2-ой семестр

Лекция 1

1.1 Измерительные генераторы

Измерительные генераторы (ИГ) применяются при настройке и проверке приборов, определении характеристик схем и испытаниях сложных систем.

По назначению ИГ делятся на генераторы:

• - низких частот (инфразвуковые и звуковые частоты);

• - сигналов высоких частот (высоких и сверхвысоких частот);

• - импульсов;

• - шумовых сигналов;

• - сигналов специальной формы;

• - качающейся частоты.

ИГ характеризуются рядом параметров, важнейшими из которых являются:

• - диапазон частот выходного сигнала;

• - параметры, характеризующие форму выходного сигнала (коэффициент нелинейных искажений, длительность фронта и спада импульса, величина выбросов на вершине импульса, величина спада плоской вершины импульса);

• - погрешность установки частоты (имеет вид (af+b), где f - частота выходного сигнала).

Структурная схема измерительного генератора представлена на рисунке:

Условные обозначения: 1. задающий генератор; 2. усилитель-формирователь; 3. выходное устройство.

Задающий генератор вырабатывает сигнал заданной формы и частоты. Усилитель - формирователь представляет собой линейное устройство позволяющее получить требуемое выходное напряжение.

Выходное устройство содержит аттенюатор, для ослабления выходного сигнала и элементы согласования генератора с нагрузкой.

1.2 Генераторы синусоидальных сигналов

В генераторе синусоидальных сигналов в качестве задающих устройств используют RC или LC – генераторы. RC – генераторы применяются в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот, LC - генераторы применяются в диапазоне высоких частот.

Структурная схема генератора синусоидальных сигналов (RC-генератора) приведена на рисунке:

Условные обозначения: 1- усилитель напряжения; 2- входной усилитель; 3 - выходное устройство.

Задающий генератор состоит из усилителя 1 и четырехполюсника (R ₁, C ₁, R₂, C₂), через который осуществляется обратная связь.

Для получения устойчивой генерации на определенной частоте необходимо, чтобы сумма фазовых сдвигов усилителя (φ) и четырехполюсника (ψ) равнялась 2πn (n=0,1,2…), а коэффициент усиления К являлся величиной, обратной коэффициенту передачи четырехполюсника β, т.е. Кβ=1, φ + ψ = 2πn, где φ, ψ – фазовые сдвиги усилителя и четырехполюсника соответственно. Коэффициент передачи цепи положительной обратной связи:

Обычно принимают R₁=R₂=R, C ₁=C₂=C тогда

Чтобы коэффициент обратной связи был вещественным, необходимо сделать знаменатель мнимым, т.е.

1.3 Генераторы импульсов

Структурная схема генератора импульсов:

Условные обозначения: 1 – задающий генератор; 2 – 4 – формирователи импульсов; 5 – выходной усилитель; 6 – аттенюатор.

В генераторах импульсов задающий генератор 1 вырабатывает импульсы в заданном диапазоне частот, которые используются для запуска последующих узлов прибора. В качестве задающего генератора часто применяют блокинггенераторы, мультивибраторы, RC или LC-генераторы. Он может работать в режиме внешнего запуска. В этом случае RC- и LC-генераторы переводятся в режим усиления, а релаксационные — в ждущий режим.

Сформированные импульсы задающего генератора выводятся для синхронизации внешних устройств (осциллографы, генераторы, схемы), а также поступают в устройства задержки.

Схема задержки выдает импульсы, задержанные относительно импульсов задающего генератора. Задержанные импульсы служат для запуска схемы формирования импульсов 4.Величина задержки регулируется в широких пределах.

В схему задержки входят схемы фиксированной и плавной задержек. Фиксированная задержка выполняется на линиях задержки, плавная осуществляется на базе релаксационных схем, работающих в ждущем режиме.

Формирующее устройство 4 вырабатывает импульсы определенной формы и требуемой длительности с амплитудой, обеспечивающей нормальную работу выходного усилителя. Обычно для этих целей используют блокинг-генераторы, мультивибраторы или фантастроны.

Выходной усилитель представляет собой линейный усилитель мощности, в котором осуществляется регулировка амплитуды импульсов, изменение полярности и согласование формирующего устройства с нагрузкой.

Амплитуда импульсов измеряется пиковым вольтметром или сравнивающим устройством. В последнем случае в схему сравнения одновременно подаются измеряемые импульсы и известное регулируемое напряжение постоянного тока. Момент сравнения отмечается загоранием сигнальной лампочки.

