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
Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут»
Інститут телекомунікаційних систем
Дисципліна: «Метрологія, стандартизація,
сертифікація, акредитація»
Лабораторна робота № 4
Експериментальне дослідження основних характеристик вимірювального генератора сигналів низької частоти
Виконав: ст. гр. ТІ-52
Осипчук С.О.
___________________
Захистив роботу « __ » ______ 2007 р.
з оцінкою ___________________
___________________
Київ-2007
1. Ознайомитися з побудовою вимірювального генератора й методикою підготовки його до проведення вимірювань.
2. Набути навички настроювання генератора й виконання вимірювань.
1. Прилади та обладнання
1.1. Генератор сигналів низької частоти Г3-109;
1.2. Взірцевий багатомежовий вольтметр В3-48А;
1.3. Електронно-лічильний частотомір Ч3-57;
1.4. Електронно-променевий осцилограф С1-83;
1.5. Узгоджене навантаження : 50 Ом - 1 шт;
1.6. Високочастотний трійник - 1 шт.
2. Схема з`єднання приладів
Рис. 4.1.
3. Призначення і основні технічні дані генератора низької частоти
Измерительные генераторы - это экранированные источники электрических сигналов, мощность (напряжение) и степень модуляции которых могут быть фиксированными либо регулируемыми в определенных пределах (ГОСТ 150945-69).
Измерительные генераторы подразделяют на следующие виды:
сверхвысоких частот с волноводным выходом (свыше - 6 ГГц):
Генераторы сигналов низкочастотные
Обобщенная структурная схема генератора сигналов (рис.) включает задающий генератор, усилитель мощности, выходное устройство и электронный вольтметр.
Задающий генератор - первичный источник гармонических колебаний, обеспечивающий широкие пределы и точность установки частоты, высокую стабильность параметров гармонических колебаний и малый коэффициент нелинейных искажений.
В ЗГ используется три метода генерирования:
Основу ЗГ, реализующего прямой метод, составляет дифференциальный усилитель постоянного тока, охваченный петлей положительной частотно-избирательной связи (обычно мост Вина) и нелинейной отрицательной. Нелинейная отрицательная связь на основе инерционного терморезистора используется для улучшения формы колебаний.
Метод биений заключается в том, что колебания НЧ образуются в результате воздействия на нелинейный элемент двух близких по частоте гармонических колебаний.
ЗГ, реализующие метод биений, обладают широким диапазоном плавной перестройки при постоянном уровне мощности, малым коэффициентом нелинейных искажений, но к первичным генераторам предъявляются повышенные требования к стабильности частоты.
Метод электронного моделирования используют для получения гармонических колебаний инфранизких частот. В этом случае ЗГ представляет собой электронную модель дифференциальных уравнений вида
,
решением которого является функция u(t) = Umsin(ot+).
Переходя к построению структурной схемы модели, исходное дифференциальное уравнение второго порядка представим эквивалентной системой двух уравнений первого порядка
где: - вспомогательная переменная; - постоянный коэффициент. Выполнив интегрирование, приведем эти уравнения к виду, удобному для моделирования:
где - независимая переменная.
Частота выходных колебаний определяется выражением
,
положив 1=2=, С1 =С2 =С, R1 =R2 =R, R3 =R4 , получим .
Таким образом, изменяя коэффициент ослабления аттенюатора , можно плавно изменять частоту выходных колебаний.
Усилитель мощности служит для согласования относительно высокоомного выхода ЗГ с низкоомным входным сопротивлением выходных устройств. Усилитель, как правило, охвачен глубокой отрицательной обратной связью для повышения стабильности характеристик и уменьшения степени нелинейных искажений.
Выходное устройство осуществляет контролируемое ослабление напряжения, поступающего от усилителя, а также обеспечивает согласование измерительного генератора с внешней нагрузкой. Выходное устройство обычно состоит из двух ступенчатых аттенюаторов, включенных последовательно, и трансформатора сопротивлений. Шаг дискретного изменения затухания первого аттенюатора выбирают равным 10 дБ, а второго - 1 дБ. Такое сочетание обеспечивает малую дискретность (1 дБ) и широкие пределы ступенчатого изменения затухания. В качестве аттенюаторов используют специальные резистивные делители напряжения, проградуированные на стандартную нагрузку 600 Ом. Приведение различных сопротивлений реальных нагрузок к стандартному значению осуществляется с помощью трансформатора сопротивлений. Для согласования генератора с нагрузками, сопротивление которых велико, предусмотрена возможность подключения параллельно им встроенного сопротивления 600 Ом. Типовые измерительные генераторы НЧ имеют два выхода: симметричный и несимметричный. Симметричный выход образуют путем соединения средней точки вторичной обмотки трансформатора с корпусом прибора, что способствует снижению уровня синфазной помехи на зажимах нагрузки.
