3599
.pdfподав на вход усилителя сигнал синусоидальной формы и частотой 1000 Гц, установить такое значение сигнала, чтобы выходной сигнал был максимальной амплитуды и неискаженной (искажения не должны быть заметны на глаз) формы. Подключение вольтметра между базой транзистора VT1 и общим проводом или плюсом источника питания вызывает реакцию усилителя в виде изменения качества передачи формы сигнала. Подобные явления зачастую сопровождают процесс отладки электронного оборудования.
Измерение напряжения смещения на базе транзистора VT1 можно определить методом совокупных измерений. Для этого достаточно последовательно измерить напряжение питания усилителя (принять внутреннее сопротивление источника питания равным нулю) и напряжения на резисторах R1 и R2. Результатов перечисленных измерений достаточно для нахождения искомой величины решением системы из трѐх уравнений. Этот способ не требует знания сопротивления вольтметра и входного сопротивления (если принять его постоянным) усилителя.
Измерение режима работы усилителя в остальных точках (узлах) схемы не вызывает затруднений.
3. При измерении амплитудно-частотной характеристики усилителя на его вход попадают с выхода генератора НЧ сигнал синусоидальной формы, частоту которого устанавливают по показаниям частотомера. Значения ряда частот указываются или выбираются. Измерение амплитуд (или других характеристик сигнала) на входе и выходе усилителя производят либо осциллографом, либо вольтметрами постоянного тока с преобразователями (см. п. 1). При использовании только вольтметров следует следить за тем, чтобы коэффициент формы выходного сигнала был близок к значению 1,11.
Требования к отчету
Отчет должен содержать:
1.Краткое задание.
2.Спецификацию примерных средств измерений.
3.Схемы включения средств измерений и объектов.
4.Примеры расчетов.
5.Результаты измерений.
6.Выводы по полученным результатам.
Контрольные вопросы
1.Что входит в состав структурной схемы электронного вольтметра постоянного тока?
2.Что входит в состав структурной схемы электронного вольтметра постоянного тока с усилителем М – ДМ?
3.Нарисуйте упрощенную временную диаграмму напряжений на выходе отдельных блоков вольтметра постоянного тока.
11
4.Что входит в состав структурной схемы электронного вольтметра переменного тока?
5.Поясните схему и временную диаграмму сигналов преобразователя амплитудных значений с открытым входом.
6.Поясните схему и временную диаграмму сигналов преобразователя амплитудных значений с закрытым входом.
7.Поясните назначение электронно-лучевых осциллографов.
8.Что входит в состав схемы управления лучом электронно-лучевой
трубки?
9.Поясните устройство осциллографа.
10.Поясните принцип действия осциллографа.
11.Назовите основные характеристики осциллографов.
Литература Основы метрологии и электрические измерения / Под ред. Е.М. Ду-
шина. Л: Энергоатомиздат, 1987. – c.153–158, 175–183.
РАБОТА 3. Измерение параметров электрических цепей
Цель работы – изучение методов и средств измерения параметров электрических цепей.
Задание
Получить у преподавателя указания и перечень объектов измерения.
1.Измерение активных сопротивлений.
1.1.Измерить сопротивление резисторов предоставленными измерительными средствами
1.2.Измерить сопротивление резисторов способом амперметра и вольтметра.
1.3.Измерить сопротивление резисторов методом замещения
сиспользованием вольтметра или амперметра
1.4.Определить вольтамперную характеристику диода. По результатам измерений построить график.
2.Измерение параметров реактивных элементов.
2.1.Измерить емкости и тангенсы углов потерь конденсаторов.
2.2.Измерить индуктивности катушек индуктивности, их добротности, взаимную индуктивность трансформатора.
Результат каждого измерения должен сопровождаться оценкой его точности (погрешности).
Методические указания
1. Измерение активных сопротивлений.
Объектами измерения, входящими в состав установки, являются: рези-
12
сторы набора элементов и два набора резисторов. Разброс их сопротивлений подразумевает выбор средств измерений, обеспечивающих приемлемую (или заданную) точность и выбор необходимой (двух– или четырѐхзажимной) схемы включения объекта.
1.1. Измерение сопротивления комбинированным прибором, мультиметром или омметром требует, как правило, предварительной регулировки «нуля» или чувствительности, или и того и другого. Регулировку необходимо также осуществлять после смены предела измерения.
При измерении сопротивления мостом следует выбирать рекомендуемое соотношение плеч моста согласно нормативно–технической документации. Правильный выбор соотношения плеч позволяет получить результат измерения с минимально достижимой для данного средства погрешностью. Нульиндикатор, встроенный в мост снабжен регулятором чувствительности. Правильное управление чувствительностью в процессе измерения сокращает время, необходимое для уравновешивания моста. Начинают измерение при минимальной чувствительности нуль–индикатора и постепенно увеличивают ее до максимальной в конце измерения.
