Вряд ли будет преувеличением сказать, что тестер семейства М-83х есть у каждого радиолюбителя. Простой, доступный, дешёвый. Вполне достаточный для электрика.

Но для радиолюбителя он имеет изъян при измерениях переменного напряжения. Во-первых, малую чувствительность, во-вторых, предназначен для измерений напряжений частотой 50 Гц. Часто у начинающего любителя нет других приборов, а хочется измерить, например, напряжение на выходе усилителя мощности и оценить его АЧХ. Можно ли это сделать?

В интернете все повторяют одно и то же – «не выше 400 Гц». Так ли это? Давайте посмотрим.

Для проверки собрана установка из тестера М-832, звукового генератора ГЗ-102 и
лампового вольтметра В3-38.

Судя по имеющимся данным, многочисленные приборы семейства М-83х или D-83x собраны практически по одной схеме, поэтому высока вероятность того, что результаты измерений будут близки. Кроме того, в данном случае меня мало интересовала абсолютная погрешность данного тестера, интересовали только его показания в зависимости от частоты сигнала.

Уровень был выбран около 8 Вольт. Это близко к максимальному выходному напряжению генератора ГЗ-102 и близко к напряжению на выходе УМЗЧ средней мощности.

Лучше было бы сделать ещё серию измерений с мощным УНЧ нагруженным на повышающий трансформатор, но не думаю, что результаты изменятся разительно.
Для удобства оценки АЧХ в дБ выбран уровень 0 дБ на пределе 10 В вольтметра В3-38. При изменении частоты сигнала уровень чуть подстраивался, но изменения не превышали долей дБ, ими можно пренебречь.

Результаты

В приведённой таблице К - коэффициент, на который надо умножить результат измерений тестера на данной частоте с учётом спада АЧХ.

Для получения табличных результатов в дБ на выходе генератора устанавливался уровень напряжения, полученного для каждой частоты, а разность в дБ считывалась и заносилась в таблицу. Некоторые неточности из-за округления в 0,5 дБ показаний лампового вольтметра и округления последней цифры показаний тестера. Считаю, в данном случае систематическую ошибку в 1 дБ вполне допустимой т. к. на слух она неощутима.

Вывод

Итак, что же получилось?

Частотная характеристика тестера верна не до 400 Гц, а до 4…6 кГц, выше начинается спад, который можно учесть при помощи таблицы и, значит, получить относительно достоверные результаты в диапазоне 20…20000 Гц и даже выше.

Для того чтобы утверждать, что поправки годятся для всех тестеров, нужно собрать статистику. К сожалению, мешком тестеров не располагаю.

Не надо забывать, что тестер измеряет переменное напряжение по схеме однополупериодного выпрямителя с его недостатками, такими как возможность измерений только синусоидального напряжения без постоянной составляющей, при малом измеряемом напряжении погрешность будет расти.

Как можно улучшить тестер М-832 для измерений переменных напряжений?

Можно поставить дополнительный переключатель пределов «200-20 В» и ещё один резистор шунта. Но это требует разборки и доработки тестера, надо разбираться в схеме и иметь прибор для калибровки. Считаю, что это нецелесообразно.

Лучше сделать отдельную приставку, усиливающую и выпрямляющую напряжение. Выпрямленное напряжение подавать на тестер, включённый на измерение постоянного напряжения.
Но это тема для другой статьи.

Для измерения чувствительности , выходной мощности и коэффициента гармоник усилителя нужны осциллограф, вольтметр переменного тока, звуковой генератор (ЗГ ) и эквивалент нагрузки исследуемого усилителя. Последний представляет собой проволочный резистор, сопротивление которого равно полному сопротивлению звуковой катушки динамической головки (или громкоговорителя) усилителя. Его мощность рассеяния должна быть не меньше мощности динамической головки (если в громкоговорителе усилителя несколько головок, то их общей мощности).

Измерение коэффициента гармоник, вносимые усилителем в сигнал, оценивают по методике, используя любой низкочастотный осциллограф. В этом случае измерения начинают со снятия амплитудной характеристики усилителя - зависимости выходного напряжения U вых усиливаемого сигнала частотой 1000 Гц от входного напряжения U вх при постоянной нагрузке R н , равной сопротивлению ее эквивалента R .

