37846

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОСЦИЛЛОГРАФ

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Оценить погрешности измерений используя результаты исследования осциллографа и его метрологические характеристики указанные в описании. Объекты измерений задаются преподавателем. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ПРЯМЫХ И КОСВЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ Цель работы – ознакомление с методами обработки результатов прямых и косвенных измерений при однократных и многократных измерениях. 2 при наличии относительно больших случайных погрешностей число измерений и уровень случайных погрешностей задаются преподавателем.

Русский

2013-09-25

595 KB

19 чел.

Лабораторная работа 4.

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОСЦИЛЛОГРАФ

Цель работы исследование метрологических характеристик осциллографа и измерение амплитудных и временных параметров электрических сигналов различной формы.

Задание

  1.  Ознакомиться с органами управления осциллографа и аппаратурой, применяемой для его исследования.
  2.  Определить основные погрешности коэффициентов отклонения и коэффициентов развёртки.
  3.  Определить характеристики нелинейных искажений изображения по осям Y и  X.
  4.  Определить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) канала вертикального отклонения.
  5.  Измерить амплитудные и временные параметры сигналов по указанию преподавателя.
  6.  Оценить погрешности измерений, используя результаты исследования осциллографа и его метрологические характеристики, указанные в описании.

Описание и порядок выполнения работы

Включить осциллограф и подготовить его к работе согласно инструкции. При включении осциллографа на его экране должно появиться изображение луча или двух лучей в зависимости от режима его работы (включен один канал или два); при «заземленных» входах осциллографа (переключатель AC-DC-GND находится в положении GND) на экране должны наблюдаться одна или две горизонтальные линии соответственно.

При отсутствии изображения необходимо установить ручки управления яркостью (INTER) и фокусом (FOCUS) в среднее положение и убедиться, что включен автоколебательный режим работы генератора развертки (переключатель MODE находится в положении AUTO). Затем регулировкой смещения лучей по вертикали (POSITION ↕) и горизонтали (POSITION ) добиться появления их на экране. После этого сфокусировать изображение и установить необходимую для наблюдения яркость.

Для начальной установки лучей при «заземленных» входах (переключатель AC-DC-GND в положении GND) совместить (POSITION ↕) изображение каждого луча со средней линией сетки на экране и установить (POSITION ) начало развертки луча у левого края экрана, отступив на 0,5…1 деления сетки от края.

Схема испытания осциллографа приведена на рис. 4.1, где ЭЛО – электронно-лучевой осциллограф, ГС – генератор сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы, V – электронный вольтметр; используемые средства соединены в соответствии со схемой коаксиальными кабелями.

Основные погрешности коэффициентов kо отклонений и коэффициентов kр развёртки определяются путем сравнения номинальных значений коэффициентов, устанавливаемых на осциллографе (переключателями VOLTS/DIV и TIME/DIV), с их действительными значениями, найденными экспериментально.

Погрешности коэффициентов отклонения определяют при 1-2 его номинальных значениях1, например при kо = (0,5; 1) В/дел. Для этого на вход 1 канала вертикального отклонения с ГС подают синусоидальный сигнал частотой 1 кГц и устанавливают такое его напряжение, при котором размер L2A изображения двойной амплитуды синусоиды составлял бы 6 (больших) делений сетки (для осциллографа GOS-620). Напряжение, необходимое для получения такого изображения, измеряют электронным вольтметром. Коэффициент kр развёртки в этом эксперименте может быть любым, при котором удобно наблюдать синусоидальный сигнал и измерять его амплитуду.

Действительный коэффициент отклонений (В/дел; мВ/дел; мкВ/дел) определяется выражением:

= U2А/L,

где U – напряжение, равное двойной амплитуде, рассчитываемое на основании показаний вольтметра (электронный вольтметр измеряет действующее значение синусоидального напряжения); L – размер изображения двойной амплитуды сигнала.

Относительная погрешность коэффициента отклонения (в процентах)

,

где kо – установленный номинальный коэффициент отклонения.

Оценка погрешностей коэффициентов kр развертки проводится также для 1-2 его номинальных значений. При этом коэффициент kо отклонений устанавливается удобным для наблюдений сигналов на экране.

