Измерительные приборы

Для настройки и отладки той или иной конструкции необходим определенный набор измерительных приборов. Например, для настройки низкочастотной аналоговой аппаратуры необходимы: звуковой генератор, милливольтметр переменного тока с полосой частот до 5 МГц, измеритель нелинейных искажений, осциллограф, мультиметр. Милливольтметр желателен с квадратичным детектором, чтобы он мог измерять напряжение любой формы.

Для настройки высокочастотных устройств необходимы: звуковой и высокочастотный генераторы, ВЧ милливольтметр переменного тока, генератор качающейся частоты, осциллограф, мультиметр.

Для настройки устройств построенных на цифровых элементах необходимы: импульсный или функциональный генератор, осциллограф, логический пробник, мультиметр.

Наиболее широко распространёнными приборами являются авометр, тестер и мультиметр. Это три названия одного и того же типа универсального измерительного прибора. Как правило, названия авометр или тестер ассоциируются со стрелочным прибором, а мультиметр - с цифровым прибором. Слово авометр произошло от суммирования названий трёх приборов амперметр, вольтметр и омметр. Все перечисленные приборы, например, Ц4380, Ц4353 и т.д. предназначены для измерения тока, напряжения и сопротивления. Некоторые авометры имеют дополнительные возможности, например, Ц4353 позволяют измерять ёмкости конденсаторов, а Ц4342 - коэффициент усиления транзисторов (β).

При измерении тока важно выбрать мультиметр или авометр (тестер) с минимальным падением напряжения на внутреннем сопротивлении амперметра.  Согласно техническим описаниям промышленных авометров и мультиметров падение напряжения на приборе в режиме измерения токов составляет 0,2÷1,2 В. При измерении токов нужно контролировать методическую погрешность – соотношение внутреннего сопротивления прибора и сопротивления измеряемой цепи. Чем меньше это отношение – тем меньше влияние прибора на ток в измеряемой цепи.

Значительно большее различие у стрелочных авометров и цифровых мультиметров проявляется в режиме измерения напряжения.

Как правило, упрощённая схема авометра  представляет собой последовательно соединённые измерительную головку и добавочные резисторы (см. рис.2.3).

Рис.2.3

В этом случае входное сопротивление вольтметра на разных пределах измерения неодинаково, поэтому авометры характеризуются таким параметром, как входное сопротивление приведённое на 1 вольт шкалы прибора R_вх1В=[кОм/В].

Например, при R_вх1В=20 кОм/В на пределе 10 В входное сопротивления будет равно  20 кОм/В ·10 В =200 кОм, а на пределе 1000 В – 20 МОм.  

Так как вольтметр подключается к измерительной цепи параллельно, то при включении предела 10 В сопротивление измеряемого участка цепи не должно превышать 2 кОм, иначе методическая погрешность будет более 1%. Соответственно при включении предела 1000В сопротивление измеряемой цепи может быть повышено до 200 кОм. В то же время наиболее точные измерения будут при нахождении стрелки прибора в последней трети шкалы. Поэтому при измерениях стрелочным авометром приходится выбирать между классом измерительного прибора и методической погрешностью.

Рис.2.4

В цифровых мультиметрах и высокоомных («ламповых») вольтметрах входная цепь строится на основе схемы делителя напряжения (см. рис.2.4).

В данном случае входное сопротивление вольтметра не зависит от предела измерения. Как правило, в цифровых мультиметрах оно равно 1,0 или 10 МОм. Это позволяет малые напряжения измерять в высокоомных цепях с малой методической погрешностью. Например, на пределе 10В сопротивление измеряемого участка цепи при использовании мультиметра с R_вх =10 МОм может составлять 100кОм при методической погрешности 1%.

На высшем пределе 1000В входное сопротивление становится соизмеримым с входным сопротивление авометра  - 10МОм/1000В=10кОм/В.

Стрелочный прибор удобнее применять в случае настройки участка электрической цепи по максимуму показаний, например, настройка колебательного контура в резонанс. При использовании стрелочного прибора быстрее улавливается тенденция к уменьшению или увеличению показаний прибора (малая инерция стрелки), так как время как в мультиметре показания между соседними отсчётами устанавливаются около 1 секунды.

При измерении сопротивления элементов, например резисторов впаянных в схему, необходимо учитывать, что ток омметра протекает не только через измеряемый резистор, но и параллельно через другие элементы схемы.  В результате чего омметр покажет более низкое сопротивление, чем имеет измеряемый резистор. Поэтому для получения точных значений один вывод измеряемого резистора нужно отпаять.

При измерении сопротивления высокоомных резисторов сопротивление кожи человека влияет на результат измерений и поэтому металлические части щупов прибора не следует прижимать к выводам резистора пальцами.

У многих мультиметров имеется режим прозвонки. В основе работы этого режима лежит схема омметра для малых значений сопротивлений. При значениях сопротивления менее 30÷50 Ом звучит зуммер, а на шкале прибора показывается падение напряжения на резисторе измеряемой схемы. Так как ток прибора стабилизирован, обычно около 2÷3 мА, то в этом режиме можно проверять работоспособность полупроводниковых диодов. На экране дисплея будет отображаться падение напряжения на диоде (200÷900мВ) при прохождении через него тока в прямом направлении равного 2÷3 мА. Так можно проверять и биполярные транзисторы на пробой p-n перехода.

В авометрах в схеме измерения сопротивления используются сухие элементы с напряжением 3÷4,5В. При проверке диодов (на пределе измерения «единицы Ом») омметр при включении их в прямом направлении покажет «0» или около того, так как диод будет полностью открыт. Здесь необходимо соблюдать осторожность, так как не все диоды и транзисторы допускают подачу напряжения в прямом направлении 3÷4,5В.

При подключении генераторов к испытуемой схеме необходимо помнить следующее, что генератор в схему вносит своё выходное сопротивление и ёмкость, что может нарушить режим работы входного каскада устройства.  Для уменьшения влияния выходного сопротивления генератора следует уменьшить связь генератора с входом устройства. В то же время для нормальной работы выходных каскадов, измерителя выходного напряжения, аттенюатора генератора выход последнего должен быть нагружен на согласованное сопротивление. При измерении выходного напряжения внешним вольтметром согласование можно не делать.

Аналогично при подключении к измеряемому участку цепи, особенно это касается резонансных контуров вольтметра, осциллографа необходимо помнить о вносимом в цепь сопротивлении и ёмкости этих приборов. Это включение может нарушить режим работы каскада или расстроить резонансный контур.