Основные радиоэлектронные измерения и измерительные приборы. Измерения - это познавательный процесс, заключающийся в сравнении опытным путём измеряемой величины с некоторым её значением принятым за единицу измерения. Этот процесс можно разбить на нескольк

АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Общие сведения

В аналоговых электромеханических измерительных приборах непосредственной оценки электромагнитная энергия, подведенная к прибору непосредственно из измеряемой цепи, преобразуется в механическую энергию углового перемещения подвижной части относительно неподвижной.

Электромеханические измерительные приборы (ЭИП) применяют для измерения тока, напряжения, мощности, сопротивлений и других электрических величин на постоянном и переменном токах преимущественно промышленной частоты 50 Гц. Эти приборы относят к приборам прямого действия. Они состоят из электрического преобразователя (измерительной цепи), электромеханического преобразователя (измерительного механизма), отсчетного устройства (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Структурная схема аналогового ЭИП

Измерительная цепь . Она обеспечивает преобразование электрической измеряемой величины X в некоторую промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение), функционально связанную с измеряемой величиной X. Величина Y непосредственно воздействует на измерительный механизм (ИМ).

По характеру преобразования измерительная цепь может представлять собой совокупность элементов (резисторов, конденсаторов, выпрямителей, термопар и др.). Различные измерительные цепи позволяют использовать один и тот же ИМ при измерениях разнородных величин, напряжения, тока, сопротивления, меняющихся в широких пределах.

Измерительный механизм . Являясь основной частью конструкции прибора, он преобразует электромагнитную энергию в механическую энергию, необходимую для угла отклонения а его подвижной части относительно неподвижной, т. е.

α = f(Y) = F(X).

Подвижная часть ИМ представляет собой механическую систему с одной степенью свободы относительно оси вращения. Момент количества движения равен сумме моментов, действующих на подвижную часть.

Дифференциальное уравнение моментов, описывающее работу ИМ, имеет вид

J(d 2 α/dt 2) = ΣM , (5.1)

где J - момент инерции подвижной части ИМ; α - угол отклонения подвижной части; d 2 α/dt 2 - угловое ускорение.

На подвижную часть ИМ при ее движении воздействуют:

вращающий момент М , определяемый для всех ЭИП скоростью изменения энергии электромагнитного поля w э, сосредоточенной в механизме, по углу отклонения α подвижной части. Вращающий момент является некоторой функцией измеряемой величины X, а следовательно, Y (тока, напряжения, произведения токов) и α:

М = (∂w э /∂α) = f (α) Y n , (5.2)

противодействующий момент М α , создаваемый механическим путем с помощью спиральных пружин, растяжек, подводящих проводов и пропорциональный углу отклонения α подвижной части:

М α = - W α, (5,3)

где W - удельный противодействующий момент на единицу угла закручивания пружины (зависит от материала пружины и ее геометрических размеров);

момент успокоения М усп, т. е. момент сил сопротивления движению, всегда направленный навстречу движению и пропорциональный угловой скорости отклонения:

М усп =- Р (d α/d t), (5.4)

где Р - коэффициент успокоения (демпфирования).

Подставив (5.2) - (5.4) в (5.1), получим дифференциальное уравнение отклонения подвижной части механизма:

J(d 2 α/dt 2) = М + М α + М усп, (5.5)

J(d 2 α/dt 2) + Р (d α/d t) + W α = M . (5.6)

Установившееся отклонение подвижной части ИМ определяется равенством вращающего и противодействующего моментов, т. е. М = М α , в том случае, если два первых члена левой части дифференциального уравнения (5.6) равны нулю. Подставив в равенство М = М α аналитические выражения моментов, получим уравнение шкалы прибора, показывающее зависимость угла отклонения а подвижной части от значения измеряемой величины и параметров ИМ.

В зависимости от способа преобразования электромагнитной энергии в механическое угловое перемещение подвижной части ИМ электромеханические приборы делят на магнитоэлектрические, электродинамические, ферродинамические, электромагнитные и др.

Отсчетное устройство аналоговых ЭИП . Чаще всего оно состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью ИМ, и неподвижной шкалы. Указатели бывают стрелочные (механические) и световые. Шкала представляет собой совокупность отметок, которые расположены вдоль какой-либо линии и изображают ряд последовательных чисел, соответствующих значениям измеряемой величины. Отметки имеют вид штрихов, черточек, точек и т. п.

По начертанию шкалы бывают прямолинейные (горизонтальные или вертикальные), дуговые (при дуге до 180° включительно) и круговые (при дуге более 180°).

По характеру расположения отметок различают шкалы равномерные и неравномерные, односторонние относительно нуля, двусторонние и безнулевые. Шкалы градуируют либо в единицах измеряемой величины (именованная шкала), либо в делениях (неименованная шкала). Числовое значение измеряемой величины равно произведению числа делений, прочитанных по шкале, на цену (постоянную) прибора. Цена деления- значение измеряемой величины, соответствующее одному делению шкалы.

Так как ЭИП являются приборами прямого действия, то чувствительность прибора S п определяется чувствительностью цепи S ц и чувствительностью измерительного механизма S и:

S п = S ц S и (5.7)

Классы точности аналоговых ЭИП: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Узлы и детали измерительных приборов . Для большинства ЭИП, несмотря на разнообразие ИМ, можно выделить общие узлы и детали - устройства для установки подвижной части ИМ, для создания противодействующего момента, уравновешивания и успокоения

.