Схема соединения измерительных приборов с усилителем, амплитудную характеристику которого надо снять, приведена на рис. 1, а. Усилитель и звуковой генератор должны питаться от отдельных источников. К выходу усилителя вместо динамической головки (или громкоговорителя) подключают эквивалент нагрузки R э , а к нему вход «Y» осциллографа. Регулятор громкости устанавливают на максимум и подают на вход усилителя от звукового генератора сигнал частотой 1000 Гц напряжением 30-40 мВ. Развертку горизонтального отклонения луча осциллографа устанавливают такой, чтобы на его экране хорошо просматривалось изображение одного колебания. Измерив входное напряжение U вх , вольтметр переменного тока PU переключают на эквивалент нагрузки R э и измеряют выходное напряжение усилителя U вых . Результаты измерений фиксируют (см. табл.).

Амплитудная характеристика усилителя (условия измерения)

Uвх , мВ
Uвых , м В	1200	1600	2000	2400	2800	3200	3600	3800	4000	4100

Рис. 1. Схема измерения основных параметров усилителя ЗЧ

Не изменяя частоту сигнала ЗГ , увеличивают ступенями через каждые 10 мВ его напряжение, заносят в таблицу результаты измерений. Входное напряжение увеличивают до тех пор, пока на экране не появится заметное на глаз срезание «верхушек» синусоиды (рис. 2, б). Это явление происходит из-за симметричного ограничения напряжения выходного сигнала и сопровождается увеличением коэффициента гармоник усилителя примерно до 10%. Оно означает, что выходная мощность достигла максимальной Р макс . После этого входной сигнал ЗГ уменьшают до пропадания заметных на глаз искажений синусоиды и считают, что при этом усилитель отдает нагрузке номинальную выходную мощность P ном . Выходные напряжения на эквиваленте нагрузки, соответствующие максимальной Р ма х и номинальной Р ном выходным мощностям, в таблице следует выделить.

Рис. 2. Построение амплитудной характеристики усилителя 3Ч

Далее по результатам измерений, занесенным в таблицу, строят амплитудную характеристику усилителя (рис. 2). До точки «а» она прямолинейна, а затем начинает отклоняться вниз, что говорит о нарушении пропорциональности между входным и выходным напряжениями усилителя и появлении искажений усиливаемого сигнала. Теперь, пользуясь формулой Р вых = U вых 2 /R н , можно подсчитать выходную мощность усилителя для различных значений U вых . На рис. 2 параллельно оси U вых слева помещена вторая вертикальная ось Р вых , на которой отмечены расчетные выходные мощности усилителя в ваттах.

Рис. 3. Схема измерения коэффициента гармоник

Точка «а» на графике, с которой начинается перегиб амплитудной характеристики, обычно соответствует номинальной выходной мощности усилителя. По амплитудной характеристике можно определить и численное значение чувствительности усилителя - оно соответствует значению U вх при Р ном .

Численное значение коэффициента гармоник К г усилителя ЗЧ можно измерить с помощью заградительного фильтра L1C1C2 (рис. 3), настроенного на основную частоту 1000 Гц, который включают между выходом усилителя, нагруженного на эквивалент нагрузки R9, и вольтметром переменного тока PU . Катушку L1 этого фильтра, содержащую 290 витков провода ПЭВ-2, наматывают на ферритовом кольце 2000НМ типоразмера К20х12х6 с помощью челнока. Конденсаторы С1 и С2 фильтра типа МБМ или КБ.

Сначала переключатель «S» устанавливают в положение «1», соответствующее отключенному фильтру, и вольтметром PU измеряют напряжение U вых . Допустим, U вых равно 3 В (3000 мВ). Затем, переведя переключатель «S» в положение «2», включают заградительный фильтр и измеряют напряжение гармоник U г . Предположим, что это напряжение будет 70 мВ. Коэффициент гармоник К г подсчитывают по приведенной ранее приближенной формуле:

К г ≈ U г / U вых ∙ 100% ≈ 70 ∙ 100 / 3000 ≈ 2,3%,

где:

К г – коэффициент гармоник, [ %];

U г – напряжение гармоник, [мВ];

U вых – выходное напряжение [ мВ ] .