Погрешность следует определять по формулам или таблицам, приведенным в нормативно-технической документации средства измерения.
Если шкала прибора существенно нелинейна и указаны пределы допускаемой приведѐнной основной погрешности, то предельная относительная по-
грешность результата оценивают по формуле (в процентах) |
|
kL /(xh) , |
(3.1) |
где k – показатель класса точности,
L – длина равномерной шкалы в делениях, x – показание прибора (Ом),
h L
x – отношение приращения на нелинейную шкалу в окрест-
ности показаний прибора (в делениях на Ом).
Приведѐнная формула даѐт, в большинстве случаев, завышенную оценку погрешности.
1.2. Измерение сопротивления способом амперметра и вольтметра можно выполнить по двум схемам включения: в одном случае измеряется сумма напряжений на объекте и амперметре, в другом – измеряется ток через объект и вольтметр (см. рис. 3.1).
Рис. 3.1
13
Данный способ относится к косвенным методам измерения, при которых получение результата требует вычислений по принятой модели физической связи искомой величины с измеренными прямым методом. Модель связи может учитывать или игнорировать влияние приборов на результат измерения. Игнорирование влияния приборов упрощает расчет, но требует контроля размера возникающей при этом погрешности и учета еѐ в виде поправки результата (в случае необходимости).
При включении переключателя S в положение 1 результат измерения Rx
определяется по формулам:
Rx U x 
I x с методической погрешностью М 100 RA 
Rx (%) , либо: Rx U x 
I x RA с методической погрешностью М 0 ,
где U x и I x – показания соответственно вольтметра (V) и амперметра (А), RA – сопротивление амперметра.
При включении переключателя S в положение 2 результат измерения Rx определяется по формулам:
Rx U x 
I x с методической погрешностью М 100 Rx 
(Rx RV ) (%) , либо: Rx U x 
(I x U x 
RV ) с методической погрешностью М 0 , где RV – сопротивление вольтметра.
При необходимости в результат измерения вносят поправку, равную абсолютной методической погрешности с обратным знаком. Скорректированный
результат при этом Rxc Rx Rx , где c M Rx 100 . |
|
Окончательный результат измерения записывается в виде |
|
RИ Rxc Rx , |
(3.2) |
где Rx R Rx 
100 , где предельная инструментальная относительная погрешность измерения равна сумме предельных инструментальных относитель-
ных погрешностей измерения напряжения и тока, т.е. R |
U I . |
|
||
Предельная |
инструментальная относительная погрешность |
измерения |
||
(приборами |
лабораторной |
установки) |
напряжения |
или |
тока U ,I k(U K I K U X I X ) ,где U K , |
I K – применѐнные |
пределы |
измерения |
|
вольтметра и амперметра соответственно, k 0,5 – класс точности встроенных
приборов1.3..Метод замещения – метод измерения, при котором объект измерения и известная величина поочерѐдно измеряются одним и тем же средством. Ре-
зультат измерения рассчитывается по паре измеренных значений. Метод позволяет существенно повысить точность измерений при линейной характеристике преобразования измерительного средства.
Измерение сопротивления методом замещения может быть выполнено по схемам, приведѐнным на рис. 3.2 а, б.
14
а) |
б) |
|
Рис. 3.2 |
В качестве образцовых сопротивлений применить резисторы из |
|
набора элементов RN1 , |
RN 2 , RN 3 , имеющих разброс в 0,5 %. |
Результаты измерений вычисляют по формулам: |
|
для схемы a): Rx RN I N 
I X , где I N и I x - токи в образцовом и измеряемом сопротивлениях соответственно;
для схемы б): Rx RN U N 
U X , где I N и I x – падения напряжения на измеряемом и образцовом сопротивлениях.
Предельное значение основной относительной погрешности измерения при неизвестной форме статической характеристики преобразования измерительного средства:
для схемы а): X N I 0 1 I N 
I X % , где N – относительная погрешность значения образцового сопротивления (в процентах), I 0 k I K 
I K % - от-
носительная погрешность измерения тока в образцовом сопротивлении, k - класс точности прибора (если класс точности представлен в виде дроби c/d, то вместо k подставлять d);
для схемы б): X N U 0 U N 
U X 1 % , где U 0 – относительная погреш-
ность измерения напряжения на образцовом сопротивлении (в процентах) – определяется аналогично величине I 0 .