Для определения действительного значения коэффициента развертки на вход осциллографа подается сигнал прямоугольной (или синусоидальной) формы с известным периодом Т. При установленном коэффициенте развертки kр изменением частоты f генератора сигналов ГС добиваются изображения n =  = (1…3) целых периодов входного сигнала. На экране осциллографа определяют размер LnT изображения n целых периодов, выраженный в больших делениях шкалы. Действительный коэффициент развертки (с/дел; мс/дел; мкс/дел) определяется выражением:

,

где f и Т – частота и период входного сигнала, при котором на экране осциллографа наблюдались n его целых периодов.

Относительная погрешность коэффициента развертки (в процентах)

,

где kр – установленный номинальный коэффициент развертки.

Определение характеристик нелинейных искажений изображения. Эффекты искажения формы сигнала, вызванные нелинейностью функций преобразования напряжений и интервалов времени в соответствующие им размеры изображения сигналов на экране осциллографа, характеризуются максимальной нелинейностью амплитудной характеристики канала и максимальной нелинейностью развертки. Оценить оба параметра можно с помощью сигнала прямоугольной формы скважностью q = 0,5. Для этого следует установить такое значение амплитуды сигнала, чтобы размер изображения по оси Y в центре экрана занимал не менее 6 делений, а также частоту генератора, при которой по оси Х полностью разместились бы 5 полупериодов сигнала (точную установку размера можно обеспечить изменением частоты генератора сигналов или регулятором плавного изменения коэффициента развертки осциллографа). Вариант наблюдаемой осциллограммы представлен рис. 4.2.

Нелинейность амплитудной характеристики канала вертикального отклонения (в процентах) оценивают отношением

,

где max{|LY1LY |, |LY2LY |} – максимальная разность (по модулю) размеров изображения амплитуды сигнала по вертикали, в делениях, LY – размер амплитуды в центре экрана. Нелинейность развёртки (в процентах) определяют отношением

,

где max {|LX1LХ |, LХ2LХ |} – максимальная разность (по модулю) размеров изображений полупериодов сигнала, LХ – размер изображения полупериода в центре экрана.

Определение амплитудно-частотной характеристики канала вертикального отклонения. АЧХ канала вертикального отклонения определяют как зависимость размера LY  изображения по оси Y амплитуды синусоидального сигнала на экране ЭЛТ от его частоты при неизменном напряжении сигнала на входе канала.

Рабочей полосой пропускания канала считают диапазон частот f, для которого неравномерность АЧХ не превосходит некоторой заранее установленной величины. Например, часто используется величина допустимого спада АЧХ при изменении частоты, равная 3 дБ, что соответствует уменьшению размера изображения сигнала до 0,707 от его значения на некоторой номинальной частоте, определенной для каждого типа осциллографа. Крайние значения диапазона частот, удовлетворяющего указанным требованиям, являются верхней fв и нижней fн граничными частотами рабочей полосы пропускания канала осциллографа.

Определение АЧХ проводят также по схеме, представленной на рис. 4.1. В качестве источника сигналов используется генератор SFG-2000, который обеспечивает постоянство амплитуды выходного сигнала при изменении частоты в его рабочем диапазоне. В этом эксперименте электронный вольтметр не является образцовым прибором, поскольку частотный диапазон его уже частотного диапазона осциллографа.

Сначала регулировкой выходного напряжения ГС устанавливают размер L = 6 делений изображения по вертикали двойной амплитуды сигнала на частоте f0 = 1 кГц для осциллографа GOS-620. В дальнейшем при определении АЧХ выходное напряжение генератора не изменяют.

АЧХ удобно определять отдельно для областей верхних и нижних частот. В области верхних частот АЧХ начинают снимать с шагом 2 МГц: 1 кГц (начальная точка АЧХ), 2 МГц, 4 МГц, … до частоты, при которой амплитуда изображения сигнала упадет до величины порядка 0,5…0,7 от первоначально установленной при f0 = 1 кГц. Для уточнения верхней частоты f в рабочей полосы частот f осциллографа необходимо в районе предположительного спада АЧХ до 0,707 (3 дБ) дополнительно снять АЧХ с меньшим шагом изменения частоты входного сигнала1. Результаты испытаний записать в таблицу, где L( f ) – размер изображения сигнала на частоте f, K(f) – АЧХ, представленная в относительных единицах для соответствующих частот f, K( f ) = L( f ) / L( f0 = 1 кГц), kо – коэффициент отклонений, при котором проводился эксперимент, fв – верхняя граничная частота рабочей полосы пропускания канала, найденная в эксперименте.

Область верхних частот

f, МГц

0,001

2

4

L2A(f), дел.

