Общие сведения и классификация методов и приборов для измерения мощности

ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ

 

В практике электрорадиоизмерений с задачей измерения мощ­ности приходится сталкиваться практически во всем используемом диапазоне частот — от постоянного и переменного тока низкой ча­стоты до оптического диапазона. В цепях постоянного и перемен­ного тока низкой частоты мощность измеряется прямо или косвен­но с помощью электромеханических приборов. На высоких часто­тах (ВЧ) предпочтительным и более точным становится прямое измерение мощности, а на сверхвысоких частотах (СВЧ) — это единственный вид измерений, однозначно характеризующий интен­сивность электромагнитных колебаний.

ИЗМЕРЕНИЕ ПОГЛОЩАЕМОЙ МОЩНОСТИ НА ВЫСОКИХ И СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

Измерение поглощаемой мощности наиболее распространено на ВЧ и СВЧ. Первичные преобразователи ваттметров поглощаемой мощности являются эквивалентом согласованной нагрузки и, как видно из рис. 4.1, а, включаются на конце передающей линии. Для измерения поглощаемой мощности может быть использовано боль­шинство методов, перечисленных в § 4.1.

ТЕПЛОВЫЕ МЕТОДЫ

 

Тепловые методы основаны на преобразовании электромагнит­ной энергии в тепловую с последующим измерением количества вы­деленного тепла (приращения температуры) либо замещающей мощности постоянного тока (низкой частоты), вызывающей экви­валентное приращение температуры. Основным достоинством теп­ловых ваттметров является возможность калибровки и аттестации их на постоянном токе, что способствует достижению высокой точ­ности измерения мощности.

Калориметрический метод

 

Калориметрический метод является одним из наиболее точных методов измерения мощности на ВЧ и СВЧ. Устройство калоримет­рических ваттметров весьма разнообразно и определяется уровнем измеряемой мощности, диапазоном частот и требуемой точностью. Однако во всех случаях первичным преобразователем ваттметра является калориметр, где и осуществляется преобразование электро­магнитной энергии в тепловую. Все калориметры подразделяются на калориметры с переменной и постоянной температурой.

Калориметры с переменной температурой могут конструктивно выполняться как статические и проточные. В статических калориметрах рабочее тело, где электромагнитная энергия превра­щается в тепловую, неподвижно и в процессе измерений не изменяет формы и физических свойств. Рабочим телом могут служить вода и твердые (объемные или пленочные) поглотители. В первом случае калориметр представляет собой сосуд Дьюара, а калориметры с твердыми поглотителями называют «сухими». Сухие калориметры наиболее распространены и конструктивно представляют собой коаксиальные (рис. 4.3, а) или волноводные (рис. 4.3, б) согласованные нагрузки, в которых повышение температуры рабочего тела измеряется с помощью термопар. Калибровка в таких калоримет­рах осуществляется постоянным током, который проходит либо не­посредственно по нагрузке (СВЧ резистор на рис. 4.3, а), либо по специальному подогревателю (обмотка на рис. 4.3, б).

Рис. 4.3. Схематическое устройство сухого калориметра:

а — коаксиального: 1 — внутренний проводник; 2 — внешний проводник; 3 — СВЧ ре­зистор; 4 — экран; б — волноводного; 1 — волновод; 2 — экран; 3 — подогреватель; 4 —поглотитель.

В проточных калориметрах рабочее тело представляет со­бой циркулирующую жидкость, а процесс измерения мощности сво­дится к измерению приращения температуры и расхода этой жид­кости. Такие калориметры также могут быть коаксиальными (рис. 4.4, а) и волноводными (рис. 4.4,6). В качестве жидкости используется вода, кремний-органическая жидкость и др.

Рис. 4.4. Схематическое устройство проточного калориметра:

а — коаксиального: 1—диэлектрическая шайба; 2— корпус нагрузки; б— волноводного: / — корпус нагрузки; 2 — диэлектрический клин.

