Какие измерительные приборы применяют в электронике?
В электронике используют много различных измерительных приборов. Большинство из них составляют электронные измерительные приборы, построенные на интегральных микросхемах, лампах, транзисторах, диодах, резисторах, конденсаторах и т. п. Используемые методы измерений тесно связаны с методами и процессами, применяемыми в электронике и радиоэлектронике, например с генерацией колебаний, детектированием, модуляцией, преобразованием, цифровой и вычислительной техникой и т. п. Измерительная техника развивается вместе с электроникой и является наилучшим отражением современного состояния развития. Выпускаемые в настоящее время электронные измерительные приборы характеризуются высокой точностью, стабильностью и надежностью.
Трудно выполнить однозначное разделение измерительных приборов на группы, поскольку критериев деления может быть очень много. Возможно разделение по частотным диапазонам, например приборы для измерения в области низких, средних, высоких и сверхвысоких частот.
Имеются некоторые основные группы измерительных приборов, используемых в каждой области техники и, в частности, в электронике. К ним относятся измерительные генераторы, частотомеры, вольтметры и осциллографы. Эти наиболее характерные для электроники измерительные приборы и будут рассмотрены ниже.
Что такое измерительный генератор?
Измерительный генератор — это генератор синусоидальных колебаний с калиброванной частотой и уровнем мощности. Измерительный генератор обычно обеспечивает плавную перестройку частоты и входного напряжения. Исходя из назначения и диапазона частот различают измерительные генераторы звуковых частот, широкополосные (видеочастотные), а также высокочастотные и сверхвысокочастотные.
Что такое генератор звуковых частот?
Генератор звуковых частот позволяет получать синусоидальные сигналы с частотами в пределах 20 Гц — 20 кГц. В более совершенных генераторах диапазон частот расширен в область как более низких (до нескольких герц), так и более высоких частот (до нескольких сотен килогерц). В генераторе с расширенным диапазоном частот, как правило, весь диапазон разбивается на несколько поддиапазонов, которые выбираются с помощью переключателя.
Генераторы звуковых частот обычно представляют собой RC-генераторы с мостом Вина, с непрерывной перестройкой с помощью конденсаторов. Достоинства таких генераторов следующие: низкое содержание гармоник (0,1–0,5 %), хорошая стабильность частоты (10-3—10-4) и амплитуды, а также малые габаритные размеры и масса. Уровень выходного сигнала в генераторах звуковых частот достигает 10–50 В на ненагруженных выходных зажимах; выходное сопротивление можно изменять в пределах от единиц до 600 Ом.
Генераторы звуковых колебаний используют для испытаний различных низкочастотных цепей, элементов и блоков, теле- и радиоприемников, а также электроакустических устройств. Они служат для питания схем (мостов) при измерении индуктивности и емкости и являются источником сигнала, модулирующего генераторы высокой частоты.
Что такое генератор биений?
Название генератора происходит от способа получения сигналов с частотами, для которых предназначается генератор. Структурная схема генератора биений приведена на рис. 13.1.
Рис. 13.1. Структурная схема генератора биений
Прибор содержит два LC-генератора высокой частоты. Один из них генерирует колебания с постоянной частотой f 1 . Частоту второго генератора можно изменять в интервале от f 2 до f 2 + f mах , причем f mах — максимальная частота, на которую можно перестроить генератор. В результате объединения двух сигналов в смесителе на выходе фильтра, устраняющего ненужные составляющие, получают разностную частоту f 1 — f 2 . Разностная частота может меняться в интервале от 0 до f mах и достигать значений 10–20 МГц.
Главным преимуществом генераторов биений является широкий диапазон перестройки, перекрываемый непрерывно без каких-либо переключений. К недостаткам относятся нестабильность разностной частоты, а также относительно высокий коэффициент содержания гармоник (несколько процентов). Генераторы биений используются для контроля частотных характеристик как селективных, так и апериодических схем, например широкополосных усилителей изображения.
Что такое генератор стандартных сигналов?
Это — высокостабильный генератор высокой частоты, заменяющий в лабораторных условиях естественные источники сигналов, например от передатчика. Многие типы генераторов перекрывают в сумме весь диапазон радиочастот от 50—100 кГц до десятков тысяч мегагерц. В зависимости от назначения генераторы стандартных сигналов выпускаются как генераторы с амплитудной (AM), частотной (ЧМ), с двумя видами модуляции (АМ/ЧМ), импульсной модуляцией (ИМ) и т. п.
Структурная схема одного из таких генераторов, перекрывающего диапазон радиочастот (50 кГц—30 МГц), представлена на рис. 13.2.