K(f)

kо = … В/дел

fв = ... МГц

В области нижних частот АЧХ определяют отдельно для закрытого (AC) и открытого (DC) входов канала вертикального отклонения. Поскольку нижняя частота fн рабочей полосы частот f для закрытого входа у осциллографов обычно находится в области единиц и первых десятков Гц, процедура определения АЧХ для закрытого входа может быть следующей: сначала уменьшают частоту от f0 = 1000 Гц через 200 Гц, а затем от 50 Гц – через 10 Гц. Если необходимо, можно уточнить нижнюю частоту fн рабочей полосы, при которой АЧХ падает до 0,707, снятием дополнительных точек с шагом 1 Гц.

Определение АЧХ для открытого входа проводится при тех же частотах.

Результаты испытаний представляют в таблице.

Область нижних частот

f, Гц

1000

800

50

40

9

8

L2A(f), закр. вх., дел.

K(f), закр. вх

kо = … В/дел;  для закрытого входа  fн = … Гц

L2A(f), откр. вх., дел.

K(f), откр. вх

kо = … В/дел.;  для открытого входа  fн = … Гц

По результатам проведенных исследований строятся графики АЧХ для верхних и нижних частот.

Применение осциллографа для измерения параметров сигналов. Объекты измерений задаются преподавателем. Измеряемые сигналы подаются с помощью коаксиального кабеля на второй вход (CH2) осциллографа и устанавливается необходимый режим работы для визуального наблюдения сигналов (переключатель MODE находится в положении CH2; регуляторы POSITION «↕ , » в положениях, обеспечивающих наблюдение луча по второму каналу; режим синхронизации: AUTO или NORM; CH2, LEVEL в положении, обеспечивающем устойчивую синхронизацию). Для измерения параметров сигналов коэффициенты развертки и отклонения канала вертикального отклонения устанавливают такими, чтобы на экране ЭЛТ появилось изображение одного-двух периодов исследуемого сигнала с достаточно большой для измерения амплитудой.

Амплитуду сигнала (в вольтах) определяют из соотношения

U = kо LА ,

где kо.  коэффициент отклонения, В/дел.; LА  размер амплитуды, в делениях,

Относительная погрешность А измерения амплитуды

А =+ н а + в а,

где относительная погрешность коэффициента отклонения, н а  относительная погрешность нелинейности вертикального отклонения, в а  относительная визуальная погрешность.

Погрешности и н а выбираются из полученных при исследовании или, если они не определялись, из технических характеристик осциллографа.

Визуальную погрешность (в процентах) находят из соотношения

ва = 100(b/ LА),

где LА  размер изображения амплитуды, в делениях, b  абсолютная погрешность оценки LА, зависящая от толщины линии изображения сигнала на экране (фокусировки) и от субъективной погрешности отсчитывания LА, часто b принимают равной толщине линии изображения сигнала на экране луча, в делениях.

Длительность временных параметров (периода, длительности импульса и т. п.) сигнала вычисляют по формуле

tТ = kр LT ,

где kр  коэффициент развертки, С/дел.; LT  размер измеряемого параметра, в делениях, на изображении сигнала по оси X.

Относительная погрешность t измерения временных параметров

t = + н р + в д,

где погрешность коэффициента развертки, н р  погрешность нелинейности развертки, в д  визуальная погрешность измерения длительности.

Погрешность в д  (в процентах) можно найти из формулы

в д = 100(b / LТ),

где LT  размера измеряемого параметра по горизонтали, b  абсолютная погрешность оценки LТ (см. оценку в а ранее).

Лабораторная работа 5.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
ПРЯМЫХ И КОСВЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Цель работы – ознакомление с методами обработки результатов прямых и косвенных измерений при однократных и многократных измерениях.

Задание

  1.  Ознакомиться с лабораторным стендом и сменным модулем «Прямые, косвенные и совместные измерения».
  2.  Прямые однократные измерения. Измерить напряжение на выходе резистивного делителя (по указанию преподавателя).  Результат однократного измерения напряжения записать в вид Ux = U ± ΔU.
  3.  Косвенные однократные измерения. Измерить ток, протекающий через резистивный делитель, путем измерения напряжения на образцовом сопротивлении. Результат однократного измерения тока записать в виде Ix = I ± ΔI.

Измерить мощность Pmx3, выделяемую на участке резистивного делителя с помощью цифрового вольтметра и образцового резистора известного сопротивления. Результат однократного измерения мощности записать в виде Pmx = Pm ± ΔPm.