Вторая группа калориметров — калориметры с постоянной температурой — представлена в настоящее время калориметрами с фазовым переходом, компенса­ционными калориметрами и калориметрами, основанными на методе замещения. В калориметрах с фазовым переходом электромагнитная энергия, превращенная в тепловую, определяется по количеству твердого вещества (например, льда), перешедшего в жидкое состояние. В компенсационных калориметрах одновремен­но и с одинаковой скоростью протекают процессы выделения и эквивалентного поглощения тепла. Для калориметров, основанных на методе замещения, харак­терен предварительный подогрев рабочего тела постоянным или переменным то­ком. После подачи Р_х тепловой режим рабочего тела поддерживают неизменным, уменьшая мощность подогрева, а значение Р_х определяют по изменению этой мощности.

В ИУ калориметрических ваттметров может быть реализован как метод прямого преобразования путем измерения приращения температуры рабочего тела, так и метод сравнения путем измере­ния замещающей мощности постоянного или переменного тока. Ка­лориметрические ваттметры прямого преобразования почти не при­меняются из-за малой чувствительности и низкой точности. Рассмот­рим поэтому калориметрический ваттметр с проточным калоримет­ром, реализующий метод сравнения.

 

Рис. 4.5. Структурная схема калориметрического ваттметра с проточным калориметром.

 

Как видно из рис. 4,5, в процессе измерения осуществляется срав­нение теплового воздействия измеряемой мощности Р_х, подаваемой в первичный преобразователь I, с тепловым воздействием мощно­сти постоянного тока, подаваемой в опорную нагрузку 4. Процесс измерения замещающей мощности автоматизирован благодаря замкнутой циркуляционной системе. Рабочая и опорная нагрузки последовательно омываются одним потоком жидкости, причем за счет теплообменника 5 обеспечивается равенство температур жид­кости на входах обеих нагрузок. В конструкции нагрузок предусмот­рено размещение терморезисторов 2 и 3, которые совместно с рези­сторами R1 и R2 образуют мост, питаемый от генератора низкой частоты. При отсутствии Р_х температура терморезисторов одинако­ва и мост сбалансирован. После подачи Р_х мост разбалансируется, и сигнал разбаланса через усилитель переменного тока поступает на детектор, где преобразуется в постоянное напряжение компенса­ции. Это напряжение через УПТ подается в опорную нагрузку и одновременно измеряется магнитоэлектрическим прибором. Сопротивления терморезисторов в результате изменения температуры опорной нагрузки выравниваются, баланс моста восстанавливается, а показание прибора оказывается пропорциональным измеряе­мому значению Р_х. Таким образом, мы получаем прямоотсчетный калориметрический ваттметр с автоматической термобаланси­ровкой.

Основными достоинствами калориметрических ваттметров явля­ются исключительно широкий частотный диапазон, широкие преде­лы и высокая точность измерений, определяемая в основном по­грешностью измерения мощности замещения (напряжения компен­сации) и параметрами рабочей нагрузки, которые точно известны для каждого ваттметра. Поэтому на базе калориметрического ме­тода разработаны государственные специальные эталоны единицы мощности электромагнитных колебаний в коаксиальных и волноводных трактах, утвержденные ГОСТ 8.073—73, ГОСТ 8.102—73 и ГОСТ 8.277—78. Они обеспечивают воспроизведение ватта при СКО не более 0,15 % и неисключенной систематической погрешности, не превышающей 0,5 %. Недостатки калориметрических ваттметров: большая инерционность (время установления показаний может достигать и нескольких минут) и сложность в эксплуатации.

 

Термоэлектрический метод

 

Термоэлектрический метод основан на преобразовании с по­мощью термопар энергии СВЧ в тепловую и измерении возникаю­щей термоЭДС Е_Т, пропорциональной рассеиваемой в термопаре СВЧ мощности. Таким образом, термопары одновременно выполняют (в отличие от сухого калориметра) функции согласованной нагрузки и термометра.

Термоэлектрический метод, как и болометрический, применим для измерения малых уровней мощности. Однако он имеет суще­ственное преимущество перед болометрическим: значение Е_Т прак­тически не зависит от температуры окружающей среды, и отпадает необходимость в специальных схемах термокомпенсации. Кроме того, термопары не требуют начального подогрева, имеют высокую чувствительность и совместно с простым ИУ позволяют реализовывать термоэлектрические ваттметры прямого преобразования.

Рис. 4.10. Эквивалентная схема термоэлектрического преобразова­теля с дифференциальным включением термопар.

