Основы метрологии в прикладной физике

Министерство образования и науки Украины Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского

Кафедра радиофизики и электроники

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ ПО КУРСУ

«ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ В ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКЕ»

для студентов 4 курса дневной формы обучения специальности 6.070200 – «радиофизика и электроника» образовательно–квалификационного уровня «бакалавр», профессионального направления подготовки

0702 «прикладная физика»

Симферополь 2005

Лабораторный практикум по курсу «Основы метрологии в прикладной физике» предусматривает изучение осциллографических методов измерений сигналов, методов измерения амплитудно-частотных характеристик, исследования возможностей НЧ и ВЧ генераторов при регулировке и настройке четырехполюсников. В ходе практикума студенты изучают основные функциональные узлы радиоизмерительной аппаратуры, получают практические и исследовательские навыки в процессе измерения электрических параметров различных схем.

ТРЕБОВАНИЯ

по подготовке, проведению и отчету по лабораторным работам.

1.Студенту до начала проведения лабораторного занятия необходимо: а) изучить теоретические основы и принципиальные схемы, реализующие изучаемую функцию телевизионного приемника; б) изучить правила «Техники безопасности» на рабочем месте и

техническую документацию по контрольно – измерительным приборам; в) после тестирования получить у преподавателя допуск на

проведение лабораторной работы.

2.Студент перед началом практического выполнения работы обязан проверить исправность сетевых шнуров и вилок, а также надежность подключения к приборам защитного заземления.

3.При выполнении работы студент обязан соблюдать правила «Техники безопасности», получить навыки измерения параметров электрических сигналов, объяснить экспериментальные результаты на базе теоретического материала.

4.Зачет по лабораторной работе выполняется после оформления отсчета и защиты результатов работы у преподавателя.

3

Лабораторная работа №1.

«Исследование методов осциллографических исследований сигналов».

Цель работы: изучить методы осциллографических измерений основных параметров сигналов: амплитуду, разность фаз между ними, крутизну фронта и спада, исследовать влияние входной емкости и входного сопротивления осциллографа на погрешность измерений, изучить схемы его основных блоков.

Оборудование: осциллограф С1-55, генератор сигналов Г3-112, лабораторный стенд для исследования методов осциллографических измерений, блок питания TEC-13.

Вопросы для подготовки:

1.Структурная схема электронно-лучевого осциллографа.

2.Основные характеристики осциллографов.

3.Измерение однократных и непериодических сигналов.

4.Канал горизонтального отклонения и его основные схемы.

5.Канал вертикального отклонения и его основные схемы.

6.Калибраторы амплитуды и длительности.

7.Особенности осциллографических измерений.

Литература:

1.Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения: Учебное пособие для ВУЗов.

– Л.: Энергоатомиздат, 1983. – 320 с.

2.Мирский Г.Я. Электронные измерения. – М.:Радио и связь, 1986.– 440с.

3.Валитов Р.А. Сретенский В.Н. Радиотехнические измерения. – М.: Советское радио, 1980. – 712 с.

4.Метрология, стандартизация и измерения в технике связи: Учебное пособие для ВУЗов / Б.П. Хромой, А.В. Кандинов, А.Л. Сенявский и др.; Под ред. Б.П. Хромого. – М.: Радио и связь, 1986. – 424 с.

Краткий курс теории

Электронно-лучевой осциллограф является универсальным измерительным прибором. С его помощью можно визуально наблюдать и документально фиксировать периодические непрерывные и импульсные сигналы, непериодические и случайные сигналы, а также мгновенные одиночные явления. Исследуемый сигнал отображается на экране осциллографа в виде светящихся линий или фигур, называемых осциллограммами. Осциллограмма представляет собой функциональную зависимость двух или трёх величин: y=f(x) или y=ϕ(x,z). Большинство сигналов удобно рассматривать в реальном масштабе времени, поэтому чаще всего используется функциональная связь вида y=f(t) или y=ϕ(t,z).

5

Электронно-лучевые осциллографы применяются также для измерения напряжения, временных интервалов и длительности сигналов, частоты и фазового сдвига, параметров модулированных сигналов и многих физических величин, преобразованных в электрические сигналы.

Электронно-лучевые осциллографы подразделяют на: универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные. Все они могут быть одно- и двухлучевыми и двухканальными. На рис. 1 показана структурная схема осциллографа.

Рис. 1. Структурная схема осциллографа

По каналу Y поступает исследуемый сигнал UY, вызывающий вертикальное отклонение луча в электронно-лучевой трубке. По каналу Х поступает напряжение UX, Вызывающее горизонтальное отклонение луча. Одновременное воздействие двух напряжений UY и UX на электронный луч трубки вызывает появление осциллограммы, отображающей зависимость

UY=f(UX) или UY=f(t).

Параметры электрического сигнала, поданного на вход осциллографа, определяются по его осциллограмме путем измерения ее геометрических размеров и сопоставления их с коэффициентом отклонения и коэффициентом развертки данного осциллографа.

