1 МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ Измерения напряжения и тока доц. Ленцман В. Л. Каф. МСС
2 Измерения напряжения и тока Единица тока в системе СИ – ампер (А) Единица напряжения СИ - вольт (В) Эталон постоянного тока в диапазоне до 30 А основан на косвенных измерениях тока по закону Ома ( I = U / R ) Неисключенная систематическая погрешность (НСП) эталона тока в диапазоне от 1мА до 1А составляет 2∙10 -7 НСП эталона напряжения 1∙10 -9.
3 Напряжение измерять несколько проще, чем ток, поскольку вольтметр подключают параллельно измеряемой цепи. Для измерения тока амперметр следует подключить в схему последовательно – в разрыв цепи. Дальнейший материал излагается применительно к измерению напряжения.
4 Погрешности измерения напряжения и тока, обусловленные подключением приборов к измеряемой цепи Схема подключения: R V - сопротивление вольтметра, R i – внутреннее сопротивление измеряемого источника напряжения, С – емкости вольтметра и соединительных проводов R вх С вх Вольтметр С п ~ Ri u ( t)
5 Погрешности измерения напряжения и тока, обусловленные подключением приборов к измеряемой цепи Погрешность – систематическая и имеет знак «минус»! При известных значениях R V и R i можно ввести соответствующую поправку. Аналогичная погрешность при измерении постоянного тока определяется формулой:
6 Поскольку, однако, характеристики приборов и цепей известны приближенно, останется неисключенная систематическая погрешность, которую, следует ценить некоторым интервалом. Для этого в метрологических характеристиках указывают погрешность входного сопротивления вольтметра, например, (1,00 ± 0,10) МОм
7 При измерении переменных напряжений и токов надо обязательно учитывать влияние индуктивности и емкости соединительных проводов, поэтому рассматриваемая погрешность будет зависеть от частоты:
8 На достаточно высокой частоте вследствие резонанса рассматриваемая погрешность может стать положительной! Ориентировочная зависимость погрешности измерения переменного напряжения от частоты показаны на рисунке: f 0 - 1% δ v, ~ 20МГц ~+400 % 1 2
9 Таким образом, соответствующая систематическая погрешность может составить +(300…400)% на резонансной частоте f рез = 1/(2π√ LC ), где L и C - эквивалентные индуктивность и емкость входа вольтметра и соединительных проводов. Например, при L = 1 мкГн и C = 40 пФ f рез 25 МГц.
10 При измерениях напряжения высокой частоты надо уменьшить индуктивность соединительных проводов (сделать их короче) и уменьшить входную емкость вольтметра. С этой целью входной узел широкополосных вольтметров выполняют в виде выносного узла -«пробника», который можно непосредственно подключить к измеряемой точке схемы.
11 Классификация вольтметров : 1. По виду измеряемого напряжения: вольтметры постоянного напряжения, вольтметры переменного напряжения. 2. По конструктивному решению: электромеханические, электронные (имеющие усилители, преобразователи и другие электронные узлы).
12 Классификация вольтметров : 3. По типу входа: с «открытым» входом; - это несколько жаргонное выражение указывает, что такие приборы измеряют весь сигнал – вместе с его постоянной составляющей, с «закрытым» входом; - такие приборы имеют на входе последовательно включенный разделительный конденсатор, который не пропускает постоянную составляющую измеряемого сигнала (и его низкочастотные составляющие) на следующие узлы прибора.
13 Схема «закрытого» входа вольтметра: Постоянную времени RC такой разделительной цепочки выбирают достаточно большой – такой, чтобы из сигнала удалялись постоянная и низкочастотные составляющие до частоты порядка 20 Гц. Это значение определяет нижнюю границу частотного диапазона вольтметров переменного напряжения с закрытым входом. u вх (t) U ср t u вых (t) t 0 0 R С u в х ( t ) u вых ( t )
14 4. По типу используемого преобразователя приборы с преобразователями среднеквадратического значения; приборы с преобразователем средневыпрямленного значения; вольтметры с пиковыми преобразователями (амплитудными детекторами), которые имеют две модификации: с закрытым входом - для измерения синусоидального напряжения, с открытым входом - для измерения импульсных сигналов произвольной формы. Это импульсные вольтметры.
