Измерения параметров элементов радиотехнических цепей (120

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

Р.В. Комягин, В.Л. Хандамиров

ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Методические указания к выполнению лабораторных работ

по курсу «Метрология и радиоизмерения»

Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

2011

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

УДК 389 ББК 30.10

К63

Рецензент С.И. Масленникова

Комягин Р.В.

К63 Измерения параметров элементов радиотехнических цепей : метод. указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Метрология и радиоизмерения» / Р.В. Комягин, В.Л. Хандамиров. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. – 20, [4] с. : ил.

Приведены описание и методика выполнения двух лабораторных работ, связанных с измерениями характеристик цепей с сосредоточенными параметрами. На примере измерения сопротивления резисторов, емкости конденсаторов и индуктивности дросселей приведена оценка возможностей двух методов измерений: мостового и резонансного. Особенностью работ является подробное изучение применяемых приборов и анализ точности полученных результатов.

Для студентов 2-го курса, обучающихся по специальности «Радиоэлектронные системы».

Рекомендовано учебно-методической комиссией НУК «Радиоэлектроника, лазерная и медицинская техника».

УДК 389 ББК 30.10

c МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

ВВЕДЕНИЕ

Основными характеристиками электрических и радиотехнических цепей с сосредоточенными параметрами являются активное сопротивление, индуктивность и емкость. Для измерения этих характеристик применяют:

1)метод с использованием вольтметра и амперметра;

2)метод баланса в мостовых схемах;

3)резонансные методы.

Первый метод используют в основном для измерения активных сопротивлений.

Метод баланса состоит в сравнении полного сопротивления исследуемой цепи с сопротивлением рабочих элементов, включенных в соответствующие плечи мостовой схемы.

Измерение параметров цепи резонансными методами проводят на высокой частоте при резонансной настройке измерительной схемы, выполненной в виде колебательного контура.

Выбор метода измерений определяется прежде всего диапазоном рабочих частот, исследуемой цепи. С повышением частоты методы измерения одних и тех же величин изменяются. В частности, при измерениях на высокой частоте необходимо учитывать собственную емкость дросселей, емкости и индуктивности соединительных проводов и прочие остаточные параметры измерительной схемы, которые на низких частотах не играют существенной роли.

На примерах измерения сопротивления, емкости и индуктивности в лабораторных работах оцениваются возможности мостового и резонансного методов измерений. Оценка проводится путем анализа точности результатов измерений.

3

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Основой для оценки погрешностей при всех измерениях служат технические данные используемых приборов. Наиболее точные результаты обеспечивают цифровые измерители параметров цепей. Поэтому цифровой измеритель используется в экспериментах как эталонный прибор.

Работа № 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ С ПОМОЩЬЮ МОСТОВЫХ СХЕМ

В работе используют приборы Е7-4 (универсальный мост) и Е7-8 (цифровой измеритель параметров L, C, R). Измеряют сопротивление резистора, емкость и тангенс угла потерь конденсатора, индуктивность, добротность и сопротивление потерь дросселя. Сопротивление потерь дросселя при использовании универсального моста находят косвенно, путем вычислений, и после этого сравнивают с сопротивлением потерь, полученным на индикаторе цифрового измерителя. Параметры дросселя, содержащего магнитный сердечник, существенно зависят от частоты напряжения, питающего мост. Поэтому сопротивление потерь измеряют как на постоянном токе, так и на частоте внутреннего генератора, что позволяет оценить дополнительные потери, обусловленные магнитным материалом сердечника. При сопоставлении результатов

измерений, полученных с помощью универсального и цифрового мостов, следует обратить внимание на частоты напряжений генераторов, встроенных в один и другой мост. Работа универсального моста Е7-4 основана на свойствах измерительной мостовой схемы (рис. 1). В схеме ток через измерительный прибор отсутствует при условии, что имеет место баланс моста, условием которого является равенство Z1Z3 = Z2Z4.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с техническим описанием универсального моста Е7-4, выписать его основные технические характеристики.

4

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

2.В соответствии с инструкцией по эксплуатации подготовить прибор к работе и включить его.

3.Измерить сопротивление резистора универсальным мостом Е7-4, затем цифровым измерителем Е7-8 и занести результаты в рабочую таблицу, подготовленную по образцу табл. 1. В первом случае измерения следует проводить как на постоянном, так и на переменном токе.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

4.Измерить емкость и тангенс угла потерь конденсатора приборами Е7-4 и Е7-8 и занести результаты измерений в рабочую таблицу.

5.Найти параметры дросселей. Цифровым измерителем Е7-8 измерить индуктивность и сопротивление потерь. С помощью универсального моста измерить сопротивление обмотки дросселя

6

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

постоянному току, индуктивность и полное сопротивление потерь дросселя. Результаты измерений занести в рабочую таблицу.

6.Аналитически и графически сопоставить результаты измерений (см. примечание 1). По результатам сопоставлений сделать выводы и записать их в отчет.

7.По результатам измерений параметров дросселя с сердечником вычислить сопротивление потерь в сердечнике на частотах 100 и 1000 Гц. Определить, во сколько раз возросли потери в дросселе на частоте 100 Гц по сравнению с потерями дросселя, обусловленными сопротивлением обмотки. Вычислить, во сколько раз возросли потери в сердечнике при изменении частоты от 100 до 1000 Гц (см. примечание 2). Вычислить погрешности всех измерений и занести их, а также расчеты для косвенных измерений в таблицу.

П р и м е ч а н и я.