  1.  Прямые многократные измерения4. Измерить несколько раз напряжение, указанное в п. 2, при наличии относительно больших случайных погрешностей (число измерений и уровень случайных погрешностей задаются преподавателем). Обработать полученные данные и результат измерений напряжения записать в виде Ux =  ± ΔU,    P = … .
  2.  Косвенные многократные измерения. При наличии относительно больших случайных погрешностей измерить несколько раз ток, определяемый в соответствии с п. 3. Обработать полученные данные и результат измерений тока записать в виде  Ix =  ± ΔI,  P = … .

Измерить несколько раз мощность, определяемую в соответствии с п. 3, при наличии относительно больших случайных погрешностей. Обработать полученные данные и результат измерений мощности записать в виде ,   P = … .

Описание и порядок выполнения работы

Сменный модуль, устанавливаемый на лабораторном стенде для выполнения работы, включает объекты испытаний (резистивные делители, линейные и нелинейные преобразователи) и вспомогательные устройства (набор образцовых сопротивлений, генератор случайных сигналов ГСС, двухвходовой сумматор Σ, блок выборки и хранения БВХ, двухпозиционный переключатель П).

Для выполнения лабораторной работы на вертикальном стенде используются источник постоянного напряжения, цифровые вольтметры и генератор сигналов ГС прямоугольной формы.

Для проведения однократных прямых и косвенных измерений используется схема, представленная на рис. 5.1, в которой пунктиром обведены ее элементы, расположенные на модуле, а источник питания и вольтметры находятся на вертикальном стенде.

Обработка результатов однократных прямых измерений напряжения. Объектом испытаний для прямых измерений является резистивный делитель напряжения, состоящий из нескольких последовательно соединенных резисторов, например R1, R2, R0 (указываются преподавателем); R0 – образцовое сопротивление. На вход делителя подают постоянное напряжение, контролируемое цифровым вольтметром Vк. Выходное напряжение на сумме сопротивлений R2 и R0 измеряют цифровым вольтметром V; переключатель П в этом случае устанавливается в положение 1. При отсутствии случайных погрешностей результат измерения находят по однократному показанию U вольтметра V.

Погрешность ΔU результата измерений в данном случае определяется инструментальной погрешностью вольтметра, которую находят по его классу точности (см. введение). Результат однократного измерения следует представить в виде

Ux = U ± ΔU.           (5.1)

Обработка результатов однократных косвенных измерений. Результатами косвенных измерений по схеме на рис. 5.1 могут быть, например, ток, протекающий через резисторы, и мощность, выделяемая на резисторах R2 и R0.

При косвенном измерении тока определяют напряжение U0 на известном образцовом сопротивлении R0; переключатель в этом случае ставится в положение 2. Ток, протекающий через резисторы, I = U0/R0. В этом случае относительная погрешность измерения тока

  U0 +  R0,

где U0 = (U0 /U0)100 % – относительная погрешность измерения напряжения, %; U0 – абсолютная погрешность измерения напряжения, определяемая классом точности вольтметра, В; R0 – относительная погрешность сопротивления образцового резистора, % (указывается в описании).

Абсолютная погрешность косвенного измерения тока  I = I  /100, А.

Результат однократного косвенного измерения тока представляют в виде

При измерении мощности, выделяемой на резисторах R2 и R0, используется известное соотношение Pm = UI. Значения U и I были определены в предыдущих опытах. Относительная погрешность измерения мощности

P = U + ,

где U,  – относительные погрешности измерения напряжения и тока, определены выше.

Абсолютная погрешность измерения мощности Pm = Pm  Pm /100.

Результат измерения мощности представить в виде

Pmх = Pm  ± Δ Pm.

Обработка многократных измерений. Влияние случайных погрешностей на результаты измерений исследуется путем суммирования измеряемых напряжений со случайными сигналами. Схема проведения экспериментов представлена на рис. 5.2, где штриховой линией обведены элементы схемы, расположенные на модуле; остальные элементы схемы находятся на вертикальном стенде. В этой схеме, по сравнению со схемой однократных измерений (рис. 5.1), введены:

  •  генератор случайных сигналов ГСС с задающим генератором сигналов ГС прямоугольной формы; дисперсия выходного сигнала ГСС регулируется внутренним переключателем (положения 1…5) и частотой задающего генератора ГС; выходной сигнал генератора ГСС имеет нормальное распределение;
  •  сумматор , позволяющий суммировать напряжение с испытуемого резистивного делителя и напряжение случайного сигнала с ГСС;
  •  блок выборки и хранения БВХ, предназначенный для получения дискретных значений измеряемой величины, содержащих случайные погрешности.

