Конспект по Метрологии / Элек. изм
.pdf
Таблиця 4.12
|
|
i |
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
30 |
|||||
|
|
Сi, кОм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
1= |
% |
2= % |
|
|||||||
C |
|
C |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблиця 4.13 |
|||
|
Частота |
|
С |
|
|
Посл/ |
|
Межа |
|
|
D |
|
С |
|
C |
D |
|
R/G |
||||
|
|
|
|
|
|
|
парал |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 кгц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100 Гц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблиця 4.14 |
|||
Частота |
L |
|
|
Посл/ |
Межа |
D |
L |
L |
|
R |
|
Q |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
парал |
|
|
|
|
D |
|
|
|
|
Q |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
1 кгц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100Гц
4.7.Контрольні питання
1.Перелічіть імітансні параметри компонентів ланцюгів і приведіть
відповідні еквівалентні схеми.
2.Поясніть призначення елементів структурної схеми вимірника імітансу
Е7-15.
3.Поясніть принцип роботи вимірника імітансу Е7-15.
4.Якими параметрами оцінюють розкид значень при вимірі великої партії однотипних елементів? Поясніть зміст і спосіб визначення цих параметрів.
5.Як визначаються похибки виміру ємності конденсатора й фактора втрат?
6.Як визначаються похибки виміру індуктивності котушки і її добротності?
7.Як формуються й виміряються квадратурні компоненти напруг?
8.Яку роль виконує фільтр нижніх частот?
9.У чому складається різниця при вимірі параметрів високоомних і низькоомних об'єктів?
10.Які функції виконує блок управління?
51
Лабораторна робота № 5
Перевірка вимірювальних генераторів
Мета роботи – вивчення устрою й методів управління вимірювальними генераторами сигналів. Досліджуються генератори гармонійних сигналів - низькочастотний (НЧ), високочастотний (ВЧ) і генератор імпульсів прямокутної форми. Вивчаються структурні схеми й призначення органів управління генераторів, методики контролю їхніх параметрів (перевірки).
До складу лабораторної установки входять досліджувані генератори:
Г3-112 (НЧ), Г4-102 (ВЧ), Г5-54 (генератор імпульсів). При перевірці використовують зразкові прилади: частотомір Ч3-64, двопроменевий осцилограф С1-96, універсальний цифровий вольтметр В7-27. Для узгодження опорів генератора й вимірювальних приладів застосовується виносне навантаження зі стандартним активним опором.
5.1. Принципи побудови вимірювальних генераторів
Вимірювальні генератори – джерела зразкових (тестових) сигналів. Вони відрізняються можливістю установки форми й параметрів вихідних сигналів із заданою точністю (нормованими метрологічними характеристиками). По виду вироблюваного сигналу вимірювальні генератори ділять на наступні групи:
1.Низькочастотні генератори сигналів (група Г3) - джерела гармонійних
(синусоїдальних) коливань низьких частот (від одиниць герців до 300 кГц);
2.Високочастотні генератори сигналів (група Г4) - прилади, що виробляють гармонійні модульовані й немодульовані коливання високих і надвисоких частот (від 0,1 Мгц до десятків ГГц);
3.Генератори імпульсів (група Г5) - джерела одиночних або періодичних відеоімпульсів, звичайно прямокутної форми.
4.Генератори сигналів спеціальної форми і генератори шумових сигналів (група Г6). Це генератори інфранизьких частот, генератори дзвоноподібних імпульсів, генератори сигналів випадкової форми з
нормованими статистичними параметрами.
Вимірювальні генератори гармонійних сигналів (НЧ і ВЧ)
перекривають діапазон частот від одиниць герців до десятків гігагерц. У
генераторах ВЧ передбачають можливість амплітудної (АМ), а в ряді
приладів - і частотної (ЧМ) модуляцій.
Задавальні генератори (автогенератори) гармонійних коливань містять
j передачі йП
пасивний чотириполюсник зворотного зв'язку з коефіцієнтом передачі
52
Kзз j (рис. 5.1). При |
їхній послідовній сполуці коефіцієнт передачі |
|||||
розімкнутої системи дорівнює Kр j Kп j Kзз j . |
||||||
В розімкнутій системі |
|
Uвих |
|
Uзз |
|
|
Kп |
j |
, а Kзз j |
, |
|||
|
|
|||||
|
|
Uвх |
Uвих |
|||
де Uвх, Uвих и Uзз - комплексні амплітуди в різних точках схеми (рис. 5.1, а. При замиканні ланцюга зворотного зв'язку на вхід активного чотириполюсника подається напруга Uзз Uвх , тоді Kп j 1/ Kзз j .