Цифровые генераторы низкочастотные по сравнению с аналоговыми характеризуются более высокими метрологическими характеристиками: высокими точностью установки и стабильностью частоты, малым коэффициентом гармоник (строго синусоидальной формой), постоянством выходного сигнала. Подобные генераторы, получающие все более широкое распространение, удобнее аналоговых в эксплуатации: существенно проще установка требуемой частоты, выше быстродействие, более наглядна индикация. Кроме того, цифровые генераторы открывают возможности автоматической перестройки частоты по заданной программе, применения в сочетании с цифровыми средствами обработки информации.
Работа цифровых генераторов основана на принципе формирования числового кода с последующим преобразованием его в аналоговый гармонический сигнал. Последний аппроксимируется функцией, моделируемой с помощью ЦАП.
Наиболее простой вид аппроксимации - ступенчатая. При этом аппроксимируемое напряжение u(t) =Umsin(t) дискретизируется по времени равномерно с шагом и в интервале времени заменяют синусоидальный сигнал напряжением постоянного тока - ступенькой. Таким образом, вместо кривой синусоидальной формы получается ступенчатая кривая, тем лучше аппроксимирующая синусоиду, чем больше число ступенек p = T/, где Т - период. Разложение в ряд Фурье такого сигнала, кроме основной гармоники, содержит ближайшую высшую порядка р-1, что при больших р позволяет просто осуществить высокочастотную фильтрацию. Упрощенная структурная схема устройства имеет вид
Частоту формируемого сигнала при фиксированном числе ступенек регулируют, изменяя шаг дискретизации, что достигается изменением коэффициента деления делителя частоты.
Аппаратурное осуществление ступенчатой аппроксимации при большом числе ступенек сравнительно сложно. Более простое аппаратурное решение достигается при линейно-ступенчатой аппроксимации, принцип которой состоит в следующем. Период аппроксимируемого напряжения разбивают на n крупных ступенек, а внутри каждой крупной формируют m мелких ступенек. Следовательно, при линейно-ступенчатой аппроксимации два формирователя формируют всего n + m ступенек, в то время как при ступенчатой аппроксимации необходимо формировать mn ступенек.
Кроме рассмотренных генераторов источниками низкочастотных сигналов могут служить функциональные генераторы и синтезаторы частот.
Призначення
Низькочастотні генератори є джерелом неспотворених синусоїдальних сигналів в обмеженому діапазоні частоти звичайно від 20 Гц до 300 кГц. Генератори призначені для настройки і випробування систем і приладів, що використовуються в радіоелектроніці, телекомунікаціях, автоматиці, обчислювальній і вимірювальній техніці. В лабораторних генераторах є прецизійні атенюатори і прилади на виході, які дозволяють точно встановлювати амплітуду сигналу.
Основні технічні дані
Генератор Г3-109
Діапазон частот від 20 Гц до 200 кГц з чотирма піддіапазонами і плавним перестроюванням всередині.
Основна похибка при встановленні частоти не перебільшує (1+50/fн) в діапазоні частот від 200 Гц до 20 кГц і (2+50/fн) при 200 Гц 20 кГц.
Найбільше значення рівня вихідної напруги на виході “1” при опорі нагрузки 50 Ом не менше 15 В.
Основна похибка при встановленні значення вихідної напруги не перевищує 4.
Ступеневе регулювання напруги здійснюється вбудованим аттенюатором через 10 дБ.
Найбільше значення рівня вихідної потужності на клемах “2” при навантаженнях 5, 50, 600 Ом і 5 кОм не меньше 4 Вт.
Напруга живлення (22022) В, частота (500,5) Гц.
Потужність споживання не більше 130 ВА.
Робочі умови експлуатації: температура навколишнього середовища від +5 С до + 400 С, відносна вологість до 95 при +300С, атмосферний тиск (450 - 800) мм. рт. ст.
4. Функціональна структурна схема генератора
Генератор гармонических колебаний на логических элементах с цифровым управлением
Функциональная схема генератора представлена на рис.
Для генерации гармонических колебаний требуется выполнение двух условий [1]:
баланс амплитуд Кос*К=1;
баланс фаз φк+φос=0,2*π.
В качестве усилителя обратной связи Кос применяют, как правило, инвертор с φос = π. В качестве усилителя К целесообразно использовать полосовой фильтр [2], обеспечивающий на резонансной частоте необходимый в данном случае фазовый сдвиг φk = π. Высокая крутизна фазовой характеристики фильтра в полосе пропускания обеспечивает формирование колебаний со стабильной частотой, а его избирательные свойства - подавление гармоник.
В качестве полосового фильтра в предлагаемом генераторе использован фильтр [2]. Генератор возбуждается на резонансной частоте полосового фильтра, которая определяется из выражения:
где R (G) и С - сопротивление (проводимость) и емкость времязадающей цепи.
