МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
КОМПЛЕКТ МЕТОДИЧНИХ МАТЕРІАЛІВ
для вивчення дисципліни
" Основи метрології та радіовимірювання "
для студентів денної та заочної форм навчання
з напряму 6.050901 Радіотехніка
Електронне видання
Затверджено
кафедрою «Основи радіотехніки».
Протокол № 4 від 29.11.2013 р.
Харків 2014
Комплект методичних матеріалів для самостійного вивчення дисципліни "Основи метрології та радіовимірювання" для студентів денної та заочної форм навчання з напряму 6.050901 Радіотехніка / Упоряд.: В.Б. Бєлявцев, В.І. Огар. Харків: ХНУРЕ, 2014. – 96 с.
Упорядники: В.Б. Бєлявцев
В.І. Огар
ЗМІСТ
|
Cтор. |
ВСТУП……………………………………………………………………………………. |
4 |
|
|
1 МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ…………………………. |
5 |
1.1 Основні відомості про дисципліну "Метрологія та вимірювальна техніка"………………………………………………………………… |
5 |
1.2 Тематичний план лекцій і самостійної роботи………………… |
5 |
1.3 Огляд навчально-методичної літератури……………………… |
7 |
|
|
2 МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ…………………………. |
12 |
Загальні тези……………………………………………………………. |
12 |
Лабораторна робота № 1. Засвоєння методики прямих вимірювань (на прикладі вимірювання характеристик антен)………………… |
13 |
Лабораторна робота № 2. Розрахунок похибки прямих вимірювань (за експериментальними даними лабораторної роботи № 1)… |
18 |
Лабораторна робота № 3. Засвоєння методики непрямих вимірювань (на прикладі вимірювання повного опору)………………………….. |
22 |
Лабораторна робота № 4. Розрахунок похибки непрямих вимірювань (за експериментальними даними лабораторної роботи № 3)…... |
29 |
Лабораторна робота № 5. Вивчення комп'ютерного цифрового запам'ятовуючого осцилографа (на прикладі PC Scope PCS64i).. |
32 |
Лабораторна робота № 6. Дослідження електричних сигналів в часовій і частотній областях……………………………………………………….. |
38 |
Лабораторна робота № 7. Дослідження амплітудно-модульованих сигналів………………………………………………………………... |
46 |
|
|
3 МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ…………………………... |
52 |
Загальні тези……………………………………………………………. |
52 |
Практичне заняття № 1. Опрацювання результатів прямих вимірювань……………………………………………………………………………… |
53 |
Практичне заняття № 2. Опрацювання результатів непрямих вимірювань……………………………………………………………………………… |
57 |
Практичне заняття № 3. Оцінка випадкової похибки аналітичним шляхом…………………………………………………………………... |
61 |
Практичне заняття № 4. Аналіз особливостей систематичних похибок………………………………………………………………………………….. |
65 |
|
|
4 МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДЛЯ СТУДЕНТІВ ЗАОЧНОЇ ФОРМИ НАВЧАННЯ… |
68 |
4.1 Рекомендації щодо вивчення теоретичного матеріалу………. |
69 |
4.2 Завдання до контрольної роботи………………………………… |
70 |
4.3 Питання та завдання до захисту контрольної роботи………… |
72 |
|
|
Додаток А. Визначення граничної похибки відхилення розрахункових значень фізичної величини від експериментальних результатів… |
73 |
|
|
Додаток Б. Інструкція з експлуатації комп'ютерного цифрового запам'ятовуючого осцилографа PC Scope PCS64i……………….. |
77 |
|
|
ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ………………………………………………………………….. |
96 |
ВСТУП
Навчальний матеріал дисципліни "Метрологія і вимірювальна техніка" умовно можна поділити на сім основних частин:
метрологія (метрологічна служба і її завдання, загальні відомості про вимірювання, схеми повірок, еталони, теорія похибок);
стандартизація (змісти стандартів, їх класифікація, зв'язок з міжнародними документами);
сертифікація (міжнародні організації і стандарти, об'єкти і схеми);
акредитація (мета, задачі, етапи);
основні відомості про засоби вимірювання (структурні схеми прямого й зрівноваженого перетворень, аналогові і цифрові вимірювальні прилади, особливості квантування за значенням і дискретизацією за часом, числовим кодуванням, структурна схема цифрового вимірювального приладу);
основні відомості про вимірювальні перетворювачі (аналого-цифрові перетворювачі: постійна напруга-інтервал часу-цифровий код; інтервал часу - цифровий код; постійна напруга-частота; порозрядного зрівноваження; цифро-аналогові перетворювачі і цифрові відлікові пристрої);
методи вимірювання електричних та магнітних величин (напруги, індуктивності, ємності і опору, частоти, зсуву фази, параметрів розподілених елементів, параметрів амплітудно- і частотно-модульованих коливань, особливості аналізу спектра сигналу, а також принципи автоматизації вимірювань).