При исследовании влияния случайных погрешностей измеряются те же величины, что и при однократных измерениях, падение напряжения на выбранном участке резистивного делителя (прямые измерения), ток и мощность, выделяемая на этом участке (косвенные измерения).

Обработка результатов многократных прямых измерений напряжения. Для исследования влияния случайных погрешностей устанавливают на ГСС (по указанию преподавателя) определенный уровень дисперсии случайной погрешности и проводят n (по указанию преподавателя) прямых измерений выходного напряжения делителя. Каждое из измерений получают нажатием кнопки «Выборка» на УВХ.

Далее необходимо произвести обработку полученных результатов в такой последовательности:

а) найти среднее арифметическое отдельных результатов наблюдений

,

где n – число наблюдений; принять  за действительное значение измеряемой величины (результат измерения);

б) найти оценку дисперсии случайной погрешности измерений

;

в) найти оценку дисперсии погрешности результата измерения

.

Номер измерения

Ui, В

, В

S2[U], В2;

S [U], В

S2, В2;

, В

Результаты измерений и вычислений свести в таблицу, где в 3–5-м столбцах представлены результаты обработки;

г) доверительный интервал погрешности результата измерений при нормальном законе распределения случайных погрешностей определяется выражением

,

где tp(f) – коэффициент распределения Стьюдента, соответствующий задаваемой доверительной вероятности P и числу степеней свободы f . В рассматриваемом случае f = n – 1. Значение P задается преподавателем. Некоторые значения коэффициента Стьюдента приведены в таблице. Отсутствующие значения можно найти линейной интерполяцией соседних значений.

Доверительная вероятность P

Коэффициент Стьюдента при числе степеней свободы f

4

5

6

7

8

10

15

20

0,90

2,13

2,02

1,94

1,86

1,81

1,75

1,72

1,70

1,65

0,95

2,77

2,57

2,45

2,31

2,23

2,13

2,09

2,04

1,96

0,98

3,75

3,36

3,14

2,90

2,76

2,60

2,53

2,46

2,33

При числе степеней свободы более 30 можно пользоваться графой , соответствующей нормальному закону распределения;

д) результат измерения напряжения записать в виде

Обработка результатов многократных косвенных измерений мощности. Методика определения мощности полностью совпадает с методикой при однократных измерениях.

Для исследования влияния случайных погрешностей устанавливают на ГСС (по указанию преподавателя) некоторый уровень дисперсии случайной погрешности и проводят (по указанию преподавателя) по n измерений выходного напряжения делителя в положениях 1 и 2 переключателя П (рис. 5.2). Каждое измерение проводят нажатием кнопки «выборка» на БВХ. В результате получают два ряда значений напряжений U1i и U2i; индексы 1 и 2 соответствуют положению переключателя П,  i = 1, 2, … n.

Обработка результатов каждого ряда измерения напряжений проводится аналогично указанной ранее обработке результатов многократных прямых измерений и заполняются такие же таблицы (пп. г и д не выполняются).

Результат измерения мощности при многократном косвенном измерении

,                                      (5.2)

где   средние значение напряжений для двух рядов измерений, среднее значение тока, текущее через сопротивление образцового резистора. Предполагается, что случайные погрешности много больше погрешности образцового сопротивления, которой в данном расчете пренебрегаем.

Определим доверительный интервал результата измерений. Из формулы полного дифференциала  и формулы (5.2) следует

             (5.3)

Поскольку использовался один и тот же ГСС, можно определить уточненную дисперсию средних  с числом степеней свободы f = 2n – 2 и использовать ее в (5.3) вместо . Результат измерения мощности следует записать в виде

,  Р =  ,

где kp(f) – коэффициент Стьюдента, соответствующий числу степеней свободы  f = 2n  2 и доверительной вероятности Р.

Лабораторная работа 6.

ДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Цель работы  изучение динамического режима средств измерений.

Задание

  1.  Ознакомиться с лабораторной установкой. Собрать схему исследования динамического звена 2-го порядка. Получить у преподавателя задание на выполнение лабораторной работы. Записать частоту f0 собственных колебаний и коэффициент демпфирования (степень успокоения) для заданных вариантов реализации динамического звена.
  2.  Исследовать динамический режим заданных средств измерений при ступенчатом изменении входного сигнала.