Из выражения (1) видно, что частота генерации пропорциональна проводимости времязадающей цепи, что обеспечивает линейный закон управления частотой.
Схема генератора гармонических колебаний приведена на рис. 2. На элементах DD1.2-DD1.4 выполнен полосовой фильтр, на элементе DD1.1 - усилитель обратной связи и на элементах DD2.1-DD2.4 и RM - матрица сопротивлений с цифровым управлением. Структура фильтра позволяет получать на выходах противофазные напряжения, для чего необходимо использовать дополнительно Uвых2. Входы IN0 и IN 1 являются цифровыми входами управления частотой генерации.
5. Хід роботи
3.1. Зібрав схему для дослідження характеристик генератора низької частоти (ГНЧ).
3.2. Встановив початкове положення органів управління і включив живлення.
3.3. Встановив напругу вихідного сигналу 500 мВ.
3.4. Перевірив градуювання шкали частоти ГНЧ.
Встановлюючи вказані в таблиці 4.1 частоти fг, виміряв їх дійсні значення fд електронно-лічильним частотоміром.
Таблиця 4.1
|
fГ, Гц |
100 |
200 |
103 |
2·103 |
104 |
2·104 |
105 |
2·105 |
|
fД, Гц |
||||||||
|
f, Гц |
||||||||
|
f, Гц |
3.5. Розрахував фактичну, абсолютну й відносну похибку встановлення частоти:
За дійсне значення частоти генератора приймають середнє арифметичне двох відліків за частотоміром й виявляють за формулою:
де fд - дійсне значення частоти по шкалі частот генератора, Гц; f' та f" - значення частот генератора, заміряні частотоміром при підході до позначки, що перевіряється, по шкалі частот зліва та справа відповідно, Гц.
Порівняв значення відносної похибки встановлення частоти генератора з його допустимою основною похибкою. Основна відносна похибка встановлення частоти генератора Г3-109 не повинна перевищувати величини ±(1+50/fн)% в діапазоні частот 200Гц-20кГц; для інших діапазонів ±(2+50/fн)% ; fн- номінальне значення частоти по шкалі частот.
3.6. На частоті 10000 Гц отримав стійке зображення на екрані осцилографа й замалював осцилограму коливань, що генеруються.
3.7. Перевірив градуювання шкали напруг вольтметра генератора на частоті 1000 Гц. Встановлюючи по вольтметру генератора вказані в таблиці 4.2 значення напруги Uг, виміряв їх дійсні значення Uд зразковим вольтметром.
Таблиця 4.2
|
Uг, В |
0,5 |
0,90 |
1,50 |
5,0 |
15,0 |
|
Uд, В |
|||||
|
δпр, % |
3.8. Розрахував відносну приведену похибку вихідної напруги генератора
де U' и U" значення напруги виміряні зразковим вольтметром при підході до позначки вольтметра генератора, що повіряється, зліва та справа відповідно, В; Uвг верхня границя шкали вольтметра генератора, що повіряється, В.
Порівняв значення відносної приведеної похибки встановлення вихідної напруги генератора, припустима величина якого складає ±4%.
3.9. Перевірив коефіцієнти ділення вбудованого атенюатора (границь напруги) на частоті 1000 Гц. Встановив атенюатор в положення 15 В, а перемикач "нагрузка" в положення "ATT". Встановив вихідну напругу генератора по зразковому вольтметру 15 В. Встановлюючи атенюатор в положення, вказані в таблиці 4.3, виміряв дійсні значення напруги Uд зразковим вольтметром.
Таблиця 4.3
|
Границя Uг |
15 В |
5 В |
500 мВ |
50 мВ |
15 мВ |
|
dг |
1:1 |
1:3 |
1:30 |
1:300 |
1:1000 |
|
Аг, дБ |
|||||
|
Uд, В |
|||||
|
dд |
|||||
|
Ад, дБ |
3.10. Розрахував номінальне значення ослаблення атенюатора в децибелах за формулою:
де Uвх = 15В = const - напруга на вході атенюатора, Uвых - вихідна напруга атенюатора, що відповідає положенню перемикача (15В, 5В, і т. д.).
3.11. Розрахував дійсні значення коефіцієнтів ділення:
та ослаблення атенюатора в децибелах
Розрахував абсолютну похибку ослаблення атенюатора
А = Аг - Ад і порівняв з допустимою Адоп = ± 0,5 дБ.
LC - генератор f2
LC - генератор f1
Выходное устройство
Усилитель мощности
Электронный вольтметр
адающий генератор
Смеситель
Фильтр НЧ
f1 - f2
Усилитель
Интегратор
R1C1
Инвертор
R3R4
Интегратор
R2C2
Генератор импульсов
Усилитель с фильтром
ЦАП
Счетчик
Делитель частоты