15 5. По ширине полосы измеряемых частот : широкополосные, обычно от 20 Гц до 10…50 МГц, и селективные, которые измеряют напряжение в относительно узкой полосе фильтра (например, 1кГц), но частоту настройки которого можно изменять в широком диапазоне от нескольких десятков кГц до нескольких ГГц.
16 Характеристики измеряемых сигналов Градуировка приборов « Мгновенное» значение – значение измеряемого сигнала (функции) в определенный момент времени: u ( t 1 ), u ( t 2 ) и т.д. u ( t ) U p T U м+ t 1 t 2 t U _ u ( t 1 ) u ( t 2 )
17 2. Максимальное (минимальное) значение U макс ( U мин ) – максимальное (минимальное) из всех возможных значений за период или за определенный промежуток времени для непериодических сигналов. 3. Среднее значение ( постоянная составляющая ): где t - интервал интегрирования, который при конструировании приборов выбирают обычно в пределах от долей секунды до нескольких секунд.
18 Для периодических сигналов формулу для среднего значения, можно приближенно записать в виде: где T – период измеряемого сигнала. Этой формулой удобно пользоваться для расчета среднего значения периодического сигнала, хотя в действительности интервал интегрирования во много раз больше периода измеряемого сигнала.
19 Прибор, измеряющий среднее значение напряжения или тока, можно сравнить с «бульдозером», «разглаживающим» бугры и ямы на стройплощадке – в результате формируется средний уровень грунта – т.е. его «постоянная составляющая» : u ( t ) U p T U м+ t 1 t 2 t U _ u ( t 1 ) u ( t 2 )
20 4. Для переменных сигналов, не имеющих постоянной составляющей, вместо введенных выше понятий максимального и минимального значения используют термины: пиковое отклонение «вверх» U +, пиковое отклонение «вниз» U -, а также размах сигнала U р =( U + - U - ).
21 5. Среднеквадратическое (действующее) значение : 6. Средневыпрямленное значение: - операция выпрямления математически записывается как модуль функции, а технически реализуется с использованием диодного моста (так называемое «двухполупериодное» выпрямление).
22 Рассмотрим для примера характеристики синусоидального сигнала с амплитудой U м и периодом T : мгновенные значения: 2. среднее значение U ср равно нулю; 3. пиковое отклонение вверх U + = U м (амплитуде) ; пиковое отклонение вниз U - = - U м ; 4. Размах синусоидального сигнала U разм. =2 U м ; u(t) U м u ср.в. U ср.в . t T
23 5. среднеквадратическое значение: 6. средневыпрямленное значение: Коэффициент формы сигнала : Для синусоидального сигнала: . u(t) U ср.кв. = 0,707 U м U м u ср.в. U ср. в. t T U ср. в. = 0.636 U м
24 Правила градуировки : Приборы для измерения переменного напряжения (тока) градуируют по действующему (среднеквадратическому) значению синусоидального сигнала. Исключением из этого правила являются импульсные вольтметры, их градуируют по амплитудному значению синусоидального сигнала. Приборы для измерения постоянного напряжения (тока), измеряющие среднее значение сигнала, градуируют по эталонному источнику постоянного напряжения (тока).
25 Суть операции градуировки вольтметра переменного напряжения заключается в следующем: к источнику синусоидального сигнала подключают параллельно эталонный вольтметр среднеквадратического значения и градуируемый вольтметр. Показания градуируемого вольтметра, который может иметь любой принцип действия, с помощью его внутренних регулировок делают равным показаниям эталонного вольтметра. Аналогичным образом градуируют амперметры.
26 Итак, для понимания того, что за значение отображается на шкале или цифровом отсчетном устройстве вольтметра, необходимо принять во внимание, по крайней мере, пять факторов: 1. форму сигнала (т.е. вид функции u ( t )), 2. тип преобразователя вольтметра, 3. тип входа вольтметра (открытый, закрытый), 4. правило градуировки и единственное исключение из него, 5. соответствие частотного диапазона вольтметра частотному спектру измеряемого сигнала. Эту информацию желательно иметь до проведения измерений, в противном случае могут возникнуть трудности в интерпретации результатов.
