Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
ПО МЕТРОЛОГИИ
Лабораторная работа 1
ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Цель лабораторной работы – ознакомление с приборами и методами измерения параметров цепей с сосредоточенными постоянными и получение навыков работы с приборами.
2. Домашнее задание
1. Изучите методы измерения R, L, C и Q в цепях с сосредоточенными постоянными.
2. Ознакомьтесь с характеристики и принципами работы приборов, применяемых в лабораторной работе.
3. Продумайте ответы на контрольные вопросы.
4. Приготовьте таблицу для результатов измерений (табл. 1).
3. Лабораторное задание
1. Измерьте в одном из макетов (по указанию преподавателя) значения R, L, C и Q с помощью измерителя добротности Е9-3 и цифрового автоматизированного моста Е7-14. Определите погрешности измерений. Результаты занесите в табл. 1.
2. Измерьте на том же макете R, L, C и Q с помощью мостов Е7-4, Щ30 и Е8-4. Определите погрешности измерений. Результаты занесите в ту же таблицу.
4. Содержание отчета
Отчет должен содержать:
1. Структурные схемы и краткое описание принципов работы применяемых приборов.
2. Результаты измерений и оценку их погрешностей (табл. 1).
З. Выводы по результатам работы.
Таблица 1
Результаты измерений
|
Измеряемая величина |
Приборы |
||||
|
Е7-4 |
Е9-3 |
Щ30 |
Е7-14 |
Е8-4 |
|
|
Сопротивление, кОм Погрешность, кОм |
|
|
|
|
|
|
Емкость, нФ Погрешность, нФ |
|
|
|
|
|
|
Индуктивность, мГн Погрешность, мГн |
|
|
|
|
|
|
Добротность |
|
|
|
|
|
5. Контрольные вопросы
1. По какой формуле определяют емкость (индуктивность) при
измерении ее методом вольтметра – амперметра?
2. Напишите уравнение баланса моста для активных (реактивных) составляющих сопротивлений плеч моста.
3. Как найти L, C методом измерения постоянной времени τ разряда емкости через сопротивление? Какие погрешности измерений необходимо рассчитывать?
4. Как измеряют емкость куметром? Какие погрешности измерений при этом имеют место?
5. Как измерить емкость методом уравновешивающего преобразования? Какие погрешности измерений необходимо рассчитывать?
6. Поясните схемы включения приборов в методе вольтметра – амперметра и условия их применения.
7. Запишите уравнение баланса фаз моста. Как им пользоваться при конструировании мостовых измерителей емкости (индуктивности)?
8. В чем сущность генераторного измерения емкостей (индуктивностей). Какие погрешности измерений при этом имеют место?
9. Нарисуйте структурную схему цифрового измерителя емкостей (сопротивлений).
10. Нарисуйте структурную схему куметра. Поясните принцип измерения индуктивностей и добротностей. Укажите погрешности и причины их возникновения.
6. Краткие технические описания приборов
Основные технические характеристики приборов, использованных в работе, приведены в табл. 2.
Измерительная часть приборов представляет собой четырехплечий мост (рис. 1). При измерении сопротивления R все плечи моста – активные сопротивления (в обоих приборах). При измерении L и C (в Е7-4) два плеча моста являются комплексными. Все три схемы имеют одно и то же отсчетное плечо, что дает возможность сделать для прибора единое отсчетное устройство при измерении сопротивлений, емкостей и индуктивностей. Плечо переключателя поддиапазонов также является единым для всех мостов.
Мосты индуктивности и емкости отличаются друг от друга тем, что компенсация сдвига фаз находится у них в разных плечах. При этом компенсация сдвига фаз осуществляется в случае моста емкостей плечом с последовательным соединением емкости и фазирующего сопротивления, а в случае моста индуктивности при измерении катушки с добротностью до 30 – плечом с параллельным соединением емкости и фазирующего сопротивления. При измерении катушек с добротностью свыше 30 применяется схема последовательного соединения.
Таблица 2
Основные технические характеристики приборов
|
Измеряемая величина |
Е7-4 |
Е9-3 |
Щ30 |
Ф480 |
Е8-4 |
|
Сопротивление |
|
|
|
|
|
|
Емкость |
|
|
|
|
|
|
Индуктивность |
|
|
|
|
|
|
Добротность |
|
|
|
|
|
|
Тангенс угла потерь |
|
|
|
|
|
Хпр – предельное значение шкалы; Х – измеренное значение.
Напряжение питания подводится либо от генератора (Г) частотой 100 Гц или 1 кГц, либо постоянное от выпрямителя к точкам 1 и 3. К точкам 2 и 4 другой диагонали моста подключен индикатор с усилителем.
Структурная схема прибора мостового типа приведена на рис. 2. Мост Е7-4 имеет индикатор в виде стрелочного прибора (М), а мост Щ30 – в виде цифрового индикатора, измеряющего разбаланс моста в процентах (И).
Рис. 1. Мостовая измерительная схема
Рис. 2. Схема прибора мостового типа
6.2. Руководство по выполнению работы с прибором Е7-4
6.2.1. Подготовка прибора к работе
Поставить все ручки управления в начальное положение, для чего необходимо:
а) вилку шнура питания вставить в розетку сети 220 В;
б) ручку «Вых. напр. генератора» повернуть влево до отказа;
в) тумблер включения сети поставить в положение «Сеть».
6.2.2. Измерение сопротивлений
9. Измеренное значение емкости равно сумме отсчетов по шкале переключателя «Отсчет» и по шкале потенциометра «Отсчет», умноженной на соответствующий множитель. Величина тангенса угла потерь отсчитывается непосредственно по шкале «tgδ».
Отсчет значения L равен сумме отсчетов по шкале переключателя «Отсчет», умноженной на соответствующий множитель.
Отсчет добротности производится по шкале «Q» при Q<30.
6.3. Руководство по работе с мостом Щ30
1. Включите тумблер «Сеть», при этом должны загореться лампочки на цифровом табло.
2. Объект измерения необходимо подключить к зажимам «RX», вход RN – к встроенному магазину RM.
3. Нажмитеь кнопки «20%» и «Коррекция 0». На переключателе магазина установите ориентировочное значение RХ. При этом на табло загораются надписи разбаланса моста в процентах.
4. Уравновешивается мост изменением значения RМ магазина сопротивлений до минимального показания на диапазоне «20%», затем переключают диапазон на значение «2%» и повторяют уравновешивание до минимального значения разбаланса.
5. Запишите результат и погрешность.
6.4. Принцип работы прибора Е9-3
В основе измерения добротностей прибором Е9-3 лежит принцип куметра, т.е. свойство последовательного контура, настроенного в резонанс, увеличивать напряжение на емкости контура в Q раз по сравнению с ЭДС, вводимой в контур.
Для пояснения принципа работы на рис. 3 приведена схема последовательного контура, где
RХ, LХ -активное сопротивление и индуктивность катушки;
С - переменный конденсатор для настройки контура в резонанс;
e - напряжение, вводимое в контур;
Е - напряжение, развиваемое на конденсаторе.
Рис. 3. Схема последовательного контура
Добротность катушки Q определяется отношением:
.
При настройке контура в резонанс отношение напряжения Е к напряжению е выражается формулой
.
При постоянстве входного напряжения е вольтметр, измеряющий напряжение Е, может быть непосредственно проградуирован в единицах добротности.
Однако приведенное выше равенство справедливо в случае, если:
а) переменный конденсатор не имеет потерь;
б) измеритель напряжения Е имеет бесконечно большое входное сопротивление.
Блок-схема прибора (рис.4) определяется выбранным методом измерения и включает следующие основные части:
Рис. 4. Схема прибора Е9-3
Задающий RC-генератор представляет собой двухкаскадный усилитель на сопротивлениях, охваченный положительной и отрицательной обратной связью. Диапазон частот генератора разбит на 2 поддиапазона: 1 – 10 кГц и 10 – 100 кГц. Связь с измерительным контуром осуществляется с помощью сопротивления связи RСВ = 0,3 Ом. Напряжение на RСВ устанавливается 50 мВ (по вольтметру входного напряжения).
Измерительный контур образуется из катушки индуктивности, подключаемой к клеммам на передней панели и емкости, представляющей 3- декадный магазин с переменным конденсатором для плавной настойки контура.
1-я декада магазина измеряет емкость контура через 100 пФ до 900 пФ, 2-я декада – через 1000 пФ до 9000 пФ и 3-я декада – через 10000 пФ до 100000 пФ. Переменный конденсатор плавно изменяет емкость в пределах от 80 до 190 пФ. Таким образом, емкость контура может быть установлена от 80 пФ до 110090 пФ.
Измеритель выходного напряжения – вольтметр, входной каскад которого собран по схеме катодного повторителя. К катоду лампы подключен пятиступенчатый делитель, образующий пять шкал добротности: 3, 10, 30, 100 и 300 ед. Шестое положение делителя позволяет производить калибровку вольтметра. Шкала вольтметра градуирована в единицах добротности.
Цепь калибровки позволяет калибровать вольтметры при смене ламп, а также периодически производить коррекцию их чувствительности.
6.5. Руководство по выполнению работы с прибором Е9-3
6.5.1. Подготовка прибора к работе
1. Переключатель «Шкала» установите в положение «300».
2. Ручку «Установка исходного напряжения» установите в крайнее левое положение.
3. Ручками «Множитель частоты» и «Частота кГц» установите частоту генератора 1 кГц.
4. Включите прибор в сеть 220 В тумблером «~ 200».
6.5.2. Методика работы с прибором
б) ручку переключателя «Шкала Q» установите в положение «10»;
в) ручками декад магазина конденсаторов необходимо вывести значение емкости больше ожидаемого результата измерения CХ;
г) ручкой «Установка входного напряжения» установите входное напряжение равным 50 мВ;
д) ручками установки «Частота кГц» и переключателем «Шкала Q» необходимо добиться максимального отклонения стрелки прибора «Q» в пределах шкалы.
Значение добротности отсчитывается по шкале прибора с учетом положения переключателя «Шкала Q».
Определите индуктивность LХ по формуле
, мГн,
где f – частота, на которой производилось измерение, кГц;
C – резонансная емкость, нФ.
2. Измерение емкости производится методом замещения. После настройки контура в резонанс, отсчитав значение емкости, которая обозначается C1, присоединяют параллельно к зажимам эталонного конденсатора измеряемый конденсатор CХ (С1 > C2) .
Для восстановления резонанса емкость конденсатора измерительного контура должна быть уменьшена на значение измеряемой емкости за счет уменьшения эталонного конденсатора. После настройки в резонанс необходимо произвести второй отсчет емкости C2 и добротности Q2 . Результат определяется как
СХ = С1 - С2 .
Для определения добротности измеряемого конденсатора необходимо при отсчете значений C1 и C2 одновременно производить отсчет по шкале добротности. Если Q1 и Q2 соответственно значения добротностей при C1 и C2 , то
,
где Qx – добротность испытуемого конденсатора.
Принцип работы цифрового измерителя Ф 480
Измеритель Ф480 предназначен для измерения сопротивления, емкости, индуктивности, постоянного напряжения, частоты, интервала времени, количества импульсов и периода гармонических колебаний.
