ЛР 5-6 Метрология, стандартизация и технические средства измерения

Составитель канд. техн. наук А.С. Самодуров

УДК 621.317.08

Измерение параметров сигналов и цепей: методические указания к лабораторным работам № 5-6 по дисциплине «Метрология, стандартизация и технические измерения» и «Метрология, стандартизация и сертификация» для студентов направления 211000.62 «Конструирование и технология электронных средств» (профиль «Проектирование и технология радиоэлектронных средств») и 200100.62 «Приборостроение» (профиль «Приборостроение») очной и заочной форм обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. А.С. Самодуров, 2015. 37 с.

Методические указания предназначены для самостоятельной работы студентов при подготовке к лабораторным занятиям по дисциплине.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержатся в файле ЛР5-6_М.doc

Табл. 6. Ил. 24. Библиогр.: 9 назв.

Рецензент д-р. техн. наук, проф. О.Ю. Макаров

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. А.В. Муратов

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГАРМОНИЧЕСКИХ И

ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ

Целями настоящей работы являются:

- приобретение навыков измерения параметров сигналов сложной формы как гармонических (модулированных) так и импульсных; - углубление опыта измерения погрешностей (нестабильностей)

различных параметров гармонических сигналов.

При измерениях используются стандартные приборы, входящие в состав лабораторного измерительного стенда.

5.1. Домашние задания и методические указания по их выполнению

5.1.1. Задание первое

Изучить методы измерения параметров импульсных сигналов.

Методические указания к первому заданию

Данный вопрос следует изучить по учебному пособию [1, с. 89-95] либо [2, с. 191-194], при этом можно ограничиться следующим материалом.

В процессе прохождения импульсов через различные радиотехнические цепи и устройства форма импульсов изменяется (искажается).

Для определения качества импульсных устройств и параметров импульсно-модулированных сигналов нужно измерять амплитуду и длительность импульса, длительность фронтов, неравномерность вершины, значение выброса на вершине и в паузе, а в особо ответственных случаях еще ряд параметров. В периодической последовательности импульсов определяется их

частота или период следования, а так же скважность или коэффициент заполнения.

Импульсные напряжения меньше 100В преимущественно измеряют при помощи осциллографов, которые позволяют определить не только высоту импульса, но и форму на всем его протяжении. При измерении импульсов тока их сначала превращают в импульсы напряжения. Для этого в цепь, по которой передаются импульсы тока, включают вспомогательный резистор с небольшим известным сопротивлением, на котором измеряется падение напряжения.

Длительность импульсов, используемых в радиотехнике, различны, поэтому нужно измерять интервалы времени от единиц секунд до единиц наносекунд. Измерения выполняют в основном осциллографическим методом и методом дискретного счета. Осциллографический метод осуществляется при помощи калиброванных разверток (меток) или сравнением с периодом развертки Тр, который известен. Способ калиброванных разверток (меток) пригоден для импульсов любой формы при любой скважности.

Способ сравнения с известным периодом Тр применяют, если форма импульсов близка к прямоугольной, а скважность невелика: тогда на осциллограмме хорошо видны два соседних импульса (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Осциллограмма двух соседних импульов

2

В этом случае по масштабной сетке измеряют расстояние 11 и l2=ТP полученные данные позволяют вычислить длительность импульса по формуле

Измерение длительности импульсов методом дискретного счета рассматривалось в лабораторной работе № 4. Для более детального ознакомления рекомендуется материал учебного пособия [1, с. 117-118] либо [2, с. 209-212].

Частота повторения импульсов обычно колеблется от нескольких десятков герц до десятков и сотен мегагерц. Наиболее простым и удобным методом ее измерения является метод сравнения, который осуществляется при помощи осциллографа. На вход канала вертикального отклонения подается напряжение последовательности импульсов, частоту повторения которых следует измерить, а на вход канала горизонтального отклонения - напряжение от измерительного генератора соответствующей частоты. Генератор развертки осциллографа при этом выключен.

Частота генератора плавно повышается со стороны самой низкой частоты до тех пор пока на экране йе возникнет устойчивое изображение одного импульса. Частота при этом равно частоте повторения импульсов. Точность измерения определяется точностью градуировки частотной шкалы генератора. Частоту повторения импульсов можно измерять прямопоказывающими приборами: для грубых измерений конденсаторным частотомером, для точных - электронносчетным частотомером.

Длительность интервала времени между двумя импульсами измеряется в основном осциллографическим методом или методом дискретного счета.

Погрешность измерения осциллографическим методом (калиброванных меток) тем меньше, чем больше расстояние между импульсами на экране осциллографа, чем точнее метки и чем точнее их калибровка. В специализированных приборах для

3

измерения интервалов времени способом калиброванных меток относительная погрешность составляет 3*10-4 .

Сравнительно большие интервалы времени измеряют при помощи спиральной развертки.

Измерения интервалов времени методом дискретного счета принципиально не отличаегея от измерения периода. В течение измеряемою интервала селектор пропускает на элек- тронно-счетное устройство импульсы от стабилизированного кварцем генератора. По числу прошедших импульсов и их длительности определяется искомый интервал. Точно также измеряется длительность импульсов. В современных измерителях больших интервалов времени погрешность составляет ±0,01%.

5.1.2. Задание второе

Изучить методы измерения модулированных сигналов.

Методические указания ко второму заданию

Данный вопрос следует изучить по учебному пособию [1, с. 113] либо [2, с. 191-194].

