2 Методичні вказівки до лабораторних робіт

Загальні тези

Мета лабораторного практикуму  практичне освоєння основних положень метрології і методів вимірювання радіофізичних параметрів із набуттям навичок роботи із сучасною вимірювальною апаратурою.

На першому занятті проводять інструктаж з техніки безпеки, викладають правила роботи в лабораторії. В академічній групі формують 7-10 бригад кількістю від одного до трьох студентів. Обсяг лабораторних занять наведений у табл. 1.1, а порядок виконання лабораторних робіт  у табл. 2.1. До експериментальної роботи допускаються студенти, які відповіли на контрольні запитання. Особливу увагу рекомендовано звернути на методику проведення вимірювань. Пропущені заняття проводяться індивідуально в установленому порядку.

Таблиця 2.1  Графік виконання лабораторних робіт

Номер бригади	Номер лабораторної роботи, яка виконується на занятті
	першому	другому	третьому	четвертому
1	1	2	5	6
2	1	2	5	6
3	1	2	5	6
4	5	7	3	4
5	5	7	3	4
6	5	7	3	4
7	2	1	3	5
8	2	1	3	5
9	3	4	1	5
10	5	6	7	1

У бібліотеці університету студент повинен отримати комплект навчально-методичної літератури [1  2] і дане видання. Навчальний посібник [1] і конспект лекцій потрібні для самостійної роботи над матеріалом дисципліни. Методичні вказівки [2] містять інструкції з експлуатації всіх приладів, що використовуються у лабораторному практикумі (за винятком інструкції до нещодавно придбаного комп'ютерного цифрового осцилографа, яка надана у додатку В ), а також рекомендації з розрахунку граничних похибок вимірювань.

Кожен студент оформляє звіт індивідуально. Захист звіту здійснюється за питаннями, які наведені у кінці опису лабораторної роботи.

Л а б о р а т о р н а р о б о т а № 1

ЗАСВОЄННЯ МЕТОДИКИ ПРЯМИХ ВИМІРЮВАНЬ

(на прикладі вимірювання характеристик антен)

1 Мета роботи

Мета роботи  освоєння особливостей багаторазових прямих вимірювань з відпрацьовуванням методики обчислення граничної похибки, а також набуття навичок роботи з вимірювальними генератором та вимірювальним підсилювачем.

2 Завдання на самостійну позааудиторну роботу

2.1 Дати відповіді на контрольні запитання 1-4, 7-8 розд. 3 [1, с.13  26]. Особливу увагу приділити розрахунку граничних похибок вимірювання [2, с.46  51].

2.2 Ознайомитися з інструкціями з експлуатації генератора [2, с.18-  19], вимірювального підсилювача [2, с.10  13].

3 Контрольні питання для допуску до аудиторної роботи

1. Визначення вимірювання, похибки, істинного і дійсного значень.

2. Поняття об'єкта, засобу, принципу, методу, розмірності і одиниць вимірювання.

3. Класифікація вимірювань: прямі, непрямі, спільні, сукупні, абсолютні, відносні.

4. Класифікація похибок: абсолютні і відносні, об'єктивні і суб'єктивні, інструментальні і похибки методу, випадкові і систематичні, статичні і динамічні, грубі похибки і промахи.

5. Методика вимірювання діаграми спрямованості антени.

6. Методика вимірювання ширини діаграми спрямованості антени.

7. Методика розрахунку середньоквадратичної похибки результату вимірювання.

8. Методика розрахунку інструментальної похибки прямого вимірювання.

4 Опис лабораторної установки

4.1 Склад установки.

Функціональна схема установки наведена на рис. 2.1. До установки входять: генератор НВЧ 1, феритовий вентиль 2, регульований атенюатор 3, передавальна антена 4, приймальна антена 5, детекторна секція 6 і вимірювальний підсилювач 7. Елементи 1-4 складають передавальний блок, а елементи 5-7 – приймальний блок.

У передавальному блоці нерухома передавальна антена 4 підключена до генератора 1, що працює в режимі внутрішньої модуляції меандром, а в приймальному блоці приймальна досліджувана антена 5 встановлена на поворотному механізмі з можливістю обертання в горизонтальній площині і через

Рисунок 2.1  Функціональна схема установки для вимірювання діаграми

спрямованості антени і ширини діаграми спрямованості

детекторну секцію 6 з'єднана із селективним вимірювальним підсилювачем 7 або з вимірювачем відношення напруг. Відстань між антенами 4,5 має відповідати умові далекої зони.

4.2 Підготування до роботи.

4.2.1 Прогріти генератор і підсилювач протягом 15 хв.

4.2.2 Встановити необхідну частоту генератора, розташувати антени співвісно одна одній. Записати відлік на шкалі кутів поворотного механізму досліджуваної антени, використовуваний надалі як умовний нуль .

4.2.3 Настроїти селективний підсилювач (вимірник відношень) на частоту модуляції генератора.

4.3 Вимірювання діаграми спрямованості.

4.3.1 Підготувати установку до роботи відповідно до 4.2.

4.3.2 Маніпулюючи ручкою “УСИЛЕНИЕ” підсилювача і ручкою вихідного атенюатора генератора, домогтися показань наприкінці шкали індикаторного приладу 10ⁿ, де n = (0,1,2,3,…).

4.3.3 Обертаючи приймальну антену, орієнтовно визначити кути, що відповідають напрямку нульових випромінювань і напрямкам бічних пелюсток.

4.3.4 Вибрати крок зміни кута повороту. Крок при вимірюванні залежності напруженості поля від кута повороту залежить від характеру ділянки кривої: поблизу екстремумів він може бути меншим, ніж на ділянках, близьких до лінійних характеристик (тобто між найближчим мінімумом і максимумом).

4.3.5 Змінюючи з обраним кроком кут повороту приймальної антени, знімати відліки показань індикаторного приладу підсилювача. Якщо виконана умова п. 4.3.2 , побудова нормованої діаграми спрямованості за потужністю або за полем значно полегшується ( показання індикаторного приладу,  максимальні показання).

Добувати квадратний корінь необхідно через квадратичну характеристику діода. Доцільно не тільки записувати дані в таблицю, але й одночасно будувати чернетку графіка.

4.3.6 Через нестачу місця, паразитні відбиття, люфт механізму обертання і т.д. виникає похибка вимірювання. В результаті характеристики антени по обидва боки умовного нуля можуть бути неідентичними.

4.4 Вимірювання ширини діаграми спрямованості.

4.4.1 Підготувати установку до роботи відповідно до 4.2.

4.4.2 Для вимірювання ширини діаграми спрямованості за рівнем половинної потужності ретельно виконати операції за 4.3.2. Повертаючи приймальну антену в один бік від умовного нуля, домогтися зменшення показань підсилювача в вдвічі і зняти відлік кута повороту .

Повертаючи приймальну антену в інший бік, зняти аналогічний відлік . Тоді

 

або, з урахуванням п. 4.3.6,  , де або .

4.4.3 Для вимірювання ширини діаграми спрямованості за рівнем нульового випромінювання визначити найближчі до головної пелюстки напрямки нульового випромінювання по обидва боки від напрямку головної пелюстки . Тоді  або, з урахуванням п. 4.3.6, 2 , де або .

Точність вимірювань можна збільшити, використовуючи метод “вилки”. Для цього знайти приблизно кут і зафіксувати антену в цьому куті. Повільно повертаючи антену на малий кут, встановити її в положення, що наближається до . Записати положення антени ^ і позначити показання індикаторного приладу .

Перемістити антену в інший бік від мінімуму так, щоб показання індикаторного приладу відповідали . Записати положення антени ^ та обчислити

 ^+ ^/2. Аналогічно визначити .

Таблиця 2.2 – Результати вимірювання і обчислення в ЛР1

Діаграма спрямованості		Ширина діаграми спрямованості
Кут 	Показання 	i	max	0,5P		Примітки
		1
		2
		3
		4
		5
		6
		7
		8
		9
		10
		11
		12
		13
		14
		n =15
З експериментального графіка		Середні значення 	max =	0,5P =	0,5 Р =
Відносні середньоквадратичні похибки результатів спостережень			i max =	i 0,5P =	i  =
Відносні середньоквадратичні похибки результатів вимірювань			сер max =	сер 0,5P =	сер  =
Приведені інструментальні відносні середньоквадратичні похибки результатів спостережень			i інс max =	i інс 0,5P =	i інс  =	Дивися практичне заняття № 1
Приведені інструментальні відносні середньоквадратичні похибки результатів вимірювань			інс max =	інс 0,5P =	інс  =	Дивися практичне заняття № 1
Максимальні похибки результатів вимірювань			max =	0,5P =	 =	Крп=3 для max, 0,5P; Крп=2,46 для 
Відносні середньоквадратичні похибки результатів вимірювань за формулами оперативного опрацювання			сер max =	сер 0,5P =	сер  =	При n  12

5 Порядок виконання роботи

5.1 Підготувати установку до роботи, підключити до мережі 220 В генератор і підсилювач. Виконати операції за 4.2. За час прогрівання апаратури зробити ксерокопії табл.1, яка буде потрібна при оформленні звіту.