Измерение сопротивления, емкости и индуктивности осуществляется по схеме на рис. 5. К точкам 1 и 2 при измерении R, С, L подключается цепочка RХ, СЭТ, RЭТ, СХ, где индекс х имеет измеряемая величина, а эт – эталонная, находящаяся в приборе. Автоматика выдает два импульса: первый устанавливает счетчик в исходное состояние, а второй через 60 мс осуществляет включение напряжения E на цепочку с помощью триггера Тг2, одновременно опрокидывается триггер Тг1, который отрывает вход счетчика. Импульсы с кварцевого генератора КГ проходят на счетчик до тех пор, пока экспоненциально возрастающее напряжение не достигнет установленного значения U0. В момент равенства напряжений схема сравнения выдает импульс, который возвращает триггер Тг1 в исходное состояние, и счет импульсов прекращается. Число импульсов, сосчитанных счетчиком, выражает результат измерения.
Рис. 5. Схема прибора Ф480
6.7. Руководство по выполнению работы с прибором Ф480
1. Включите прибор в сеть 220В, установить тумблер «Сеть» в верхнее положение, при этом должны загореться лампы цифрового табло.
2. Проведите калибровку прибора: переключатель рода работ установите в положение «Калибр. RCf», с помощью потенциометра «Калибр. RCf» установите показание 997±3.
3. Установите переключатель рода работ в положение «Измер. LRC», переключатель пределов измерения на 10 kΩ, подключите входной кабель к измеряемому резистору. При зажигании сигнала «П» необходимо переключить предел измерения так, чтобы получить максимальное значение результата. Отсчет производится в килоОмах (без умножения на предел).
4. Переключатель рода работ установите в положение «Измер. LRC», переключатель пределов измерений – "102 nF". Измеряемую емкость подключите ко входу, при зажигании сигнала «П» необходимо выбрать другой диапазон. Результат измерения получают в пикоФарадах или микроФарадах (без умножения на предел измерения).
5. При измерении индуктивности производят дополнительную калибровку:
а) переключатель рода работ устанавливают в положение «Измер. VftN», переключатель пределов – в положение "10". Закоротив концы кабеля, потенциометром «Установка нуля» (если необходимо), устанавливают показание 000 или 001;
б) переключатель рода работ установите в положение «Калибр. UL» и с помощью потенциометра «Калибр. UL» установите показание 898 (вход разомкнут);
в) подключите кабелем измеряемую индуктивность, переключатель рода работ установите в положение «Устан. IL», установите рабочий ток в катушке потенциометром (внизу), равным 680.
Установите переключатель рода работ в положение «Измер. LRC», а переключатель пределов – в положение «103 mH». На табло результат измерения отсчитывают в миллиГенри.
6.8. Принцип работы цифрового измерителя емкости Е8-4
Прибор Е8-4 предназначен для автоматического измерения емкости и тангенса угла потерь конденсаторов с цифровым отсчетом результатов измерения. Измерение параметров осуществляется с помощью мостовой цепи переменного тока, приводимой в состояние равновесия с помощью двух регулирующих органов (для каждого из параметров). Уравновешивание мостовой цепи производится через цепь обратной связи (рис. 6) регулирующими органами, выполненными в виде многоразрядных дискретных элементов с определенными весовыми отношениями, которые по сигналам от блока автоматического управления последовательно во времени от большего к меньшему включаются в мостовую цепь. В зависимости от фазовых соотношений между напряжениями, питающего схему моста генератора, и выходного напряжения разбаланса фазочувствительный детектор вырабатывает команду, поступающую на блок автоматического управления, о сохранении подключенного сопротивления, или его сбросе, или о переходе к уравновешиванию по второму параметру. Поочередное уравновешивание по каждому из параметров прекращается после отработки весовых элементов самых младших декад. Результаты измерения в десятичном коде отображаются на табло.
Рис. 6. Схема прибора Е8-4
6.9. Порядок работы с прибором Е8-4
1. Установите переключатель «Запуск» в положение «Внутр.», включите тумблер «Сеть», установите переключатель «Калибровка» в положение «Выкл», тумблер «Слежение» - в нижнее положение.
2. Присоедините измеряемый конденсатор к зажимам входного кабеля, нажмите кнопку «Запуск».
3. Повторите измерения 2 – 3 раза, сопоставьте результаты, запишите среднее значение для двух параметров.
Библиографический список
1. Дворяшин Б.В. Метрология и радиоизмерения: учеб. пос./ Б.В. Дворяшин – М.: Издат. центр "Академия", 2005. – 304 с.
2. Метрология и радиоизмерения: учебник для вузов/ Под ред. В.И. Нефедова. – М.: Высшая школа, 2003. – 526 с.
Лабораторная работа 3
ИЗМЕРЕНИЕ РАЗНОСТИ ФАЗ
1. Цель работы
Цель лабораторной работы заключается в практическом ознакомлении с основными методами измерения фазового сдвига между гармоническими сигналами.
2. Методические указания
Фазовый сдвиг φ – это модуль разности аргументов двух гармонических сигналов одинаковой частоты U1 = U1Mcos(ωt+φ1) и U2 = U2Mcos(ωt+φ2), т.е. φ = |φ1 - φ2|.
В соответствии с рис.1 фазовый сдвиг в градусах определяется как
φ=360t/T, (1)
где Т – период гармонических сигналов; t – интервал времени между моментами, когда сигналы находятся в одинаковых фазах, например, при переходе через нуль от положительных значений к отрицательным.
Рис. 1. Определение фазового сдвига
Фазовый сдвиг появляется при прохождении сигнала через цепь, в которой он задерживается. В частности, дифференцирующая RC-цепь (рис.2) дает фазовый сдвиг
φ = arctg(1/ωRC). (2)
Измерение фазового сдвига в частотах до нескольких мегаГерц наиболее просто и наглядно осуществляется с помощью осциллографа способами линейной или синусоидальной развертки.
Рис. 2. Схема для получения фазового сдвига
При линейной развёртке в каналы вертикального отклонения двухлучевого или двухканального осциллографа подают напряжение U1 и U2. Генератор развертки при этом включен.
Регулируя масштаб изображения по вертикали и горизонтали, можно получить осциллограмму, аналогичную рис. 1. Фазовый сдвиг вычисляют по формуле (1), измерив длины отрезков Т и t либо в единицах времени, либо в делениях шкалы, либо линейкой в миллиметрах.
При синусоидальной развёртке одно из напряжений, например, U2, подают в канал вертикального отклонения однолучевого осциллографа, а другое, например U1 – в канал горизонтального отклонения. При этом генератор развертки осциллографа выключают.
На экране будет осциллограмма в виде эллипса (рис.3). Его уравнение имеет вид:
,
где А и В – максимальные отклонения по горизонтали и вертикали соответственно.
Если положить х = 0, то вертикальный отрезок y0 = Вsinφ. Аналогично, при у = 0 x0 = Asinφ.
Таким образом, измеряя по осциллограмме длины 2x0 и 2A или 2у0 и 2В, можно вычислить фазовый сдвиг
. (3)
Если регулировкой усиления в каналах установить одинаковые максимальные отклонения по осям (2x0 = 2у0), то фазовый сдвиг можно также определить как
, (4)
где С и Д – малая и большая оси эллипса соответственно.
Рис.3. Осциллограмма в виде эллипса
Способ синусоидальной развертки не позволяет определить фазовый сдвиг однозначно. Если бóльшая часть эллипса располагается в первом и третьем квадрантах, то фазовый сдвиг 0<φ<90o или 270o<φ<360o; если во втором и четвертом – 90o<φ<180o или 180o<φ<270o. Если оси эллипса совпадают с осями координат, то фазовый сдвиг составляет 90o или 270o.
Погрешность измерения фазового сдвига с помощью осциллографа довольно значительна, в основном из-за случайных погрешностей. Это обусловлено тем, что метод измерения является косвенным и требует проведения линейных измерений длин отрезков на экране осциллографа при конечном диаметре светового луча.
Случайная погрешность измерения может быть оценена пределами допускаемых значений абсолютной и (или) относительной погрешности измерения фазового сдвига, рассчитанных как погрешности косвенных измерений через пределы допускаемых значений погрешности измерения длин отрезков:
, (5)
где f(l) – вид функциональной зависимости между φ и длиной соответствующего отрезка l; – пределы допускаемых значений погрешности измерения линейных размеров фигуры на экране осциллографа.
В случае, если φ определяется по формуле (1), то
. (6)
В случае, если φ определяется по формуле (3), то
или . (7)
В случае, если φ определяется по формуле (4), то
. (8)
За пределы допускаемых значений погрешности измерения длин отрезков с доверительной вероятностью не менее 0,95 обычно принимают половину цены деления примененного инструмента ( мм для линейки с миллиметровыми делениями или деления для измерения по шкале, нанесенной на экран). При этом предполагается, что изображение на экране не подвержено кратковременным флуктуациям и геометрическим искажениям, а луч хорошо сфокусирован. В противном случае за должно быть принято другое (бóльшее) значение.
Определенный вклад могут вносить и систематические составляющие погрешности – инструментальная и методическая. Инструментальная погрешность возникает из-за различия внутренних фазовых сдвигов в каналах осциллографа, а методическая – из-за наличия гармоник в исследуемых сигналах.
Кроме осциллографического, имеются и другие методы измерения фазового сдвига, подробное описание которых можно найти, например, в [1].
3. Домашнее задание
1. Изучите особенности и методы измерения фазового сдвига, использовав рекомендованную литературу ([1 – 3]).
2. Ознакомьтесь с техническими характеристиками, принципами работы и инструкциями по эксплуатации на приборы Ф2-34, С1-114 и Г3-53.
3. Подготовьте ответы на контрольные вопросы.
4. Описание лабораторной установки
Фазовый сдвиг создается с помощью четырехполюсника, схема которого приведена на рис. 2. Конструктивно он оформлен в пластмассовой коробке и выдается преподавателем перед началом лабораторного эксперимента. Схема и номиналы конденсатора и резистора четырехполюсника приведены на крышке коробки.
В работе используются также стандартные средства измерений: осциллограф С1-114, генератор синусоидальных сигналов Г3-53 и измеритель разности фаз Ф2-34. Их технические характеристики, описание работы и инструкции по эксплуатации приведены в описаниях, имеющихся в лаборатории.
5. Лабораторное задание
1. Подготовьте к работе приборы, входящие в комплект лабораторной установки, согласно их инструкциям по эксплуатации.
2. Определите фазовый сдвиг между сигналами на входе и выходе четырехполюсника с помощью двухканального осциллографа С1-114 способом линейной развертки. Для этого соберите схему, приведенную на рис. 4.
Рис. 4. Схема измерения фазового сдвига способом линейной развертки
Получите с генератора сигнал с амплитудой ~ 100 мВ и частотой 3 кГц. Установив на осциллографе режим «А» и «Б», внутреннюю синхронизацию от канала «А», получите на экране изображение двух синусоидальных сигналов, аналогичных рис. 1. Масштаб изображения рекомендуется установить таким, чтобы картинка полностью заполняла весь экран; при этом размер изображения обоих сигналов по вертикали должен быть одинаковым, а по горизонтали – должен быть виден или весь период, или его половина хотя бы одного сигнала. Яркость, фокусировку и астигматизм рекомендуется установить такими, чтобы толщина луча была как можно меньше. Выполнение этих условий позволит уменьшить погрешность измерений.
Измерьте T (или 1/2T) и t (см. рис. 1). Измерения можно выполнить как в единицах времени, так и в делениях шкалы или в миллиметрах.
Убедитесь в отсутствии инструментальной погрешности из-за различия внутренних фазовых сдвигов в каждом из каналов осциллографа. Для этого подайте на входы каналов «А» и «Б» один и тот же сигнал с генератора. Если уравнять амплитуды обоих сигналов, то их изображения должны слиться в одно с точностью до толщины луча.