Рис. 5.2. Установка подвижной части измерительного механизма

Так как любой измерительный механизм ЭИП состоит из подвижной и неподвижной частей, то для обеспечения свободного перемещения подвижной части последнюю устанавливают на опорах (рис. 5.2,а), растяжках (рис. 5.2,6), подвесе (рис. 5.2,в). При транспортировке подвижную часть ИМ закрепляют неподвижно с помощью арретира.

Устройства для установки подвижной части на опорах представляют собой легкую алюминиевую трубку, в которую запрессовывают керны (стальные отрезки). Концы кернов затачивают и шлифуют на конус с закруглением. Опираются керны на агатовые или корундовые подпятники. При установке подвижной части ИМ на кернах между керном и подпятником возникает трение, что вносит погрешность в показания прибора. В приборах высокого класса точности (лабораторных) для уменьшения трения шкала устанавливается горизонтально, а ось вертикально. При этом нагрузка сосредоточена в основном на нижней опоре.

Устройства для установки подвижной части на растяжках представляют собой две тонкие ленты из бронзового сплава, на которых подвешивается подвижная часть ИМ.

Рис. 5.3. Общие детали подвижной части ИМ на опорах

Их наличие обеспечивает отсутствие трения в опорах, облегчает подвижную систему, повышает виброустойчивость. Растяжки используют для подведения тока к обмотке рамки и создания противодействующего момента.

Устройства для установки подвижной части на подвесах используют в особо чувствительных приборах. Подвижную часть ИМ подвешивают на тонкой металлической (иногда кварцевой) нити. Ток в рамку подвижной части подводят через нить подвеса и специальный безмоментный токоподвод из золота или серебра.

Для создания противодействующего момента в ИМ с установкой подвижной части на опорах (рис. 5.3) используют одну или две плоские спиральные пружины 5 и 6, выполненные из оловянно-цинковой бронзы. Пружины служат также в качестве токоподводов к обмотке рамки подвижной части. Одним концом пружину крепят к оси или полуоси, а другим - к поводку 4 корректора. Корректор, устанавливающий на нуль стрелку 3 невключенного прибора, состоит из винта 9 с эксцентрично расположенным пальцем 8 и вилки 7 с поводком. Винт 9 корректора выводится на переднюю панель корпуса прибора, вращаясь, он движет вилку 7, что вызывает закручивание пружины и соответственно перемещение стрелки 3. Ось 2 заканчивается кернами, опирающимися на подпятники 1.

Для уравновешивания подвижной части служат грузики-противовесы 10.

Рис. 5.4. Схемы магнитоиндукционного (а) и воздушного (б) успокоителей

Измерительный механизм считается уравновешенным, когда центр тяжести подвижной части совпадает с осью вращения. Хорошо уравновешенный измерительный механизм показывает при различных положениях одно и то же значение измеряемой величины.

Для создания необходимого успокоения ИМ снабжают успокоителями, развивающими момент, направленный навстречу движению (время успокоения не более 4 с). В ИМ наиболее часто применяют магнитоиндукционные и воздушные успокоители, реже - жидкостные (когда требуется очень большое успокоение).

Магнитоиндукционный успокоитель (рис. 5.4, о) состоит из постоянного магнита 1 и алюминиевого диска 2, жестко связанного с подвижной частью механизма и свободно перемещающегося в поле постоянного магнита. Успокоение создается за счет взаимодействия токов, индуцированных в диске при его перемещении в магнитном поле постоянного магнита с потоком этого же магнита.

Воздушный успокоитель (рис. 5.4, б) представляет собой камеру /, в которой перемещается легкое алюминиевое крыло (или поршенек) 2, жестко связанное с подвижной частью ИМ. При перемещении воздуха из одной части камеры в другую через зазор (между камерой и крылом) тормозится движение крыла и колебания подвижной части быстро затухают. Воздушные успокоители слабее магнитоиндукционных.

Логометры

Логометры - приборы электромеханической группы, измеряющие отношение двух электрических величин Y 1 и Y 2:

α = F(Y 1 / Y2) n , (5.41)

где n - коэффициент, зависящий от системы ИМ.

Особенность логометров заключается в том, что вращающий М и противодействующий М α моменты в них создаются электрическим путем, поэтому логометр имеет два воспринимающих элемента, на которые воздействуют величины Y 1 и Y 2 , составляющие измеряемое отношение. Направления величин Y 1 и Y 2 должны выбираться такими, чтобы моменты М и М α , действующие на подвижную часть, были направлены навстречу друг другу; при этом подвижная часть будет поворачиваться под действием большего момента. Для выполнения этих условий моменты М и М α должны по-разному зависеть от угла отклонения подвижной части прибора.

Источниками погрешности логометра служат неидентичное выполнение двух воспринимающих элементов, особенно при наличии ферромагнитных материалов; наличие в логометре дополнительных моментов М доп (от трения в опорах, безмоментных подводок, неуравновешенности подвижной части). Следовательно,

M = М α + М доп. (5.42)

Присутствие дополнительного момента М доп делает показания логометра зависящими от побочных факторов (например, напряжения). Поэтому на шкале логометра указывают рабочий диапазон напряжения, в пределах которого градуировка шкалы справедлива. Верхний предел напряжения определяется максимальной мощностью, выделяемой в цепях логометра, а нижний - М доп. Стрелка, не включенного под напряжение логометра, из-за отсутствия механического противодействующего момента занимает безразличное положение.

