Электроника в вопросах и ответах

К недостаткам гетеродинного частотомера относится погрешность в определении частоты, следующая из получения нулевых биений из-за гармоник сигналов с частотами f₀ 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 f_xв единицах частоты [30] . Частотомер также снабжен схемой сброса, которая перед отпиранием вентиля устанавливает счетчик в нулевое положение.

30

Если время отпирания вентиля Т_измравно секунде или ее десятичным кратным.

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 U_xс 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 A₁ и А₂, имеющих положительный потенциал относительно катода: 300 — 1000 В (А₁) и 800 — 4000 В (А₂). Фокусировка электронного потока в узкий пучок осуществляется с помощью электрического поля, действующего между анодами А₁ и А₂, 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 у₁, у₂ и x₁, х₂. 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.