Рис. 4.11. Амплитудная характери­стика термоэлектрического преобра­зователя.

 

Конструкция термоэлектрических головок коаксиального и волноводного типа в целом аналогична конструкции болометрических (см. рис. 4.7 и 4.8). Для повышения чувствительности термопары выполняют дифференциальными, причем по постоянному току вет­ви термопары соединяют последовательно, а по высокой частоте — параллельно. Как видно из эквивалентной схемы рис. 4.10, это до­стигается с помощью конструктивного конденсатора С2. Конденса­тор С1(также конструктивный) позволяет развязать цепи посто­янного тока и СВЧ. Значения R_Т1 и R_Т2 выбирают из условия со­гласования головки. В основном применяют пленочные термопары (металлические пленки, напыленные на диэлектрические подлож­ки), причем наибольшее распространение получили термопары висмут — сурьма, копель — сурьма и хромель — копель.

Основной характеристикой термоэлектрического преобразова­теля является амплитудная характеристика Е_Т(Р_Х), типичный вид которой представлен на рис. 4.11. Линейный участок характеристи­ки определяет пределы измерения Р_х, причем максимальную линей­ность имеют характеристики дифференциальных термопар.

Поскольку выходным сигналом преобразователя является по­стоянное напряжение, ИУ термоэлектрических ваттметров пред­ставляет собой вольтметр постоянного тока, шкала которого про­градуирована в значениях Р_х. В практических схемах ваттметров применяют как аналоговые, так и цифровые вольтметры. Дополни­тельным функциональным узлом ИУ является калибратор мощно­сти— стабилизированный генератор меандра частоты 20...50 кГц. С его помощью производится калибровка ваттметра перед началом работы и после смены преобразователя. Благодаря этому устра­няется разброс характеристик Е_Т(Р_Х).

Основные достоинства и параметры термоэлектрических ватт­метров те же, что и у болометрических (термисторных). Дополни­тельным важным преимуществом, как уже отмечалось, является малая зависимость результатов измерений от температуры окру­жающей среды. Основной недостаток ваттметров — малые пределы измерений и малая устойчивость к перегрузкам.

ЭЛЕКТРОННЫЕ МЕТОДЫ

 

Общим для электронных методов является преобразование из­меряемой мощности в пропорциональное напряжение постоянного или переменного тока с последующим измерением этого напряже­ния. Основное достоинство этих методов — малая инерционность, благодаря чему они позволяют прямо измерять Р_И. В ваттметрах поглощаемой мощности реализуются, как правило, метод вольтмет­ра и метод с использованием эффекта «горячих» носителей тока.

Метод вольтметра

Метод вольтметра, называемый еще методом измерения напряжения на изве­стном сопротивлении, весьма прост и заключается в измерении с помощью вольт­метра напряжения на резисторе, включаемом в качестве нагрузки на конце линии передачи. Так как нагрузка должна быть согласована с линией передачи, имеющей волновое сопротивление W, значение Р_хможет быть определено по показаниям вольтметра, как , если детектор вольтметра квадратичный, либо , если детектор пиковый (при измерении, например Р_И).

Рис. 4.12. Схематическое устройство нагрузки и детекто­ра электронного ваттметра.

Основные трудности при реализации метода и источники погрешностей свя­заны с конструированием и согласованием нагрузки и детектора вольттметра. Для расширения частотного диапазона детектор конструктивно объединяют с нагрузкой, как это схематично показано на рис. 4.12, снимая напряжение либо со всего резистора, либо с его части. На практике применяют как полупроводни­ковые, так и ваккумные детекторы (при измерении больших мощностей). Полупроводниковые диоды в сочетании с пленочными СВЧ резисторами обеспечивают частотный диапазон ваттметров до 40 ГГц.

Основными достоинствами метода являются простота и высокая надежность ваттметров, а также возможность измерения малых и больших значений Р и Р_и. Однако погрешность измерения может достигать ±25 %.

