Измерение АЧХ. Метод измерения по точкам, погрешности метода

Устройство измерителя добротности (куметра). Методы измерения параметров катушек индуктивности, конденсаторов и резисторов.

Резонансные методы измерения параметров компонентов цепей. Действующие значения индуктивности катушки и емкости конденсатора и методы их измерения. Погрешности резонансного метода.

Резонансные методы можно реализовать, вводя измеряемый элемент в контур автогенератора или колебательный контур, слабо связанный с генератором. Эти методы называются генераторный и контурный соответственно.

1) Генераторный метод

Включает в себя два генератора G1 и G2 высокой частоты. G1 настроен на фиксированную частоту. Контур G2 можно перестраивать образцовым конденсатором С. Устанавливаем частоту G2 равную частоте G1. Емкость Cк=С2+Сп генератора G2 складывается из емкости образцового конденсатора С1 (С приняло некое значение С1) и паразитной емкости. Измеряемую емкость Сх включаем в контур G2 параллельно образцовому. Равенство частот нарушается, восстанавливаем его, уменьшая емкость образцового конденсатора до значения С2. Тогда Сх=С1-С2. Tgδ определяется расчетным путем.

Погрешности: погрешность воспроизведения емкости на шкале прибора, погрешность индикации равенства частот, нестабильность частоты генератора, предельная погрешность, зависящая от предельных погрешностей определения резонансных емкостей.

Так как генераторы G1 и G2 строятся по одинаковой схеме, то влияние дестабилизирующих факторов (температура, напряжение питания приращения резонансных емкостей) практически будут скомпенсированы.

Приборы данного типа характеризуются высокой разрешающей способностью и могут применяться для измерения малых емкостей и индуктивностей на частотах до десятков МГц. Активное сопротивление, а соответственно и потери, прибор измерять не может.

2) Контурный метод (см. билет №38)

Этот метод положен в основу приборов, называемыми измерителями добротности (куметрами).

Погрешности: погрешность градуировки образцового конденсатора, погрешность установки частоты генератора, погрешность фиксации момента резонанса (зависит от чувствительности вольтметра, от добротности всего контура)

Метод пригоден для цепей с малыми потерями.

Важная особенность резонансного метода – возможность определять действующее значение параметров, т.е. фактические значения сопротивления, индуктивности или емкости с учетом паразитных составляющих ее эквивалентной схемы. Кроме того, по результатам измерений на нескольких частотах можно определить паразитные параметры измеряемых элементов (межвитковую емкость катушки, собственную индуктивность конденсатора и т.д.)

Паразитные параметры:

Конденсатор не является чистой емкостью, а обладает также сопротивлением и индуктивностью. На некоторой частоте конденсатор имеет собственный резонанс со своей индуктивностью. При f > fp конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах f < fp, на которых его сопротивление носит ёмкостный характер.

Реальная катушка эквивалентно представляет собой идеальную индуктивность, включенной последовательно с резистором активного сопротивления обмотки с присоединенной параллельно этой цепочке паразитной ёмкостью (см. рис). В результате этого катушка индуктивности представляет собой колебательный контур с характерной частотой резонанса. Эта резонансная частота легко может быть измерена и называется собственной частотой резонанса катушки индуктивности. На частотах много ниже частоты собственного резонанса импеданс катушки индуктивный, при частотах вблизи резонанса в основном активный (на частоте резонанса чисто активный) и большой по модулю, на частотах много выше частоты собственного резонанса — ёмкостный.

В измерителях добротности (куметрах) реализуется резонансный метод измерения параметров сосредоточенных элементов.

Структурная схема:

Источником синусоидальных сигналов, подаваемых на последовательный резонансный контур, является генератор тока, нагруженный на малое активное сопротивление Ro ≈ 0,05 Ом. (т.к. это сопротивление входит в измерительный контур и вносит погрешность). Частота выходных колебаний генератора может изменяться в широких пределах. Уровень входного сигнала необходимо поддерживать постоянным (контролируется V1).