При известной статической характеристике преобразования, в частности при использовании встроенных в лабораторную установку цифровых приборов, предел относительной погрешности результата можно оценить по формуле:
Х N И .Н YK |
YN |
|
YN YX 1 |
|
2 Д .Н 2 К .В |
(3.3) |
|
|
где И .Н . = 0,15% – интегральная нелинейность цифрового преобразователя, встроенного в установку;
Д .Н . = 0,05% – погрешность квантования;
Y – символ, обозначающий ток или напряжение.
1.4. Определение вольтамперной характеристики диода (прямой ветви и начального участка обратной) можно выполнять по одной из схем, изображенных на рис. 3.3. а), б). При снятии вольтамперной характеристики следует на-
15
чинать с малых значений напряжения UV , поскольку полупроводниковый переход обладает сильно выраженной нелинейностью.
При оценке погрешностей результатов измерений учесть рекомендации изложенные в пунктах 1.2 и 1.3.
а) |
б) |
|
Рис. 3.3 |
2.Измерение параметров реактивных элементов.
2.1.Измерение емкости и тангенса угла потерь производить с помощью универсального моста. Перед измерением мост необходимо подготовить к работе в соответствии с инструкцией по его применению.
Особенность измерения указанных параметров мостами переменного тока состоит в том, что уравновешивание осуществляется управлением двумя параметрами моста. Поочерѐдно переходя от регулировки одного параметра к другому, добиваются минимума показаний нуль–индикатора. Отсчет показаний по шкалам моста производят при уравновешенном мосте, т.е. при таком положении ручки «Чувствительность», когда малое изменение любого из параметров приводит к отклонению указателя нуль–индикатора в сторону больших показаний.
2.2.Процесс измерения индуктивности катушек индуктивности, их добротности, взаимной индуктивности трансформатора с помощью универсального моста схож с измерением величин пункта 2.1.
Измерение взаимной индуктивности M трансформатора способом согласного и встречного включения двух обмоток (начало каждой обмотки помечено звездочкой). В этом случае измеряется индуктивность согласно включенных обмоток LC и индуктивность встречно включенных обмоток LB . Взаимная
индуктивность M LC LB 
4 . Абсолютная погрешность измерения взаимной индуктивности M LC LB 
4 , где LC и LB абсолютные погрешности из-
мерения LC и LB .
Определение погрешностей измерений по пунктам 2.1 и 2.2 производить в соответствии с рекомендациями нормативно–технической документации применѐнного средства измерения.
Требования к отчету
Отчет должен содержать:
16
1.Краткое задание.
2.Спецификацию применѐнных средств измерений.
3.Схемы включения средств измерений и объектов.
4.Примеры расчетов.
5.Результаты измерений.
6.Выводы по полученным результатам.
Контрольные вопросы
1.Поясните работу магнитоэлектрических приборов: амперметра, вольтметра и омметра.
2.Что входит в состав магнитоэлектрического измерительного механиз-
ма?
3.Поясните устройство логометрического магнитоэлектрического измерительного механизма.
4.Поясните схему одинарного моста для измерения сопротивления на постоянном токе.
5.Поясните схему двойного моста для измерения сопротивления на постоянном токе.
6.Поясните схему моста переменного тока для измерения емкости и угла
потерь.
7.Что входит в состав моста переменного тока для измерения индуктивности и добротности?
8.Поясните принцип действия компенсатора постоянного тока.
9.Что входит в состав компенсатора постоянного тока?
10.Объясните измерение силы тока по схеме измерения тока ампермет-
ром.
11.Объясните измерение напряжения по схеме измерения напряжения вольтметром.
12.Как происходит измерение сопротивления постоянному току в схеме измерений сопротивлений способом амперметра – вольтметра?
13.Объясните измерение емкости, тангенса угла потерь, индуктивности, добротности и взаимной индуктивности.
Литература Основы метрологии и электрические измерения / Под ред. Е.М. Душина.
Л: Энергоатомиздат, 1987. – с. 51–61; 116–121; 191–203; 385–394; 420–429.
РАБОТА 4. Измерение частоты, периода и фазы электрических
сигналов
Цель работы – ознакомление с методами и средствами измерений частоты, фазового сдвига, временных интервалов и с методикой оценки погрешности результатов измерений.
17
Задание
1. Измерить частоту периодического сигнала с помощью цифрового частотомера при различных положениях переключателя «время измерения». Оценить погрешность результатов измерения.
2.Измерить период того же сигнала с помощью цифрового частотомера при различных положениях переключателя «метки времени». Оценить погрешность результатов измерения.
3.Измерить частоту и период того же сигнала с помощью электронного осциллографа. Оценить погрешность результатов измерения.
4.Измерить фазовый сдвиг между напряжениями на входе и выходе фазосдвигающего устройства с помощью электронно-лучевого осциллографа. Оценить погрешность результатов измерения.
