14747

Измерение напряжения электрических сигналов

Лабораторная работа

Энергетика

Измерение напряжения электрических сигналов методические указания к лабораторной работе № 3.4 по курсам МЕТРОЛОГИЯ СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ В телекоммуникациОННЫХ СИСТЕМАХ МЕТРОЛОГИЯ И РАДИОИЗМЕРЕНИЯ

Русский

2013-06-09

690 KB

50 чел.

Измерение напряжения электрических сигналов

методические  указания  к  лабораторной  работе 3.4

по курсам

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ В телекоммуникациОННЫХ СИСТЕМАХ

МЕТРОЛОГИЯ И РАДИОИЗМЕРЕНИЯ

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ

И ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Новосибирск

2009 г.

УДК 621.317 (076.5)

Гребцова Л.В., Запасный И.Н., В.Б. Папэ В.Б.,  Сметанин В.И. Измерение напряжения электрических сигналов. Методические  указания  к  лабораторной  работе по курсам «Метрология, стандартизация и сертификация»,  «Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах», «Метрология и радиоизмерения», «Метрология, стандартизация и технические измерения» // СибГУТИ. – Новосибирск 2009 г. – 31 с

В методических указаниях приведены задания на выполнение лабораторной работы   по разделу «Измерение напряжения электрических сигналов» курса  «Метрология, стандартизация и сертификация», «Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах», «Метрология и радиоизмерения», «Метрология, стандартизация и технические измерения». Лабораторная работа поставлена с использованием компьютерных моделей лабораторного стенда и измерительных приборов, сформированных в среде LabVIEW. Это позволяет обучающимся выполнять лабораторные работы везде, где есть персональный компьютер, в том числе и дома, следовательно, лабораторная работа может быть применена при дистанционном обучении. Предложены экспериментальные задачи для решения в лаборатории и индивидуальные тестовые домашние задания для контроля теоретической подготовки студента к выполнению лабораторной работы. Приведены подробные методические рекомендации по проведению экспериментов и обработке их результатов. Предложены вопросы для самоконтроля самостоятельной работы и рекомендации по оформлению отчета. Выполнение работы способствует закреплению теоретических знаний, развитию навыков работы со средствами измерений, приобретению умений по обработке и оформлению результатов экспериментальных исследований.  

Каф. ПДС и М

Ил., 14   табл.12

Рецензент:  Н.И. Горлов


ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Цель работы…………………………………………………………………..

4

2. Программа  лабораторной  работы …………………………………………

4

3. Перечень лабораторного оборудования…………………………………….

4

4. Подготовка к работе…………………………………………………..

4

4.1. Контрольные вопросы…………………………………………………….

5

4.2 Задачи для самопроверки………………………………………………….

5

5. Методические рекомендации по выполнению лабораторной  работы……

8

5.1. Подготовка стенда к работе……………………………………………..

8

5.2.Описание лабораторного стенда…………………………………………

8

5.3. Ознакомление с моделями лабораторного стенда.…………………..

10

5.4. Проверка работоспособности  органов управления моделями…….

11

5.5. Исследование частотных характеристик вольтметров переменного тока……………………………………………………………………………

11

5.6 Измерение параметров напряжения сигнала произвольной формы

13

5.7 Измерение значения коэффициентов амплитуды, формы и усреднения сигналов различной формы………………………………………………

15

6. Оформление отчета…………………………………………………………...

16

7. Приложение…………………………………………………………………...

16

7.1. Правила выполнения лабораторной работы…………………………...

16

7.2. Оформление результатов измерения…………………………………….

17

7.3.  Основные метрологические характеристики вольтметров………

18

7.4. Теоретические основы измерения напряжения электрических сигналов……………………………………………………………………………..

24

8. Литература…………………………………………………………………….

30


1. Цель работы

1.1. Изучить:

1.1.1 параметры переменных напряжений и токов;

1.1.2 методы измерения параметров переменных напряжений и токов;

1.1.3 принцип действия, устройство и метрологические характеристики электронных вольтметров;

1.1.4 особенности измерения напряжения электронными вольтметрами переменного тока;

1.1.5 источники погрешности при измерении электронными вольтметрами;

1.1.6 оценка погрешности измерений напряжений вольтметрами;

1.2 получить навыки работы с измерительными приборами;

1.3 приобрести умение обрабатывать и оформлять результаты измерений, выполненных с помощью вольтметров.

2. Программа лабораторной работы.

2.1. Определение основных метрологических характеристик электронных вольтметров в протоколе измерений.

2.2. Исследование частотных характеристик вольтметров переменного тока

2.3 Измерение параметров напряжения сигнала произвольной формы:

  •  среднеквадратическое значение;
  •  средневыпрямленное значение;
  •  пиковое значение.

2.4. Измерение значений коэффициентов амплитуды, формы и усреднения сигналов различной формы.

3. Перечень лабораторного оборудования.

3.1. Основное оборудование.

Аналоговые вольтметры переменного тока:

3.1.1 средневыпрямленного значения;

3.1.2 пикового значения;

3.1.3 среднеквадратического значения.

3.2. Вспомогательные приборы.

3.2.1 Генератор сигналов специальной формы (функциональный генератор).

3.2.2 Электронно-лучевой осциллограф.

4. Подготовка к работе.

Ознакомиться с теоретическими основами измерения напряжения электрических сигналов по литературе [1] (с.85-93,95-97,102-112), [2] (с.54-72,100-110), конспекту лекций, методическим указаниям к настоящей лабораторной работе. 

Заготовить в отчете по лабораторной работе таблицы для записи результатов наблюдений  и результатов их обработки по каждому пункту программы лабораторной работы. Привести в отчете необходимые формулы по обработке результатов измерений и оценке погрешности измерений.

