Конспект по Метрологии / Элек. изм

досліджуваний сигнал з виходу V. Для одержання зображення застосовуйте внутрішній режим синхронізації осцилографа й автоколивальний режим розгорнення - АВТ. Регулюванням коефіцієнта відхилення (В/діл.) установіть розмір осцилограми по вертикалі 5…8 поділок. Поставте коефіцієнт розгорнення 0,5 мс/діл., розтяжку розгорнення х1. Обертаючи ручку РІВЕНЬ і тим самим регулюючи поріг спрацьовування пристрою синхронізації, доможіться нерухомого зображення модульованого сигналу.

Визначення коефіцієнта модуляції здійснюють, вимірюючи на екрані

максимальний Аmax і мінімальний Аmin розміри зображення по вертикалі. Коефіцієнт модуляції розраховується по формулі

Проведіть вимір коефіцієнта модуляції для дискретних значень m у

діапазоні 10-90% із кроком 10%. Розрахуйте похибку установки коефіцієнта

модуляції. Результати вимірів і розрахунків занесіть у таблицю за формою

5.3.

5.3.3. Вимір параметрів генератора прямокутних імпульсів Г5-54

5.3.3.1. Візуальний контроль форми вихідних імпульсів

Установіть на генераторі Г5-54 режим внутрішнього запуску, частоту повторення - 10 кГц, тривалість імпульсів - 1 мкс, вихідна напруга – 5В (50В

х 0.1). Підключите вхід каналу Y осцилографа до виходу 1:1 генератора .

Установіть осцилограф у режим розгорнення, що чекає, із зовнішньою синхронізацією від генератора імпульсів. Для цього з'єднайте вихід

синхроімпульсів генератора Г5-54 із входом зовнішньої синхронізації

осцилографа. Поставте коефіцієнт розгорнення 20 мкс/діл., розтяжка х1, коефіцієнт відхилення - 1 В/діл. Перемикач вхідного пристрою поставте в положення відкритого входу . Ручкою РІВЕНЬ доможіться стійкого зображення імпульсів генератора. При необхідності відрегулюйте амплітуду синхроімпульсів.

Установіть затримку генератора таким чином, щоб імпульс був би

видний ліворуч (на початку лінії розгорнення). Потім розтягніть зображення

імпульсу (зменшенням коефіцієнта розгорнення) так, щоб він займав би порядку 80% ширини екрана. Замалюйте форму імпульсу. Оцініть амплітуду й тривалість імпульсу, підрахувавши кількість поділок шкали, що

укладається у вимірювані параметри та помноживши на відповідний масштабний коефіцієнт. Для амплітуди - це коефіцієнт відхилення,

зазначений на шкалі атенюатора каналу Y, для тривалості - коефіцієнт

розгорнення, нанесений на шкалу перемикача блоку розверстки каналу Х. Простежте, щоб при цьому плавні регулятори коефіцієнтів відхилення й розгорнення перебували б у крайнім правому положенні.

61

Лабораторна робота № 6

Вимір амплітудно-частотних характеристик за допомогою генератора й вольтметра

Мета роботи вивчення основних методів дослідження амплітудночастотних характеристик ланцюгів і пристроїв, вимір характеристик і параметрів смугових фільтрів і коливального контуру.

6.1. Амплітудно-частотна характеристика й способи її виміру

K 2 1.

Амплітудно-частотною характеристикою (АЧХ) лінійного ланцюга називають модуль її комплексної частотної характеристики. Для чотириполюсного пристрою – це модуль коефіцієнта передачі. З визначення

треба найбільш простий метод виміру АЧХ: зняття залежності відношення

амплітуд вихідної й вхідної напруг гармонійного сигналу в окремих

частотних точках (“по точках”) з наступною інтерполяцією.

На практиці звичайно знімають залежність напруги на виході досліджуваного пристрою від частоти при постійній амплітуді гармонійної

напруги на вході.

Описаний метод виміру АЧХ –“по точках” – заснований на

використанні перелаштовуємого генератора гармонійних коливань і

вольтметра. Структурна схема вимірювальної установки представлена на рис. 6, а.