27 Представление о форме сигнала можно получить с помощью осциллографа. Сведения о типе преобразователя, типе входа, частотном диапазоне содержатся в технических описаниях используемых приборов (хотя не всегда в прямой форме).
28 Простые электромеханические приборы имеют, очевидно, открытый вход. Большинство электронных вольтметров (за исключением импульсных), как правило, имеют закрытые входы. Сейчас некоторые фирмы выпускают вольтметры с переключаемым типом входа. Правило градуировки (с единственным исключением для импульсных вольтметров) надо просто запомнить. Влияние первых четырех факторов на показания вольтметров отображено в формулах табл. 1.
29 Уравнения преобразования вольтметров различных типов.
30 Уравнение преобразования вольтметра ср. кв. значения с открытым входом: Уравнение преобразования вольтметра ср. кв. значения с закрытым входом:
31 Для понимания того, как различные вольтметры формируют показания при измерении сигналов различной формы, рассмотрим несколько примеров. Вольтметр постоянного напряжения на любом сигнале измерит только его постоянную составляющую вне зависимости от того, есть в таком сигнале переменная составляющая или нет. Например, при измерении напряжения чисто синусоидального сигнала показания вольтметра постоянного напряжения будут равны нулю.
32 Все вольтметры переменного напряжения (за исключением импульсных вольтметров) при измерении синусоидального сигнала с амплитудой U m должны показать одно и то же – действующее - значение этого сигнала, равное 0,707 U m. Но этот результат в соответствии с уравнениями преобразования этих приборов (табл.1) и в согласии с правилом градуировки будет получен с использованием различных процедур.
33 Рассмотрим практически важную задачу измерения синусоидального сигнала при наличии постоянного напряжения. Пусть амплитуда сигнала U m = 1 В, а U 0 = 8 В. Вольтметр постоянного напряжения покажет, очевидно, значение 8,00 В. 1 В 8 В U m =1 В u (t)=U 0 +U m sin (2 π ft ) U 0 =8 В
34 Попутно отметим, что показания даже самых простых и дешевых приборов, определяются не менее чем тремя значащими цифрами, например: (8,00±0,25) В или (8,00±0,05) В в зависимости от нормируемой погрешности вольтметра. Но шестиразрядный цифровой вольтметр может показать, например, значение: (8,00000±0,00005) В
35 Вольтметр среднеквадратического значения с открытым входом покажет: - под знаком корня суммированы квадраты постоянной составляющей и действующего значения синусоидального сигнала, т.е. значения, пропорциональные мощности. Очевидно, что по полученному значению 8,03 В практически невозможно определить (если нет осциллографа), присутствует в этой точке схемы переменное напряжение или нет.
36 Но если этот сигнал измерить вольтметром с закрытым входом, то его показания будут равны 0,707 В - наличие переменного напряжения уверенно регистрируется. 1 В 8 В U m =1 В u (t)=U 0 +U m sin (2 π ft ) U 0 =8 В
37 Таким образом, закрытый вход вольтметра позволяет измерять напряжение очень малых сигналов в цепях с большой постоянной составляющей (например, на коллекторе транзистора).
38 Измерим теперь напряжение импульсного сигнала - последовательности однополярных прямоугольных импульсов длительностью , периодом Т и максимальным значением U м : Этот сигнал имеет свою «собственную» постоянную составляющую U ср = U м / T А так будет выглядеть этот сигнал после закрытого входа: Для такого сигнала удобно ввести понятие коэффициента заполнения: К з = / T, поскольку показания приборов (в первом приближении) будут зависеть только от К з t u ( t ) –U ср 0 T T t 0 U м
39 Рассмотрим численный пример для частного случая U м = 1 В и К з =0,5. Вольтметр постоянного напряжения при измерении такого импульсного сигнала покажет его среднее значение. У рассматриваемого сигнала есть «своя собственная» постоянная составляющая.
40 2. Вольтметр среднеквадратического значения с открытым входом покажет:
41 3. Вольтметр средневыпрямленного значения с открытым входом (например, обычный аналоговый «тестер») покажет довольно странное значение: - это следствие того, что он градуирован по синусоидальному сигналу и не предназначен для измерения сигналов другой формы. 4. Импульсный вольтметр покажет, очевидно, значение 1,00 В.
