими от источника тока. Зажимы, не имеющие этого обозначения, подключаются к нагрузке.

Мощность постоянного тока измеряется также косвенно—при помощи амперметра и вольтметра, показания которых перемножаются в соответствии с формулой Р=IU Возможны две схемы включения приборов (рис. 2.50, а, б). При измерениях следует учитывать методическую погрешность, зависящую от сопротивления вольтметра (в схеме, представленной на рис. 2.50, а) или амперметра (в схеме, представленной на рис. 2.50, б). Действительно, в первом случае амперметр показывает не ток нагрузки, а сумму токов нагрузки и вольтметра, а во втором—показания вольтметра равны не падению напряжения на нагрузке, а сумме падений напряжения на нагрузке и амперметре. Следовательно, в обоих случаях мощность, вычисленная на основании показаний амперметра и вольтметра, будет завышена. Первая схема обеспечивает малую погрешность, если R _н << R_V, вторая—если R _н >> R_A, где R_V и R_A —внутреннее сопротивление вольтметра и амперметра соответственно.

Мощность переменного однофазного тока на повышенных частотах можно измерять выпрямительными ваттметрами, использующими нелинейность вольт-амперной характеристики (ВАХ) полупроводниковых диодов для перемножения мгновенных значений тока и напряжения, или термоэлектрическими, которые содержат термопреобразователи, напряжение на выходе которых также является нелинейной функцией токов, протекающих через их подогреватели. Выпрямительными и термоэлектрическими ваттметрами можно измерять мощность в диапазоне частот до 100кГц и 1МГц соответственно. Погрешности измерения этих приборов сравнительно велики (несколько процентов). Для измерения мощности на повышенных частотах (до нескольких гигагерц) применяются также ваттметры на основе эффекта Холла.

В трехфазных цепях для измерения как активной, так и реактивной мощности обычно используются двух—и трехэлементные ферродинамические ваттметры. Двухэлементные включаются в трехпроводные цепи, а трехэлементные—в четырехпроводные. Вид измеряемой мощности (активная или реактивная) зависит от схемы включения ваттметра.

Измерение частоты в электро - и радиотехнике производится в диапазоне от 0 до 10¹¹ Гц. На низких частотах (от 20 до 2500Гц, но особенно в окрестности 50 и 400Гц) используются электромеханические приборы: резонансные электромагнитные частотомеры (§ 2.6) и частотомеры на основе электромагнитных и электродинамических (ферродинамических) логометров. Их схемы приведены на рис. 2.51. Принцип работы логометрических частотомеров основан на зависимости разности вращающих моментов, воздействующих на скрепленные между собой подвижные катушки 1 и 2 с токами I ₁и I ₁, как от частоты, так и от положения катушек. Основная погрешность электромеханических аналоговых частотомеров составляет 1—2,5 %. Они имеют узкие диапазоны измерения и используются в качестве щитовых приборов.

В лабораторных условиях нередко для измерения частоты используют осциллографы. Это оправдано, если к точности измерения не предъявляется жестких требований. Получение фигур Лиссажу, использование круговой развертки с модуляцией яркости, определение частоты исходя из измеренного значения периода напряжения—наиболее распространенные способы осциллографических измерений частоты.

Электронные конденсаторные частотомеры применяются для измерения частот от 10 до 1МГц. Принцип работы таких частотомеров иллюстрируется схемой, приведенной на рис. 2.52. Конденсатор С при помощи электронного ключа S переключается то на заряд от батареи GB, то на разряд через магнитоэнектрический измерительный механизм РА. За время одного такого цикла через индикатор РА будет протекать заряд Q=СU Если частота переключений равна измеряемой частоте f_x, то средний ток, протекающий через индикатор, равен I _ср =Qf_x = СUf _x, т. е. показание индикатора пропорционально частоте. Условием нормальной работы конденсаторного частотомера является постоянство U и С. Кроме того, необходимо, чтобы время заряда и разряда было меньше периода измеряемой частоты. Управление электронным ключом осуществляется напряжением измеряемой частоты, которое для нормальной работы схемы предварительно усиливается и приобретает форму, близкую к прямоугольной. Основная приведенная погрешность таких частотомеров лежит в пределах 2—3%.

Семейство перечисленных выше аналоговых частотомеров дополняет гетеродинные чистотомеры, принцип действия которых основан на сравнении измеряемой частоты с частотой перестраиваемого стабильного генератора. Сравнение осуществляется посредством гетеродинирования напряжений сравниваемых частот.