Осциллограмма должна размещаться на рабочей площади экрана, ограниченной измерительной шкалой — сеткой. Следует иметь в виду, что если осциллограмма занимает 80 % рабочей площади экрана, то погрешность измерения уменьшается вдвое. При исследовании синусоидального сигнала его частота должна быть значительно ниже верхней частоты fВ полосы

6

пропускания осциллографа. Входное сопротивление и входная емкость осциллографа вносят дополнительную погрешность измерения. Входная емкость осциллографа достигает 40-50 пФ, а с соединительным кабелем превышает 100 пФ. Погрешность измерения может быть значительно уменьшена с помощью калибратора.

Описание лабораторной установки.

Лабораторная установка для изучения методов осциллографических исследований сигналов приведена на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид лабораторного стенда.

На рис. 2а, показана передняя панель стенда, а на рис.2б – боковая (левая) панель. На рис.2а показаны: КТ1... КТ12 – контрольные точки; резисторы R5.2, R6.2 – изменяющие постоянные времени фазосдвигающих цепей; резистор R10.2 – осуществляет выбор рабочей точки транзистора Т2.

На рис. 2б показаны клеммы подключения источника питания «+» «–»

Контрольные точки расположены:

•КТ1 - на коллекторе Т1;

•КТ2 - на выходе фазосдвигающей цепи С1R5 НЧ генератора;

•КТЗ - на выходе фазосдвигающей цепи С2R6 НЧ генератора;

•КТ4 - на коллекторе Т2;

•КТ5 – вход для интегрирующей и дифференцирующей цепочек;

•КТ6 – выход дифференцирующей цепи;

7

•КТ7 – выход интегрирующей цепи;

•КТ8 – выход ВЧ генератора на полевом транзисторе Т3;

•КТ9 – выход эмиттерного повторителя на транзисторе Т4;

•КТ10 – выход мультивибратора;

•КТ11, КТ12 – общий вывод “земля”.

Функциональная и принципиальная схемы стенда показаны на рис. 18 и

рис. 19.

В соответствии с инструкциями по эксплуатации подготовить к работе измерительные приборы: Г3–112, двухлучевой осциллограф С1-55, источник питания TEC-13. На выходе блока питания выставить напряжение 12 ± 1В. На выходе генератора Г3-112 установить частоту повторения импульсов формы меандр – 1 кГц, с амплитудой 1В.

Методика проведения работы

1.Исследование параметров гармонических колебаний RC – генератора осциллографическими методами.

Включите блок питания. Подключите осциллограф к КТ1. С помощью осциллографа определите частоту выходного сигнала. Убедитесь в возможности изменения частоты RC генератора с помощью резисторов R5.2., R6.2. Дайте теоретическое обоснование изменению частоты. Подключите один из входов Y осциллографа к контрольной точке КТ1, а другой – к КТ2. Пронаблюдайте и измерьте разность фаз напряжений на КТ1 и КТ2 в зависимости от положения движков переменных резисторов R5.2 и R6.2. Подключите осциллограф к контрольной точке КТ4. Вращая движок потенциометра R10.2

пронаблюдайте изменение выходного напряжения. Объясните влияние выбора рабочей точки усилительного каскада с ОЭ (Т2) на эти искажения.

2.Исследование формы и параметров импульсных сигналов осциллографическим методом.

Подключите выход генератора Г3 - 112 к контрольной точке КТ5. Установите форму выходного напряжения – “меандр” с частотой 1кГц и амплитудой 1В. Подключите осциллограф к контрольной точке КТ6. Пронаблюдайте работу дифференцирующей цепи, зарисуйте форму выходного сигнала, измерьте длительность фронта и спада импульсов и их амплитуду. Изменяя частоту генератора: 100 Гц, 10 кГц, 100 кГц, сравните формы выходного напряжения и объясните эти изменения.

Подключите осциллограф к контрольной точке КТ7. Пронаблюдайте работу интегрирующей цепи. Проведите аналогичные измерения.

Подключите осциллограф к контрольной точке КТ10. Переключите (выход мультивибратора) тумблер S1 установите в положение “замкнут”.

8

Проведите измерение амплитуды длительности фронта и спада импульсов, генерируемых мультивибратором. Переключите тумблер S1 в положение “разомкнут”. Проведите аналогичные измерения. Зарисуйте формы выходных сигналов и дайте объяснение в их различии.

3. Исследования в резонансных цепях осциллографическим методом. Подключите вход осциллографа к контрольной точке КТ8.

Проведите измерение частоты и амплитуды сигнала, генерируемого ВЧ генератором гармонических колебаний на полевом транзисторе. Подключите вход осциллографа через внешний делитель 1:10 к контрольной точке КТ8 и проделайте аналогичные измерения, сравните результаты измерений. Переключите вход осциллографа 1:1 на контрольную точку КТ9, проведите измерение частоты выходного напряжения. Сопоставьте результаты исследований и объясните причины погрешностей измерений.

Оформление письменного отчета.

1.Название лабораторной работы.

2.Цель работы.

3.Перечень используемого оборудования.

4.Функциональная схема электронно-лучевого осциллографа кратка характеристика его основных блоков.

5.Функциональная и принципиальная схемы стенда для исследования методов осциллографических исследований сигналов.

6.Результаты измерений и расчетов.

7.Оценка полученных результатов, выводы.

9