Лаборатория радиофизического или радиотехнического профиля начала ХХIстолетия удивила бы специалиста 50-х – 70-х годов прошлого века компактностью и универсальностью измерительной аппаратуры. Универсальность заключается здесь не столь в совмещении функций (что является весьма устойчивой тенденцией), сколь в перекрытии огромных, недоступных ранее для одного прибора, частотных диапазонов. Кроме того, современные приборы обладают широкими возможностями автоматизации измерений, хранения и первичной обработки данных. Однако следствием этих безусловных достижений являются такие обстоятельства, как:
- утрата интуитивной ясности в назначении и использовании органов управления (необходимость изучения меню разных уровней и приемовработы с теми или иными функциями, которые у приборов одного назначения, но разных производителей, могут заметно отличаться). Поэтому при отсутствии опыта работы с конкретным прибором имеет смысл познакомиться с функционированием его органов управления, используя инструкцию поэксплуатации.
- размывание границы между цепями с сосредоточенными параметрами и цепями СВЧ: для перехода от килогерц к мега- даже гигагерцам сейчас не надо менять прибор, например, генератор, а требуется лишь ввести другие цифры на панели управления. Невнимание к данному вопросу может привести к серьезным ошибкам в интерпретации результатов измерений.
- радикальное усложнение принципиальных схем приборов, сочетание аналоговых и цифровых устройств с чисто вычислительнымиэлементами делает возможным сколько-нибудь детальное рассмотрение их работы лишь в качестве самостоятельной и весьма непростой задачи.
Поэтому в данном курсе вопросы устройства измерительных приборов затрагиваются лишь в той мере, в которой это необходимо для их грамотного использования в эксперименте (по возможности, однако, даются ссылки на специализированную литературу).
2.1 Мультиметры и измерители RLC
2.1.1 Мультиметры
Современный мультиметр («девичья» фамилия –Тестер) – цифровой многофункциональный прибор, способный измерять постоянные и переменные токи и напряжения, сопротивления, а иногда даже параметры конденсаторов, катушек индуктивности, транзисторов. Основные сведения о мультиметрах можно подчерпнуть, например, здесь: https://evosnab.ru/instrument/avo/harakteristiki-multimetra,).
Лицевая панель типичногомультиметра показана на рис.2.1
Основные знаки на панели
Рис.2.1 Мультиметр DT9205A
Чтобы правильно провести измерения, необходимо разобраться в обозначениях на панели мультиметра. Ручка прибора может находиться в положении «выключено» – OFF. Она также может указывать на один из диапазонов.
Режим измерения напряжения постоянного тока обозначается как DCV, а переменногоACV (встречается также V~). Зона измерения силы постоянного тока – DCA.
Сопротивление традиционно обозначают греческой буквой «омега» – Ω. Разъем для черного провода щупа имеет обозначение COM. Обычно слева присутствует разъем для проверки транзисторов.
Это основные обозначения, но у каждой модели могут быть свои особенности и возможности.
Использование мультиметра не предполагает каких-либо специальных знаний и обычно даже не требует обращения к инструкции по эксплуатации.
Все, казалось бы, совсем просто.
Однако:
- контакты центральных переключателей почти всех мультиметров со временем окисляются и, если прибор давно не использовался, может создаться впечатление, что он либо вообще не работает, либо меняет показания без видимых к тому причин.
Что делать? Обычно достаточно перед проведением измерений при выключенном питании (OFF) прокрутить центральный переключатель по кругу несколько раз. В большинстве случаев эта процедура превращает прибор во вполне исправный!
- похожая ситуация может возникать и из-за контактов щупов со схемой (например, прибор в режиме омметра показывает разрыв даже при явном соприкосновении щупов с хорошим проводником!).
Что делать? Отработать процедуру измерений, начав с замыкания щупов - показания в режиме омметра должны быть стабильно нулевыми. Если это происходит не каждый раз, следует потереть концы щупов о ткань, кожу или бумагу (только не наждачную!).Затем надо понять, с каким усилием следует прижимать щупы к точкам цепи. Аналоговый стрелочный прибор в этом отношении иногда оказывается удобнее в работе, особенно при поиске обрывов, поскольку даже при плохом контакте будет заметна хоть какая-то реакция стрелки.