4.1. Для самопроверки готовности к выполнению работы сформулировать ответы на следующие вопросы:

  •  параметры напряжения  сигналов переменного тока: среднее, средневыпрямленное, среднеквадратическое и пиковое значения напряжения;
  •   устройство, принцип действия и основные характеристики электромеханических вольтметров переменного тока;
  •   устройство, принцип действия и основные характеристики электронных (аналоговых и цифровых) вольтметров переменного тока;
  •  структурные схемы аналоговых электронных вольтметров переменного тока;
  •  основные типы преобразователей, применяемых в электронных аналоговых вольтметрах, их назначение;
  •  градуировка электронных вольтметров, определение параметров напряжения сигнала по показаниям вольтметра;
  •  особенности измерения импульсных сигналов;
  •  источники погрешностей в аналоговых электронных вольтметрах, оценка погрешности измерения напряжения вольтметрами;
  •  основные достоинства цифровых вольтметров;
  •  основные метрологические характеристики вольтметров переменного тока;
  •  как измерить среднеквадратическое значение напряжения электрических сигналов?
  •  как измерить средневыпрямленное значение напряжения электрических сигналов?
  •  как измерить среднее значение напряжения сигнала, какое средство измерений Вы выберите?
  •  в каком диапазоне частот могут измерять напряжение гармонических сигналов электронные вольтметры?
  •  как зависит погрешность показаний вольтметров различного типа от частоты измеряемого сигнала?

4.2. Задачи для самоконтроля .

Вариант задания совпадает с двумя последними цифрами номера студенческого билета (пороля).

Задача 1. Определить пиковое, средневыпрямленное, среднеквадратическое значения напряжений, если известно показание вольтметра Uv, который проградуирован в среднеквадратических значениях для гармонического сигнала. Исходные данные приведены в табл. 4.1 и 4.2.

Таблица 4.1

                                Тип преобразователя и показание вольтметра    к задаче 1

Вид

параметра

Последняя цифра номера студенческого билета

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Показание Uv,В

10

15

12

20

18

25

40

30

50

80

Тип преобразователя вольтметра

Средне-

квадратический

Средневыпрямлен-ных значений

Пиковый

Таблица 4.2

Значения коэффициентов амплитуды Ка  и формы Кф

исследуемого сигнала  к задаче 1

Вид

параметра

Предпоследняя цифра номера студенческого билета

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Ка

4

1.8

2

1.73

3

5

1.8

2.5

4

3.4

Кф

1,8

1.3

1.2

1.16

2

3

1.2

1.5

2.1

2.3

Задача 2. Определить ЭДС источника (Еист), методическую абсолютную и относительную погрешности измерения ЭДС источника напряжения, выполненного согласно схеме рис.4.1. Внести поправку в результат измерения напряжений вольтметрами. Исходные данные к решению задачи 2 приведены в табл. 4.3 и 4.4.

Рис. 4.1. Схема измерения к задаче 2.

Таблица 4.3

Входное сопротивление вольтметра Rv  к задаче 2

Вид

параметра

Последняя цифра номера студенческого билета

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Rv, МОм

1.5

2.0

3.0

2.5

1.0

0.5

5.0

4.0

10.0

6.0

Таблица 4.4

Значение выходного сопротивления источника Rист  и показание

вольтметра Uv  к задаче 2.

Вид

параметра

Предпоследняя цифра номера студенческого билета

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Rист, кОм

10

25

100

250

200

500

400

50

800

75

Uv, В

16

20

40

70

50

30

90

100

60

10

Таблица 4.5

Форма сигнала, пиковое значение сигнала Um,

конечное значение шкалы вольтметра Uk  к задаче 3

Вид

параметра

Последняя цифра номера студенческого билета

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Um, В

5

8

15

10

25

20

40

30

50

70

 

сигнал

Гармонический

Uk,В

10

15

20

15

30

25

100

50

100

150

Задача 3. Определить показания вольтметра Uv и оценить погрешность измерения напряжения для сигнала, указанного в табл. 4.5. Записать результат в соответствии с нормативными документами в двух вариантах с указанием границы: а) абсолютной погрешности; б) относительной погрешности. Метрологические характеристики вольтметра и параметры сигнала приведены в табл.  4.5 и 4.6.

Таблица 4.6

Метрологические характеристики вольтметра    к задаче 3

Вид

параметра

Предпоследняя цифра номера студенческого билета

 0

 1

 2

 3

 4

 5

 6

 7

 8

 9

Класс

точности

1.5

1.0

2.0

2.5

4.0

6.0

0.5

0.25

0.2

0.4

Вид           входа вольтметра

Открытый

Открытый

Закрытый

Открытый

Открытый

Закрытый

Открытый

Открытый

Закрытый

Открытый

Тип преобра-зователя вольтметра

среднеквадратический

Средневыпрямленных значений

Пиковый

Средневыпрямленных значений

Пиковый

Пиковый

Средневыпрямленных значений

среднеквадратический

Пиковый

Пиковый

Вольт

метр про

градуиро-ван

В среднеквадратических значениях

гармонического сигнала

В пиковых

В среднеквадратических значениях

гармонического сигнала

В пиковых

5. Методические рекомендации по выполнению лабораторной  работы

5.1. Подготовка стенда к работе. Установите на компьютере программу LVRunTimeEng, при необходимости разархивируйте файл LR_3_4 и запустите программу стенда лабораторной работы № 3.4  LR3_4.ехе. На появившемся экране нажмите кнопку «Выполнить». На экране компьютера автоматически появится модель лабораторного стенда с моделями средств измерений и вспомогательных устройств (рис. 5.1). Продумайте свои действия за компьютером.

5.2.Описание лабораторного стенда.

Лабораторный стенд, (рис. 5.1), представляет собой LabVIEW компьютерную модель, отображаемую на экране персонального компьютера.