Рис. 5.18. Устройство механизма магнитоэлектрического логометра

Действие магнитоэлектрического логометра заключается в следующем.

В неравномерное магнитное поле постоянного магнита (рис. 5.18) помещают подвижную часть ИМ, содержащую две рамки, жестко скрепленные под углом d = 30°-90° и насаженные на общую ось. Токи I 1 и I 2 подводят к рамкам с помощью безмоментных токоподводов. Направление токов таково, что ток I 1 создает вращающий, а I 2 - противодействующий моменты:

M = I 1 (∂Ψ 1 /∂α); M α = I 2 (∂Ψ 2 /∂α), (5.43)

где Ψ 1 , Ψ 2 -потоки, создаваемые магнитом и сцепленные с рамками.

Моменты М и M α изменяются в зависимости от изменения угла α. Максимальные значения моментов будут сдвинуты на угол d, что позволяет получить на рабочем участке уменьшение М и увеличение M α . При равновесии I 1 (∂Ψ 1 /∂α) = I 2 (∂Ψ 2 /∂α), откуда

где f 1 (α), f 2 (α) - величины, определяющие скорость изменения потокосцепления.

Из равенства моментов следует, что

α = F(I 1 / I 2) (5.45)

Если отношение токов выразить через искомую величину X, то

α = F 1 (X). (5.46)

Существование данной функциональной зависимости возможно при выполнении основного условия работы логометра, т.е. при ∂Ψ 1 /∂α ≠ ∂Ψ 2 /∂α, которое обеспечивается при искусственно созданной неравномерности магнитного поля в воздушном зазоре логометра. Магнитоэлектрические логометры применяют для измерения сопротивлений, частоты и неэлектрических величин,

Электро- радиотехнические измерения

Допущено

Министерством связи СССР в качестве учебника для техникумов связи специальностей 0701, 0706

МОСКВА «СВЯЗЬ» 1980

Кушнир Ф. В. Радиотехнические измерения: Учебник для техникумов связи. Москва: Связь, 1980. - 176 с.

Излагаются основы радиотехнических измерений. Рассматриваются принципы и методы измерений радиотехнических величин, характеризующих параметры сигналов, систем и устройств радиосвязи и радиовещания во всем применяемом диапазоне частот. Приводятся сведения о построении структурных схем измерительных приборов, погрешностях и способах их учета и уменьшения влияния. Особое внимание уделено приборам цифровым и выполненным на микросхемах. Приведены краткие справочные данные о многих измерительных приборах.

Предназначается для учащихся техникумов связи, обучающихся по специальностям «Радиосвязь и радиовещание», «Телевизионная техника и радиорелейная связь».

Оглавление книги Радиотехнические измерения
Предисловие

Введение
В.1. Назначение и особенности радиотехнических измерений
В.2. Содержание и задачи предмета
В.3. Основные метрологические понятия
В.4. Погрешности измерений
В.5. Классификация радиоизмерительных приборов
Контрольные вопросы

Глава 1. Измерение тока и напряжения
1.1. Основные соотношения
1.2. Измерение тока
Общие сведения
Термоамперметры
Выпрямительные амперметры
Измерение больших токов
Косвенные измерения тока
1.3. Измерение напряжения
Общие сведения
Электронные вольтметры переменного напряжения
Импульсные вольтметры
Электронные вольтметры постоянного напряжения
Цифровые вольтметры
Погрешность измерений
Контрольные вопросы

Глава 2. Генераторы измерительных сигналов
2.1. Назначение. Классификация. Основные технические требования
2.2. Генераторы сигналов низкочастотные
2.3. Генераторы сигналов высокочастотные
2.4. Генераторы импульсных сигналов
2.5. Генераторы шумовых сигналов
Контрольные вопросы

Глава 3. Электронные осциллографы
3.1. Назначение. Классификация. Основные технические требования
3.2. Получение осциллограмм. Развертка изображения
3.3. Структурная схема осциллографа
3.4. Импульсные осциллографы
3.5. Измерение амплитудно-частотных характеристик
Контрольные вопросы

Глава 4. Измерение параметров компонентов цепей с сосредоточенными постоянными
4.1. Основные соотношения
4.2. Мостовой метод измерения параметров
4.3. Резонансный метод измерения
4.4. Измерение сопротивления заземления
Контрольные вопросы

Глава 5. Измерение параметров элементов и трактов с распределенными постоянными
5.1. Основные понятия и соотношения
5.2. Измерительная линия
5.3. Измерение коэффициента стоячей волны напряжения
5.4. Измерение сопротивления нагрузки
5 5. Понятие об автоматических измерительных приборах для измерения КСВН

Глава 6. Измерение мощности
6.1. Основные соотношения и методы измерений
6.2. Измерение поглощаемой мощности
6.3. Измерение проходящей мощности
Контрольные вопросы

Глава 7. Измерение частоты и интервалов времени
7.1. Общие сведения. Методы измерения
7.2. Метод сравнения
7.3. Метод дискретного счета
7.4. Резонансный метод
7.5. Понятие о мерах частоты и времени
Контрольные вопросы

Глава 8. Измерение фазового сдвига
8.1. Основные сведения. Методы измерения
8.2. Осциллографический метод
8.3. Компенсационный метод
8.4. Метод преобразования фазового сдвига в импульсы тока
8.5. Метод фазового детектора
8.6. Метод дискретного счета
8.7. Измерение фазового сдвига с преобразованием частоты
8.8. Понятие об измерении группового времени запаздывания
8.9. Фазовращатели
Контрольные вопросы

