Файл: Атамалян Э.Г. Методы и средства измерения электрических величин учеб. пособие.pdf

Глава 3

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

§ 3-1. Измерительные генераторы

Общие сведения. Измерительными генераторами называют источ­ ники напряжения, вырабатывающие электрические сигналы различ­ ной величины, формы и частоты. Практически используемые измери­ тельные генераторы обычно рассчитаны на сравнительно узкий диа­ пазон частот, вырабатывают одну (иногда две) заданную форму выход­ ного сигнала, обладают возможностью фиксированной установки, а также регулировки в определенных пределах параметров выходных сигналов. Мощность измерительных генераторов лежит в пределах

0,1 + 10 Вт.

Измерительные генераторы различают по диапазону частот ге­ нерируемых сигналов: низкочастотные (звуковые; ультразвуковые); высокочастотные; сверхвысокочастотные, а также по их форме: а) си­ нусоидальных сигналов, разделяемые на генераторы стандартных сигналов (ГСС) и генераторы сигналов (ГС). ГСС — источники электрических сигналов, калиброванные по выходному напряжению

ники электрических сигналов, имеющие пониженную точность ка­ либровки, узкие пределы регулировки выходного сигнала, мощный выход); б) импульсных сигналов; в) шумовых сигналов, представляю­ щие собой генераторы, в которых используют для получения широкого спектра частот выходного сигнала, явление шумового эффекта, созда­ ваемого различными элементами (резисторами, диодами, газоразряд­ ными трубками); г) сигналов специальной формы.

В зависимости от назначения и допустимых погрешностей основных параметров выходного сигнала измерительные генераторы разделяют по классам точности.

Измерительные генераторы могут быть встроены в радиоэлектрон­ ные устройства или выполнены самостоятельно.

Применяют измерительные генераторы для питания измерителей индуктивности, добротности, емкости, частоты и других величин, построенных на резонансных и мостовых методах; исследования, на­ стройки измерительной и радиоэлектронной аппаратуры, импульсных схем; снятия амплитудно-частотных и переходных характеристик раз­ личных устройств; измерения временных параметров.

Измерительные генераторы низкой частоты. Измерительные гене­ раторы низкой (звуковой и ультразвуковой) частоты вырабатывают синусоидальные колебания с плавно регулируемой частотой (20 Гц ч- ч- 200 кГц), амплитуда которых может изменяться как ступенчато, так и плавно (от долей милливольта до 150 В) при нескольких фикси­ рованных значениях выходного сопротивления.

Характеристиками генератора низкой частоты являются коэффи­ циент гармонических искажений, диапазон генерируемых частот, ста-

50

бильиость частоты, выходная мощность, погрешность градуировки и пределы изменения выходного напряжения.

Степень нелинейных искажений характеризуется коэффициентом гармонических искажений kt, который представляет собой отношение действующего значения напряжения всех высших гармоник, начи­ ная со второй, к действующему значению напряжения основной гар­ моники:

где Ult и ъ ..., IJп — действующие значения напряжений соответствую­ щих гармоник, измеренные на выходе генератора.

Коэффициент kr зависит от величин частоты и выходной мощности сигнала.

Уменьшить величину коэффициента гармонических искажений и сохранить синусоидальную форму генерируемых колебаний позволяют специальные фильтры, устраняющие высшие гармоники; двухтактный выходной каскад, ослабляющий четные гармоники; возможность со­ гласования выходного сопротивления генератора с нагрузкой и дру­ гие схемные решения.

Диапазон генерируемых частот характеризуется коэффициентом перекрытия knep, который равен отношению максимальной генерируе­ мой частоты /max к минимальной генерируемой частоте /min:

Расширение диапазона генерируемых частот возможно за счет применения частичных поддиапазонов.

