ЛР 5-6 Метрология, стандартизация и технические средства измерения

Рис. 5.15. Схема измерения коэффициента нелинейных искажений: 1 - высокочастотный генератор, 2 - милливольтметр

Рис. 5.16

Элементы L, С, и К включить, используя лабораторный стенд. Вначале контур L, С настроить в резонансе по схеме рис. 5.16 при некотором значении С.

Затем не меняя значения С и положения ручки настройки частоты генератора, собрать схему рис. 5.15 и провести два измерения напряжения. Первое и' измеряют при замкнутых зажимах СД схемы рис. 5.15, то есть контур закорочен. Второе и' измерить определяется при разомкнутых зажимах.

С целью исключения влияния первой гармоники на напряжение и' перед отсчетом последнего следует подстроить частоту генератора до минимума показаний вольтметра.

19

5.2.6. Задание шестое

Произвести измерение частоты пульсаций напряжения источника питания. Составить схему и методику измерений, согласовать с преподавателем. Произвести измерения, результаты записать в соответствии с ГОСТ 8.011-072.

5.3. Содержание отчета и контрольные вопросы по результатам работы

Отчет по каждой лабораторной работе должен содержать: схемы измерений, результаты измерений и расчетов, занесенные в соответствующие таблицы, выводы по каждому лабораторному заданию и быть оформлен как указано в соответствующем разделе лабораторной работы № 1.

При защите отчета по лабораторной работе необходимо уметь отвечать на следующие вопросы:

1.Как измерить длительность импульсов?

2.Как измерить частоту следования импульсов и их скважность?

3.Как измерить длительность переднего и заднего фронта импульсов?

4.Как измерить нелинейность пилообразного напряжения?

5.Как осуществляется установка глубины амплитудной модуляции в высокочастотном генераторе?

6.Как изменится глубина амплитудной модуляции при увеличении уровня несущей в два раза?

7.Возможно ли использование метода «трапеции» при наличии фазового разбаланса в измерительных каналах?

8.Как, при 100% модуляции, выглядит осциллограмма ам- плитудно-модулированного сигнала?

9.Каким методом измерения пользуются при большом и малом уровнях нелинейных искажений?

10.Какой вход осциллографа целесообразно использовать при анализе напряжения пульсаций источников питания?

20

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Целями настоящей работы являются:

-приобретение практических навыков проведения прямых и косвенных технических измерений;

-освоение методов измерения основных характеристик электро-

и радиотехнических цепей и устройств.

При проведении данной лабораторной работы используются стандартные приборы, входящие в состав лабораторного измерительного стенда. При выполнении измерений необходимы знания и навыки, приобретенные в предшествующих работах.

6.1. Домашние задания и методические указания по их выполнению.

6.1.1. Задание первое

Изучить методы измерения добротности катушек индуктивности и колебательных контуров.

Методические указания к первому заданию

Данный вопрос следует изучить по учебному пособию [1, с. 96-99, 102-110], [2, с. 272-274], при этом можно ограничиться следующим материалом.

Электрические и радиотехнические цепи с сосредоточенными постоянными состоят из резисторов, катушек индуктивности, конденсаторов и соединяющих проводов. Для отбора этих элементов или их проверки следует измерять активное сопротивление R, реактивное Х и полное сопротивления Z, индуктивность L, емкость С и взаимоиндуктивность М. Кроме того, часто измеряют потери в конденсаторах tgδ и добротность Q катушек и колебательных контуров. Для этих

21

измерений применяют методы вольтметра-амперметра, мостовой, резонансный и метод дискретного счета.

Данная работа в качестве примера подобных измерений предполагает ознакомление с методами измерения важнейшего параметра колебательных контуров и индуктивностей - их добротности. Для оценки добротности катушек наиболее часто используют методы вольтметра и амперметра на переменном и постоянном токе. Для колебательных контуров - резонансный метод. Главное преимущество состоит в том. что измерения можно проводить на рабочих частотах.