Лекция 2

1.1 Электронные осциллографы. Классификация

Электронный осциллограф (ЭО) - это прибор для визуального наблюдения и регистрации разнообразных электрических сигналов, а также для измерения различных параметров сигнала, определяющих их форму, значения, временные и частотно-фазовые соотношения. Электронный осциллограф характеризуется большим входным сопротивлением, высокой чувствительностью, малой инерционностью и широким частотным диапазоном.

В соответствии со стандартами осциллографы различают следующим образом:

1) По ширине полосы пропускания:

• - низкочастотные (полоса пропускания до единиц мегагерц);

• - широкополосные (полоса пропускания до тысяч - полутора тысяч мегагерц);

• - сверхскоростные (полоса пропускания до десятков гигагерц).

2) По количеству одновременно исследуемых сигналов:

• - однолучевые;

• - двулучевые;

• - многолучевые;

• - двухканальные;

• - многоканальные.

3) По характеру исследуемого сигнала (для наблюдения непрерывных, импульсных, универсальных и специальных сигналов);

4) По точности воспроизведения формы сигнала, точности измерения временных интервалов и амплитуд: первого, второго, третьего, четвертого класса точности;

5) По масштабу времени, в котором исследуется процесс:

• - в реальном времени;

• - в измененном масштабе времени.

6) По условиям эксплуатации в соответствии с ГОСТами или технической документацией, утвержденной в установленном порядке.

1.2 Электродинамические приборы

Электродинамические приборы (ЭД) применяют в качестве:

• - ваттметров постоянного и переменного токов (однофазные, трехфазные, малокосинусные);

• - амперметров и вольтметры переменного и реже постоянного токов;

• - фазометров (одно и трехфазных);

• - частотомеров;

• - фарадометров.

Электродинамические приборы характеризуются высоким классом точности. Высокая точность электродинамических приборов объясняется тем, что электродинамические измерительные механизмы не содержат ферромагнитных или других нелинейных элементов, наличие которых вызывает трудно компенсируемые погрешности.

Показания электродинамических приборов отличаются высокой стабильностью во времени.

Электродинамические измерительные механизмы состоят из системы неподвижных и подвижных катушек (рамок), стойки, упругих элементов, успокоителя, отсчетного устройства, средств магнитной защиты. Катушки применяют круглые или прямоугольные.

В электродинамических измерительных механизмах возникает вращающий момент:

M_вр=I₁*I₂(dM_1,2/dα)

где I₁, I₂ токи в цепях неподвижных и подвижных катушек; М_1,2 - взаимная индуктивность между катушками; α - угол отклонения.

Выражения вращающихся моментов для различных типов измерительных механизмов различны.

1.3 Магнитоэлектрическая система.

В магнитоэлектрических приборах вращающий момент создается взаимодействием магнитного поля постоянного магнита и измеряемого постоянного тока в катушке механизма. В воздушном зазоре 1 (рис. 1.3) между неподвижным сталь­ным цилиндром 2 и полюсными наконечниками NS неп одвижного постоянного магнита расположена алюминиевая рамка с об­моткой 3, состоящей из w витков изолированной проволоки.

Р амка жестко соединена с двумя полуосями О и О', которые своими концами опираются о под­шипники. На полуоси О за­креплены указательная стрелка 4 и две спиральные пружинки 5 и 5', через которые к катушке подводится измеряемый ток I, противовесы 6. Полюсные наконечники NS и стальной цилиндр 2 обеспечивают в зазоре 1 равномерное радиальное магнитное поле с индукцией В. В результате взаимодействия магнитного поля с током в проводниках обмотки 3 создается вращаю­щий момент. Рамка с обмоткой при этом поворачивается и стрелка отклоняется на угол a. Электро­магнитная сила, действую­щая на обмотку, равна: F_эм=wBlI.

Вращающий момент, создаваемый силой F_эм:

M_вр = F_эмd = wBlI = C₁I₁ ,

где d и l— ширина и длина рамки (обмотки); C₁ — коэф­фициент, зависящий от числа витков w, размеров обмотки и магнитной индукции В.

Повороту рамки противодействуют спиральные пружинки 5 и 5', создающие противодействую­щий момент, пропорцио­нальный углу закручивания a:

М_пр=С₂a ,

где С₂ — коэффициент, зависящий от жесткости пружинок.

