Конспект по Метрологии / Элек. изм

убудованим електронним комутатором. Похибка виміру кута цим способом визначається погрішностями виміру довжин відрізків а й b:

де – похибка виміру ; a, b – абсолютні похибки виміру відрізків а й

b.

Можна вважати максимально можливою погрішністю один малий розподіл шкали осцилографа a b 1.

a2 b2 / ab .

Тут , – у градусах; а , b – у малих розподілах шкали осцилографа.

При вимірі фазового зрушення способом еліпса одне з досліджуваних напруг подають на вхід Y, а інше – на вхід Х осцилографа. Осцилограф працює в ХY-режимі (генератор лінійного розгорнення відключений). При цьому промінь на екрані описує еліпс (рис. 3.2). Фазове зрушення визначають по формулі

де l , h – відрізки, що відтинають еліпсом по осях Х и Y; L, H – максимальні відхилення по осях Х и Y.

Похибка виміру цим способом обчислюють по формулі

31

а похибка h приймається рівної одному малому розподілу шкали осцилографа, H і h – розміри еліпса, виражені в малих розподілах шкали осцилографа.

При вимірах цим способом необхідно враховувати фазове зрушення, викликане неідентичністю фазочастотних характеристик підсилювачів вертикального і горизонтального відхилень осцилографа, изм ух, де

ух– зрушення фаз між каналами Y і Х.

Вимір фазового зрушення нульовим (компенсаційним) способом пояснює рис. 3.3.

Рис. 3.3. Компенсаційний спосіб виміру фазового зрушення

За допомогою попередньо відградуйованного фазообертача ф var до фази напруги u2 додають фазовий кут ф, такий, щоб фазове зрушення між

напругами u1 і u2 на входах індикатора рівності фаз (нуль-індикатор) був

дорівнює 0. При цьому вимірюване фазове зрушення дорівнює фазовому зрушенню, внесеному фазообертачем: ф. Як нуль-індикатор у даній

роботі використається осцилограф у ХY – режимі. Рівності фаз напруг u1 і

u2 відповідає момент стягування еліпса в пряму лінію. Похибка виміру кута

цим способом складається з похибки градуювання фазообертача, систематичної похибки ух, похибки визначення моменту рівності фаз. До

недоліків методу варто віднести необхідність градуювання фазообертача на кожній частоті, тому що φф залежить від частоти.

3.3. Цифровий фазометр Ф2-16

Основні технічні характеристики

Діапазон робочих частот, кГц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,002...2000. Діапазон вхідних напруг, В. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .0,002...2. Межі виміру різниці фаз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1800; 0...3600.

Основна похибка виміру різниці фаз (при відносній нестабільності частоти сигналу на більше 10-4 за 10 хв)

(0,2 0,004 0,05 А) ,

де - вимірювана різниця фаз у градусах; А - відношення вхідних напруг, дБ.

32

Вхідний опір приладу більше 1МОм, вхідна ємність 30 пф.

Принцип дії. У фазометрі Ф2-16 вимірюване фазове зрушення перетвориться в часовий інтервал (рис. 3.4, а й б).

Рис. 3.4. Структурна схема і тимчасові діаграми фазометра з перетворенням фазового зрушення в часовий інтервал

За допомогою формуючих пристроїв (ФП) з досліджуваних напруг u1 і u2 виробляються короткочасні імпульси в моменти переходу напруг через 0

в сторону збільшення. Ці імпульси надходять на входи S і R тригера T, і на його виході формуються прямокутні імпульси. Тривалість імпульсів тригера

пропорційна вимірюваному зрушенню фаз: T / 360o . Середнє значення напруги на виході тригера, пропорційне вимірюваному фазовому зрушенню

виміряється убудованим цифровим вольтметром постійної напруги. При цьому амплітуда імпульсів Um вибирається таким чином, щоб показання

вольтметра чисельно збігалися з фазовим зрушенням , вираженому в

градусах.

При такому способі виміру фазового зрушення може виникнути систематична похибка через несиметричне обмеження досліджуваних напруг у ФП. У цьому випадку напруга на виході обмежника, наприклад у ФП1, буде мати постійну складову (рис. 3.4, в). Диференційний ланцюг у ФП

33

постійну складову не пропускає, тому моменти переходу напруги через нуль зміщаються (показане на рис. 3.4, стрілками). Зміна інтервалу ( приводить до похибки виміру фазового зрушення.

Структурна схема. Фазометр Ф2-16 виконаний по двоканальній схемі; опорний канал (ОК) і вимірювальний канал (ВК) ідентичні (рис. 3.5). Для усунення похибки через несиметричне обмеження у фазометрі використовуються два тригери. Підсилювачі обмежники виконані за двотактною схемою, тому їхні вихідні напруги u3, u4 і u5, u6 протифазні

(рис. 3.6).