42 Определим показания вольтметров с закрытыми входами. Измеряемый импульсный сигнал до подачи на преобразователи таких вольтметров проходит через разделительную RC цепочку, которая удаляет из него постоянную составляющую и низкочастотные сигналы до (приблизительно) 20 Гц.
43 После закрытого входа исходный импульсный сигнал превратится в последовательность разнополярных прямоугольных импульсов: положительных - длительностью τ, и отрицательных – длительностью (Т- τ). Однако размах сигнала при этом не изменится! t u ( t ) –U ср 0 T
44 При измерении напряжения такого импульсного сигнала для частного случая К з =0,5 получим следующие значения: 1. Среднее значение (постоянная составляющая) такого сигнала будет, естественно, равно нулю. 2. Показания вольтметра среднеквадратического значения с закрытым ходом - действующее значение такого сигнала:
45 3. Показания вольтметра средневыпрямленного значения с закрытым ходом 0,555 В могут показаться несколько странными: В Но если вспомнить, то такие вольтметры в соответствии с правилом градуировки предназначены для измерения только синусоидальных сигналов, все становится понятным - для измерения импульсных сигналов такие вольтметры, строго говоря, применять не следует! Впрочем, зная форму сигнала, показания вольтметра можно пересчитать для получения того значения, которое Вас интересует.
46 4. Вольтметр с пиковым детектором с закрытым входом (на инженерном жаргоне его называют «амплитудным» вольтметром, имея ввиду его принцип действия, а не то значение, которое он показывает) даст еще более странный, на первый взгляд, результат: В Поэтому надо обязательно помнить, что такие вольтметры предназначены для измерения только синусоидальных сигналов, а для измерения импульсных сигналов эти приборы, строго говоря, применять нельзя!
47 Впрочем, эти показания можно пересчитать для получения пикового отклонения «вверх». Для этого надо разделить полученный результат на коэффициент градуировки 0,707 - получим значение 0,500В. Следует подчеркнуть, что понятие коэффициента заполнения К з = / T применимо только к исходному сигналу u ( t ) в виде однополярных прямоугольных импульсов. Для сигналов любой другой формы, в частности для комбинации прямоугольных импульсов разной полярности, это понятие уже не применимо и расчеты по формулам с использованием K з приведут к ошибкам.
48 Полезно также иметь ввиду, что операция возведения функции u ( t ) в квадрат, используемая в вольтметрах среднего квадратического значения, приводит к существенному изменению вида функции. Например, периодический пилообразный сигнал u ( t ) = U m t /Т (на интервале периода) превращается при возведении в квадрат в отрезок параболы. Такие вольтметры можно рассматривать как аналоговые вычислительные устройства, формирующие на шкале или цифровом отсчетном устройстве среднеквадратическое (действующее) значение напряжения входного сигнала
49 2.4. Основные характеристики вольтметров, структурные схемы, конструктивное исполнение При выборе прибора для решения конкретной измерительной задачи из технического описания прибора надо извлечь информацию о типе входа и уравнении преобразования. Электромеханические приборы имеют открытый вход. Подавляющее большинство электронных вольтметров имеют закрытые входы. Преобразователи среднего выпрямленного значения в современных приборах используют редко. Многие зарубежные фирмы для вольтметров среднего квадратического значения специально указывают, что они измеряют «true r.m.s», т.е. «истинное» ср. кв. значение.
50 Далее следует обычный набор основных нормируемых метрологических характеристик средств измерений: 1. Диапазон (поддиапазоны) измерения; минимальный поддиапазон измерения характеризует чувствительность вольтметра. 2. Разрешающая способность (цена деления шкалы или число разрядов ЦОУ). 3. Предельно допускаемая погрешность - может задаваться числом, формулой или таблицей. 4. Частотный диапазон и условия применения (температура, влажность, давление и т.п.). 5. Входное сопротивление и входная емкость. 6. Быстродействие и время преобразования (для цифровых приборов).