На стенде находятся модели:

- электромагнитного (1) и электродинамического (2) вольтметров;

- электронного вольтметра (3) с пиковым преобразователем, проградуированного в средневыпрямленных значениях гармонического сигнала;

- электронных милливольтметров средневыпрямленного (4)  и среднеквадратического (5)  значениях, проградуированных в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала;

- электронного осциллографа (6);

- генератора сигналов специальной формы (7).

Рис. 5.1

При выполнении работы модели средств измерений и вспомогательных устройств служат для решения описанных ниже задач.

Модели электромагнитного и электродинамического вольтметров (см. раздел 7. Приложение) используют для моделировании процесса прямых измерений среднеквадратического значения напряжения сигнала синусоидальной формы методом непосредственной оценки. На рис. 5.1 показана модель лабораторного стенда на экране компьютера при выполнении работы:

Модели электронных аналоговых милливольтметров средневыпрямленного и среднеквадратического значения (см. Приложение) используют для прямых измерений соответственно средневыпрямленного и среднеквадратического значения напряжения в цепях переменного тока любой формы методом непосредственной оценки.

Модель электронного осциллографа используют для наблюдения формы сигнала и для измерения параметров сигналов переменного тока произвольной формы.

Модель генератора сигналов специальной формы используют в качестве источника сигналов синусоидальной, прямоугольной (меандр), треугольной (двухполярной) и пилообразной формы, с плавной регулировкой пикового значения и частоты выходного сигнала

Схема соединения приборов при выполнении измерений приведена на

рис. 5.2.

Рис.5.2.

5.3. Ознакомление с моделями лабораторного стенда.

Ознакомьтесь с расположением моделей отдельных средств измерений и других устройств на рабочем столе.

Подготовьте модели к работе:

− включите электронные вольтметры с помощью тумблеров «сеть»;

− включите генератор сигналов и установите ручку регулятора выходного напряжения в крайнее левое положение (пиковое значение выходного сигнала равно нулю);

− установите переключатель рода работы генератора сигналов в положение, соответствующее гармоническому сигналу;

− установите частоту сигнала на выходе генератора, равной 20 гц;

− включите осциллограф.

5.4. Проверка работоспособности органов управления моделями.

Опробуйте органы управления моделями и убедитесь в их работоспособности. Для этого установите регулятор напряжения на выходе генератора в среднее положение и наблюдайте форму сигнала на экране осциллографа. Изменяя напряжение, частоту и форму сигнала на выходе генератора, а также диапазон измерений вольтметров, проследите за изменением изображения на экране осциллографа и изменениями показаний вольтметров.

5.5. Исследование частотных характеристик вольтметров переменного тока.

Используя осциллограф в качестве индикатора формы сигнала и измерителя пикового значения напряжения, исследуйте зависимость показаний электромагнитного и электродинамического вольтметров от частоты исследуемого сигнала в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц (тип образцового электронного вольтметра выберите по таблице 5.1).  Для этого.

1. Установите на выходе генератора сигналов гармонический сигнал с частотой 20 Гц.

2. Отрегулируйте напряжение сигнала на выходе генератора так, чтобы показания электродинамического вольтметра соответствовали заданию таблицы 5.1.

3. Снимите показания электродинамического и электронного (таблица 5.1) вольтметров, запишите их и частоту исследуемого сигнала в отчет.  

4. Выполните измерения в соответствии с п.п. 2-3, оставляя неизменной амплитуду и форму выходного сигнала генератора, последовательно устанавливая частоту сигнала, равной (0, 2; 1;  3;  5 ;  10; 20) кГц.

При выполнении задания тщательно следите за показаниями осциллографа (показание индикатора пикового значения измеряемого сигнала должно оставаться неизменным). В случае изменения пикового значения восстановите его регулятором выходного напряжения генератора сигналов.

Таблица 5.1

Выбор типа электронного вольтметра, частоты и напряжения сигнала

к заданию 1, 2

Вид

параметра

Последняя цифра номера студенческого билета

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Показание электродинамического вольтметра, В

(для п. 5.5)

2,5

2,0

2,5

2,0

2,5

2,0

2,0

2,5

2,0

2,5

Тип образцового электронного милливольтметра

(для п. 5.5)

Электронный милливольтметр среднеквадратического значения

Электронный милливольтметр средневыпрямленного значения

Частота, Гц

(для п. 5.6)

50

60

70

80

90

100

90

80

70

60

Показание электронного пикового вольтметра, В

(для п. 5.6)

2,5

1,0

2,0

1,5

1,0

2,0

1,5

2,0

1,5

2,5

Форма сигнала

(для п. 5.6)

Син Пил

Син Тре

Син Пря

Син Пил

Син Тре

Син Пря

Син Пил

Син Тре

Син Пря

Син 

Пил

Коэффициент, форма сигнала

(для п. 5.7)

Ка Пил

Кф Тре

Ка Пря

Ку Пил

Ка Тре

Кф Пря

Ку Син

Ка Син

Кф Син

Ку Пил

В таблице 5.1 приняты сокращения: форма сигнала «Син» – синусоидальная, «Пил» –  пилообразная, «Тре» – треугольная, «Пря» - прямоугольная; коэффициенты: амплитуды Ка, формы Кф, усреднения Ку.

Приняв показания электронного вольтметра (заданного в таблице 5.1) за действительное значение напряжения, оцените абсолютную и относительную систематические погрешности электромагнитного и электродинамического вольтметров.

Результаты эксперимента и обработки поместить в таблицу 5.2.

Построить графики зависимости показаний вольтметров и их систематических погрешностей от частоты.

Таблица 5.2

Результаты определения частотных характеристик вольтметров

Частота сигнала, кГц ………

Показания вольтметров, погрешность, результат

Электронный милливольтметр

…..…….....значения

электромагнитный

вольтметр

электродинамический

вольтметр

Показание

образцового

вольтметра, В

Показание вольтметра, В

Систематичес-кая погрешность

Показание вольтметра, В

Систематическая погрешность

абсолютная

Относи-тельная

абсолютная

Относи-тельная

0,02

0,2

1

3

5

10

20

5.6 Измерение параметров напряжения сигнала произвольной формы

Измерить параметры напряжения сигнала произвольной формы:

среднеквадратическое значение;

средневыпрямленное значение;

   пиковое значение.