Фундаментальну основу складають питання метрології і особливо теорії похибок, принципів побудови засобів вимірювання і вимірювальних перетворювачів. Важливу практичну спрямованість має вивчення основних методів вимірювання фізичних величин, характерних для радіо- та електротехніки. Відповідно в методичних вказівках основні акценти зроблено саме на ці розділи.
Особливість даного видання наявність методичних розробок для студентів усіх форм навчання і до всіх видів занять: з вивчення теоретичного (лекційного) матеріалу, з виконання лабораторних робіт і захисту звітів, з проведення практичних занять. Окремо виділені рекомендації для студентів-заочників.
Деякі розділи (опрацювання рядів спостережень, планування експерименту, робота з комп'ютерним цифровим запам'ятовуючим осцилографом) будуть корисні не тільки студентам, а й аспірантам і науковим працівникам.
1 Методичні вказівки до самостійної роботи
1.1 Основні відомості про дисципліну "Основи метрології та радіовимірювання"
Нормативні дані дисципліни "Основи метрології та радіовимірювання" (ОМРВ) наведені в табл. 1.1.
Мета дисципліни МВТ – навчання студентів основним положенням метрології, методам вимірювання радіофізичних параметрів і принципам побудови вимірювальної техніки з розглядом існуючих оригінальних технічних рішень і з орієнтацією на вміння виконувати реальні вимірювання параметрів радіотехнічних пристроїв.
За результатом вивчення дисципліни студенти повинні знати основні питання метрології (систему забезпечення єдиності вимірювань, положення теорії похибок) і методи та засоби вимірювання радіотехнічних величин (струму, напруги, потужності, частоти, інтервалів часу, форми і спектра сигналу, зсуву фази тощо), а також вміти обгрунтовано вибирати метод і засоби вимірювання для досягнення необхідної імовірності експериментальних даних, грамотно реалізовувати вимірювання, оброблення і форму подання результатів з розрахунком похибки.
Для успішного засвоєння дисципліни студенти повинні впевнено оперувати математичним аналізом, лінійною алгеброю, теорією імовірності (Вища математика), основними законами електрики, магнетизму і теорії поля (Фізика), розуміти особливості частотних характеристик кіл із зосередженими та розподіленими параметрами, в тому числі нелінійних і параметричних кіл, знати варіанти фільтрації і підсилення сигналів, спектрів, модуляцій тощо (Основи теорії кіл, Сигнали та процеси в радіотехніці), а також характеристики радіохвиль в необмеженому просторі і в лініях передачі та методи узгодження (Електродинаміка та поширення радіохвиль).
1.2 Тематичний план лекцій і самостійної роботи
На лекційні заняття виносяться найбільш складні або важкодоступні теми. Значна частина матеріалу систематизована в підручниках, але самостійно засвоїти її може лише сильний студент. У табл.1.2 наведено перелік питань, що вивчаються у рекомендованій послідовності, та приблизний обсяг лекційного часу (Лк) і самостійної роботи (СР). Самостійна робота студентів денної форми навчання включає в себе проробку лекційного матеріалу за конспектом та індивідуальне вивчення питань, виділених жирним шрифтом, підготовку до лабораторних і практичних занять, виконання розрахункових завдань. Приблизні графіки навчального процесу і самостійної роботи надані в табл. 1.3, 1.4. Особливу увагу слід приділити ключовим питанням, без знання яких неможлива практична діяльність радиста: теорія похибок, структурні схеми перетворень, аналогові і цифрові перетворювачі, особливості осцилографів, методи вимірювання частоти, параметрів кіл, параметрів амплітудно- і частотно-модульованих коливань, спектрів тощо.
