Лекция Электронные осциллографы Классификация и обобщенная структурная схема универсального электронного аналогового осциллографа
 Скачать 1.39 Mb.
|
|
12.4. Цифровые методы измерения мощности Повсеместно внедряемая в последние годы в измерительной технике автоматизация процессов измерения распространилась и на средства измерения мощности. Необходимость в автоматизации; средств измерения мощности обусловлена двумя основными причинами: во- первых, развитием автоматических систем контроля и, во-вторых, сложностью управления работой, связанной с балансировкой мостовых схем. В цифровых ваттметрах применяют различные типы преобразователей мощности, в том числе и терморезисторные. Упрощенная структурная схема цифрового ваттметра показана на рис. 12.9. 112 Рисунок 12.9.Упрощенная структурная схема цифрового ваттметра Основным элементом структурной схемы ваттметра является микропроцессор. Усилитель постоянного тока УПТ усиливает выходное напряжение термоэлектрического приемного преобразователя до значения, обеспечивающего устойчивую работу блока АЦП. Напряжение, пропорциональное значению измеряемой мощности, преобразуется с помощью времяимпульсного преобразователя (на схеме для упрощения не показан) в интервал времени, который заполняют импульсами опорной частоты. Число импульсов, заполнивших интервал времени, пропорциональное измеряемой мощности, отображается в значениях мощности на ЦОУ или выводится в специализированное; устройство обработки измерительной информации. Микропроцессор ваттметра содержит элементы автоматического управления режимами работы прибора и дистанционного переключения пределов измерения, индикации условного обозначения измеряемой величины. Калибратор мощности переменного тока используют для самокалибровки ваттметра, а калибратор мощности постоянного тока — для калибровки цифрового ваттметра, работающего с преобразователями на средних и больших уровнях мощности. Все электронные узлы ваттметра подключают к встроенному источнику питания. Приемный преобразователь состоит из отрезка коаксиальной, полосковой или волноводной линии со стандартным высокочастотным разъемом, поглощающего элемента, термоэлектрического модуля и «образца сравнения». Поглощающий элемент представляет собой тонкопленочный резистор на теплопроводящей (бериллиевой) керамике. Центральным проводником коаксиального тракта является тонкостенная трубка из нержавеющей стали, исключающая тепловое влияние внешней среды на поглощающий элемент. Для уменьшения потерь в СВЧ-диапазоне трубку покрывают медью и серебром. Один конец поглощающего элемента за счет плотной посадки имеет электрический контакт с центральным проводником, а другой — впаян в согласующий медный экран с серебряным покрытием. В согласующем экране предусмотрено ступенчатое изменение диаметра, что обеспечивает согласование поглощающего элемента с трактом во всем диапазоне частот. Термоэлектрический модуль представляет собой диск с отверстием и расположен так, что горячий спай имеет тепловой контакт с внешней поверхностью согласующего экрана в месте пайки поглощающего элемента, а холодный спай — с «образцом сравнения». К выводам термоэлектрического модуля припаивают провода соединительного кабеля. Для защиты модуля от случайных внешних тепловых воздействий используют внутренний и внешний экраны. На внешнем экране укреплены ребра, образующие вместе с экраном радиатор. Применение радиатора позволяет увеличить мощность рассеяния преобразователя. Цифровой ваттметр с микропроцессором осуществляет ряд автоматизированных операций: автоматический выбор пределов измерений уровня электрической мощности, автоматическую установку нуля и самокалибровку. Кроме того, предусматривают выход Измеряемая мощность ЦОУ Микропроцессор АЦП УПТ Приемный преобразователь Источник питания Калибратор мощности переменного тока Калибратор мощности постоянного тока 113 информации на канал общего пользования при включении ваттметра в состав ин- формационно-измерительной системы. Контрольные вопросы 1. Что собой представляет мощность электрических колебаний? 2. Перечислите основные методы измерения мощностей в различных частотных диапазонах. 3. Объясните принцип действия электродинамического ваттметра. 4. Какой алгоритм лежит в основе ваттметра на перемножителях? 5. Назовите особенности измерения мощности электромагнитных колебаний в СВЧ- диапазоне? 6. По какому принципу строят ваттметры поглощающей мощности для СВЧ-диапазона? 7. Приведите схему ваттметра поглощающей мощности. 8. Объясните принцип действия терморезисторного метода измерения СВЧ-мощности. 9. Какие типы мостов применяют для измерения мощности с помощью терморезисторов? 10. Приведите схемы неуравновешенного и уравновешенного мостов. 