3. Определите фазовый сдвиг между сигналами на входе и выходе того же четырехполюсника при тех же параметрах сигнала с генератора с помощью того же осциллографа способом синусоидальной развертки. Для этого соберите схему, приведенную на рис. 5.
Рис. 5. Схема измерения фазового сдвига способом синусоидальной развертки
Установите на осциллографе режим работы «А», отключите внутренний генератор развертки переводом переключателя «Время/дел.» в положение «Х» и установите кнопку синхронизации в положение «Внешн.». Получите на экране изображение в виде эллипса, аналогичное рис. 3. Установите масштаб изображения таким, чтобы оно занимало как можно бóльшую площадь экрана, а масштабы по осям были одинаковы (2x0 = 2y0). При этом желательно также добиться симметрии относительно центра экрана. Регулировка масштаба по горизонтальной оси осуществляется изменением амплитуды сигнала на выходе генератора, а по вертикальной оси – регуляторами усиления канала «А» осциллографа.
Измерьте длины отрезков 2x0, 2А, 2y0, 2В, С и Д. Измерение первых четырех отрезков выполняется в делениях шкалы и не представляет никаких трудностей. Отрезки С и Д возможно измерить лишь в миллиметрах. Для этого можно использовать не слишком длинную линейку или сначала как можно аккуратнее срисовать эллипс на просвет на лист бумаги, а затем измерить его оси с помощью линейки.
Убедитесь в отсутствии инструментальной погрешности из-за различия внутренних фазовых сдвигов в каналах вертикального и горизонтального отклонения осциллографа. Для этого подайте на входы «Х» и «У» (Канал «А») осциллографа один и тот же сигнал с генератора. Регулируя усиление в канале «А», добейтесь на экране прямой линии под углом 45°.
Для сравнения измените частоту на генераторе (<200 Гц и >20 кГц) и убедитесь, что вместо прямой линии появится эллипс, что свидетельствует о неравенстве фазовых сдвигов в каналах осциллографа на указанных частотах. Если бы измерения фазового сдвига, вносимого четырехполюсником, осуществлялись на этих частотах, то необходимо было бы вводить соответствующую поправку для исключения инструментальной погрешности.
4. Определите фазовый сдвиг между сигналами на входе и выходе четырехполюсника с помощью измерителя разности фаз Ф2-34. Для этого соберите схему, приведенную на рис. 6.
Рис. 6. Схема измерения фазового сдвига прибором Ф2-34
Параметры сигнала с генератора и четырехполюсника – те же, что и в двух предыдущих случаях.
Нажмите кнопку «φ» на приборе Ф2-34. По истечении некоторого времени (~ 1 мин) он выдаст результат измерения. Запишите 10 последовательных показаний (интервала смены показаний – около 2 с).
6. Обработка результатов эксперимента
1. Рассчитайте фазовый сдвиг, абсолютную и относительную погрешности измерений по экспериментальным данным.
В случае осциллографического способа с линейной разверткой фазовый сдвиг вычислите по формуле (1), относительную погрешность измерения – по формуле (6), а абсолютную погрешность – как Δφ = ± δφ·φ.
В случае осциллографического способа с синусоидальной разверткой фазовый сдвиг вычислите по формулам (3) и (4), абсолютную погрешность как δφ = ± Δφ/φ.
В случае измерения по прибору Ф2-34 фазовый сдвиг определяется как среднее арифметическое из 10 последовательных показаний прибора.
Доверительные границы случайной составляющей погрешности результата измерения ( ) при доверительной вероятности 0,95 вычислите по известной формуле
(9)
где tст – коэффициент Стьюдента;
– оценка среднего квадратического отклонения среднего арифметического значения фазового сдвига.
Границами неисключенной систематической погрешности результата измерения (Δс) считают, как правило, пределы допускаемых значений основной и дополнительной погрешности средства измерения (класс точности). Определите значение Δс из технических характеристик прибора Ф2-34.
Доверительную границу всей (общей) погрешности результата измерения по прибору Ф2-34 (Δ) (с учетом случайной и систематической составляющих) вычислите следующим образом.
Если < 0,8, то неисключенной систематической погрешностью можно пренебречь и принять Δ = ± .
Если > 0,8, то случайной погрешностью можно пренебречь и принять Δ = ± Δс.
Если 0,8 << 8, то .
Запишите 4 результата экспериментального определения фазового сдвига в виде φi = φ ± Δφ (P=0,95).
Обратите внимание на число значащих цифр.
2. Рассчитайте фазовый сдвиг, который вносит четырехполюсник, теоретически по формуле (2).х)
7. Содержание отчета
В отчете должны быть следующие разделы:
1. Краткое описание изучаемых методов измерения фазового сдвига.
2. Таблица с показаниями приборов.
3. Таблица с результатами обработки экспериментальных данных и теоретического расчета.
Форму таблиц рекомендуется выбрать самостоятельно.
4. Сравнение экспериментальных результатов между собой и с теоретическим расчетом.
5. Выводы о метрологических характеристиках исследованных методов измерения фазового сдвига.
8. Контрольные вопросы
1. Дайте определение понятий фаза, разность фаз, фазовый сдвиг.
2. Какие существуют методы измерения разности фаз? Назовите их достоинства и недостатки, области применения.
3. Перечислите источники погрешностей при осциллографическом методе измерения разности фаз и пути их уменьшения.
4. На каком методе измерения разности фаз основана работа прибора Ф2-34?
5. Что нужно предпринять, чтобы повысить точность измерений по прибору Ф2-34 при большом уровне помех и шумов в измеряемых сигналах?
Библиографический список
1. Дворяшин Б.В. Метрология и радиоизмерения: учеб. пос./ Б.В. Дворяшин – М.: Издат. центр "Академия", 2005. – 304 с.
2. Метрология и радиоизмерения: учебник для вузов/ Под ред. В.И. Нефедова. – М.: Высшая школа, 2003. – 526 с.
3. ГОСТ 8.207-76. ГСИ. Прямые измерения с многократными измерениями. Обработка результатов наблюдений. Основные положения.
Лабораторная работа 4
ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРЕМЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
НЕСИНУСОИДАЛЬНОЙ ФОРМЫ
1. Цель работы
Цель лабораторной работы заключается в получении практических навыков измерения напряжений несинусоидальной формы с помощью вольтметров с разными типами детекторов.
2. Методические указания
Периодические сигналы любой формы имеют следующие параметры: мгновенное значение (), максимальное (пиковое) значение в положительной () и отрицательной () полуволнах, размах (), среднеквадратическое (действующее) значение (), средневыпрямленное значение (), среднее значение (постоянная составляющая) (), коэффициенты амплитуды () и формы ().
На рис. 1 – 4 приведены осциллограммы некоторых видов сигналов прямоугольной формы и их характеристики.
Среднеквадратическое (действующее) значение определяется как
. (1)
Средневыпрямленное значение определяется как
. (2)
Среднее значение – это постоянная составляющая, которая определяется как
. (3)
Коэффициенты амплитуды и формы определяются как
; (4)
. (5)
Если и различны (как, например, на рис. 2), то для определения используется . В этом случае
. (6)
В частности, для синусоидального сигнала вычисление по формулам (1) – (5) дает ; .
Для однополярных прямоугольных импульсов (рис. 1) аналогичные вычисления дают
. (7)
При (меандр) (рис. 3)
. (8)
При прохождении последовательности однополярных прямоугольных импульсов через конденсатор (рис. 2, 4) постоянная составляющая будет потеряна, т.е. . Отсюда можно определить и .
(9)
Решение этой системы уравнений дает
Среднеквадратическое (действующее) значение, вычисленное по формуле (1), будет
.(10)
Средневыпрямленное значение, вычисленное по формуле (2), будет
. (11)
Следовательно,
. (12)
При (двуполярный меандр) (рис. 4)
. (13)
Сравнение параметров сигнала до конденсатора (формулы (7), (8)) и после него (формулы (10) – (12)) показывает, что все параметры сигнала изменяются при изменении его формы.
В вольтметрах переменных напряжений показания отсчетного устройства (стрелки или цифрового дисплея) пропорциональны какому-то одному из параметров сигнала и определяются типом примененного в вольтметре детектора. При этом вход детектора может быть как открытым, так и закрытым (т.е. измеряемый сигнал поступает на детектор либо напрямую, либо через конденсатор). Кроме того, градуировка шкалы вольтметра далеко не всегда выполняется в значениях того параметра, на который реагирует детектор.
В подавляющем большинстве электронных вольтметров шкалы градуируют в среднеквадратических значениях гармонического напряжения. Это объясняется тем, что при измерении гармонического сигнала преимущественно интересуются его среднеквадратическим значением, хотя детектор вольтметра может реагировать на средневыпрямленное или амплитудное значение сигнала, в том числе и не обязательно только синусоидальной формы.
Шкалы импульсных вольтметров чаще всего градуируют в амплитудных (пиковых) значениях.
На практике часто приходится измерять параметры сигнала, форма которого отличается от гармонического. При этом в распоряжении зачастую оказывается вольтметр, детектор которого реагирует не на тот из параметров, который представляет интерес. В этом случае необходимо руководствоваться следующими положениями.
• Определить для примененного вольтметра вид входа (открытый или закрытый), тип детектора и характер градуировки шкалы прибора.
• Приборы с закрытым входом измеряют только переменную составляющую сигнала.
• Если тип детектора совпадает с характером градуировки шкалы, то вольтметр прямо измеряет то значение, в котором градуирована шкала, для сигнала любой формы.
• Если для синусоидального сигнала тип детектора не совпадает с характером градуировки шкалы и шкала вольтметра градуирована также в значениях синусоидального сигнала (например, детектор средневыпрямленных значений, а шкала отградуирована в среднеквадратических значениях гармонического сигнала), то используется прямой отсчет по шкале без какого-либо пересчета (в примере – среднеквадратическое значение).
• Для несинусоидальных сигналов, если тип детектора не совпадает с характером градуировки шкалы, вольтметром можно измерить только тот параметр негармонического сигнала, на который реагирует детектор, а не тот, в значениях которого отградуирована шкала, и при этом необходимо вводить соответствующие коэффициенты пересчета.
Например, если в вольтметре применен амплитудный детектор, а шкала оцифрована в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала, то для измерения амплитудного значения несинусоидального сигнала любой формы показание шкалы вольтметра необходимо умножить на коэффициент амплитуды гармонического сигнала ().
Если в вольтметре применен детектор средневыпрямленных значений, а шкала также оцифрована в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала, то для измерения средневыпрямленного значения сигнала любой формы показание шкалы вольтметра необходимо разделить на коэффициент формы синусоидального сигнала (, если детектор двухполупериодный, или на , если детектор однополупериодный).
• Если для сигнала несинусоидальной формы интерес представляет параметр, непосредственно детектором вольтметра не измеряемый, то в этом случае его необходимо рассчитать с применением коэффициентов амплитуды и (или) формы реального сигнала. Эти коэффициенты определяются по формулам (1) – (6). Для большинства наиболее распространенных форм несинусоидальных сигналов коэффициенты амплитуды и формы приводятся в литературе, например в [ 3 ].
3. Лабораторное задание
1. Сигналы синусоидальной и прямоугольной формы с параметрами, заданными преподавателем, подайте с выхода генератора на вход осциллографа. Получив устойчивое изображение, измерьте их амплитудные и временные параметры, необходимые для расчета коэффициентов амплитуды и формы.
2. Измерьте заданные в п. 1 напряжения на выходе генератора вольтметрами с разными типами детекторов:
а) вольтметром с амплитудным детектором (ВК7-9);
б) вольтметром с квадратичным детектором (В3-6);
в) вольтметром с однополупериодным детектором средневыпрямленных значений (ВК7-20).
