В радиоэлектронике для измерения добротности резонансных цепей и других электронных приборов используют различные методы в зависимости от частоты колебаний и значения добротности (от единицы до многих тысяч). Один из них - метод ударного возбуждения. Он отличается тем, что не требует перестраиваемого генератора и частотомера; достаточно счетчика импульсов, следующих с частотой свободных колебаний в исследуемом контуре. Вот о таком способе измерения добротности с цифровым отсчетом и рассказано в этой статье. Макет такого измерителя реализован в виде простой приставки к счетчику-частотомеру.
ногие применяемые в настоящее время измерители добротности колебательных контуров используют свойство последовательного контура увеличивать напряжение на емкости и индуктивности контура в Q раз по сравнению с вводимым в контур переменным напряжением, по частоте соответствующим его резонансу.
Для реализации этого метода необходим генератор сигналов, перестраиваемый вблизи частоты резонанса колебательного контура, а также вольтметр переменного напряжения с высоким входным сопротивлением и малой погрешностью в том же диапазоне частот. Точность измерения такого прибора зависит от точности установки вводимого в контур напряжения и погрешности вольтметра, который измеряет напряжение на конденсаторе. При этом необходимо учитывать влияние резистора, посредством которого в контур вводят возбуждающее напряжение. Несмотря на его малое сопротивление(десятые или сотые доли ома), оно может оказывать заметное влияние на результат измерения, так как сопротивление этого резистора соизмеримо с активным сопротивлением катушек небольшой индуктивности. В результате промышленные Q-метры имеют основную погрешность измерения не менее 5 %.
Рис. 1
Если подключить заряженный конденсатор к катушке индуктивности, в образовавшемся электрическом контуре возникнут свободные колебания; их частота f0 зависит от емкости и индуктивности. Свободные колебания в контуре затухают, причем скорость затухания зависит от потерь в конденсаторе и катушке индуктивности: чем они меньше, тем медленнее затухание. Декрементом затухания - параметром, обратным по значению параметру добротности, принято считать интервал времени от момента возбуждения свободных колебаний t, (рис. 1) до момента t2, когда их амплитуда уменьшится в еπ = 23,14 раза: U, = t2 - t1,. Это время зависит от частоты колебаний и пропорционально добротности контура tи = Q/f0, соответственно Q = f0tи. To есть число колебаний зависит только от добротности колебательного контура и численно равно ей [1].
Число периодов свободных колебаний в контуре можно подсчитать счетчиком импульсов и таким образом узнать добротность колебательного контура, генератор сигналов в этом случае не нужен. При этом исключается ошибка, которая возникает в результате неточной настройки генератора на частоту собственных колебаний контура. Резистор, через который в контур подается возбуждающее напряжение, на время измерения можно отключить.
Для возбуждения колебаний конденсатор контура нужно зарядить до известного напряжения. Если применить для определения момента заданной амплитуды колебаний в контуре компаратор с высоким входным сопротивлением, то точность измерения добротности может быть весьма высокой.
Счетчик импульсов в этом случае может вносить заметную погрешность только при малых значениях добротности, потому что принцип его работы допускает случайную ошибку на единицу младшего разряда. При добротности 20 она не превысит 5 %, при добротности 100-1 %.
Функциональная схема макета измерительного устройства изображена на рис. 2. Управляющее устройство переключателем S1 подсоединяет конденсатор Ск к источнику стабильного напряжения истаб и подает сигнал сброса показаний на счетчик. Заряженный конденсатор оно отключает от источника питания и подключает к индуктивности Lк, образуя колебательный контур. Начальная амплитуда свободных колебаний в этом контуре будет равна Ucтaб. Напряжение свободных колебаний в LC-контуре поступает на вход формирователя. Его порог переключения установлен равным иста6/еπ. Устройство формирует из затухающих колебаний импульсы до тех пор, пока амплитуда колебаний не станет меньше 0,0432UCTaб, после чего импульсы прекратятся. Счетчик подсчитывает число сформированных импульсов и выводит результат на устройство индикации.
Рис. 2
Принципиальная схема прибора-приставки представлена на рис. 3. Управляющее устройство и устройство индикации, показанные на функциональной схеме на рис. 2, - узлы электронно-счетного частотомера, например, промышленного Ч3-33 или любительского [2]. На вход приставки поступают прямоугольные импульсы положительной полярности длительностью 1 с, период повторения - 1,2 с.
Рис. 3
В качестве переключателя применено поляризованное реле К1. Управляющий сигнал в момент спада импульсов обнуляет счетчик частотомера. Низкий уровень поступает на вход DD1.1, инвертируется им в высокий уровень, который поступает на вход DD1.2 и вывод 1 реле К1. Второй вывод этой обмотки подключен к плюсовой цепи источника питания, поэтому ток по ней не протекает. На выходе DD1.2, к которому подключена вторая обмотка реле К1, - низкий уровень; при протекании тока по этой обмотке контакт Я замыкается с контактом Л. Конденсатор Ск заряжается через резистор R1 до напряжения источника питания UCTaб= 5 В.
