Лабораторная работа / 4- 1_Лабораторная_Измерительная техника

Федеральное Агентство по образованию РФ

Томский Межвузовский Центр дистанционного образования

Томский государственный университет

систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Кафедра промышленной электроники (ПрЭ)

Лабораторная работа №4

По дисциплине: «Измерительная техника и датчики»

Тема: «Измерение амплитудно-частотных характеристик и параметров электрических цепей»

(Учебные пособия: «Измерительная техника и датчики»

авторы: В.Ф.Отчалко, Ю.К.Сидоров, В.Е.Эрастов Томск 2004

авторы: В.Ф.Отчалко, Ю.К.Сидоров, В.Е.Эрастов Томск 1999)

Вариант V=(20*05)div100=1

Выполнил:

Студент ТМЦДО

Гр.

Специальность: 210106(200400)

Ф.И.О.

логин

******05

22 апреля 2008г.

Н-ск 2008

Цель работы: изучение методов измерения сосредоточенных параметров электрических цепей и исследование амплитудно-частотных характеристик некоторых видов четырехполюсников.

1. Измерение параметров катушки индуктивности резонансным методом.

Используя пакет «Electronics` Workbench», реализуем следующую схему, для измерения индуктивности резонансным методом:

Рис. 1.а

Выполним следующие установки согласно варианту:

• частота синусоидальных колебаний f₁ = 1000 кГц.

• амплитуда U_г = 10 мВ.

• значение сопротивления R_L = 5,1 Ом.

• индуктивность L = 80 мкГн.

• собственная ёмкость C_L = 11 пФ.

• ёмкость C₁ = 500 пФ.

• ёмкость C₂ = 25 пФ. (5% от ёмкости C₁, шаг изменения 1% для переменных конденсаторов)

Уменьшая пошагово значение С₁, получим максимальное значение мультиметра, после чего увеличим на шаг и произведём точную настройку с помощью С₂.

По окончании измерений, выполним расчёт в MathCAD:

На приведённом ниже рисунке (рис. 1.б) , результаты эксперимента при f = 2000 кГц.

Рис. 1.б

Рассчитаем погрешности измерений индуктивности и собственной ёмкости катушки:

Определим добротность катушки:

На рисунке 1.в. приведена схема для измерения методом расстройки контура:

Рис. 1.в.

Рассчитаем активное сопротивление катушки:

2. Измерение параметров конденсатора резонансным методом.

Не изменяя структурной схемы рис. 1.а. и установок в схеме, произведём настройку контура в резонанс, на частоте близкой к минимальной в диапазоне, так чтобы отсчёт ёмкости переменного конденсатора был больше значения измеряемой ёмкости из ящика компонентов. Запишем значение ёмкости переменных конденсаторов C₀₁ при резонансе, частоты f и вычислим добротность контура Q_l.

Подсоединим параллельно переменному конденсатору схему замещения реального конденсатора с параметрами согласно варианту, R_c = 350 кОм. C = 330 пФ. и вновь произведём настройку контура в резонанс на той же частоте (рис. 2.а.):

Рис. 2.а.

Определим параметры измеряемой ёмкости:

3. Измерение параметров катушки индуктивности мостовым методом.

Соберём схему для измерения параметров катушки индуктивности мостовым методом:

Рис. 3.а.

Выполним следующие установки:

• частота генератора f = 100 кГц.

• амплитуда сигнала U_g = 1 В.

• коэффициент трансформации n = 1;

• значение переменного резистора R₀ = 500 кОм.

• ёмкость C₁ = 500 пФ.

• ёмкость C₂ = 25 пФ. (5% от ёмкости C₁, шаг изменения 1% для переменных элементов схемы)

Изменением ёмкости конденсаторов С₁ и С₂ и сопротивления переменного резистора R₀, сбалансируем мост и считаем параметры переменных элементов схемы.

Произведём расчёт параметров катушки:

Полученные результаты укладываются в оговоренные допущения, что позволяет сделать вывод о правильности расчётов и методики эксперимента.

4. Измерение параметров конденсатора мостовым методом.

Соберём схему для измерения параметров конденсатора мостовым методом:

Рис. 4.а.

Произведём установки из п. 4. и установим в схему ёмкость из п. 2. с параметрами согласно варианту.