Таким чином, у сталому режимі на частоті генерації ωг в автогенераторі повинна виконуватись умова
|
|
|
Kп j г |
Kп j г 1. |
(5.1) |
|||||
Uвх |
|
Uвих |
|
Uос |
Uвх |
|
|
Uвих |
||
|
Kп(jω) |
|
Kзз(jω) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Kп(jω) |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Kр j Kп j Kзз j
Uзз Kзз(jω)
а) |
б) |
Рис. 5.1. Структура із двох чотириполюсників : а- у розімкнутому виді та б- із замкнутим ланцюгом зворотного зв'язку
ОскількиK |
п |
j K |
п |
exp j |
|
, а K |
зз |
j K |
зз |
exp j |
зз |
, |
|
|
|
|
п |
|
|
|
|
|
|||||
то з (5.1) виходе, що в стаціонарному режимі в автогенераторі одночасно виконуються умови балансу амплітуд для модулів коефіцієнтів передачі й балансу фаз для фаз коефіцієнтів передачі:
Kп г Kп г 1,
п г зз г 2 .
Узагальнені структурні схеми генераторів гармонійних сигналів НЧ і ВЧ
представлені відповідно на рис. 5.2 і 5.3.
Задаючий генератор визначає форму й частоту вихідного сигналу. У НЧ генераторах цей блок будують за схемою RC - генератора із плавною й
дискретною перебудовою по частоті. У генераторах ВЧ використовують LC -
генератори з катушками індуктивності, що перемикаються та плавною
перебудовою конденсатором. Для одержання модульованих по частоті сигналів керуючу напругу подають на задавальний генератор.
53
Задавальний |
|
Підсилювач |
|
Атенюатор |
|
Узгоджувальний |
генератор |
|
потужності |
|
|
трансформатор |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Електронний
вольтметр
Рис. 5.2. Узагальнена структурна схема генератора НЧ
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвих |
|
|
Задавальний |
|
|
Підсилювач |
|
Атенюатор |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
генератор |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ЧМ |
|
Uмод |
|
|
|
|
|
|
||
Зовнішня |
|
АМ |
|
|
|
|
|
|
|
||
Модулятор |
|
|
|
Вимірюватель |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
модуляція |
|
|
|
|
|
|
|
параметров |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 5.3. Узагальнена структурна схема генератора ВЧ
Підсилювач призначений для збільшення амплітуди сигналу до
опорного рівня, по якому калібрують вихідний атенюатор. У підсилювачі
часто передбачають плавне регулювання опорного рівня. Для одержання амплітудної модуляції у ВЧ генераторах використовують керування
коефіцієнтом передачі підсилювача напругою Uмод .
Пристрій контролю параметрів являє собою електронний вольтметр, що забезпечує паспортну точність установки опорного рівня і його вимір при плавному регулюванні. Для генераторів ВЧ передбачають також вимірник
параметрів модуляції. У деяких генераторах опорний рівень фіксований і
підтримується з необхідною точністю системою автоматичного регулювання, тому блок контролю параметрів не передбачають.
Атенюатор призначений для дискретного регулювання рівня вихідного
сигналу. У генераторах НЧ на виході передбачають погоджувальний трансформатор для одержання стандартних значень вихідного опору
(наприклад, 5, 50, 600 Ом). За допомогою трансформатора реалізують симетричний вихід щодо земляної шини. Атенюатор разом із погоджувальним трансформатором утворюють вихідний пристрій генератора
54
НЧ. Генератори ВЧ звичайно мають одне постійне значення вихідного опору
(50 або 75 Ом).
До основних експлуатаційних параметрів генераторів гармонійних
сигналів відносять діапазон перебудови по частоті й межі регулювання середньоквадратичного значення вихідної напруги, а також діапазон установки параметрів модуляції.