Рис. 13.2. Структурная схема генератора сигналов с AM модуляцией
Главным функциональным блоком является высокочастотный генератор, частота которого регулируется ступенчато в соответствии с поддиапазонами и плавно — с помощью перестраиваемого конденсатора в пределах одного поддиапазона. Точность установки и отсчета частоты лежит обычно в пределах 0,5–1,5 %. Сигнал с генератора подается на модулятор, в котором осуществляется амплитудная модуляция. Модулирующим сигналом может служить как сигнал от внутреннего генератора низкой частоты с частотой 1000 Гц, так и сигнал от внешнего генератора. С модулятором связан измеритель глубины модуляции. Выходное напряжение (0,1–1 В) можно уменьшить с помощью резистивного делителя вплоть до — 120 дБ (1 мкВ при исходном входном напряжении 1 В). Выходное сопротивление генератора мало, чаще всего 50 или 75 Ом.
Что такое генератор качающейся частоты?
Это определенный вид генератора сигналов, объединенного с осциллографом, в котором частота выходного сигнала не является постоянной. Специальная схема вызывает периодическое изменение частоты выходного сигнала таким образом, что она плавно изменяется в определенном интервале, а затем быстро возвращается к начальному значению. В это время амплитуда выходного сигнала остается постоянной.
Структурная схема генератора качающейся частоты представлена на рис. 13.3.
Рис. 13.3. Структурная схема генератора качающейся частоты
Генератор Г 1 служит для установки средней частоты, а генератор Г 2 модулируется по частоте с помощью емкостного диода. Диапазон перестройки генератора Г 2 составляет ± ΔF.
Пилообразное модулирующее напряжение берется со схемы временной развертки встроенного осциллографа. После смешения в смесителе сигналов от обоих генераторов получают ЧМ сигнал разностной частоты. Это выходной сигнал генератора качающейся частоты, который через делитель напряжения подводится к исследуемой схеме, например усилителю или фильтру.
Амплитуда напряжения на выходе схемы изменяется в зависимости от его амплитудной характеристики. Напряжение с выхода исследуемой схемы после детектирования подается на вход Y осциллографа. Поскольку изменение частоты выходного сигнала генератора качающейся частоты синхронизировано с временной разверткой осциллографа, на экране получают изображение амплитудной характеристики исследуемой схемы. Область наблюдаемой на экране осциллографа характеристики схемы зависит от девиации частоты 2ΔF и может регулироваться в широком интервале. Для увеличения точности отсчета частоты на изображение, полученное на экране, обычно наносятся метки, соответствующие определенным частотам (например, через 10 или 1 МГц). Для этого генератор качающейся частоты снабжают генератором меток.
Частота генератора развертки, определяющего скорость изменения ЧМ сигнала, устанавливается около нескольких десятков герц. При больших частотах могут появиться искажения наблюдаемой характеристики из-за инерционности LC-контуров.
Генераторы качающейся частоты применяют главным образом для настройки резонансных усилителей и фильтров, особенно с большой шириной полосы. Известны генераторы качающейся частоты, применяемые в телевизионной технике, которые перекрывают полосу частот от 0 до 1000 МГц.
На каком принципе работает генератор прямоугольных колебаний?
Существуют два способа получения прямоугольных колебаний. Первый основан на формировании прямоугольного колебания из синусоидального. Синусоидальное колебание от встроенного или внешнего генератора подвергается последовательно усилению и ограничению для получения соответствующей формы.
Другой способ получения прямоугольного колебания основывается на непосредственной генерации колебания с формой, близкой к прямоугольной, в схеме мультивибратора. Получаемое после ограничения и усиления напряжение и представляет собой выходное колебание генератора.
Генераторы прямоугольных колебаний используются прежде всего для возбуждения импульсных схем и испытаний усилителей в динамическом режиме. Частотный диапазон генераторов прямоугольных колебаний простирается от 10–20 Гц до нескольких сотен килогерц. Крутизна фронта прямоугольного колебания составляет обычно 0,1–1 мкс.
Что характерно для генераторов импульсов?
Генераторы импульсов являются источниками прямоугольных или пилообразных импульсов, длительность которых значительно меньше периода повторения импульсов. Частота повторения импульсов лежит обычно в пределах диапазона звуковых частот. Крутизна фронтов импульсов, как правило, регулируемой длительности, составляет 50 не — 1 мкс.
Генераторы импульсов обеспечивают напряжения положительной и отрицательной полярностей, а также регулировку амплитуды в пределах от 1 мВ до 100 В с помощью делителя напряжения.
Как можно измерять частоту?