2.1. Определить динамическую погрешность при заданных параметрах звена 2-го порядка и выбранных амплитуде и частоте входных сигналов прямоугольных импульсов; погрешность определить в 6…10 точках на одном полупериоде входного сигнала. Построить графики входного и выходного сигналов исследуемого средства. Построить графики динамической погрешности. По результатам исследований сделать выводы о влиянии  f0 и/или на характер изменения выходного сигнала и динамическую погрешность.

2.2. Определить время tу установления выходного сигнала для различных частот f0i собственных колебаний при заданном коэффициенте демпфирования . Построить график зависимости tу = F(f0i) при = const. При определении времени установления принять погрешность асимптотического приближения переходного процесса, равную 5 % от установившегося значения.

2.3. Определить время tу установления выходного сигнала для различных коэффициентов i демпфирования при заданной частоте  f0 собственных колебаний. Построить график зависимости tу = F(i) при  f0 = const. По результатам пунктов 2.2, 2.3 сделать выводы о влиянии  f0 и на время установления tу.

  1.  Исследовать динамический режим средств измерений при синусоидальном входном воздействии. Определить погрешности в динамическом режиме при указанных параметрах (f0, ) звена 2-го порядка и заданной частоте входного сигнала; погрешности определить в 8…10 точках на одном периоде сигнала. Построить графики входного и выходного сигналов, график динамической погрешности. Сделать вывод о характере изменения динамической погрешности и оценить ее максимальное (амплитудное) значение.

Описание и порядок выполнения работы

Общие сведения. Изменение входного сигнала во времени может значительно повлиять на результаты измерений. Важными при этом являются, во-первых, характер изменения сигнала, т. е. его динамические свойства, и, во-вторых, «скорость реакции» средства измерений на входное воздействие, определяемая динамическими характеристиками этого средства. В таких случаях говорят о динамическом режиме средства измерений.

При анализе динамического режима средств измерений оказывается весьма удобным рассматривать идеальные и реальные средства измерений, сопоставляя реакцию этих средств на одни и те же входные воздействия.

Идеальные в динамическом смысле средства измерений СИи, иначе безынерционные, имеют, как правило, линейную зависимость выходного сигнала yи(t) от входного x(t): yи(t) = kнx(t), где kн – номинальный коэффициент преобразования. Очевидно, что в таких средствах измерений выходной сигнал во времени полностью повторяет входной с точностью до множителя kн.

В реальных средствах измерений СИр выходной сигнал y(t) в силу указанных причин будет иметь более сложную зависимость от входного сигнала, в частности, описываемую дифференциальными уравнениями соответствующего порядка.

Разность между выходным сигналом y(t) реального средства измерений и выходным сигналом yи(t) (сигнал идеального средства измерений) при одном и том же входном сигнале x(t) определяет динамическую погрешность по выходу реального средства СИр  измерений:

y(t) = y(t) – yи(t).1                                             (6.1)

Рисунок 6.1 иллюстрирует возможный вариант входного x(t) и выходных yи(t), y(t) сигналов идеального и реального средств измерений и возникающую при этом динамическую погрешность y(t). На рис. 6.2 показана структурная схема, удобная для интерпретации и оценки возникающей динамической погрешности.

Структурная схема лабораторной установки. Лабораторная установка состоит из трех основных блоков:

  •  унифицированной вертикальной стойки, включающей источники питания, генератор сигналов прямоугольной, синусоидальной и треугольной формы и измерительные приборы – цифровой частотомер и два цифровых вольтметра;
  •  двухканального электронно-лучевого осциллографа;
  •  специализированного горизонтального модуля, предназначенного для выполнения конкретной лабораторной работы – исследования динамического режима средств измерений.

В специализированном горизонтальном модуле находится объект исследования – фильтр нижних частот (ФНЧ) 2-го порядка, в котором предусмотрена возможность дискретного изменения частоты собственных колебаний 4 положения, и коэффициента демпфирования (или степени успокоения) так же 4 положения. Различным сочетанием этих параметров достигается широкий диапазон изменения динамических характеристик объекта исследования. Ручки переключения соответствующих параметров установлены на лицевой панели пульта в правой верхней его части.

