Часть 5. Ознакомление с погрешностью взаимовлияния при измерении напряжений

5.1. Ознакомиться с замыслом эксперимента.

В эксперименте исследуется: как соотношение "выходное сопротивление источника измеряемого напряжения / входное полное сопротивление измерительного прибора" влияет на результат измерения напряжения.

Для этого гармоническое напряжение подается одновременно на входы двух резистивных делителей напряжения (на рисунке 5.1 показан внешний вид двух модификаций платы с делителями).

Рисунок 5.1 - Внешний вид двух модификаций платы с делителями

Делители имеют общий вход - клеммы на левой плате и средние клеммы на правой плате. Выходы делителей расположены по краям правой платы и с нижних резисторов на левой плате. Общую точку делителей (нижние клеммы на рис. 5.1) следует соединять с общим проводом генератора, осциллографа и вольтметров.

Один делитель состоит из двух резисторов с одинаковыми сопротивлениями в несколько сотен килоом, а другой делитель – из двух резисторов с одинаковыми сопротивлениями в несколько сотен ом. (Это не означает, что делитель ДН1 – высокоомный, а делитель ДН2 - низкоомный; на некоторых платах может быть и наоборот!)

В результате этого делители имеют одинаковые коэффициенты передачи

K = R₁ / 2R₁ = R₂ / 2R₂ = 0,5

(с допускаемыми отклонениями ± 0,005) , но существенно отличающиеся выходные сопротивления (сотни килоом и сотни ом):

R_выхДН1 = 0,5 R₁, R_выхДН2 = 0,5 R₂ .

Так как входное напряжений обоих делителей одно и то же, а коэффициенты передачи делителей практически одинаковы, то выходные напряжения делителей будут также весьма близкими.

Но при подключении к выходам делителей измерительного прибора (вольтметра или осциллографа) будет проявиться погрешность взаимовлияния из-за не бесконечно большого входного полного сопротивления измерительного прибора (в большей степени – при подключении к выходу с большим сопротивлением). Это вызвано тем, что при подключении прибора к выходу делителя уменьшается сопротивление между выходными выводами делителя, в результате чего коэффициент передачи делителя будет отличаться от 0,5. При этом на высоких частотах сильно сказывается ёмкостная составляющая полного сопротивления измерительного прибора.

Заметим, что по степени различия ожидаемого и полученного показаний можно судить о соотношении выходного сопротивления делителя и входного полного сопротивления измерительного прибора.

В процессе эксперимента исследуется зависимость результатов измерения напряжений от изменения следующих факторов: выходного сопротивления объекта, входного сопротивления и входной ёмкости измерительного прибора; частоты измеряемого напряжения.

5.2.Экспериментально исследовать погрешности взаимовлияния при измерении напряжений.

В эксперименте на вход делителей подается гармоническое напряжение от генератора SFG-2110, а выходные напряжения делителей измеряются вольтметром В7-77 и цифровым осциллографом TDS-2012B (либо TPS-2012 либо MSO-6104A)

Измерения проводятся при восьми частотах напряжения: 0,1; 1; 10, 50, 100, 200, 500 и 1000 кГц. При каждой частоте измерения нужно провести сначала вольтметром В7-77, а затем – цифровым осциллографом TDS-2012B.

Для исследований:

5.2.1. Записать марку используемого цифрового осциллографа в табл. 5.1.

К цифровому осциллографу подсоединить кабель-щуп, на котором включить выносной делитель напряжения «х10» и выполнить точную компенсацию этого делителя.

5.2.2. Установить на генераторе SFG-2110 гармоническую форму напряжения и частоту 100 Гц. Подключить выход генератора к входу делителей напряжения (к средним клеммам платы).

5.2.3. Подключить вольтметр В7-77 к входу делителей и по показаниям вольтметра с помощью ручки AMPL на генераторе установить на входе делителей напряжение (5,00  0,01) В; показание вольтметра записать в таблицу 5.1.

5.2.4. Подключить вольтметр В7-77 поочередно к каждому из выходов делителей и получаемые показания записать в таблицу 5.1.

5.2.5. Изменить частоту и для всех заданных значений частоты повторить действия по п.п. 5.2.3, 5.2.4.

ВНИМАНИЕ: Здесь и далее во всех следующих пунктах, после изменения частоты можно записывать показания прибора на выходах делителей, только после установки СКО входного напряжения, равного (5,00  0,01) В по показаниям прибора!

5.2.6. Подключить цифровой осциллограф с кабелем – щупом к входу делителей и по показаниям осциллографа с помощью ручки AMPL на генераторе установить на входе делителей среднеквадратическое отклонение (RMS) напряжения, равное (5,00  0,01) В (с учётом коэффициента деления 1:10).

Подключая цифровой осциллограф с кабелем – щупом поочередно к каждому из выходов делителей, снять его показания среднеквадратического отклонения (RMS) напряжения и с учётом коэффициента деления 1:10 записать в таблицу 5.1.

5.2.7. Изменить частоту и для всех заданных значений частоты повторить действия по п. 5.2.6.

5.2.8. Заменить кабель-щуп на коаксиальный кабель.

5.2.9. Подключить цифровой осциллограф с коаксиальным кабелем к входу делителей и по показаниям осциллографа с помощью ручки AMPL на генераторе установить на входе делителей среднеквадратическое отклонение (RMS) напряжения, равное (5,00  0,01) В (с учётом коэффициента деления 1:10).

Подключая цифровой осциллограф с коаксиальным кабелем поочередно к каждому из выходов делителей, снять его показания среднеквадратического отклонения (RMS) напряжения и с учётом коэффициента деления 1:10 записать в таблицу 5.1.

5.2.10. Изменить частоту и для всех заданных значений частоты повторить действия по п. 5.2.9.

5.2.11. Отсоединить проводники и кабели. Выключить приборы.

Таблица 5.1 – Исследование погрешности взаимовлияния при измерении напряжений

Априорный интервал неопределенности СКО напряжения на выходах делителей ДН1 и ДН2: U = (2,5 ± 0,05) В
Измерительный прибор	Вольтметр В7‑77			Цифровой осциллограф с кабелем-щупом «х10»				Цифровой осциллограф с коаксиальным кабелем
Место подключения прибора	Вход ДН1 и ДН2	Выход		Вход ДН1 и ДН2	Выход		Вход ДН1 и ДН2		Выход
		ДН1	ДН2		ДН1	ДН2			ДН1	ДН2
Частота измеряемого напряжения	Показания измерительных приборов, В
100 Гц
1 кГц
10 кГц
50 кГц
100 кГц
200 кГц
500 кГц
900 кГц