Фактором, ограничивающим нижнюю предельную измеряемую частоту, является время измерений. Если, например, установить наибольший для многих частотомеров интервал времени счета Δt = 1с, то при регистрации счетчиком 10 импульсов результатом измерений явится частота fx = 10 ± 1 Гц, т.е. погрешность измерения может достигать 10%. Для уменьшения погрешности, положим, до 0,01% необходимо было бы производить счет импульсов в течение времени Δt = 1000 с. Еще большее время требуется для точного измерения частот, равных 1 Гц и менее. Поэтому в электронно-счетных частотомерах измерение очень низких частот fx заменяют измерением периода их колебаний Тx = 1/fx. Схема измерения периода колебаний образуется при установке переключателя В1 в положение "ТХ". Исследуемое напряжение после преобразования в триггере. Шмитта воздействует на управляющее устройство, в котором формируется прямоугольный импульс длительностью Тx, поддерживающий временной селектор в открытом состоянии; в течение этого времени счетчик регистрирует импульсы, формируемые из колебаний одной из опорных частот f0, определяемой установкой переключателя В2. При числе m отмеченных импульсов измеряемый период Tx=m / f0.
Например, при m= 15 625 и f0 = 1000 Гц период Тx = 15,625 с, что соответствует частоте fx = 1/Тx= 0,064 Гц. Измерения, в целях уменьшения их погрешности, желательно производить при возможно большем значении частоты f0 (исключающем, конечно, перегрузку счетчика). Если период Тх < 1 с (fx > 1 Гц), то может оказаться рациональным использование колебаний частоты f0, равной 1 или 10 МГц, получаемых после умножителей частоты. При этом нижний предел измеряемых частот удается расширить до 0,01 Гц.
Измерению отношения двух частот f1/f2 (f1 > f2) соответствует установка переключателей В2 в положение "Выключено", a B1 - в положение "fx". Напряжение меньшей частоты f2 подводят к зажимам "f0", и его период определяет интервал времени счета Δt. Напряжение частоты f1, подводимое к входу "fx", преобразуется в импульсы, число которых (m) регистрируется счетчиком в течение временя Δt = l // 2. Искомое отношение частот f1/f2 = m (с погрешностью до единицы). Очевидно, что данным способом имеет смысл находить отношение лишь значительно различающихся частот.
К недостаткам электронно-счетных частотомеров следует отнести сложность их схем, значительные габариты и массу, высокую стоимость.
Для измерения комплексных параметров цепей на различных частотах или комплексного сопротивления предназначены приборы, которые называют измерители импеданса. Если прибор имеет возможность измерения комплексной проводимости (амитанса), то такой прибор называется измеритель иммитанса. Чаще всего эти приборы упрощенно называют измерители RLC, хотя это название не отражает реального функционального назначения этих средств измерения. Кроме измерения R, L и C, в зависимости от типа, эти приборы позволяют измерять такие параметры как:
добротность цепи или электронного компонента;
тангенс угла потерь;
комплексное сопротивление на различных частотах;
фазовый сдвиг между током и напряжением в цепи;
активное сопротивление постоянному току.
Основными характеристикам измерителей импеданса, кроме диапазона и погрешности измерения R, L и C являются:
частотный диапазон тестового сигнала, чем шире частотный диапазон, тем шире пределы измерения L и C приборе Для измерения малых емкостей и индуктивностей необходима как можно более высокая частота тестового сигнала.
пределы изменения уровня тестового сигнала и возможность его стабилизации при изменении сопротивления измеряемой цепи;
наличие внутреннего и внешнего смещения тестового сигнала постоянным напряжением (например, необходимо для измерения емкости варикапов);
возможность связи прибора с персональным компьютером для документирования результатов измерения или программной обработки результатов измерения (например, построение графиков зависимости емкости или индуктивности от температуры в реальном масштабе времени и т.п.)
возможность программирования прибора для сортировки и отбраковки компонентов на производстве; возможность подключения механического манипулятора.
Принцип измерения всех измерителей импеданса (иммитанса) основан на анализе прохождения тестового сигнала с заданной частотой через цепь, обладающую комплексным сопротивлением и последующим сравнением с опорным напряжением.
Напряжение рабочей частоты с внутреннего генератора подается на измеряемый объект и на объекте измеряется напряжение. Ток, протекающий через объект, с помощью внутреннего преобразователя ток-напряжение преобразуется в напряжение. Измерение отношения этих двух напряжений и дает полное сопротивление цепи.
Графическое представление полного сопротивления представлено на рисунке 8. Как видно на рис.1, полное сопротивление Z состоит из двух компонентов. Один это активное сопротивление RS, второй реактивное сопротивление XS.
Рисунок 8 - графическое представление полного сопротивления.