Рис. 3.5. Структурна схема фазометра Ф2-16

Роль диференційних ланцюгів виконують дискримінатори рівня. Дискримінатори ОК спрацьовують при проходженні через 0 напруг u3, u4 убік збільшення, а дискримінатори ВК спрацьовують при проходженні через 0 напруг u5, u6 убік зменшення. Тригер Т2 перемикається позитивним імпульсом u7 і негативним імпульсом u9. Тригер Т2 перемикається відповідно імпульсами u8 і u10, які зрушені на півперіод відносно u7 і u9. Прямокутні імпульси u11 і u12 амплітудою 6 В з Т1 і Т2 складаються в суматорі, створюючи u13. Туди ж подається напруга зсуву – 12 В. Підсилювач постійного струму (ППС) виділяє постійну складову і змінює її полярність, після чого напруга виміряється цифровим вольтметром. Якщо в першому каналі, наприклад, обмеження несиметричне, то імпульси u7 і u8 зрушені, як показано стрілками на рис. 3.6. Імпульс u11 стане коротше, а імпульс u12 – довше, тому результуюча постійна складова залишиться без зміни.

У фазометрі Ф2-16 передбачений режим виміру зрушення фаз 1800. У цьому режимі за допомогою перемикача напруги u7 і u8 міняються місцями, на суматор подається напруга зсуву не -12, а -6 В. Графіки напруг для цього режиму показані на рис. 3.6 праворуч.

34

Рис. 3.6. Тимчасові діаграми, що пояснюють роботу фазометра Ф2-16.

35

3.4Опис лабораторного макета

Улабораторному макеті змонтовані регульований фазообертач, фазозрушуючий Т-міст і набір із трьох ліній затримки.

Фазообертач. Схема використовуваного фазообертача наведена на

рис. 3.7, а. Векторна діаграма (рис. 3.7, б) пояснює його роботу. Фазовий кут між напругами на ємності та на резисторі, як відомо, дорівнює 900. Сума цих напруг у даній схемі при будь-яких значеннях R і Із залишається постійною, рівної вхідній напрузі. Вихідна напруга знімається між точками в і г фазообертача. З діаграми видно, що при одночасній зміні опорів резисторів R

від 0 до фазове зрушення між вхідною й вихідною напругами міняється від 0 до 1800. Амплітуда вихідної напруги залишається при цьому постійною, рівній амплітуді вхідної. Фазове зрушення визначається формулою

ф 2arctg2 fRC .

Рис. 3.7. Схема та векторна діаграма напруг фазообертача

У реальній схемі опору резисторів не можуть мінятися від 0 нескінченно, тому фазове зрушення у фазообертачі буде змінюватися в

межах 0 ф 180 .

Т–мост. Схема фазозрушуючого Т-моста наведена на рис. 3.8. Навантаженням його в даній роботі є осцилограф, вхідний опір якого багато більше вихідного опору Т-моста. У цьому випадку вираження для фазового зрушення, створюваного Т-мостом, має вигляд

Лінії затримки. Найпростіша лінія затримки являє собою ряд каскадно підключених LC-ланок (рис. 3.9). Кожна ланка дає тимчасову затримку

36

повинна бути навантажена на опір RH , а смуга пропущення її повинна бути більше ширини спектра сигналу. Фазове зрушення, створене лінією затримки, може бути обчислене по формулі л 3600 f tз.

ФЧХ лінії затримки являє собою пряму лінію з нахилом, обумовленим часом затримки tз.

Рис. 3.8. Схема T-моста Рис. 3.9. Схема лінії затримки

3.5. Завдання та вказівки до виконання роботи

3.5.1. Вимір зрушення фаз між каналами Y1 і Х осцилографа С1-96 способом еліпса

Подайте напругу з розняття у макета ВИХ1 і ВИХ2 на входи Y1 і СИНХР 1:1 осцилографа. На осцилографі встановіть наступні положення регулювань: ВОЛЬТ/ДІЛ – 0,2; РОЗТЯЖКА х5 (кнопка висунута); натисніть кнопки ПІДСИЛ Х, АВТ. На генераторі встановіть наступні положення регулювань: МНОЖНИК ЧАСТОТИ – 103; НАПРУГА – ФІКСИР; ОСЛАБЛЕННЯ d – 20; ВНУТР. НАВАНТАЖЕННЯ 600 – у верхнім положенні. Виміри проведіть на зазначені в табл. 3.1 частотах. При цьому способі виміру потрібно точно сполучити центр еліпса із центром екрана осцилографа. По формулах (3.1) і (3.2) розрахуйте фазове зрушення YX і

похибку YX . Дані вимірів і розрахунків занесіть у табл. 3.1. Побудуйте графік залежності YX f .