1. Аналитическое сопоставление результатов предполагает определение модуля разности сопоставляемых значений, полученных как результат измерений. Измеренные значения A и B совпадают, если точечная оценка модуля разности меньше или равна интервальной оценке, т. е., если (A± A)−(B± B) = (A−B)±

ризонтальной оси наносят измеренное значение параметра, а влево и вправо от него откладывают интервалы, в пределах которых технические данные на используемые измерительные приборы гарантируют истинное значение измеряемой величины.

2. Сопротивление потерь в сердечнике Rп.с определяют как разность полного сопротивления потерь Rп и сопротивления обмотки Rобм:

(Rп.с ± Rп.с) = (Rп ± Rп) − (Rобм ± Rобм).

3. При использовании универсального моста Е7-4 сопротивление потерь Rп находят как результат косвенных измерений по вы-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Здесь δ0ω — относительное значение погрешности установки частоты напряжения, питающего измерительный мост. Для прибора Е7-4 δ0ω = 0,01; δ0L — относительное значение погрешности измерения индуктивности дросселя универсальным мостом Е7-4; δ0Q— относительное значение погрешности измерения добротности дросселя универсальным мостом Е7-4.

Работа № 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ С ПОМОЩЬЮ РЕЗОНАНСНЫХ СХЕМ

В работе используют измеритель добротности Е4-11 и цифровой измеритель Е7-8. Определяют параметры конденсатора и дросселя. Прибор Е4-11 позволяет измерить действующие значения параметров на рабочей частоте, а цифровым прибором Е7-8 измеряют истинные значения этих же параметров. Работа прибора E4-11 основана на свойствах резонансной схемы (рис. 2). Генератор Г возбуждает контур, включающий в себя катушку индуктивностью L0, конденсатор емкостью C. Напряжение на конденсаторе измеряется вольтметром V.

Рис. 2

При равенстве модулей реактивных сопротивлений катушки и конденсатора возникает резонанс напряжений при котором напряжение на конденсаторе становится максимальным. Поскольку напряжение прямо пропорционально добротности контура, появляется возможность откалибровать измерительный прибор в единицах добротности.

8

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Часть 1. Измерение параметров конденсатора

Измерение действующих значений параметров конденсатора проводят методом замещения. В этом методе емкость оценивают на основании результатов двух измерений. При проведении первого измерения колебательный контур формируют из прилагаемого эталонного дросселя и конденсатора. Конденсатор, в свою очередь, состоит из параллельно включенных эталонного конденсатора, находящегося в приборе, емкость которого калибрована, и конденсатора Сх , параметры которого требуется измерить. Контур настраивают в резонанс изменением частоты встроенного в прибор генератора при значении эталонного конденсатора близком к минимальному. При резонансе фиксируют значения образцовой (эталонной) емкости Cобр1 и добротности Q1.

При выполнении второго измерения колебательный контур формируют только из эталонных элементов. Для этого из измерительной схемы исключают конденсатор Сх . Настройку такого контура в резонанс осуществляют перестройкой только эталонного конденсатора. При резонансе фиксируют Cобр2 и Q2.

Значение измеряемой емкости Сх находят из выражения

Сх = Собр2 − Собр1.

Измеренное значение емкости является действующим Сх д, соответствующим частоте fp, на которой проводились измерения.

Истинное значение емкости Сх и измеряется при помощи цифрового измерителя Е7-8. Частота, на которой осуществляются измерения в этом приборе, достаточно низкая (1000 Гц), поэтому результаты измерений считают истинными.

Действующее значение сопротивления потерь Rх д определяют косвенно по измеренным значениям fр, Собр1, Q1, Q2 в соответствии с выражениями (5) и (6) (см. ниже). Так как цифровой измеритель Е7-8 показывает истинное значение тангенса угла потерь tg δх и, то истинное сопротивление потерь находят по измеренным значениям tg δх и и Сх и путем вычислений с помощью выражений

(7) и (8).

9

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Порядок выполнения первой части работы

1.Ознакомиться с техническим описанием измерителя добротности Е4-11, нарисовать схему измерения и выписать основные технические данные прибора.

2.В соответствии с инструкцией по эксплуатации подготовить прибор к работе и включить его.

3.Измерить прибором Е4-11 действующие значения параметров конденсатора. Измерения проводить по методу замещения в два этапа.

3.1.Сначала сформировать контур из образцовой индуктивности и встроенного в прибор перестраиваемого эталонного конден-

сатора с подключением к контуру измеряемого конденсатора Сх д. При первом измерении установить минимальное значение емкости эталонного конденсатора (10 пФ для прибора Е4-11) и добиться резонанса изменением частоты напряжения, подводимого к контуру от встроенного в прибор генератора. Занести в рабочую таблицу, составляемую по образцу табл. 2, значения резонансной частоты fр, образцовой емкости Собр1 и добротности Q1.

3.2.Исключить из контура конденсатор Сх и вновь настроить контур на резонанс путем изменения емкости эталонного конденсатора, не изменяя частоты подводимого к контуру напряжения. Полученные значения Cобр2 и Q2 занести в таблицу.

3.3.По выражениям (3)—(6) вычислить измеряемую емкость Cх д и сопротивление потерь Rх д. Результаты занести в таблицу.

4. Цифровым измерителем Е7-8 измерить емкость Сх и конденсатора и тангенс угла потерь tg δх и. Результаты измерений занести в таблицу. Используя выражения (7) и (8), вычислить истинное значение сопротивления потерь Rх и и погрешность его определения

Rх и.

5.Аналитически и графически сопоставить результаты измерений и сделать выводы.

6.Пользуясь техническими данными на приборы, определить и занести в эту же таблицу значения всех погрешностей измерений.

10