Метрологічними параметрами є межі допустимих похибок: установки частоти, рівня сигналу й параметрів модуляції. Похибка установки частоти визначається неточністю градуювання, тимчасовою нестабільністю задавального генератора дискретністю шкали й конструкцією відлікового пристрою. Похибка установки вихідної напруги визначається точністю контролю опорного рівня й похибкою градуювання атенюатора. Паспортна точність гарантується тільки при роботі генератора на активне навантаження, опір якого дорівнює вихідному опору Rвих . При роботі з неузгодженим
навантаженням R |
R |
з'являється |
систематична похибка установки |
||
н |
вих |
|
|
|
|
вихідної напруги, рівна |
U R R . |
||||
|
|
||||
|
|
|
Rн Rвих |
|
|
|
|
|
н |
вих |
|
З формули виходе, що при підключенні до генератора високоомного навантаження (вольтметра, осцилографа) вихідна напруга буде в 2 рази вище
очікуваного значення. Для узгодження виходу НЧ–генератора в такому
випадку передбачають підключення внутрішнього навантажувального
резистора Rвн Rвих .
Неідеальність форми синусоїдального сигналу на виході вимірювального генератора проявляється в наявності вищих гармонійних складових. Припустимий їхній рівень нормується коефіцієнтом гармонік (НЧ-генератори) або відносним рівнем побічних складових.
Генератори імпульсів загального застосування призначені, як правило, для одержання відеоімпульсів прямокутної форми. Вони використовуються при дослідженні імпульсних і цифрових пристроїв, вимірі перехідних
характеристик та ін. Структурна схема типового імпульсного генератора
наведена на рис. 5.4.
Частота повторення імпульсів генератора визначається внутрішнім
задавальним генератором періодичної послідовності імпульсів. Частота повторення імпульсів калібрована й установлюється за допомогою дискретного й плавного регуляторів. Передбачено вивід синхроімпульсів, що
збігаються за часом з імпульсами задавального генератора. Їх
використовують для синхронізації та запуску зовнішніх пристроїв (осцилографа, частотоміра та ін.). Передбачений також запуск імпульсного генератора від зовнішнього джерела сигналів довільної форми, а також разовий запуск при натисканні кнопки.
55
|
|
Задавальний |
|
|
|
Лінія |
|
|
Формувач |
|
Підсилювач |
|
|
|
|||||
|
|
генератор |
|
затримки |
|
|
імпульсів |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвих |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Зовнішній |
Пристрій |
|
|
|
|
|
|
Вимірювач |
Атенюатор |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
запуск |
синхронізації |
|
|
|
|
|
|
параметрів |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Синхроімпульси
Рис. 5.4. Узагальнена структурна схема імпульсного генератора
Блок затримки генератора забезпечує регульоване й каліброване часове
зрушення основних імпульсів щодо синхроімпульсів. Цей блок зручно використати разом з осцилографом, що працює в режимі зовнішньої
синхронізації. Регулюванням затримки можна переміщати імпульс по екрану, забезпечуючи зручний вид осцилограм. Калібрована затримка дозволяє вимірювати тимчасові інтервали методом заміщення.
До експлуатаційних параметрів імпульсного генератора відносять
діапазон регулювання частоти повторення, тривалості й амплітуди імпульсів, часу їхньої затримки. Метрологічними параметрами є межі допустимих похибок установки цих параметрів і точність відтворення форми імпульсу. У більшості випадків потрібна прямокутна форма імпульсу. Осцилограма реального вихідного імпульсу вимірювального генератора представлена на рис. 5.5.
Параметри імпульсу характеризують ступінь близькості його форми до
ідеальної прямокутної. Амплітуду імпульсу Um відраховують по усередненій вершині (без обліку викиду ), тривалість імпульсу визначають за рівнем
0,5Um . Тривалості фронту ф й зрізу српоказують якість відтворення форми імпульсу. Ці параметри відраховують по рівнях 0,1Um і 0,9Um .
Прийнято вважати імпульс прямокутним, якщо ф, ср 0,3 .
Процедура контролю параметрів вимірювальних генераторів і, у ряді випадків, їхнього коректування називається перевіркою. Результатом перевірки є атестація приладу на відповідність його паспортному класу точності. Похибка вимірювальних апаратур, яка використовується при
перевірці, не повинна перевищувати 0,1 . . . 0,3 від припустимої похибки
контрольованого параметра.
56
Um 
0.9U
|
|
|
|
|
0.5U |
|
|
||
|
|
|
|
|
0.1U
0
ф |
ср |
Рис. 5.5. Параметри форми реального прямокутного імпульсу
5.2. Основні технічні характеристики досліджуваних генераторів
Генератор сигналів низькочастотний Г3-112. Являє собою джерело
гармонійного немодульованого НЧ-сигналу. Генератор має наступні параметри:
Діапазон частот – 10 Гц 10 МГц (6 поддіапазонів). Основна похибка установки частоти (f, Гц) не гірше (2 + 30/f )%, короткочасна нестабільність частоти після годинного прогріву не перевищує 4 10-4 (за 15 хв).