11. В чем заключается метод измерения электрической мощности СВЧ термопарами? 12. На чем основан калориметрический метод измерения мощности? 13. Как работают ваттметры проходящей мощности? 14. Приведите основные схемы ваттметров проходящей мощности. 15. Объясните принцип действия цифрового ваттметра по его структурной схеме. 16. На каком принципе основаны измерители мощности, использующий преобразователи Холла? 17. Какой принцип действия ваттметров, построенных на основе эффект «горячих» носителей тока? 114 Лекция 13. Анализ спектра и измерение нелинейных искажений 13.1. Общие положения В теории сигналов широкое применение нашли два способа математического и физического представления электрических сигналов: временной и спектральный. При временном способе анализа электрический сигнал отражается непрерывной функцией времени или совокупностью элементарных импульсов, следующих друг за другом через определенные интервалы времени. Спектральный способ основан на представлении (аппроксимации) сигнала в виде суммы гармонических составляющих разных, обычно кратных друг другу частот. Процессы в электрических цепях получаются тем сложнее, чем более сложной является форма сигналов. В этих случаях часто становится эффективным и полезным спектральное представление сигналов. Для оценки степени искажений, претерпеваемых гармоническими сигналами при прохождении их через нелинейные цепи, используют измерение нелинейных искажений. Для периодических сигналов Фурье ввел разложение по различным видам математических рядов — тригонометрическим, гармоническим, комплексным и т. д. Фурье также доказал, что непериодические (импульсные) сигналы можно описать с помощью двух его интегральных преобразований — прямого и обратного. Анализ спектра включает определение как амплитуд гармоник (спектра амплитуд), так и их начальных фаз (спектра фаз). Однако для многих практических задач достаточно знать лишь спектр амплитуд. Поэтому под анализом спектра принято понимать определение ампли- туд гармоник исследуемого сигнала. Автоматическое определение амплитуд гармоник исследуемого сигнала осуществляют специальными приборами — анализаторами спектра. Анализаторы спектра сигналов классифицируют: • по способу анализа — последовательные, параллельные (одновременные) и смешанные; • по диапазону частот — низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, широкодиапазонные. Основные характеристики анализаторов — разрешающая способность, время анализа и погрешности измерения частоты и амплитуды. При спектральном анализе непериодических (импульсных) сигналов чрезвычайно удобна известная в математике формула прямого преобразования Фурье, характеризующая спектральную плотность исследуемого сигнала: dt e t u S( ) S(j t j ) ( ) (13.1.) С аналитической точки зрения имеет место одно обстоятельство, общее для всех схем анализаторов, ограничивающее точность анализа спектра сигнала: преобразование Фурье применимо при исследованиях процессов, если для них выполняются условия Дирихле и абсолютной интегрируемости. Для реальных процессов эти условия обычно выполняются. Преобразования Фурье предполагают, что сигнал u(t) задан на всей оси времени от - ∞ до + ∞ и спектр (13.1) определяется всем закончившимся процессом. Однако при практических измерениях анализируют процессы на конечном интервале времени Т а (времени анализа, наблюдения), т. е. не закончившиеся во времени. Это несоответствие позволяет установить модель текущего частотного спектра, определяемого соотношением: a T t j a a dt e t u T S( ) T S(j 0 ) ( ) , , (13.2) 115 Текущая спектральная плотность зависит от времени анализа, и форма текущего спектра в общем случае отличается от истинного тем больше, чем меньше Т а . Отличие текущего спектра от спектра закончившегося процесса зависит от того, проявились ли за время анализа Т Л все характерные особенности сигнала. Если исследуемый анализатором сигнал — периодический с периодом следования Т, то необходимо лишь выполнение условия: Т а >> Т. При анализе спектра сигналов нижний предел времени анализа является конечным, т. е. интегрирование (усреднение) проводится в интервале от 0 до Т a . За счет этого возникает методическая погрешность определения составляющих спектра, связанная с методом из- мерений. Эта погрешность для ряда технических применений анализаторов не играет особой роли, но в некоторых случаях ее необходимо учитывать. Как и все измерительные приборы, анализаторы спектров сигналов делят на аналоговые и цифровые. Несмотря на многие достоинства цифровых анализаторов, аналоговые анализаторы еще широко используют, особенно в верхней части высокочастотного и СВЧ- диапазонов, где цифровые преобразователи имеют определенные частотные ограничения. Современные аналоговые анализаторы спектров содержат и цифровые