Комплексное сопротивление Z определяется как:
(формула № 1)
Из формулы 1 следует, что:
Активное сопротивление RS связано с комплексным сопротивлением как:
(формула № 2)
И соответственно реактивное сопротивление XS связано с комплексным сопротивлением как:
(формула № 3)
где Θ - угол между активным и комплексным сопротивлением.
Из рис.1 так же следует, что комплексное сопротивление связано с активным и реактивным как:
(формула № 4)
Существует два типа реактивного сопротивления емкостное XС и индуктивное XL. Исходя из параметров емкости, индуктивности и частоты они определяются как:
(формула № 5)
(формула № 6)
Где C (L) - значение емкости (индуктивности),
f - частота на которой измеряется реактивное сопротивление.
Из практики измерения известно, что наиболее оптимальным, сточки зрения погрешности измерения, является измерение сопротивлений в пределах от 0,1 Ом до 10 МОм. Измерение сопротивления ниже 0,1 Ом требует применения специальных методов с большими токами, а измерение сопротивления выше 10 Мом требует более высокого напряжения. Из формул 5 и 6 следует, что для измерения малых индуктивностей и емкостей следует использовать более высокие частоты, а для измерения больших емкостей и больших индуктивностей наоборот более низкие.
Формулы 5 и 6 определяют значение реактивных сопротивлений для идеальных емкостей и индуктивностей. Реально каждая ёмкость имеет свое внутреннее конечное сопротивление между пластинами, которое приводит к возникновению внутренних утечек. Это сопротивление зависит от частоты. Очевидно, что чем меньше это сопротивление, тем лучше ёмкость. Аналогично и для индуктивности, любая индуктивность имеет активное сопротивление витков, магнитный поток рассеивания и другие параметры, влияющие на отклонение идеальной индуктивности от реальной. Для оценки степени внутренних потерь в емкостях и индуктивностях вводят параметр тангенс угла потерь (или тангенс угла диэлектрических потерь). Для последовательной схемы замещения (понятие последовательной и параллельной схемы замещения следует ниже) определяется как:
(формула № 7)
(формула № 8)
Для параллельной схемы замещения, формулы расчета тангенса потерь имеют обратный вид:
(формула № 9)
(формула № 10)
Существует второй параметр, определяющий потери в реактивных элементах - это добротность. Добротность это величина обратная тангенсу угла потерь:
(формула № 11)
Исторически сложилось так, что потери в емкости оценивают по тангенсу угла потерь, а в индуктивности по величине добротности, хотя, еще раз подчеркнем, эти величины являются обратными друг другу и для емкости возможно понятие добротность, так же как и для индуктивности возможно понятие тангенса угла потерь.
Формулы c № 1 по № 11 определяют основные понятия и взаимосвязи из области измерения комплексных и реактивных сопротивлений.
В практике измерения комплексных сопротивлений также существуют понятия параллельной или последовательной схемы замещения. Она представляет собой схему, на которой отражены все возможные сопротивления (как активные так и реактивные) оказывающие влияние на полное сопротивление цепи или компонента. Выбор схемы замещения зависит от частоты сигнала в цепи и учитывает, какое реактивное сопротивление при этой частоте оказывает большее влияние. Так, например, для емкости, схема замещения включает последовательное сопротивление выводов, обладающих как активным так и индуктивным характером, собственно ёмкость, а так же параллельное обкладкам емкости паразитное сопротивление. При достаточно большой емкости и небольшой частоте, паразитная индуктивность выводов не оказывает практически никакого влияния на комплексное сопротивление (см. формулу 5), но при увеличении частоты, когда реактивное сопротивление емкости уменьшается (см. формулу 6), а реактивное сопротивление индуктивности увеличивается, характер сопротивления, а следовательно и результат измерения емкости может быть существенно искажен.
Из всего сказанного выше, следует, что при проведении измерений с помощью измерителя RLC необходимо учитывать следующее:
Выбор частоты измерения емкости и индуктивности должен быть осуществлен грамотно, с учетом величин этих элементов.
Для достижения более низкой погрешности измерения, малые значения индуктивности (мкГн) и емкости (пФ) следует измерять на более высоких частотах, а большие значения индуктивности (Гн) и емкости (мФ) следует измерять на более низких частотах.
Так же корректно должна быть выбрана и схема замещения. При больших значениях индуктивности (Гн) и емкости (мФ) следует выбрать параллельную схему замещения. При малых значениях индуктивности (мкГн) и емкости (пФ) следует выбирать последовательную схему замещения.
Пренебрежение этими правилами значительно искажает достоверность измерения.
В настоящий момент на рынке средств измерения присутствует достаточное количество измерителей RLC, отличающихся как ценой, так и функциональными возможностями.
Страницы: 1, 2, 3, 4
