Лабораторное задание

1. Ознакомиться с имеющейся на рабочем месте аппаратурой.

2. Определить основную абсолютную погрешность для всех поверяемых точек, максимальное значение основной приведенной погрешности и вариацию показаний поверяемого вольтметра на постоянном токе.

3. Определить основную абсолютную погрешность для всех поверяемых точек, максимальное значение основной приведенной погрешности и вариацию показаний поверяемого вольтметра на переменном токе.

4. Определить дополнительную погрешность поверяемого вольтметра от изменения частоты измеряемого напряжения относительно номинального значения. Номинальное значение частоты измеряемого напряжения приведено в документации на поверяемый вольтметр.

5. На основе анализа полученных данных сделать вывод о соответствии основной погрешности, вариации показаний и дополнительной погрешности поверяемого вольтметра требованиям, определяемым классом точности прибора.

9

Методика выполнения работы

1. Поверка вольтметра на постоянном токе.

1. Установить приборы в нормальное для них положение (вертикальное или горизонтальное) и включить их.

2. Произвести корректировку нуля, калибровку приборов в соответствии с документацией на эти приборы.

3. Собрать схему поверки вольтметра на постоянном токе (рис.1).

⁺ R

^- V₁ V₂

V V

Источник напряжения

Рис.1. Схема поверки вольтметра на постоянном токе: R - переменный резистор для изменения выходного напряжения; V₁ и V₂ – поверяемый и образцовый вольтметры

4. Последовательно установить стрелку испытуемого прибора на всех поверяемых отметках шкалы сначала при плавном увеличении измеряемой величины, а затем на тех же отметках при плавном уменьшении измеряемой величины. Для каждой поверяемой отметки определить действительное значение измеряемой величины по образцовому прибору.

4. По результатам измерений для каждой отметки шкалы определить основную абсолютную погрешность вольтметра:

U  U _x U _,

где U_x - показания поверяемого вольтметра, В; U - показания образцового вольтметра, В. 1.6. Вариацию показаний прибора (в процентах) определить по формуле

b 		Uув Uум		100
		U N
			%,

где U_ув и U_ум - показания образцового вольтметра при увеличении и уменьшении величины, соответствующие одному и тому же показанию поверяемого вольтметра, В; U_N

10

- нормирующее значение, равное конечному значению диапазона измерений для приборов

• нулевой отметкой на краю шкалы, В.

7. Результаты измерений и расчетов занести в форму табл.1.

				Форма таблицы 1
	Результаты поверки вольтметра на постоянном токе
	Показания		Абсолютная
Показания	образцового
			погрешность		Вариация
поверяемого	вольтметра
					показаний
вольтметра	при	при	при	при
					b, %
Ux, В	увеличении	уменьшении	увеличении	уменьшении
	Uув, В	Uум, В	Uув, В	Uум, В

8. По результатам поверки построить график зависимости абсолютной погрешности от показаний поверяемого прибора. График погрешности имеет смысл только для поверяемого прибора, поэтому он должен иметь надпись с указанием номера прибора.

8. Определить максимальное значение основной приведенной погрешности (в процентах) по формуле

_ ^{(U )}max _100%

^UN _,

где (U)_max - максимальное (по модулю) значение абсолютной погрешности для поверенных отметок шкалы, В.

2. Поверка вольтметра на переменном токе.

1. Установить режим измерения поверяемого и образцового вольтметров, соответствующий измерению напряжения переменного тока.

2. Произвести корректировку нуля и калибровку приборов.

3. Собрать схему поверки вольтметра на переменном токе (рис.2),

Генератор ГЗ-112

V₁ V₂

V V

Рис.2. Схема поверки вольтметра на переменном токе

11

где в качестве источника напряжения переменного тока использован генератор гармонических сигналов Г3-112.

2.4. Установить частоту сигнала на выходе генератора, соответствующую номинальной частоте измерений для поверяемого вольтметра.

Поверку вольтметра на переменном токе осуществить по методике, описанной в п. 1.4: после п. 2.4 выполнить пп. 1.5 - 1.9.

3. Определение дополнительной погрешности от изменения частоты измеряемого напряжения с использованием схемы на рис.2.

1. Испытания следует начинать при номинальной частоте f_н. Стрелку испытуемого прибора установить на поверяемых отметках (0,5U_max; 0,9U_max) шкалы вначале при

увеличении измеряемой величины от нуля, а затем при уменьшении ее от максимального значения. При этом отсчитать показания образцового прибора U_ув и U_ум, соответствующие одному и тому же показанию поверяемого прибора.

2. Аналогичным образом провести испытания на частотах 0,9f_н и 1,1f_н.

3. Результаты испытаний занести в форму табл.2.

