теория линейных электрических цепей / Rekomendatsii_po_TLETs

Лабораторная работа №1 «Измерение напряжения и разности фаз вольтметром и осциллографом»

Для выполнения лабораторной работы необходимо получить у преподавателя исходные данные: выходное напряжение генератора и номера используемых резисторов на плате лабораторного стенда.

Цель работы

Научиться измерять напряжение с помощью вольтметра и осциллографа, и разность фаз двух напряжений – с помощью двухканального осциллографа.

Приборы и оборудование

1.Милливольтметр PVT-417

2.Осциллограф двухканальный GOS-620

3.Генератор сигналов низкочастотный Г3-109 (используется только симметричный выход)

4.Плата П1 лабораторного стенда

5.Соединительные провода.

Руководство по эксплуатации милливольтметра и осциллографа на русском языке находится у преподавателя.

Порядок выполнения первой лабораторной работы

Пункт 1. Сборка схемы

рис. 1 Схема лабораторных испытаний

11

Сопротивление резисторов R1 и R2 задается преподавателем

Внутреннее сопротивление генератора – 50 Ом. Частота сигнала – 1000 Гц.

- обязательное место подключения выводов входных шнуров вольтметра и осциллографа, связанных гальванически с корпусами этих приборов.

Сборка схемы производится при помощи соединительных проводов.

Перед сборкой необходимо подготовить соединительные провода для дальнейшего удобства измерений. Для этого требуется отвинтить пластиковые колпачки с клемм проводов:

Далее выбирается два самых длинных соединительных провода для подключения их к генератору Г3-109. Провода подключаются к двум левым клеммам симметричного входа генератора (клеммная колодка черного цвета с четырьмя выводами, расположенными квадратом). Чтобы надежно закрепить провод в клемме, необходимо ее отвинтить до упора, затем вставить провод в отверстие сбоку и затянуть клеммный винт:

С.Т.

2

Свободные концы проводов подключаются в стенд к резисторам с заданными преподавателем сопротивлениями (точки 1 и 2). После этого точки 3 и 4 соединяются при помощи отдельного короткого соединительного провода. Сборка схемы закончена.

1

Uг

R2

рис. 2 Монтажная схема

12

Далее производится настройка генератора. Для установки частоты 1000 Гц, заданной в методических указаниях, необходимо ручку переключателя “Множитель” установить в положение х10, а ручку плавной регулировки частоты - в положение 100. Внутреннее сопротивление генератора (для первой работы – 50 Ом) устанавливается при помощи ручки, расположенной над клеммной колодкой.

Обязательно проверяйте установку внутреннего сопротивления перед началом измерений во избежание получения неверных результатов!

Установка уровня выходного напряжения генератора производится при помощи ручки, расположенной внизу справа от шкалы плавной регулировки частоты (обозначается символом треугольника либо надписью «Рег. Вых»). Перед включением генератора необходимо ручку установки уровня напряжения вывести влево до упора во избежание порчи приборов.

Для контроля выходного напряжения и установки его в соответствии с выданным преподавателем значением к выходу генератора подключается стрелочный вольтметр PVT-417. Для этого в разъем “Input” вольтметра подключается измерительный щуп, который подключается на стенд в точки 1 и 2 (см. рис. 2). Таким образом, будет производится измерение выходного напряжения генератора. Так как заданное выходное напряжение для всех студентов находится в диапазоне 0.5-1 В, ручку выбора диапазона измерения милливольтметра необходимо установить в положение “1 V”.

Схему эксперимента необходимо зарисовать в черновик, прочитать на резисторах их сопротивления и подписать на схеме. Обозначение сопротивления на используемых резисторах типа МЛТ имеют вид: К<число> и обозначают сопротивление в десятых долях килоОм (К11 – 110 Ом, К43 – 430 Ом, К51 – 510 Ом,

К91 – 910 Ом).

После проверки схемы преподавателем включается напряжение стенда, ге-

нератора и милливольтметра. Далее очень аккуратно и плавно ручка регулировки выходного напряжения генератора вращается в правую сторону до получения показания вольтметра, совпадающего с заданным значением напряжения.

Схема собрана, можно приступать к выполнению следующих пунктов лабо-

раторной работы. В процессе выполнения работы не трогайте ручку регули-

ровки выходного напряжения генератора во избежание получения неверных результатов измерений.

Пункт 2. Отработка методики измерения напряжения осциллографом

Отработать методику измерений напряжения осциллографом на сигнале, параметры которого известны заранее. Для этого в качестве эталона использовать калибровочный сигнал осциллографа, выведенный на его переднюю панель.

