4.1. Классификация и принцип построения измерителей уровня
4.2. Типы выпускаемых ИУ и особенности их применения
4.3. Влияние соединительных шнуров на погрешность измерения уровня
4.1. Классификация и принцип построения измерителей уровня
Измерители уровней напряжения – приборы, проградуированные в логарифмических единицах. Градуировка ИУ обычно осуществляется в абсолютных уровнях по напряжению, т. е. за нулевой уровень принимается 0,775 В среднеквадратического значения напряжения синусоидальной формы. Переход от измеренного абсолютного значения уровня по напряжению L2, дБ, к величине напряжения осуществляется по формуле U=0,775e 0,05L2 .
Измерители уровня напряжения кроме градуировки отличаются от вольтметров требованиями к входному устройству. Эти требования обусловлены двумя способами включения ИУ: 1)параллельно уже имеющемуся в цепи сопротивлению; 2) в качестве нагрузки, на которой измеряется уровень напряжения. В первом случае ИУ должен иметь возможно большее сопротивление, чтобы не изменить режим работы цепи и не дать большой погрешности при определении уровня, имевшего место на нагрузке до его подключения. Во втором случае входное сопротивление ИУ делается соответствующим стандартным сопротивлениям для цепей проводной связи: 600, 135, 75 Ом. Обычно низкоомное входное сопротивление получается подключением с помощью тумблера параллельно входу ИУ резистора с соответствующим сопротивлением. Большое входное сопротивление обычно около 50 кОм.
Часто ИУ имеет две шкалы: одну, проградуированную в абсолютных уровнях напряжения для 600-омной цепи (нулю соответствует 0,775 В), другую для 135-омной (нулю соответствует 0,367 В) или же одну для 135-омной и вторую для 75-омной (нулю соответствует 0,274 В). Входное устройство ИУ, использующихся на воздушных и симметричных кабельных цепях, содержит обычно трансформатор, симметричный относительно земли.
Измерители уровня делятся на два типа: широкополосные и избирательные. Широкополосные ИУ не имеют элементов, обеспечивающих ограничение полосы частот. Они используются в случаях, когда необходимо оценить уровень какого-либо многочастотного сигнала, а также, когда сигнал представляет собой гармоническое колебание, практически не искаженное помехами и гармониками. Избирательные ИУ предназначены для измерения отдельных составляющих многочастотного сигнала, измерений в системах уплотнения в полосе телефонных каналов и частотных интервалах между каналами ТЧ без перерыва связи, измерений больших затуханий и т. п.
Широкополосные измерители уровня подразделяются по классу точности, рабочим диапазонам частот, пределам измерений, входным устройствам (симметричным или не симметричным относительно земли), чувствительности, типам применяемых детекторов.
Структурная схема типового измерителя уровня ИК-25-1 показана на рисунке 4.1. Этот прибор обеспечивает измерение уровней напряжения в широкополосном режиме в диапазоне частот 0,5 ... 25 МГц и предназначен для проведения измерений в системах передачи организованных по коаксиальному кабелю. Сигнал поступает на вход либо непосредственно на аттенюатор, либо через выносное устройство. Выносное устройство обеспечивает получение высокого входного сопротивления. При его применении активная составляющая входного сопротивления Rвх=50 кОм, входная емкость 10 пФ. Если выносное устройство не используется, входное сопротивление равно 75 Ом. Применение аттенюатора и последовательно с ним включенного широкополосного усилителя позволяет измерить уровни по напряжению –60 ... +10 дБ при низкоомном входе и –50 ... +25 дБ при высокоомном входе.