5.2 Виміряти діаграму спрямованості антени (див. 4.3). Крок по куту не більше 2-3. Тут і далі всі експериментальні дані занести до табл. 2.2.

5.3 Побудувати графік діаграми спрямованості і знайти з графіка ширину діаграми спрямованості і половинний кут .

5.4 Виконати багаторазові вимірювання половинного кута ширини діаграми спрямованості (див. 4.4). До табл. 2.2 внести результати спостережень:  показання індикаторного пристрою в напрямку головної пелюстки; _0,5P – показання індикаторного пристрою в напрямку половинної потужності;  половина ширини діаграми спрямованості.

Всі відліки робити з похибкою не більше 0,1 ціни поділу шкали приладу.

5.5 Розрахувати результати багаторазових вимірювань , _0,5P, .

5.6 Обчислити відносні середньоквадратичні похибки результатів окремих спостережень , _0,5P, .

5.7 Обчислити відносні середньоквадратичні похибки результатів вимірювань , _0,5P, .

5.8 Розрахувати приведені інструментальні відносні середньоквадратичні похибки результатів спостереження і вимірювання. Використувать дані практичного завдання № 1.

5.9 Знайти максимальні відносні похибки вимірювання , _0,5P, . Закон розподілу для , _0,5P прийняти нормальним (К_рп=3), а для прийняти закон Сімпсона (К_рп=2,46).

5.10 Розрахувати похибки за 5.6, 5.7 за формулами оперативного опрацювання експериментальних результатів [2, с. 47].

6 Завдання підвищеної складності

Виконуються за власною ініціативою студента в рамках науково-дослідної роботи. "Дівіденти" гарантовані.

6.1 Знайти в підручниках формулу для розрахунку діаграми спрямованості досліджуваної антени.

6.2 Вважаючи, що залежність показань індикаторного приладу вимірювального підсилювача від просторового кута  задана формулою у 6.1, визначити аналітично випадкову похибку , обумовлену роздільною здатністю цього приладу у напрямку головної пелюстки.

7 Зміст звіту

7.1 Результати спостережень і вимірювань за 5.5-5.7, 5.11-5.14.

7.2 Дані розрахунків за 5.8-5.9, 5.15-5.25.

7.3 Заповнена табл. 2.2.

7.4 Висновки з указівкою домінуючих похибок.

Питання та завдання до захисту звіту

1. Методика вимірювання діаграми спрямованості.

2. Методика вимірювання ширини діаграми спрямованості.

3. Розрахунок середньоквадратичної похибки результату спостереження.

4. Розрахунок середньоквадратичної похибки результату вимірювання.

5. Порядок розрахунку інструментальних похибок.

6. Порядок розрахунку максимальних похибок.

7. Пояснити відмінності числових даних за пп. 5.6, 5.7.

8. Пояснити розбіжності числових даних за п. 5.8.

9. Настроїти вимірювальний генератор.

10. Настроїти вимірювальний підсилювач.

Л а б о р а т о р н а р о б о т а № 2

РОЗРАХУНОК ПОХИБКИ ПРЯМИХ ВИМІРЮВАНЬ

(за експериментальними даними лабораторної роботи № 1)

1 Мета роботи

Мета роботи – набуття навичок роботи на комп'ютері в середовищі MathCAD 7 за розрахунком похибок прямого вимірювання за результатами багаторазових спостережень.

2 Завдання на самостійну позааудиторну роботу

2.1 Дати відповіді на контрольні запитання 1-6 розд. 3 [1, с.13-26].

2.2 Повторити правила роботи в середовищі MathCAD 7.

2.3 Підготувати матеріали для розрахунку максимальної похибки прямого вимірювання. Мати при собі звіт до лабораторної роботи № 1.

2.4 Виписати формули для обчислення складових максимальної похибки прямого вимірювання. Особливу увагу приділити інструментальній похибці [2, с.46  51].

3 Контрольні питання для допуску до аудиторної роботи

1. Класифікація вимірювань. Методика багаторазових вимірювань.

2. Результати спостереженнь і результат вимірювання.

3. Поняття середньоквадратичної похибки результату спостереження.

4. Поняття середньоквадратичної похибки результату вимірювання.

5. Методика розрахунку інструментальної похибки.

6. Поняття приведеної похибки.

7. Особливості роботи в середовищі MathCAD 7: уведення тексту, формул, змінних, виконання символьніих операцій (множення, ділення, диференціювання).

4 Опис лабораторної установки

Робота виконується на комп'ютері в середовищі MathCAD 7. В табл. 2.3 стисло надані деякі правила роботи.

5 Порядок виконання роботи

5.1 Запустити програму MathCAD 7, встановити поля сторінки по 10 мм і зберегти на вінчестері файл з унікальним ім'ям. У кінці роботи цей файл необхідно переписати на дискету.

5.2 Набрати зверху текстові дані: дату, шифр групи, номер бригади, прізвища та ініціали студентів, номер лабораторної роботи і її найменування.

5.3 Обчислити відносну середньоквадратичну похибку результатів окремих спостережень , Для цього послідовно виконати наступні операції.

5.3.1 Задати нижню межу індексації елементів вектора.

5.3.2 Задати вектор, елементами якого є результати багаторазових спостережень параметра .

Таблиця 2.3 – Стислі відомості про роботу з MathCAD 7

Операція	Порядок виконання	Примітки
Ввійти в текстову область	En – Arial Cyr (абоTimes New Roman Cyr) – Щиглик миші в потрібному місці – Набрати символ дволапки " (або Insert – Text Region) – Ru (або Uk)	В текстовій області має бути червоний курсор
Вийти з текстової області	Клацання миші поза рамкою або Enter
Присвоїти змінній (х) значення (16)	Змінна (х) – Символ двокрапки (:) – Число(16), наприклад х : 16	На екрані з'явиться х := 16
Задати ранжировану змінну з необхідним кроком	Приклад: задати х від 1.15 до 2.11 з кроком 0.01; x : 1.15, 1.16 ; 2.11 (крок дорівнює різниці між другим і першим числами 1.16-1.15=0.01)	На екрані з'явиться х := 1.15, 1.16..2.11
Набір формул	Використовувати латинський шрифт та піктограми – кнопки математичних панелей і кнопку грецьких символів
Виконати в символьному вигляді арифметичні операціі (+,-, *, /)	Набрати вираз , виділити його, далі Symbolics – Evaluate - Symbolically	При довгому виразі виконувати почленно
Взяти похідну (в символах)	Виділити необхідну змінну, далі Symbolics – Variable - Differentiate	На екрані з'явиться вираз для похідної
Розрахувати числове значення	Присвоїти змінним і параметрам значення (наприклад a:=5 b:=3), ввести функцію ( Y(a,b):= sin(a*b) ), набрати ім'я функції ( Y(a,b) ) і далі знак рівності (=)	На екрані з'явиться результат розрахунку (0.65)
Задати нижню межу індексації елементів вектора	ORIGIN : 1 (або ORIGIN : 0)	На екрані з'явиться ORIGIN := 1
Задати елементи вектора або матриці	ORIGIN : 1 V [ 1 : 5.60 V [ 2 : 5.65 V [ 1 : 5.70 (Далі можна набрати V = і на екрані з'явиться матриця з одним стовпцем – вектор із заданими елементами )	На екрані з'явиться V1 := 5.60 V2 := 5.65 V3 := 5.70
Задати вектор або матрицю за шаблоном	Ввести ім'я вектора або матриці (наприклад M : ) і натиснути кнопку введення вектора або матриці. Далі внести число рядків та стовпців і заповнити числовими даними шаблони елементів.	На екрані з'явиться задана матриця або вектор
Розрахувати середнє значення елементів вектора M	Ввести ім'я середнього значення, далі mean (M). Приклад: m:= mean (M) m=	На екрані з'явиться числове значення m
Виконати операції з елементами вектора M	Приклад: i : 1 ; 12 n : 12 M1 [ i : M [ i ^2 / (n – 1) M1 = Це відповідає	На екрані з'явиться вектор M1
Знайти максимальний та мінімальний за значенням елементи вектора M	max (M) min (M)

5.3.3 Розрахувати середнє значення елементів вектора за 5.3.2, тобто результат вимірювання .