51 2.4.1. Электромеханические вольтметры и амперметры В таких приборах энергия измеряемого сигнала непосредственно используется для механического перемещения указателя («стрелки»), относительно шкалы. Магнитоэлектрический прибор – его условное обозначение, указываемое в углу шкалы, символизирует подковообразный магнит, в поле которого поворачивается рамка, по которой протекает измеряемый ток. Прибор измеряет среднее значение тока с достаточно высокой точностью и чувствительностью.
52 2. Выпрямительный прибор – комбинация магнитоэлектрического прибора и диодного мостика. Предназначен для измерения переменного тока и напряжения синусоидальной формы в соответствии с уравнением преобразования: (коэффициент градуировки 1,11 обеспечивает переход от средневыпрямленного к среднеквадратическому значению синусоидального сигнала) Магнитоэлектрические и выпрямительные приборы до настоящего времени используют в простых приборах для измерения тока, напряжения и сопротивления - «тестерах».
53 3. Прибор электромагнитной системы. Его условное обозначение символизирует электромагнит – катушку, по которой протекает измеряемый ток. Прибор измеряет с невысокой точностью среднеквадратическое значение тока или напряжения вместе с постоянной составляющей, если она есть. Хорошо выдерживает перегрузки. Основная область применения – измерения напряжения и тока в силовых сетях с частотой 50 Гц или 400Гц.
54 5. Электростатический прибор. Его условное обозначение символизирует две группы пластин – подвижные и неподвижные. При подаче постоянного или переменного напряжения подвижные пластины поворачиваются и втягиваются внутрь системы неподвижных пластин. Прибор измеряет действующее значение как постоянного, так и переменного напряжения. Имеет низкую чувствительность, основная область применения – аналоговые киловольтметры. Очевидно, что все рассмотренные электромеханические приборы имеют открытые входы.
55 2.4.2. Электронные вольтметры Структурная схема простейшего электронного вольтметра постоянного напряжения состоит из трех узлов: входного устройства, обеспечивающего большое входное сопротивление - порядка 10МОм, усилителя постоянного напряжения с переключаемым коэффициентом усиления – для переключения поддиапазона измерения, магнитоэлектрического прибора - в аналоговых вольтметрах, или АЦП и цифрового отсчетного устройства – в цифровых вольтметрах. АЦП ЦОУ в цифровых вольтметрах Вх. устр. Усилитель постоянного напряжения с переключаемым коэффициентом усиления МЭ измерительный прибор в аналоговых вольтметрах
56 Электронные вольтметры переменного напряжения имеют, как правило, закрытый вход (за исключением импульсных вольтметров). Разделительный конденсатор устанавливают непосредственно на входе прибора. Главные узлы электронных вольтметров - преобразователи переменного напряжения в постоянное (детекторы).
57 Преобразователи среднеквадратического значения в настоящее время выполняют с использованием специальных микросхем, реализующим операцию возведения в квадрат измеряемого сигнала (как функции времени): Преобразователь среднего выпрямленного значения реализуют с помощью двухполупериодного выпрямителя на диодном мостике, включенного в цепь обратной связи операционного усилителя. Единственное преимущество такого преобразователя – он дешевле преобразователя среднеквадратического значения. Сейчас выпрямительные преобразователи в электронных вольтметрах практически уже не используют. U вх 0
58 Пиковые (амплитудные) детекторы устанавливают непосредственного на входе вольтметра. Они имеют две модификации – с открытым и закрытым входом. Пиковый детектор с открытым входом используют в импульсных вольтметрах, уравнение преобразования для которых: U шк = max [ u ( t ]). Напомним, что импульсные вольтметры градуируют (как исключение из общего правила) по максимальному значению (амплитуде ) синусоидального сигнала. (1) Усилитель постоянного напряжения u ( t ) R вых R вхУС (2) Пиковый детектор ~ C АЦП ЦОУ
59 . Для того, чтобы эта схема работала как пиковый детектор, необходимо обеспечить условие : Здесь R вых - выходное сопротивление источника измеряемого напряжения, R д - сопротивление диода в открытом состоянии, R вх ус – входное сопротивление усилителя постоянного напряжения, C – емкость конденсатора пикового детектора. Обычно значение τ зар имеет порядок долей микросекунды, а значение τ разр – порядок нескольких миллисекунд. В итоге конденсатор быстро заряжается до максимального значения измеряемого напряжения, затем напряжение на нем сохраняется почти неизменным до прихода следующего импульса.
