qzbZ5oPRL3

частности, существенно различающейся амплитудно-частотной характеристикой, которая обусловливает возможность их применения для измерения сигнала переменного тока различной формы и частоты.

На рис. 2.1 приведена схема для экспериментального определения частотных диапазонов различных типов электромеханических и электронных приборов.

Г

В1 В2 ЭВ ЦВ

Рис. 2.1. Схема подключения приборов: Г– генератор специальной формы сигнала; В1 – выпрямительный вольтметр Ц4331; В2 – электромеханический вольтметр (электромагнитный или электродинамический); ЭВ – электронный вольтметр В7-26; ЦВ – цифровой вольтметр

Известно, что большинство электромеханических приборов переменного тока (кроме выпрямительных) реагируют на действующее значение измеряемого напряжения, а градуируются в действующих значениях синусоидального сигнала. При этом измерение несинусоидальных сигналов сопровождается погрешностью, которую следует учесть расчетным путем.

Еще сложнее обстоит дело с показаниями электронных приборов.

В электронных вольтметрах переменного тока (рис. 2.2) применяют преобразователи Пр переменного напряжения в постоянное. Здесь uвх(t) – вход-

ное напряжение; У – усилитель переменного тока; ИМ – магнито-

электрический измерительный механизм; α – угол отклонения измерительного механизма.

Применяют преобразователи амплитудного, средневыпрямленного или действующего значения переменного

вида преобразователя, градуируются в действующих значениях синусоидального напряжения. Это может привести к появлению дополнительных погрешностей при измерении несинусоидальных напряжений.

Если электронный вольтметр имеет преобразователь средневыпрямлен-

ного значения, то угол α отклонения указателя в соответствии с принципом действия преобразователя пропорционален средневыпрямленному значению Uср входного напряжения:

11

T

α = kv T1 0∫ uвх (t) dt = kvUср,

где kv – коэффициент преобразования вольтметра; uвх(t) – входное переменное напряжение с периодом Т.

В то же время показания Uп вольтметра градуируют в действующих U

значениях синусоидального напряжения, которое связано со средним значением напряжения постоянным коэффициентом (коэффициентом формы):

Uп = U = kфUср = 1,11Uср ,

где kф = U/Uср – коэффициент формы напряжения (для синусоидального напряже-

ния kф = 1,11). Таким образом, при синусоидальном напряжении по показаниям вольтметра непосредственно считывают действующие значения напряжения.

Для другой формы напряжения (kф ≠ 1,11) показания вольтметра могут зна-

чительно отличаться от его действующего значения, что приводит к появлению дополнительной погрешности измерений.

Так, действующее напряжение сигнала, отличного от синусоидального, определяется по формуле

U = kфUп . 1,1

Если электронный вольтметр содержит преобразователь амплитудного значения, то действующее значение измеряемого напряжения может быть рассчитано по формуле

U = 1,41Uп , kа

где kа – коэффициент амплитуды сигнала, отличного от синусоиды.

Коэффициенты формы kф и коэффициенты амплитуды kа некоторых ви-

дов сигналов приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

12

Порядок выполнения работы

При ознакомлении с используемой в работе аппаратурой обратить внимание на рекомендации по включению электронных приборов, изучить градуировки шкал, переключатели вида и диапазона измерений, освоить приемы установки «нуля» и калибровки чувствительности.

1. Для определения АЧХ электронного и электромеханического вольтметров в диапазоне частот 20 Гц…10 кГц собрать схему (см. рис. 2.1). В качестве образцового прибора используется В1 – выпрямительный прибор Ц4331.

Зависимость показаний приборов от частоты следует определять при постоянном значении входного напряжения, которое измеряется испытуемым прибором. Результаты измерений заносят в табл. 2.2.

Таблица 2.2

2. Для определения влияния формы кривой на показания вольтметров различных типов, проградуированных в действующих значениях синусоиды, выполнить следующие действия:

∙С помощью генератора последовательно задать 3 формы сигнала: синусоидальную, прямоугольную и треугольную, которые подаются непосредственно на приборы В1 (выпрямительный Ц4331), В2 (электромеханический), ЭВ (электронный В726) и ЦВ (цифровой). Амплитуда сигналов выбирается постоянной.

∙Измерить напряжения и занести результаты в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Тип прибора

Форма сигнала

синусоидальная прямоугольная треугольная

Электромеханический

Выпрямительный

Электронный

Цифровой

∙ Сделать выводы о влиянии формы кривой напряжения на показания выпрямительного прибора.