Выполним балансировку моста и считаем параметры схемы.

Произведём расчёт параметров конденсатора:

Как видно из расчётов полученные результаты совпадают с результатами, полученными в п. 2.

5. Измерение амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников.

Соберём схему для исследования амплитудно-частотной характеристики колебательного контура:

Рис. 5.а.

а). Произведём следующие установки:

• амплитуда синусоидального сигнала U_g = 1 В.

• индуктивность из пункта 1.

• ёмкость переменных конденсаторов С₁ и С₂ равную значениям, полученным при выполнении п. 1. д.;

• разрешающую способность плоттера – 1000 ;

• по горизонтали логарифмический масштаб в диапазоне 750 – 2500 кГц.

• по вертикали линейный масштаб с пределом измерения G=U_g·Q;

После активации работы схемы установим предел измерения по вертикали таким, чтобы U_p (резонансное напряжение) занимало 0,8 – 0,9 размера экрана, а частоты H и F плоттера установим с таким расчетом, чтобы сигнал на краях диапазона составлял 5 – 7 % от максимума резонансной кривой. Полученное изображение показано на рис. 5.б.:

Рис. 5.б.

Произведём расчёт параметров четырехполюсника по АЧХ:

Расхождение результатов менее 5 % , позволяет сделать вывод о правильности расчётов и методики эксперимента.

б). Соберём схему для исследования АЧХ мостовой схемы, используемой для измерения частоты (рис. 5.в.):

Рис. 5.в.

Установим в генераторе режим синусоидальных колебаний амплитудой 1 В. и частотой равной нижней частоте диапазона из ящика компонентов.

Установим значения С₁ = С₂ = 500пФ. , R₁ = R₃ = 1 кОм. , R₂ = R₄ = 50 Ом., шаг изменения переменных резисторов 1 % .

Отсоединив оба выхода плоттера от схемы, сбалансируем мост сначала резисторами R₁ и R₃ – грубо, затем более точно резисторами R₂ и R₄ по минимальным показаниям мультиметра.

Из условий баланса моста определим частоту:

Подключим к схеме плоттер и установим линейный масштаб по обеим осям, разрешающую способность равную 1000, верхнюю и нижнюю частоты диапазона на 20 % выше и ниже частоты баланса. На рис. 5.г. показано изображение экрана плоттера на частоте баланса:

Рис. 5.г.

Расхождение между экспериментальными и расчётными данными, менее 1 % указывает на правильность расчётов и методики эксперимента.

6. Контрольные вопросы.

1. Эквивалентные схемы замещения катушки индуктивности, конденсатора, резистора выглядят следующим образом (рис. 6.1.):

а). схема замещения индуктивности;

б). параллельная схема замещения конденсатора;

в). последовательная схема замещения конденсатора;

г). схема замещения резистора.

Обозначения на схемах:

• L – индуктивность катушки;

• r_L – сопротивление потерь;

• C_L – паразитная ёмкость;

• С – собственная ёмкость конденсатора;

• L_R – паразитная индуктивность;

• C_R – паразитная ёмкость;

• R_C – сопротивление потерь;

• R – сопротивление резистора.

2. Методы измерения добротности контура:

1). метод сравнения амплитуд;

2). метод расстройки контура;

3). частотный метод.

Более точные результаты определения добротности контура, получены методом сравнения амплитуд, так как при использовании данного метода проводится минимальное количество (только прямых) измерений, и точность в значительной мере, определяется точностью измерительных приборов.

3. Для измерения ёмкости конденсатора превышающей значение ёмкости контура необходимо включить исследуемый конденсатор – последовательно в контур, при этом величина ёмкости определяется из выражения:

При этом следует учесть, что измерение необходимо производить на частоте, при которой резонанс с подключённой исследуемой ёмкостью будет при С_обр1, вблизи её максимального значения.

4. Мостовая схема для измерения параметров катушки индуктивности (L и R_L) , имеет следующий вид:

Условие равновесия моста может быть представлено в виде:

отсюда следует:

5. Мостовая схема для измерения параметров конденсатора (С и tgδ) имеет вид:

Условие равновесия моста может быть представлено в виде:

отсюда следует: