Описание и порядок выполнения работы

1. Измерение коэффициентов формы и амплитуды. Одним из способов измерения коэффициентов является сравнение действующих, средневыпрямленных и амплитудных оценок одного и того же сигнала, полученных с помощью вольтметров переменного тока с соответствующими способами преобразования входного переменного сигнала

Источником испытательных сигнала является генератор сигналов специальной формы (синусоидальной, прямоугольной, треугольной), входящий в “стенд” лабораторного комплекта. При этом следует контролировать форму получаемого сигнала с помощью осциллографа.

Измерение коэффициентов формы и амплитуды в лабораторной работе проводится с помощью встроенных в стенд преобразователей переменного напряжения в постоянное и вольтметров постоянного тока.

Чтобы собрать вольтметр, показания которого пропорциональны действующему, средневыпрямленному или амплитудному значению сигнала следует выход соответствующего преобразователя соединить с входом вольтметра постоянного тока; вход преобразователя при этом становится входом соответствующего вольтметра переменного тока. Следует отметить, что в отличие от промышленных вольтметров в данном случае показания прибора не градуируются в действующих значениях синусоидального напряжения. Это упрощает решение поставленной задачи.

Каждый из преобразователей передаёт значение параметра входного сигнала с коэффициентом преобразования k=0.1 при диапазоне входных напряжений |U_m|10 В и пределом допускаемой приведенной (к U_m=10В) погрешности ; для соответствующих преобразователей _А=1.5, _ср=1.5, _д=2.5 в диапазоне частот от 20 Гц до 50 кГц.

Относительная погрешность преобразования ,

где U_П – показание вольтметра, подключенного к выходу преобразователя; U _П/ k – приведенное ко входу выходное напряжение преобразователя, измеренное вольтметром.

Для измерения коэффициента формы (амплитуды) собрать схему изображённую на рис. 7.1,

г де ГС– генератор сигналов; ПАЗ – преобразователь амплитудного значения; В1, В2 – вольтметры постоянного тока; ВАЗ(в составе ПАЗ+В1) – вольтметр амплитудного значения; ПСЗ – преобразователь среднего выпрямленного значения; ПДЗ(ПСКЗ) – преобразователь действующего значения; П – переключатель преобразователей; ВСВЗ(в составе ПСЗ+В2), ВДЗ(в составе ПСКЗ+В2) – вольтметры средневыпрямленного и действующего значений.

Коэффициенты формы k_ф и амплитуды k_A определяются отношениями:

k_ф= U_Д.З /U_С.В.З , k_A= U_А.З /U_Д.З , где U_Д.З , U_С.В.З, U_А.З – действующее значение, средневыпрямленное и амплитудное. Относительная погрешность измерения любого из коэффициентов:

_k = _А(С)+_Д+_ВА(С)+_ВД (%),

где _А(С) – относительная погрешность амплитудного (средневыпрямленного) преобразования; _Д – относительная погрешность преобразователя действующего значения; _ВА(С), _ВД – относительные погрешности измерений напряжения вольтметрами

Относительная погрешность вольтметров определяется по двучленной формуле с коэффициентами с/d, где с=0.5, d=0.2 для предела измерений – 2В.

Рекомендуемые частоты сигнала генератора: 50 Гц, 400 Гц и 1000 Гц. Выбранные значения устанавливаются с помощью частотомера стенда.

Желательно с помощью осциллографа проверить форму выходного сигнала генератора.

Рекомендуемый диапазон амплитуд входного сигнала преобразователей: 510 В.

Записать показания вольтметров V1 и V2 , изменяя положения переключателя П на пульте, при каждой из заданных частот и двух формах сигнала (задаёт преподаватель), в таблицу вида :

Частота Гц	UАЗ ,В	UСЗ ,В	UСКЗ ,В	Форма сигнала
50
400
1000

Вычислить коэффициенты (k_ф, k_А) и погрешности их определения для каждого сочетания «форма сигнала – частота». Сравнить полученные результаты с теоретическими.

Теоретические значения коэффициентов формы и амплитуды приведены в таблице 7.1

Таблица 7.1

Коэффициент:	Значения коэффициентов для видов периодического сигнала:
	синусоидального	прямоугольного	треугольного
амплитуды:	21/21,41	1	31/21,73
формы:	21/2/41,11	1	2/31/21,15

2. Измерение постоянной времени интегратора осуществляется косвенным способом на основании зависимости выходного напряжения интегратора при постоянном входном (U_вх) воздействии:

U_ВЫХ(t)=U_ВХ∆t/₁₍₂₎,

где ₁₍₂₎=R₁₍₂₎C – постоянные времени интегратора по входу 1 (2). Приведённое соотношение, точное при идеальных элементах схемы, на практике сохраняет хорошую линейность.