60 Временные диаграммы в точках (1) и (2) пикового детектора с открытым входом при измерении импульсного сигнала: Если постоянная времени разряда будет мала, то конденсатор за интервал времени между импульсами успеет немного разрядиться и среднее значение напряжения на выходе детектора будет меньше амплитуды измеряемого сигнала. Эти специфические погрешности нормируют в метрологических характеристиках импульсных вольтметров. (2) (1) t t U m 0 0
61 Пиковый детектор с закрытым входом обеспечивает возможность измерения малых синусоидальных сигналов в цепях с большой постоянной составляющей. Схема преобразует переменный сигнал синусоидальной формы в постоянное напряжение, равное его амплитуде: R д – сопротивление диода в открытом состоянии. УС пост. напр. (3) С 1 (1) (2) R R вх ~ С 2 МЭ ЦОУ АЦП R вых
62 Упрощенные временные диаграммы сигналов в точках (1), (2), (3) : При подаче сигнала на вход схемы в начальный момент времени через диод течет большой ток и возникает переходный процесс, вызывающий появление в точке (2) постоянного напряжения отрицательной полярности, приблизительно равного амплитуде синусоидального сигнала. Этот смещенный «вниз» синусоидальный сигнал сглаживается интегрирующей цепочкой RC 2. (2) (1) -U m t t U m t (3) U шк =0.707max( u (t)- U )
63 Амплитудные детекторы с закрытыми входами используют для создания широкополосных вольтметров синусоидальных сигналов. Такие вольтметры градуируют по среднеквадратическому значению синусоидального сигнала – вследствие этого в уравнении преобразования появляется коэффициент 0,707 : U шк =0,707∙ max [ u ( t )- U ср ]. Для измерения импульсных сигналов такой вольтметр применять не следует, поскольку его показания будут составлять 0,707 от пикового отклонения «вверх», т.е. не будут равны максимальному значению импульса.
64 2.4.3. Типовые структурные схемы электронных вольтметров переменного напряжения Для обеспечения определенного компромисса между противоречивыми требованиями высокой чувствительности и широкого частотного диапазона, вольтметры переменного напряжения выполняют по трем структурным схемам. Первая структурная схема обеспечивает достаточно высокую (но не предельную) чувствительность вольтметра (минимальный поддиапазон измерения - порядка нескольких милливольт) и ширину полосы измеряемых частот в пределах от 20 Гц до 10…20 МГц. МЭ ШПУ Преобразователи ср.квадратического или ср.выпрямленного значений ЦОУ u ( t ) Входное устройство АЦП
65 Характеристики вольтметров переменного напряжения по первой структурной схеме: 1. Уравнение преобразования : 2. Ширина полосы частот: 20 Гц – 10…20 МГц. Нижнее значение полосы частот определяется постоянной времени RC –цепи закрытого входа, а верхнее ограничено возрастанием влияния шумов усилителя; 3. Погрешность определяется, в основном, неравномерностью АЧХ и нестабильностью коэффициента усиления усилителя. 4. R вх и С вх определяются схемой входного устройства. Обычно R вх = 1,0 МОм; С вх = 5…15 пФ;
66 Вторая структурная схема была разработана для создания достаточно широкополосных вольтметров: в этой схеме преобразователь переменного напряжения в постоянное – пиковый детектор, устанавливают непосредственно на входе прибора и конструктивно исполняют в виде выносного узла-«пробника». Поскольку усилителя переменного напряжения нет, такие вольтметры имеют невысокую чувствительность, но зато довольно широкий частотный диапазон – до 1 ГГц. в аналоговых - МЭ прибор Усилитель постоянного напр. u(t) ЦОУ АЦП Пиковый детектор с закр. входом в цифровых – АЦП и ЦОУ
67 Характеристики приборов, выполненных по второй структурной схеме: 1. Уравнение преобразования таких широкополосных вольтметров: U шк =0,707 max [ u ( t ) - U ср ] - они предназначены для измерения синусоидальных сигналов. 2. Минимальный поддиапазон измерения обычно 1 В. 3. Полоса частот: от 20 Гц до 1000 МГц (!). 4. Погрешность порядка 2…3% - это неплохой показатель для такого широкополосного вольтметра. 5. Параметры входа: R вх = 100 кОм; С вх = 1,5 – 2 пФ. Такая маленькая входная емкость обеспечивается специальной конструкцией диода пикового детектора. Входное сопротивление не очень высокое, поскольку в установившемся режиме через диод протекает только небольшой ток подзаряда конденсатора детектора.