64

Генератор послідовно налаштовують на ряд обраних частот, а напругу на виході досліджуваного пристрою вимірюють вольтметром. При цьому

амплітуду напруги генератора підтримують постійною. Залежність UВИХ(f),

побудована за результатами вимірів, являє собою АЧХ досліджуваного ланцюга (рис. 6.1, б).

Даний спосіб забезпечує досить високу точність вимірів. Основними джерелами похибок є:

1.Похибка установки частоти генератора;

2.Похибка установки амплітуди напруги на виході генератора і його нестабільність у процесі виміру АЧХ;

3.Похибка вольтметра, що вимірює напругу на виході ланцюга;

4.Перекручування АЧХ, пов'язані із впливом вихідного опору генератора й вхідний імпеданс вольтметра на параметри досліджуваного ланцюга;

5.Похибка інтерполяції АЧХ між обмірюваними точками.

Внесок перших трьох джерел у загальну похибка вимірів може бути зменшений використанням приладів більше високого класу точності. Вплив генератора знижують вибором способу підключення до вимірюваного ланцюга. Вольтметр варто вибирати з більшим вхідним опором і мінімальною вхідною ємністю.

а)

U1вих.1

1

Ui

U(f) 0.5

б)

Рис. 6.1. Вимір АЧХ по точках:

а) структурна схема вимірювальної установки; б) графік АЧХ досліджуваного ланцюга

65

Основний недолік описаного способу виміру – його трудомісткість і тривалість. Крім того, при заздалегідь невідомому виді АЧХ довільний вибір

вимірюваних частотних точок може привести до пропуску її характерних рис

(в областях різкої зміни кривої АЧХ). При тривалих вимірах позначається вплив температури, дрейфу живлячих напруг на досліджуваний пристрій.

6.2. Частотні параметри смугових фільтрів

Найчастіше об'єктом виміру АЧХ є частотно-виборчі ланцюги й пристрої, зокрема фільтри. Визначимо їхні частотні параметри на прикладі смугових фільтрів (СФ), які підрозділяються на смугасто-пропускні й

смугасто-затримуючі. У даній роботі досліджуються смугасто-пропускні фільтри.

На рис. 6.2 представлені типові частотні характеристики смугових фільтрів: АЧХ (а) і загасання (б). Основними частотними параметрами реального ПФ є:

1) Коефіцієнт передачі по напрузі K(f)=UВИХ/UВХ.

Рис. 6.2. Частотні характеристики смугових фільтрів: а) АЧХ ідеального (1) і реального (2) СФ; б) частотна характеристика загасання фільтра.

2) Коефіцієнт загасання D(f) = 1/K(f) і мінімальний коефіцієнт загасання D0= 1/K0. Звичайно при дослідженні фільтрів будують залежність

66

d(f) = K0/K(f), що представляє собою “перевернену” АЧХ (рис. 6.2, б). Виражене в децибелах значення d 20lg d називають загасанням передачі, а

його залежність від частоти частотною характеристикою загасання фільтра.

Частоту, на якій D=D0, називають частотою мінімального загасання.

3) Смуга пропущення f смуга частот, у якій загасання передачі не перевищує заданого значення. Ширину смуги пропущення, обмірювану за рівнем 3 дБ (K(f)/K0 = 0,707), позначають f0. Нижня й верхня частоти зрізу

фільтра fН і fВ відповідають границям смуги пропущення.

4) Коефіцієнт прямокутності відношення ширини смуги пропущення, обмірюваної по одному заданому рівні d1, до ширини смуги пропущення, обмірюваної по іншому рівні d2. Звичайно рівні d1 і d2 приймаються рівними 20 і 3 дБ, що відповідає значенням K(f)/K0, рівним 0,1 і 0,707 відповідно. Тоді коефіцієнт прямокутності

Коефіцієнт прямокутності показує ступінь наближення АЧХ реального фільтра до АЧХ ідеального.