5.3.4 Задати вектор, елементами якого є відносні похибки окремих спостережень

.

5.3.5 Задати вектор, елементи якого дорівнюють елементам за 5.3.4 в квадраті.

5.3.6 Обчислити відносну середньоквадратичну похибку результатів окремих спостережень ,

5.4 Знайти середньоквадратичну похибку результату вимірювання ,

5.5 Ввести інструментальну похибку та розрахувати максимальну похибку результату вимірювання .

5.6 Знайти максимальний та мінімальний за значенням елементи вектора за 5.3.2.

5.7 Обчислити відносні середньоквадратичні похибки результатів вимірювань за формулами оперативного опрацювання даних.

5.8 Виконати операції за 5.3-5.7 відносно _0,5P.

5.9 Виконати операції за 5.3-5.7 відносно .

5.10 Розрахунки за 5.3-5.9 компактно розмістити на 1-2 сторінках і зберегти окремим файлом для звіту. Радимо набрати і титульний аркуш.

6 Завдання підвищеної складності

6.1 Знайти в підручниках формули для розрахунку діаграм спрямованості рупорної і хвилеводно-щілинних антен.

6.2 Вважаючи, що залежність показань індикаторного приладу вимірювального підсилювача від просторового кута  задана формулами за 6.1, визначити аналітично випадкові похибки , обумовлені роздільною здатністю цього приладу у точці половинної потужності. Символьні операції виконати на комп'ютері.

7 Зміст звіту

7.1 Роздруківка результатів роботи за 5.10.

7.2 Висновки із зазначенням домінуючих похибок.

Питання та завдання до захисту звіту

1. Розрахунок середньоквадратичної похибки результату спостереження.

2. Розрахунок середньоквадратичної похибки результату вимірювання.

3. Порядок розрахунку інструментальних похибок.

4. Порядок розрахунку максимальних похибок.

5. Пояснити відмінності даних по пп. 5.4, 5.7.

6. Взяти в символьному вигляді похідну.

Л а б о р а т о р н а р о б о т а № 3

ЗАСВОЄННЯ МЕТОДИКИ НЕПРЯМИХ ВИМІРЮВАНЬ

(на прикладі вимірювання повного опору)

1 Мета роботи

Мета роботи  засвоєння особливостей вимірювання параметрів елементів у лініях передачі з розподіленими параметрами з відпрацьовуванням методики непрямих вимірювань на стандартній вимірювальній апаратурі НВЧ діапазону.

2 Завдання на самостійну позааудиторну роботу

2.1 Дати відповіді на контрольні запитання 1  4, 8 розд. 3 [1, с.13  26]. Особливу увагу приділити розрахунку граничних похибок вимірювання [2, с.46  51].

2.2 Ознайомитися з інструкціями з експлуатації хвилеводної вимірювальної лінії [1, с.5  10], генератора [1, с.18  19], вимірювального підсилювача [2, с.10  13].

3 Контрольні питання для допуску до аудиторної роботи

1. Визначення вимірювання, похибки, істинного і дійсного значень.

2. Поняття об'єкта, засобу, принципу, методу і розмірності вимірювання.

3. Класифікація вимірювань: прямі, непрямі, спільні, сукупні, абсолютні, відносні.

4. Класифікація похибок: абсолютні і відносні, об'єктивні і суб'єктивні, інструментальні, випадкові і систематичні, статичні і динамічні, грубі і промахи.

5. Методика вимірювання довжини хвилі в хвилеводі за допомогою вимірювальної лінії.

6. Методика вимірювання КСХ і зсуву фази за допомогою вимірювальної лінії.

7. Методика вимірювання повного опору за допомогою вимірювальної лінії.

8. Методика розрахунку середньоквадратичної похибки.

4 Опис лабораторної установки

Функціональна схема установки наведена на рис. 2.2. До установки входять: генератор НВЧ 1, феритовий вентиль 2, регульований атенюатор 3, хвилеводна вимірювальна лінія 4, регульований реактивний елемент 5, узгоджене навантаження 6, короткозамкнене навантаження 7. Індикаторна голівка вимірювальної лінії 4 підключена до вимірювального підсилювача 8.

Р исунок 2.2 – Функціональна схема установки для непрямого вимірювання

повного опору та повної провідності

5 Порядок виконання роботи

5.1 Підготувати установку до роботи, підключити до мережі 220 В генератор і підсилювач. Прогріти апаратуру протягом 15 хвилин. За цей час зробити копії табл.2.4 і табл. 2.5, які будуть потрібні при оформленні звіту.

5.2 Встановити частоту генератора 10  1 ГГц.

5.3 Настроїти вимірювальну лінію на обрану частоту, а підсилювач  на частоту модуляції генератора.

5.4 До виходу вимірювальної лінії підключити короткозамкнене навантаження  металеву пластину.

5.5 Визначити умовний кінець лінії Z_у  положення найближчого до площини короткого замикання мінімуму Z_у = Z_min у межах інтервалів пересування каретки вимірювальної лінії. Обов'язково використовувати метод "вилки" за 5.5.1 і ураховувати зауваження за 5.5.2-5. 5.3.

1. Для визначення положення мінімуму стійної хвилі методом "вилки" встановити зонд у положення мінімуму (це відповідає мінімальним показанням індикаторного приладу підсилювача). Повільно пересуваючи зонд, встановити його в положення, близьке до мінімуму. Записати положення зонду Z₁ і відмітити показання індикаторного приладу . Перемістити зонд по інший бік від мінімуму так, щоб показання приладу відповідали . Записати положення зонду Z₂ та обчислити положення мінімуму за формулою

5.5.2 При знятті показань Z₁, Z₂ обов'язково користуватися ноніусною шкалою вимірювальної лінії з ціною поділки 0,05 мм, а при обчисленні Z_min результат не округляти.

3. Пам'ятати, що при зміні частоти положення умовного кінця лінії змінюється.

5.6 Виміряти довжину хвилі в хвилеводі. Перемістити індикаторну голівку вимірювальної лінії убік генератора і помістити її в мінімум, найближчий до умовного кінця лінії. Методом "вилки" визначити положення мінімуму Z_min та знайти довжину хвилі в хвилеводі

5.7 Виконати операції за 5.5 - 5.6 приблизно n  12-15 разів. Тут і далі всі результати спостережень і розрахунків вносити до табл. 2.4.

5.8 Обчислити результати вимірювань (середньоарифметичні) Z_{у сер} та _сер.

5.9 Обчислити відносну середньоквадратичну похибку _ вимірювання довжини хвилі в хвилеводі _сер.

5.10 До виходу вимірювальної лінії підключити реактивний елемент і далі узгоджене навантаження.

5.11 Змінюючи реактивність елемента, вимірювати КСХ і знайти положення, при якому КСХ  1,8...2,2. Використовувати метод "максимуму-мінімуму" за 5.11.1-5, 11.3. Далі положення реактивного елемента не змінювати.

Таблиця 2.4 – Результати вимірювання і обчислення в ЛР3

Результати спостережень і вимірювань						Похибки, 
i	Zу i	Zmin i	i	Z min i	Z i
1						 = Z =
2
3
4
5
6
7						 інстр = Z інстр =
8
9
10
11
12
13
14						  = Z  =
n=15
Середні значення	Zу сер =	------------ ------------ ------------	сер =	------------- ------------ ------------	Z сер =
Результати розрахунків розмірів величин						 = Z =
Результати прямих вимірювань		КСХ =  = , рад
Складові повного опору		R = X =
Складові повної провідності		G = B =				 = КСХ =
Формули для розрахунку коефіцієнтів впливу по 
Група_________ Дата_______ Бригада №____ Підпис викладача_______

5.11.1 Для вимірювання КСХ  3 методом "максимуму-мінімуму" встановити зонд у максимум стійної хвилі. Маніпулюючи ручками підсилення вимірювального підсилювача або регулюючи атенюатором потужність НВЧ, добитися показань _max у межах 0,81,0 від номіналу шкали, бажано _max = 10n, де n = 1,2,3,…...

5.11.2 Пересунути зонд у положення мінімуму стійної хвилі, записати показання індикаторного приладу _min.