С появлением на входе счетчика частотомера положительного управляющего импульса начинается счет Высокий уровень инвертируется в элементе DD1.1, и ток в обмотке 3-4 реле К1 переключается в обмотку 1-2. Подвижный контакт Я переключается на контакт П реле К1. Заряженный конденсатор Ск подключается к индуктивности Lк и образует колебательный контур, в котором возникают свободные колебания. Эти колебания через буферный каскад на полевом транзисторе VT1 поступают на вход формирователя на транзисторах VT2-VT4. Формирователь собран по известной и хорошо зарекомендовавшей себя схеме, предложенной в [2]. Для повышения входного сопротивления на входе формирователя установлен буферный каскад на полевом транзисторе [3]. Импульсы с выхода формирователя поступают на вход частотомера и подсчитываются им. По спаду положительного управляющего импульса реле К1 отключает конденсатор Ск от катушки Lк и подключает его вновь для зарядки через резистор R1. После зарядки процесс измерения повторяется.
Реле К1 - поляризованное РП4, паспорт РС4.520.005. Выбор определен тем, что этот тип реле оказался единственным доступным автору, не имеющим дребезга контактов; необходимый ток обмоток обеспечивается при напряжении питания 5 В.
Полевой транзистор VT1 в буферном каскаде обязательно должен быть с изолированным затвором и встроенным каналом, например, серий КП305, КП313. Применение транзистора с р-п переходом недопустимо, так как он будет шунтировать контур в направлении проводимости. Режим этого каскада должен обеспечить на базе VT2 напряжение, примерно равное половине напряжения источника питания.
Транзисторы VT2, VT3 - серии КТ361. VT4 - КТ315 или другие аналогичные приборы.
Микросхема DD1 - структуры ТТЛ, должна иметь два инвертора или два элемента И-НЕ, включенных инверторами.
Частотомер может иметь другое время счета: реле РП4 обладают достаточным быстродействием для переключения с частотой 100 Гц. Это соответствует счетному интервалу 0,01 с. В этом случае влияние времени переключения на результаты измерений велико только на низкой частоте при высокой добротности, когда время затухания т„ возбуждаемых колебаний достигнет 0,01 с: например, частота колебаний контура - 10 кГц, добротность - 100.
Если сигнал управления частотомером имеет другую полярность, необходимо включить на управляющем входе дополнительный инвертор из числа свободных элементов микросхемы DD1.
Налаживание устройства заключается в установке резистором R3 амплитуды, ниже которой формирователь прекращает работать. Для этого на вход устройства подают низкий уровень, соединив его с минусовым проводом источника питания. К выходу подключают осциллограф с открытым входом. К зажимам Lк подключают выход генератора сигналов и резистор его нагрузки. Устанавливают выходное напряжение генератора равным 210 мВ: для UCTaб = 5 В Uвых<5/23,14 = 0,216 В. Перемещением движка резистора R3 находят такое его положение, при котором выходные импульсы только что исчезли, а на выходе - низкий уровень. На этом налаживание закончено.
При пробных измерениях макет показал стабильную и устойчивую работу в диапазоне частот 0,15...3,2 МГц. Понятно, что наиболее сложно обеспечить точность на высоких частотах, которая ухудшается с ростом частоты из-за паразитных составляющих комплексного сопротивления элементов коммутатора. Емкость разомкнутых контактов реле РП4, равная 21 ...22 пф, была уменьшена до 6 пф отключением штырей разъемного соединителя и укорочением проводников. Сопротивление контактной пары оказалось равным 0,1 Ом. При измерении на макете реального колебательного контура с катушкой при емкости конденсатора 51 пф его добротность оценена равной 63 на частоте собственного резонанса 4,35 МГц. В этом случае волновое сопротивление - около 0,64 кОм. а эквивалентное последовательное сопротивление потерь близко к 10 Ом. Из этого можно сделать вывод, что сопротивление контактной пары реле внесло относительно небольшую погрешность.
Потеря заряда конденсатором за время переключения реле тоже, безусловно, ограничивает частотный диапазон сверху. Если принять сопротивление утечки конденсатора КТК не менее МГОм при емкости 100 пф, тогда за время перелета якоря (не более 5 мс [4]) саморазрядка конденсатора окажется не более 2 %. Исходя из этого соотношения, допустимая для любительских измерений погрешность может быть обеспечена при емкости колебательного контура не менее 50 пф. Фактически, при оценке добротности колебательных контуров, работающих на частотах до 2 МГц, точность измерения может быть сравнима с промышленными приборами.
Точность измерений описанного макета можно повысить, если применить формирователь на интегральном компараторе.
Простота реализации и непосредственный отсчет цифрового значения добротности выгодно отличает описанный метод, который считается перспективным до 50 МГц [1].
В измерительном колебатвльном контуре при оценке добротности катушек индуктивности следует использовать конденсаторы с малыми потерями - керамические высокочастотные, слюдяные и пленочные (с диэлектриком из фторопласта, полистирола, полипропилена).
Литература
- Измерения в электронике. Справочник. Под ред. В. А. Кузнецова. - М.: Энергоатом-издат, 1987,0.238.
- Бирюков С. Цифровой частотомер. - Радио, 1981, № 10, с. 44-47.
- Васильев М. Повышение входного сопротивления частотомера. - Радио. 1987. №4, с 57.
- Игловский И. Г., Владимиров Г. В. Справочник по слаботочным электрическим реле. -Л.: Энергоатомиздат, 1990, с. 326.
Автор: В. Степанов, г. Полтава, Украина