Стабильность частоты генератора определяется отношением аб­ солютного изменения частоты А/ к начальной частоте /0 при определен­ ном изменении внешних условий:

В генераторах с плавной настройкой частоты не применяют квар­ цевую стабилизацию. Причинами дестабилизации в них являются из­ менение геометрических размеров элементов колебательных контуров из-за изменения температуры окружающей среды, параметров ламп, электрических величин элементов, напряжения питающей сети, влия­ ние нагрузки и др. Для повышения стабильности частоты в этих гене­ раторах используют буферные каскады (промежуточные усилители, слабо связанные с задающим генератором), параметрическую стаби­ лизацию (заключающуюся в поддержании постоянства параметров цепей, определяющих частоту генератора), стабилизацию напряжения источника питания генератора и др. Точность установки частоты опре­ деляется качеством шкальных устройств и механизмов органов на­ стройки. Постоянство установленного выходного напряжения или выходной мощности во всем диапазоне частот обеспечивается приме­ нением отрицательной обратной связи или схем автоматического регу­ лирования.

51

Схема типового измерительного генератора низкой частоты предста­ влена на рис. 3-1, ее основным блоком является задающий генератор ЗГ, который создает стабильные по частоте и амплитуде синусоидальные колебания. С помощью усилителей напряжения и мощности УН и УМ генерируемые колебания доводятся до определенного энергетиче­ ского уровня. Выходное устройство ВУ, состоящее из аттенюатора Л

Рис. 3-1. Структурная схема типового генератора низ­ кой частоты

и согласующего трансформатора СТ, предназначено для создания на нагрузке заданной величины напряжения (мощности), а также для согласования выходного сопротивления генератора с сопротивлением нагрузки.

Аттенюатор А предназначен для понижения (ослабления) напряже­ ния (мощности) в определенное число раз или на несколько децибелл:

жение и мощность на входе аттенюатора; U2, Р2 — напряжение и мощ­ ность на выходе аттенюатора.

Аттенюатор представляет собой набор последовательно соединенных Г-образных (рис. 3-2, а) и Т-образных (рис. 3-2, б) звеньев четырех­ полюсника на низкоомных резисторах.•

Выполняют аттенюаторы таким образом, чтобы при регулировании выходного напряжения их входное и выходное сопротивления оста­ вались неизменными.

В зависимости от диапазона частот измерительного генератора вы­ ходное устройство может содержать один или два согласующих транс­ форматора СТ. Для согласования сопротивления нагрузки RH с

52

сопротивлением генератора вторичную обмотку СТ выполняют секцио­ нированной, число витков вторичной обмотки изменяют таким обра­ зом, чтобы приведенное сопротивление нагрузки равнялось сопротив­ лению R] первичной обмотки СТ:

где k — коэффициент трансформации, равный отношению числа вит­ ков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки, т. е. k —

= wjw2.

Обычно указывают величины сопротивлений нагрузки, для которых выполнены условия согласования (например, сопротивления 60, 600, 6000 Ом). Если внешнее сопротивление, подключенное к выходным зажимам генератора, больше 6000 Ом (что имеет место при включении электронного осциллографа), то условия согласо'вания нарушаются. Во избежание этого вторичную обмотку СТ включают на внутреннюю нагрузку 600 Ом. Подключение к

генератора делятся на генераторы типов LC, RC и генераторы на бие­ ниях.

Измерительные генераторы LC-типа. В этих генераторах частота генерируемых колебаний / определяется емкостью С и индуктивностью

Для создания измерительных генераторов с регулируемой частотой от 20 Гц до 20 кГц, т. е. при коэффициенте перекрытия /гпеР == 103, требуются большие емкости и индуктивности. Поэтому генераторы, созданные для генерирования сигналов низких частот, получаются громоздкими. Генераторы LC-типа изготовляются на узкий диапазон частот либо на одну или несколько фиксированных частот.

Измерительные генераторы ДС-типа. Задающий генератор пред­ ставляет собой двухкаскадный усилитель У на резисторах с положи­ тельной обратной связью (рис. 3-3), создаваемой делителем из сопро­ тивлений Zx и Z., (Zl составлено из последовательно соединенных /Д и C v Z2 — из параллельно соединенных R 2 и С2).

63