Структурная схема лабораторной установки представлена на рис. 6.3, где ЭЛО – двухканальный электронно-лучевой осциллограф, имеющий вход по оси Z; приборы, установленные на вертикальном стенде: ГС – генератор сигналов прямоугольной, синусоидальной и треугольной формы, ЦВ1 и ЦВ2 – цифровые вольтметры, ЦЧ – цифровой частотомер; устройства, встроенные в горизонтальный пульт (на схеме обведены штриховой линией): ФНЧ – фильтр нижних частот, УВХ1 и УВХ2 – устройства выборки и хранения мгновенных значений напряжений входного и выходного сигналов ФНЧ соответственно, блок синхронизации («Синхронизация»), блок управления выборкой («Управление выборкой»). Управление временем выборки осуществляется двумя потенциометрами, установленными в нижней правой части передней панели модуля.

Рекомендации по сборке схемы. При сборке принципиальной схемы, соответствующей структурной схеме (рис. 6.3), все связи реализуются двухпроводными линиями с соблюдением «земляных» зажимов. Входы Y1, Y2, Z осциллографа имеют коаксиальные кабели.

Перед проведением экспериментов необходимо совместить начальную установку лучей по обоим каналам осциллографа и установить одинаковые коэффициенты отклонений, удобные для визуального наблюдения. Установить коэффициент развертки, при котором на экране осциллографа наблюдается один период (или полупериод) входного сигнала.

Принцип работы схемы и методические указания. Лабораторная установка позволяет одновременно наблюдать входные и выходные сигналы объекта исследования – фильтра нижних частот на экране двухканального осциллографа и измерять мгновенные значения напряжения этих сигналов в определенные моменты времени, устанавливаемые в процессе измерений. Таким образом, на установке реализуются дискретные измерения переменных во времени сигналов.

Выходные сигналы генератора ГС используются как испытательные сигналы для ФНЧ, относительно которых реализуется общая синхронизация работы всей установки. Вид сигналов, их частота и амплитуда определяются заданием.

Для визуального наблюдения входного и выходного сигналов ФНЧ эти
сигналы подаются соответственно на входы
Y1 и Y2 двухканального осциллографа, работающего в режиме внешней синхронизации. Для запуска развертки блоком «Синхронизация» при положительном фронте входного сигнала

(см. также рис. 6.4) вырабатывается импульс синхронизации, который подается на вход «Вн. синхр» осциллографа и запускает генератор развертки. Этим достигается устойчивое изображение сигналов на экране при заданном моменте начала развертки, совпадающим с передним фронтом входного импульса. Фрагмент такого изображения, а также управляющие импульсы представлены на рис. 6.4.

Измерение сигналов проводят в некоторые дискретные моменты времени. Выбор точек измерений проводится из соображений возможности восстановления непрерывных кривых сигналов, как, например, показано на рис. 6.4, где измерения проводятся в точках 1, 2, …, 7, определяющих экстремумы и точки пересечения кривых изображения сигналов.

Момент времени измерений определяется импульсом управления выборкой, который вырабатывается блоком «Управление выборкой» с некоторой временной задержкой относительно импульса синхронизации. Величина этой задержки (  var) регулируется вручную на пульте управления. Для визуального наблюдения положения импульса на осциллограмме этот импульс подается на вход Z осциллографа и запирает электронный луч, что

наблюдается в виде «пробела» на осциллограмме (см. т. 3 на рис. 6.4). Установленное время задержки измеряют цифровым частотомером ЦЧ в режиме измерения временного интервала при старт-стопном запуске.

Измерение мгновенных значений напряжений осуществляется с помощью устройств выборки и хранения УВХ и цифровых вольтметров ЦВ, установленных в цепях входа (УВХ1, ЦВ1) и выхода (УВХ2, ЦВ2) ФНЧ.

С приходом импульса управления выборкой в УВХ запоминается текущее мгновенное значение напряжения и сохраняется в течение достаточно большого времени, необходимого для измерения напряжения цифровым вольтметром ЦВ.

Таким образом проводятся измерения входных uвхi и выходных uвыхi сигналов ФНЧ в выбранных дискретных точках ti, где ti – моменты времени измерения напряжений, отсчитываемые от импульса синхронизации. Результаты измерений по каждому эксперименту заносятся в таблицу.

ti

t1

t2

tn

uвх i

uвх1

uвх2

uвх n

uвых i

uвых1

uвых2

uвых n

По полученным дискретным точкам строятся требуемые по заданию графики. Приводятся выводы по работе.

Лабораторная работа 7. 

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ
В ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМАХ

Цель работы изучение способов и средств измерения амплитудных и временных параметров сигналов в электронных цепях.