 

МЕТОД ПОГЛОЩАЮЩЕЙ СТЕНКИ

 

Метод поглощающей стенки относится к тепловым методам, но в отличие от случая измерения поглощаемой мощности в тепло пре­вращается только часть мощности, проходящей в нагрузку. Кон­структивно это достигается выполнением одного из участков тракта в виде термочувствительного резистивного элемента с потерями. В простейшем случае такой элемент (энтракометр) представляет собой поглощающую пленку из платины, встроенную в боковую стенку волновода (рис. 4.14). Аналогично болометру энтракометр включается в схему моста (см. рис. 4.9), с помощью которого измеряется значение поглощаемой энтракометром мощности, и по фор­муле, аналогичной (4.16), определяется значение Р_пр. Для обеспечения термокомпенсации на внешней стороне волновода помещают аналогичную пленку, также включаемую в схему моста.

Ваттметры с обычными энтракометрами позволяют измерять малые и средние уровни мощности. В ваттметрах большой мощно­сти наружная поверхность энтракометра охлаждается проточной жидкостью, расход которой учитывается при определении Р_пр. В ре­зультате получаются простые и надежные ваттметры для встроен­ного контроля Р_пр в широком частотном диапазоне. Недостатками их являются значительные погрешность измерений (достигающая ±25 %) и инерционность.

 

Рис. 4.14. Схематическое устройство энтракометра.

 

ПОНДЕРОМОТОРНЫЙ МЕТОД

 

Пондеромоторный метод измерения мощности основан на пре­образовании электромагнитной энергии в механическую. Это пре­образование в свою очередь использу­ет хорошо известный эффект механи­ческого (пондеромоторного) воздейст­вия (давления) электромагнитных волн на стенки линии передачи или на отражающие элементы, расположен­ные внутри линии. Механическое дав­ление пропорционально модулю пер­пендикулярного отражающей поверх­ности вектора Умова — Пойнтинга. Существуют два основных способа практической реализации пондеромо­торного метода.

В ваттметрах, использующих пер­вый способ, часть боковой стенки: волновода заменяется упругой пласти-^ ной — СВЧ мембраной, которая дефор­мируется под воздействием Р_Пр. Для измерения степени деформации могут использоваться пьезоэлемент или кон­денсаторный элемент. При этом верх­ний предел измеряемых мощностей

Рис. 4.16. Схематическое уст­ройство крутильного ваттметра.

практически ограничивается только электрической прочностью вол­новода.

Ваттметры, реализующие второй способ, получили название крутильных. Как видно из рис. 4.16, конструктивно такой ваттметр представляет собой отрезок волновода, внутри которого помещена металлическая пластинка 1, подвешенная на упругой кварцевой нити 2, а с другой стороны укрепленная на жестком стержне 4, вто­рой конец которого опущен в масляный амортизатор 7. Нить в свою очередь соединяется с осью крутильной головки 3, на которой на­несены деления в градусах. Согласующая диафрагма 9 компенси­рует неоднородность, вносимую пластиной /. Пластина с помощью крутильной головки располагается под некоторым начальным углом к оси волновода (оптимальным является угол 45°).

При распространении по волноводу волны Н₁₀ возникает вра­щающий момент, который дополнительно поворачивает пластину на угол, пропорциональный значению Р_пр- Этот угол фиксируется оптической системой, состоящей из зеркала 6, укрепленного на стержне 4, источника света 5 и шкалы 8. Противодействующий мо­мент создается нитью 2.

Пондсромоторные ваттметры — одни из самых точных измери­телей мощности на СВЧ. Для них характерны также- широкие пре­делы измерений (от нескольких милливатт до сотен киловатт), при­чем приборы не выходят из строя даже при значительных перегрузках. В то же время пондеромоторные ваттметры очень чув­ствительны к вибрациям и не могут работать в жестких условиях эксплуатации. Необходимость в тщательном согласовании с трак­том существенно ограничивает диапазон рабочих частот ваттмет­ров. Они применяются как образцовые СИ при проведении метро­логических исследований.

 

 

РЕЗОНАНСНЫЕ ЧАСТОТОМЕРЫ

 

Принцип работы резонансных частотомеров (РЧ) базируется на явлении резонанса в колебательных системах. Основой Р4 является измерительный ре­зонансный контур, связанный с источником сигнала f_x и индикатором резонанса. Хотя в принципе РЧ могут применяться для измерения частоты в диапазонах В4 и СВ4, практическое использование их, как уже указывалось, ограничивает­ся диапазоном СВ4. Это легко объясняется возможностью создания в диапазоне СВЧ высокодобротных колебательных систем с резким проявлением резонанса и точной фиксацией его. Именно в диапазоне СВЧ удается реализовать классы точ­ности РЧ 0,005; 0,01; 0,02 и 0,05, позволяющие им конкурировать с цифровыми частотомерами.