5.11.3 Обчислити коефіцієнт стійної хвилі

.

5.12 Виміряти КСХ для вибраного положення реактивного елемента (пп. 5.11.1-5. 11.3 ).

5.13 Поставити каретку в положення Z_{у сер} і, пересуваючи каретку в бік генератора, знайти методом "вилки" (пп. 5.5.1-5. 5.3 ) положення мінімуму Z_{ min}, найближчого до умовного кінця лінії.

5.14 Відповідно до вибраного раніше числа спостережень по п. 5.7 , повторити вимірювання Z_{ min} n разів.

5 .15 Обчислити n значень зсуву мінімуму

і знайти середнє значення Z_{ сер}.

5.16 Обчислити відносну середньоквадратичну похибку _Z вимірювання зсуву мінімуму.

5.17 Обчислити зсув фази

5.18 Розрахувати інструментальну відносну середньоквадратичну похибку вимірювання довжини хвилі в хвилеводі _{ інстр.}. Використати дані практичного заняття № 1.

5.19 Розрахувати інструментальну відносну середньоквадратичну похибку вимірювання Z_{ сер}, позначивши її _{Z інстр.}. Використати дані практичного заняття 1.

5.20 Розрахувати сумарні відносні середньоквадратичні похибки вимірювання _сер і Z_{ сер} за формулою

5.21 Знайти формули для розрахунку коефіцієнтів впливу параметрів  і Z_, необхідних для подальшого розрахунку похибки непрямого вимірювання зсуву фази . Викорастати співвідношення

де  коефіцієнт впливу параметра  на похибку непрямого вимірювання величини F. Для п. 5.17 F=, в одному випадку =, а в іншому  =Z_.

5.22 Обчислити приведені відносні середньоквадратичні похибки

для = і =Z_.

5.23 Обчислити приведену відносну середньоквадратичну похибку вимірювання зсуву фази

5.24 Обчислити приведену відносну середньоквадратичну похибку вимірювання КСХ

де _КСХ – максимальна похибка вимірювання КСХ (прийняти _КСХ =  2,4 );

K_рп – коефіцієнт розподілу похибки. Значення K_рп вибрати самостійно.

5.25 Розрахувати значення нормованих активних і реактивних складових повного опору та повної провідності. Формули наведені в табл. 2.5.

Таблиця 2.5  Формули для розрахунку складових нормованого повного опору

і повної провідності на вихідному фланці вимірювальної лінії

Параметр	Формула
Повний опір
Повна провідність

6 Завдання підвищеної складності

6.1 Виконати дослідження впливу глибини занурення зонда вимірювальної лінії на експериментальну криву розподілу поля.

6.1.1 Вивчити обгрунтування експерименту за 6.2.

6.1.2 Установити глибину занурення зонда приблизно 1/5 -1/10 розміру вузької стінки хвилеводу.

6.1.3 Виконати операції за 5.1-5.4.

6.1.4 Виміряти залежність напруженості електричного поля E стійної хвилі уздовж поздовжньої осі z лінії передачі на ділянці завдовжки не менше (/2 + 10). Бажано вибрати ділянку з двома мінімумами поля, а крок переміщення індикаторної голівки  приблизно рівним /25. Врахувати, що через квадратичну характеристику детектора де   показання індикаторного приладу.

6.1.5 Побудувати графік залежності від координати z.

6.1.6 Встановити максимальну глибину занурення зонду, але без контакту з протилежною широкою стінкою.

6.1.7 На тій самій частоті виконати операції за 6.1.4-6.1.5.

6.1.8 Відповідно до рекомендацій 6.2 визначити знак реактивної провідності зонда.

6.2 В основу експерименту покладені наступні міркування. Нормована провідність короткозамкненої лінії , зонда  . Вхідна провідність в місті розташування зонда , а комплексний коефіцієнт відбиття .

В індикаторній голівці детектується напруга Після нескладних перетворень

При G_З = B_З = 0 нормована крива збігатиметься з теоретичною залежністю

а при G_З  0, B_З  0 будуть перекручування.

При ємнісній провідності зонда, коли B_З  0, пучності стійної хвилі будуть зміщені до кінця лінії, а вузли стійної хвилі збігатимуться з вузлами стійної хвилі короткозамкненої лінії без зонда.

7 Зміст звіту

7.1 Результати спостережень і вимірювань за 5.5-5.7, 5.11-5.14.

7.2 Дані розрахунків за 5.8-5.9, 5.15-5.25.

7.3 Заповнена табл. 1.

7.4 Висновки із зазначенням домінуючих похибок.

Питання та завдання до захисту звіту

1. Методика вимірювання КСХ і зсуву фази за допомогою вимірювальної лінії.

2. Методика вимірювання повного опору за допомогою вимірювальної лінії.

3. Методика вимірювання довжини хвилі в хвилеводі за допомогою вимірювальної лінії.

4. Методика розрахунку середньоквадратичної похибки результату вимірювання.

5. Складові повної похибки вимірювання КСХ і зсуву фази.

6. Знайти формули для розрахунку коефіцієнтів впливу параметрів  і Z_ при вимірюванні зсуву фази.

Л а б о р а т о р н а р о б о т а № 4

РОЗРАХУНОК ПОХИБКИ НЕПРЯМИХ ВИМІРЮВАНЬ

(за експериментальними даними лабораторної роботи № 3)

1 Мета роботи

Мета роботи – набуття навичок роботи на комп'ютері в середовищі MathCAD 7 за розрахунком похибок непрямого вимірювання з виконанням символьних операцій.

2 Завдання на самостійну позааудиторну роботу

2.1 Підготувати матеріали для розрахунку максимальної похибки непрямого вимірювання повного опору. Мати при собі звіт до лабораторної роботи № 3.

2.2 Виписати формули для обчислення складових повного опору і повної провідності за результатами вимірювання КСХ та зсуву фази. [2, с. 5-8]. Особливу увагу приділити розрахуванню граничних похибок вимірювання і коефіцієнтів впливу

,

де K  коефіцієнт впливу параметра  на F() [2, с.46  51].

2.3 Отримати формули для розрахунку коефіцієнтів впливу K , K , K , K , де, наприклад, K  коефіцієнт впливу на активну складову R коефіцієнта стійної хвилі КСХ.

3 Контрольні питання для допуску до аудиторної роботи

1. Методика вимірювання повного опору за допомогою вимірювальної лінії.

2. Загальний вигляд формули для розрахунку коефіцієнтів впливу.

3. Поняття середньоквадратичної похибки результату вимірювання.

4. Поняття приведеної похибки.

5. Особливості роботи в середовищі MathCAD 7: введення тексту, формул, змінних, виконання символьних операцій (множення, ділення, диференціювання).

4 Опис лабораторної установки

Робота виконується на комп'ютері в середовищі MathCAD 7. Деякі правила роботи стисло наведені в табл. 2.3.

5 Порядок виконання роботи

5.1 Запустити програму MathCAD 7, встановити поля сторінки по 10 мм і зберегти на вінчестері файл з унікальним ім'ям. В кінці роботи цей файл потрібно переписати на дискету.

5.2 Набрати зверху текстові дані: дату, шифр групи, номер бригади, прізвище та ініціали студентів, номер лабораторної роботи і її назву.

5.3 Ввести праву частину формули для знаходження активної складової повного опору R (див. табл. 2.5).

5.4 Взяти похідну по КСХ у символьному вигляді.

5.5 Отримати формулу для розрахунку коефіцієнта впливу (див. п. 2.2).

5.6 Взяти похідну по  в символьному вигляді і отримати формулу для розрахунку коефіцієнта впливу .

5.7 Ввести праву частину формули для знаходження реактивної складової повного опору X (див. табл. 2.5). Отримати формули для розрахунку коефіцієнтів впливу , .

5.8 Ввести праву частину формули для знаходження активної складової повної провідності G (див. табл. 2.5). Отримати формули для розрахунку коефіцієнтів впливу , .

5.9 Ввести праву частину формули для знаходження реактивної складової повної провідності B (див. табл. 2.5). Отримати формули для розрахунку коефіцієнтів впливу , .

5.10 Ввести числові дані КСХ і  (див. табл. 2.4), функції для розрахунку R, X, G, B та , , , , , , , . Отримати числові значення.