устройства. Цифровые анализаторы спектра кроме спектральных характеристик обычно вычисляют статистические характеристики сигналов. Практически во всех аналоговых анализаторах выделение гармоник сигнала производится узкополосными фильтрами. Основным элементом таких анализаторов является полосовой фильтр (высокодобротный резонатор) с узкой полосой пропускания, который выделяет отдельные составляющие или узкие диапазоны частот исследуемого спектра. Используется также и группы фильтров, каждый из которых настроен на индивидуальную полосу частот, или одну гармонику 13.2. Методы анализа спектра сигналов Практически все анализаторы спектра реализуют по двум схемам: параллельного и последовательного действия. Метод параллельного анализа спектра Метод параллельного анализачаще применяют для исследования спектров одиночных импульсных сигналов. Структурная схема анализатора параллельного типа содержит п полосовых фильтров Ф, каждый из которых настроен на определенную частоту (рис. 13.1, а). Рисунок 13.1. Метод параллельного анализа спектра а – структурная схема анализатора; б – исследуемый спектр; в - АЧХ фильтров; г – спектр на выходе анализатора Исследуемый сигнал u(t), спектр которого расположен в полосе частот u(t)(рис. 13.1, б), подают на все фильтры одновременно. Фильтры имеют похожие АЧХ с одинаковыми полосами пропускания Δƒ n и настроены на определенные частоты (рис. 13.1, в). Сигналы на выходе фильтров определяют составляющие спектра анализируемого процесса (рис. 13.1, г). 116 После детектирования в детекторах Д спектральные составляющие поступают на регистрирующие устройства РУ. Метод последовательного анализа спектра. Метод последовательного анализачаще всего применяют для исследования спектров многократно или периодически повторяющихся временных процессов. На рис. 13.2 показана упрощенная структурная схема анализатора спектра последовательного типа, которая содержит супергетеродинный приемник, индикаторное (чаще осциллографическое) устройство и калибратор. Основной блок супергетеродинного приемника — преобразователь частоты, состоящий из смесителя, генератора качающейся частоты ГКЧ и усилителя промежуточной частоты. К приемнику также относятся входное устройство, детектор (в данном случае амплитудный) и выходной усилитель. Рисунок 13.2. Структурная схема анализатора спектра последовательного типа В супергетеродинном приемнике спектр анализируемого сигнала u(t) с помощью преобразователя частоты переносится с несущей частоты/) на (как правило, более низкую) промежуточную (на которой работает усилитель промежуточной частоты): 0 г г 0 пч f f f f f (13.3) где ƒ г — центральная частота ГКЧ. На один вход смесителя через входное устройство подается входной сигнал u{t), а на другой его вход поступает напряжение с ГКЧ. Настройку приемника на разные частоты производят напряжением, поступающим на ГКЧ с выхода генератора развертки. С помощью индикаторного устройства наблюдают спектр исследуемого процесса. Калибратор используют для измерения характерных параметров спектра: частот, соответствующих максимумам или нулевым значениям огибающей спектра и т. д. Основные характеристики анализаторов спектра. Основные характеристики анализаторов — чувствительность, рабочий диапазон частот, разрешающая способность и время анализа. Чувствительность отражает отношение изменения сигнала на выходе анализатора к вызвавшему его изменению анализируемой величины. Наличие в анализаторах спектра преобразователей частоты с УПЧ ставит их в ряд приборов с высокой чувствительностью, и поэтому они могут применяться для анализа слабых сигналов. В диапазоне радиочастот чувствительность обычно выражается в милливольтах или микровольтах. В диапазоне СВЧ чувствительность выражается в ваттах и составляет обычно от 10 -7 до 10 -14 Вт. 117 Рабочий диапазон частот — диапазон, в пределах которого погрешность анализатора, полученная при изменении частоты сигнала, не превышает допускаемого предела. Он определяется максимальной и минимальной частотами настройки узлов анализатора и вспомогательных устройств (генератора частотных меток, частотомера). Важной частотной характеристикой анализатора спектра является также максимальная полоса частот, в которой можно одновременно наблюдать составляющие спектра на экране анализатора. Эта величина определяется максимальной полосой качания частоты ГКЧ. Время анализа — интервал времени Т а , в течение которого получают полное изображение исследуемого спектра на экране анализатора. За это время происходит изменение частоты напряжения ГКЧ от минимального до максимального значений. Разрешающая способность характеризует минимальное расстояние по частоте между двумя соседними составляющими в спектре сигнала с равными амплитудами, при котором