Результаты наблюдений (показания приборов) запишите в таблицу результатов (табл. 1).
3. Рассчитайте и запишите в ту же таблицу амплитудные, среднеквадратические и средневыпрямленные значения измеренных сигналов, приняв осциллографические измерения за действительные значения. При расчетах обратите внимание на вид входа детектора (открытый или закрытый).
4. Рассчитайте коэффициенты амплитуды и формы исследуемых сигналов на основе экспериментальных данных, запишите их в таблицу (графы "Эксперимент") и сравните их с действительными значениями, определенными на основе осциллографических измерений (графы "Теория").
4. Содержание отчета
Отчет по лабораторной работе должен иметь следующие разделы:
1. Структурные схемы вольтметров, использованных в работе.
2. Расчет коэффициентов амплитуды и формы исследованных сигналов.
3. Таблицу результатов.
4. Выводы по проделанной работе.
5. Контрольные вопросы
1. Каковы особенности измерения переменного напряжения в радиотехнических устройствах?
2. Нарисуйте структурные схемы аналоговых милливольтметров.
3. Нарисуйте структурные схемы цифровых вольтметров.
4. Объясните влияние формы сигнала на показания вольтметров с амплитудным детектором.
5. Поясните устройство и принцип работы вольтметров с квадратичным детектором.
6. В каких случаях показания вольтметров с однополупериодными и двухполупериодными детекторами средневыпрямленного значения будут разными?
7. Объясните влияние постоянной составляющей на показания вольтметра ВК7-20.
6. Краткие характеристики и особенности эксплуатации вольтметров
6.1. Милливольтметр В3-6
Прибор имеет закрытый вход, квадратичный детектор, шкала отградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала.
Ввиду высокой чувствительности и большого входного сопротивления прибора соединения следует выполнять экранированным кабелем. До включения в сеть установите переключатель “Калибровка – V” в положение “V”, а переключатель диапазонов измерения – в положение “200”.
После включения прибора в сеть дайте ему прогреться в течение 15 минут, подайте на вход сигнал и с помощью переключателя диапазонов измерения получите отклонение стрелки, удобное для отсчета.
6.2. Вольтметр ВК7-9
Прибор имеет закрытый вход, амплитудный детектор, шкала проградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала.
Включив прибор в сеть, установите стрелку прибора на нулевую отметку шкалы. Измеряемое напряжение следует подключать к клеммам “1 – 100 V”.
6.3. Вольтметр ВК7-20
Прибор имеет открытый вход, однополупериодный детектор средневыпрямленных значений, градуирован в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала.
Включите тумблер “Сеть”. Переключатель рода работы установите в положение “Установка нуля” и проверьте нулевое показание прибора. Затем переключатель рода работы переведите в положение “Калибровка”. Установите показание 851.
Переключатель рода работы установите в положение “~”, переключатель пределов измерения установите в положение “100 V” и подайте на вход прибора измеряемое напряжение.
Библиографический список
1. Дворяшин Б.В. Метрология и радиоизмерения: учеб. пос./ Б.В. Дворяшин – М.: Издат. центр "Академия", 2005. – 304 с.
2. Метрология и радиоизмерения: учебник для вузов/ Под ред. В.И. Нефедова. – М.: Высшая школа, 2003. – 526 с.
3. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: уч. пос. для вузов. – М.: Дрофа. 2006 – 719 с.
Лабораторная работа 5
ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ
1. Цель работы
Цель лабораторной работы заключается в изучении назначения и принципов построения электронно-счетных (цифровых) частотомеров и получении практических навыков работы по определению их основных метрологических характеристик.
Работа состоит из двух частей. В первой части изучаются характеристики виртуального частотомера по его компьютерной модели. Во второй части изучаются аналогичные характеристики реального частотомера.
2. Домашнее задание
2.1. Изучите теоретический материал, используя рекомендованную литературу.
2.2. Подготовьте ответы на контрольные вопросы.
Часть 1. Компьютерное моделирование измерений частоты и периода
3. Описание лабораторного стенда
Лабораторный стенд представляет собой компьютерную модель, располагающуюся на рабочем столе персонального компьютера. На стенде находятся модели электронно-счетного частотомера и генератора сигналов (рис. 1).
Модель электронно-счетного частотомера используется при моделировании процесса прямых измерений частоты синусоидального сигнала методом непосредственной оценки.
Модель генератора сигналов используется при моделировании работы источника переменного электрического напряжения синусоидальной формы с плавной регулировкой амплитуды и частоты выходного сигнала.
4. Лабораторное задание
4.1. Подготовка к работе
Запустите программу лабораторного практикума (файл lab5.exe). На рабочем столе компьютера появится модель лабораторного стенда с моделями средств измерений (рис. 1).
Рис. 1. Вид модели лабораторного стенда на рабочем столе компьютера при выполнении 1-й части: 1 – электронно-счетный частотомер; 2 – генератор сигналов
Ознакомьтесь с расположением моделей средств измерений на рабочем столе.
Включите модели средств измерений и опробуйте их органы управления. В процессе опробования установите регулятор напряжения на выходе генератора в среднее положение и зафиксируйте частоту выходного сигнала. Далее, изменяя частоту сигнала на выходе генератора, проследите за изменениями показаний частотомера.
4.2 Измерение частоты гармонического сигнала
Включите частотомер в режиме измерения частоты и выберите время счета, равным 0,01 с.
Установите амплитуду выходного сигнала генератора 2,5 – 3 В, а частоту – 50 кГц.
Запишите в отчет показания цифрового частотомера.
Оставляя неизменными амплитуду и частоту сигнала на выходе генератора, повторите измерения, выбирая время счета, равным последовательно 0,1 с, 1 с и 10 с , и запишите их в отчет.
Выполните предыдущие измерения, последовательно устанавливая частоту сигнала на выходе генератора, равной 5 кГц, 1 кГц, 500 Гц, 50 Гц и 10 Гц.
Результаты экспериментов оформите в виде таблицы (табл. 1).
Таблица 1
Результаты измерения частоты
|
Измеряемая частота |
Показания частотомера (), кГц (Гц) и погрешности (), % при времени счета, с |
|||||||
|
0,01 |
0,1 |
1,0 |
10 |
|||||
|
50 кГц |
|
|
|
|||||
|
5 кГц |
|
|
|
|||||
|
1 кГц |
|
|
|
|||||
|
500 Гц |
||||||||
|
50 Гц |
||||||||
|
10 Гц |
4.3. Измерение периода гармонического сигнала
Установите амплитуду выходного сигнала генератора, равной 2,5 - 3 В, а частоту выходного сигнала генератора, равной 10 Гц.
Установите на частотомере режим измерения периода и выберите период меток времени, равным 1 мс, а множитель периодов («Время счета»), равным 100.
Запишите показания частотомера в отчет.
Оставляя неизменными амплитуду и частоту сигнала на выходе генератора, повторите измерения, выбирая период меток времени, равным последовательно 0,1 мс и 10 мкс.
Запишите показания частотомера в отчет.
Выполните предыдущие измерения, последовательно устанавливая частоту сигнала на выходе генератора, равной 50 Гц, 500 Гц, 5 кГц и 50 кГц.
Запишите результаты.
Результаты экспериментов оформите в виде таблицы (табл. 2).
Таблица 2
Результаты измерения периода
|
Измеряемая частота |
Показания частотомера (), мс (мкс) и погрешность (), % при метках времени |
|||||||||||
|
0,01 мкс |
0,1 мкс |
1,0 мкс |
10 мкс |
100 мкс |
1,0 мс |
|||||||
|
50 кГц |
|
|
|
|||||||||
|
5 кГц |
|
|
|
|||||||||
|
500 Гц |
||||||||||||
|
50 Гц |
||||||||||||
|
10 Гц |
Убедившись, что все эксперименты выполнены и все данные записаны, закройте программу.
4.4. Обработка результатов
Рассчитайте пределы допускаемых значений погрешностей измерения частоты и периода для всех случаев и заполните соответствующие ячейки таблиц 1 и 2. С этой целью воспользуйтесь техническими характеристиками любого реального частотомера из числа тех, что рекомендованы в 2-й части работы. Как вариант, можно воспользоваться данными, приведенными во 2-й части работы для частотомера Ч3-34. При необходимости проконсультируйтесь с преподавателем.
Проанализируйте полученные данные, обратив внимание на изменение погрешности измерения в зависимости от измеряемой частоты и режимов работы частотомера.
Часть 2. Изучение характеристик частотомера Ч3-34
5. Описание лабораторного стенда
В работе используются следующие стандартные средства измерений: частотомер Ч3-34, Ч3-33, Ч3-35 или Ч3-54, генератор синусоидальных сигналов – Г3-54, Г3-102, Г3-109, Г4-102 или Г4-154, генератор импульсных сигналов Г5-54, Г5-56 или Г5-82 (конкретный тип – по указанию преподавателя).
Приборы соединяются по схеме рис. 2.
Рис. 2. Схема соединения приборов при выполнении 2-й части работы
6. Лабораторное задание
Подготовьте к работе частотомер и генераторы. Для этого включите тумблеры «Питание» и дайте приборам прогреться в течение 15 минут. Опробуйте работоспособность органов управления.
Примечание. Указанное время прогрева, достаточное в учебных целях, может отличаться от времени прогрева, необходимого для целей достижения точности измерений в соответствии с требованиями документации на приборы.
6.1. Изучение особенностей режима «Самоконтроль»
Включите режим самоконтроля на частотомере. Установите с помощью переключателей «Время измерения (время счета)» и «Метки времени» значения, указанные в табл. 3, и запишите соответствующие показания цифрового индикатора.
Проанализируйте полученные данные и сделайте вывод о готовности частотомера к проведению измерений.
Таблица 3
Результаты проверки работы частотомера в режиме самоконтроля
|
Частота (период) меток времени, кГц (с) |
Показания частотомера, кГц при времени счета, с |
||
|
0,01 |
0,1 |
1,0 |
|
|
100 (10–5) |
|
|
|
|
1000 (10–6) |
|
|
|
|
10000 (10–7) |
|
|
|
6.2. Определение погрешности частотомера в режиме измерения частоты
Установите частотомер в режим измерения частоты. Подайте на вход А частотомера синусоидальный сигнал от генератора измерительных сигналов с частотой 50 кГц. Измерьте частоту сигнала при различных положениях переключателя «Время измерения (время счета)», соответствующих значениям, указанным в табл. 4. Запишите результаты измерений.
Примечание. В связи с тем, что применяемые в работе генераторы сигналов не имеют кварцевой стабилизации частоты выходного сигнала, эксперимент следует проводить достаточно быстро, чтобы частота не изменилась в процессе измерения существенным образом. Учитывайте это обстоятельство и при выполнении последующих экспериментов.
Таблица 4
Результаты расчета и эксперимента в режиме измерения частоты ___ кГц (МГц)
|
Время измерения, с |
Расчет |
Эксперимент |
||
|
, % |
, Гц |
, кГц (МГц) |
, Гц |
|
|
10 |
||||
|
1,0 |
||||
|
10–1 |
||||
|
10–2 |
Рассчитайте предел допускаемого значения основной погрешности измерения частоты, исходя из метрологических характеристик примененного частотомера. Данные следует взять из технического описания на прибор. Например, для частотомера Ч3-34 основная погрешность измерения частоты определяется формулой:
,
где – основная относительная погрешность частоты внутреннего кварцевого генератора;
– измеряемая частота, Гц;
– время счета (время измерения), с.