5.11 Використовуючи дані табл. 2.4 і відповідні формули табл. 2.6, розрахувати приведені середньоквадратичні похибки непрямого вимірювання складових повного опору і повної провідності, а також максимальні похибки

Таблиця 2.6  Формули для розрахунку приведенних похибок

Параметр, що вимірюється	Формули для розрахунку приведеної середньоквадратичної похибки
Нормований повний опір
Нормована повна провідність

6 Завдання підвищеної складності

6.1 Знайти в літературі формулу для розрахунку хвильового опору прямокутного хвилеводу Z_хв.

6.2 Розробити методику непрямого вимірювання Z_хв.

6.3 Вивести формули для розрахунку необхідних коефіцієнтів впливу.

6.4 Розрахувати похибку непрямого вимірювання хвильового опору.

7 Зміст звіту

7.1 Роздруківка сторінок за 5.10, 5.11.

7.2 Висновки з зазначенням домінуючих похибок.

Питання та завдання до захисту звіту

1. Методика розрахунку коефіцієнтів впливу.

2. Складові повної похибки непрямого вимірювання комплексного опору або комплексної провідности.

3. Методика розрахунку приведенної середньоквадратичної похибки непрямого виміру складових повного опору і повної провідності.

4. Порядок обчислення повної похибки непрямого вимірювання.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5

ВИВЧЕННЯ КОМП'ЮТЕРНОГО ЦИФРОВОГО ЗАПАМ'ЯТОВУЮЧОГО осцилографа (на прикладі PC Scope PCS64i)

1 Мета роботи

Дослідження функційних можливостей комп'ютерного цифрового запам'ятовуючого осцилографа (ЦЗО) на прикладі PC Scope PCS64i із набуттям навичок вимірювання часових характеристик електричних сигналів.

2 Завдання на самостійну позааудиторну роботу

Вивчити особливості дослідження електричних сигналів у часовій області [1,10], а також склад і призначення органів керування ЦЗО і генератора сигналів звукової й ультразвукової частот Г3-33) [2; Додаток Б].

3 Контрольні питання для допуску до аудиторної роботи

1. Особливості функціонування ЦЗО.

2. Склад експериментальної установки ЦЗО, призначення органів керування виносного блоку.

3. Синхронізація розгортки ЦЗО з досліджуваним сигналом.

4. Основні види осцилографічних вимірювань.

5. Методика вимірювання напруги і часових інтервалів за допомогою ЦЗО.

4 Опис лабораторної установки

4.1 Склад установки

Експериментальна установка містить: 1- генератор сигналів звукової й ультразвукової частот типу Г3-33; 2 – комп'ютерний цифровий запам'ятовуючий осцилограф PC Scope PCS64і; 3 – персональний комп'ютер (рис. 2.3). ЦЗО підключений до комп'ютера через паралельний LPT – порт.

Рисунок 2.3 – Склад експериментальної установки для дослідження форми гармонічних сигналів

4.2 Підготовка до роботи

4.2.1 Включити генератор Г3-33 і прогріти його протягом 15 хв.

4.2.2 Включити ПК, ЦЗО PC Scope PCS64і і запустити його користувацький інтерфейс за допомогою відповідної іконки на робочому столі комп'ютера (див. Додаток Б).

4.2.3 Створити тимчасову папку для збереження файлів даних.

5 Порядок виконання роботи

5.1 Підготувати установку до роботи згідно з п.п. 4.2.1-4.2.2.

5.2 Виконати розрахунки, необхідні для проведення експерименту і заповнити табл. 2.7.

5.2.1 Розрахувати частоту й амплітуду досліджуваних гармонічних сигналів згідно з вихідними даними табл. 2.7.

5.2.2 Розрахувати період гармонічних коливань Т_і=1 / f_i, c, де i – номер частоти.

5.2.3 Розрахувати діюче значення напруги , В.

5.3 Визначити межі інструментальних абсолютних похибок Δη=│η-η_i│ і відносних похибок Δη_%=Δη·100/η_i при встановленні частоти (η_i=f_i), амплітуди (η_i=U_i), періоду (η_i=Т_i). Тут параметр η – вимірювана величина, η_i  дійсне значення вимірюваної величини, розраховане в пп. 5.2.1 – 5.2.3.

5.4 Виключити канал CH2 на користувацькому інтерфейсі ЦЗО і для дослідження сигналів використати канал CH1.

5.5 Підготувати апаратуру для проведення вимірів на частоті f_1.

5.5.1 Поставити селектор входу каналу CH1 виносного блоку в положення .

5.5.2 Встановити ручкою вихідне положення горизонтальної лінії розгортки в середній частині екрана ЦЗО.

5.5.3 Настроїти генератор Г3-33 на частоту f₁ згідно з табл. 2.7.

5.5.4 Встановити діюче значення напруги генератора U_д1 згідно з табл. 2.7.

5.6 Провести вимірювання на частоті f_1.

5.6.1 Перевести селектор входу виносного блока ЦЗО в положення AC.

5.6.2 УВАГА! Вимірювання починати лише з максимальних значень розгорнення по вертикалі і по горизонталі з наступним зменшенням до прийнятних значень.

Вибрати за допомогою перемикачів VOLT/DIV і TIME/DIV відповідні значення множників розгортки по вертикалі і горизонталі так, щоб на екрані вийшло прийнятне зображення досліджуваного сигналу (1-2 періоду сигналу і розмах по вертикалі на весь «екран»).

5.6.3 Запустити неперервний режим вимірювання за допомогою кнопки Run On. Спостерігати поточний стан роботи ЦЗО у вікні стану під кнопкою Run.

5.6.4 Включити синхронізацію TRIGGER On; вибрати як джерело синхронізації Source CH1; за допомогою лінійки прокручування Level знайти рівень синхронізації, при якому осцилограма нерухома.

5.6.5 Дослідити вплив вибору фронту синхронізації Edge на синхронізацію досліджуваного сигналу.

5.6.6 Включити маркери за допомогою команди головного меню View/Markers і за їх допомогою визначити амплітуду, період, частоту і середньоквадратичне значення напруги за період (діюче значення напруги) досліджуваного сигналу. Результати внести в табл. 2.8.

Таблиця 2.7  Вихідні дані і результати розрахунків похибок гармонічних

сигналів

Вихідні дані						Інструментальні похибки, зумовлені застосуванням Г3-33. Встановлення:
Формули1)		Числові значення				частоти			амплітуди		періоду
Частота fi, кГц	Амплітуда, Ui, В	Частота fi, кГц	Амплітуда, Ui, В	Період Ті=1/fi,мс.	Діюче значення напруги Uді, В	Паспортні дані, кГц	Абсолютна похибка Δf, кГц	Відносна похибка, Δf%,%	Паспортні дані, %	Абсолютна похибка ΔU, В	ΔТ, мс
f1	D/5					±0,015 f1			±2,0
f2	D/3					±0,020 f2			±2,5
f3	D/4					±0,025 f3			±3,0

Таблиця 2.8 – Результати вимірювань і розрахунок похибок при дослідженні

гармонічних сигналів за допомогою ЦЗО

Значення параметрів				Межі похибок
				частоти		амплітуди		періоду		дійсн. напр.
Частота fi, кГц	Амплітуда, Ui, В	Період Ті=1/fi,мс.	Діюче значення напруги Uді, В	Абсолютна похибка Δf, кГц	Відносна похибка Δf %, %	Абсолютна похибка ΔU, В	Відносна похибка ΔU%, %	Абсолютна похибка ΔТ, мс	Відносна похибка ΔТ%, %	Абсолютна похибка ΔUд, В	Відносна похибка ΔUд%, %
f1=	U1=
f2=	U2=
f3=	U3=

¹⁾ f₁=(-1)^N·0.005·(D-1)+0,2, f₂=(-1)^N·0,2·(D-1)+10, f₃=(-1)^N·2·(D-1)+100,

D – число виконання лабораторної роботи, N – номер робочого столу.

5.6.7 Розрахувати абсолютні і відносні похибки параметрів досліджуваного гармонічного сигналу з урахуванням п. 5.3. Результати внести в табл. 2.8.

5.6.8 Зберегти отримане зображення осцилограми в точковому форматі bitmap  .bmp (команда File/Save Image), а координати її точок  у текстовому форматі з розширенням .txt (команда File/Save DSO Data). Файли помістити в тимчасову папку згідно з 4.2.3.

5.7 Виконати операції згідно з пп. 5.5 – 5.6 для частот f_i (i=2,3) і повністю заповнити табл. 2.8.

5.8 Оформити звіт з лабораторної роботи в редакторі Word відповідно до розділу 6.

Для зменшення об’єму графічних файлів їх можна перетворити у будь-який із форматів, використовуваних для стиску зображень (.gif, .jpg і ін.). Це можна виконати, наприклад, у графічному редакторі Paint (Кнопка Пуск/Програми/Стандартні/ Paint).