Рисунок 4.1. Структурная схема типового измерителя уровня ИК-25-1
Детектирующее устройство выделено в отдельный блок. Преобразование переменного напряжения в постоянное осуществляется с помощью вакуумного термопреобразователя Тп1. Применение термопреобразователя позволяет получать сигнал, пропорциональный среднеквадратическому значению измеряемого напряжения в широком диапазоне частот. В детектирующем устройстве применены следующие меры для повышения его температурной стабильности. Усиление сигнала, полученного с выхода Тп1, осуществляется преобразованием его в переменное с помощью модулятора и генератора. Переменное напряжение усиливается усилителем звуковой частоты, имеющем высокую температурную стабильность. Выделение исходного сигнала осуществляется в демодуляторе, работающем по принципу синхронного детектора. Это обеспечивает высокую помехоустойчивость прибора при измерении малых уровней напряжения, близких к –60 дБ. На выходе имеется усилитель постоянного тока, усиливающий сигнал и обеспечивающий отрицательную обратную связь, которая осуществляется с помощью термопреобразователя Тп2. ТермоЭДС этого преобразователя направлена встречно термоЭДС Тп1. Применение отрицательной обратной связи обеспечивает повышение стабильности коэффициента передачи всего детектирующего устройства. В рассматриваемом приборе предусмотрен режим повышения разрешающей способности. Этот режим обеспечивается применением «электронной лупы». В этом режиме увеличивается коэффициент усиления входного каскада УПТ. На стрелочный прибор одновременно с основным сигналом подается напряжение от источника компенсирующего напряжения ИКН, величина которого подбирается так, чтобы отметка 0 дБ приходилась на середину шкалы. Делитель напряжения 10х1 дБ позволяет «растягивать» любой нормированный участок основной шкалы в пределах ±1 дБ, при этом отсчет ведется по дополнительной (нижней) шкале, цена делений которой 0,05 дБ.
Измерители уровня избирательного типа характеризуются возможностью получения узкой полосы пропускания и «перемещения» ее по частотному диапазону. Избирательные ИУ часто конструктивно объединяются с широкополосными. В этом случае отмечается, что ИУ работает, как в узкополосном, так и в широкополосном режимах. Избирательные ИУ различаются по назначению. Так, например, имеются избирательные ИУ, предназначенные для измерения основной составляющей при относительно малых напряжениях помех и гармоник, ИУ для измерения основной составляющей, но при относительно больших напряжениях помех (иногда при отношении сигнал-помеха меньше единицы), ИУ для измерения не только основной составляющей, но и любой другой составляющей спектра, отличающейся от основной по амплитуде в 1000...2000 раз, ИУ для измерения только малых и определенных составляющих спектра в присутствии доминирующих сигналов.
Избирательные ИУ характеризуются числом применяемых преобразований частоты и видом продуктов преобразований, используемых в качестве колебаний ПЧ. В современных высококачественных приборах число преобразований частоты иногда доходит до четырех. В качестве колебаний ПЧ используются как суммарная fпр=fг+fc. Так и разностная fпр=fг – fc частоты, получаемые на выходе преобразователя частоты, здесь fг – частота гетеродина, fc – частота сигнала. Низкочастотное преобразование с использованием частоты fг < fc min применяется только в индикаторах из – за существенного влияния зеркальных составляющих. Высокочастотное преобразование с fг > fc max используется чаще. В первом случае ПЧ может быть равной fпр=fc±fг, а во втором случае fпр=fг±fc.
На рисунке 4.2 приведены упрощенные структурные схемы избирательных ИУ. На рисунка 4.2,а представлена схема ИУ с одной ступенью преобразования, а на рисунке 4.2,б – с двумя. В первой ступени преобразования обычно используется частота гетеродина, превышающая частоту сигнала и fпр=fг-fc. Это позволит избавиться от ряда паразитных составляющих. Многократное преобразование частот производится для повышения избирательности, а также, когда измерение необходимо производить в широкой полосе частот. Следует отметить, что избирательный ИУ требует определенных навыков работы с ними. В определенных случаях в них могут появляться ложные показания. Для избегания возможных ошибок следует детально ознакомиться с особенностями конкретной схемы ИУ и точно следовать рекомендациям заводской инструкции.