5.Измерить фазо–частотную характеристику полосового фильтра.
6.Определить по измерению фазового сдвига частоту резонансного колебательного контура.
Методические указания
Цифровой частотомер позволяет измерять период и частоту периодических сигналов, временные параметры импульсных сигналов. Относительная
погрешность (в процентах) измерения частоты f Х |
определяется по формуле: |
f 100 /(tИ f И ) , |
(4.1) |
где tИ – время усреднения (время измерения), с; f Х – измеряемая частота сигнала, Гц.
Относительная погрешность (в процентах) измерения периода ТХ
Т 100 /(Т Х fО ) , |
(4.2) |
где Т Х – период сигнала, с; |
|
fО – измеряемая частота сигнала, Гц; |
fO 1 TO ; Т О – период |
квантующих импульсов («метки времени»).
При измерении частоты и периода синусоидального сигнала с помощью электронного осциллографа используют известные значения коэффициента развертки k p . Наблюдая на экране осциллографа устойчивое изображение сигнала, измеряют линейный размер l изображения по оси X, соответствующий измеряемому периоду Т Х , а затем определяют его по формуле:
Т Х k p l |
(4.3) |
Частота f Х определяется выражением f X 1 TX |
. Погрешность измерения |
частоты и периода (длительности) при этом определятся по формуле |
|
Д Кр Н ВД |
(4.4) |
где Kp – погрешность коэффициента развертки;
H – погрешность нелинейности развертки;
ВД – визуальная погрешность измерения длительности.
Для осциллографа С1–83 можно принять Kp 5% , H 2% , а ВД (в про-
18
центах) определяется выражением
ВД 100(0,4b l) , |
(4.5) |
где b – толщина линии изображения на экране осциллографа, дел.
Частота синусоидального сигнала с помощью электронного осциллографа может быть измерена путем наблюдения неподвижных фигур Лиссажу, по форме которых можно определить неизвестную частоту f Х , сравнивая ее с известной частотой fО . При этом напряжение неизвестной (измеряемой), частоты
подается на вход Y осциллографа, а напряжение известной частоты - на вход X. При неподвижной фигуре Лиссажу проводят две касательные (горизонтальную и вертикальную) и подсчитывают значение измеряемой частоты по формуле
f x |
f0 m n , |
(4.6) |
где m и n – число точек касание фигуры с горизонтальной и вертикаль- |
||
ной касательной соответственно. |
|
|
Погрешность измерения частоты при этом способе определяется стабиль- |
||
ностью генератора известной частоты |
fО . |
|
Измерение фазового сдвига между входным и выходным напряжениями какого-либо устройства с помощью двулучевого осциллографа можно произвести двумя способами.
При первом способе на экране получают изображение двух напряжений (см. рис 4.1), что даѐт возможность измерить фазовый сдвиг (в градусах) по формуле
|
Х 360 t X / TX , |
(4.7) |
где t X – временной сдвиг между напряжениями u1 (t) и u2 (t) ; |
||
|
Т Х – период u1 (t) и u2 (t) . |
|
Относительная погрешность измерения |
|
|
|
t Т , |
(4.8) |
где t |
и T – относительные погрешности измерения t X |
и Т Х , определяе- |
мые по формуле (4.4).
При втором способе используется фигура Лиссажу. На рисунке 4.2 показана фигура Лиссажу, полученная путем подачи на вход X осциллографа на-
пряжения u1 |
(t) , a на вход Y – напряжения u2 (t) . Фазовый сдвиг равен |
|
|
Х arcsin(lB lA ) , |
(4.9) |
где lB и l A – ординаты точек, определяемых по изображению:
19
Рис. 4.1 Рис. 4.2
Абсолютная погрешность измерения X (в градусах), обусловленная погрешностью измерения ординат lB и lA определяется по формуле
180 (lA lB lB lA ) / lA2 (1 (lB lA )2 ) 12 , |
(4.10) |
|
где lB и lA – абсолютные погрешности измерения lB |
и l A , равные 0,4b , |
|
где b -толщина линии луча осциллографа. |
|
|
Для случаев, когда lB lA , ЧТО соответствует X 90 , а также при lB 0 , что |
||
соответствует X 0 , |
0 . |
|
Так как знаки lB и |
lA могут быть как одинаковыми, |
так и различными, |
то при оценке погрешности следует исходить из худшего случая, при котором lB и lA имеют различные значения.
Фазовый сдвиг можно измерить на примере прохождения синусоидального сигнала через RL или RC–цепочки.
Требования к отчету
Отчет должен содержать:
1.Краткое задание.
2.Спецификацию примерных средств измерений.
3.Схемы включения средств измерений и объектов.
4.Примеры расчетов.
5.Результаты измерений.
20