6 Завдання підвищеної складності

Запропонувати структурну схему та виконати вимірювання повного опору навантаження (див. лабораторну роботу № 3), використовуючи ЦЗО.

7 Зміст звіту

7.1 Таблиці 2.7 – 2.8 з результатами розрахунків і вимірювань.

7.2 Графічні зображення осцилограм досліджуваних сигналів на частотах f_i (i=1,3) згідно з 5.7-5.9.

7.3 Фрагменти імпортованих текстових даних сигналів f_i (i=1,3) (не більше 50 точок).

7.4 Висновки по роботі (порівняти і пояснити, наприклад, причини розбіжності результатів вимірювань за допомогою ЦЗО і генератора).

Питання та завдання до захисту звіту

1. Методика вимірювання частоти, періоду, амплітуди, розмаху і діючого значення напруги гармонічних сигналів за допомогою ЦЗО.

2. Порядок розрахунку похибок за табл. 2.7.

3. Причини розбіжності результатів вимірювань за допомогою ЦЗО PC Scope PCS64і і генератора Г3-33.

4. Підготовка до роботи ЦЗО PC Scope PCS64і.

5. Призначення органів керування ЦЗО PC Scope PCS64і.

6. Функційні можливості й область застосування ЦЗО PC Scope PCS64і.

7. Призначення синхронізації ЦЗО PC Scope PCS64і.

8. Збереження досліджуваних сигналів у графічному і текстовому форматі. Розшифрування файла даних.

9. Електронні маркери.

10. Умови, при яких методична похибка, зумовлена вхідним опором осцилографа, істотно впливатиме на параметри вимірюваного кола.

11. Співвідношення між частотами досліджуваного сигналу і розгортки ЦЗО, при якому на екрані осцилографа зображення залишається нерухомим.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 6

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ СИГНАЛІВ у ЧАСОВІЙ І ЧАСТОТНІЙ ОБЛАСТЯХ

1 Мета роботи

Набуття навичок дослідження характеристик електричних сигналів у частотній області на основі аналізатора спектра (АС) у складі цифрового запам'ятовуючого осцилографа (ЦЗО) PC Scope PCS64і.

2 Завдання на самостійну позааудиторну роботу

Вивчити особливості дослідження електричних сигналів у часовій і частотній області [1,10-11]. Опрацювати інструкції з експлуатації ЦЗО в режимі АС, генератора прямокутних імпульсів Г4-54 і генератора сигналів звукової й ультразвукової частоти Г3-33 [2; Додаток Б].

3 Контрольні питання для допуску до аудиторної роботи

1. Суть спектрального аналізу. Спектр послідовності прямокутних імпульсів.

2. Визначення параметрів послідовності імпульсів за їхнім спектром.

3. Визначення коефіцієнта нелінійних спотворень (КНС) сигналу, близького до гармонічного, за його спектром.

4 Опис лабораторної установки

4.1 Склад установки

Експериментальна установка містить (рис. 2.4): 1  генератор сигналів звукової й ультразвукової частот типу Г3-33; 2  генератор прямокутних імпульсів Г4-54; 3 – комп'ютерний цифровий запам'ятовуючий осцилограф PC Scope PCS64i; 4 – персональний комп'ютер. ЦЗО підключений до комп'ютера через паралельний LPT – порт.

Рисунок 2.4 – Склад експериментальної установки для дослідження часових і частотних характеристик електричних сигналів

2. Підготовка до роботи

4.2.1 Включити генератори Г4-54, Г3-33 і прогріти їх протягом 15 хв.

4.2.2 Включити ПК, ЦЗО PC Scope PCS64і і запустити його користувацький інтерфейс за допомогою відповідної іконки на робочому столі комп'ютера (див. Додаток Б).

4.2.3 Створити тимчасову папку для збереження файлів даних.

5 Порядок виконання роботи

5.1 Підготувати установку до роботи згідно з п.п. 4.2.1-4.2.2. За час прогріву апаратури виконати розрахунки згідно з 5.2-5.3.

5.2 Виконати розрахунки, необхідні для проведення експерименту з дослідження параметрів послідовності прямокутних імпульсів різної щілинності. Результати внести в табл.2.9.

5.2.1 Розрахувати частоту і щілинність імпульсної послідовності згідно з вихідними даними табл. 2.9 (перші два стовпчики).

5.2.2 Розрахувати період проходження імпульсів Т_і=1/f_i, мкc, де i – номер експерименту.

5.2.3 Розрахувати тривалість імпульсу позитивної полярності τ_i=Т_i /q_i, мкс.

5.3 Виконати розрахунки і визначити спектральний склад (до 10 гармонік) послідовності прямокутних імпульсів різної щілинності. Заповнити табл. 2.10 (див. також Додаток Б).

5.4 Виключити канал CH1 на користувацькому інтерфейсі ЦЗО і для вимірювань використовувати канал CH2.

5.5 Підготувати апаратуру для проведення вимірювань параметрів послідовності прямокутних імпульсів заданої щілинності q₁ у режимі осцилографа_.

5.5.1 Поставити селектор входу каналу CH2 виносного блоку в положення .

5.5.2 Встановити ручкою початкове положення горизонтальної лінії розгортки в середній частині екрана ЦЗО.

5.5.3 Настроїти генератор прямокутних імпульсів Г4-54 згідно з вихідними даними табл. 2.9 для щілинності q₁.

5.6 Провести вимірювання параметрів послідовності прямокутних імпульсів щілинності q₁ у режимі осцилографа.

5.6.1 Перевести селектор входу в положення AC.

5.6.2 УВАГА! Вимірювання починати тільки з максимальних значень розгортки по вертикалі і по горизонталі з наступним зменшенням до прийнятних значень.

Вибрати за допомогою перемикачів VOLT/DIV і TIME/DIV відповідні значення множників розгорток по вертикалі і горизонталі так, щоб на екрані вийшло зручне для сприйняття зображення досліджуваного сигналу: 1-2 періоди сигналу і повністю розмах по вертикалі.

5.6.3 Запустити неперервний режим вимірювань за допомогою кнопки Run On. Спостерігати за поточним станом роботи ЦЗО у вікні стану під кнопкою Run.

5.6.4 Включити синхронізацію TRIGGER On. Вибрати як джерело синхронізації Source CH2. За допомогою лінійки прокручування Level знайти рівень синхронізації, при якому осцилограма нерухома.

5.6.5 Досліджувати вплив вибору фронту синхронізації Edge на синхронізацію досліджуваного сигналу.

5.6.6 Включити маркери за допомогою команди View/Markers і визначити частоту, період, тривалість імпульсу (додатної)позитивної полярності, щілинність та амплітуду послідовності прямокутних імпульсів. Результати внести в табл. 2.9.

5.6.7 Зберегти отриману осцилограму в точковому форматі bitmap - .bmp (команда File/Save Image). Файли помістити в тимчасову папку згідно з 4.2.3.

5.7 Провести вимірювання параметрів послідовності прямокутних імпульсів щілинності q₁ у режимі АС_.

5.7.1 Переключити ЦЗО в режим аналізатора спектра за допомогою кнопки FFT.

5.7.2 Вибрати за допомогою перемикачів VOLT/DIV і FREQ.RANGE необхідні значення множника розгортки по вертикалі і необхідний частотний діапазон.

Вимірювання необхідно починати з максимальних значень перемикача частотного діапазону FREQ.RANGE з наступним зменшенням до значень, коли видно головну пелюстку спектра (при q_i > 2  1-2 бічних пелюстки).

5.7.3 Включити маркери за допомогою однієї з команд View/Markers… і визначити за спектрограмою частоту (період), тривалість імпульсу позитивної полярності і щілинність (для q_i > 2) послідовності прямокутних імпульсів. Результати внести в табл. 2.9.

Для детального розгляду спектра користуватися кнопкою розтягання зображення ZOOM відповідно в x1, x2, x4 і x8 разів. Перегляд розтягнутого спектра можна зробити за допомогою лінійки прокручування під «екраном» АС.

5.7.4 Визначити по спектрограмі за допомогою електронних маркерів рівень перших 10 гармонік ¹⁾.Результати внести в табл. 2.10 і повністю заповнити її.

5.7.5 Зберегти спектрограму в точковому форматі bitmap  .bmp (команда File/Save Image), а координати її точок  у текстовому форматі із розширенням .txt (команда File/Save FFT data). Файли помістити в тимчасову папку згідно з 4.2.3.