Любой измеритель добротности состоит из генератора высокой частоты, измерительного контура и индикатора резонанса. Измерительный контур образуется образцовым конденсатором переменной емкости и исследуемой или вспомогательной (образцовой) катушкой индуктивности. В качестве индикатора резонанса обычно применяется встроенный вольтметр или электронно-лучевая трубка. Генератор снабжен градуированной шкалой для установки нужной частоты.

Визмерительный контур вводят последовательно не-

большую известную часть U1, выходного напряжения генератора высокой частоты U2. На образцовом конденсаторе возникает отношение этих напряжений.

Вмомент резонанса (ω2LхС0 = 1) отношение напряжений достигнет максимума:

Таким образом, если входное напряжение U1 поддерживать во время измерения постоянным, то шкалу индикатора резонанса (выходного вольтметра) можно отградуировать непосредственно в единицах добротности Q.

22

Измерители добротности являются приборами для измерения параметров радиотехнических цепей на рабочих частотах и выпускаются в нескольких модификациях для измерения Q от нескольких единиц до 12000 в диапазоне частот от 1кГц до 250МГц. При измерениях отчет производится только в момент резонанса. На шкале измерителя добротности получают связанные друг с другом значения величины - частоты генератора; С0 - емкости образцового конденсатора и Q - добротности.

Погрешность измерений резонансным методом определяется стабильностью и погрешностью установки, постоянством его выходного напряжения, погрешностью градуировки шкалы образцового конденсатора и возможностью точной настройки в резонанс. Погрешность измерения метода в диапазоне до 100МГц не превышает 5%.

Добротность колебательного контура можно определить, наблюдая за процессом свободных затухающих колебаний, вызванных воздействием одиночного импульса на контур. Огибающая свободных колебаний имеет вид экспоненты

При наблюдении следует ограничиться интервалом времени, равным произведению периода и количества периодов колебания NT, тогда формула примет вид:

Положив N=Q, имеем

Таким образом, если сосчитать количество колебаний от первого с амплитудой U до N-го с амплитудой 0.0433U1, то показание счетчика будет численно равно добротности измеряемого контура. Представленные соотношения положены в основу измерителей добротности методом дискретного счета.

23

6.1.2. Задание второе

Изучить методы измерения амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников

Методические указания ко второму заданию

Данный вопрос следует изучить по учебному пособию [1, с. 270-271 ], при этом можно ограничиться следующим материалом.

Многие радиотехнические устройства можно представить в виде избирательного четырехполюсника с коэффициентом передачи K(f) зависящем от частоты. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) Uвых=F(f) при Uвх=const дает полное представление о полосе пропускания, неравномерности коэффициента передачи и других свойствах четырехполюсника. Амплитудно-частотные характеристики могут быть измерены по точкам с помощью измерительного генератора и измерителя выходного напряжения. Для наблюдения формы АЧХ применяют панорамные измерители, состоящие из генератора качающейся частоты (свип-генератора) и осциллографичеекого индикатора. Промышленность выпускает несколько типов панорамных измерителей АЧХ на диапазон от 20Гц до 1,5ГГц.

6.1.3. Задание третье

Рассчитать и построить амплитудно-частотную и фазочастотные характеристики интегрирующей и дифференцирующей цепей, имеющих следующие параметры: Rи= 1,8 кОм; Си=0,1 мкФ; Rд= 1,8 кОм; Сд=0,01 мкФ; С’=0,001 мкФ.