Колебательными системами в диапазоне СВЧ являются контуры с распреде­ленными постоянными в виде коаксиальных и волноводных резонаторов. Как из­вестно из теории длинных линий, размеры резонаторов в момент настройки их в

Рис. 5.1. Схематическое устройство резонансного частотомера СВЧ.

резонанс однозначно связаны с длиной волны возбуждаемых колебаний. Это по­зволяет определять по результатам измерения λ искомое значение f_x. Рассмотрим в качестве примеров РЧ с коаксиальным полуволновым резонатором (рис. 5.1, а) и с цилиндрическим волноводным резонатором (рис. 5.1, б).

Как видно из рис. 5.1, а, коаксиальный резонатор представляет собой отрезок короткозамкнутой коаксиальной линии, длина которого изменяется перемеще­нием поршня П с помощью микрометрического механизма, снабженного соответ­ствующей шкалой. Связь резонатора с источником сигнала f_x и индикатором ре­зонанса — индуктивная, осуществляемая с помощью петель связи 1 и 2. Индика­тор резонанса состоит из детекторной камеры 3 с полупроводниковым диодом и индикатора И, в качестве которого при измерении частоты непрерывных сигна­лов применяются магнитоэлектрические приборы, а при измерении частоты импульсно-модулированных сигналов — селективные измерительные усилители.

Резонанс в такой системе наступает каждый раз, когда l = nλ/2, где я=1,2,3,..., и фиксируется по максимальным показаниям И. Если отсчитать по шкале микрометрического механизма положения П, соответствующие двум соседним резонансам (li и /г), то

Δl=(l₁ - l₂)= λ /2, (5.3)

т. е. по результатам измерения Δl определяется λи далее f_x. Соотношение (5.3) и конструкция механизма перемещения П определяют оптимальный диапазон из­меряемых f_x ≈ 2,5... 10 ГГц. На более низких частотах применяют РЧ с коакси­альными четвертьволновыми резонаторами, а на более высоких—РЧ с волноводными резонаторами.

Из рис. 5.1 видно, что РЧ с волноводным и коаксиальным резонаторами ана­логичны по конструкции и методике измерения f_x. Разница заключается в том, что для РЧ с волноводным резонатором вместо (5.3) справедливо соотношение Δl = λ _в/2, где

определяется не только значением λ, но и критической длиной волны λ_к, завися­щей от типа возбуждаемой в резонаторе волны. Чаще всего в качестве волно­водных резонаторов применяют короткозамкнутые отрезки цилиндрических волноводов, возбуждаемые через отверстие 4 в центре торцевой стенки (рис. 5.1, б). В этом случае в волноводе возбуждается волна типа Н₁₁ с критической длиной = 3,41, а.

Методика (5.3) не совсем удобна, так как требует отсчетов двух положений П. Поэтому шкалу механизма перемещения П часто предварительно градуируют в значениях f_x, и тогда мы получаем прямоотсчетный РЧ с фиксацией только одного резонанса. Класс точности таких РЧ определяется как добротностью ре­зонатора, чувствительностью И и погрешностью микрометрического механизма П, так и влиянием на РЧ внешних условий — температуры и влажности. Для ми­нимизации этого влияния применяются материалы с малым температурным ко­эффициентом расширения (например, инвар), температурная компенсация и гер­метизация резонаторов.

 

ЦИФРОВЫЕ ЧАСТОТОМЕРЫ

 

Цифровые частотомеры (ЦЧ) являются следующими за ЦВ ха­рактерными представителями ЦИП. Они, как уже отмечалось, прак­тически вытеснили все остальные виды частотомеров и занимают доминирующее положение в комплексе аппаратуры для частотно-временных измерений. Современные типы ЦЧ позволяют измерять f_x, T_x, Δt_x, отношение частот и нестабильность частоты. При комплектовании соответствующими преобразователями они превраща­ются в ЦВ и мультиметры (см.§3.6).

