Тема 4. Измерение напряжения и силы тока.

Несмотря на ограниченное применение таких характеристик телекоммуникационных сигналов, как напряжение и сила тока, вольтметры (приборы для измерения электрического напряжения) и амперметры (приборы для измерения силы электрического тока) являются достаточно востребованными типами приборов. Измерения напряжения и силы тока (в литературе и на практике часто говорится об измерении тока, но в принципе измеряют силу тока)в радиотехнических цепях существенно отличаются от подобных измерений в электротехнических цепях, что объясняется спецификой радиотехнических сигналов. Современные методы и средства измерений позволяют измерять напряжения в диапазоне В и силу тока в диапазоне А. Вместе с тем данные измерения должны осуществляться в очень широкой полосе частот спектра – от постоянного тока до сверхвысоких частот.

Применяемые в телекоммуникационных и компьютерных системах сигналы представляют собой функции времени различной формы: постоянные, гармонические, негармонические, импульсные и другие виды колебаний.

Измерение постоянных напряжения и силы тока заключается главным образом в нахождении их значений и определении полярности напряжения и направления протекания тока. Целью измерения переменных напряжения и силы тока является нахождение какого-либо их параметра.

На практике преобладающее значение имеет измерение напряжения, поскольку чаще всего этой величиной принято характеризовать режимы работы различных радиотехнических цепей и устройств. К тому же параллельный метод подключения вольтметра к участку цепи, как правило, не приводит к нарушению электрических процессов, поскольку входное сопротивление прибора выбирается достаточно большим. При измерениях же силы тока необходимо размыкать цепь и в ее разрыв последовательно включать амперметр, внутреннее сопротивление которого отлично от нуля. Поскольку напряжение и сила тока связаны, согласно закону Ома, линейной зависимостью, удобнее проводить измерение напряжения и по его значению аналитически вычислять силу тока.

Как уже отмечалось ранее, при измерении напряжения методом прямого действия (непосредственной оценки) измерительный прибор подключают параллельно участку исследуемой электрической цепи, что вносит погрешность в результат измерения. Для уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление – велико. Поэтому в измерительной технике в основном используют электрон­ные вольтметры.

Структурно электронные вольтметры состоят из электронного преобразователя и измерительного прибора. В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное сопротивление и чувствительность, широкие пределы измерения и частотный диапазон 20 Гц до 1000 МГц, малое потребление тока из измерительной цепи.

Классифицируют электронные вольтметры по ряду признаков:

– по назначению – вольтметры постоянного, переменного и импульсного напряжений, универсальные, фазочувствительные, селективные и пр.;

– по способу измерения – приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

– по характеру измеряемого значения напряжения – амплитудные (пиковые), среднего квадратического значения, средневыпрямленного значения;

– по частотному диапазону – низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные.

Кроме того, все электронные приборы можно разделить на две большие группы: электронные аналоговые со стрелочным отсчетом и приборы дискретного типа с цифровым отсчетом.

Принцип работы любых цифровых измерительных приборов основан на дискретном и цифровом представлении сигналов, отражающих непрерывные измеряемые физические величины. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра состоит из входного устройства, АЦП, цифрового отсчетного устройства и управляющего устройства.

При измерениях напряжения необходимо правильно выбрать прибор с учетом его диапазона амплитуд, частотного диапазона, класса точности, потребления мощности из измерительной цепи, влияния формы сигнала на результат измерения. Эти параметры указаны в технической документации на прибор. При этом следует обратить внимание на следующие важные обстоятельства. При измерении гармонических напряжений частота измеряемого сигнала должна находиться в пределах рабочего диапазона частот. Необходимо проверить по паспорту, не имеет ли место дополнительная частотная погрешность в измеряемой точке. При измерении сигналов сложной формы частотный диапазон выбирают с учетом высших гармоник. Если используется электронный прибор с амплитудным детектором, то по его показаниям можно определить среднее квадратическое значение U только для случая, когда известен коэффициент амплитуды измеряемого сигнала. Аналогично, при измерении прибором с преобразователем средневыпрямленного значения U_пр для определения среднего квадратического значения сигнала нужно знать коэффициент его формы К_ф.сиг.

При измерениях на переменном токе с помощью электронных приборов следует иметь в виду, что основная их масса имеет «закрытый вход» для постоянной составляющей сигнала, т. е. измеряемое напряжение подается через конденсатор. Поэтому при измерении импульсных сигналов приборами с амплитудными преобразователями на это следует обратить особое.внимание.

Специальные импульсные вольтметры градуируют в амплитудных значениях. При измерении напряжений радиоимпульсов процессы в вольтметре протекают так же, как и при измерении напряжений видеоимпульсов. Однако заряд конденсатора в схеме происходит только при положительных полупериодах несущей частоты, т. е. при положительной огибающей. Погрешность измерений в этом случае может возрасти. В случае измерения импульсных напряжений необходимо иметь в виду, что их спектр частот очень широк, особенно спектр радиоимпульсов малой длительности.

При измерении напряжений высокой частоты появляется погрешность, обусловленная влиянием следующих факторов:

– наличием входной емкости детектора, емкостью и индуктивностью монтажа; присутствие этих элементов часто приводит к резо­нансным явлениям;

– инерционностью носителей заряда в активных элементах (например, транзисторах усилителей).

Для уменьшения погрешности из-за резонанса частоту резонанса родной цепи располагают вне диапазона рабочих частот вольтметра и уменьшают длину соединительных проводов. Для этого детектор выполняют в виде выносного блока, к которому непосредственно подключают измеряемое напряжение. Иногда измеряемое напряжение подают на вольтметр через отрезок длинной линии. Резонансные процессы во входной цепи приводят к завышению значения измеряемого напряжения. Инерционность носителей заряда ведет к тому, что вольтметр показывает заниженное значение измеряемого напряжения. Погрешности в счет резонанса и инерционности носителей имеют противоположные знаки, что приводит к их частичной компенсации.

Литература: [2], с. 65-72; [3], с. 146-161; [6], с. 303-315; [8], с. 134-142, 222-232.