Универсальный измерительный прибор (частота, фаза, ёмкость)
Комбинированный измерительный прибор позволяет измерять частоту, фазу электрического переменного напряжения и емкость конденсаторов.
Значение измеряемой емкости зависит от частоты внешнего генератора, с которым производят измерения. Так, для измерения емкости до 1 мкФ необходимо установить частоту генератора 20 Гц, до 0,1 мкФ — 200 Гц и т. д. При этом погрешность (в процентах) такая же, как и при измерении частоты.
На двух операционных усилителях А1 и А2 выполнены усилители-ограничители, которые из входных сигналов произвольной формы создают последовательность прямоугольных импульсов, совместимых по уровню с логическими микросхемами. Инверторы D1.1 и D1.2 — буферные и необходимы для улучшения формы сигнала.
Основные параметры:
Измеряемая частота, кГц, не более 300;
Амплитуда входного сигнала, мВ 20...50*10^3;
Погрешность при измерении частоты, % 3;
Пределы измерения сдвига фазы двух сигналов, градусов ±50 и ±180 ;
Мииимальная амплитуда сигналов при измерении сдвига
фаз, В 0,5;
Погрешность при измерении сдвига фаз, на частотах:
до 5 кГц 3;
до 10 кГц 4;
до 20 кГц 5;
Входное сопротивление, кОм 47.
При измерении частоты или емкости переключатель S2 находится в положении fx Cx, переключатель S3 — в положении Работа. Сигнал с выхода элемента D1.1 дифференцируется цепочкой С3, R14. Образующиеся при этом короткие импульсы положительной полярности запускают ждущий мультивибратор (транзисторы V8 и V9), управляющий зарядом и разрядом одного из конденсаторов С6—С13.
Среднее значение тока заряда (разряда) пропорционально частоте исследуемого сигнала. Этот ток и измеряет стрелочный прибор, который можно отградуировать в единицах измерения частоты. Необходимый поддиапазон измерений выбирают переключателем S4.
Этим же переключателем переводят прибор в режим измерения емкостей. В нижнем по схеме положении переключателя вместо образцовых конденсаторов (C6—C13) включают конденсатор, емкость которого хотят измерить, а на вход прибора подают напряжение известной частоты.
В режиме измерения фазы переключатель S1 должен находиться в положении, которому соответствует ожидаемый сдвиг фаз (180 или 50°). Переключатель S2 ставят в положение для измерения фазы, S3 — Работа, a S4 может находиться в любом положении.
С выходов буферных инверторов D1.1 и D1.2 прямоугольные импульсы поступают на микросхему D2 («исключающее ИЛИ»), что позволяет получить на выходе модуль величины фазового рассогласования двух сигналов. Частота повторения импульсов на выходе (вывод 8 элемента D2.4) в 2 раза выше частоты входных сигналов, а их скважность пропорциональна абсолютному значению фазового сдвига.
С выхода элемента D2.4 сигнал поступает на транзистор V8, работающий в ключевом режиме. Средний ток через микроамперметр Р1, включенный в коллекторную цепь этого транзистора, пропорционален скважности импульсов Следовательно, шкалу прибора можно отградуировать в единицах сдвига фаз. Шунтируя измерительный прибор резистором, можно изменять пределы шкалы фазометра.
Для определения знака фазы опорный и исследуемый сигналы поступают соответственно на входы С и D триггера D3.1 , на выходах которого включены усилители тока (транзисторы V10, V11); нагрузка последних — лампочки накаливания H1 и Н2. Триггер «различаете знак фазы и включает соответствующую лампочку.
Интегрирующая цепочка R15C4 служит для подавления высокочастотных составляющих помехи, возникающих при переключении компаратора Л2 и способных вызвать сбои в работе триггера.
Конденсаторы желательно выбрать с малыми ТКЕ, резисторы — любые. Микроамперметр Р1 — типа М24 с током полного отклонения 100 мкА, но можно использовать и другие типы, подобрав соответственно шунтирующие резисторы. Лампочки Н1 и Н2 на напряжение 6 В и ток 20...60 мА.
Налаживание прибора начинают с установки переключателя S3 в положение Калибровка. Вращая движок резистора R19, добиваются отклонения стрелки прибора до отметки, соответствующей 180°, затем на входы А и Б подают синусоидальный сигнал частотой 1 кГц и амплитудой 0,5 В. Подбором резисторов R3* и R8* добиваются получения на соответствующих входах элементов D1.1 и D1.2 прямоугольных импульсов со скважностью 2. После этого сигнал генератора увеличивают до 1...2 В и подают на вход цепочки.
Сюда же подсоединяют входы А и Б прибора. Переключатель S1 устанавливают в положение 180°, S2 — в положение фx, S3 — Работа. Изменяя частоту генератора в некоторых пределах, добиваются показаний фазометра 50°. Затем переключатель S1 переводят в положение 50° и, подстраивая резистор R11, добиваются и в этом диапазоне показаний 50°.
На этом настройка фазометра заканчивается.
Переключатель S2 переводят в положение fx, Сх и подстройкой резисторов R26—R34 калибруют поддиапазоны частотомера и измерителя емкости, подавая с генератора сигналы соответствующих частот.