Стрелка устанавливается на определенном делении шкалы при равенстве моментов М_вр=M_пр, т.е. когда С₁I=С₂a.

Угол поворота стрелки

пропорционален току. Следовательно, у приборов магнитоэлек­трической системы шкала равномер­ная, что является их до­стоинством.

При измене­нии направления тока изменяется направление вращающего момента (определяемое прави­лом левой руки). При включении прибора магнитоэлектрической системы в цепь переменного тока на катушку действуют быстро изменяющие­ся по значению и направлению механические силы, среднее зна­чение которых равно нулю. В результате стрелка прибора не будет отклоняться от нуле­вого положения. Поэтому эти при­боры нельзя применять непосредственно для измерений в це­пях переменного тока.

Успокоение (демпфирование) стрелки в приборах магнитоэлектрической системы происходит благодаря тому, что при перемещении алюминиевой рамки в магнитном поле постоян­ного магнита NS в ней индуктируются вихревые токи. В резуль­тате взаимодействия этих токов с магнитным полем возникает момент, действующий на рамку в направлении, противополож­ном ее перемещению, вызывая быстрое успокоению колебаний рамки.

Достоинствами приборов магнитоэлектрической системы являются: точность показаний, малая чувствитель­ность к посторонним магнитным полям, равномерность шкалы, незначительное собственное потреб­ление мощности. К недостаткам следует отнести необходимость применения специальных преобра­зователей при измерении в цепях переменного тока и чувствительность к перегрузкам.

Лекция 3

1.1. Электромагнитная система.

Принцип действия элек­тромагнитных приборов основан на втягивании стального сер­дечника в неподвижную обмотку с током. Неподвижный элемент прибора — обмотка 1, выполненная из изоли­рованной проволоки, включается в электрическую цепь (рис. 1.1).

П одвижный элемент — стальной сердечник 2, имеющий форму лепестка,— эксцентрично укреп­лен на оси О. С этой же осью жестко соединены указательная стрелка 3, спиральная пружинка 4, обеспечивающая противодействующий момент, и поршень 5 успокоителя. Ток I в витках обмотки 1 образует магнитный поток, сердечник 2 намагничивается и втягивается в обмотку.

При этом ось О поворачивается и стрелка прибора отклоняется на угол a.

Магнитная индукция В в сердечнике (при отсутствии насы­щения) пропорциональна току обмотки. Сила F, с которой сер­дечник втягивается в обмотку, зависит от тока и магнитной ин­дукции В в сер­дечнике. Приближенно можно принять, что сила F, а следовательно, и обусловленный ею вращаю­щий момент пропорциональны квадрату тока в катушке:

М_вр=СI ².

Д ля успокоения подвижной части прибора обычно приме­няют воздушный демпфер. Он состоит из цилиндра 6 и поршня 5, шток которого укреплен на оси О. Сопротивление воздуха, оказываемое перемещению поршня в цилиндре, обеспечи­вает быстрое успокоение стрел­ки.

Д ля ослабления влияния посторонних магнитных полей в неко­торых приборах на оси подвижной части (рис. 1.1.2) укреплены два оди­наковых сердечника, каждый из которых размещен в магнитном поле соответствующей обмотки (1 и 2), которые включены между собой последовательно.

Направле­ние намотки обмоток выполнено так, что их магнитные поля Ф₁ и Ф₂ направлены в противополож­ные стороны. Моменты, созданные магнитными полями каждой обмотки, действуют на ось согласно M_вр1 + M_вр2 = M_вр. Постороннее магнитное поле Ф_вн ослабляет поток Ф₁, но усиливает поток Ф₂. В результате общий вращающий момент М_вр остается неизменным и зависит от изме­ряемого тока I. Приборы такой конструкции называются астатиче­скими. Для уменьшения погрешности измерений, вносимой посторон­ними магнитными полями, некоторые приборы экранируют, помещая их в сталь­ные корпуса.

Достоинства приборов элек­тромагнитной системы: просто­та конструкции, пригодность для изме­рения в цепях постоян­ного и переменного тока, надежность в эксплуатации. К недостат­кам относятся неравномерность шкалы, влияние посторонних магнитных полей на точность показаний. Последнее обусловле­но тем, что магнитное поле обмотки расположено в воздушной среде и поэтому его маг­нитная индукция невелика.