Измерение каждого из параметров напряжения сигнала произвольной формы возможно только вольтметром с адекватным преобразователем.

При выполнении этого задания, используйте три электронных вольтметра с различными преобразователями: среднеквадратического, средневыпрямленного и пикового значений.

1. Установите на выходе генератора гармоническую форму сигнала и частоту, заданную в таблице 5.1.

2. Установите заданное показание в таблице 5.1 электронного пикового вольтметра с помощью регулятора выходного напряжения измерительного генератора. Зарисуйте осциллограмму исследуемого сигнала.

3. Снимите показания вольтметров для форм сигналов, заданных в таблице 5.1. Внимание. Показание электронного милливольтметра средневыпрямленного значения проверять на предмет «зашкаливания», потому что на пределе измерения 3В прибор может зашкаливать и этого НЕ ВИДНО. Если показание вольтметра равно 3 В, проверьте показание вольтметра на пределе измерения 10 В.

Таблица 5.3

Результаты измерений пикового Um , средневыпрямленного Uср.в  и среднеквадратического U значений напряжения для сигналов синусоидальной, треугольной, пилообразной и прямоугольной форм.

Форма измеряемого сигнала

с частотой ............

Вид измеряемого

 параметра

Тип вольтметра, класс

точности

Тип преобразователя

Вид градуировки

Градуировочный

коэффициент

Показание вольтметра, В

Предел допускаемой абсолютной погрешности

вольтметра, В

Значение измеряемого

 параметра В

Предел допускаемой абсолютной

погрешности измерения

параметра, В

Предел допускаемой

относительной погрешности

измерения

 параметра, %

Результат измерения

 параметра

в двух формах

Синусоидальная

Um

U

U ср.в

Треугольная  или пилообразная или прямоугольная

Um

U

U ср.в

4. Запишите в табл. 5.3 показания вольтметров, сведения о частоте и форме исследуемого сигнала. Укажите в таблицах для каждого вольтметра:

- тип вольтметра. Например: электронный аналоговый милливольтметр среднеквадратического значенияЭВкв.; электронный аналоговый милливольтметр средневыпрямленного значения – ЭВср.в.; электронный аналоговый вольтметр пикового значения - ЭВп.

- класс точности;

- тип преобразователя;

- в каких значениях напряжения вольтметр проградуирован, и для какой формы сигнала;

- градуировочный коэффициент;

- результаты измерения и обработки.

5. Оставляя неизменной амплитуду (контроль производится цифровым индикатором «амплитуда» на панели осциллографа) и частоту выходного напряжения генератора, выполните измерения согласно п.п. (2 - 5), установив на выходе генератора форму сигнала, указанную в таблице 5.1.

6. Оценку погрешности измерения напряжения вольтметром осуществляют путем отыскания пределов допускаемой, абсолютной погрешности вольтметра  Dпред =DUv по классу точности вольтметра (класс точности указывается на шкале прибора, в паспорте и техническом описании прибора). Если значение параметра равно показанию вольтметра (градуировочный коэффициент Cгр равен 1), то предел допускаемой абсолютной погрешности измерения параметра DUпарам равен погрешности показания вольтметра DUv. Если градуировочный коэффициент Cгр не равен 1, то пределы допускаемой погрешности измерений параметра  DUпарам= DUv/Cгр. Результаты оценки погрешности измерения параметров напряжения сигнала и результаты измерения каждого параметра записать в табл. 5.3.

 7. Объясните результаты измерений параметров сигналов и их обработки. Поясните, почему показание пикового вольтметра меньше, чем у остальных вольтметров для синусоидальной формы сигнала. Свои соображения отразите в выводах по работе.

5.7. Измерение значения коэффициентов амплитуды, формы и усреднения сигналов различной формы.

Таблица 5.4

Результаты измерения параметров Ка,, Кф , Ку сигналов различной формы

Форма измеряемого сигнала с частотой

……………..

Коэффициент

амплитуды

Коэффициент

формы

Коэффициент

усреднения

Ка

∆Ка

δКа ,  %

Кф

∆Кф

δКф,   %

Ку

∆Ку

δКу   %

Синусоидаль- ная

Укажите заданную форму сигнала

Измерение значений коэффициентов амплитуды Ка, формы Кф, усреднения Ку можно осуществить косвенным путем согласно выражениям:

 Ка = Um/U;   Kф = U/Uср.в;   Kу= Um/Uср.в;

Где Um – пиковое значение, U – среднеквадратическое, Uср.в – средневыпрямленное значения напряжений.

Используйте измеренные значения параметров сигналов, помещенные в таблице 5.3, для определения коэффициентов амплитуды, формы и усреднения, в соответствии с вариантом, указанным в таблице 5.1. Результаты обработки поместить в таблицу 5.4. Оценку погрешности измерения параметров Ка, Kф, Kу выполняют по методике оценки погрешности косвенных измерений (с. 80-82 [1], c.47 [2], с.21-26 [6] ).

6. Оформление отчета

Отчет должен содержать:

- титульный лист;

− сведения о цели и порядке выполнения работы;

− сведения о метрологических характеристиках использованных средств измерений;

− схему измерения;

− экспериментальные данные и осциллограммы;

- расчётные формулы для обработки результатов наблюдений и оценки погрешностей;

− полностью заполненные таблицы отчета (см. табл. 5.2, 5.3 и 5.4), а также примеры расчетов, выполнявшихся при заполнении таблиц. При выполнении численных расчетов надо записать расчетную формулу определяемой величины, сделать соответствующую численную подстановку и произвести вычисления; 

− графики зависимости показаний вольтметров различных систем от частоты измеряемого напряжения;

− анализ полученных данных и выводы по результатам проделанной работы.