Для отработки измерения напряжения осциллографом используется калибровочный сигнал осциллографа, выведенный на его переднюю панель слева внизу

13

под экраном (металлическая петелька с надписью 1kHz, 2Vp-p). Для подключения калибровочного сигнала ко входу осциллографа необходимо взять щуп, включить его в клемму CH1 и, оттянув защитный колпачок центрального контакта щупа, зацепить его за петельку.

После подключения прибор включается нажатием кнопки “Power” под экраном и при помощи ручек настройки на экране необходимо получить изображение прямоугольного сигнала:

По вертикали диапазон измерения выбирается так, чтобы сигнал занимал как можно больше места, но при этом не зашкаливал (см. раздел «Выбор диапазона измерения прибора»).

Полученный сигнал необходимо зарисовать и представить в отчет. После этого производится считывание напряжения с экрана – необходимо посчитать количество делений по вертикали, занимаемое сигналом, и умножить на положение переключателя Volts/div для первого канала.

U 4дел 0.5В/дел 2В

Перед считыванием результатов измерений необходимо убедиться, что осциллограф настроен с учетом требований, указанных в пункте «Считывание результатов измерений»

Полученный результат будет составлять 2 В и должен быть записан с учетом погрешности измерения в виде:

U 2.00 0.12 В

Пункт 3. Измерение напряжения на резисторах милливольтметром

Измерить среднеквадратические значения напряжения на обоих резисторах с помощью милливольтметра.

Измерение напряжения на резисторах осуществляется при помощи милливольтметра. “Земляную” клемму прибора (см. раздел Особенности подключения измерительных приборов) необходимо подключить к проводнику, соединяющему резисторы (в точку, обозначенную на схеме как “земля”).

Второй контакт щупа подключаем в точку 1 (см. рис. 2), подбираем диапазон измерения вольтметра в соответствии с рекомендациями раздела “Выбор диапазо-

14

на измерения прибора”, считываем результаты измерения и записываем их для резистора R2. Также необходимо записать выбранный диапазон измерения для дальнейших расчетов погрешности.

Переключаем контакт щупа в точку 2 (см. рис. 2), подбираем диапазон измерения вольтметра в соответствии с рекомендациями раздела “Выбор диапазона измерения прибора”, считываем результаты измерения и записываем их для резистора R1. Также необходимо записать выбранный диапазон измерения для дальнейших расчетов погрешности.

Если напряжение на одном из резисторов равно выходному напряжению генератора, а на другом – нулю, то первый резистор неисправен и его необходимо заменить другим по согласованию с преподавателем.

В результате выполнения данного пункта необходимо получить измерения напряжений на каждом из резисторов с учетом погрешности вольтметра:

После проведения измерений отключите измерительный прибор от стенда.

Пункт 4. Измерение напряжения осциллографом

Измерить удвоенные амплитуды напряжений при помощи осциллографа и рассчитать соответствующие им среднеквадратические значения (пользуясь известным соотношением между амплитудным и среднеквадратическим значениями гармонического сигнала):

U m Uскз 2

Отсоединив щуп осциллографа от петельки калибровочного сигнала, подключаем его к стенду аналогично милливольтметру из п.3. “Земляную” клемму прибора (см. раздел Особенности подключения измерительных приборов) необходимо подключить к проводнику, соединяющему резисторы (в точку, обозначенную на схеме как “земля”).

Второй контакт щупа подключаем в точку 1 (см. рис. 2), подбираем диапазон измерения по вертикали канала CH1 (Volts/div) в соответствии с рекомендациями раздела “Выбор диапазона измерения прибора”, подсчитываем количество вертикальных делений, занимаемых сигналом от минимума до максимума (удвоенная амплитуда напряжения), записываем результат измерения для резистора R2 как 2U m2 . Также необходимо записать выбранный диапазон измерения для дальней-

ших расчетов погрешности.

Для удобства считывания показаний изображение сигнала при помощи ручек «Position» устанавливается таким образом, чтобы точка максимума находилась на проградуированной шкале по центру экрана, а минимум – на одной из горизонталей.

15

2Um

Переключаем контакт щупа в точку 2 (см. рис. 2), подбираем диапазон измерения по вертикали канала CH1 (Volts/div) в соответствии с рекомендациями раздела “Выбор диапазона измерения прибора”, подсчитываем количество вертикальных делений, занимаемых сигналом от минимума до максимума (удвоенная амплитуда напряжения), записываем результат измерения для резистора R1 как 2U m1 . Также необходимо записать выбранный диапазон измерения для дальней-

ших расчетов погрешности.

Далее необходимо для каждого резистора рассчитать сответствующие среднеквадратические значения по формулам:

Внимание! 2U m это измеренная осциллографом величина - удвоенная ам-

плитуда, умножать на 2 полученное значение не нужно.