Таблиця 2.9  Вихідні дані та результати вимірювання параметрів

послідовності прямокутних імпульсів

Вихідні дані	Формули1)	Частота f, кГц	f1	f2 = f1	f3
		Щілинність qi=Тi / τi	q1	q2	q3
	Числові значення	Частота f, кГц
		Щілинність qi=Тi/τi
		Період Ті=1/fi, мкc
		Тривалість τi=Тi/q, мкс
		Амплітуда A, В	10	10	10
Результати вимірювань	Режим осцилографа	Частота f, кГц
		Період Ті=1/fi, мкc
		Тривалість τi, мкс
		Щілинність qi=Тi/τi
		Амплітуда A, В
	Режим АС	Частота f, кГц
		Період Ті=1/fi, мкc
		Тривалість τi= Тi / q, мкс
		Щілинність qi=Тi/τi

¹⁾ f₁ = 10^2(N-1)+(-10)^N-1·0,3·(D-1), f₂ = f₁, f₃ = (-1)^N-1·0,02·(D-1)+1,2,

q₁=(-1)^N·0,01·(D-10)+1.4, q₂=2, q₃= (-1)^N·Int [0,2·D]+12,

D – день виконання лабораторної роботи, N – номер робочого столу; Int[*] – операція виділення

цілої частини.

Таблиця 2.10  Результати розрахунку і вимірювань рівня спектральних

складових послідовності прямокутних імпульсів

Результати розрахунку	Номер гармоніки k	0	1		2		3		4		5		6		7		8	9	10
	Uk, В	U0=A/q
Результати вимірювань	UdBV, dBV
	, В
Похибки	Абсолютна ΔUk=│Uk-UVk│, В
	Відносна ΔU%k=ΔUk/Uk,·100, %

Таблиця 2.11  Вихідні дані і результати вимірювань коефіцієнта нелінійних

спотворень

Вихідні дані	Формула	Частота f, кГц	f=100+(-1)N·D
	Числові значення	Частота f, кГц
		Амплітуда A, В	10
Рівень гармонік	Результати вимірювань	DBV	0
			1
			2
			3
			4
			5
	Результати розрахунку	, В	0
			1
			2
			3
			4
			5

5.8 Повторити пункти 5.5 – 5.7 для щілинності q₂ і q₃ (див. табл. 2.9).

5.9 Підготувати апаратуру для проведення вимірювань коефіцієнта нелінійних спотворень сигналу, близького до гармонічного.

5.9.1 Виключити канал CH2 на користувацькому інтерфейсі ЦЗО і для вимірювань використати канал CH1.

5.9.2 Перевести ЦЗО в положення DSO і виконати 5.5.1-5.5.2 для каналу CH1.

5.9.3 Настроїти генератор сигналів звукової й ультразвукової частот Г3-33 згідно з даними табл. 2.11.

5.10 Провести на частоті f вимірювання коефіцієнта нелінійних спотворень сигналу, близького до гармонічного.

5.10.1 Отримати осцилограму сигналу, для чого виконати пп. 5.6.1.-5.6.4. Врахувати, що включено канал CH1.

5.10.2 Зберегти осцилограму в точковому форматі bitmap  .bmp (команда File/Save Image) і помістити її в тимчасову папку за 4.2.3.

5.10.3 Переключити ЦЗО в режим АС за допомогою кнопки FFT.

5.10.4 Вибрати за допомогою перемикача FREQ.RANGE необхідний частотний діапазон так, щоб можна було спостерігати основну спектральну складову сигналу і ще 4-6 гармонік. За необхідності слід користуватися кнопкою ZOOM.

5.10.5 Зберегти спектрограму в точковому форматі bitmap  .bmp (команда File/Save Image) і помістити її в тимчасову папку згідно з 4.2.3.

5.10.6 Визначити по спектрограмі за допомогою електронних маркерів (команда View/ Markers (FFT) f&d) рівень 6 гармонік, включаючи основну, й обчислити КНС за формулою:

,

де U_i, – i-а гармоніка в спектрі сигналу, близького до гармонічного; n  кількість аналізованих гармонік. Результати внести в табл. 2.11 і повністю заповнити її.

5.11 Оформити в редакторі Word звіт про лабораторну роботу відповідно до розд. 6. Для зменшення об’єму графічних файлів доцільно перетворити їх у будь-який з форматів, використовуваних для стиснення зображень (.gif, .jpg і ін.). Це можна виконати, наприклад, у графічному редакторі Paint (Кнопка Пуск/Програми/Стандартні/ Paint).

6 Завдання підвищеної складності

6.1 Запропонувати структурну схему та виконати вимірювання параметрів послідовності прямокутних імпульсів щілинності q₁ (q₂, q₃) за допомогою осцилографа з електронною трубкою. Порівняти з результатами пп. 5.7  5.9.

6.2 Запропонувати структурну схему та виконати вимірювання коефіцієнта нелінійних спотворень сигналу, близького до гармонічного, без використання ЦЗО. Порівняти з результатами п.5.10.

7 Зміст звіту

7.1 Графічні зображення осцилограм і спектрограм імпульсних сигналів щілинності q_i (i=1,3) згідно з 5.6.7 і 5.7.5.

7.2 Фрагменти імпортованих текстових даних спектра імпульсної послідовності щілинності q_i (i=1,3) згідно з 5.6.7 і 5.7.5 (50 точок).

7.3 Графічні зображення осцилограми і спектрограми сигналу, близького до гармонічного, на частоті f згідно з 5.10.2 і 5.10.5.

7.4 Таблиці 2.9-2.11 з результатами розрахунків і вимірювань.

7.5 Висновки з роботи.

Питання та завдання до захисту звіту

1. Суть спектрального аналізу.

2. Спектр послідовності прямокутних імпульсів, парних і непарних функцій.

3. Визначення параметрів послідовності прямокутних імпульсів за їхнім спектром.

4. Типи маркерів і їхнє призначення в режимі АС.

5. Визначення рівня спектральних складових у dB і dBV і перехід у вольти.

6. Вимірювання частоти послідовності прямокутних імпульсів у режимі АС.

7. Вимірювання тривалості імпульсу позитивної полярності послідовності прямокутних імпульсів у режимі АС.

8. Вимірювання щілинності послідовності прямокутних імпульсів у режимі АС.

9. Вимірювання ширини спектра послідовності прямокутних імпульсів у режимі АС.

10. Визначення коефіцієнта нелінійних спотворень сигналу, близького до гармонічного, за його спектром.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 7

ДОСЛІДЖЕННЯ амплітудно – модульованих СИГНАЛІВ

1 Мета роботи

Набуття навичок дослідження електричних сигналів при тональній амплітудній модуляції (АМ) у часовій та частотній області за допомогою цифрового запам'ятовуючого осцилографа (ЦЗО) PC Scope PCS64і.

2 Завдання на самостійну позааудиторну роботу

Вивчити особливості дослідження електричних сигналів у часовій і частотній області [1,10  11]. Опрацювати інструкції з експлуатації ЦЗО (в т.ч. в режимі АС), генератора РЧ коливань типу Г3-18А і генератора сигналів звукової й ультразвукової частот типу Г3-33 [2; Додаток Б].

3 Контрольні питання для допуску до аудиторної роботи

1. Суть модуляції. Види модуляції.

2. Амплітудна модуляція.

3. Тональна АМ.

4. Коефіцієнт модуляції при тональній АМ

5. Спектр сигналу при тональній АМ.

4 Опис лабораторної установки

4.1 Склад установки

Експериментальна установка містить (рис. 2.5): Г1  генератор сигналів звукової й ультразвукової частот типу Г3-33; Г2  генератор РЧ коливань типу Г3-18А (А  регульований атенюатор; М – АМ модулятор; БГ – блок генераторний); ЦЗО – комп'ютерний ЦЗО PC Scope PCS64i, який за допомогою паралельного LPT – порту підключений до персонального комп'ютера (на рис.2.5 не показаний).

Рисунок 2.5 – Склад експериментальної установки для дослідження

електричних сигналів при тональній АМ

4.2 Підготовка до роботи

4.2.1 Включити генератори Г3-18А, Г3-33 і прогріти їх протягом 15 хв.

4.2.2 Включити ПК, ЦЗО PC Scope PCS64і і запустити його користувацький інтерфейс за допомогою відповідної іконки на робочому столі комп'ютера (див. Додаток Б).

4.2.3 Створити тимчасову папку для збереження файлів даних.