Относительная погрешность частоты внутреннего кварцевого генератора частотомера Ч3-34 не превышает (через 30 минут после прогрева).
Вычисленная по этой формуле выражается в относительных единицах. Для перевода в проценты ее необходимо умножить на 100.
Рассчитайте абсолютную погрешность измерения частоты :
.
Заполните соответствующие графы табл. 4.
По данным расчета и эксперимента выберите показание частотомера, соответствующее минимальной расчетной погрешности (наибольшей точности) измерения частоты. Это показание примите за действительное значение результата измерения .
Оцените абсолютную погрешность измерения частоты
.
при других значениях времени измерения.
Полученные оценки запишите в табл. 4 и сравните с расчетными значениями .
Сделайте вывод о характере изменения показаний и погрешности частотомера с увеличением времени измерения.
Повторите вышеописанные эксперименты и расчеты для частоты 1 МГц, получая сигнал с высокочастотного генератора. Результаты расчета и эксперимента оформите как продолжение табл. 4.
6.3. Определение погрешности частотомера в режиме измерения периода
Установите частотомер в режим измерения периода. Подайте на вход «Б» частотомера сигнал с генератора синусоидальных сигналов. Устанавливая на генераторе последовательно частоты (), указанные в табл. 5, измерьте период этих сигналов () при разных значениях переключателя частотомера «Метки времени». Переключатель «Коэффициент умножения периода» установите равным 1. Результаты запишите в табл. 5.
Таблица 5
Результаты измерения периода
|
Установлено на шкале генератора |
, мс при положениях переключателя «Метки времени», мкс |
||||||
|
f, Гц |
Т, мс |
0,01 |
0,1 |
1,0 |
10 |
100 |
1000 |
|
105 |
0,01 |
||||||
|
104 |
0,1 |
||||||
|
103 |
1,0 |
||||||
|
102 |
10 |
Рассчитайте и запишите в табл. 6 пределы допускаемого значения основной погрешности измерения периода для всех измеренных значений, исходя из метрологических характеристик примененного частотомера. Данные следует взять из технического описания на прибор. Например, для частотомера Ч3-34 основная погрешность измерения периода при синусоидальном сигнале определяется формулой:
,
где - относительная погрешность уровня запуска, равная 0,003;
- период тактовой частоты или частоты заполнения (метки времени), с;
- измеряемый период, с;
- коэффициент умножения периода, равный 1, 10, 100, 103, 104 (число усредняемых периодов).
Вычисленная по этой формуле выражается в относительных единицах. Для перевода в проценты ее необходимо умножить на 100.
Таблица 6
Погрешности измерения периода
|
Установлено на шкале генератора |
, % при положениях переключателя «Метки времени», мкс |
||||||
|
f, Гц |
Т, мс |
0,01 |
0,1 |
1,0 |
10 |
100 |
1000 |
|
105 |
0,01 |
||||||
|
104 |
0,1 |
||||||
|
103 |
1,0 |
||||||
|
102 |
10 |
Проанализируйте полученные результаты. Сделайте вывод о характере изменения погрешности измерения периода в зависимости от измеряемой частоты и частоты счетных импульсов.
Сравните с аналогичными результатами измерения тех же частот в режиме измерения частоты (табл. 5).
6.4. Определение погрешности частотомера в режиме умножения периода
Большинство электронно-счетных частотомеров позволяют проводить измерение не одного, а нескольких периодов сигнала (), что позволяет уменьшить погрешность измерения, обусловленную влиянием нестабильности уровня запуска и ошибки квантования (дискретности, или единицы младшего разряда). Однако при этом возрастает время, затрачиваемое на проведение измерения.
Измерьте период синусоидального сигнала частотой 100 кГц при всех возможных положениях переключателя «Коэффициент умножения периода». Переключатель «Метки времени» установите в положение минимального значения. Результаты измерений запишите в табл. 7. Рассчитайте погрешности измерений по формуле, приведенной в п. 6.3, с учетом соответствующего значения , и также запишите в табл. 7.
Таблица 7
Результаты измерений и вычислений в режиме умножения периода
Измеряемая частота ____ кГц (Гц)
|
, мкс |
, % |
|
|
1 |
||
|
10 |
||
|
100 |
||
|
1000 |
||
|
10000 |
Повторите вышеописанные измерения и вычисления для частот 1 кГц и 50 Гц. Результаты также внесите в табл. 7.
Проанализируйте полученные результаты. Сделайте вывод о преимуществах и недостатках использования режима умножения периода.
7. Содержание отчета
Отчет должен содержать:
- сведения о цели и порядке выполнения работы;
- сведения об использованных методах измерений;
- сведения о характеристиках средств измерений, использованных в 2-й части работы;
- необходимые электрические схемы;
- экспериментальные данные, включая рекомендации по числу значащих цифр, фиксируемых в отчете;
- полностью заполненные таблицы отчета, а также примеры расчетов, выполнявшихся при заполнении таблиц;
- анализ полученных данных и вывод о результатах проделанной работы.
8. Контрольные вопросы
8.1. Как нормируется класс точности цифровых частотомеров?
8.2. В каком диапазоне частот выполняются измерения частоты периодических электрических сигналов?
8.3. В каком диапазоне значений частот удобно использовать для измерений цифровой частотомер? Как в этом случае погрешность измерений зависит от значения измеряемой частоты?
8.4. В каком диапазоне значений длительности периодов удобно использовать для измерений цифровой частотомер? Как в этом случае погрешность измерений зависит от длительности измеряемого периода?
8.5. Нарисуйте структурную схему электронно-счетного (цифрового) частотомера в режиме самоконтроля. Что можно проверить в таком режиме?
8.6. Из каких соображений следует выбирать режим работы цифрового частотомера – измерения частоты или измерения периода?
8.7. Из каких соображений следует выбирать время измерения в режиме измерения частоты?
8.8. Поясните различие между понятиями “время измерения” и “время индикации”.
8.9. Из каких соображений следует выбирать период (частоту) меток времени в режиме измерения периода?
8.10. Как оценить быстродействие частотомера в различных режимах его работы?
8.11. С какой целью в электронно-счетных частотомерах имеется возможность выбора периода меток времени? Почему нельзя оставить только одно значение периода меток – самое малое?
8.12. Сколько значащих цифр оставляют при вычислении погрешности измерений?
Библиографический список
1. Сергеев А.Г. Метрология, стандартизация, сертификация: учеб. пособие./ А.Г. Сергеев, М.В. Латышев, В.В. Терегеря – М.: Логос, 2005. – 560 с.
2. Дворяшин Б.В. Метрология и радиоизмерения: учеб. пос./ Б.В. Дворяшин – М.: Издат. центр "Академия", 2005. – 304 с.
3. Метрология и радиоизмерения: учебник для вузов/ Под ред. В.И. Нефедова. – М.: Высшая школа, 2003. – 526 с.
4. Практикум по основам измерительных технологий: учеб. пос. – МИРЭА, 2004.
Лабораторная работа 6
ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРА СИГНАЛОВ И ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
3. Лабораторное задание
1. Измерьте с помощью анализатора спектра С4-77 спектры следующих сигналов, сформированных генератором Г3-101:
а) последовательности амплитудно-модулированного (АМ) сигнала с частотой модуляции 4 кГц;
б) последовательности сигнала амплитудной телеграфии (АТ) с соотношением посылок 1:6;
в) последовательности сигнала с относительной фазовой манипуляцией (ОТФ) с соотношением посылок 1:6.
Для каждого сигнала зарисуйте его спектр и определите амплитуды и частоты всех спектральных составляющих.
При выполнении экспериментов воспользуйтесь следующими рекомендациями по работе с анализатором спектра С4-77.
Установите ручки и переключатели в следующие положения: «Ат.отсчет» - 10, Ат.вх х 10 дБ – 5, входное сопротивление – 100 кОм, режим измерения – 100 дБ.
Выбирая режим работы анализатора, учитывайте, что полоса обзора устанавливается такой, чтобы сигнал отображался с оптимальным использованием площади экрана. Перемещение несущей частоты осуществляется ручками «Частота – грубо и точно».
Время развертки устанавливается порядка 20 секунд после включения клавиши «Оптим».
Выбор «Постоянной времени» и «Полосы пропускания» взаимозависимы: уменьшая полосу пропускания, одновременно увеличивайте постоянную времени.
Для измерения параметров спектральных составляющих сигнала включите клавишу «Метка». Затем, совмещая изображение метки с положением линий спектра ручкой плавного перемещения метки, определите значение частоты по табло «Частота кГц».
Отсчет абсолютных уровней амплитуд составляющих спектра в Вольтах (режим – V) производится по масштабной сетке с учетом значений «Предел измерения» и ослабления входного аттенюатора.
При измерении в логарифмическом масштабе (режим – 100 дБ) отcчет отношения уровней сигналов производится по масштабной сетке с ценой деления 10 дБ/деление.
2. Определите с помощью осциллографа С1-68 (или аналогичного) форму и параметры исследованных сигналов. Результаты запишите в отчет.
3. С помощью прибора Х1-42 настройте амплитудно-частотную характеристику 5 - каскадного резонансного усилителя промежуточной частоты (рис. 1).
Рис. 1. АЧХ усилителя.
f0 = 10 МГц; Δf = 4 МГц по уровню 0,5; ΔU/U 10 %.
Зарисуйте в отчет АЧХ усилителя и АЧХ отдельных каскадов (гнезда 1 – 5), соблюдая при этом масштабы по частоте и амплитуде.
При выполнении экспериментов воспользуйтесь следующими рекомендациями по работе с измерителем амплитудно-частотных характеристик Х1-42.
На экране прибора установите необходимый участок развёртки при помощи следующих ручек и переключателей: «Метка» установите на деление 10 МГц; «Полоса» – 0,1 МГц; «Диапазон» – 0,5 – 610 МГц; «Режим» и «АРМ» – в положении «АМ 100 кГц», уровень – 30 дБ. В индикаторном блоке клавиши «Θ», «Метки» «10» и «1» должны быть в нажатом положении.
Подайте сигнал с разъема «Выход ВЧ» на вход исследуемого усилителя. Регулировками «Усил.» и «Уровень МГц» установите приемлемое изображение АЧХ и меток.
Подайте сигнал с выхода усилителя на вход У1 прибора Х1-42 и, регулируя аттенюатором и регулятором «Усиление УПТ», получите на экране изображение частотной характеристики исследуемого усилителя. Пользуясь регулировками, перестраивающими фильтры 1, 3 и 5 контуров усилителя, получите общую частотную характеристику, аналогичную изображенной на рис. 1.
Для просмотра АЧХ отдельных каскадов необходимо сигнал с гнезд 1 – 5 подключить на вход У2 прибора Х1-42 через высокочастотный пробник с выносным детектором.
Зарисовывая полученные АЧХ, соблюдайте частотный масштаб. При этом аттенюатором и усилением прибора Х1-42 выбирайте вертикальные размеры осциллограмм в пределах экрана.
4. Содержание отчета
Отчет должен содержать:
5. Контрольные вопросы
6. Краткие технические описания приборов
6.1. Анализатор спектра С4-77
Анализатор спектра С4-77 предназначен для визуального наблюдения спектра электрических периодических колебаний в низкочастотном диапазоне и позволяет определить частоту и амплитуду каждой гармонической составляющей, входящей в состав сложного исследуемого сигнала.
6.1.1. Основные технические характеристики
,
где – частота сигнала, Гц;
– частота пропускания, Гц.