Общая идея построения ЦИП уже рассмотрена в гл. 3 и конкре­тизирована на примере ЦВ. Опираясь на классификацию ЦВ и дан­ные ГОСТ 22335—77, можно утверждать, что подавляющее боль­шинство типов ЦЧ являются приборами прямого преобразования, осуществляющими счет числа идентичных событий за определенный интервал времени измерения. В зависимости от значения этого ин­тервала (называемого иногда «временными воротами») можно вы­делить ЦЧ мгновенных значений, измеряющие f_x за один период колебаний Т_х (аналогичны неинтегрирующим ЦВ), и ЦЧ средних значений, измеряющие f_x путем подсчета числа периодов Т_х за ин­тервал времени измерения Т_И>Т_Х и деления полученного числа на Т_и (аналогичны интегрирующим ЦВ).

Несмотря на многофункциональность, современные ЦЧ могут быть охарактеризованы некоторой типовой структурной схемой и определенной номенклатурой параметров, позволяющей оценить их возможности как радиоизмерительных приборов.

 

Измерение частоты

 

При измерении f_x сигнал подается на вход 1, а блок образцовой частоты (БОЧ) подключается к ФУ2. Формирующие устройства ФУ1 и ФУ2 необходимы для преобразования гармонических сигна­лов в короткие импульсы, соответствующие моментам перехода сигналов через нуль в одну сторону. Благодаря этому образуются периодическая последовательность импульсов с периодом Т_х (ФУ1), которые удобно считать при измерении f_x, и импульсы, с помощью которых (ФУ2) формируется интервал Т_и (метки времени). В каче­стве БОЧ применяется кварцевый генератор с системой делителей

Рис. 5.2. Типовая структурная схема ЦЧ.

и умножителей частоты, позволяющих выбрать требуемый коэффи­циент деления или умножения при формировании Т _и. Само форми­рование Т _и осуществляется с помощью УУ. Как и в ЦВ, управление работой ЦЧ может быть ручным или автоматическим.

Процесс измерения f_x наглядно поясняется временными диаграм­мами, приведенными на рис. 5.3. Импульсы U₁ поступают на вход селектора, который открыт во время действия напряжения U₃, сформированного из колебаний БОЧ U₂. Это напряжение может иметь вид прямоугольного импульса длительностью Т _и, называемо­го стробирующим импульсом (строб-импульсом), либо меток вре­мени, аналогичных старт- и стоп-импульсу в ЦВ. Таким образом, счетчик фиксирует число импульсов N (диаграмма U₄), связанное с Т_х и Т_и очевидным соотношением

T_и=N T_x

откуда

f_x=N / T_и, (5.4)

т. е. при T_и=10ⁿ с (n = 0, ±1, ±2,...) показание счетчика соответ­ствует f_x, и мы получаем прямоотсчетный интегрирующий ЦЧ.

Рассмотренный режим работы ЦЧ может быть использован для измерения долговременной нестабильности частоты путем фиксации значений f_t, определения относительной вариации частоты 0о,- или относительного отклонения е_г и расчета по формулам (5.1) или (5.2)

 

 

требуемого значения σ или δ. Этот процесс автоматизируется по заданной программе в реальном масштабе времени. Кроме того, для измерения отклонения частоты от номинального значения и выдачи результата измерения в процентах от этого значения применяют так называемые процентные частотомеры, которые относятся к при­борам специального назначения.

Рис. 5.3. Временные диаграммы, характеризующие работу ЦЧ.

Измерение периода

 

При измерении Т_х сигнал подается на вход 2, а БОЧ подклю­чается к ФУ1 (см. рис. 5.2). В этом случае интервал времени изме­рения определяется величиной Т_х, а счетными являются импульсы, сформированные из напряжения 0₂ (рис. 5.3). Для уменьшения ша­га квантования частота f₀ может быть умножена в требуемое число раз. Таким образом, для этого режима работы ЦЧ

T_x=N T₀/10ⁿ (5.5)