7. Приложение

7.1. Правила выполнения лабораторной работы.

1. Выполнению каждой лабораторной работы предшествует предварительная самостоятельная подготовка студента, которая включает в себя:

- изучение по литературе и другим источникам необходимых разделов курса;

- формулирование ответов на контрольные вопросы;

- решение задач для контроля самостоятельной работы;

- выполнение необходимых предварительных расчетов;

- изучение описания лабораторного макета, задания и порядка выполнения соответствующей лабораторной работы.

Студент должен также отчетливо представлять, что и как он будет делать, и какие результаты ожидаются в каждом из пунктов лабораторной работы (мысленный эксперимент).

2. В процессе выполнения работы результаты эксперимента должны быть аккуратно оформлены в заготовке отчёта в виде таблиц, графиков. Результаты каждого пункта должны иметь соответствующие заголовки и пояснения исходных данных, режимов и условий измерений.

3. По результатам лабораторной работы студент должен оформить отчет (смотрите разделы 4.2 и 6) и, при дистанционном обучении, выслать его на проверку отдельным файлом.

4. При выполнении лабораторных работ необходимо соблюдать правила техники безопасности.

7.2. Оформление результатов измерения.

7.2.1. Промежуточные вычисления выполняют с использованием такого числа значащих цифр, которое необходимо для обеспечения решения задачи с требуемой точностью. Для выполнения данной лабораторной работы достаточно использовать шесть значащих цифр.

7.2.2. Конечные результаты расчетов должны, быть представлены с соблюдением правил округления и обязательным указанием единиц измерения, вычисленной физической величины.

7.2.3. В тех случаях, когда при расчете оценивают погрешность (неопределенность) результата измерений, он должен быть оформлен в соответствии с нормативным документом методическими рекомендациями МИ1317-2004. Согласно им окончательный результат оценки погрешности должен содержать не более двух значащих цифр путем его округления в большую сторону.  Погрешность округления во всех случаях в соответствии с ГОСТ 8.401-80 не должна превышать 5%.

Критерием для округления конечного результата расчета измеряемой величины (результата измерения) является округленное значение абсолютной погрешности (неопределенности): младший разряд числового значения результата измерения должен быть одинаковым с младшим разрядом округленного значения абсолютной погрешности (неопределенности). Обратите внимание, что при округлении единицы измерения результата измерения и погрешности должны быть одинаковыми.

 Если результат измерения содержит интервальные оценки неопределенности, обязательно указание вероятности, с которой погрешность находится в этом интервале. Кроме того, результат должен включать в себя условия проведения измерения (температура, давление, влажность, число наблюдений, частота, на которой проведены измерения, и т. п.).

Пример. Измеренное значение напряжения равно 21,71924 В, оценка границ погрешности этого результата равна 0,06156 % с вероятностью 0,95. Измерение проведено в нормальных условиях. Оформить результат в соответствии с нормативными документами. 1) Вычислим оценку границ абсолютной погрешности измерения  U=21,71924*0,06156/100=0,0133704В =13,3704мВ. 2) Округлим оценку абсолютной погрешности измерения, содержащую шесть значащих цифр, до двух значащих цифр: U=0,014В =14мВ. 3) Вычислим погрешность округления абсолютной погрешности: (1413,3704)*100/13,3704 =4,70891%, следовательно, округление в большую сторону верно, так как погрешность округления не превышает 5%. 4) Округлим измеренное значение напряжения: U=21,719В, так как младший разряд абсолютной погрешности равен 0,001В. 5) Округлим оценку относительной погрешности измерения, содержащую четыре значащих цифры, до двух значащих цифр: U=0,062% погрешность округления относительной погрешности не превышает 5%. 6) Округление оценок абсолютной и относительной погрешностей измерения до одной значащей цифры невозможно, так как погрешность округления в этом случае превышает 5%. 7) Запишем результат измерения в соответствии с нормативными документами:

U=21,719 0,014В; =0,95; условия измерения нормальные; или

U=21719 14мВ; =0,95; условия измерения нормальные; или

U=21,719В 0,062%; =0,95; условия измерения нормальные; или

U=21719мВ 0,062%; =0,95; условия измерения нормальные.

В случае необходимости выполнения ряда однотипных расчетов приводят расчет только для одного значения, результаты промежуточных вычислений и конечные результаты сводят в таблицу.

 

7.3.  Основные метрологические характеристики вольтметров

1.Электромагнитный вольтметр

Модель электромагнитного вольтметра (рис.7.1) служит для измерения среднеквадратического значения напряжения электрического сигнала любой формы.

Ниже приведены некоторые характеристики модели:

- шкала отсчетного устройства проградуирована в среднеквадратических  значениях гармонического сигнала;

- пределы измерения могут быть выбраны равными 0,3; 1; 3 или 15 В;

в данной работе предел измерения установлен в положение 3 В.

- класс точности обозначен 2.5, следовательно, предел допускаемой приведенной погрешности равен 2,5%;

- диапазон рабочих частот от 20 Гц до 1 кГц.

Рис. 7.1

2. Электродинамический вольтметр

Модель электродинамического вольтметра (рис.7.2) служит для измерения среднеквадратического значения напряжения электрического сигнала любой формы.

Ниже приведены некоторые характеристики модели:

- шкала отсчетного устройства проградуирована в среднеквадратических значениях гармонического сигнала;

- пределы измерения составляют 3 В или 30 В; в работе №3.4 предел измерения установлен в положение 3 В.

- класс точности обозначен 2.0, следовательно, предел допускаемой приведенной погрешности равен 2,0 %;

- диапазон рабочих частот от 20 Гц до 5 кГц.

Рис. 7.2.