соответствующие им выбросы на экране анализатора спектра наблюдаются раздельно. Анализаторы спектра характеризуются статической и динамической разрешающими способностями. Первая соответствует случаю, когда переходные процессы в УПЧ не искажают формы выбросов на экране анализатора, вторую определяют с учетом переходных процессов в избирательном устройстве анализатора. Статическая разрешающая способность зависит только от ширины полосы пропускания УПЧ Δf УПЧ . Для анализатора спектра последовательного типа статическая разрешающая способность УПЧ p f f 3 (13.4) Динамическая разрешающая способность анализатора спектра зависит от скорости перестройки частоты ГКЧ. Дело в том, что при увеличении скорости изменения частоты ГКЧ напряжение на выходе УПЧ не успевает изменяться в соответствии с изменением напряжения на его входе, так как энергия, запасенная в колебательной системе этого усилителя, не может измениться мгновенно. В результате и появляются динамические искажения АЧХ УПЧ и соответственно искажения формы эпюр на экране анализатора спектра. Подобное явление возникает в том случае, если время переходного процесса в УПЧ соизмеримо с временем изменения частоты колебаний на входе УПЧ в пределах его полосы пропускания. Отсюда время анализа определяется неравенством (для упрощения формула приведена без вывода): 2 p ГКЧ a f A f T 3 (13.5.) где Δf ГКЧ ≈ f max — f min ; A — коэффициент, определяемый схемой УПЧ и допустимыми динамическими погрешностями. Из отмеченного следует, что время анализа спектра обратно пропорционально квадрату разрешающей способности анализатора. Чем выше разрешающая способность (меньше Δf p ), тем больше должно быть время анализа. Для повышения разрешающей способности (уменьшения Δf p ) применяют схемы с двойным или тройным преобразованием частоты, которые здесь не рассматриваются. Между разрешающей способностью и временем анализа анализатора спектра существует определенная связь. Время анализа обратно пропорционально квадрату разрешающей способности. Чем выше разрешающая способность, тем больше должно быть время анализа. Необходимое время анализа для достаточно точного воспроизведения спектра сигнала при параллельном исследовании может быть принято равным τ у — времени установления неизменного уровня напряжения на выходе фильтра с прямоугольной АЧХ и рабочей полосой Δf Φ (от уровня 0,1 до уровня 0,9 от установившегося значения). Из теории электрических фильтров известно, что время установления τ у ≈ 0,86 (Δf Φ ), следовательно, Т а ≈ τ у = 1/(Δf Φ ). Тогда скорость параллельного анализа 118 2 ) /( 1 ф ф ф a n f n f f n T f (13.6) В параллельных анализаторах при сужении полосы пропускания фильтра скорость анализа снижается. На погрешность при параллельном анализе влияют: конечность времени установления колебаний на выходе фильтра и зависимость ее от полосы пропускания, различие характеристик фильтров, настроенных на разные частоты. Измеряют параметры составляющих спектра вспомогательными устройствами. Положение на оси частот отдельных спектральных составляющих и характерных участков спектра определяют с помощью частотных меток. Одну частотную метку создают подачей на анализатор спектра вместе с исследуемым сигналом напряжения от измерительного генератора гармонических колебаний. При этом на экране анализатора спектра появится частотная метка — риска, соответствующая частоте сигнала измерительного генератора. Изменяя частоту этого генератора, добиваются совпадения метки с определяемой точкой спектра. Частоту спектральной составляющей анализируемого сигнала затем считывают со шкалы измерительного генератора. Чтобы создать набор равноотстоящих друг от друга меток, в анализаторах спектра применяют специальные генераторы (например, генераторы частотно-модулированного сигнала). Из радиотехники известно, что спектр частотно-модулированного сигнала состоит из ряда гармонических составляющих, отстоящих друг от друга на частоту модуляции F м . Предусматривают возможность изменять среднюю частоту колебаний f ср и частоту модуляции F м . При изменении частоты модуляции меняют интервал между метками; при изменении средней частоты колебаний все метки сдвигают по оси частот. Напряжение от генератора частотно-модулированных колебаний вместе с исследуемым сигналом подают на вход анализатора спектра. При этом на экране наблюдают картину наложения двух спектров. Изменяя параметры напряжения калибровки (среднюю частоту и частоту модуляции), совмещают метки с характерными точками исследуемого спектра. Современные анализаторы спектра могут обеспечить работу в диапазоне частот от 10 Гц до 40 ГГц с полосой пропускания 0,001...300 кГц и разрешающей способностью 1 кГц на высоких частотах. Погрешность измерения уровней напряжений достигает 5 %. |