Методические указания к третьему заданию

Реальная интегрирующая RС-цепочка описывается передаточной функцией

24

где р - оператор преобразования Лапласа; Т - постоянная времени цепи. Подставляя в передаточную функцию р = jω, получаем комплексную частотную характеристику, из которой находим амплитудно-частотную

и фазочастотную характеристики

Как следует из выражений амплитудной и фазовой характеристик на частоте ω-1/Т:

Реальная дифференцирующая цепь описывается передаточной функцией:

из которой следует, что

6.1.4. Задание четвертое

Изучить методы измерения длительной и кратковременной нестабильности частоты

25

Методические указания к четвертому заданию

Данный вопрос следует изучить по учебному пособию [1 с.111-113] либо [2 с.198-200], при этом можно ограничиться следующим материалом.

Как указывалось выше (лабораторная работа №4), значение частоты, полученное в результате измерения любым методом, является усредненной величиной, так как единичное измерение выполняется в конечном интервале времени, который называется интервалом усреднения. Середина интервала усреднения определяет момент измерения. Результат единичного измерения частоты следует записывать в виде ω(t,τ) и читать так: значение частоты в момент времени t при интервале усреднения τ. При точных измерениях нельзя ограничиться единичным (одноразовым) измерением, его необходимо повторить N раз и за результат принять среднее значение. Число N выбирают по заданной погрешности измерений (лабораторная работа № 2).

Долговременная нестабильность частоты определяется как разность двух усредненных значений частоты, полученных в результате измерений в начале и конце интервала наблюдения Тн,

Результат такого единичного измерения

где τ - интервал усреднения; производится N измерений в интервале наблюдения (N+1)Тн и долговременная нестабильность за время, равное интервалу наблюдения Tн, определяется как среднее арифметическое значение этих измерений:

Это выражение долговременной нестабильности за интервал времени наблюдения Ти при усреднении каждого измерения в интервале τ.

Кратковременная нестабильность частоты определяется аналогично единичному измерению долговременной нестабильности с тем отличием, что интервалы времени наблюдения и усреднения соответственно меньше, а за результат измерения,

26

как обычно для случайных величин, принимается среднеквадратическое значение апр N измерений, вычисленное для интервала Тн

Обычно и долговременную и кратковременную нестабильность выражают в относительных единицах, для чего необходимо отнести результаты соответствующих измерений к номинальному значению частоты.

Измерение нестабильности частоты значительно упрощается при использовании метода дискретного счета, так как показания электронно-счетного частотомера дают значение частоты, усредненное за интервал времени счета, являющееся одновременно и интервалом времени усреднения.

6.1.5.Вопросы к домашнему заданию

1.Какие параметры элементов цепей приходится измерять в радиотехнической практике?

2.Какие методы используются для измерения добротности катушек и контуров?

3.К какому классу следует отнести измерения в первом

(измерение добротности катушек) и во втором случае (измерение добротности контуров)?

4.Какими факторами определяется погрешность измерения добротности резонансным методом?

5.Какие известны методы измерения амплитудно-частотных характеристик?

6.Какой метод измерения фазочастотных характеристик реальных цепей целесообразно использовать при наличии

имеющегося комплекта приборов?

7. Какими параметрами характеризуются исследуемые интегрирующие и дифференцирующие цепи?

27

8.Как измеряются долговременная и кратковременная нестабильность частоты?

9.Какой метод измерения предпочтителен при измерении

нестабильности частоты? Почему?

6.2. Лабораторные задания и методические указания по их выполнению

6.2.1. Задание первое

Произвести измерение добротности катушки индуктивности. Для измерения добротности использовать генератор импульсных сигналов, осциллограф, лабораторный макет. Вычислить значения добротности, определить собственную частоту контура.

Методические указания к первому заданию

Для измерения добротности использовать схему в соответствии с рис. 6.1.

При воздействии на контур прямоугольных импульсов в нем возникают колебания собственной частоты. Эти колебания являются затухающими, а скорость затухания колебаний определяет добротность контура (см. рис. 6.2).

Для определения добротности необходимо произвести измерения двух соседних амплитуд A1 и А2, а результат вычислить по формуле

А1 и А2 определить по осциллографу в малых делениях масштабной сетки ЭЛТ.

28