51229

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ В ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМАХ

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Поскольку в практике встречаются сигналы различной формы то важно учитывать тип детектора и в каких значениях напряжения проградуирована шкала вольтметра. Прежде чем приступить к измерению напряжения необходимо на основании предварительного анализа сигнала форма частота возможный порядок напряжения и участка цепи к которому будет подключаться вольтметра характер цепи эквивалентное сопротивление цепи а также с учетом требований к точности результата измерений выбрать тип вольтметра. При этом следует использовать сведения о MX...

Русский

2014-02-08

305.66 KB

25 чел.

Лабораторная работа №2

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ В ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМАХ

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

Задание

1. Ознакомиться с имеющейся на рабочем месте аппаратурой

2. Измерить коэффициенты формы и амплитуды.

3. Измерить режим работы усилителя на постоянном токе.

4. Определить амплитудно-частотную характеристику усилителя.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Особенности измерения напряжений привели к созданию разнообразных вольтметров (электромеханических и электронных), отличающихся назначением и техническими характеристиками. Основные метрологические характеристики (MX) вольтметров следующие: цена деления равномерной шкалы или минимальная цена деления неравномерной шкалы (для аналогового СИ); вид выходного кода, число и вес разрядов кода, номинальная цена единицы наименьшего разряда кода (для цифрового СИ); класс точности, активное входное сопротивление и входная емкость.

Поскольку в практике встречаются сигналы различной формы, то важно учитывать тип детектора, и в каких значениях напряжения проградуирована шкала вольтметра.

Прежде чем приступить к измерению напряжения, необходимо на основании предварительного анализа сигнала (форма, частота, возможный порядок напряжения) и участка цепи, к которому будет подключаться вольтметра (характер цепи, эквивалентное сопротивление цепи), а также с учетом требований к точности результата измерений выбрать тип вольтметра. При этом следует использовать сведения о MX вольтметра, о его схемных особенностях (тип детектора, тип входа - открытый или закрытый), а также, в каких значениях напряжения проградуирована шкала вольтметра.

Частота измеряемого напряжения должна находиться в пределах рабочего диапазона частот вольтметра; ожидаемое значение измеряемого напряжения - в пределах диапазона измеряемых напряжений.

Входное сопротивление вольтметра, представляющее собой параллельное соединение активного сопротивления RBX и емкости СВХ, не должно оказывать существенного влияния на режим цепи, к которой подключается вольтметр.

Влияние Rвх и Свх на исследуемую цепь приводит к необходимости внесения поправки впоказание вольтметра. Например, если входное сопротивление вольтметра Rвх →∞, то напряжение постоянного тока на выходе резистивного делителя напряжения R1÷ R2  составит:

,                                                (2.1)

где Е- напряжение на входе делителя напряжения.

После включения вольтметра экспериментально определяемое значение напряжения на входе делителя составит:

.                            (2.2)

Относительная поправка к показанию вольтметра за счет влияния   Rвх составит:

.                             (2.3)

При работе делителя на переменном токе, в области высоких частот начинает сказываться емкостная составляющая Свх комплексного входного сопротивления вольтметра.

При измерении переменного напряжения целью является нахождение какого-либо его значения (средневыпрямленного Uc.в.з, среднеквадратического Uc.к амплитудного Um). Отношение амплитудного значения к среднеквадратическому называется коэффициентом амплитуды kА сигнала, который определяется по формуле

,                                          (2.4)

а отношение среднеквадратического значения к средневыпрямленному - коэффициентом формы kф сигнала, который определяется по формуле

.                                       (2.5)

Большинство вольтметров переменного тока имеет шкалы, проградуированные в среднеквадратических значениях сигнала синусоидальной формы, что определяет необходимость пересчета показаний вольтметра при измерении напряжения сигналов, форма которых отлична от синусоидальной. По показаниям вольтметров Uпок можно найти U, U и Um для периодического сигнала любой формы. Для этого надо учесть, какому значению напряжения входного сигнала соответствует показание вольтметра и как проградуирована шкала прибора, т.е. какой градуировочный коэффициент при этом применялся.

Всегда показание любого вольтметра соответствует такому значению исследуемого сигнала, какой детектор применен в вольтметре (амплитудный, средневыпрямленного значения или квадратичный).

Тип входа вольтметра (открытый или закрытый) определяет возможность прохождения постоянной составляющей исследуемого сигнала.

Точность показаний вольтметра может быть оценена с учетом класса точности используемого вольтметра.

Очень часто в инженерной практике при измерении напряжений используется электроннолучевой осциллограф (ЭО). Измерив по осциллограмме расстояние lм (в делениях), соответствующее амплитуде сигнала, и умножив его значение на установленное значение коэффициента Ку отклонения, можно определить напряжение.

Пример: Положение переключателя ЭО: в/дел - 2; отклонение луча по вертикали lм - 2 дел.

Амплитуда сигнала синусоидальной формы:

.

Среднеквадратическое значение: .

Подготовка приборов к работе осуществляется в соответствии с инструкциями по эксплуатации, имеющимися на рабочем месте.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Перед началом выполнения работы ознакомится со стендами, представленными на рис. 2.1. и 2.2.