Таблиця 1.1 Нормативні дані
Найменування показників |
Галузь знань, напрям підготовки, освітньо-кваліфікаційний рівень |
Характеристика навчальної дисципліни |
||
денна форма навчання |
заочна форма навчання |
|||
Кількість кредитів 4 |
Галузь знань 0509 «Радіотехніка, радіоелектронні апарати та зв’язок» |
Нормативна |
||
Напрям підготовки 6.050901 «Радіотехніка» |
||||
Модулів 4 |
Спеціальності: 6.05090101 «Радіотехніка», 6.05090102 «Апаратура радіозв’язку, радіомовлення та телебачення», 6.05090103 «Радіоелектронні пристрої, системи та комплекси» |
Рік підготовки: |
||
Змістових модулів 3 |
2-й |
|
||
Індивідуальних завдань 1 |
Семестр |
|||
Загальна кількість годин 120 |
2-й (весняний) |
|
||
Кількість годин |
||||
120 |
|
|||
Аудиторні: 1) лекції, год |
||||
Тижневих годин для денної форми навчання: аудиторних – 64 самостійної роботи студента - 56 |
Освітньо-кваліфікаційний рівень: бакалавр |
30 |
4 |
|
2) практичні, год |
||||
8 |
4 |
|||
3) лабораторні, год |
||||
16 |
4 |
|||
4) консультації, год |
||||
10 |
|
|||
Самостійна робота, год |
||||
56 |
|
|||
в тому числі інд. завд., год. |
||||
20 |
|
|||
Вид контролю: залік |
||||
1.3 Огляд навчально-методичної літератури
До комплекту навчально-методичної літератури входить основний підручник [1], інструкції з експлуатації вимірювальних пристроїв [2] і дані методичні вказівки. Кількість примірників цих трьох видань в бібліотеці ХНУРЕ достатня для 100-го забезпечення студентів. Для більш детального вивчення метрологічних питань рекомендуються підручники [8 9], а для проробки особливостей радіовимірювань [4 7,10]. У навчальному посібнику [3] надані завдання, задачі, етапи, функції, системи, схеми стандартизації, сертифікації та акредитації. Державні стандарти [12 28] рекомендуються для поповнення особистої бібліотеки майбутнього радіоінженера і розкривають уявлення про мету, задачі і шляхи вирішення метрологічних проблем. Книга [11] призначена для повторення характеристик сигналів перед роботою з осцилографом.
Таблиця 1.2 Тематичний план лекційних занять (Лк) і самостійної роботи (СР)
Номер, назва, зміст розділу (теми) і рекомендована література |
Розподіл годин для форми навчання |
||
Денної |
Заочної, СР |
||
Лк |
СР |
||
1 |
2 |
3 |
4 |
ВСТУП Обсяг, мета і завдання курсу, його місце у підготовці спеціалістів. Роль вимірювальної техніки і метрології в науці, промисловості, техніці. Стислий зміст розділів курсу. Методичні матеріали. Літ-ра [1, с. 3]. |
0,1 |
- |
- |
1 МЕТРОЛОГІЧНА СЛУЖБА І ЇЇ ЗАВДАННЯ Терміни та визначення за ДСТУ 2681-94. Організація метрологічної служби. Система забезпечення єдиності вимірювань. Організація та порядок проведення повірки та атестації засобів вимірювальної техніки за ДСТУ 2708-94 і ДСТУ 3215-95. Державна і відомча метрологічні служби. Еталони, зразкові засоби вимірювання і робочі прилади. Еталони основних фізичних величин системи СІ і радіотехнічних величин. Літ-ра [1, с. 8 13]. |
1,9 |
1 |
2 |
2 СТИСЛІ ВІДОМОСТІ ПРО СТАНДАРТИЗАЦІЮ, СЕРТИФІКАЦІЮ І АКРЕДИТАЦІЮ Терміни та визначення. Зміст стандарту. Класифікація стандартів за змістом і середовищем розповсюдження. Міжнародні організації і їх функції з сертифікації. Системи, схеми та особливості обов'язкової і добровільної сертифікації. Мета, задачі і етапи акредитації. Літ-ра [3, с. 3 93].