6.1.2. Описание структурной схемы прибора
Анализатор спектра С4-77 работает по методу последовательного анализа с двойным преобразованием частоты. Упрощенная структурная схема его приведена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема анализатора спектра С4-77
После первого преобразования частоты с помощью генератора качающейся частоты Г сигнал переносится на постоянную частоту 1,128 МГц. После второго преобразования с частотой F2 = 1МГц осуществляется окончательная селекция на частоте 128 кГц. Для формирования полос пропускания 3, 10, 30, 100, 300 Гц используется кварцевый фильтр, для полос 1 и 3 кГц используется LC – фильтр. После селекции сигнал усиливается и детектируется. В аналого-цифровом преобразователе канала У (АЦПУ) сигнал преобразуется в 8-разрядный код, значение которого записывается в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Адрес записи определяется кодом с выхода 9-разрядного АЦП канала Х (АЦПХ), на который поступает сигнал с выхода генератора пилообразного напряжения (ГПН). Для возможности сравнения двух спектрограмм ОЗУ состоит из двух каналов, в один из которых информация будет записана и не будет обновляться во время очередного периода развертки. Сигнал с выхода блока преобразования (ЦАП) поступает на вход вертикального (У) и горизонтального (Х) отклонения луча электронно-лучевой трубки.
В приборе имеется канал обратного преобразования (следящий генератор – СЛГ), выходной сигнал которого используется для измерения частоты спектральных составляющих электронно-счетным частотомером.
Управление режимом работы анализатора осуществляется с пульта управления через регистр управления.
6.2.1. Основные технические характеристики
I – 0,5 – 610 МГц; II – 610 – 1250 МГц.
, Гц,
где – измеряемая частота, Гц,
– установленная полоса качания, Гц.
6.2.2. Описание структурной схемы прибора
Принцип работы анализатора амплитудно-частотных характеристик Х1-42 основан на том, что на вход исследуемого четырехполюсника подается напряжение со стабильной амплитудой и изменяющейся частотой от генератора качающейся частоты (ГКЧ), а огибающая выходного напряжения, полученная с помощью детекторной головки, воспроизводится на экране индикатора в виде АЧХ исследуемого объекта.
Структурная схема прибора показана на рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема анализатора спектра Х1-42
Она состоит из блока качания частоты, включающего в себя генератор пилообразного напряжения (ГПН), формирующего усилителя (УС), собственно генератора качающейся частоты (ГКЧ) и верньерного устройства, обеспечивающего определение частоты ГКЧ по частотной шкале.
Генераторный блок включает в себя управляющий усилитель, обеспечивающий коррекцию измерительных трактов, усилитель системы обратной связи (АРМ), перестраиваемый генератор, обеспечивающий сигнал II поддиапазона, формирователь кварцевых меток для частотных меток через 1, 10 и 100 МГц и метку от внешнего генератора (ЧМ). Преобразователь частоты обеспечивает преобразование частоты 640 – 1250 МГц в сигнал I поддиапазона 0,5 – 610 МГц. Имеется также ступенчатый аттенюатор, обеспечивающий регулировку выходного сигнала блока ГКЧ.
Индикаторный блок состоит из двухканального усилителя постоянного тока (УПТ), электронного коммутатора и осциллографического индикатора. Отсчет частоты на экране осуществляется с помощью прямоугольных частотных меток, которые формируются в формирователе частотных меток из «нулевых биений», поступающих с ГКЧ.
Библиографический список
1. Дворяшин Б.В. Метрология и радиоизмерения: учеб. пос./ Б.В. Дворяшин – М.: Издат. центр "Академия", 2005. – 304 с.
2. Метрология и радиоизмерения: учебник для вузов/ Под ред. В.И. Нефедова. – М.: Высшая школа, 2003. – 526 с.
3. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: уч. пос. для вузов. – М.: Дрофа. 2006 – 719 с.
Лабораторная работа 8
ГЕНЕРАТОРЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ
1. Цель работы
Цель лабораторной работы заключается в изучении назначения и принципов построения генераторов измерительных сигналов и получении практических навыков работы по определению их основных метрологических характеристик.
2. Домашнее задание
2.1. Изучите теоретический материал, используя рекомендованную литературу.
2.2. Подготовьте ответы на контрольные вопросы.
3. Лабораторное задание
3.1. Подготовьте к работе приборы в соответствии с их инструкциями по эксплуатации.
3.2. Измерьте следующие основные метрологические характеристики низкочастотного генератора Г3-102, Г3-53 или Г3-109 (конкретный тип – по указанию преподавателя) и сравните с паспортными значениями:
- погрешность установки частоты;
- кратковременная нестабильность частоты;
- неравномерность амплитудно-частотной характеристики;
- коэффициент нелинейных искажений.
3.3. Измерьте следующие основные метрологические характеристики высокочастотного генератора Г4-102, Г4-154 или
Г4-118 (конкретный тип – по указанию преподавателя) и сравните с паспортными значениями:
- погрешность установки частоты;
- погрешность ослабления аттенюатора.
3.4. Измерьте осциллографическим методом коэффициент амплитудной модуляции.
4. Порядок выполнения работы
4.1. Определение метрологических характеристик генератора сигналов низкочастотного (на примере Г3-109)
Включить исследуемые и вспомогательные приборы для прогрева. Ознакомиться с их органами управления.
4.1.1. Определение погрешности установки частоты
Собрать схему измерений (рис. 1).
Рис. 1. Схема измерения погрешности установки частоты
Погрешность установки частоты следует определять с помощью частотомера Ч3-35 или аналогичного (по указанию преподавателя) на одной отметке шкалы каждого из 4-х поддиапазонов генератора (выбрать самостоятельно и согласовать с преподавателем).
Режим работы частотомера (частоты или периода) и его параметры (время измерения, период меток) выбрать, исходя из требуемой точности измерений частоты.
Выполнить по 5 измерений на каждой выбранной отметке шкалы. Перед каждым последующим измерением настройку частоты следует сбить и заново установить выбранное значение частоты. Показания частотомера записать в табл.1.
Определить для каждого поддиапазона модуль максимального отклонения частоты генератора от установленного значения .
Значение принять за абсолютную погрешность установки частоты генератора на данном поддиапазоне. Вычислить относительную погрешность установки частоты
,
где – частота, установленная на шкале генератора на каждом поддиапазоне. Результаты записать в табл. 1.
Таблица 1
Результаты измерений частоты и вычисления погрешностей ее установки
|
Под-диапа-зон |
Установленная частота , Гц |
Показания частотомера, Гц |
, Гц |
, % |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||||
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
II |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
III |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IV |
|
|
|
|
|
|
|
|
Сопоставить полученные оценки погрешности установки частоты с нормируемым значением погрешности исследуемого генератора и с погрешностями измерения частоты используемого электронно-счетного частотомера.
4.1.2. Определение кратковременной нестабильности частоты
При нормировании нестабильности частоты генераторов измерительных сигналов обязательно указывают интервал времени, на котором гарантируется эта нестабильность. Кратковременную нестабильность частоты нормируют обычно на интервалах времени 10 или 15 мин. после прогрева прибора.
Измерение провести на одной из частот IV поддиапазона. Установить выбранное значение частоты генератора и записать в табл. 2 десять показаний цифрового частотомера с интервалом в одну минуту между повторными измерениями, не меняя положения органов настройки генератора.
Таблица 2
Результаты измерений для расчета нестабильности частоты
|
Частота , Гц |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нестабильность частоты вычислить по формуле:
,
где , - наибольшее и наименьшее показания частотомера (табл. 2).
Сравнить полученное значение кратковременной нестабильности частоты генератора на интервале 10 мин. с его нормируемым значением.
4.1.3. Определение неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) генератора
Перед выполнением этого пункта следует посмотреть, каким образом в описании исследуемого генератора сформулированы требования к неравномерности его АЧХ.
Собрать схему измерения (рис. 2). Для измерения амплитуды выходного напряжения использовать вольтметр В7-16 или аналогичный (по указанию преподавателя). Установить выходное сопротивление генератора 50 Ом на разъеме "Выход 2", а на магазине сопротивлений – согласованную нагрузку 50 Ом.
Рис. 2. Схема для измерения АЧХ генератора
Рассчитать выходное напряжение генератора , при котором на нагрузке 50 Ом будет выделяться мощность 0,5. Установить это напряжение на выходе генератора на частоте 1кГц с использованием внешнего вольтметра. В дальнейшем при выполнении измерений по п.1.3 установленный уровень напряжения не изменять.
Поочередно устанавливая значения частоты сигнала, указанные в табл. 3, записать соответствующие показания вольтметра.
Таблица 3
Результаты измерений для построения амплитудно-частотной характеристики
|
Под-диапазон |
1 |
2 |
3 |
4 |
|||||||||
|
f , Гц |
20 |
40 |
100 |
200 |
200 |
103 |
2 · 103 |
2 · 103 |
104 |
2 · 104 |
2 · 104 |
105 |
2 · 105 |
|
U, B |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U/U0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K, дБ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, дБ; где – показания вольтметра на частоте 1 кГц.
Построить АЧХ генератора в децибелах и определить ее неравномерность. Сравнить полученное максимальное значение неравномерности АЧХ исследуемого генератора с его нормируемым значением. Ось частот представить в логарифмическом масштабе.
При анализе неравномерности АЧХ особое внимание следует обратить на крайние точки поддиапазонов, поскольку сигналы частоты 200 Гц, 2 кГц и 20 кГц в приборе Г3-109 на различных поддиапазонах частот формируются с использованием различных элементов задающего генератора. Кроме того, в этом приборе использованы два выходных согласующих трансформатора – первый используется на I - III поддиапазонах, а второй – на IV поддиапазоне.
4.1.4. Измерение коэффициента нелинейных искажений
Наличие нелинейных эффектов в задающем генераторе, усилителе и выходном трансформаторе генератора измерительных сигналов приводит к появлению высших гармоник и соответственно к искажениям формы выходного сигнала.
Количественную оценку коэффициента нелинейных искажений проводят по формуле:
,
т. е. отношением среднеквадратического значения напряжения всех высших гармонических составляющих искаженного сигнала к среднеквадратическому значению напряжения первой гармоники. Коэффициент гармоник, который принято выражать в % или дБ, является важнейшей нормируемой метрологической характеристикой генератора измерительных сигналов синусоидальной формы. Для измерений используют селективные вольтметры и анализаторы спектра.
Однако значительно проще измерять другую величину – коэффициент нелинейных искажений :
.
Взаимосвязь и определяется формулой .
Если нелинейные искажения не слишком велики (не более 10 %), то численные значения рассматриваемых коэффициентов и мало отличаются друг от друга (например, если = 10 %, то = 0,995). Нормируемые нелинейные искажения генераторов сигналов низкой частоты обычно не превышают 0,5 % , поэтому можно не делать различия между и . Измеритель нелинейных искажений С6-11, рекомендуемый в данной лабораторной работе, измеряет . Может быть применен прибор другого типа (по указанию преподавателя).
Собрать схему, показанную на рис. 3.
Рассчитать значение выходного напряжения генератора , соответствующее номинальной мощности на разъеме "Выход 2" для согласованной нагрузки 600 Ом. Записать в табл. 4 значения 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; .
Установить на генераторе выходное сопротивление 600 Ом на разъеме "Выход 2", а на магазине – согласованное сопротивление внешней нагрузки 600 Ом.
Рис. 3. Схема измерения коэффициента нелинейных искажений
Руководствуясь описанием измерителя нелинейных искажений, снять зависимость коэффициента нелинейных искажений от напряжения на выходе исследуемого генератора. Результаты измерений занести в табл. 4 и построить график .
Выходное напряжение исследуемого генератора устанавливать по прибору С6-11, переключая его в режим вольтметра.