Измерения частоты могут выполняться различными методами. Выбор метода измерений зависит от диапазона измеряемых частот, а также от требуемой точности измерений. К наиболее известным методам измерений относятся резонансный метод, метод сравнения частоты с частотой другого генератора, а также методы, основанные на счете импульсов.
Для калибровки и проверки частотомеров используются источники высокостабильных эталонных частот, так называемые эталоны (стандарты) частоты, выполняемые в большинстве случаев на основе кварцевых генераторов.
Как работает абсорбционный частотомер?
Абсорбционный частотомер является самым простым прибором для измерения частоты. Принцип действия этого прибора иллюстрирует рис. 13.4.
Рис. 13.4. Принцип действия сорбционного частотомера
Приближение катушки частотомера к цепи, излучающей энергию в виде электромагнитной волны, вызывает возбуждение в резонансном контуре электродвижущей силы, которая достигает максимального значения при настройке этого контура в резонанс на измеряемой частоте. Перестройка контура осуществляется дискретно сменой или переключением катушек или плавно с помощью переменного конденсатора. Индикатором, обнаруживающим резонанс, является чаще всего магнитоэлектрический прибор с чувствительностью, соответствующей чувствительности полупроводникового диода. При максимальном отклонении стрелки прибора отсчет частоты осуществляется по шкале, расположенной на оси переменного конденсатора.
Прибор позволяет проводить измерения в широком диапазоне частот (5·104—1·108 Гц). Однако точность измерений невысока и составляет обычно 0,25—2 %.
Что такое гетеродинный частотомер?
В гетеродинном частотомере измеряемая частота f x определяется путем сравнения с эталонной частотой f 0 . Измерения осуществляют методом получения нулевых биений. На вход смесителя подаются одновременно два высокочастотных сигнала f 0 и f x (рис. 13.5).
Если частоты f 0 и f x близки по значению, то разностная частота на выходе смесителя может лежать в диапазоне звуковых частот, и ее будет слышно в наушниках. Измерение сводится к установлению равенства частот f 0 = f x при нулевых биениях f 0 — f x = 0, характеризующихся пропаданием звука в наушниках.
В гетеродинный частотомер обычно встраивают кварцевый калибратор, который позволяет контролировать шкалу генератора и значительно увеличивать точность измерения, лежащую в пределах 10-4—10-5
К недостаткам гетеродинного частотомера относится погрешность в определении частоты, следующая из получения нулевых биений из-за гармоник сигналов с частотами f 0 и f x .
Рис. 13.5. Структурная схема гетеродинного частотомера
Какой наиболее распространенный метод измерения частоты?
В настоящее время широко используется цифровое измерение частоты, которое обеспечивает быстроту и точность измерения. Частота как дискретная величина идеально подходит для измерения цифровым методом. Принцип действия цифрового частотомера основывается на подсчете импульсов за определенное время.
Как работает цифровой частотомер?
Структурная схема цифрового частотомера, действующего на принципе счета импульсов, сформированных из измеряемого колебания с частотой f x за стандартный временной интервал Т изм , представлена на рис. 13.6.
Рас 13.6. Структурная схема цифрового частотомера
Колебание, частота которого должна быть измерена, после усиления, если оно необходимо, превращается в последовательность импульсов с той же самой частотой f x . Внутренний эталон частоты (кварцевый генератор) совместно со схемами деления, которые одновременно обеспечивают регулировку частоты индикации, а также формирующей схемой генерирует последовательность эталонных импульсов f эт . Эталонные импульсы запускают схему управления, которой обычно является стробирующая схема. Задачей этой схемы является задание стандартного времени измерений Т изм , в течение которого вентиль открыт. Во время открывания вентиля на счетчик подаются импульсы с измеряемой частотой f x . Число подсчитанных импульсов за время Т изм указывает непосредственно на цифровых индикаторах счетчика значение измеряемой частоты fx в единицах частоты. Частотомер также снабжен схемой сброса, которая перед отпиранием вентиля устанавливает счетчик в нулевое положение.
В настоящее время максимальная частота, измеряемая непосредственно с помощью счетчика, не превышает 250 МГц. Расширение частотного диапазона возможно путем использования на входе гетеродинных приставок, понижающих измеряемую частоту. Они позволяют расширить диапазон цифровых частотомеров до 1000 МГц.
Точность измерений с помощью цифрового частотомера составляет 10-5—10-8 и зависит от измеряемой частоты (чем меньше частота, тем ниже точность), а также времени измерения (чем оно дольше, тем выше точность).
Какого типа вольтметры применяют в измерительной технике?
Вольтметры, приборы для измерения напряжения, относятся к группе основных измерительных приборов. В настоящее время применяют вольтметры разных типов, которые отличаются входным сопротивлением, частотным диапазоном, типом индикатора и принципом работы.
В общем вольтметры можно разделить на неэлектронные (лишенные активных элементов, таких как электронные лампы или транзисторы) и электронные. Последние делятся на аналоговые, т. е. измеряющие непрерывным способом, и цифровые. Неточность аналоговых вольтметров составляет несколько процентов, а цифровых — на два порядка меньше.
Какова схема у электронного вольтметра постоянного тока?
Электронный вольтметр постоянного тока характеризуется очень высоким входным сопротивлением, около 107 Ом, поэтому он не нагружает измеряемую схему. Он состоит из усилителя постоянного тока и чувствительного магнитоэлектрического измерительного прибора — микроамперметра. Из многих схем достаточно широкое применение нашла схема, изображенная на рис. 13.7. Она содержит две лампы, потенциометр, включенный по мостовой схеме, и измерительный прибор, включенный между катодами обеих ламп. Измерительный прибор реагирует на разность токов обеих ламп, а его шкала прокалибрована непосредственно в вольтах.
Рис. 13.7. Схема лампового вольтметра
При отсутствии напряжения на входе прибора, когда к его входным зажимам не подключен источник постоянного напряжения, потенциометр устанавливается таким образом, чтобы стрелка измерительного прибора совпадала с нулем шкалы. Сетка одной из ламп заземлена, а измеряемое напряжение подается непосредственно на сетку второй лампы. Возникающая в результате разность токов обеих ламп пропорциональна входному, а отклонение стрелки прибора — измеряемому напряжению. Напряжение, требуемое для управления лампой, в нормальных условиях невелико, поэтому измеряемое напряжение подается на сетку лампы через делитель напряжения для того, чтобы уменьшить его до требуемого значения. Делитель напряжения снабжен переключателем, позволяющим менять коэффициент деления, т. е. диапазон измеряемых напряжений.
Можно ли использовать электронный вольтметр для измерения переменных напряжений?
Да. Достаточно перед рассмотренной выше схемой использовать выпрямитель и соответствующим образом прокалибровать прибор, например в эффективных значениях. Тогда вольтметр постоянного тока пригоден и для измерения переменных напряжений.
На каком принципе работает цифровой вольтметр?
Вольтметры с цифровым отсчетом служат прежде всего для измерения постоянного напряжения и обычно работают на принципе компенсации измеряемого напряжения с помощью эталонного напряжения. Из нескольких методов цифрового измерения напряжения самым простым является импульсно-временной метод. При использовании этого метода измерение напряжения осуществляется путем изменения его значения на определенный временной интервал, измеряемый на принципе счета импульсов. Структурная схема цифрового вольтметра, работающего на таком принципе, представлена на рис. 13.8, а.
Рис. 13.8. Цифровые измерения напряжения импульсно временным методом:
а — структурная схема; б — принцип действия
Основной составляющей частью является аналого-цифровой преобразователь, называемый в этом случае преобразователем напряжение — время. Преобразователь содержит измерительный компаратор, который сравнивает измеряемое напряжение Ux с линейно нарастающим эталонным напряжением U эт , подводимым от специального генератора. В момент равенства напряжений U x и U эт на выходе схемы сравнения появляется импульс сравнения. Второй импульс сравнения появляется на выходе нулевого компаратора в момент перехода напряжения U эт через нулевой уровень. Оба импульса открывают и закрывают вентиль, через который проходят образуемые генератором эталонных импульсов сформированные соответствующим образом узкие импульсы. Интервал времени между двумя импульсами сравнения является мерой величины U x , а последовательность импульсов свидетельствует о знаке измеряемого напряжения. Число импульсов за время отпирания вентиля подбирается так, что напряжение непосредственно считывается по показаниям счетчика на цифровом индикаторе.
Современные цифровые вольтметры обеспечивают точность измерений 0,01—0,001 %.
Что такое осциллограф?
Осциллограф является одним из наиболее важных и самых универсальных измерительных приборов, поскольку дает возможность непосредственного наблюдения изменения напряжений и токов во времени на экране осциллографической трубки, являющейся основным элементом осциллографа.
Как работает осциллографическая трубка?
Упрощенная схема конструкции осциллографической трубки представлена на рис. 13.9.
Рис. 13.9. Упрошенная схема конструкции осциллографической трубки
Трубка является электронно-лучевым прибором с электрической фокусировкой и отклонением электронного луча. Источником электронов служит подогревный катод К. Плотность электронного луча регулируется с помощью изменения отрицательного смещения на управляющем электроде, называемом модулятором М. Электроны достигают необходимой скорости под воздействием электрического поля анодов A 1 и А 2 , имеющих положительный потенциал относительно катода: 300 — 1000 В (А 1 ) и 800 — 4000 В (А 2 ). Фокусировка электронного потока в узкий пучок осуществляется с помощью электрического поля, действующего между анодами А 1 и А 2 , образующими электронную линзу.