Глава 9. Измерение нелинейных искажений
9.1. Определения. Методы измерения
9.2. Гармонический метод
9.3. Комбинационный метод
Контрольные вопросы

Глава 10. Измерение параметров модулированных сигналов
10.1. Общие сведения
10.2. Измерение параметров амплитудномодулированного сигнала
10.3. Измерение параметров частотномодулированного сигнала
10.4. Измерение параметров импульсномодулированного сигнала
Контрольные вопросы

Глава 11. Измерение напряженности электромагнитного поля и радиопомех
11.1. Основные соотношения
11.2. Измерительные приемники и измерители напряженности поля
11.3. Измерители радиопомех
Контрольные вопросы
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

B.I. НАЗНАЧЕНИЕ И ОСОБЕННОСТИ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Измерением называется физический опыт, в результате которого находят численное значение измеряемой физической величины. Измерения являются важнейшим этапом деятельности работников всех отраслей науки и техники. Измерительная аппаратура является основным оборудованием всех научно-исследовательских институтов, лабораторий, неотъемлемой частью оснастки любого технологического процесса, главным полезным грузом искусственных спутников Земли и космических станций. Уровень развития измерительной техники является одним из важнейших показателей научно-технического прогресса.

Измерения играют определяющую роль и в технике связи. Эксплуатация любых систем радиосвязи, радиовещания и телевидения невозможна без непрерывной информации о режимах работающих устройств, параметрах сигналов и условиях их передачи или приема. Эту информацию получают в результате измерений соответствующих величин.

Профилактический или аварийный ремонт радиоаппаратуры и нахождение неисправностей также невозможны без измерений. Для этих целей измеряют электрические параметры элементов (конденсаторов, резисторов и т. д.), проверяют режимы блоков, узлов и всей установки, снимают различные характеристики. Полученные количественные значения измеренных величин сопоставляют с приведенными в описаниях, спецификациях и на схемах, определяют причину и место неисправности и устраняют ее.

Производство радиоаппаратуры и особенно ее разработка сопровождаются непрерывными измерениями, так как рассчитанная схема всегда нуждается в практической проверке, а ее элементы в соответствующей подгонке. Приемо-сдаточные испытания различных радиотехнических объектов в основном представляют собой тщательно выполняемые измерения.

Измерения выполняются с помощью специальных технических средств, предназначенных для этой цели, которые называются средствами измерений.

В технике радиосвязи, радиовещания и телевидения все виды измерений можно разбить на измерения:
- параметров сигналов - тока, напряжения, мощности, частоты, модуляции, формы, фазового сдвига, отношения сигнал/шум, напряженности электромагнитного поля; параметров радиотехнических устройств - усиления, ослабления, отражения, согласования, искажения сигнала, входного (выходного) сопротивления;
- характеристик узлов и аппаратуры - частотных, амплитудных, модуляционных, временных;
- параметров элементов - сопротивлений резисторов, емкостей конденсаторов, индуктивностей и взаимоиндуктивностей одиночных и связанных катушек индуктивности и трансформаторов, полных сопротивлений двухполюсников и поверку средств измерений.

Измерения некоторых из перечисленных величин встречаются в курсе электрических измерений, но там они выполняются на постоянном токе или токе промышленной частоты (50 или 400 Гц). Радиотехнические измерения выполняются на переменном токе во всем диапазоне частот, используемом в радиотехнике, т. е. от долей терца до десятков гигагерц.

Широкий диапазон частот, большие пределы значений измеряемых величин, многообразие условий, в которых выполняются измерения, являются характерными особенностями радиотехнических измерений. Вследствие этих особенностей применяются различные методы и способы измерений и значительное число различных средств измерений.

Измерения, где бы и кем бы они не выполнялись, всегда должны быть достоверными, а их результаты - сопоставимыми. Единство измерений и единообразие средств измерений в стране обеспечивает Метрологическая служба СССР. В Министерстве связи СССР, как и в других министерствах, имеется ведомственная метрологическая служба. Основные задачи предприятий и организаций по метрологическому обеспечению определяются приказами министра связи СССР.

Метрологическую службу СССР возглавляет Государственный комитет СССР по стандартам. В его подчинении находятся научно-исследовательские институты и сеть республиканских и областных лабораторий государственного надзора. Основоположником отечественной метрологической службы был великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев. В 1893 г. он возглавил и до конца жизни руководил организованной по его инициативе Главной палатой мер и весов - ныне научно-производственное объединение «Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева» (ВНИИМ), г. Ленинград.

Промышленность выпускает большое (количество первоклассных радиоизмерительных приборов для обеспечения растущих потребностей хозяйства связи и других областей народного хозяйства в точных измерениях. В этих приборах широко применяются полупроводниковые приборы, микросхемы и интегральные схемы, новые принципы конструирования. На этой базе интенсивно обновляется парк радиоизмерительной аппаратуры общего применения. Однако большое число приборов, снятых с производства, находится и еще длительное время будет находиться в эксплуатации.

Основными направлениями развития радиоизмерительной аппаратуры для Единой автоматизированной сети связи СССР, радиовещания и телевидения в настоящее время являются: автоматизация и убыстрение процессов измерения с одновременным повышением точности; выполнение измерений без перерыва связи или передачи радио- и телевизионных программ; улучшение технических и эксплуатационных характеристик приборов за счет внедрения новой элементной базы и повышение их надежности. Реализация этих направлений обеспечивает повышение эффективности и качества измерений, а вместе с тем, эффективности к качества радиосвязи, радиовещания и телевидения.