Таблица 4
Результаты измерений коэффициента нелинейных искажений
Рном = 4 Вт, Rн = 600 Ом
|
, В |
0,2 |
0,4 |
0,6 |
0,8, |
|
|
, % |
|
|
|
|
|
Сопоставить полученные значения коэффициента нелинейных искажений исследуемого генератора с нормируемыми значениями.
4.2. Определение метрологических характеристик генератора сигналов высокочастотного (на примере Г4-154)
4.2.1. Определение погрешности ослабления аттенюатора
Генераторы измерительных сигналов высоких частот используют в основном для настройки радиоприемных устройств. Поэтому в таких генераторах предусмотрены возможности регулировки (уменьшения) выходного напряжения в очень широких пределах – вплоть до нескольких микровольт. Для этого используют регулируемые аттенюаторы. Погрешность установки опорного напряжения на входе аттенюатора и погрешность самого аттенюатора влияют на точность установки напряжения на выходе измерительного генератора. Для определения погрешности аттенюатора необходимо иметь точный и чувствительный вольтметр, частотный диапазон которого позволяет измерять напряжение на выходе измерительного генератора.
Собрать схему, приведенную на рис. 4. Проверить наличие на выходе генератора сопротивления нагрузки 50 Ом. Измерения проводить на частоте 100 кГц в режиме непрерывной генерации (режим внутренней амплитудной модуляции должен быть выключен).
Рис. 4. Схема измерения погрешности ослабления аттенюатора
Амплитуду выходного напряжения измерять вольтметром В7-16 или аналогичным (по указанию преподавателя). По мере уменьшения показаний вольтметра с увеличением ослабления следует соответственно переключать пределы измерения вольтметра.
Установить показания отсчетного устройства аттенюатора генератора Г4-154, равными 0 дБ, и записать соответствующие показания вольтметра - опорный уровень напряжения генератора Г4-154 - в табл. 5. Повторить измерения выходного напряжения генератора для указанных в табл. 5 значений ослабления аттенюатора (или других значений по указанию преподавателя).
Используя нормируемые характеристики погрешности используемого вольтметра, оценить абсолютную погрешность измерения напряжения.
Рассчитать значение ослабления , где – показание вольтметра при показаниях отсчетного устройства аттенюатора 0 дБ.
Определить погрешность градуировки аттенюатора в предположении, что по показаниям вольтметра получено действительное значение ослабления.
Используя формулу для погрешности косвенных измерений, оценить погрешности измерения ослабления (дБ) по показаниям вольтметра и сопоставить их с полученными значениями погрешности градуировки аттенюатора (дБ).
Таблица 5
Результаты измерений и вычислений погрешности градуировки аттенюатора
|
Показания отсчетного устройства |
Показания вольтметра, |
Абсолютная погреш- ность измерения |
Рассчи- танное значение |
Погрешность градуировки |
Погрешность измерения |
|
|
дБ |
раз |
|||||
|
0 |
- |
|
|
|
|
|
|
10 |
3,16 |
|
|
|
|
|
|
20 |
10 |
|
|
|
|
|
|
30 |
31,6 |
|
|
|
|
|
|
40 |
100 |
|
|
|
|
|
|
50 |
316 |
|
|
|
|
|
|
60 |
1000 |
Наиболее простой способ оценки максимальной погрешности косвенного измерения затухания по показаниям вольтметра заключается в численной оценке изменения результата расчета:
в предположении, что погрешности измерения напряжения в числителе и знаменателе этого выражения противоположны по знаку. Для того чтобы принять результат косвенного определения затухания за действительное значение, погрешность этого результата должна быть в несколько раз меньше исследуемой погрешности градуировки аттенюатора.
4.3. Исследование осциллографических методов измерения коэффициента амплитудной модуляции
Для обеспечения возможности настройки радиоприемных устройств высокочастотные измерительные генераторы имеют в своем составе модулятор и вспомогательный низкочастотный генератор модулирующего сигнала (его частота порядка 1 кГц). Разъем "Внешн. АМ" используется как входной для подачи на модулятор генератора внешнего модулирующего сигнала (если установлен режим внешней модуляции) и как выходной разъем, с которого можно снять вспомогательный низкочастотный сигнал в режиме внутренней модуляции.
Коэффициент амплитудной модуляции радиосигнала измерительного генератора определяется отношением напряжения модулирующего сигнала к напряжению несущей: . В приборе Г4-154 этот коэффициент устанавливается на цифровом отсчетном устройстве с разрешающей способностью 1 %.
Собрать схему, приведенную на рис. 5. Установить на выходе генератора Г4-154 несущую частоту (модулируемый сигнал) 1 МГц.
Рис. 5. Схема измерения коэффициента амплитудной модуляции
Включить режим внутренней амплитудной модуляции (с помощью нажатия кнопки "Режим"), модулирующий низкочастотный сигнал (частота порядка 1 кГц) подать на вход "Х" осциллографа
С1-114 или аналогичного (по указанию преподавателя) с разъема "Внешн. АМ". Значения коэффициента модуляции "М, %", указанные в табл. 6, устанавливать по отсчетному устройству в процентах, для этого нажать кнопку "Выход АМ" (на индикаторе появится символ "%").
Установить на осциллографе режим линейной развертки при внешней синхронизации. Синхронизация осциллографа будет осуществляться низкочастотным синусоидальным сигналом с выхода "Внешн. АМ". Получить на экране осциллограмму амплитудно-модулированного сигнала в пределах 2 - 3 периодов модулирующего сигнала. Осциллограмму зарисовать и привести в отчете. Измерить максимальный (А) и минимальный (Б) размахи огибающей сигнала, записать результаты в табл. 6.
Установить на осциллографе режим внешней развертки – отклонение луча по горизонтали будет осуществляться низкочастотным синусоидальным сигналом с выхода "Внешн. АМ".
Обратить внимание на изменение характера осциллограммы. Осциллограмму зарисовать и привести в отчете. Повторить в этом режиме осциллографические измерения коэффициента амплитудной модуляции.
По измеренным значениям А (максимальный размах) и Б (минимальный размах) вычислить коэффициент модуляции:
.
Таблица 6
Результаты измерений и расчета коэффициента модуляции
|
Показания прибора М, % |
Линейная развертка |
Синусоидальная развертка |
||||||
|
А, мм |
Б, мм |
М, % |
, % |
А, мм |
Б, мм |
М, % |
, % |
|
|
90 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
70 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Определить абсолютную погрешность осциллографических измерений коэффициента амплитудной модуляции, приняв показания отсчетного устройства измерительного генератора за действительное значение.
Погрешность осциллографических методов измерения коэффициента амплитудной модуляции, как правило, заметно больше, чем нормируемая погрешность установки этого коэффициента в приборе Г4-154 (5 % – абсолютная погрешность в процентах модуляции). Однако осциллографические методы позволяют наглядно и быстро обнаруживать грубые отклонения коэффициента модуляции от требуемых значений. В частности, практически очень важно проверить отсутствие так называемой перемодуляции при значениях М, близких к 100 %. При перемодуляции форма огибающей искажается, что приводит к расширению спектра радиосигнала, формируемого генератором измерительных сигналов.
5. Содержание отчета
В отчете должны быть следующие разделы:
- цель работы;
- структурные схемы исследованных генераторов;
- основные метрологические характеристики исследованных генераторов (табл. 7);
Таблица 7
Основные метрологические характеристики исследованных генераторов
|
Основные нормируемые характеристики |
Г3-109 |
Г4-154 |
|
Диапазон (поддиапазоны) частот, Гц |
|
|
|
Погрешность установки частоты, % |
|
|
|
Кратковременная нестабильность частоты, % |
|
|
|
Номинальная выходная мощность Вых 1/Вых 2, Вт |
|
|
|
Номинальное выходное напряжение (опорный уровень), В |
|
|
|
Погрешность установки опорного уровня выходного напряжения, (% или дБ) |
|
|
|
Неравномерность АЧХ, дБ |
|
|
|
Погрешность ослабления аттенюатора, дБ |
|
|
|
Погрешность установки коэффициента амплитудной модуляции, % |
|
|
|
Коэффициент гармоник, % |
|
|
|
Выходное сопротивление, Ом |
|
|
- таблицы с экспериментальными данными и результатами вычислений;
- график АЧХ исследуемого измерительного генератора;
- график зависимости коэффициента нелинейных искажений от напряжения сигнала на выходе исследуемого генератора;
- осциллограммы, соответствующие двум способам измерения коэффициента амплитудной модуляции;
- выводы о соответствии всех измеренных параметров генератора нормируемым значениям.
- выводы по проделанной работе.
6. Контрольные вопросы
1. Назначение генераторов измерительных сигналов.
2. Классификация генераторов измерительных сигналов.
3. Основные метрологические характеристики генераторов измерительных сигналов синусоидальной формы.
4. Принципы построения и структурные схемы измерительных генераторов низких и высоких частот.
5. Факторы, вызывающие нестабильность частоты генераторов. Какое техническое решение используют для создания генераторов с высокой стабильностью частоты?
6. Какие узлы генератора в наибольшей степени влияют на неравномерность его амплитудно-частотной характеристики?
7. Напишите формулы, определяющие понятия коэффициента гармоник и коэффициента нелинейных искажений.
8. Структурная схема и принципы работы измерителя нелинейных искажений.
9. Какие узлы генератора оказывают основное влияние на нелинейные искажения выходного сигнала?
10. Каким образом устанавливают напряжение сигнала на выходе генератора? Назначение аттенюатора.
11. Что такое коэффициент амплитудной модуляции. Каким образом его можно измерить?
Библиографический список
1. Дворяшин Б.В. Метрология и радиоизмерения: учеб. пос./ Б.В. Дворяшин. М.: – Издат. центр "Академия", 2005. – 304 с.
2. Метрология и радиоизмерения: учебник для вузов/ Под ред. В.И. Нефедова. – М.: Высшая школа, 2003. – 526 с.
3. Антипин Б.М. Метрология и радиоизмерения. Методические указания к лабораторным работам./ Б.М. Антипин и др. – СПГУТ им. М.А. Бонч-Бруевича, 2004.
Лабораторная работа 9
ПОВЕРКА АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ ПРИБОРОВ
(2-я редакция)
1. Цель работы
Цель лабораторной работы заключается в получении навыков по проведению одного из основных видов метрологических работ – поверке средств измерений.
Работа состоит из двух частей. В первой части изучается поверка аналогового вольтметра методом непосредственной оценки при сличении с эталонным вольтметром. Во второй части изучается поверка цифрового мультиметра (в режиме измерения постоянного напряжения) методом непосредственной оценки при прямых измерениях эталонной меры.
2. Домашнее задание
2.1. Изучите теоретический материал, используя рекомендованную литературу.
2.2. Подготовьте ответы на контрольные вопросы.
Часть 1. Поверка аналогового вольтметра
3. Описание лабораторного стенда
Лабораторный стенд представляет собой компьютерную модель, располагающуюся на рабочем столе персонального компьютера. На стенде находятся модели генератора сигналов, электродинамического вольтметра и электронного вольтметра (рис. 1).
Модель электродинамического вольтметра используется при моделировании процесса прямых измерений среднеквадратического значения переменного напряжения синусоидальной формы методом непосредственной оценки. При выполнении работы модель электродинамического вольтметра служит эталоном, с помощью которого методом сличения определяется погрешность рабочего средства измерений.
Модель электронного вольтметра с амплитудным детектором играет роль рабочего средства измерений, погрешность которого подлежит определению.