5) Крутість зсувів АЧХ за межами смуги пропущення SАЧХ= d[d(f)]/df . Цей

параметр дозволяє оцінити ступінь придушення сигналу, що заважає,

залежно від його далекості по частоті від границь смуги пропущення фільтра

у випадках, коли закон убування АЧХ від розлаштування є монотонним. На практиці вимірюють усереднене значення SАЧХ = d(f)/ f , обчислене як модуль відношення різниці деяких обраних значень загасання d1 і d2

(наприклад, 10 і 20 дБ) до різниці відповідних їм частот [f(d1) f(d2)] і

виражене в дБ/кГц:

Зручніше користуватися значеннями SАЧХ СР, вираженими в дБ/окт або в дБ/дек. Октавою (або декадою) називають частотний інтервал, що відповідає дворазовому (або десятикратному) частотному розлаштуванню fd = f(d) f0, де f0 частота мінімального загасання фільтра; f(d) частота, що відповідає обраному загасанню d. Тоді:

Прикладом смугового фільтра є одиночний коливальний контур. Його АЧХ істотно відрізняється від АЧХ ідеального СФ, однак через свою простоту коливальний контур широко застосовується як частотно-виборчий ланцюг.

67

6.3. Завдання й вказівки до виконання роботи

6.3.1. Вимір амплітудно-частотних характеристик смугових фільтрів СФ 1 і СФ 2

Для вимірів використовується вимірювальний генератор низьких частот Г3-118 з дискретною установкою частоти, що дозволяє одержати винятково малу її похибка, і аналоговий електронний вольтметр В3-38.

З'єднайте розняття ВХІД макета з розняттям ВИХІД генератора. До розняття ВИХІД макета підключіть вольтметр. Включіть живлення приладів і макета.

Поставте перемикач макета в положення 1 (Безпосередня сполука), тоді вольтметр буде показувати вихідну напругу генератора. Ручкою РЕГ. ВИХОДУ встановіть його рівним 0,5 В.

Зніміть частотну характеристику фільтра СФ 1 (перемикач макета в положенні 3). Рекомендується наступна методика виміру. Спочатку необхідно визначити діапазон виміру АЧХ. Перебудовуючи генератор з дискретом 1000 Гц (потім з дискретом 100 Гц) у діапазоні від 100 до 5000 Гц і контролюючи вихідну напругу фільтра, знайдіть максимум АЧХ.

Перелаштовуючи генератор в обидва боки від максимуму, визначте частоти, на яких напруга зменшується приблизно в 20 разів. Ці частоти відповідають діапазону виміру АЧХ смугового фільтра. Далі виберіть у межах діапазону 15...20 частотних точок. Крапки розташовуйте частіше на ділянках різкої зміни АЧХ (на схилах АЧХ). Результати виміру зведіть у таблицю. Побудуйте графік АЧХ по формулі (6.1), використовуючи лінійні масштаби частоти й рівня.

Проведіть аналогічним образом вимір АЧХ фільтра СФ 2 (положення 4 перемикача макета). Його частотна характеристика розташована в області частот, близьких до нульового, тому графік у лінійному масштабі виходить стислим і малоінформативним. Використайте для побудови графіка АЧХ СФ 2 логарифмічний масштаб частот (див. додаток 2). Звичайно його застосовують із метою одержання наочного й компактного графіка у випадках коли величина, що відкладає по осі, змінюється у великому діапазоні значень.

Для використання логарифмічної шкали частот позначте вісь абсцис (f, Гц). Потім нанесіть на неї з рівномірним кроком відмітки, що відповідають десятковому логарифму частоти, вираженої в герцах. Однак оцифровку осі частот зробіть, використовуючи самі значення частот (у нашому випадку 10, 100, 1000, 10000 Гц).

Далі в інтервалі 10 ... 100 Гц нанесіть на осі відмітки частот 20, 30, 40, ..., 90 Гц, розташовуючи відмітки за законом мантиси їхнього десяткового логарифма. Аналогічно розмітьте інтервали частот 100 ... 1000 Гц і 1000 ...

10000 Гц. Масштаб по осі X вийшов лінійним щодо порядку частоти.

68

Очевидно, точка нульової частоти на осі X при цьому відсутня, тому звичайно графік починають із нижчої частоти діапазону виміру (у нашому випадку з 10 Гц).

Побудувавши графік, зверніть увагу на те, що він виявився розтягнутим

унизькочастотній області, тому спостерігаємий там схил АЧХ добре видний.

