ЛЕКЦИЯ 11.
Измерение параметров сигналов электрических цепей.
Методы измерения напряжения и тока.
Измерение тока и напряжения осуществляется в цепях постоянного, переменного токов широкого диапазона частот и импульсных цепях.
В цепях постоянного тока наиболее высокая точность измерений, в цепях переменного тока она понижается с повышением частоты; здесь кроме оценки среднеквадратического, средневыпрямленного и максимального значений иногда требуется наблюдение формы исследуемого сигнала и знание мгновенных значений тока и напряжения.
Измерители тока и напряжения независимо от их назначения должны при включении не нарушать режима работы цепи измеряемого объекта; обеспечивать малую погрешность измерений, исключив при этом влияние внешних факторов на работу прибора, высокую чувствительность измерения на оптимальном пределе, быструю готовность к работе и высокую надежность.
Выбор приборов, выполняющих измерения тока и напряжения, определяется совокупностью многих факторов, важнейшие из которых:
- род измеряемого тока;
- примерные диапазон частот измеряемой величины и амплитудный диапазон;
- форма кривой измеряемого напряжения (тока);
- мощность цепи, в которой осуществляется измерение;
мощность потребления прибора;
- возможная погрешность измерения.
Измерение напряжения выполняют методами непосредственной оценки и сравнения.
Если необходимая точность измерения, допустимая мощность потребления и другие требования могут быть обеспечены амперметрами и вольтметрами электромеханической группы, то следует предпочесть этот простой метод непосредственного отсчета. В маломощных цепях постоянного и переменного токов для измерения напряжения обычно пользуются цифровыми и аналоговыми электронными вольтметрами. Если необходимо измерить напряжение с более высокой точностью, следует использовать приборы, действие которых основано на методах сравнения, в частности, на методе противопоставления.
Измерение тока возможно прямое – методом непосредственной оценки аналоговыми и цифровыми амперметрами и косвенное. При этом напряжение измеряется на резисторе с известным сопротивлением. Для исследования формы и определения мгновенных значений напряжения и тока применяют осциллографы.
Измерение напряжения в цепях постоянного тока.
Метод непосредственной оценки.
При использовании данного метода вольтметр подключают параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение. При измерении напряжения на нагрузке R в цепи с источником энергии, ЭДС которого Е и внутреннее сопротивление R 0, вольтметр включают параллельно нагрузке (рис. 11.1.).
Если внутреннее сопротивление вольтметра R V, то относительная погрешность измерения напряжения
,
где U – действительное значение напряжения на нагрузке R до включения вольтметра; U x – измеренное значение напряжения на нагрузке R.
Отношение сопротивления R/R V обратно пропорционально отношению мощности потребления вольтметра P V к мощности цепи Р, поэтому
.
Для уменьшения погрешности измерения напряжения мощность потребления вольтметра должна быть мала, а его внутреннее сопротивление велико (R V 
).
Напряжение в цепях постоянного тока можно измерить любым измерителем напряжения, работающим на постоянном токе (аналоговыми магнитоэлектрическим, электродинамическим, электромагнитным, электростатическим, аналоговым и цифровым электронными вольтметрами). Выбор измерителя напряжения обусловлен мощностью объекта измерения и необходимой точностью. Диапазон измеряемых напряжений лежит в пределах от микровольт до десятка киловольт. Если объект измерения мощный, используют электромеханические вольтметры и мощность потребления ими не учитывается; если же объект измерения маломощный, то мощность потребления нужно учитывать либо использовать электронные вольтметры.
Методы сравнения.
Компенсационный метод (метод противопоставления) обеспечивает высокую точность измерения. Это метод сравнения с мерой. Средства измерений, использующие метод сравнения, называются компенсаторами или потенциометрами.
Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксируется по показаниям нуль-индикатора.
Упрощенная схема компенсатора постоянного тока приведена на рис. 11.2. Схема содержит источник образцовой ЭДС Е 0, образцовый резистор R 0, вспомогательный источник питания Е всп, переменный резистор RK, регулировочный реостат R р и нуль-индикатор. Нуль-индикатором служит обычно гальванометр с нулем по середине шкалы. В качестве источника образцовой ЭДС (меры ЭДС) используется нормальный элемент – изготавливаемый по специальной технологии гальванический элемент, среднее значение ЭДС которого при температуре 20оС известно с точностью до пятого знака и равно Е н = 1.0186 В. Образцовый резистор представляет собой катушку сопротивления специальной конструкции с точно известным и стабильным сопротивлением.
Процесс измерения напряжения состоит из двух операций: установления рабочего тока и уравновешивания измеряемого напряжения. Для установления рабочего тока переключатель П ставят в положение 1 и, регулируя сопротивление R р, добиваются отсутствия тока в гальванометре. Это будет иметь место в том случае, когда падение напряжения на резисторе R 0 станет равным ЭДС нормального элемента:
IR 0 = E 0.
При этом рабочий ток в цепи R р, R 0, RK I = E всп / (R р+ R 0+ RK).
После установки рабочего тока переключатель П устанавливается в положение 2 и, не изменяя рабочего тока, устанавливают такое значение сопротивления RK = R x, при котором измеряемое напряжение U x будет уравновешено падением напряжения IR x и ток в цепи гальванометра снова будет отсутствовать. Отсюда
Е 0 / R 0 = U x / R x и U х = (R x / R 0) E 0.
При постоянстве значений Е 0 и R 0 шкала сопротивления RK может быть проградуирована непосредственно в единицах напряжения постоянного тока.
Так как в момент равновесия ток в цепи индикатора отсутствует, то можно считать, что входное сопротивление R вх компенсатора (со стороны измеряемого напряжения) равно бесконечности, т.е. R вх = 
. Отсюда следует одно из основных достоинств компенсатора – отсутствие потребления мощности от объекта измерения.
Современные компенсаторы постоянного тока выпускаются классов точности от 0.0005 до 0.2. Верхний предел измерения до 1 …2.5 В. При достаточной чувствительности индикатора нижний предел измерения может составлять единицы нановольт.
Компенсационные методы используются также для измерения на переменном токе.
Дифференциальный метод основан на измерении разности между измеряемым и известным напряжением при их неполной компенсации. Схема измерения представлена на рис. 11.3.
Высокоомный электронный вольтметр V 1 с чувствительным пределом служит для измерения разностного напряжения между измеряемым U x и известным U к напряжениями. Аналоговый магнитоэлектрический или цифровой вольтметр V 2 используется для измерения напряжения U к. Рекомендуется при U к =0 измерить вольтметром V 1 ориентировочное значение U x, а уж затем установить по вольтметру V 2 удобное для отсчета напряжение U к. Измеряемое напряжение U x при указанной полярности включения вольтметра V 1 определяется как U x = U к + D U.
При измерении напряжений в высокоомных цепях входное сопротивление магнитоэлектрических и электронных вольтметров может быть недостаточно большим. Дифференциальный метод измерения позволяет увеличить входное сопротивление схемы до необходимых значений, которые определяются из следующей формулы:
.
Чем < 
, тем > 
.
Дифференциальный метод обеспечивает высокую точность измерения напряжения. Погрешность измерения определяется в основном погрешностью вольтметра, измеряющего U к.
Для измерения малых постоянных напряжений (порядка 10-8 В) используют гальванометрические компенсаторы.