По такой методике можно с достаточной точностью измерить чувствительность, выходную мощность и коэффициент гармоник практически любого усилителя ЗЧ. Для стереофонического усилителя параметры каждого канала измеряют раздельно, сравнивают и, если надо, выравнивают соответствующим подбором деталей и режимов работы транзисторов.

Не так часто приходится узнавать именно частоту переменного тока, по сравнению с такими показателями, как напряжение и сила тока. Например, для того чтобы измерить силу тока можно воспользоваться измерительными клещами, для этого даже необязательно контактировать с токопроводящими частями, да и напряжение проверяет любой стрелочный или цифровой мультиметр. Однако, чтобы проверить частоту, с какой меняется полярность в цепях переменного тока, то есть количество его полных периодов, используется частотомер. В принципе, прибор с таким же названием может измерять и количество механических колебаний за определённый период времени, но в этой статье речь пойдёт исключительно об электрической величине. Далее мы расскажем, как проводится измерение частоты переменного тока мультиметром и частотомером.

Какие приборы можно использовать

Классификация частотомеров

Все данные приборы делятся на две основные группы по области их применения:

1. Электроизмерительные. Применяются для бытового или же производственного измерения частоты в цепях переменного тока. Их используют при частотной регулировке оборотов асинхронных двигателей, так как вид частотного измерения оборотов, в этом случае, самый эффективный и распространённый.
2. Радиоизмерительные. Нашли применение исключительно в радиотехнике и могут измерять широкий диапазон высокочастотного напряжения.

По конструкции частотомеры делятся на щитовые, стационарные и переносные. Естественно, переносные более компактные, универсальные и мобильные устройства, которые широко применяются радиолюбителями.

Для любого типа частотомера самыми важными характеристиками, на которые, в принципе, и должен обращать внимание человек при покупке, являются:

• Диапазон частот, которые прибор сможет измерить. При планировании работы именно со стандартной промышленной величиной 50 Гц, нужно внимательно ознакомиться с инструкцией, так как не все приборы её смогут увидеть.
• Рабочее напряжение в цепях, в которых будут проходить измерительные работы.
• Чувствительность, эта величина более важна для радиочастотных устройств.
• Погрешность, с которой он может производить замеры.

Мультиметр с функцией измерения частоты переменного тока

Самый распространенный прибор, с помощью которого можно узнать величину частотных колебаний и который находится в свободном широком доступе - это мультиметр. Нужно обращать своё внимание на его функциональные возможности, так как не каждый такой прибор сможет измерить частоту переменного тока в розетке или же другой электрической цепи.

Такой тестер выполняется чаще всего очень компактным, для того чтобы в сумке он легко помещался, и был максимально функциональным, измеряющим помимо частоты также напряжение, ток, сопротивление, а иногда даже температуру воздуха, ёмкость и индуктивность. Современный вид мультиметра и его схема основаны чисто на цифровых электронных элементах, для более точного измерения. Состоит такой мультиметр из:

• Жидкокристаллического информативного индикатора для отображения результатов измерения, расположенного, чаще всего, в верхней части конструкции.
• Переключателя, в основном, он выполнен в виде механического элемента, позволяющего быстро перейти от измерения одних величин к другим. Нужно быть очень осторожным, так как, допустим, если измерять напряжение, а переключатель будет стоять на отметке «I», то есть сила тока, тогда следствием этого неминуемо будет , которое приведёт не только к выходу со строя прибора, но может вызвать и термический ожог дугой рук и лица человека.
• Гнезд для щупов. С их помощью непосредственно происходит электрическая связь прибора с измеряемым токопроводящим объектом. Провода не должны иметь потрескиваний и изломов изоляции, особенно это касается их наконечников, которые будут находиться в руках измеряющего.

Хотелось бы также упомянуть о специальных приставках к мультиметру, которые существуют и разработаны специально для того, чтобы увеличить число функций обычного прибора со стандартным набором.