где 10ⁿ (n = 0, 1, 2,...) определяется коэффициентом умножения f₀. Из (5.5) видно, что при достаточно больших значениях Т_х (в диапазоне низких и инфранизких частот) и я требуемый интервал времени измерения может быть равен Т_х. Отсюда видна возмож­ность измерения f_x за один период сигнала — неинтегрирующий ЦЧ. В практических схемах ЦЧ предусматривается возможность измерения не только одного, но и нескольких периодов Т_х с после­дующим усреднением результатов измерений. Поэтому в общем слу­чае интервал времени измерения выбирается с помощью УУ рав­ным 10^m Т_х (т = 0, 1, 2,...), и из (5.5) следует

T_x=N T₀ /10^(n+m) (5.6)

Возможность измерения одного или нескольких периодов Т_х по­зволяет использовать этот режим для измерения кратковременной нестабильности частоты в реальном масштабе времени.

Измерение отношения частот

 

Режим измерения отношения частот двух сигналов является про­изводным режимов измерения f_x и Т_х. В этом режиме БОЧ исклю­чается из схемы, сигнал большей частоты f, подается на вход 1, а сигнал меньшей частоты f₂ —на вход 2 (см. рис. 5.2). Таким обра­зом, интервал Т_иформируется из сигнала частоты f₂, а счету под­вергаются импульсы, сформированные из сигнала частоты }_и Как видно из формулы (5.4), этому соответствует

N= f₁ / f₂ (5.7)

т. е. с помощью ЦЧ могут быть реализованы не только абсолютные, но и относительные измерения частоты.

Другие режимы работы ЦЧ

 

Многофункциональность ЦЧ не исчерпывается рассмотренными режимами работы. Как уже отмечалось, дополнение базовой схемы рис. 5.2 соответствующими преобразователями превращает ЦЧ в ЦВ и мультиметры. Кроме того, каждый ЦЧ имеет специальный выход сигналов БОЧ, т. е. может эксплуатироваться как источник сигналов стабильных частот. Предусматриваются также возмож­ность работы ЦЧ от внешнего источника опорной частоты, режим самоконтроля, вывод информации об измеряемой величине на внеш­нее регистрирующее устройство и возможность дистанционного управления работой. Часто ЦЧ применяются как счетчики числа электрических импульсов. Поэтому интервал времени измерения T_ипринято называть временем счета и устанавливать в наносекундах микросекундах, миллисекундах или секундах.

 

Основные параметры ЦЧ

 

Номенклатура параметров ЦЧ регламентируется ГОСТ 22335— 77 и соответствует комплексу общих параметров СИ (см. § 2.2). Спе­циальные пояснения необходимо сделать только в отношении погрешностей измерения f_x, Т_х, fjf₂ и At_x, так как они характеризуют возможности ЦЧ в каждом из рассмотренных режимов работы и по­зволяют уточнить принципиальные особенности, имеющие место при измерении низких и высоких частот.

Относительная погрешность измерения f_xнормируется величиной

(5.8)

где =k10ⁿ — составляющая, определяемая относительной по­грешностью по частоте опорного генератора БОЧ, причем k=1,0; 1,5; 2,0; 2,5 или 5,0, а п= — 4, —5 и т. д. Значение б₀ должно нормироваться для интервалов времени из следующего ряда: 10, 15, 30 мин; 1, 2, 8, 24 ч; 10, 15, 30 сут.; 6 и 12 мес.

Второе слагаемое в формуле (5.8) характеризует погрешность дискретности. Действительно, абсолютное значение этой погрешно­сти нормируется в общем случае как ± 1 младшего разряда счета (см. § 3.6.1), т. е. относительное значение, определяемое как 1/N, оказывается равным, согласно (5.4), второму слагаемому в форму­ле (5.8). Возникновение погрешности дискретности иллюстрируется рис. 5.3 и обусловлено несинфазностью сигналов И_х и и₂- При Т_И= =const эта погрешность обратно пропорциональна f_x, т. е. точное измерение низких частот сопряжено с ростом Т_ж. В ряде случаев требуемое значение Т_И может оказаться непомерно большим. На­пример, измерение f_x= 10 Гц с погрешностью дискретности 10~⁵ тре­бует, согласно (5.8), значения Т_я=10⁴ с, что нереально. На высоких частотах эта погрешность уменьшается, но возникают другие фак­торы, ограничивающие максимальное значение f_x.