Форма таблицы 2

Результаты определения

дополнительной погрешности вольтметра

Показания

Среднее

Показания

образцового вольтметра

значение

Дополнительная

Частота

поверяемого

показаний

частотная

при

при

f, Гц

вольтметра

увеличении

уменьшении

образцового

погрешность

Ux, В

вольтметра

f, %

Uув, В

Uум, В

Uср, В

fн

0,5Umax

0,9Umax

0,9fн

0,5Umax

0,9Umax

1,1fн

0,5Umax

0,9Umax

3.4. Среднее значение показаний образцового вольтметра рассчитать по формуле

Uср 

U ув U ум

2

.

12

Дополнительную приведенную погрешность (в процентах) от изменения частоты рассчитать для каждой поверяемой точки шкалы:

f		Uср. f Uср.н		100%
			U N
				,

где ^Uср.н - среднее значение показаний образцового вольтметра при номинальном

значении частоты f_н, В; ^{Uср. f} - среднее значение показаний образцового вольтметра при отклонении частоты от номинального значения, В.

Результаты расчетов занести в форму табл.2.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1. схемы поверки;

2. таблицы результатов измерений и расчеты;

3. графики зависимостей абсолютных погрешностей вольтметра от его показаний на постоянном и переменном токах;

4. полученные значения метрологических характеристик поверяемого вольтметра;

5. выводы.

Контрольные вопросы

1. Как можно установить соответствие прибора требованиям того или иного класса точности?

2. По каким точкам производят поверку прибора?

3. Что такое вариация показаний прибора и как ее можно определить?

4. Что такое чувствительность прибора?

5. Какие требования по точности предъявляют к образцовому прибору при поверке приборов методом непосредственного сличения?

6. Что такое дополнительная погрешность?

7. Что такое абсолютная, относительная и приведенная погрешность?

8. Что такое класс точности прибора?

13

Литература

1. ГОСТ 16263-70. Метрология. Термины и определения.

2. Никифоров А.Д., Бакиев Т.А. Метрология, стандартизация и сертификация: учеб. пособие. - М.: Высшая школа, 2005. - 423 с.

3. Бажанов Е.И., Савченко Ю.В. Основные понятия метрологии. Методические указания для практических занятий по курсу «Основы информационной теории измерений». - М.: МИЭТ, 1990. - 46 с.

4. Хамадулин Э.Ф. Методы и средства измерений в телекоммуникационных системах: учеб. пособие. - М.: Высшее образование; Юрайт-Издат, 2009. - 365 с.

5. Хромоин П.К. Электротехнические измерения: учеб. пособие. - М.: ФОРУМ, 2008.

• 288 с.

6. Нефедов В.И., Сигов А.С., Битюков В.А., Самохина Е.В. Электрорадиоизмерения:

учебник. - М.: ФОРУМ, 2009. - 384 с.

14

Лабораторная работа № 2. Исследование и применение электронного осциллографа

Цель работы: исследование метрологических характеристик и применение электронного осциллографа для наблюдения и измерения параметров периодических гармонических и импульсных сигналов.

Продолжительность работы: 4 ч.

Аппаратура: электронно-лучевой осциллограф типа C1-76; вольтметр для измерения напряжений постоянного и переменного тока типа В7-16А; генератор синусоидальных сигналов типа Г3-112.

Теоретические сведения

Термины и определения

Электронно-лучевой осциллограф - измерительный прибор, предназначенный для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов. Осциллограф осуществляет прямые и косвенные измерения параметров электрических сигналов как по методу непосредственной оценки, так и по методу сравнения с мерой.

Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.

Метод сравнения с мерой - метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Осциллографы относятся к группе электронных аналоговых приборов.

Входной сигнал электронных аналоговых приборов является непрерывной функцией измеряемой величины. Электронные приборы применяются при измерении практически всех электрических величин: напряжения, тока, частоты, мощности, сопротивления и т.д.

Благодаря применению электронных устройств удается расширить функциональные возможности средств измерений и обеспечить высокий уровень их метрологических характеристик. Это в первую очередь относится к высокой

15

чувствительности приборов, широкому диапазону измерений, малой потребляемой мощности от измеряемой цепи, широкому частотному диапазону и др.

Возможность наблюдения изменяющихся во времени сигналов делает осциллографы чрезвычайно удобными при определении различных амплитудных и временных параметров наблюдаемых сигналов. Важными достоинствами осциллографов являются широкий частотный диапазон, высокая чувствительность и большое входное сопротивление. Все это обусловило их широкое практическое применение.

Электронно-лучевой осциллограф состоит из следующих блоков (рис.1): электронно-лучевая трубка (ЭЛТ); входной делитель напряжения; усилитель вертикального отклонения (УВО); блок синхронизации и запуска генератора развертки; генератор развертки (ГР); усилитель горизонтального отклонения (УГО); калибратор амплитуды и длительности.