При измерении индуктивности исследуемую катушку подключают к зажимам 1-2. В этом случае резонансный контур будет образован катушкой измеряемой индуктивности Lx с активными потерями Rx и межвитковой емкостью ее проводов С_LX, а также перестраиваемой эталонной емкостью Сэ. Резонанс в контуре на заданной частоте достигается изменением величины емкости Сэ, эталонного конденсатора. Состояние резонанса контура определяется по вольтметру V2, отградуированному в значениях добротности Q.

Измерение индуктивности Lx с учетом емкости Сх производят на двух резонансных частотах. Далее через соотношение этих частот можно вычислить параметры Lx и C_LX.

С помощью куметра можно также определять неизвестные параметры R, C, tg δ_С, подключая измеряемые резистор или конденсатор к зажимам 3-4. В этом случае к клеммам 1-2 должна быть подключена рабочая катушка индуктивности, соответствующая частоте измерения. Затем по максимуму показаний вольтметра контур настраивают в резонанс и определяют резонансное значение емкости рабочего конденсатора.

В куметрах промышленного изготовления погрешность измерения добротности составляет 5-10%. Она увеличивается при испытании катушек с высокой добротностью и большой собственной ёмкостью. Погрешность возрастает и с повышением частоты вследствие уменьшения входного сопротивления вольтметров и усиления влияния паразитных наводок на измерительный контур. Для уменьшения этих наводок генератор тщательно экранируют, весь прибор в целом также помешают в экран; испытуемые элементы присоединяют к прибору жёсткими проводниками, а их экраны надёжно соединяют с металлическим кожухом прибора. Неэкранированные катушки при испытании по возможности удаляют от кожуха прибора.

Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) линейной цепи называют модуль ее комплексной частотной характеристики. Для четырехполюсного устройства - это модуль коэффициента передачи. Из определения следует наиболее простой метод измерения АЧХ: снятие зависимости отношения амплитуд выходного и входного напряжений гармонического сигнала в отдельных частотных точках (по точкам) с последующей интерполяцией.

На практике обычно снимают зависимость напряжения на выходе исследуемого устройства от частоты при постоянной амплитуде гармонического напряжения на входе.

Описанный метод измерения АЧХ - по точкам - основан на использовании перестраиваемого генератора гармонических колебаний и вольтметра. Структурная схема измерительной установки представлена на рис. 6, а.

Генератор последовательно настраивают на ряд выбранных частот, а напряжение на выходе исследуемого устройства измеряют вольтметром. При этом амплитуду напряжения генератора поддерживают постоянной.

Зависимость U _вых(f), построенная по результатам измерений, представляет собой АЧХ исследуемой цепи (рис. 6.1, б).

Данный способ обеспечивает достаточно высокую точность измерений. Основными источниками погрешностей являются:

1) погрешность установки частоты генератора;

2) погрешность установки амплитуды напряжения на выходе генератора и его нестабильность в процессе измерения АЧХ;

3) погрешность вольтметра, измеряющего напряжение на выходе цепи;

4) искажения АЧХ, связанные с влиянием выходного сопротивления генератора и входного импеданса вольтметра на параметры исследуемой цепи;

5) погрешность интерполяции АЧХ между измеренными точками.

Вклад первых трех источников в общую погрешность измерения может быть уменьшен использованием приборов более высокого класса точности. Влияние генератора снижают выбором способа подключения к измеряемой цепи. Вольтметр следует выбирать с большим входным сопротивлением и минимальной входной емкостью.

Основной недостаток описанного способа измерения - его трудоемкость и длительность. Кроме того, при заранее неизвестном виде АЧХ произвольный выбор измеряемых частотных точек может привести к пропуску ее характерных особенностей (в областях резкого изменения кривой АЧХ). При длительных измерениях сказывается влияние температуры, дрейфа питающих напряжений на исследуемое устройство.

Дата добавления: 2015-04-30