Довгострокова нестабільність (за 3 години) - 50 10-4. Коефіцієнт гармонік (0,3% (у поддіапазоні 1-10 Мгц ( 4%).
Опорний рівень плавно регулюється в межах 0…5 В. Дискретну зміну вихідного сигналу проводять атенюатором у межах 0…-70 дб. Похибка установки напруги на погодженому навантаженні не гірше (1,5%.
Номінальне значення вихідного опору 50 5 Ом.
Генератор складається з задавального генератора, підсилювача й
атенюатора згідно рис. 5.2. У якості задавального використаний RC-
генератор з автоматичною стабілізацією амплітуди вихідного сигналу. Підсилювач дозволяє збільшити сигнал до опорного рівня й задає
стандартний вихідний опір 50 Ом. Контроль опорного рівня в даному генераторі не передбачений: для установки його значення використовують попереднє калібрування нульового положення атенюатора.
57
Генератор сигналів високочастотний Г4-102. Структурна схема генератора відповідає рис. 5.3. Діапазон робочих частот приладу (0,1 50 МГц) розбитий на 8 поддіапазонів. Відносна похибка установки частоти 1%, нестабільність частоти (250 10-6f + 50) Гц. Коефіцієнт гармонік 5%.
Межі регулювання вихідної напруги 0,5 5 105 мкВ на навантаженні
50 Ом. Похибка установки не гірше 1 дб. Передбачено можливість амплітудної модуляції від внутрішнього генератора гармонійного сигналу із частотою 1000 Гц і зовнішньої модуляції із частотою 50…5000 Гц.
Коефіцієнт модуляції встановлюється в межах 0…90% щаблями по 10%.
Похибка установки коефіцієнта АМ не гірше 10%.
У генераторі передбачений стрілочний вольтметр - для контролю опорного рівня 0,5 В на вході атенюатора й установки рівня моделюючої напруги (відмітка "К" на шкалі приладу). Для контролю частоти використовують некалібрований вихід IV, до якого підключають зовнішній електронно-лічильний частотомір.
Генератор імпульсів Г5-54. Структурна схема генератора відповідає рис. 5.4. Прилад виробляє відеоімпульси прямокутної форми різної
полярності. |
Діапазон |
регулювання |
тривалості |
0,1 1000 |
мкс |
(8 поддіапазонів). Похибка установки |
тривалості |
не перевищує |
|||
(0,1 +0,03) мкс, нестабільність за одну годину не перевищує (3 10-3 +0,003) мкс.
Максимальна |
амплітуда |
основних |
імпульсів |
Um на погодженому |
навантаженні |
500 Ом не |
менш 50 |
В; амплітуда |
регулюється плавно й |
дискретно. Похибка установки (0,1Um + К)В, де К – коефіцієнт передачі східчастого вихідного атенюатора. Вихідний опір генератора 500 Ом.
Діапазон частот проходження імпульсів при внутрішньому запуску – 10 Гц…100 кГц. Похибка установки не гірше 10%. Передбачено режими зовнішнього й разового запуску.
Тривалості фронту й зрізу основних імпульсів на погодженому навантаженні не перевищує відповідно 50 і 100 нс. Викид імпульсу не більше 5%, нерівномірність вершини імпульсу 5%.
Затримка основних імпульсів щодо синхроімпульсів t регулюється в межах 0,1 1000 мкс і встановлюється з похибкою не гірше
(0,1 t+0,03) мкс.
5.3.Завдання й вказівки до виконання роботи
Упроцесі лабораторного заняття виконується перевірка двох вимірювальних генераторів - високочастотного або низькочастотного (за вказівкою викладача) і імпульсного генератора.
58
5.3.1. Вимір метрологічних параметрів низькочастотного генератора сигналів Г3-112
5.3.1.1. Вимір похибки установки частоти генератора
Для виконання цього пункту використовується електронно-лічильний
частотомір (ЕЛЧ) Ч3-64. Сигнал з генератора через сполучний кабель і погоджувальне навантаження 50 Ом подайте на вхід А частотоміра.
Перемикач виду сигналу генератора Г3-112 поставте в положення , ослаблення -20 дБ. Ручку плавного регулювання вихідного сигналу встановіть в крайнє праве положення, що відповідає максимальному значенню опорного рівня.