|
2 |
1 |
2 |
3 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВИМІРЮВАННЯ Визначення вимірювання, похибки, істинного і дійсного значень. Поняття об'єкта, засобу, принципу, методу, умов і одиниць вимірювання. Основні і похідні одиниці фізичних величин та фізичні сталі Міжнародної системи одиниць за ДСТУ 3651-97, ДСТУ 3651.1-97, ДСТУ 3651.2-97. Класифікація вимірювань: прямі, непрямі, спільні, сукупні; абсолютні і відносні; технічні, перевірочні, еталонні. Методи вимірювання: порівняння з мірою (методи заміщення і збігу, нульовий, диференціальний) і безпосередньої оцінки. Літ-ра [1, с. 4 8]. |
1 |
1 |
2 |
4 ТЕОРІЯ ПОХИБОК Класифікація похибок: абсолютна і відносна, об'єктивні і суб'єктивні, інструментальні і похибки методу, випадкові і систематичні, статичні і динамічні, грубі похибки і промахи. Точність вимірювань. Математичні характеристики випадкових похибок: густина і функція розподілу імовірностей, математичне очікування, дисперсія, середньоквадратичне відхилення, середньоквадратична похибка.
|
3 |
3 |
6 |
Продовження табл. 1.2 |
|||
1 |
2 |
3 |
4 |
Граничні значення похибок при різних законах розподілу. Похибки, що підлягають законам розподілу: нормальному, рівної імовірності, несиметричному рівної імовірності, трикутника (Сімпсона), арксинуса (арккосинуса). Оцінка, виключення і форми подання систематичних похибок. Похибки непрямих вимірювань. Коефіцієнти впливу. Методика підсумовування окремих похибок в області радіотехнічних вимірювань. Подання результатів вимірювань. Підсумовування окремих похибок при малій кількості вимірювань. Літ-ра [1, с.13 40; 2, с. 46-51]. |
|
|
|
5 ОСНОВНІ ВІДОМОСТІ ПРО ЗАСОБИ ВИМІРЮВАННЯ Електричні засоби вимірювальної техніки для електричних та магнітних величин. Терміни та визначення за ДСТУ 3540-97. Сигнали частотні електричні неперервні вхідні та вихідні для засобів вимірювання за ДСТУ 2780-94. Структурні схеми прямого й зрівноваженого перетворень. Аналогові і цифрові вимірювальні прилади. Особливості квантування за значенням і дискретизацією за часом, числовим кодуванням. Структурна схема цифрового вимірювального приладу. Літ-ра [1, с. 40 66]. |
2 |
1,5 |
3 |
6 ОСНОВНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВИМІРЮВАЛЬНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ Стислі відомості про аналогові електромеханічні перетворювачі. Магнітоелектричний вимірювальний механізм. Вимірювання сили струму. Випрямні і термоелектричні вимірювальні перетворювачі змінної напруги в постійну. Детектори пікового, середньоквадратичного і середньовипрямленого значень. Термоелектричний перетворювач. Аналого-цифрові перетворювачі: постійна напруга-інтервал часу-цифровий код; інтервал часу - цифровий код; постійна напруга-частота; порозрядного зрівноваження. Цифро-аналогові перетворювачі і цифрові відлікові пристрої. Літ-ра [1, с. 66 112]. |
3 |
2,5 |
5 |
7 ВИМІРЮВАННЯ НАПРУГИ Класифікація, типові структурні схеми електронних вольтметрів. Стислі відомості про компенсатори, електронні і цифрові вольтметри постійної напруги. Вольтметри для вимірювання змінних напруг (середньовипрямлених або середньоквадратичних, а також амплітудних значень). Вимірювання імпульсних напруг. Врахування форми кривої напруги. Літ-ра [1, с. 113 143]. |
2 |
2 |
4 |
8 ВИМІРЮВАННЯ ІНДУКТИВНОСТІ, ЄМНОСТІ І ОПОРУ ЕЛЕМЕНТІВ ІЗ ЗОСЕРЕДЖЕНИМИ ПАРАМЕТРАМИ Методи на основі перетворювачів струму і напруги: омметра, операційного підсилювача, мостової схеми, зрівноваженого кола, цифрового зрівноваженого кола. Резонансний метод із прикладом куметра. Метод дискретного рахунку з використанням розряду конденсатора. Літ-ра [1, с. 298-319]. |
2 |
1 |
2 |
Продовження табл. 1.2 |
|||
1 |
2 |
3 |
4 |