3. Электронный аналоговый милливольтметр

средневыпрямленного значения

Модель электронного аналогового милливольтметра средневыпрямленного значения (рис.7.3) служит для измерения средневыпрямленного значения напряжения произвольной формы сигнала.

Ниже приведены некоторые характеристики модели:

- в режиме измерения переменного напряжения пределы измерения могут выбираться в диапазоне от 1,0 мВ до 300 В;

- шкала отсчетного устройства проградуирована в среднеквадратических  значениях гармонического сигнала, следовательно, показание прибора

Uv = Uср.в*Kф sin = Uср.в *1.11;

- диапазон рабочих частот от 10 Гц до 10 МГц;

- предел допускаемой приведенной основной погрешности в области частот от 50 Гц до 100 кГц не превышают 1,5 % (класс точности 1,5).

Рис. 7.3.

4. Электронный аналоговый милливольтметр

среднеквадратического значения

Модель электронного аналогового милливольтметра  среднеквадратического значения (рис.7.4) служит для измерения среднеквадратического значения напряжения сигнала любой формы сигнала.

Ниже приведены некоторые характеристики модели:

- в режиме измерений переменного напряжения пределы измерения могут выбираться в диапазоне от 1,0 мВ до 300 В;

- диапазон рабочих частот от 10 Гц до 10 МГц;

- шкала отсчетного устройства проградуирована в среднеквадратических значениях гармонического сигнала, следовательно, показание прибора Uv = U – среднеквадратическому значению напряжение сигнала;

- пределы допускаемой приведенной основной погрешности в области частот от 50 Гц до 100 кГц не превышают 1,5% (класс точности 1,5).

На лицевой панели модели расположены (рисунок 3.4.7):

- кнопка «СЕТЬ» для включения питания;

- световые индикаторы включения питания и установленных пределов «V»  и «mV»;

Рис. 7.4.

- шкала отсчетного устройства со стрелочным указателем и с указанием параметра, для которого выполнялась градуировка;

- кнопка калибровки «К»;

- кнопочный переключатель пределов измеряемой величины «1, 3, 10, 30, 100, 300»;

- электрические разъемы для подключения к источнику измеряемого напряжения.

4. Электронный аналоговый вольтметр

пикового значения

На рисунке  (рис.7.5) показана лицевая панель прибора, на которой расположены: кнопка включения питания (1); шкала отсчетного устройства (2);

переключатель пределов измерения (3); переключатель вида измеряемого сигнала (4); входные клеммы (5).

Модель электронного аналогового вольтметра служит для измерения пикового значения напряжения сигнала любой формы.

Ниже приведены некоторые характеристики модели:

- в режиме измерения переменного напряжения пределы измерения могут выбираться в диапазоне от 0,1 В до 300 В;

- шкала отсчетного устройства проградуирована в средневыпрямленных значениях гармонического сигнала, следовательно, показание прибора

Uv = Um/Kу sin  = Um* ≈  Um /1.57;

- предел допускаемой приведенной основной погрешности не превышают 2,5 % (класс точности 2,5);

  •  входное сопротивление более    1 МОм;
  •  входная емкость менее 10 пФ;
  •  диапазон рабочих частот от 20 Гц до 100 кГц.

7.4. Теоретические основы измерения напряжения электрических сигналов.

Ознакомиться с теоретическими основами измерения напряжения электрических сигналов материалом по литературе [1] (с.85-93,95-97,102-112), [2] (с.54-72,100-110), конспекту лекций, методическим указаниям к настоящей лабораторной работе. 

7.4.1. Параметры напряжения сигналов переменного тока.

Рис. 7.6

 На рисунке 7.6 показана временная диаграмма напряжения сигнала. Для характеристики напряжения сигнала произвольной формы нормативными документами рекомендованы следующие параметры.

  1.  Пиковое значение напряжения– максимальное значение напряжения сигнала за период  T :

;

(7.1)

  1.  Средневыпрямленное значение напряжения – среднее значение модуля напряжения сигнала за период  T :

;

(7.2)

  1.  Среднее значение напряжения– среднее значение напряжения сигнала за период  T :

;

(7.3)

физический смысл этого параметра – постоянная составляющая напряжения сигнала. В литературе можно встретить его обозначения  U0   и  Uп.с.

  1.  Среднеквадратическое значение напряжения –  среднеквадратическое значение напряжения сигнала за период  T :

;

(7.4)

физический смысл этого параметра – энергетическая характеристика сигнала, используемая при энергетических расчетах. На рисунке и в формулах T – период сигнала или интервал времени измерения.

Если известен спектр сигнала, можно применить формулу: 

;

(7.5)

где Ui – среднеквадратическое значение напряжения  i-ой составляющей спектра сигнала, n – число гармоник сигнала.

Таблица 7.1      

№ п/п

ka

kф

kу

1

1

1

1

2

1

1

1

3

4

5

2

7.1.2. Безразмерные параметры сигналов.

Коэффициент амплитуды (пик-фактор)

;

(7.6)

Коэффициент формы

;

(7.7)

Коэффициент усреднения

;

(7.8)

Справедливо следующее соотношение:

kу  ka  kф  1;

(7.9)

В таблице 7.1 приведены значения безразмерных параметров несколько сигналов, которые часто встречаются в практической деятельности.

7.4.3. Виды входов вольтметров.

Существует два вида входа вольтметра:

 открытый – вольтметр реагирует на весь сигнал U(t) (постоянную и переменную составляющую);

 закрытый - вольтметр реагирует только на переменную составляющую сигнала ;

            

 

Вольтметр с закрытым входом (рисунок 7.8) отличается от вольтметра с открытым входом (рисунок 7.7) тем, что у него во входной цепи включен разделительный конденсатор, который не пропускает постоянную составляющую сигнала. На рисунке 7.9 показаны временные диаграммы сигнала U(t), и его переменной составляющей.