Задание

  1.  Ознакомиться с имеющейся на рабочем месте аппаратурой и получить у преподавателя конкретные пункты задания для выполнения.
  2.  Измерить режим работы усилителя на постоянном токе; оценить погрешности измерений.
  3.  Измерить коэффициент усиления усилителя.
  4.  Измерить коэффициенты формы и амплитуды сигналов специальной формы на двух (трех) частотах; оценить погрешности результатов.
  5.  Измерить постоянную времени интегратора. Оценить погрешность результата.

Описание и порядок выполнения работы

Измерение режимов работы усилителя на постоянном токе. Объектом исследования является усилитель переменного тока, схема которого представлена на рис. 7.1. Перед исследованием необходимо подать на усилитель питание напряжением Uп = 9…10 В с источника постоянного напряжения стенда, обязательно соблюдая полярности указанные на схеме.

Режим усилителя по постоянному току определяется в контрольных точках КТ2…КТ4 относительно отрицательного потенциала питания; для удобства изложения все точки, имеющие в данном случае одинаковый с минусом питания потенциал, часто именуются шиной (или общей шиной).

Измерения напряжений проводят вольтметром постоянного тока, находящимся на стенде, или электроннолучевым осциллографом, работающим в режиме с открытым входом.

Результаты измерений должны быть представлены в виде

,

где   значения напряжений, измеренные вольтметром или осциллографом в соответствующих контрольных точках,   абсолютные погрешности измерения напряжений (измерение напряжений соответствующими средствами и способы оценки погрешностей представлены в инструкциях пользователей к соответствующим приборам; в разделе «Применение осциллографа для измерения параметров сигналов» лаб. раб. 4 и во введении).

Прямые измерения напряжений в контролируемых точках возможны, если входное сопротивление вольтметра/осциллографа существенно больше сопротивлений участков цепи, где проводятся измерения; в этом случае шунтирующим влиянием средств измерений можно пренебречь.

Особое внимание необходимо уделять измерению напряжений во входных цепях усилителей, которые часто делают высокоомными. В этом случае прямые измерения напряжения в контрольной точке КТ2 могут привести к большой погрешности измерений из-за шунтирующего влияния самих средств измерений.

1 При установке номинальных коэффициентов отклонения и развертки необходимо следить, чтобы ручки плавной регулировки этих коэффициентов находились в крайнем правом (по часовой стрелке) положении.

1Поскольку верхняя частота fв полосы пропускания осциллографа соизмерима с максимальной частотой генератора, то в случае, если не достигается требуемый спад АЧХ осциллографа, принять для данного эксперимента за верхнюю частоту fв максимальную частоту генератора с указанием уровня спада АЧХ.

3 В обозначение мощности «Р» искусственно введен индекс «m» c целью отличия от такого же общепринятого обозначения вероятности Р.

4 Для иллюстрации достоинств многократных измерений  эксперименты пп. 4 и 5 по указанию преподавателя могут быть проведены дважды: при небольшом числе измерений (5…7) и числе измерений 20…25. Число измерений и количество экспериментов задаются преподавателем.

1 В общем случае выражение (6.1) включает динамическую и статическую погрешности средств измерений. Однако в данной работе будем считать, что статическая погрешность пренебрежимо мала.

40

 40 -

LY

Рис. 4.2

LX1

LХ2

LХ

LY2

LY1

Рис. 4.1

V

ГС

    Вх.2

Вх.1

ЭЛО

Рис. 6.2

Рис. 6.1

yи(t) = kнx(t)

y(t)

x(t)

y(t)

x(t)

y(t)

t

CИи

CИр

x(t)

yи (t)

y(t)

y(t)

Синхронизация

Управление выборкой

( = var)

Вн. синхр.

 ЦЧ

ЦВ2

ЦВ1

 ЭЛО

 ГС

УВХ2

УВХ1 

..ФНЧ 

 Z

Y2

Y1

(Старт)

(Стоп)

Рис. 6.3

(f0 = var, = var)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

37125. Столыпинская программа индустриализация страны, результаты её осуществления 19.27 KB
  Ее центральной идеей явились: насильственное разрушение крестьянской земельной общины и создание на ее развалинах новой системы земледелия порождающей господство крепких хозяев. Задачи новой реформы решались не за счет помещичьих земель а путем облегчения покупки земельных угодий и создания условий переселения в Сибирь где были огромные массивы неосвоенных земель. Малоземелье толкало крестьян на конфликты с помещиками обладающими огромными земельными массивами а поэтому столыпинская реформа представляла собой попытку вынести вспыхивающие...