- индицируемое значение напряжения можно заведомо считать равным эффективному только при синусоидальном токе(0.707 амплитуды)! Истинное же эффективное значение периодического напряжения произвольной формы («True RMS ») будут показывать только приборы с соответствующей надписью на лицевой панели или в документации.
- все измерения проводятся на фиксированных низких частотах (обычно не более 1000 Гц) или на постоянном токе; для радиочастот такие данные годятся лишь в качестве грубых оценок (почему?)
Упражнение: узнать в интернете, на каких частотах производится измерение сопротивлений и емкостей мультиметрами M890D и UT53.
- наконец, не надо забывать, что для измерения силы тока следует использовать иную схему подключения щупов к прибору,нежели при измерении сопротивлений и напряжения–один щуп остается в гнезде «COM», а второй вставляется в одно из специальных гнезд (на рисунке они обозначены как «mA»и«A»)!
Рис. 2.2 Гнезда для щупов мультиметра UT53
Кроме портативных мультиметров, существуют и значительно менее распространенные настольные приборы (более точные и с расширенными функциями, например, Keithley 2700). Возможности и характеристики таких приборов различны, поэтому перед их использованием следует изучить соответствующую документацию.
Рис. 2.3 Мультиметр Keithley 2700
2.2 Измерители RLC
Один из лучших лабораторных измерителей RLC показан на рис. 2.4.
Рис. 2.4 Измеритель RLCMS 5308
В таких приборах используются мостовые схемы, содержащие резисторы и реактивные элементы; поэтому они, по существу, являются измерителями комплексных сопротивлений и позволяют представлять результат в виде параллельной или последовательной схемы замещения измеряемой цепи на той или иной фиксированной частоте (выбранной оператором или установленной автоматически).Частоты эти, однако, все равно остаются достаточно низкими, максимум 100 кГц, что не позволяет в общем случае распространять результаты измерений на область радиочастот.
Схемы замещения реальных элементов цепей предназначены для расчетов методом комплексных амплитуд и содержат идеализированные элементы – емкости, индуктивности, резисторы; их значения считаются либо постоянными, либо зависящими от частоты заданным образом. Такие схемы пригодны для расчетов в ограниченных частотных интервалах и принципиально не могут учитывать эффекты, возникающие за их пределами.Так,реальный конденсатор с проволочными выводами на низких частотах может быть вполне адекватно представлен идеальной емкостью с последовательно включенным малым активным сопротивлением выводов, а иногда и без такового. На высоких же частотах основную роль будет играть уже индуктивность выводов и возросшие из-за скин-эффекта потери в них; могут сказаться также и потери в диэлектрике.
Но индуктивность выводов слишком мала для измерения на низких частотах и не фигурирует ни в последовательной, ни в параллельной схеме замещения, представляемой обычным измерителем RLC. Разумеется, такая схема не может учесть увеличение сопротивления проводников за счет скин-эффектаи высокочастотные потери в диэлектрике конденсатора.Параллельная же схема замещения конденсатора, удобная для учета упомянутых потерь, с очевидностью не отражает физических реалий при стремлении частоты к нулю!
Аналогичные рассуждения можно провести и со схемами замещения катушки индуктивности.
Главное достоинство современных измерителей RLC – высокая точность при простоте и большой скорости измерений. Это бывает очень полезно, например, при необходимости прецизионной сортировки конденсаторов, катушек индуктивности или резисторов по их номиналам или для фиксации небольших изменений значений R,Lили С, связанных с влиянием какого-либо изучаемого фактора. Но надо всегда помнить, что результаты этих измерений нельзя воспринимать безотносительно к фиксированной (и относительно низкой) частоте, для которой они получены.
Для измерения же комплексных параметров цепей в широких частотных диапазонах (вплоть до миллиметрового) существуют другие приборы – векторные анализаторы цепей (ВАЦ, VNA), которые будут подробно рассмотрены в разделе 2.5.