При этом можно ограничиться следующим материалом. В радиотехнических устройствах применяются амплитудная, частотная, фазовая (угловая), импульсная и комбинированные виды модуляции. В настоящей работе ограничимся рассмотрением методов измерения амплитудной модуляции. Синусоидальный сигнал, модулированный по амплитуде, характеризуется коэффициентом модуляции М, а выражение для такого сигнала имеет вид:

где U - амплитуда смодулированного высокочастотного колебания ω = 2πf, f - несущая частота, = 2πF , F - модулирующая частота, М - коэффициент модуляции.

4

Коэффициент модуляции М равен отношению изменения

амплитуды U высокочастотного колебания при модуляции последнего к ее значению U в отсутствии модуляции:

.

Максимальное изменение амплитуды не должно превышать ее значения и поэтому максимальная величина коэффициента модуляции М=1, При отсутствии модуляции М=0. Обычно коэффициент модуляции выражается в процентах. Все модулированные колебания характеризуются глубиной модуляции, равной отношению коэффициента модуляции к максимальному, принимаемому за 100%-ую модуляцию. При амплитудной модуляции коэффициент модуляции и глубина совпадают. Коэффициент амплитудной модуляции измеряют двумя методами: осциллографическим и методом выпрямления.

Осциллографический метод осуществляют способом линейной, синусоидальной разверток. При линейной развертке в канат вертикального отклонения падают высокочастотный модулированный сигнал, а частоту развертки устанавливают в 2- 3 раза ниже модулирующей частоты. На экране осциллографа появляется осциллограмма модулированного сигнала в виде и=f(t) (рис. 5.2, а).

Рис. 5.2. Амплитудно-модулированный сигнал: а – при симметричной модуляции, б - после детектирования

5

Измерив при помощи масштабной сетки максимальное А=2Umax и минимальное Б=2Umin, согласно формуле для М, получаем:

В канал вертикального отклонения можно подать детектированный сигнал, т.е. напряжение огибающей. Если осциллограф предназначен для наблюдения постоянного тока, то на его экране появится осциллограмма (рис. 5.2,б), по которой определяют коэффициент модуляции. Расстояния А и Б измеряют относительно линии развертки.

Для определения коэффициента модуляции при синусоидальной развертке в канал вертикального отклонения подают модулированный сигнал, а в канал горизонтального отклонения модулирующее напряжение. Верхняя огибающая модулированного сигнала, вызывающая отклонение луча в вертикальном направлении, определяется выражением у = U(1 + М cosωt). Отклонение в горизонтальном направлении получается в результате воздействия модулирующего напряжения х = U cos t. Исключая cos t получим у = UMx, т.е. верхний и нижний края изображения ограничены прямыми линиями наклон которых зависит от значения М. На экране осциллографа появляется осциллограмма в виде светящейся плоскости трапецеидальной формы (рис. 5.3).

Прямые, ограничивающие плоскость, являются фигурами Лиссажу, получающимися за счет взаимодействия огибающих модулированного сигнала с модулирующим напряжением при отсутствии фазового сдвига между ними. Размеры А и Б соответствуют максимальному и минимальному значению модулированного напряжения, поэтому коэффициент модуляции выражают по формуле

6

Рис. 5.3. Осциллограмма модулированных сигналов при синусоидальной развертке при фазовом разбалансе между ка-

налами ХY

По виду фигуры, получающейся на экране осциллографа (при отсутствии искажений и фазового сдвига) способ синусоидальной развертки часто называют способом трапеции.

Осциллографический метод прост, нагляден и удобен. Применяется он при исследованиях и испытаниях модулируемых генераторов или передатчиков, когда модуляция осуществляется только синусоидальным напряжением в заданном диапазоне звуковых частот. Несущие частоты ограничиваются полосой пропускания усилителей применяемого осциллографа.

Метод выпрямления применяют для измерения коэффициента модуляции в процессе эксплуатации. Сущность метода заключается в том, что высокочастотный модулированный сигнал сначала детектируется, а затем измеряется стрелочными приборами постоянного и переменного тока. Приборы, основанные на этом методе, называют измерителями модуляции. Их индикаторы обычно градуируются в процентах (М%), т.е. приборы являются прямопоказывающими.

7

5.1.3. Задание третье

Изучить методы измерения нелинейных искажений

Методические указания к третьему заданию

Данный вопрос следует изучить по учебному пособию [1 с.112], [2 с.261-264], при этом можно ограничиться следующим материалом.

Нелинейным искажением гармонического сигнала называется изменение его формы, возникающее в результате прохождения сигнала через устройство, содержащее нелинейные элементы. Искаженный сигнал можно представить в виде суммы постоянной составляющей, первой гармоники с частотой/и высших гармоник с частотами 2f, 3f ... nf.

Мерой нелинейного искажения гармонического сигнала является коэффициент гармоник, характеризующий отличие формы данного сигнала от гармонической. Коэффициент гармоник равен отношению среднеквадратического напряжения всех гармоник сигнала, кроме первой, к среднеквадратическому напряжению первой гармоники:

где Аi - амплитуда i гармоники сигнала.

Нелинейные искажения измеряют двумя методами: гармоническим и комбинационным. При гармоническом методе на вход испытуемого устройства подают один гармонический сигнал, при комбинационном - два (или три) сигнала разных частот.

При подготовке к данной работе более детально следует рассмотреть гармонический метод. Он реализуется двумя способами: анализом гармонических составляющих и подавлением напряжения основной частоты (первой гармоники). Первый способ основан на использовании выражения для Кг.

8