Экран трубки, покрытый люминофором, светится под влиянием бомбардировки потоком электронов, обладающих высокой энергией. Управление электронным потоком, т. е. придание ему желательного напряжения, осуществляется с помощью двух пар взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин у 1 , у 2 и x 1 , х 2 . При отсутствии напряжения на пластинах электронный поток распространяется по прямой и дает световое пятно в центре экрана. Если к паре пластин подводится напряжение, то между ними возникает электрическое поле, отклоняющее электронный поток в направлении пластины с положительным зарядом. При этом происходит перемещение светового пятна на экране на расстояние, пропорциональное подведенному напряжению.
Напряжение, подводимое к пластинам x 1 , х 2 , вызывает перемещение светового пятна по горизонтали, а напряжение, подводимое к пластинам у 1 , у 2 — по вертикали. Если на пластины подать переменное напряжение с частотой более 15–20 Гц, то на экране наблюдается линия, в которую сливаются отдельные положения светового пятна.
Почему ка экране осциллографа появляется изображение исследуемого напряжения?
Изображение исследуемого напряжения на экране осциллографа возникает благодаря подаче на отклоняющие пластины осциллографической трубки двух напряжений. На горизонтальные отклоняющие пластины подается пилообразное напряжение — временная развертка. Период пилообразного напряжения состоит из рабочего периода, в течение которого напряжение меняется по линейному закону и вызывает равномерное перемещение электронного луча по экрану в горизонтальном направлении, а также времени возврата (обратного хода луча), за которое напряжение быстро возвращается к начальному значению. Напряжение, которое должно наблюдаться, подается на вертикальные отклоняющие пластины. Это напряжение отклоняет электронный луч вверх или вниз, причем отклонение луча пропорционально мгновенному значению исследуемого напряжения. Таким образом, в результате одновременного отклонения электронного луча в обоих направлениях следующие друг за другом мгновенные значения исследуемого напряжения откладываются по вертикали, начиная от левого края экрана, т. е. возникает изображение, по форме соответствующее данному напряжению.
Из каких основных узлов состоит осциллограф?
Осциллограф состоит из трех основных узлов: осциллографической трубки совместно со схемой ее питания, а также трактов вертикального Y и горизонтального отклонения X.
Тракт вертикального отклонения Y содержит усилители, задачей которых является усиление подводимого ко входу напряжения до значения, при котором происходит соответствующее отклонение электронного луча в осциллографической трубке. Эти усилители снабжены органами регулировки усиления, позволяющими выбрать удобный размер изображения на экране. Измерение отклонения луча упрощает расположенная перед экраном прозрачная пластина с нанесенной шкалой.
Тракт горизонтального отклонения X содержит генератор временной развертки, создающий рассмотренное ранее пилообразное напряжение, и усилители; частота генератора развертки регулируется, поскольку она должна быть подобрана — согласована с частотой наблюдаемого колебания. Для обеспечения стабильности изображения наблюдаемого колебания частота генератора развертки должна быть синхронна с частотой наблюдаемого колебания.
Органы регулировки усиления в тракте Y и частоты развертки в тракте X прокалиброваны соответственно в вольтах на деление вертикальной шкалы или микросекундах на деление горизонтальной шкалы. Это позволяет проводить быструю оценку амплитудных и временных зависимостей в наблюдаемом колебании. Упрощенная структурная схема осциллографа представлена на рис. 13.10.
Рис. 13.10. Упрощенная структурная схема осциллографа
Какие измерения можно проводить с помощью осциллографа?
С помощью осциллографа можно анализировать форму напряжения, что особенно важно в импульсной технике, т. е. можно измерять времена нарастания и спада импульса, его длительность, возможные пульсации, частоту повторения и т. п. Осциллограф дает возможность измерения напряжения, частоты (путем сравнения с колебанием известной частотой) и фазовых сдвигов; он также входит во многие сложные измерительные приборы, например, генераторы качающейся частоты.
Каковы основные параметры осциллографа?
Основными параметрами осциллографа являются: ширина полосы пропускания тракта Y, чувствительность тракта Y и скорость временной развертки. Выпускаемые в настоящее время осциллографы характеризуются шириной полосы 0—100 МГц, при чувствительности 5 мВ/дел. шкалы и скорость развертки от 1 с/дел. до 50 нс/дел.
* * *