Как выполняется измерение частоты

Перед тем как пользоваться мультиметром, а в частности, частотомером, внимательно нужно ознакомиться ещё раз с теми параметрами, которые он имеет возможность измерять. Для того чтобы правильно произвести их замер нужно освоить несколько этапов:

1. Включить прибор соответствующей кнопкой на корпусе, чаще всего она выделена ярким цветом.
2. Установить переключатель на измерение частоты переменного тока.
3. Взяв в руки два щупа и подключив их, согласно инструкции в соответствующие гнёзда, произведём опробование измерительного устройства. Для начала нужно попробовать узнать частоту напряжения в стандартной сети 220 Вольт, она должна равняться 50 Гц (отклонение может быть в несколько десятых). Эта величина чётко контролируется поставщиком электрической энергии, так как при её изменении могут выйти из строя электроприборы. Поставщик отвечает за качество предоставляемой электроэнергии и строго соблюдает все её параметры. Кстати, такая величина является стандартной не во всех странах. Присоединив выводы частотомера к выводам розетки, на приборе высветится величина около 50 Гц. Если показатель будет отличаться, то это будет его погрешностью и при следующих измерениях это нужно будет обязательно учесть.

Другие альтернативные методы измерения

Самый эффективный и простой способ проверки частоты — это использование осциллографа. Именно осциллографом пользуются все профессиональные электронщики, так как на нём можно визуально увидеть не только цифры, но и саму диаграмму. При этом нужно обязательно отключить встроенный генератор. Новичку в электронике будет довольно проблематично выполнить данные измерения с помощью этого прибора. О том, мы рассказали в отдельной статье.

Второй вариант — это измерение с помощью конденсаторного частотомера, имеющего диапазон измерений 10 Гц-1 МГц и погрешность около 2%. Он определяет среднее значение тока разрядки и зарядки, которое будет пропорционально частоте и измеряется косвенно с помощью магнитоэлектрического амперметра, со специальной шкалой.

Ещё один метод называется резонансный и основан он на явлении резонанса, возникающего в электрическом контуре. Тоже имеет шкалу с механизмом точной подстройки. Однако промышленную величину в 50 Гц этим способом невозможно проверить, работает он от 50 000 Гц.

Также вы должны знать, что существует реле частоты. Обычно на предприятиях, подстанциях, электростанциях — это основное устройство, которым контролируют изменение частоты. Данное реле воздействует на другие устройства защиты и автоматики для поддержания частоты на необходимом уровне. Есть разные типы реле частоты с разным функционалом, об этом мы расскажем в других публикациях.

Все же мультиметры и электронные цифровые частотомеры работают на обычном счёте импульсов, которые являются неотъемлемой частью, как импульсного так и другого переменного напряжения, необязательно синусоидального за определенный промежуток времени, обеспечивая при этом максимальную точность, а также широчайший диапазон.

Измерение напряжения и тока на промышленной частоте может быть выполнено любыми вольтметрами и амперметрами, работающими на частоте 50 Гц, но только когда объект измерения мощный. Такие измерения выполняются в основном электромагнитными и электродинамическими вольтметрами и амперметрами.

Для измерения напряжения на переменной частоте применяют компенсаторы переменного тока . Чтобы уравновесить измеряемое напряжениеu х =U х e jφ x компенсирующим напряжениемu к =U к e jφ к, необходимо выполнение следующих условий: равенство напряженийU x =U к по модулю; противоположность их фаз (φ х -φ к =180º); равенство частот; одинаковая форма измеряемого и компенсирующего напряжений. Компенсаторы переменного тока менее точны по сравнению с компенсаторами постоянного тока, так как отсутствует эталон ЭДС переменного тока.

II. Измерение напряжения на повышенной и высокой частотах.

Измерение напряжения на повышенной и высокой частотах осуществляется вольтметрами, работающими в указанном диапазоне частот, а также электронными осциллографами.

Осциллографы – приборы, чувствительные к напряжению, поэтому все измерения, выполняемые ими, сводятся к измерению отклонения электронного луча под действием приложенного напряжения. Для конкретного исследования сигнала необходимо правильно выбрать тип осциллографа, выполнив условие согласования, подключить осциллограф к объекту измерения, заземлить, а затем определить вид синхронизации, ее амплитуду, режим развертки, длительность, коэффициент отклонения. От правильного учета возможных искажений и погрешностей зависит точность полученных результатов измерений.