Установіть на частотомірі режим виміру частоти, час рахунку 0.1 секунди. Для цього натисніть кнопки FA і цифрову клавішу 5 (що відповідає часу лічіння 105 мкс=0.1c). Поставте перемикачі входу А в положення
закритого входу , *10, полярність запуску позитивна ( ), вхідний опір
1 МОм.
Налаштуйте формуючий пристрій входу А, для чого ручкою РІВЕНЬ доможіться приблизно однакового світіння світлодіодів, розташованих біля ручки. При правильному настроюванні на індикаторі ЕЛЧ періодично буде висвітлюватися обмірюване значення частоти.
Зробіть перевірку точності установки частоти генератора в трьох точках кожного поддіапазону, що відповідають оцінкам шкали 10, 50, 100. У кожній точці виміру проведіть двічі: при підході до відмітки ліворуч і праворуч.
Відносне відхилення частоти дорівнює
f f fоб 100%,
fоб
де f – оцінка по шкалі генератора, fоб – обмірюване значення частоти. За
похибку установки приймають максимальне із двох обчислених значень.
Результати перевірки занесіть у таблицю за формою 5.1.
5.3.1.2. Вимір похибки установки ослаблення вихідного атенюатора генератора Г3-112
Виміри роблять за допомогою цифрового вольтметра В7-27, що
підключається до генератора через погоджувальне навантаження 50 Ом. Поставте вольтметр у режим виміру змінного струму (перемикач меж у
положенні IV).
Встановіть частоту генератора 100 кГц, ослаблення 0 дБ. Плавним регулюванням вихідної напруги генератора доможіться показань 1 В.
Послідовно перемикаючи ослаблення атенюатора в межах 0 -70 дБ, виміряйте вихідну напругу. При цьому вибирайте межу вольтметра так, щоб забезпечити максимальну точність. Обмірюване ослаблення розрахуйте по
59
формулі А=20 lg(UВИХ/1B), дБ. Результати вимірів занесіть у таблицю за формою 5.2.
5.3.2. Перевірка високочастотного генератора Г4-102
5.3.2.1. Вимір похибки установки частоти генератора
Вимір частоти проводите в режимі безперервної генерації, для чого встановіть перемикач АМ у положення ЗОВН., перемикач ГЛИБИНА МОД, % у положення 0%. Частотомір підключіть до розняттяу 1V (некалібрований вихід сигналу несучої частоти - він повинен бути включений тумблером 1V).
Проведіть перевірку генератора за методикою п. 5.3.1.1 на трьох високочастотних діапазонах: 6-й діапазон - частоти 5, 7, 10 Мгц, 7-й діапазон
- частоти 12, 15, 20 Мгц, 8-й діапазон - частоти 22, 35, 50 Мгц. Розрахуйте похибку установки частоти. Результати вимірів занесіть у таблицю за
формою 5.1.
5.3.2.2.Вимір похибки установки вихідної напруги на каліброваному виході генератора Г4-102
Підключіть цифровий вольтметр В7-27 через погоджувальне навантаження 50 Ом до основного виходу генератора (на розняття (V). На
генераторі встановіть частоту 1 Мгц, вихід (V - включений, режим модуляції
- ЗОВН.
Виміряйте вихідну напругу генератора в інтервалі 100 мкВ…100 мВ у
точках 100 мкВ, 1 мВ, 10 мВ і 100 мВ відповідно всім дискретним
положенням регулятора виходу генератора Г4-102. Межу вимірів вольтметра вибирайте з міркувань максимальної точності (число значущих цифр на табло повинне бути максимальним).
Розрахуйте похибку установки напруги. Результати вимірів і
розрахунків зведіть у таблицю за формою 5.1.
5.3.2.3.Вимір похибки установки коефіцієнта амплітудної модуляції генератора Г4-102
У дійсній роботі дослідження режиму АМ проводиться при зовнішній модуляції. Подайте сигнал модуляції частотою 1 кГц із НЧ генератора Г3-112
на вхід АМ. Установіть рівень цього сигналу так, щоб на контрольному
індикаторі генератора Г4-102 стрілка показувала на відмітку К. Точне регулювання здійснюйте ручкою ГЛИБИНА МОД, %. Установіть на
генераторі рівень вихідної напруги 0,1 В (1 105 мкВ), коефіцієнт модуляції
90%.
Вимір коефіцієнта модуляції проведіть осцилографічним способом. Використайте осцилограф С1-96, на один з каналів якого подайте
60