5 Порядок виконання роботи

5.1 Підготувати установку до роботи згідно з 4.2.1-4.2.2. За час прогріву апаратури виконати завдання згідно 5.2-5.3.

5.2 Зробити розрахунки, необхідні для проведення експерименту з дослідження АМ сигналу. Результати внести до табл.2.12.

5.2.1 Розрахувати амплітуду та частоту носійного сигналу згідно з вихідними даними табл. 2.12.

5.2.2 Розрахувати амплітуду та частоту модулюючого сигналу згідно з вихідними даними табл. 2.12.

5.2.3 Розрахувати коефіцієнт модуляції при тональній АМ.

5.3 Підготувати апаратуру для дослідження та проведення вимірювань коефіцієнта модуляції АМ сигналу у режимі осцилографа_.

5.3.1 Вибрати на користувацькому інтерфейсі ЦЗО для проведення вимірювань, наприклад, канал CH1.

5.3.2 Поставити селектор входу каналу CH1 виносного блоку в положення .

5.3.3 Встановити ручкою початкове положення горизонтальної лінії розгортки в середній частині екрана ЦЗО.

5.3.4 Настроїти генератор носійного сигналу типу Г3-18А та генератор модулюючого тонального сигналу типу Г3-33 згідно з вихідними даними табл. 2.12 для коефіцієнта модуляції АМ сигналу М<1.

5.4 Провести вимірювання коефіцієнта модуляції АМ сигналу осцилографічним методом при М<1.

5.4.1 Перевести селектор входу в положення AC.

5.4.2 УВАГА! Вимірювання починати з максимальних значень розгортки по вертикалі і по горизонталі з наступним зменшенням до прийнятних значень.

Вибрати за допомогою перемикачів VOLT/DIV і TIME/DIV відповідні значення множників розгорток по вертикалі і горизонталі так, щоб на екрані було зручне для сприйняття зображення досліджуваного АМ сигналу: 1-2 періоди обвідної модульованого сигналу і його повне зображення по вертикалі.

5.4.3 Запустити неперервний режим вимірювань за допомогою кнопки Run On. Спостерігати за поточним станом роботи ЦЗО у вікні стану під кнопкою Run.

5.4.4 Включити синхронізацію TRIGGER On. Вибрати як джерело синхронізації Source CH1. За допомогою лінійки прокручування Level знайти рівень синхронізації, при якому осцилограма нерухома.

5.4.5 Дослідити вплив вибору фронту синхронізації Edge на синхронізацію досліджуваного сигналу.

5.4.6 Включити маркери за допомогою команди View/Markers і визначити розмах обвідної АМ сигналу у точках максимального 2А_max та мінімального 2А_min значень (див. також рис. Б.7,а Додатка Б). Результати внести в табл. 2.13.

5.4.7 Обчислити значення коефіцієнта модуляції за формулою

М_омj=(2А_тax -2 А_тin)/(2А_тax + 2А_тin), де j=1..3 і внести результат в табл. 2.13.

5.4.8 Зберегти отриману осцилограму в точковому форматі bitmap - .bmp (команда File/Save Image). Файли помістити в тимчасову папку згідно з 4.2.3.

5.5 Провести дослідження АМ сигналу з коефіцієнтом модуляції М<1 в частотній області в режимі аналізатора спектра.

5.5.1 Ввійти в режим аналізатора спектра за допомогою кнопки FFT.

5.5.2 Вибрати за допомогою перемикачів VOLT/DIV і FREQ.RANGE необхідні значення множника розгортки по вертикалі і необхідний частотний діапазон в залежності від вибраного значення носійного сигналу.

Вимірювання необхідно починати з максимальних значень перемикача частотного діапазону FREQ.RANGE з наступним зменшенням до значень, коли ще залишається видно носійну спектральну складову, навколо якої розташовані бічні складові АМ сигналу (див також рис.Б.8 Додатка Б).

5.5.3 Включити маркери за допомогою команди View/Markers (FFT) f&d і визначити за спектрограмою положення, рівень носійної та бічних складових, а також ширину спектра АМ сигналу. Результати внести в табл. 2.13.

Для детального розгляду спектра користуватися кнопкою розтягання зображення ZOOM відповідно в x1, x2, x4 і x8 разів. Перегляд розтягнутого спектра можна зробити за допомогою лінійки прокручування під «екраном» АС.

5.5.4 Визначити на основі отриманих даних рівня нижньої або верхньої бічних згідно з 5.5.3 величину коефіцієнта модуляції і порівняти його з тим, який отримано в 5.4.7. Результат внести в табл. 2.13.

5.5.5 Визначити межі абсолютних похибок Δη=│η-η_i│ і відносних похибок Δη_%=Δη·100/η_i при визначенні коефіцієнта модуляції (η_i=М_i). Тут параметр η – вимірювана величина, η_i  дійсне значення вимірюваної величини, розраховане в 5.2.1 – 5.2.3. Результат внести в табл. 2.13.

5.5.6 Дослідити вплив вибору команди FFT Options/Maximum (Average) на вид спектра досліджуваного АМ сигналу.

5.5.7 Зберегти спектрограму в точковому форматі bitmap - .bmp (команда File/Save Image), Файли помістити в тимчасову папку згідно з 4.2.3.

5.6 Повторити пункти 5.3 – 5.7 для М=1 та М>1. Результати внести в табл. 2.13 і повністю заповнити її.

5.7 Оформити звіт про лабораторну роботу в редакторі Word відповідно до розд. 6.

6 Завдання підвищеної складності

Запропонувати структурну схему та виконати вимірювання коефіцієнта модуляції АМ сигналу без використання ЦЗО. Порівняти з результатами пп. 5.4, 5.5, 5.6, 5.7.

7 Зміст звіту

7.1 Графічні зображення осцилограм і спектрограм АМ сигналів з відповідними поясненнями згідно з пп. 5.4.8 і 5.5.7.

7.2 Таблиці 2.12-2.13 з результатами розрахунків і вимірювань.

7.5 Висновки з роботи.

Питання та завдання до захисту звіту

1. Модуляція. Види модуляції. Амплітудна модуляція. Коефіцієнт АМ.

2. Аналітичний вигляд загальної моделі АМ сигналу і тональної АМ.

3. Суть осцилографічного методу визначення коефіцієнта АМ.

4. Тональна АМ при різних коефіцієнтах модуляції. Спектр сигналу при тональній АМ. 5. Спектр складномодульованого АМ сигналу.

6. Призначення команди FFT Options/Maximum (Average) меню інтерфейса ЦЗО і маркерів ЦЗО в режимі

Таблиця 2.12  Вихідні дані і результати розрахунків коефіцієнта АМ

Формули1)	Частота носійного сигналу fi, кГц	f1=10·(D+1)+2·N	f2=10·(D+2)+2·N	f3=10·(D+3)+2·N
	Амплітуда носійної, Aoi, В	D/2+N	D/2	D/3+N
	Частота модулюючого сигналу Fi, кГц	F1=D+2·N+1	F1=D+2·N+2	F1=D+2·N+3
	Амплітуда модулюючого сигналу UΩi,, В	D/3+N	D/2	D/2+N
Числові значення	Частота носійної fi, кГц
	Амплітуда носійної, Aoi, В
	Частота модулюючого сигналу Fi, кГц
	Амплітуда, модулюючого сигналу UΩi, В
	Індекс модуляції Мj=UΩj/А0j

Таблиця 2.13 – Результати вимірювань і розрахунок похибок при дослідженні

АМ сигналів за допомогою ЦЗО

Результати вимірювань	Значення параметрів у спектральній області	Носійна			Частота fj, кГц
					Рівень Uoj, dBV
		Бічні		Нижня	Частота Fнj кГц
					Рівень Uнj, dBV
				Верхня	Частота Fвj, кГц
					Рівень Uвj, dBV
		Смуга АМ сигналу ΔFj, кГц
	Коефіцієнт модуляції	у часовій області	Максимальний розмах обвідної, 2Аmax, В
			Мінімальний розмах обвідної, 2Аmax, В
			Коефіцієнт модуляції, Момj
		у спектральній області	Рівень бічної Uв(н)[B]=10 Uн(в)j[dBv] / 20, В
			Коефіцієнт модуляції, Мрj=2 Uв(н)[B]/Ao.
Межі похибок коефіцієнта модуляції	Метод осцилографа	Абсолютна похибка, ΔМом,
		Відносна похибка, ΔМом%, %
	У частотній області	Абсолютна похибка, ΔМр,
		Відносна похибка, ΔМр%, %