В результате выполнения пункта необходимо получить результаты измерения удвоенной амплитуды напряжений для обоих резисторов с учетом погрешности и соответствующие им среднеквадратические значения :

2Um1 x.xxx x.xxx В Uскз1 x.xxx В

2Um2 x.xxx x.xxx В Uскз2 x.xxx В

Пункт 5. Сравнение результатов измерений милливольтметром и осциллографом

Сравнить результаты измерений напряжений вольтметром и осциллографом с учётом погрешности средств измерений. Числовые значения погрешности милливольтметра и осциллографа взять в технических описаниях данных приборов.

Выписываем значения среднеквадратического напряжения на резисторах, измеренные с помощью вольтметра, с учетом погрешности измерения (пункт 3) и среднеквадратическое напряжение на резисторах, рассчитанное из амплитудных (пункт 4):

16

Из полученного значения периода рассчитывается и записывается частота сигнала:

Полученное значение частоты сравнивается с частотой, выставленной на шкале генератора.

Пункт 7. Измерение разности фаз на резисторах при помощи осциллографа

Измерить разность фаз напряжений на резисторах, используя два ка-нала осциллографа. Результат измерений представить в секундах и в градусах

Перед измерением разности фаз необходимо настроить осциллограф так, чтобы изображения обоих сигналов находились на одном уровне.

Для правильного отображения разности фаз на осциллографе необходимо убедиться, что кнопка CH2.INV находится во включенном состоянии (утоплена).

Проверив влючение режима отображения обоих каналов (переключатель «Mode» внизу в середине в положении «Dual»), требуется заземлить оба канала – переключить режим обоих входов в положение Gnd, затем ручками «Position^v» каждого канала совместить изображения сигналов (горизонтальные линии) на нулевой оси (проградуированная горизонтальная линейка по центру экрана). После настройки режимы обоих входов вернуть в первоначальное положение (AC или

DC). Ручки «Position^v» в дальнейшем не трогать во избежание ошибки изме-

рения.

Первый щуп осциллографа включается в первый канал (CH.1), земляная клемма (черный разъем типа «крокодил») подключается в точку, обозначенную на схеме как «земля» (точки 3 и 4 на рис.2), сигнальный электрод подключается для измерения напряжения первого резистора (точка 2 на рис.2). Второй щуп осциллографа включается во второй канал (CH.2) земляная клемма никуда не подключается, сигнальный электрод подключается для измерения напряжения второго резистора (точка 1 на рис.2).

Разность фаз в секундах – это время между пересечением нулевой оси первого и второго сигналов. Необходимо измерить это время, подобрав как можно бо-

18

Пункт 8. Изменение схемы

Изменить исследуемую цепь, заменив в ней резистор R2 конденсатором.

Один из резисторов заменяется на конденсатор из имеющихся на плате стенда с номинальной емкостью в пределах сотых долей микрофарад – одной микрофарады. (Конденсаторы C1,C4-C6,C8,C11,C12). После изменения схема будет иметь вид:

С

Uг

UC

R

UR

Полученную схему зарисовать в отчет, обязательно подписать номинальные значения сопротивления резистора и емкости конденсатора.

19

Пункт 9. Подбор частоты генератора

Подобрать частоту сигнала генератора таким образом, чтобы напряжения на резисторе и конденсаторе были примерно равны. Для этого вначале рассчитать ориентировочное значение частоты, исходя из известных значений ёмкости конденсатора и сопротивления резистора. Затем, установив полученную частоту по шкале генератора, проверить равенство напряжений милливольтметром.

Частота генератора рассчитывается из условия U R UC . Напряжения равны в том случае, если равны сопротивления резистора и конденсатора R X C . Так как

сопротивления конденсатора зависит от частоты, из полученного уравнения находим частоту:

R X C

R 1

C

R 1 2 fC

2 fRC 1

f 1 2 RC

В выражение для частоты подставляем сопротивление резистора R в омах и емкость конденсатора C в фарадах. Полученное значение частоты устанавливаем на генераторе при помощи переключателя «Множитель частоты» и ручки плавной регулировки частоты.

Для проверки правильности полученного результата необходимо измерить милливольтметром напряжения на резисторе и конденсаторе и записать их с учетом погрешности измерения:

UR x.xxx x.xxx В

UС x.xxx x.xxx В

Пункт 10. Измерение разности фаз осциллографом

Измерить разность фаз напряжений на резисторе и конденсаторе, используя два канала осциллографа. Результат измерений представить в секундах и в градусах. Полученное значение разности фаз (в градусах) есть аргумент комплексного входного сопротивления конденсатора.

Для измерения разности фаз требуется подключить первый канал осциллографа к резистору, второй – к конденсатору. Проверить настройку каналов при нулевом входном напряжении (см. пункт 7), подобрать диапазон измерения осциллографа по вертикальной оси для обоих каналов так, чтобы они не зашкаливали, по горизонтальной оси – чтобы помещался один период любого из сигналов:

20