Кушнир Ф. В. Радиотехнические измерения . Издательство "Связь", Москва, 1980

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Допущено

Министерством связи СССР в качестве учебника для техникумов связи специальностей 0701, 0706

МОСКВА «СВЯЗЬ» 1980

Кушнир Ф. В.

Радиотехнические измерения: Учебник для техни­кумов связи.- М.: Связь, 1980.- 176 е., ил.

Излагаются основы радиотехнических измерений. Рассматриваются принципы и методы измерений радиотехнических величин, характеризую­щих параметры сигналов, систем и устройств радиосвязи и радиовещания во всем применяемом диапазоне частот. Приводятся сведения о построении структурных схем измерительных приборов, погрешностях и способах их учета и уменьшения влияния. Особое внимание уделено приборам цифро­вым и выполненным на микросхемах. Приведены краткие справочные дан­ные о многих измерительных приборах.

Предназначается для учащихся техникумов связи, обучающихся по специальностям «Радиосвязь и радиовещание», «Телевизионная техника и радиорелейная связь».

30405-028 ББК 32.842

К———————————– 6-80 2402020000

045(01)-80 6Ф2.08

Рецензенты: А. М. Варбанский, В. А. Магда

Флор Васильевич Кушнир РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Промышленность выпускает большое количество первоклассных радиоизмерительных приборов для обеспечения растущих потреб­ностей хозяйства связи и других областей народного хозяйства в точных измерениях. В этих приборах широко применяются полу­проводниковые приборы, микросхемы и интегральные схемы, но­вые принципы конструирования. На этой базе интенсивно обнов­ляется парк радиоизмерительной аппаратуры общего применения. Однако большое число приборов, снятых с производства, нахо­дится и еще длительное время будет находиться в эксплуатации.

Основными направлениями развития радиоизмерительной ап­паратуры для Единой автоматизированной сети связи СССР, радиовещания и телевидения в настоящее время являются: авто­матизация и убыстрение процессов измерения с одновременным повышением точности; выполнение измерений. без перерыва свя­зи или передачи радио – и телевизионных программ; улучшение технических и эксплуатационных характеристик приборов за счет внедрения новой элементной базы и повышение их надежности. Реализация этих направлений обеспечивает повышение эффек­тивности и качества измерений, а вместе с тем, эффективности и качества радиосвязи, радиовещания и телевидения.

Предмет радиотехнических измерений, в соответствии с про­граммой, включает следующие разделы: основные метрологичес­кие понятия; краткие сведения о погрешностях измерений, спосо­бах их учета и уменьшения влияния на результаты измерения; измерение тока, напряжения и мощности в широком диапазоне частот; изучение генераторов измерительных сигналов; ­ные осциллографы; измерение фазового сдвига, частоты и интер­валов времени; измерение параметров модуляции, нелинейных ­кажений; измерения в радиотехнических цепях с сосредоточенны­ми и распределенными параметрами; измерения напряженности. электромагнитного поля и радиопомех.

Предмет изучается на классных и практических занятиях, а навыки работы с приборами и оценки погрешностей измерений приобретаются в процессе лабораторных работ. В результате ус­воения этого курса учащиеся должны овладеть главными мето­дами измерений основных радиотехнических величин, понять прин­ципы работы радиоизмерительных приборов, свободно читать принципиальные схемы и понимать протекающие в приборах фи­зические процессы, правильно выбрать в каждом конкретном слу­чае наиболее подходящий метод, способ и прибор, самостоятель­но выполнить измерение и. оценить полученного ре­зультата.

Базовыми предметами для радиотехнических измерений явля­ются: электротехника и электрические измерения, электронные приборы, электронные усилители, основы радиотехники, автома­тика и вычислительная техника. Хорошее знание этих предметов обеспечивает свободное понимание и твердое курса ра­диотехнических измерений в отведенное учебным планом время.

В. З. ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ

Наука об измерениях, методах и средствах обес­печения их единства и способах достижения требуемой точности. Единообразие результатов измерений обеспечивается регламен – тированными требованиями’ к характеристикам измерительных” приборов и их поверками. Важнейшую роль играют единицы из­мерения, система которых устанавливается законодательным по­рядком. принята к<Международаня система единиц» (си­стема СИ), в основу которой положены семь основных единиц: дли­ны--метр (м), массы--килограмм (кг), времени - секунда (с), силы электрического тока - ампер (А), термодинамической тем­пературы- кельвин (К), силы света - (ад), количества вещества - моль (моль). На базе основных единиц определены производные для всех отраслей науки и техники. В нашем курсе будут использоваться следующие единицы электрических величин: .количества электричества - кулон (Кл), напряжения, потенциала, ЗДС - (В), напряженности ‘электрического поля - вольт на метр (В/м), электрического сопротивления - ом (Ом), элек­трической проводимости - сименс (См), емкости - фарада (Ф), индуктивности - генри (Гн), частоты - герц (Гц), энергии, рабо­ты, количества теплоты - джоуль (Дж), мощности - ватт (Вт).

Для относительного определения усиления, ослабления, уров­ня сигнала к помехе, несогласованности тракта передачи, нерав­номерности характеристик широко используется удобная безраз­мерная единица, основанная на десятичном логарифме отношения величин - децибел (дБ). По определению

i дБ = 10 lg А при А = Ю10 = 1,259, Pi Рг

аде Pi и Р-2 - сравниваемые мощности или другие энергетические величины;

1 дБ = 20 lg ^ =20lg А при А = Ю20 =1,12, U| 1г 11

где U и I - напряжение и ток или другие «силовые» величины.