37

3.5.2. Градуювання фазообертача лабораторного макета за допомогою фазометра Ф2-16

Визначте залежність фазового зрушення фвід кута повороту ручки

потенціометра лабораторного макета на частотах 12, 15, 18, 20, 25 і 30 кГц. Одночасно спостерігайте на екрані осцилографа С1-96 вихідні й зрушені по

фазі напруги. Для цього подайте на вхід фазообертача напругу близько 2 В відповідної частоти з генератора Г3-107. З'єднаєте входи 1 каналів А и В фазометра із гніздами ОПОРН і СИГНАЛ макета. Входи Y1 і Y2 осцилографа С1-96 з'єднаєте з розняттями ВИХ1 і ВИХ2 макета, перемикач роду робіт установіть в положення . На фазометрі натисніть кнопки 1800;f kHz 20–200. На осцилографі натисніть кнопку СИНХРОНІЗАЦІЯ-Y1.

Проведіть вимір фазового зрушення для всіх розподілів шкали потенціометра. Результати занесіть у табл. 3.2. Побудуйте на одному графіку

градуйовані криві фазообертача ф( ) для зазначених частот.

3.5.3. Вимір фазового зрушення Т-моста нульовим способом

Перемикач роду робіт макета встановіть в положення Т З'єднаєте розняття макета ВИХ1 і ВИХ2 із входом осцилографа СИНХР1:1 і ПІДСИЛЮВАЧ Y1. На осцилографі натисніть кнопки ПІДСИЛЮВАЧ Х, РОЗТЯЖКА х5 (кнопка висунута). Регулюванням фазообертача доможіться стягування зображення еліпса в пряму лінію. При цьому T ф. Запишіть

значення , діл. у табл. 3.3. Користуючись градуйованими кривими фазообертача, визначте фазове зрушення Т–моста на зазначених в табл. 3.3 частотах, запишіть значення T изм. Розрахуйте фазочастотну

характеристику Т-моста по формулі (3.3). Врахуйте, що С=820 пф, R=11 кОм. Результати вимірів і розрахунків занесіть у табл. 3.3. Побудуйте експериментальну й розрахункову ФЧХ Т-моста та порівняйте їх.

3.5.4. Вимір фазочастотних характеристик трьох ліній затримки за допомогою фазометра Ф2-16

Фазометр використається в режимі 0–3600. Виміру проведіть у діапазоні частот від 20 до 200 кГц. Перемикач роду робіт макета встановіть в положення ЛЗ. На фазометрі Ф2-16 натисніть кнопки 0–3600; f kHz 20–200.

Результати вимірів занесіть у табл. 3.4 і побудуйте графіки залежностейл f . За даними табл. 3.4 обчислите середній час затримки для кожної

лінії по формулі tз / 3600 f , тут – збільшення фази при зміні частоти на f . Порівняйте знайдені значення tз із зазначеними на макеті.

38

3.6. Зміст звіту

Звіт повинен містити: спрощену і повну структурні схеми фазометра Ф2-16, схему виміру фазового зрушення Т-моста й лінії затримки, таблиці й графіки по всіх пунктах роботи.

3.7. Форми таблиць, що рекомендуються.

Таблиця 3.1

39

3.8. Контрольні питання

1.Дайте визначення фазового зрушення. Для яких сигналів уводиться це поняття?

2.Як виміряти фазове зрушення по осцилограмам досліджуваних напруг за допомогою двопроменевого осцилографа? Чим визначаться похибка цього способу?

3.Як виміряти фазове зрушення способом еліпса? Чим визначається похибка цього способу?

4.Поясніть методику виміру фазового зрушення нульовим способом.

5.Як усунути похибка, викликану неідентичністю фазових характеристик Х и Y каналів осцилографа?

6.Поясніть принцип дії фазометра з перетворенням вимірюваного фазового зрушення в часовий інтервал.

7.Назвіть технічні характеристики фазометра Ф2-16.

8.За структурною схемою фазометра Ф2-16 поясніть принцип його роботи. Використайте графіки (рис. 3.6).

9.Як усувається похибка у фазометрі Ф2-16?

10.Намалюйте схему й векторну діаграму симетричного RC-фазообертача, поясніть його роботу.

11.Чи зберігається градуювання симетричного RC-фазообертача при переході на іншу частоту?

12.Як визначити по ФЧХ середній час затримки?

13.Які умови неспотвореної передачі сигналів лінією затримки? 14.Від чого залежить фазове зрушення в лінії затримки?

40