9 ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕМЕНТІВ У КОЛАХ ІЗ РОЗПОДІЛЕНИМИ ПАРАМЕТРАМИ Перелік вимірювальних величин і їх фізична суть: коефіцієнти стійної хвилі, передачі і відбиття, комплексний опір, потужність, зсув фази тощо. Методи вимірювальної лінії, спрямованого відгалужувача, поляризаційний, багатополюсника. Стислі відомості про імпульсний метод. Стисла характеристика основних методів вимірювання потужності у діапазонах НВЧ і ВВЧ (калориметричного, терморезисторного, термоелектричного і пондеромоторного). Літ-ра [1, с. 322 343]. |
1 |
1 |
2 |
10 ЕЛЕКТРОННІ ОСЦИЛОГРАФИ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ФОРМИ СИГНАЛІВ Класифікація осцилографів. Універсальна структурна схема і принцип дії осцилографа і каналів горизонтального і вертикального відхилення. Особливості стробоскопічних, швидкісних, запам'ятовуючих осцилографів. Структурна схема і принцип дії осцилографа з цифровою обробкою сигналу. Літ-ра [1, с. 221 249]. |
2 |
3 |
6 |
11 ОГЛЯД МЕТОДІВ ВИМІРЮВАННЯ ЧАСТОТИ Метод дискретного рахунку з розглядом структурної схеми електронно-розрахункового частотоміра. Метод порівняння із застосуванням гетеродина або осцилографа. Резонансний метод. Літ-ра [1, с. 178 202]. |
2 |
3 |
6 |
12 ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ АМПЛІТУДНО- І ЧАСТОТНО- МОДУЛЬОВАНИХ КОЛИВАНЬ Модифікації осцилографічного методу. Метод частотоміра. Спектральний метод. Два методи безпосередньої оцінки – двох вольтметрів і подвійного детектування. Літ-ра [1, с. 263 279]. |
3 |
4 |
8 |
13 ОГЛЯД МЕТОДІВ АНАЛІЗУ СПЕКТРА СИГНАЛУ Паралельний і послідовний способи реалізації методу фільтраціі. Особливості дисперсійно-часового та прискореного методів. Літ-ра [1, с. 249 263]. |
2 |
3 |
6 |
14 ВИМІРЮВАННЯ ЗСУВУ ФАЗ Компенсаційний метод (на прикладі фазообертачів на хвилеводах і на відкритих лініях передачі). Метод на основі перетворювача зсуву фази в напругу. Метод перетворення зсуву фаз в інтервалі часу (застосування дискретного розрахунку, структурна схема аналогового фазометра). Літ-ра [1, с. 202 220]. |
1 |
1 |
2 |
15 СТИСЛІ ВІДОМОСТІ ПРО АВТОМАТИЗАЦІЮ ВИМІРЮВАНЬ Загальні питання автоматизації вимірювань: автоматичний вибір меж вимірювань, підстроювання рівня і частоти, створення вимірювальних систем. Вимірювання АЧХ та ФЧХ. Літ-ра [1, с. 344 360]. |
2 |
2 |
4 |
ВСЬОГО ГОДИН |
30 |
30 |
60 |
Таблиця 1.3 Приблизний навчальний графік студентів
денної форми навчання
ВИДИ ЗАНЯТЬ |
Навчальні тижні |
|||||||||||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
|
Лекції, 30 год. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
4 |
4 |
4 |
4 |
4 |
4 |
2 |
2 |
Лабораторні роботи , 16 год. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
4 |
4 |
4 |
|
Практичні заняття, 8 год. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2 |
2 |
2 |
|
|
|
|
Самостійна робота, 54 год. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
8 |
8 |
8 |
9 |
6 |
6 |
5 |
2 |
Усього 108 год. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
14 |
14 |
14 |
19 |
14 |
14 |
11 |
4 |
Залік |
Модульний залік за результатами захисту звітів до лабораторних робіт, роботи на практичних заняттях, за виконанням домашніх розрахункових завдань і за результатами тестування |
|||||||||||||||||
Таблиця 1.4 Приблизний графік самостійної роботи студентів
денної форми навчання
Форма самостійної роботи |
Навчальні тижні |
|||||||||||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
|
Вивчення теоретичного матеріалу за конспектом і підручником, 30 год. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
4 |
4 |
4 |
3 |
4 |
4 |
3 |
2 |
Підготовка до лабораторних робіт, 8 год. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2 |
2 |
2 |
|
Підготовка до практичних занять, 4 год. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
1 |
1 |
|
|
|
|
Виконання домашніх розрахункових завдань,12год. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
3 |
3 |
3 |
|
|
|
|
Усього 54 год. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
8 |
8 |
8 |
9 |
6 |
6 |
5 |
2 |