Изменение коэффициента «10» на коэффициент «20» при пере­ходе от энергетических величин к силовым объясняется так. На­пишем выражение для мощности через напряжение или ток: P=U2/R или Р=PiR; подставим одно из них в формулу, опреде­ляющую децибел по отношению мощностей:

10lgA= 10:£/?//?!)= 101g-^+l01g-^-10lg^.

При равенстве сопротивлений, R\ и 10 lg~- = 0, поэтому

Если отношение величин больше единицы, децибелы положи­тельные, если меньше - отрицательные. Для удобства перевода отношений мощностей и напряжений (токов) в децибелы и об­ратно используются специальные таблицы.

Полезно запомнить несколько соотношений часто встречаю­щихся в радиотехнической практике:

Зная, что1 логарифмический метод сводит умножение и деле­ние к сложению и вычитанию, легко найти другие соотношения.

Примеры: 1. На вход усилителя низкой частоты подается на­пряжение 10 мВ; на выходе получается 0,5 В. Определить коэф­фициент усиления в децибелах.

К = 20 lg ^ = 20Ш50 = 20 lg 100-20 lg2 = 40-6 = 34 дБ.

2. На вход отрезка кабеля типа РК.-1 приложено напряжение 1 В, частота ‘которого 100 МГц. Определить напряжение на вы­ходе кабеля, если его затухание а на данной частоте составляет а = -0,096 дБ/м, а длина отрезка I равна 42 м. Волновое сопро­тивление кабеля и сопротивление согласованы.

Ослабление, вносимое кабелем, А = а/=-0,096-42=-4 дБ; -4 дБ=-(10-6) дБ. Из приведенной таблицы следует, что 10 дБ соответствует отношению напряжений 3,16, а 6 дБ - 2. От­сюда следует, что -4 дБ соответствует отношению 2/3,16=0,63 и напряжение на выходе кабеля равно 0,63 В.

Существует безразмерная единица, основанная на натураль­ном логарифме - (Нп); 1 Нп=8,686 дБ; 1 дБ = 0,115 Ни. Единица непер в настоящее время. ще применяется.

Метрологические термины и определения устанавливаются ГОСТ и обязательны к употреблению при выполнении измерений.

Средства измерений - технические устройства, предназначен­ные для измерений и имеющие нормированные свойства. К сред­ствам измерений относятся: мера - устройство, предназначенное для хранения и воспроизведения единицы измерения; - устройство (комплекс устройств), обеспечивающее хранение и вос­произведение единицы измерения с наивысшей точностью; изме­рительный преобразователь - устройство, предназначенное для преобразования измеряемой величины в сигнал измерительной информации, удобный для дальнейшего преобразования, переда­чи и обработки, но недоступный непосредственному восприятию наблюдателя.

Измерительный прибор - устройство, предназначенное для преобразования измеряемой величины в сигнал измерительной информации, доступный восприятию наблюдателя. Измерительный прибор состоит из одного или нескольких преобразователей и от – счетного или регистрирующего устройства. Основными свойствами радиоизмерительных приборов являются: погрешность (класс точ – 8 яости), пределы измеряемой величины, диапазон частот, входное {выходное) сопротивление, чувствительность, быстродействие, на­дежность.

Истинное измеряемой величины - значение, свобод­ное от погрешности.

Действительное значение измеряемой величины - значение, полученное в результате измерения и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть исполь­зовано вместо него.

Процесс измерения заключается в сравнении измеряемой ве­личины с единицей измерения. В результате измерения получают число, показывающее, сколько единиц измерения содержится в измеренной величине.

Прямое измерение - измерение, при котором значение изме­ряемой величины находят непосредственно по показаниям при­бора.

Косвенное измерение - измерение, при котором значение ис­комой величины находят расчетным путем на основании извест­ной зависимости между искомой величиной и величинами, ­вергаемыми прямым измерениям (например, определение сопро­тивления цепи по измеренным значениям тока и напряжения).

Метод измерения - совокупность приемов использования прин­ципов и средств измерений.

Метод непосредственной оценки - метод измерения, в кото­ром значение величины определяют непосредственно по отсчет – ному устройству прибора прямого действия.

Метод сравнения - метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Ме­тод сравнения практически применяется в трех разновидностях:

дифференциальный метод, в котором определяют разность между значениями измеряемой X и известной У величин: Д= =X-Y, откуда Х=У+:Л;

нулевой метод, в котором разность значений доводят до нуля

метод замещения, в котором измеряемую величину, включен­ную в измерительное устройство, заменяют известной величиной без нарушения режима устройства.

Метод сравнения обеспечивает высокую точность.

Меры и измерительные приборы разделяются на образцовые и рабочие. Первые служат для поверки вторых. Погрешность об­разцовых средств должна быть, по крайней мере, в 3 раза мень­ше погрешности поверяемых.