1. Для измерения коэффициента формы и амплитуды необходимо воспользоваться встроенным в установку преобразователями переменного напряжения в постоянное и вольтметрами постоянного тока. Чтобы собрать вольтметр действующего значения (или среднего выпрямленного, или амплитудного значений) сигнала следует выход соответствующего преобразователя соединить с входом вольтметра постоянного тока; вход преобразователя при этом становится входом вольтметра действующего значения (или иного). Составленный таким образом вольтметр обладает следующими характеристиками: пределы допускаемой приведенной (к пределу измерения 20В) основной погрешности измерения γ =±1% в диапазоне  входных напряжений ±7В, в диапазоне частот от 20 Гц до 50 Гц.

2. Для измерения коэффициента формы (или амплитуды) собрать схему изображенную на рис.2.3.

2.1. Установить на выходе генератора сигнал синусоидальной формы с параметрами: частота порядка 10 кГц, среднеквадратическое значение напряжения порядка 3 В.

Рис.2.1

Рис.2.2

2.2. Последовательно подключить к выходу генератора осциллограф и вольтметр постоянного тока и снять их показания Uпок.

2.3. Вычислить коэффициент kф формы и амплитуды kА исследуемого сигнала.

2.4. Определить относительную погрешность измерения любого из коэффициентов δk=±40/U(%), где U– показания (в вольтах) любого из двух вольтметров.

Преобразователь действующего значения

Интегратор

Генератор НЧ

Вольтметр постоянного тока

Вольтметр действующегозначения

Преобразователь среднего выпрямленного (амплитудного) значения

Вольтметр среднего выпрямленного (амплитудного) значения тока

Вольтметр постоянного тока

Рис. 2.3

2.5. Повторить действия по п.п. 2.1 …2.3 для сигналов различной формы:

- прямоугольного со скважностью 2;

-треугольного;

- импульсной последовательности однополярных импульсов.

2.6. Расчет значений напряжений сигналов по показаниям вольтметра  и осциллографа свести в таблицу по форме 1.

3. Измерить режим работы усилителя на постоянном токе, схема которого представлена на рис. 2.4.

3.1. Подключить к входу усилителя генератор НЧ, а к выходу (между общим проводом и эмиттером транзистора VT3) – осциллограф.

3.2. Подать на вход усилителя сигнал синусоидальной формы и частотой 1000 Гц.

Таблица 1

Форма сигнала

Тип прибора

Вольтметр

Осциллограф

Um

Um, В

4,4

4,5

Uск, В

2,98

Uсв, В

2,65

kA

1,48

kФ

1,13

Um, В

5,6

5,8

Uск, В

3,2

Uсв, В

2,77

kA

1,75

kФ

1,16

Ти

Um

Um, В

6,3

6,0

Uск, В

5,96

Uсв, В

5,84

kA

1,06

kФ

1,02

τи

Um, В

6,6

6,3

Uск, В

6,03

Uсв, В

5,9

kA

1,09

kФ

1,02

3.3. Установить такое значение сигнала, чтобы выходной сигнал был максимальной амплитуды и неискаженной (искажения не должны быть заметны на глаз) формы.

3.4. Подключить вольтметр поочередно между базами транзисторов VT1 и VT3 и общим проводом или плюсом источника питания. Пронаблюдать реакцию усилителя в виде изменения качества передачи формы сигнала.

Рис. 2.4

4. Измерение амплитудно-частотной характеристики усилителя.

4.1. На выходе генератора звуковой частоты установить сигнал синусоидальной формы напряжением 0,2 В с частотой 1 кГц. Напряжение на выходе генератора измерять вольтметром постоянного тока с преобразователями. Частоту устанавливать по показаниям частотомера.

4.2. Подключить выход генератора к входу усилителя.

4.3. К выходу усилителя подключить осциллограф.

4.4.  Изменяя частоту входного сигнала от 20 Гц до 200 кГц измерить напряжение на выходе усилителя осциллографом и вольтметром. При использовании вольтметра следует следить за тем, чтобы коэффициент формы выходного сигнала был близок к значению 1,11. При измерении частот звукового генератора напряжение на его выходе поддерживать постоянным. Результаты измерения занести в табл.2.

Таблица 2

Частота F,Гц

20

100

1000

2000

10·103

20·103

50·103

100·103

500

50

Напряжение, измеренное осциллографом Uвых, В

0,8

1,2

1,6

1,6

1,6

1,6

1,6

1,5

1,2

1,1

Напряжение, измеренное вольтметром

Uвых, В

0,8

1,1

1,4

1,4

1,4

1,4

1,4

1,3

1,2

1,0

4.5. По результатам измерений построить АЧХ.

Контрольные вопросы

1. Что называется амплитудным, средним, средневыпрямленным и средним квадратическим значениями напряжения или тока?

2. Какие коэффициенты устанавливают связь между амплитудным и средним квадратическим, между средним квадратическим и средним значениями напряжения (тока)?

3. Чему равны коэффициенты амплитуды и формы для гармонической формы сигнала?

4. Из-за чего может возникать методическая погрешность при измерении несинусоидального сигнала? Приведите примеры приборов, в которых наблюдается такая погрешность.

5. Перечислить основные системы электромеханических приборов и дать сравнительные характеристики по параметрам. .

6. Почему магнитоэлектрический механизм работоспособен только на постоянном токе? Что предпринимается для использования его в приборах переменного тока?

7. Какие системы электромеханических приборов являются высокочастотными?

8. Каковы достоинства компенсационного метода измерения?

9. Привести основные схемы построения электронных аналоговых вольтметров их отличия.

10. Объяснить работу амплитудного диодного преобразователя переменного тока в постоянный. Почему амплитудный преобразователь является наиболее высокочастотным?

Измерение параметров сигналов в электронных схемах