Наличие настраивающихся контуров и большого числа фильтров в ИУ избирательного типа с большим числом преобразований частоты не позволяет обеспечивать нижний предел рабочего диапазона менее 1 ... 2 кГц. Избирательные ИУ на рабочий диапазон от десятых долей герца выполняются без преобразования частоты с контурами типа RC. Частотно-избирательные блоки выполняются по мостовым и двойным Т-образным схемам.
Рисунок 4.2. Упрощенные структурные схемы избирательных ИУ
4.2. Типы выпускаемых ИУ и особенности их применения
Как видно из данных, приведенных для ИУ типа ИУ-2-2, существенное внимание при нормировании МХ уделяется входным цепям. Так происходит потому, что входные цепи определяют то влияние, которое оказывает прибор, подключаемый к измеряемой цепи. В связи с тем, что особенности построения входной цепи прибора при измерениях часто игнорируются, рассмотрим основные варианты входных устройств ИУ напряжения.
Во-первых, следует рассмотреть различие симметричного и несимметричного входных устройств. Схема входного устройства прибора несимметричного типа представлена на рисунке 4.2,а. Здесь С-разделительный конденсатор достаточно большой емкости, обеспечивающий разделение цепей постоянного и переменного токов, R1 – активное сопротивление, имеющее возможно большое значение и обеспечивающее высокое входное сопротивление, R2 – активное сопротивление, обеспечивающее согласование входа ИУ с измерительной цепью.
Приборы с несимметричным «заземленным» входным устройством нельзя применять для проведения измерений в симметричных цепях, например в двухпроводных линиях. Это иллюстрируется рис. 4.4,б, на котором показано подключение ИУ с несимметричным входом для измерения уровня напряжения на выходе симметричной линии. Очевидно, что при таком подключении один из проводов линии будет заземлен и ИУ измерит не уровень напряжения U12, действующего между проводами, а напряжение между проводом 1 и землей, т. е. U23.
Аналогичные явления возникают и при применении ИУ с несимметричным входным устройством, если не применять его заземления. В этом случае проявляется влияние емкостей относительно окружающих металлических предметов, земли, а также рук испытателя. Естественно, что описанные явления не имеют место при измерении на низких частотах, когда сопротивление паразитных емкостей оказывается достаточно большим.
К входному сопротивлению прибора предъявляются довольно жесткие требования. При параллельном подключении Иу к нагрузке измерительной цепи его входное сопротивление должно быть возможно большим. Точное значение сопротивления здесь не имеет решающего значения. Поэтому в справочниках точное значение сопротивления высокоомного входа ИУ не указывается. Например, для измерителя уровня ИУ-2-2 дано: сопротивление высокоомного входа R³4 кОм. В том случае, когда ИУ является нагрузкой линии, необходимо точное согласование и к значению входного сопротивления ИУ предъявляются жесткие требования. Кроме того, входное сопротивление должно быть чисто активным. Однако на практике приходится ограничиваться некоторым минимально-допустимым значением высокого входного сопротивления (как, например, для ИУ-2-2 сопротивлением 4 кОм) и вводить разумные допуски по модулю и углу для низкого входного сопротивления.
4.3. Влияние соединительных шнуров на погрешность измерения уровня
В некоторых случаях на низких частотах и всегда на частотах, превышающих 1,5 МГц, входное устройство ИУ выполняется несимметричным относительно земли. Соединение прибора с объектом измерения осуществляется с помощью шнуров. Влияние соединительных шнуров становится все более заметным при увеличении частоты, так как начинают проявляться присущие им реактивные сопротивления. Особенно заметно влияние соединительных шнуров при частотах выше 300 кГЦ, когда начинает дополнительно проявляться фазовая постоянная шнуров. Влияние шнуров проявляется двояко: изменяется входное сопротивление ИУ, изменяется коэффициент передачи, т. е. отношение напряжения на входе прибора к напряжению на входе шнура. Обычно влияние изменения входного сопротивления и является доминирующим. Так, например, шнур длиной 1 м с Zc=75 Ом имеет R=0,05 Ом, емкость C=68 пФ, индуктивность L=0,4 мкГн. Для такого шнура коэффициенты затухания и фазы, определенные из соотношений a=R/2Zc и b= LCw , выставляют a=0,006 дБ и b=0,033 рад/МГц. Как видно из приведенных данных, влияние затухания, вносимого шнуром, можно практически не учитывать.