Модель генератора сигналов используется при моделировании работы источника переменного электрического напряжения синусоидальной формы с плавной регулировкой амплитуды и частоты генерируемого сигнала.
Рис. 1. Вид модели лабораторного стенда на рабочем столе компьютера при выполнении 1-й части: 1 – электродинамический вольтметр; 2 – электронный аналоговый вольтметр; 3 – генератор сигналов; 4 – ползунковый переключатель
4. Лабораторное задание
4.1. Подготовка к работе
Запустите программу лабораторного практикума (файл lab9_1.exe). На рабочем столе компьютера появится модель лабораторного стенда с моделями средств измерений.
Ознакомьтесь с расположением моделей средств измерений на рабочем столе.
Подготовьте к работе модель электродинамического вольтметра, включив тумблер «Сеть» и установив с помощью ползункового переключателя предел измерений, равным 10 В.
Подготовьте к работе модель электронного вольтметра:
- включите модель вольтметра с помощью кнопки «ВКЛ»;
- с помощью переключателя «~/=» выберите род работы модели, соответствующий измерению переменного напряжения;
- установите предел измерений вольтметра, равным 10 В.
Подготовьте к работе модель генератора сигналов:
- включите модель генератора с помощью кнопки «ВКЛ»;
- установите, ориентируясь на стрелочный индикатор, амплитуду выходного сигнала, равной нулю;
- установите частоту выходного сигнала, равной примерно 50 Гц.
Опробуйте модели средств измерений. В процессе опробования плавно изменяйте напряжение на выходе генератора сигналов и следите за показаниями вольтметров. Изменяя диапазон измерений вольтметров, амплитуду и частоту выходного сигнала, проследите за изменениями показаний приборов и убедитесь в их работоспособности.
4.2 Измерение переменного электрического напряжения эталоном и рабочим вольтметром
Установите амплитуду выходного сигнала генератора сигналов, равной нулю, а частоту выходного сигнала, равной примерно 50 Гц. Плавно увеличивая выходное напряжение генератора сигналов от нуля до верхнего предела, а затем плавно уменьшая от верхнего предела до нуля, последовательно устанавливайте стрелку электронного вольтметра на каждом оцифрованном делении шкалы и фиксируйте при этом показания электродинамического вольтметра. Если с первой попытки не удалось зафиксировать стрелку электронного вольтметра напротив оцифрованного деления, повторите попытку, сохраняя выбранное направление подхода (снизу – вверх или сверху – вниз).
Занесите полученные результаты в отчет.
Повторите вышеуказанные действия, выбрав другую частоту переменного напряжения (примерно 1,5 кГц).
4.3. Определение погрешности рабочего вольтметра
Используя полученные экспериментальные данные и сведения о классах точности используемых вольтметров (0,5 – для электродинамического вольтметра и 1,5 – для электронного вольтметра), рассчитайте:
- абсолютную и относительную погрешности электронного вольтметра в оцифрованных точках шкалы;
- вариацию показаний электронного вольтметра;
- соотношение между фактической и допустимой погрешностями электронного вольтметра.
Результаты расчетов запишите в отчет.
Убедившись, что все эксперименты выполнены и все данные записаны, закройте программу.
Часть 2. Поверка цифрового вольтметра
5. Описание лабораторного стенда
Лабораторный стенд представляет собой компьютерную модель, располагающуюся на рабочем столе персонального компьютера. На стенде (рис. 2) находятся модели прибора для поверки вольтметров (ППВ), электронного цифрового мультиметра и устройства управления.
Рис. 2. Вид модели лабораторного стенда на рабочем столе компьютера при выполнении 2-й части: 1 – прибор для поверки вольтметров; 2 – электронный цифровой мультиметр; 3 – устройство управления; 4 – кнопка запуска режима автоматической поверки; 5 – кнопка запуска режима сохранения экспериментальных данных
Модель прибора для поверки вольтметров используется при моделировании работы регулируемой многозначной меры постоянного напряжения с цифровым управлением. При выполнении работы ППВ является эталоном и обеспечивает воспроизведение с высокой точностью значения постоянного напряжения.
Модель электронного цифрового мультиметра используется при моделировании процесса прямых измерений постоянного напряжения методом непосредственной оценки. В данной работе модель мультиметра играет роль рабочего цифрового вольтметра, погрешность которого подлежит определению.
Модель устройства управления служит для управления работой ППВ и поверяемого вольтметра, сбора измерительной информации, получаемой в процессе поверки, а также для передачи измерительной информации в компьютер с целью ее сохранения.
Примечание: В данной редакции программы автоматизированная поверка не изучается.
6. Лабораторное задание
Запустите программу лабораторного практикума (файл lab9_2.exe). На рабочем столе компьютера появится модель лабораторного стенда с моделями средств измерений (рис. 2).
Ознакомьтесь с расположением моделей отдельных средств измерений на рабочем столе и опробуйте их органы управления. Изменяя в ручном режиме напряжение на выходе ППВ, проследите за изменениями показаний цифрового мультиметра.
Подготовьте к работе прибор для поверки вольтметров и цифровой мультиметр:
- включите ППВ, нажав кнопку «Вкл»;
- переключатель рода работы мультиметра установите в режим измерения постоянных напряжений.
6.1. Определение погрешности цифрового мультиметра в ручном режиме
Установите на выходе ППВ, используя кнопки «Разряды», напряжение 0,000000 В. Предел измерения цифрового вольтметра не переключатся и установлен равным 200 В.
Последовательно увеличивайте напряжение на выходе ППВ от 0 В до 200 В с шагом приблизительно 25 В таким образом, чтобы на цифровом мультиметре установилось показание, кратное 25 В (25,0; 50,0; 75,0 и т.д.) и записывайте в лабораторный журнал точное значение напряжения на выходе ППВ во всех восьми точках.
Повторите предыдущий пункт задания с той разницей, что напряжение на выходе ППВ последовательно уменьшайте с шагом приблизительно 25 В от 200 В до 0 В.
Также как и в первой части работы, выдерживайте направление подхода к нужному значению (сверху - вниз или снизу - вверх).
Покажите преподавателю или оцените самостоятельно полученные данные; если они удовлетворительны, сохраните результаты в лабораторном журнале.
Убедившись в корректности результатов, закройте программу и выключите компьютер.
6.2. Определение погрешности цифрового мультиметра
Используя полученные экспериментальные данные и приняв класс точности цифрового мультиметра в режиме измерения постоянного напряжения 0,25, рассчитайте:
- абсолютную, относительную погрешности и вариацию показаний цифрового мультиметра в поверенных точках шкалы;
- соотношение между фактической и допустимой погрешностями.
Результаты расчетов запишите в отчет.
7. Содержание отчета
Отчет должен содержать:
- сведения о цели и порядке выполнения работы;
- сведения об использованных методах измерений;
- сведения о характеристиках использованных средств измерений;
- необходимые электрические схемы;
- экспериментальные данные, включая рекомендации по числу значащих цифр, фиксируемых в протоколе;
- полностью заполненные таблицы отчета (табл. 1 и 2), а также примеры расчетов, выполнявшихся при заполнении таблиц;
- графики зависимости абсолютной и относительной погрешностей рабочего средства измерений от его показаний, с выделенными на них режимами возрастания и убывания показаний, а также полосами допустимых погрешностей по первой (для двух частот) и второй частям работы;
- графики зависимостей абсолютной и относительной вариации показаний рабочего средства измерений от измеряемых значений;
- анализ полученных данных и выводы о результатах проделанной работы.
Результаты измерений и вычислений по 1-й части Таблица 1
|
Определение погрешности рабочего прибора (электронного вольтметра) методом сличения с эталоном (электродинамическим вольтметром) при измерении переменного напряжения частотой _____ Гц на пределе шкалы ______ В |
||||||||||
|
Показа-ния рабочего прибора, В |
Показания эталона, В |
Абсолютная погрешность рабочего прибора, В |
Относительная погрешность рабочего прибора, % |
Вариация показаний рабочего прибора |
||||||
|
Возраста-ние |
Убыва-ние |
Расчет |
Возрастание |
Убывание |
Расчет |
Возрастание |
Убывание |
Абсолют- ная, В |
Относитель- ная, % |
|
Результаты измерений и вычислений по 2-й части Таблица 2
|
Определение погрешности рабочего прибора (цифрового мультиметра) методом прямых измерений напряжения на выходе многозначной меры (ППВ) на пределе измерения 200 В |
||||||||||
|
Показания рабочего прибора, В |
Напряжение на выходе меры, В |
Абсолютная погрешность рабочего прибора, В |
Относительная погрешность рабочего прибора, % |
Вариация показаний рабочего прибора |
||||||
|
Возраста-ние |
Убыва-ние |
Расчет |
Возрастание |
Убывание |
Расчет |
Возрастание |
Убывание |
Абсолют- ная, В |
Относитель- ная, % |
|
8. Контрольные вопросы
8.1. Что такое поверка и зачем она выполняется?
8.2. Дайте определение следующих понятий: погрешность средства измерения, класс точности средства измерения, погрешность поверки.
8.3. Каким образом осуществляется передача размера единиц от эталонов рабочим средствам измерений?
8.4. Что такое эталон и рабочее средство измерений?
8.5. Какими нормативными документами регулируются вопросы организации и проведения поверки, построения и содержания документов по поверке?
8.6. Каковы основные требования к построению и содержанию поверочной схемы?
8.7. Какие способы поверки существуют? Чем определяется выбор того или иного способа поверки?
8.8. Какими критериями необходимо руководствоваться при выборе эталонов, с помощью которых поверяются рабочие средства измерений?
8.9. Что такое нормальные условия при поверке?
8.10. Какими нормами и правилами необходимо руководствоваться при разработке методики поверки?
8.11. Можно ли считать операции, выполнявшиеся в работе, поверкой электронного вольтметра? Почему?
8.12. Как вычислить погрешность средства измерения?
8.13. В каких случаях при поверке приходится вносить поправки в показания эталонов?
8.14. Как называется использованный в работе метод определения погрешности электронного вольтметра? Почему именно этим методом мы воспользовались?
8.15. Каковы принцип работы и устройство электромагнитного и электронного вольтметров? Чем определяется их погрешность?
8.16. Что такое поверочная схема?
8.17. Какие средства измерения не подлежат поверке?
8.18. Как называется метод поверки, если в качестве образцового средства измерения выступает прибор для поверки вольтметров, а в качестве рабочего – цифровой вольтметр?
8.19. Назовите основные признаки методик поверки, использованных в работе.
8.20. Что является результатом поверки?
8.21. Сколько значащих цифр оставляют при вычислении погрешности измерений?
Библиографический список
1. Сергеев А.Г. Метрология, стандартизация, сертификация: учеб. пособие./ А.Г. Сергеев, М.В. Латышев, В.В. Терегеря – М.: Логос, 2005. – 560с.
2. ГОСТ 8.207-76. ГСИ. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения.
3. ПР 50.2.006-94. ГСИ. Поверка средств измерений. Организация и порядок проведения.
4. Дворяшин Б.В. Метрология и радиоизмерения: учеб. пос./ Б.В. Дворяшин – М.: Издат. центр "Академия", 2005. – 304 с.
5. Метрология и радиоизмерения: учебник для вузов/ Под ред. В.И. Нефедова. – М.: Высшая школа, 2003. – 526 с.
6. Практикум по основам измерительных технологий: учеб. пос. – МИРЭА, 2004.
х) С целью упрощения погрешность теоретического расчета, возникающая вследствие погрешности экспериментального определения частоты сигнала и допусков номиналов элементов четырехполюсника, не определяется.