6.3.2.Вимір частот зрізу й коефіцієнта прямокутності

фільтрів СФ 1 і СФ 2

Частоти зрізу фільтрів можна визначити після виміру повної АЧХ по графіках. Однак для більшої точності, а також у випадку, коли форма АЧХ заздалегідь відома й не представляє інтересу, ці параметри вимірюють окремо.

Для визначення частот зрізу fН і fВ першого смугового фільтра настройте генератор на частоту мінімального загасання (максимум АЧХ). Установіть вихідну напругу генератора UГ0 = 50 мВ і запишіть значення напруги на виході фільтра U0.

У положенні 1 перемикача макета (безпосереднє сполучення) збільште напругу генератора в 1,41 рази UГ = 1,4UГ0 = 70,7 мВ). Перемкнувши вольтметр на вихід досліджуваного ланцюга й зменшуючи частоту генератора, доможіться, щоб вихідна напруга фільтра рівнялося знову U0. Запишіть значення частоти генератора з точністю 10 Гц; вона є нижньою частотою зрізу фільтра. Аналогічним образом (підвищуючи частоту генератора) знайдіть верхню частоту зрізу. Розрахуйте смугу пропущення фільтра СФ 1 за рівнем 0,707 як різниця знайдених частот зрізу.

Смуга пропущення фільтра за рівнем 0,1 знаходиться аналогічно. Для установки рівня виміру зручно використати атенюатор генератора: установіть вихідну напругу генератора UГ0 = 50 мВ при ослабленні атенюатора 40 дБ. При перебудові частоти нагору й униз установіть ослаблення 20 дб, що відповідає збільшенню напруги в 10 разів.

Розрахуйте смугу пропущення фільтра СФ 1 за рівнем 0,1 і коефіцієнт прямокутності по формулі (6.2).

Визначте усереднену крутість схилу по рівнях 6 і 20 дБ ліворуч і праворуч по формулах (6.3) ( (6.5).

Всі виміри й розрахунки повторіть для фільтра СФ 2.

6.3.3. Вимір АЧХ коливального контуру

Поставте перемикач макета в положення 2. Вихідна напруга генератора 0,5 В. Змінюючи частоту генератора спочатку з дискретом 100 Гц у діапазоні від 100 до 900 Гц, потім з дискретом 10 Гц і 1 Гц, визначте резонансну частоту f0 коливального контуру по максимуму показань вольтметра. Запишіть її значення.

69

Виміряйте АЧХ контуру. Для підвищення точності використайте наступну методику. Відрегулюйте напругу генератора так, щоб вольтметр показував 100 мВ. Потім зменшуйте частоту генератора й послідовно визначте частоти, на яких вольтметр покаже 90, 80, 70,..., 20, 10 мВ. Аналогічним образом проведіть виміри при збільшенні частоти генератора нагору від резонансної. Запишіть результати вимірів у таблицю, за отриманим даними побудуйте графік АЧХ коливального контуру.

За графіком визначте смугу пропущення f0 контуру, розрахуйте його добротність Q = f0/ f0 і коефіцієнт прямокутності по формулі (6.2), а також

крутість схилу по рівнях 6 і 20 дБ ліворуч і праворуч по формулах (6.3) (6.5).

6.4. Зміст звіту

Звіт повинен містити структурну схему вимірювальної установки, таблиці з результатами вимірів, графіки обмірюваних АЧХ, розрахункові дані, а також короткі висновки по кожному пункту роботи.

6.5.Контрольні питання

1.Дайте визначення АЧХ лінійного ланцюга або пристрою. Чи можна застосувати це визначення до нелінійних і параметричних ланцюгів?

2.Поясните спосіб виміру АЧХ “по точках”, його достоїнства й недоліки. Чим обмежена точність даного методу?

3.Назвіть основні похибки виміру АЧХ із використанням генератора й вольтметра й способи збільшення точності.

4.Дайте визначення основних частотних параметрів смугових фільтрів.

5.Укажіть способи виміру смуги пропущення й коефіцієнта прямокутності смугового фільтра, не потребуючого повного виміру його АЧХ.

6.Як розрахувати добротність коливального контуру по обмірюваній АЧХ?

7.Покажіть, що коефіцієнт прямокутності коливального контуру не залежить від його добротності. Використайте вираження для узагальненої частотної характеристики резонансного контуру.

70