13

3. Проанализировать данные, занесенные в таблицу, и, приняв за образцовые показания выпрямительного вольтметра, с помощью приведенных ранее формул определить тип детектора. Привести доказательства.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1.Цель работы и краткое задание.

2.Схему эксперимента.

3.Таблицы с результатами измерений.

4.Расчетные формулы и примеры расчетов.

5.Графики АЧХ исследуемых приборов.

6.Выводы.

2.2. Исследование собственного потребления мощности электромеханическими приборами

Цель работы: исследование собственного потребления мощности электромеханическими приборами (электромагнитным, магнитоэлектрическим или электродинамическим).

Задание

1.Исследовать собственное потребление мощности электромагнитным, магнитоэлектрическим или электродинамическим прибором.

2.Измерить сопротивления приборов Rв на одном пределе измерения

(по заданию преподавателя).

3. Измерить сопротивление Rв одного из приборов на всех пределах из-

мерения (по заданию преподавателя).

4.Рассчитать ток полного отклонения Iном, потребляемую мощность Р и

число ом на 1 В Zв.

5.Определить относительную погрешность косвенных измерений сопротивления одного из приборов (по заданию преподавателя).

Основные положения

На рис. 2.3 представлена схема, позволяющая исследовать собственное потребление мощности электромеханическим прибором на постоянном токе, где В – исследуемый прибор; УИП – блок питания; RN – образцовое сопро-

тивление; ЦП – цифровой прибор; П – переключатель.

14

15

Внутреннее сопротивление Rв определяется косвенным методом. Для этого ЦП поочередно измеряют падение напряжения на исследуемом прибо-

ре и образцовом сопротивлении RN . Тогда ток, протекающий через прибор,

определяется как Iп = U RN RN , а сопротивление прибора Rв = Uп Iп . Соб-

ственное потребление прибора определяется как Pп = UномIном .

Относительная погрешность косвенного метода измерения δRп состоит из погрешности измерения тока δI и погрешности измерения напряже-

ния δU :

δRп = δI + δU .

По метрологическим характеристикам цифрового вольтметра (ЦП) и об-

разцового сопротивления RN предварительно рассчитываются погрешности измерения, исходя из данных табл. 2.5.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1.Цель работы и краткое задание.

2.Схему эксперимента.

3.Результаты измерений и расчетов.

4.Расчетные формулы и примеры расчетов.

5.Выводы.

2.3. Исследование свойств селективных вольтметров

Цель работы: знакомство студентов с одним из типов селективных вольтметров (B6-I), его основными характеристиками и приобретение навыков работы с приборами такого класса.

16

предназначенное для повышения входного сопротивления и уменьшения входной емкости; УВЧ – широкополосный усилитель высокой частоты; Г1 – гетеродин – вспомогательный генератор с регулируемой (ступенчато и плавно) частотой; CМ1 – смеситель – элемент с нелинейной функцией преобразования; УПЧ1 – усилитель промежуточной (первой промежуточной) частоты – избирательный усилитель с фиксированными настройкой fп1 и полосой про-

пускания (Г1, CМ1, УПЧ1 составляют первый преобразователь частоты, работа которого рассмотрена далее); Г2 – гетеродин с фиксированным значением частоты (Г2, СМ2, УПЧ2 составляют второй преобразователь частоты); Ф1 и Ф2 – фильтры, формирующие полосы пропускания вольтметра f1 и f2; ДН – ступенчато регулируемый делитель напряжения (переключатель пределов измерений); У – усилитель с большим коэффициентом усиления; В

– выпрямитель; μА – магнитоэлектрический многопредельный вольтметр

(ДН, У, В, μА составляют электронный многопредельный вольтметр, рабо-

тающий в узкой полосе частот); Ф3 – фильтр; УМ – усилитель мощности; Д – динамик.