4.4. Технические требования, предъявляемые к ИУ
Измерители уровня обозначаются: широкополосные – ИУ-1, избирательные – ИУ-2 и универсальные – ИУ-3.
Диапазон частот на который рассчитан ИУ, должен соответствовать диапазону каналов и трактов EACC, для которых рассчитан ИУ. Допускается расширение диапазонов частот относительно номинальных если это требуется при настройке соответствующих каналов и трактов в том случае если они зависят от частоты.
Градуировка ИУ допускается как в абсолютных уровнях по напряжению в децибелах (относительно напряжения 0,7746 В), так и по мощности (относительно 1 мВт). Измерители уровня могут быть рассчитаны также для измерения других параметров каналов и трактов ЕАСС: затухание несогласованности, затухание асимметрии и т.д. Измерители уровня, предназначенные для измерения нескольких параметров, должны иметь несколько шкал, проградуированных в соответствующих единицах, либо снабжаться пересчетными таблицами. Метрологические характеристики нормируются с учетом влияния соединительных шнуров, предназначенных для работы с этими приборами. Измерительные шнуры ИУ выполняются из гибкого кабеля длиной не менее 1,5 м. Электрические соединители должны соответствовать гнездам, применяемым в аппаратуре ВЧ систем передачи, для работы с которой предназначены ИУ.
Основная погрешность ИУ или ее составляющие согласно ГОСТ 23854-79 должны нормироваться пределом допускаемых значений в дБ на частотах, указанных ТУ на ИУ конкретного типа. К составляющим основной погрешности ИУ относятся: погрешность калибровки, погрешность ступенчатой регулировки пределов измерения, погрешность на оцифрованных отметках шкалы аналоговых ИУ или погрешность, зависящая от показаний цифровых ИУ. Основную погрешность нормируют в виде составляющих, когда ее значение превышает ±0,2 дБ.
Дополнительные погрешности ИУ нормируются в децибелах пределом допускаемой погрешности при измерении напряжения питания и пределом допускаемой погрешности на каждые 10°С при изменении температуры окружающего воздуха в рабочих условиях помещения.
Неравномерность частотной характеристики ИУ следует нормировать в номинальном диапазоне частот ИУ относительно частоты калибровки или частоты, указанной в стандартах или ТУ на ИУ конкретного типа. Если ИУ предназначен для различных каналов и трактов ЕАСС, имеющих рабочие диапазоны частот в пределах нормируемого диапазона, то нормирование следует выполнять также в каждом из этих диапазонов.
Затухание побочных спектральных составляющих (промежуточных, зеркальных, комбинационных) ИУ-2 и ИУ-3 нормируют в виде разности показаний на частоте сигнала, подаваемого на вход, и частотах, соответствующих промежуточной, зеркальной или частоте комбинационной составляющей.
Уровень собственных шумов нормируется в виде показаний ИУ или отклонения стрелки в мм в рабочем диапазоне частот, или отсутствии сигнала на входе.
Основная погрешность на входе на частоту ИУ-2 и ИУ-3 в избирательном режиме нормируется пределом допускаемых значений в абсолютных или относительных значениях частоты пределом допускаемой дополнительной погрешности при изменении напряжения питания и пределом допускаемой погрешности на каждые 10°С при изменении температуры окружающего воздуха в рабочих условиях применения.
Нестабильность показаний ИУ-2 и ИУ-3 в избирательном режиме во времени в нормальных условиях применения нормируются в виде предела отклонения показаний за время, выбираемое из ряда: 5, 15, 30 минут, 1 час.
Время установления показаний ИУ не должно превышать 10 с. Для аналоговых ИУ без термопреобразователей и термосопротивлений время установления показаний не должно превышать 4 с. Для цифровых ИУ указывается время измерения при внутреннем запуске.