Гетеродинирование—это процесс нелинейного взаимодействия двух напряжений, в результате которого кроме исходных частот w ₁и w ₂ возникают комбинационные частоты? пw ₁+ mw _2? , где п и т— целые числа. В окрестности равенства частот w ₁ и w ₂появляются низкочастотные (нулевые) биения, которые удобно наблюдать на осциллографическом индикаторе. Достоинствами гетеродинных частотомеров является возможность измерения очень высоких частот—до 100ГГц с погрешностью не хуже 10^-2—10^-3%.

Среди приборов для измерения частоты видное место занимают цифровые частотомеры.

Электронно-счетные частотомеры являются цифровыми приборами. Они основаны на счете числа периодов измеряемой частоты за некоторый, строго определенный интервал времени, т.е. используют аналого-цифровое преобразование частоты в последовательность пересчитываемых импульсов. Погрешность этих частотомеров в основном определяется нестабильностью формирования калиброванного интервала времени и погрешностью квантования. Последняя уменьшается с увеличением измеряемой частоты.

Электронно-счетные частотомеры являются наиболее точными (относительная погрешность может не превышать 10^-7%) и обладают всеми преимуществами цифровых приборов, поэтому они нашли широкое применение. Диапазон измеряемых частот—от 10Гц до сотен мегагерц. Чтобы расширить диапазон измерений в сторону низких частот, в некоторых частотомерах дополнительно вводится время-импульсное аналого-цифровое преобразование, Это дает возможность с большой точностью измерять период низкочастотного напряжения. Затем следует пересчет периода в частоту при помощи микропроцессорного вычислителя. Такие частотомеры имеют нижний частотный предел 0,1—0,01 Гц.

В результате применения микропроцессоров в цифровых частотомерах появилась возможность проведения многократных измерений с усреднением их результатов, исключения некоторых систематических погрешностей, проведения автоматического контроля правильности работы прибора, работы в составе измерительного комплекса по заданной программе и т.д.

Измерение угла сдвига фаз. Методы измерения угла сдвига между двумя гармоническими напряжениями зависят от частотного диапазона и требуемой точности измерения. На низких частотах наиболее употребительны электромеханические фазометры, построенные на основе электродинамических и ферродинамических логометров. Однако их показания довольно значительно зависят от частоты, поэтому такие фазометры используются в основном на промышленных частотах 50—400Гц и имеют классы точности 0,5—2,5.

Электронные аналоговые фазометры используют принцип преобразования фазового сдвига во временной интервал. Структурная схема такого частотомера приведена на рис. 2,53, а. Напряжения u ₁ и и ₂, угол сдвига фаз между которыми требуется измерить, после усиления, ограничения, дифференцирования и детектирования преобразуются в короткие импульсы и _1? и и ₂ ', управляющие триггером. Напряжение с выхода триггера подается на цепочку, состоящую из резистора и магнитоэлектрического прибора РА. Показания индикатора РА пропорциональны среднему значению тока, протекающего через прибор. Но I _ср =I_{mj x}/2p, т.е. показания прибора пропорциональны углу сдвига фаз. На рис. 2.53, б приведены временные диаграммы, иллюстрирующие принцип работы электронного фазометра. Электронные аналоговые фазометры работают в диапазоне частот от десятков герц до единиц мегагерц. Их относительная погрешность составляет 1—2%.

В лабораторных условиях для измерения угла сдвига фаз можно использовать осциллограф. Метод линейной развертки применяется, если осциллограф двухлучевой. В этом случае на экране получают изображение двух кривых напряжений и ₁и u ₂, взаимное расположение которых несет искомую информацию. Метод эллипса основан на том факте, что при подаче двух синусоидальных напряжений на вертикально и горизонтально отклоняющие пластины на экране наблюдается эллипс, форма и наклон которого зависят от угла сдвига фаз. Погрешность измерения этими методами довольно велика—5—10%.

Цифровые фазометры строятся на основе аналого-цифрового преобразования фазового сдвига в интервал времени, т.е. используют время-импульсные АЦП. Они работают в широком диапазоне частот (например, фазометр Ф2-4 от 20Гц до 10МГц, Ф5126 от 1 до 150МГц), имеют высокое входное сопротивление (до 1МОм), могут работать с напряжениями от нескольких милливольт до сотен вольт. Абсолютная погрешность измерений составляет доли градусов.