Относительная погрешность измерения Т_х нормируется отдельно для гармонического и импульсного сигналов. В качестве примера рассмотрим импульсный сигнал, для которого с учетом (5.6)

(5.9)

Второе слагаемое в формуле (5.9) также характеризует погрешность дискретности и определяет границы измеряемых с требуемой точ­ностью значений Т_х. Эта же формула справедлива для оценки относи­тельной погрешности измерения Δt_x, но в случае, если Δt_x — дли­тельность импульса, появляется дополнительная составляющая 8д<> обусловленная крутизной фронта и спада импульса.

Относительная погрешность измерения f₁/f₂не содержит в отли­чие от формул (5.8) и (5.9) составляющей δ₀, так как БОЧ в этом режиме исключается из работы. Если при измерении f₁/f₂производится усреднение результатов измерений, то в соответствии с (5.7) и (5.6)

 

 

ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ

 

В практике электрорадиоизмерений с задачей измерения мощ­ности приходится сталкиваться практически во всем используемом диапазоне частот — от постоянного и переменного тока низкой ча­стоты до оптического диапазона. В цепях постоянного и перемен­ного тока низкой частоты мощность измеряется прямо или косвен­но с помощью электромеханических приборов. На высоких часто­тах (ВЧ) предпочтительным и более точным становится прямое измерение мощности, а на сверхвысоких частотах (СВЧ) — это единственный вид измерений, однозначно характеризующий интен­сивность электромагнитных колебаний.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ И ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ

Мощность Р в электрической цепи представляет собой, как известно, энер­гию, потребляемую нагрузкой от источника в единицу времени. В цепях постоян­ного тока, если известны ток I, проходящий через нагрузку, напряжение U, при­ложенное к ней, или сопротивление нагрузки R, мощность может быть опреде­лена с помощью одного из общеизвестных соотношений

P = IU=I²R = U²/R. (4.1)

В цепях переменного тока используется несколько понятий мощности, тре­бующих уточнения. Прежде всего по аналогии с мгновенными значениями тока и напряжения (см. § 3.1) вводится понятие мгновенной мощности P(t) =U(t) • I(t). Далее для оценки энергетического воздействия переменного тока вводят поня­тие активной мощности, определяемой как среднее за период значение P(t) по формуле, аналогичной (3.1). Доказывается, что для периодических сигналов сложной формы

(4.2)

т. е. активная мощность сигнала равна сумме мощности постоянной составляю­щей и активных мощностей всех гармоник. Активная мощность гармонического сигнала

P = I_ckU_ck cos (4.3)

где — фазовый сдвиг между током и напряжением в нагрузке. Активная мощ­ность, как и мощность постоянного тока, измеряется в ваттах (Вт), а приборы, предназначенные для измерения активной мощности, называются ваттметрами. На ВЧ и СВЧ сигналы часто имеют вид импульсно-модулированных колебаний (радиоимпульсы). Для них вводят понятие импульсного (пикового) значения мощности, связанного со значением Р соотношением

(4.4)

где под понимается длительность практически прямоугольных радиоимпуль­сов, следующих с периодом повторения T. При отличии формы радиоимпульсов от прямоугольной понятие импульсная мощность может стать неопределенным, если не уточнено, как должно определяться значение .На практике значение измеряют на уровне 0,5 от амплитуды импульса. Однако такое правило в из­вестной степени условно и при косвенных измерениях Р„ погрешность определе­ния Р_и по формуле (4.4) увеличивается. Этот недостаток устраняется с помо­щью введения так называемых обобщенных параметров импульсов.

В случаях, когда для расчета тех или иных элементов цепи важно знать не только мощность, но и наибольшие допускаемые для них ток и напряжение, пользуются понятием полной мощности, определяемой для сигналов сложной формы как

(4.5)

 

откуда для гармонического сигнала

(4.6)

Полная мощность измеряется в вольт-амперах (В*А) и связана с активной мощностью определенными соотношениями. В частности, отношение =P/S на­зывается коэффициентом мощности. При гармонических сигналах, согласно (4.3) и (4.6), =cos . Так как , то в цепях переменного тока должна существо­вать еще одна мощность, называемая реактивной. По аналогии с (4.2) реактив­ная мощность