68 Третья структурная схема была разработана для обеспечения возможности измерения напряжения в очень широком частотном диапазоне при очень высокой чувствительности. В основу положен принцип работы радиоприемных устройств с гетеродинным преобразованием частоты, а соответствующие приборы называют селективными вольтметрами. f гет Входное устройство Предв. усилитель Преобразователи u(t) f c ЦОУ АЦП смеситель УПЧ гетеродин f с f c -f гет f f 1 = 10кГц G(f) τ(f) f 2 = 1ГГц
69 Селективные вольтметры измеряют напряжение в относительно узкой полосе частот измерительного фильтра, частоту настройки которого можно менять в очень широких пределах – от десятков кГц до десятков ГГц. Ширину полосы частот этого фильтра также можно выбирать в широких пределах: от сотен Гц до нескольких МГц. В анализаторах спектра используют автоматическую перестройку частоты измерительного фильтра (сканирование), что позволяет графически отобразить на дисплее спектр измеряемого сигнала – распределение напряжения или мощности в зависимости от частоты.
70 1. Уравнение преобразования: где: К – коэффициент градуировки, G ( f )- спектральная плотность мощности измеряемого сигнала, - АЧХ измерительного фильтра, f 1 и f 2 - пределы интегрирования спектра по частоте.
71 Таким образом, селективные вольтметры и анализаторы спектра измеряют среднеквадратическое значение напряжения (или мощность), в полосе частот измерительного фильтра. Градуировка обычно не только в вольтах и ваттах, но также в логарифмических единицах: в дБ относит. микровольта: 1 дБ(мкВ) = 20 log ( U изм /1мкВ), или в дБ относит. милливатта: 1 дБм = 10 log (Р изм /1мВт). Суммарное напряжение (или мощность сигнала) в выбранной полосе частот можно рассчитать по полученному спектру с использованием встроенного процессора.
72 2. Верхняя граница диапазона измерения мощности сигналов (определяемая нелинейными эффектами) – порядка 0дБм, нижняя граница, определяемая собственными шумами прибора, – порядка минус 115….120 дБм, т.е. чувствительность селективных вольтметров и анализаторов спектра чрезвычайно высока. 3 Ширина полосы частот измерительного фильтра (так называемая разрешаемая полоса - RBW ) может быть выбрана пользователем из ряда 1кГц, 3 кГц, 5 кГц, 10 кГц,…. и т.д. до 10 МГц.
73 4. Диапазон измеряемых частот у некоторых анализаторов спектра может простираться от нескольких десятков Гц до нескольких десятков ГГц. С дополнительным внешним смесителем верхняя граница может быть продлена до 400 ГГц. 5. Погрешность хороших анализаторов спектра порядка ±(0,5…1)дБ, что соответствует относительной погрешности δ = ± (5…8)%. 6 Параметры R вх и С вх определяются конструктивным исполнением входных цепей приборов. Обычно анализаторы спектра предполагают проведение измерений на согласованной кабельной нагрузке 50 или 75 Ом, что обеспечивает малое влияние подключения прибора на результат измерения.
74 На рисунке показан спектр сигнала передатчика базовой станции мобильной связи стандарта GSM на дисплее анализатора спектра:
75 Этот рисунок можно упрощенно интерпретировать как графическое представление показаний большого числа амплитудных вольтметров, каждый из которых имеет ширину полосы на уровне 3 дБ порядка 1 кГц. Но все вместе они дают представление о распределении мощности в полосе 500 кГц. Маркером отмечены результаты измерения частоты и мощности характерной спектральной составляющей сигнала передатчика БС GSM