Вход Y			Вход Z
	Дели-
		УВО
	тель		ЭЛТ
	Калиб-
	ратор
Вход
синхронизации
	Синхро-
	низация и	ГР	УГО
	запуск
Вход X

Рис.1. Блок-схема электронно-лучевого осциллографа

Электронно-лучевая трубка. Основным узлом осциллографа является электронно-лучевая трубка (рис.2), преобразующая электрический сигнал в видимое изображение.

A2	ЭЛТ
К M A1X Y

H

Рис.2. Электронно-лучевая трубка

16

Электронно-лучевая трубка представляет собой вакуумированную колбу с системой электродов, включающей нить накала H, катод K, модулятор M, первый A₁ и второй A₂ аноды и две пары пластин - вертикального Y и горизонтального X отклонения луча.

Электроны, вылетевшие из нагретого катода, попадают в поле модулятора, который находится под отрицательным потенциалом к катоду. Интенсивность пучка, выходящего за пределы модулятора, а следовательно, и яркость свечения пятна на экране регулируются потенциалом модулятора.

Дальнейшее формирование пучка происходит под действием напряжения, приложенного к двум анодам, один из которых является ускоряющим, другой - фокусирующим. Система электродов (нить накала, катод, модулятор и аноды) образует так называемую электронную пушку, назначение которой - сформировать узкий электронный пучок (луч) необходимой интенсивности. Электронный пучок, пройдя между двумя парами взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин, попадает на люминесцентный экран, вызывая его свечение.

Усилитель вертикального отклонения. Для получения требуемого размера изображения на экране входной сигнал усиливается (или ослабляется) в усилителе вертикального отклонения до необходимого значения, определяемого чувствительностью трубки. Последовательное включение делителя напряжения и усилителя вертикального отклонения обеспечивает значительный диапазон исследуемых напряжений.

Генератор горизонтальной развертки. Для получения на экране осциллографа временной зависимости сигнала, поданного на вход канала Y, необходимо электронный луч перемещать в горизонтальном направлении с постоянной скоростью. Для этого на пластины X следует подать пилообразное напряжение, называемое напряжением развертки. Последнее вырабатывается специальным генератором развертки.

Генератор развертки может работать в двух режимах: автоколебательном (непрерывном) и ждущем.

В непрерывном режиме запуск генератора развертки происходит автоматически, при этом луч совершает по экрану периодическое движение с определенной скоростью. Непрерывная развертка используется при исследовании непрерывных периодических процессов или периодической последовательности импульсов небольшой скважности.

Для наблюдения импульсных сигналов большой скважности и непериодических (одиночных) импульсов используется ждущая развертка. Блок синхронизации. При несовпадении периодов исследуемого сигнала и

горизонтальной развертки осциллограмма будет перемещаться по экрану. Для устранения

17

этого недостатка в осциллографе предусмотрен блок синхронизации вертикальной и горизонтальной развертки.

Синхронизация генератора горизонтальной развертки может осуществляться в двух режимах: синхронизация от внешнего сигнала; синхронизация от внутреннего сигнала. В режиме синхронизации от внутреннего сигнала из канала вертикального отклонения часть усиленного исследуемого сигнала подается на вход схемы синхронизации и запуска генератора развертки.

При синхронизации от внешнего сигнала сигнал, управляющий запуском генератора развертки, подается с входа синхронизации.

Калибратор амплитуды и длительности. При измерении амплитудных и временных параметров исследуемых сигналов обычно измеряют соответствующие линейные размеры изображения сигнала на экране и с помощью коэффициентов отклонения и коэффициентов развертки, характеризующих чувствительность каналов, определяют значения этих параметров. С целью обеспечения точности измерений, указанной в паспортных характеристиках, необходимо периодически производить калибровку чувствительности. Для этого осциллографы имеют калибратор амплитуды и длительности, позволяющий контролировать и устанавливать номинальные значения коэффициентов вертикального отклонения и коэффициентов развертки. Калибратор представляет собой генератор постоянных напряжений и (или) гармонических сигналов, и (или) прямоугольных импульсов с известными значениями амплитуды и частоты.

Калибратор амплитуды и длительности конструктивно входит в состав осциллографа и является функционально самостоятельным средством измерений. В классификации видов средств измерений калибратор относится к группе меры.

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

Номинальное значение меры - значение величины, указанное на мере или приписанное ей.

Калибраторы осциллографа имеют два назначения:

• проверка и установка номинальных значений коэффициентов вертикальной и горизонтальной развертки (по осям X и Y экрана) осциллографа;

• выполнение измерения амплитуды и временных параметров электрических

сигналов по методу замещения.

Метод замещения - метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

18