В.4. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

Введение
Глава первая. Основные сведения о радиотехнических измерениях
1. Особенности радиотехнических измерений
2. Единицы измерений
3. Погрешности измерений
4. Классификация радиоизмерительных приборов и система их обозначений
Глава вторая. Измерение постоянных токов и напряжений
5. Общие сведения
6. Магнитоэлектрический индикатор
7. Измерение постоянного тока
8. Измерение постоянного напряжения
9. Ламповые вольтметры постоянного тока
Глава третья. Измерение электрических сопротивлений
10. Электрические пробники
11. Измерение сопротивлений
12. Измерение сопротивлений методом непосредственного отсчета
13. Ламповые омметры
14. Мостовой метод измерения сопротивлений
Глава четвертая. Измерение переменных токов и напряжений
15. Общие сведения
16. Измерение переменного тока высокой частоты
17. Детекторные приборы
18. Комбинированные приборы
19. Ламповые вольтметры переменного тока
Глава пятая. Испытания радиоламп и полупроводниковых приборов
20. Способы испытаний радиоламп
21. Универсальный испытатель ламп Л1-3 (МИЛУ-1)
22. Испытания полупроводниковых диодов
23. Испытания транзисторов
24. Испытатели параметров транзисторов
Глава шестая. Измерительные генераторы
25. Классификация и основные узлы
26. Возбудители измерительных генераторов
27. Звуковые генераторы
28. Высокочастотные генераторы
29. Импульсные генераторы
Глава седьмая. Осциллографы
30. Электроннолучевая трубка
31. Высоковольтный выпрямитель и блок развертки
32. Полная блок схема осциллографа
33. Электронный осциллограф Cl-8
34. Наблюдение импульсных процессов
35. Импульсный осциллограф С1-20 общего применения
36. Двухлучевые осциллографы
37. Применение электронных осциллографов
38. Измерение частотных характеристик
Глава восьмая. Измерение параметров катушек индуктивности и конденсаторов
39. Общие сведения
40. Метод вольтметра-амперметра
41. Метод моста
42. Резонансный метод
Глава девятая. Измерение частоты
43. Общие сведения
44. Непосредственный метод измерения частоты
45. Измерение частоты методом сравнения
46. Приборы, основанные на методе сравнения частот
47. Резонансный метод измерения частоты
Глава десятая. Измерение коэффициента модуляции
48. Осциллографический способ измерения
49. Измерение с помощью амперметра или вольтметра
50. Измерение девиации частоты
Глава одиннадцатая. Измерение нелинейных искажений
51. Общие сведения
52. Анализаторы спектра
53. Измерители нелинейных искажений
Глава двенадацатая. Измерения на сверхвысоких частотах
54. Особенности измерений на сверхвысоких частотах
55. Измерение мощности
56. Измерение частоты (длины волны)
57. Измерительные генераторы сверхвысоких частот
58. Измерительные линии
Глава тринадцатая. Измерение напряженности поля и помех
59. Общие сведения
60. Индикаторы поля
61. Измерители напряженности поля
62. Измерение помех
Литература

Основные параметры средств измерений

Любой измерительный прибор должен иметь определенные параметры, которые обеспечивали бы получение более точных результатов измерения. К наиболее общим параметрам измерительных приборов относятся:

Чувствительность - отношение изменения сигнала на выходе прибора к вызвавшему его изменению измеряемой величины.

Порог чувствительности - минимальное значение измеряемой величины на входе прибора, при котором еще можно произвести ее отсчет.

Амплитудный диапазон - минимальное и максимальное значения измеряемой величины, измеряемые с заданной точностью.

Входное сопротивление - сопротивление между зажимами прибора, к которым подключается объект измерений. Этот параметр имеет важное значение для вольтметров, осциллографов и других приборов, которые при измерении создают дополнительную нагрузку для исследуемой цепи. Для генераторов этот параметр называется выходным сопротивлением.

Точность измерения - параметр, отражающий близость результата измерения к действительному значению измеряемой величины.

Быстродействие - время установления показаний прибора.

Вид уравнения шкалы - наиболее удобна шкала с линейной зависимостью,

Измерение какой-либо физической величины заключается в определении ее значения с помощью специальных технических средств путем сравнения с некоторым значением этой величины, принятым за единицу.

Все средства, используемые непосредственно при измерении, называют измерительной аппаратурой и делят по характеру участия в процессе измерения на три группы: меры, измерительные приборы и измерительные приспособления. Меры и измерительные приборы подразделяются на образцовые и рабочие.

Образцовые меры и измерительные приборы служат для воспроизведения и градуировки различных мер и измерительных приборов. Те образцовые меры и измерительные приборы, которые предназначены для осуществления и хранения единиц измерения величин с наивысшей достижимой при данном состоянии техники точностью, называют эталонами.

Рабочие меры и измерительные приборы служат для практических целей измерения и делятся на лабораторные и технические. Лабораторные меры и измерительные приборы стоят выше технических, так как при их применении производится учет точности измерения с помощью поправочных таблиц или формул.

В своей практической деятельности радиомеханик использует электрические и радиотехнические измерения для проверки, регулировки, настройки и ремонта бытовой радиотелевизионной аппаратуры. При отыскании простых неисправностей часто ограничиваются измерениями напряжений, токов и сопротивлений. Для нахождения сложных неисправностей, а также настройки и регулировки радиотелевизионной аппаратуры применяют более сложные измерения.

Метрологическая надежность - параметр, зависящий от неявных отказов прибора, связанных с уходом параметров за пределы допуска в течение времени.

Единицы физических величин

В нашей стране с 1 января 1982 г. введен в действие ГОСТ 8.417-81 ГСИ. Единицы физических величин, которым предусмотрен переход на обязательное применение единиц Международной системы (СИ), представляющей собой основу для унификации единиц физических величин во всем мире. Основные единицы этой системы следующие: длина (метр), масса (килограмм), время (секунда), сила электрического тока (ампер), термодинамическая температура (кельвин), количество вещества (моль) и сила света (кандела).