III. Измерение тока в цепях повышенной и высокой частоты.

С увеличением частоты точность измерения переменного тока электромагнитными и электродинамическими амперметрами в обычном исполнении падает. Приборы специального изготовления имеют расширенный диапазон частот (до 10 кГц) и используются для измерения токов в мощных цепях.

Рисунок 7.

Измерение токов в цепях высокой частоты выполняется в основном термоэлектрическими амперметрами .

Термоамперметры – сочетание термопреобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Термопреобразователь состоит из одной или нескольких термопар и нагревателя. При протекании тока по нагревателю, выполненному из материала с большим удельным сопротивлением (нихром, константан и т.д.), выделяется тепло, под действием которого нагревается горячий спай термопары, а на ее холодных концах возникает термо-ЭДС.

Термо-ЭДС зависит от материала проводников термопары и пропорциональна разности температур горячего и холодного концов, т.е. пропорциональна температуре перегрева θ: Е Т =kθ.

В среднем Е Т равно 30-40 мкВ на 1ºС перегрева. Вследствие инерции нагревателя температура перегрева не успевает следовать за изменениями подводимого тепла и определяется его средним значением:

(5)

Если холодные концы термопары замкнуть на измерительный магнитоэлектрический механизм, то по замкнутой цепи измерителя потечет ток I И =E T /R И =(k 1 I 2)/R И =k 2 I 2 , (6)

Где I– среднеквадратичное значение тока;R И – сопротивление цепи измерителя, включая термопару;k 1 ,k 2 - коэффициенты пропорциональности, зависящие соответственно от свойств термопары и данных измерительного механизма.

Так как в (6) значение измеряемого тока входит в квадрате, то прибор пригоден для измерений в цепях как постоянного, так и переменного токов. Шкала прибора градуируется в среднеквадратичных значениях тока.

Рисунок 8.

Данный тип приборов позволяет проводить измерения переменного тока в диапазоне частот 50 Гц – 200 МГц и диапазоне токов от 100 мкА до десятков ампер. Кроме того, термоамперметры позволяют измерять постоянный и несинусоидальный токи (в последнем случае показания будут приближенно соответствовать среднеквадратичному значению тока, т.е.
).

ИЗМЕРЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Процесс определения амплитудных и временных параметров импульсных сигналов с помощью осциллографа длителен и выполняется с большой погрешностью. Более высокую точность измерения амплитуды импульса при удобной и быстрой индикации обеспечивают аналоговые и цифровые импульсные вольтметры. В связи с повышением быстродействия импульсных устройств диапазон длительности импульсов уменьшился с микросекундного до нано- и пикосекундного, одновременно уменьшилась амплитуда импульсов до значений 0,01 – 1 В, характерных для полупроводниковых приборов, микромодульных и интегральных схем.

Диапазон частот повторения импульсов простирается от одиночных импульсов (частота повторения доли герца) до сотен мегагерц. Все специализированные измерители импульсных напряжений наносекундного диапазона имеют на входе широкополосные преобразователи импульсов, которые их расширяют, сужая тем самым спектр частот. В качестве преобразователя импульсов используют чувствительные полупроводниковые диоды, у которых имеются участки вольт-амперной характеристики с наименьшим радиусом кривизны, характеризующей переход от запертого к открытому состоянию. Включенные после преобразователей импульсные вольтметры могут быть узкополосными, так как работают с уже преобразованными сигналами.

Измерение импульсного напряжения диодно-конденсаторным вольтметром.

Импульсный диодно-конденсаторный вольтметр работает как электронный вольтметр синусоидального напряжения и выполняется по схеме преобразователь пикового значения – усилитель постоянного тока – магнитоэлектрический измерительный прибор.

Если на вход преобразователя подать периодическую последовательность прямоугольных импульсов (рис. 9), то конденсатор С заряжается во время t И существования импульса на входе, а в промежутке между импульсами Т -t И медленно разряжается на резистор сопротивлениемR. Если же времяt И будет мало, а Т велико, то за время действия короткого импульса конденсатор не успевает полностью зарядиться, и среднее значение напряженияU C ср на конденсаторе за период Т повторения импульса может значительно отличаться от амплитудного (пикового) значенияU M измеряемого импульса.