Принцип действия прибора

Усиленный УВЧ-сигнал Uвх′ = kUвхcos ωвхt подается на вход смесителя СМ1 и суммируется с выходным сигналом Г1 UГ1 = UГcos ωГt . Из-за нели-

нейности функции преобразования СМ1 сигнал на его выходе представляет собой сложную функцию от Uвх, UГ1, t: UСМ1 = f (U′вх+U Г1). Если разложить эту функцию в ряд Тейлора, то разложение будет включать в себя со-

ставляющие, меняющиеся с различными частотами: fГ, fвх , 2 fГ, 2 fвх , fГ + fвх , fГ − fвх и др. Если выбрать пределы регулирования частоты гете-

родина и частоту настройки УПЧ1 так, чтобы зеркальная частота fГ + fвх и

указанные выше комбинационные частоты существенно подавлялись, то на выходе УПЧ может быть получен сигнал, пропорциональный входному лишь

усиления спектр сигнала первой промежуточной частоты трансформируется в более низкочастотную область вторым преобразователем частоты. Выходной сигнал второго преобразователя усиливается, выпрямляется и измеряется магнитоэлектрическим микроамперметром µ А.

18

Для калибровки вольтметра предусмотрен генератор калибровочного напряжения ГКН (на схеме не показан). Для исследования помех радиоприему в прибор введен звуковой тракт, состоящий из фильтра Ф3, усилителя мощности УМ и динамика Д. Прибор имеет линейный выход (катодный повторитель) для подключения внешнего прибора (например, осциллографа).

Порядок выполнения работы

Для исследования свойств и применения селективного вольтметра необходимо выполнить следующие действия:

1.Подключить прибор к сети ~220 В и дать прогреться.

2.Установить переключателем «Полоса» требуемую полосу пропускания (10 кГц) и произвести калибровку прибора следующим образом. Пере-

ключатель диапазонов частот установить в положение 0,15…2 МГц, переключатель пределов измерения поставить в положение 1000 мкВ, пробник поместить в гнездо «Калибр. напр.». Поворотом ручки «Настройка» настроить прибор на частоту калибровочного генератора 150 кГц. О точной настройке судят по максимальному отклонению прибора. Поворотом ручки «Усиление» отрегулировать стрелку прибора точно на полное отклонение шкалы.

3. Для проведения измерений: а) измеряемое напряжение подвести к пробнику; б) переключателями «Шкала» и «Диапазоны частот» установить ориентировочно предел измеряемого напряжения и частотный диапазон; в) ручкой «настройка» настроить прибор на измеряемую частоту, добиваясь максимального отклонения стрелки, по которому производят отсчет; г) частотную характеристику рекомендуется снимать на частотах, для которых цена деления шкалы генератора не более 2 кГц; д) напряжение генератора 0,5…5 мВ синусоидальных сигналов подвести к пробнику и измерить селективным вольтметром; е) меняя частоту генератора на ± 10 кГц через 2 кГц при неизменной настройке селективного вольтметра записывать его показания. Опытное значение полосы пропускания определить на уровне 0,707 Umax, где Umax – максимальное показание вольтметра.

Следует помнить, что значения частоты по шкалам генератора и вольтметра могут расходиться вследствие погрешности обоих приборов.

Выходное напряжение генератора не является идеально синусоидальным. Из-за нелинейности электронных узлов генератора его выходной сигнал содержит высшие гармонические составляющие. Степень искажения синусо-

19

идального сигнала принято оценивать коэффициентом гармоник KГ либо ко-

эффициентом нелинейных искажений Kн.и:

Здесь U1, U2, U3 – действующие значения напряжений 1, 2, 3-й и т. д. гармо-

ник. Для определения указанных коэффициентов следует измерить селективным вольтметром напряжения значимых гармоник. Выходное напряжение генератора должно составлять 0,5…5 мВ. Так как в исследуемой области частот возможно действие помех, в том числе за счет работающих радиостанций, следует при появлении в процессе измерения «лишних гармоник» (сигналов, отличных по частоте от ожидаемых) проверять их принадлежность исследуемому сигналу. Для этого необходимо произвести некоторую расстройку генератора, наблюдая за показаниями прибора. Неизменость показаний свидетельствует о наличии помехи, а их изменение – о принадлежности индицируемой гармоники спектру исследуемого сигнала.

Для формирования последовательности импульсов заданной формы служит формирователь импульсов, оформленный в виде отдельного блока c питанием от сети ~220 В. Подключив пробник селективного вольтметра к выходу формирователя, следует последовательно измерить напряжения 12– 15 гармоник исследуемого сигнала. При возникновении сомнений в принадлежности индицируемой частоты анализируемому спектру произвести проверку указанным выше способом.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1.Цель работы и краткое задание.

2.Схему эксперимента.

3.Функциональную схему вольтметра B6-I.

4.Результаты измерений и расчетов.

5.Графические изображения частотной характеристики вольтметра с указанной полосой пропускания и спектра исследуемого сигнала.

6.Выводы.

20