При скачкообразном изменении входного напряжения на величину U_ВХ значение U_ВЫХ будет меняться в течение интервала времени t действия скачка.

Для измерения постоянной времени интегратора собрать схему :

Питание на интегратор поступает по внутрипультовым связям.

Подать с генератора сигнал прямоугольной формы частотой 1000 Гц , осциллограф перевести в режим DUAL.

Рис.7.2

кнопку CH2-INV (на осциллографе) утопить.

Экспериментально определить τ₁₍₂₎=∆U_ВХ×∆t/∆U_ВЫХ можно с помощью генератора прямоугольных импульсов и осциллографа.

Для этого необходимо сигнал генератора прямоугольной формы подать на один из входов интегратора и вход CH1 канала осциллографа, а его 2-й канал соединить с выходом интегратора и нажать кнопку “Inv”.

Регулировками осциллографа добиться устойчивого изображения аналогичного рис. 7.3

Значения составляющих определяются по соответствующим размерам изображения L_DUвх, L_DUвых, L_Dt, значениям коэффициентов отклонения каналов k_о1, k_о2 и коэффициента развёртки k_p осциллографа:

Рис.7.3

DU_ВХ= k_о1*L_DUвх; DU_ВЫХ= k_o2*L_DUвых; Dt= k_p*L_Dt.

Относительная погрешность каждой составляющей с размерностью напряжения (индекс “1” соответствует DU_ВХ, а “2” – величине DU_ВЫХ):

d_U1(2)=d_k1(2)+d_1(2)в,

где d_1(2)в=100×b₁₍₂₎/L₁₍₂₎ – визуальная погрешность (в %); b₁₍₂₎ – толщина линии канала CH1 (CH2); d_k1(2)=3% – погрешность любого из коэффициентов отклонения.

Для Dt:

d_Dt=d_вDt+d_Кр+d_НР,

где d_вDt=100×b₁/L_Dt – визуальная погрешность (в %); d_Кр=3% – погрешность коэффициента развёртки k_p; d_НР=2% – погрешность из-за нелинейности развёртки.

Относительная погрешность измерения постоянной времени интегратора:

d_t=d_Uвх+d_Uвых+d_Dt.

3.Измерение режимов работы усилителя, смонтированного в пульте стенда, производится в контрольных точках КТ2КТ4 относительно отрицательного потенциала питания. Особенностью предлагаемого усилителя (рис. 7.4) является сравнительно большое входное сопротивление, что затрудняет измерение смещения на базе входного транзистора VT₁ (напряжение контрольной точки КТ2).

Перед исследованием усилителя необходимо подать на него питание напряжением 910 В от источника постоянного напряжения стенда, обязательно соблюдая полярности указанные на схеме. Для удобства изложения все точки, имеющие одинаковый с минусом питания потенциал, в дальнейшем именуются шиной.

Влияние средств измерений на режим работы и характеристики усилителя можно наблюдать подключив к его входу (к точке КТ1 и шине) генератор сигналов, а к выходу (между шиной и точкой КT5) – осциллограф (общий провод осциллографа подключается к шине). Подать на вход усилителя сигнал синусоидальной формы и частотой 1000 Гц и установить значение сигнала, при котором выходной сигнал был бы максимальной амплитуды и неискажённой формы (искажения не должны быть заметны на глаз). Подключение вольтметра между базой транзистора VT₁ (КТ2) и шиной или плюсом источника питания вызывает изменение выходного сигнала. Подобные явления, вызванные внесением изменений в режим работы полупроводниковых элементов, зачастую сопровождают процесс отладки электронного оборудования.

Напряжение смещения на базе транзистора VT₁ равное

, (7.1)

где R_Э – эквивалентное входное сопротивление относительно базы транзистора VT₁, можно определить косвенно.

В этом случае не потребуется знаний ни о значениях параметров элементов схемы, ни о значении сопротивления вольтметра. Достаточна уверенность в их постоянстве. Для обеспечения применения способа к объекту сделаем два допущения. Для уяснения их сути обратимся к эквивалентной схеме по постоянному току относительно точки КТ2 (см. рис. 7.5). На рисунке: R_U – сопротивление источника E; R_Э – эквивалентное входное сопротивление схемы без учёта элементов R₁ и R₂; R_V – сопротивление вольтметра; U₁, U₂ – результаты измерения одним вольтметром падений напряжения на сопротивлениях R₁ и R₂.Значением R_U можно пренебречь, поскольку при проектировании стремятся обеспечить R_U0. Второе допущение обусловлено влиянием на величину R_Э значения приложенного к нему напряжения из-за нелинейных свойств, входящих в него полупроводниковых переходов. При измерении U₁ образуется делитель из групп параллельно соединённых сопротивлений R₁||R_V и R₂||R_Э⁽¹⁾, а, при измерении U₂ делитель образован R₁ и R_V||R₂||R_Э⁽²⁾ (верхний индекс символизирует номер измеряемого напряжения). Очевидно, что напряжение на R_Э меняется в зависимости от схемы подключения вольтметра, т.е. U₂⁽¹⁾U₂⁽²⁾U_2И (U_2И – истинное значение). Поэтому R_Э⁽¹⁾R_Э⁽²⁾ R_Э. Для режима работы схемы близкого к линейному, указанными отличиями можно пренебречь и считать R_Э неизменным.

Принятые допущения позволяют результаты измерения трёх напряжений объединить системой из трёх уравнений (измерения производить вольтметром постоянного тока):

, , ,

где U – результат измерения напряжения источника E; R=R₂||R_Э. Уравнения позволяют установить равенство отношений: U₁/U₂=R₁/R и выразить искомую величину (7.1):

,

где E – э.д.с. источника питания – при малом внутреннем сопротивлении источника питания принимается равной напряжению на его выходных зажимах, U₁, U₂ – напряжения, измеренные на сопротивлениях R₁, R₂.

Относительная погрешность измерения U_X :

,

где _U – оценка относительной погрешности результата измерения U; _отн=dU_m(1/U₁+1/U₂) – относительная погрешность отношения U₁/U₂. Для предела измерения “вольтметра стенда” 20 В погрешность вольтметра определяется c=1.5, d=0.2. При _отн  0.1_U можно не учитывать оценку _отн и считать: _Х_U.

Измерение режима работы усилителя в остальных контрольных точках (узлах) схемы не вызывает затруднений, поскольку сопротивление вольтметра в этом случае существенно больше выходных сопротивлений цепей относительно этих точек.

4. Определить коэффициент усиления предлагаемого усилителя можно для двух выходов (контрольные точки КТ3 или КТ4 на рис. 7.4) с помощью генератора ГС и осциллографа. Для этого следует подключить к входу усилителя источник сигнала (выход генератора, встроенного в стенд) и вход СН1 осциллографа, а выбранный выход усилителя подключить к входу CH2 осциллографа. Установив на генераторе ГС частоту синусоидального сигнала равной 1 кГц, следует отрегулировать амплитуду входного сигнала таким образом, чтобы изображение выходного сигнала на экране осциллографа оказалось неискажённым.

После определения размеров изображений двойных амплитуд L_ВХ и L_ВЫХ (в делениях сетки экрана) оценивают значения сигналов: U_ВХ=k_оХ×L_ВХ и U_ВЫХ=k_о1L_ВЫХ, где k_оХ и k_о1 – коэффициенты отклонения осциллографа по каналам СН1 и СН2 соответственно.

Коэффициент усиления оценивается по формуле:

K=U_ВЫХ/U_ВХ.

Относительная погрешность результата (в процентах):

_K = _Ко1+_КоХ+_Lвых+_Lвх,

где _Ко1=_КоХ=3% – относительные погрешности коэффициентов отклонения k_о1, k_оХ; _Lвых, _Lвх – визуальные погрешности определения размеров L_ВЫХ и L_ВХ, каждую из которых находят по формуле: %,

где b – толщина следа луча на экране, в долях делений.

Литература

Метрология, стандартизация и сертификация : учебник для студ. высш. учеб. заведений/[Б.Я.Авдеев, В.В.Алексеев, Е.М.Антонюк и др.]; под ред В.В.Алексеева. – М. : Издательский центр «Академия», 2007. стр. 136-140, 67-68.

.

Работа 8. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Цель работы – изучение средств и методов измерения параметров электрических цепей; оценка результатов и погрешностей измерений.