Наряду с основными единицами СИ применяются производные от них, а также десятичные кратные (больше в 10, 100, ... раз) и дольные (меньше в 10, 100, ... раз) единицы. Приведем наименования некоторых основных и производных единиц: электрический ток - ампер (А), электрическое напряжение - вольт (В), электрическая мощность - ватт (Вт), электрическое сопротивление- ом (Ом), электрическая проводимость - сименс (См), электрическая емкость - фарад (Ф), индуктивность - генри (Гн), частота - герц (Гц), время - секунда (с).

Наименования и обозначения десятичных кратных и дольных единиц образуются путем добавления следующих приставок:

Атто (а) 10 -18 , фемто (ф) 10 -15 , пико (п) 10 -12 , нано (н) 10 -9 , микро (мк) 10 -6 , милли (м) 10 -3 , санти (с) 10 -2 , деци (д) 10 -1 , дека (да) 10, гекто (г) 10 2 , кило (к) 10 3 , мега (М) 10 6 , гига (Г) 10 9 , тера (Т) 10 12 .

Погрешности измерений

Целью измерения являются получение числового значения измеряемой величины и оценка допущенной погрешности. Погрешность; неизбежна даже при самых тщательных измерениях. Поэтому истинное значение измеряемой величины получить невозможно.

Чтобы определить погрешности измерений, вместо истинного применяют действительное А Д значение измеряемой величины, которое определяется образцовым прибором или как среднее арифметическое А ср результатов большого числа п измерений:

Абсолютной погрешностью измерения ΔА называется разность между результатом измерения А и действительным значением из меряемой величины А Д: АΔ = А - А Д.

Абсолютная погрешность с обратным знаком, называемая поправкой, используется при работе с лабораторными приборами.

Применение абсолютной погрешности для оценки точности измерения неудобно, поскольку она неодинакова на разных пределах измерений. Поэтому абсолютную погрешность сравнивают с одним из полученных значений измеряемой величины, т. е. определяют относительную погрешность.

Различают действительную относительную погрешность Y Д %, которая определяется как отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины:

Y Д = (ΔА/А Д) 100, и приведенную относительную погрешность Y Д %, которая определяется как отношение абсолютной погрешности к максимально возможному значению измеряемой величины А пр т. е. к верхнему пределу измерений:

Y пр = (ΔА/А пр) ∙ 100

Если используются многопредельные приборы, то необходимо выбирать такой предел измерений, при котором отклонения указателя индикатора располагаются ближе к концу шкалы. При этом действительная погрешность близка к приведенной. При установке указателя в начале шкалы резко возрастает действительная погрешность при неизменной приведенной.

Точность измерительных приборов оценивается по наибольшему значению допустимой погрешности, которая указывается на шкале и в паспорте прибора в виде абсолютной, действительной или приведенной погрешностей. Для электроизмерительных приборов наибольшая приведенная погрешность определяет класс их точности. Установлено девять классов точности: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Радиоизмерительные приборы не имеют класса точности, поскольку в некоторых из них отсутствует стрелочный индикатор, а там, где он есть, на его показания влияет электронная схема, с которой он используется. Для оценки точности радиоизмерительных приборов применяются абсолютная и относительная погрешности.

Абсолютная погрешность прибора указывается в виде одного значения (например, ±1 Гц - уход частоты генератора при колебаниях сети) или в виде суммы, двух значений, из которых одно зависит, а другое не зависит от измеряемой величины (например, 0,1 F +4 , Гц,- погрешность установки частоты следования импульсов генератора).

Относительная погрешность прибора указывается в процентах одним значением (например, ±6%,- погрешность вольтметра при измерении переменного напряжения) или в виде суммы двух значений, из которых первое определяет погрешность при больших измеряемых величинах, а второе при малых (например, 1 + 6R,%,- погрешность универсального моста при измерении сопротивлений).

В зависимости от условий измерения абсолютная и относительная погрешности могут быть основными и дополнительными. Основная - это погрешность прибора, который работает при нормальных условиях (температуре, влажности, давлении). Основная погрешность зависит от конструктивных особенностей прибора, качества его изготовления, точности градуировки шкалы и пр. Дополнительная - это погрешность прибора, работающего в условиях, отличных от нормальных. Значение дополнительной погрешности указывают в виде слагаемого к основной погрешности или поправочного множителя к результату измерений.

В зависимости от причин возникновения погрешности разделяют на систематические и случайные. Первые обусловлены неточностью градуировки шкал приборов, их неисправностью, влиянием механических, тепловых или иных факторов. Эти погрешности повторяются при последующих измерениях, их можно обнаружить и исключить при обработке результатов измерения. Случайные погрешности возникают по многим причинам, учесть которые невозможно (например, нерегулярные колебания напряжения источников питания, случайные изменения внешних условий и т. д.).

При неоднократных измерениях случайные погрешности получаются различными как по значению, так и по знаку. Для уменьшения влияния случайных погрешностей на результат измерения необходимо повторить измерения п раз, рассчитать среднее арифметическое результатов измерения А ср и принять его как действительное значение. Для оценки влияния случайной погрешности используют среднюю квадратическую погрешность о, которую рассчитывают по формуле

Чем меньше средняя квадрэтическая погрешность, тем точнее измерение и меньше влияние случайной погрешности на результат измерения.