Вольтметр с закрытым входом измеряет параметры только переменной составляющей сигнала . Для определения параметров напряжения переменной составляющей сигнала  , , , нужно в формулы 7.1 7.4 подставить аналитическое выражение переменной составляющей сигнала  , которое легко найти, вычтя из сигнала  среднее значение напряжения Uср :

   

;

(7.11)

7.4.4. О градуировке электронных вольтметров.

Из изложенного выше следует, что для измерения разных параметров сигнала применяют различные вольтметры, которые реагируют либо на пиковое, либо на средневыпрямленное, либо на среднеквадратическое значения напряжения измеряемого сигнала. Вид измеряемого параметра определяется типом применяемого в вольтметре преобразователя. При измерении пикового значения используют вольтметр с пиковым преобразователем, для измерения средневыпрямленного значения используют вольтметр с преобразователем средневыпрямленных значений, а для среднеквадратического значения используют вольтметр с квадратичным преобразователем. Тем не менее, шкалы большинства электронных вольтметров переменного тока градуируют, как правило, в среднеквадратических значениях напряжения гармонического сигнала (синусоидальной формы). В указанном случае только показания вольтметра с преобразователем среднеквадратического значения равны измеряемому параметру  для любой формы измеряемого сигнала. Показания вольтметров с другими типами преобразователей определяются соотношением:

UVi = Cгр i Ux  ;

(7.12)

где UVi  показание соответствующего вольтметра;  Cгр i – градуировочный коэффициент этого вольтметра; Ux – параметр напряжения, на который реагирует этот вольтметр.

В таблице 7.2 приведены значения градуировочных коэффициентов для наиболее распространённых видов градуировки электронных вольтметров.

  1) UV1 = Cгр1  U;     2) UV2 = Cгр2  Uср.в;       3) UV3 = Cгр3  Um ;    4) UV4 = Cгр4  Um.

   Для вольтметров с закрытым входом:

  1) UV1 = Cгр1  ;   2) UV2 = Cгр2  ;   3) UV3 = Cгр3   ;    4) UV4 = Cгр4  .

Таким образом, чтобы определить значения параметра, который измеряет данный вольтметр, необходимо о нём знать:

  1.  тип преобразователя;
  2.  вид градуировки;
  3.  вид входа.

Таблица 7.2

п/п

Тип

преобразователя

Показание вольтметра прямо-

пропорционально  параметру напряжения сигнала произвольной формы

Наиболее часто встречающаяся градуировка

Градуировочный

коэффициент Cгр i

1

Среднеквадратических

значений

Среднеквадрати-ческому

В среднеквадра-

тических

значениях

гармонического

(синусоидального) 

сигнала 

1

2

Средневыпрямлен-

ных значений

Средневыпрямленному

3

Пиковых

значений

Пиковому

4

В пиковых

значениях

1

7.4.5. Методическая погрешность

При измерении напряжения вольтметр подключают к исследуемой цепи. Если вольтметр имеет бесконечно большое входное сопротивление, то режим работы исследуемой цепи не нарушается и показание вольтметра будет верно отражать параметры напряжения исследуемой цепи. Реальные вольтметры имеют конечное значение входного сопротивления  ZV , поэтому показание реального вольтметра будет отличаться от идеального. Разница между показаниями реального и идеального вольтметров является методической погрешностью измерения напряжения вольтметром. На рисунке 7.10 приведена эквивалентная схема измерения напряжения реальным вольтметром  V. 

Zi – комплексное внутреннее сопротивление источника сигнала;

ZV – комплексное входное сопротивление вольтметра.

Исследуемая цепь представлена эквивалентным источником с внутренним сопротивлением  Zi  и  ЭДС  Е.

У идеального вольтметра ZV   . В этом случае показание вольтметра равно ЭДС источника  Е.

Показание реального вольтметра  UV  равно падению напряжения на сопротивлении ZV

;

(7.11)

.

Отсюда можно найти методическую погрешность измерения напряжения:

E = UV  E

методическая погрешность может быть как положительной, так и отрицательной, так как  Zi  может носить индуктивный характер, а  ZV – емкостной, поэтому на высокой частоте возможен резонанс и тогда UV > Е.

Относительная методическая погрешность:

7.4.6. Входные параметры вольтметра.

Рассмотрим эквивалентную схему входной цепи вольтметра, показанную на рисунке 7.11.

На рисунке:

СвхV – емкость входной цепи вольтметра;

RV – резистивная составляющая входного сопротивления вольтметра;

Lвх индуктивность входной цепи вольтметра.

Входную емкость вольтметра указывают без учета емкости соединительных проводников для подключения вольтметра к исследуемому объекту.

С целью уменьшения влияния емкости соединительных проводников и входной емкости вольтметра СвхV в вольтметрах применяют выносные «пробники», в которых помещают входной усилитель с очень высоким входным и малым выходным сопротивлением.

У рядовых вольтметров СвхV =20 ÷ 100 пФ, с пробником – единицы пикофарад.

При СвхV =20 пФ на частоте 50 МГц  емкостная составляющая входного сопротивления вольтметра составит

Отсюда видно, что реактивные элементы входной цепи могут вносить очень большую методическую погрешность измерения. 

8. Литература

1. Метрология, стандартизация и измерения в технике связи. Учебное Пособие для вузов/Б.П.Хромой, А.В.Кандинов, А.Л.Сенявский и др.: Под ред. Б.П.Хромого.-М.: Радио и связь, 1986.

2.Ф. В. Кушнир, В. Г. Савенко, С. М. Верник. Измерения в технике связи: Учебник для вузов. – М.: Связь, 1976. – 432 с.

3.Ф. В. Кушнир, Электроизмерения: Учеб. пособие для вузов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленинград. Отд-ние, 1983. – 320 с.

4. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах. С.И.Боридько, Н.В.Дементьев, Б.Н.Тихонов, И.А.Ходжаев.-М.: Горячая линия-Телеком, 2007.

5. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах. Под ред. В.И.Нефёдова и А.С.Сигова.-М.: Высшая школа, 2005.

6. Н.И.Горлов, И.Н.Запасный, В.И.Сметанин. Оценка инструментальных погрешностей при экспериментальных исследованиях. Методические указания.- Новосибирск: СибГУТИ, 1995.


Лариса Васильевна Гребцова

Игорь Николаевич Запасный

Валентина Борисовна Папэ

Владимир Иванович Сметанин

Измерение напряжения электрических сигналов

методические  указания  к  лабораторной  работе № 3.4

 

по курсам

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ В телекоммуникациОННЫХ СИСТЕМАХ

МЕТРОЛОГИЯ И РАДИОИЗМЕРЕНИЯ

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ

И ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Редактор:     ………………….

Корректор:……………………

Подписано в печать ……………….

Формат бумаги 62 х 84 /16, , шрифт №10,

Изд. л. ….,…..,заказ №……,тираж-…….экз., СибГУТИ.

630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81050. Позиция РФ в Азиатско- Тихоокеанском регионе. Китай. Япония 53.61 KB
  Более 70 внешнеторгового оборота России с азиатскими странами приходится на государства АзиатскоТихоокеанского региона АТР. Наиболее крупными торговыми партнерами России в регионе являются Китай Япония и Республика Корея Южная Корея. Этот процесс завершил урегулирование пограничных проблем в отношениях России и КНР многолетний переговорный процесс который был начат ещё СССР и КНР в 1964 и который помимо переговоров дипломатов сопровождался ещё и кровопролитием с обеих сторон. В отношениях России с КНР важнейшей задачей на ближайшее...
81051. Многосторонние международные институты и международные организации в современных международных отношениях 41.21 KB
  Международные правительственные организации МПО членами которых выступают национальные правительства и которые создаются посредством заключения договоров между государствами. МПО выполняют роль надгосударственных образований т. МПО в зависимости от целей и членства разделяются на универсальные ООН региональные АСЕАН МЕРКОСУР ШОС и функциональные организации МАГАТЕ. В настоящее время существует свыше 300 МПО.
81052. Современная дипломатия как средство регулирования МО 40.72 KB
  съезды конференции совещания и встречиподготовка и заключение многосторонних и 2х мн договоров Участие в работе мн организаций и их органовОсуществление постоянного представительства госва за границей чз посольстваПубликация дипломатическойдокументацииОсвещение в печати позиции правительства по мн вопросамНаиболее часто встречаемые формы диплом документации письма ноты меморандумы.Формы Д:1Двусторонняя Д осуществляемая на постоянной основе через представительства одного госва на территории др2 временная Д. путем посылки в др госво...
81053. МО в Восточной Азии 41.83 KB
  Высокая динамика развития в основе которой опережающие темпы роста стран Восточной Азии их успешный диалог между собой и с внерегиональными державами могут сделать Азиатско-тихоокеанский район основным центром мирового экономического и политического тяготения подобно тому как таким центром в предшествующие эпохи была Европа. Согласно первому к АТР относят гигантский район ограничиваемый западным побережьем обеих Америк восточным побережьем Азии и зоной Австралии. При такой интерпретации в АТР включают и страны Южной Азии.
81054. МО в Южной Азии 42.3 KB
  На долю Индии приходится 734 территории ЮА 765 населения региона и около 80 валового национального продукта производимого здесь так же в военном отношении. Доминирование Индии в регионе вызывает недоверие к ней порождает ощущение угрозы их безопасности. Индия рассматривает проблему обеспечения безопасности страны в рамках всего ЮА региона = стремление защитить и упрочить доминирующие позиции Индии в ЮА. у Пакистана есть атомная бомба и он готов ее применить для обороны от Индии.
81055. МО на Ближнем и Среднем Востоке 45.42 KB
  В качестве компенсации за кражу иракской нефти Саддам Хусейн требует от Кувейта выплаты 24 млрд. Стремясь всячески избежать разрастания конфликта правительство Кувейта заявляет о своей готовности обсудить все спорные вопросы и выделить Ираку займ в размере 9 млрд. 2 августа СБ ООН принимает резолюцию в которой осуждаются агрессивные действия Ирака и содержится требование о немедленном и безоговорочном выводе иракских войск из Кувейта. Арафат который не только одобрил аннексию Кувейта и призвал находившихся там палестинцев сотрудничать с...
81056. Латинская Америка в современных международных отношениях 47.54 KB
  Приток иностранного капитала в Латинскую Америку к середине десятилетия в среднем ежегодно составлял около 50 млрд. Она предусматривает создание единого экономического пространства от Аляски до Огненной Земли. Инициатива для Америк уже в начале десятилетия существенно динамизировала отношения США с латиноамериканскими странами.
81057. Африка в современных МО 46.87 KB
  Перестав быть ареной конфронтации Востока и Запада этот регион утратил свое стратегическое значение в системе внешнеполитических координат ведущих держав а опыт их политического и экономического сотрудничества с африканскими странами подвергся критической переоценке. В этой связи к началу 90х годов как в Африке так и за ее пределами стали распространяться крайне пессимистические настроения в отношении не только отдаленных но и ближайших перспектив региона. Источником афропессимизма стало прежде всего бедственное экономическое положение...
81058. Международные отношения как область науки. Основная проблема международных отношений как отрасли знания: объект, предмет 35.21 KB
  Основными понятиями теории МО являются: МО – совокупность экономических политических правовых идеологических дипломатических военных культурных и других связей и взаимоотношений между субъектами действующими на мировой арене. В целом Мо – это совокупность интеграционных связей между различными национальными сообществами и государствами формирующими единое мировое пространство. В МО включается внутренняя и внешняя политика Мировая политика Объект – система связей в международных отношениях Предмет – изучение систем связей.