дифф. зачет эл. измерения, Яхновец

1. Виды измерений. По способу получения информации: прямые измерения (измеряемая величина определяется непосредственно из показаний измерительного прибора), косвенные измерения (величина определяется путем вычислений на основании результатов прямых измерений). По характеру измеряемой величины: абсолютные измерения (определяются абсолютные значения физических величин), относительные измерения (измеряются отношения одной величины к другой). По времени проведения: непрерывные измерения (величина измеряется постоянно в течение какого-то периода времени), дискретные измерения (величина измеряется в отдельные моменты времени). По точности: грубые измерения (используются для приблизительной оценки величины), точные измерения (обеспечивают высокую точность результатов).

2. Методы измерений - совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Методы измерений бывают: сравнительный метод (сравнение измеряемой величины с известной величиной), дифференциальный метод (измерение разности между измеряемой величиной и величиной, имеющей известное значение), метод замещения (измеряемую величину заменяют известной величиной до достижения равновесия в измерительной системе), метод противопоставления (измерение разности двух близких по значению величин), метод нулевого показания (точное равновесие в измерительной системе при отсутствии измеряемой величины), интегральный метод (измерение суммарного эффекта, вызванного действием измеряемой величины в течение времени).

3. Средства измерений – это технические устройства, предназначенные для измерения физических величин. Они включают: измерительные приборы (устройства, непосредственно указывающие измеряемое значение), измерительные установки (комплексы приборов, предназначенные для проведения измерений в определенных условиях), эталоны (средства измерений, воспроизводящие и/или сохраняющие единицы физических величин с целью передачи их размера другим средствам измерений).

4. Погрешности средств измерений: систематические погрешности (постоянные или изменяющиеся по определенному закону ошибки. Могут быть учтены и исправлены), случайные погрешности (ошибки, вызванные случайными причинами и имеющие непредсказуемый характер), грубые ошибки (результат неправильного использования прибора или неправильного считывания показаний).

5. Погрешность измерений. По способу выражения: абсолютная погрешность (выраженную в единицах измеряемой величины. Её можно описать формулой Δ𝑋=𝑋_{измеряемый}−𝑋_{истинный}. Вместо истинного значения измеряемой величины на практике пользуются действительным значением 𝑋д, которое достаточно близко к истинному и которое определяется экспериментальным путём и может приниматься вместо истинного), относительная погрешность: относительная погрешность (выражается отношением 𝛿𝑋= , эта погрешность является безразмерной величиной; указываться в процентах). По источнику возникновения: инструментальная погрешность (эта погрешность определяется несовершенством прибора, возникающим из-за неточной калибровки), методическая погрешность (обусловлена несовершенством метода измерений), субъективная погрешность (обусловлена ограниченными возможностями, ошибками человека при проведении измерений: проявляется в неточностях при отсчёте показаний со шкалы прибора. По характеру проявления: случайная погрешность (составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом в серии повторных измерений одного и того же размера величины с одинаковой тщательностью), систематическая погрешность (погрешность, изменяющаяся по определённому закону, систематические погрешности могут быть связаны с неисправностью или несовершенством приборов, неучтёнными экспериментатором), грубая погрешность (погрешность, существенно превышающую ожидаемую. Как правило она проявляется в результате явной ошибки в проведении измерений, что обнаруживается при повторных проверках.

6. Основные характеристики переменных токов и напряжений. Частота (f) — это количество изменений направления тока и напряжения за секунду, измеряется в герцах (Гц). Амплитуда(A)– это максимальное значение тока или напряжения в цикле, выражается в вольтах для напряжения и амперах для тока. Среднеквадратическое значение – это эффективное значение переменного тока или напряжения, эквивалентное постоянному току или напряжению, которые произвели бы такую же мощность, формула для синусоидального сигнала . Фаза – это угол между началом отсчета времени и текущим состоянием переменного сигнала, измеряется в градусах.

7. Назначение и классификация электромеханических измерительных приборов. Назначение: используются для измерения различных электрических величин (напряжение, ток, мощность и т.д.) и представления результатов в удобной для восприятия форме. Классификация: По измеряемым величинам: амперметры (сила тока), вольтметры (напряжение), омметры (сопротивление), ваттметры (мощность). По принципу действия: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, ферродинамические, электростатические. По назначению: лабораторные, промышленные, щитовые, портативные.

8. Основные элементы электромеханических приборов: измерительный механизм: основной функциональный элемент прибора, преобразующий электрическую величину в механическое перемещение; магнитная система: создает магнитное поле, взаимодействующее с током в обмотке и создающее механическое усилие, указательное устройство: стрелка или другой индикатор, показывающий измеренное значение на шкале, шкала: графическое устройство с делениями, по которым определяют измеренное значение, корпус: защитный элемент, который оберегает внутренние компоненты прибора от внешних воздействий.

9. Основные характеристики электромеханических приборов: погрешность: степень отклонения показаний прибора от истинного значения измеряемой величины, измеряется в процентах; чувствительность: способность прибора реагировать на небольшие изменения измеряемой величины; диапазон измерений: интервал значений, в пределах которого прибор способен измерять величину с заданной точностью; надежность: вероятность сохранения прибором своих характеристик в течение заданного времени.

10. Магнитоэлектрический измерительный механизм. Принцип действия: электрический ток, протекающий через катушку, создает магнитное поле, которое взаимодействует с постоянным магнитом и вызывает вращение стрелки. Достоинства: высокая точность, малая погрешность, низкое энергопотребление. Недостатки: не пригодны для измерения переменных токов без выпрямителя.

11. Электромагнитный измерительный механизм. Принцип действия: электромагнитный измерительный механизм работает на принципе взаимодействия магнитного поля и электрического тока. Он состоит из неподвижной катушки и подвижного элемента (железного сердечника или железного якоря). Когда через катушку проходит электрический ток, в ней создается магнитное поле, которое притягивает подвижный элемент, вызывая его перемещение. Это перемещение может использоваться для указания измеряемого значения на шкале. Достоинства: простота конструкции и низкая стоимость, возможность работы при низких напряжениях и токах, надежность и долговечность. Недостатки: низкая точность по сравнению с другими типами измерительных механизмов, подверженность влиянию внешних магнитных полей, ограниченная чувствительность.

12. Электродинамический измерительный механизм. Принцип действия: основан на взаимодействии двух катушек: неподвижной и подвижной. Одна катушка подключается к источнику измеряемого тока, а другая - к измеряемому напряжению. Взаимодействие магнитных полей этих катушек вызывает вращение подвижной катушки, связанной со стрелкой индикатора. Угол поворота стрелки пропорционален измеряемой величине. Достоинства: высокая точность измерений, малая зависимость от внешних магнитных полей, широкий диапазон измеряемых величин. Недостатки: сложность конструкции и высокая стоимость, необходимость калибровки и настройки, требовательность к условиям эксплуатации (температура, влажность).

Ферродинамический измерительный механизм. Принцип действия: основан на взаимодействии магнитных полей, создаваемых током, проходящим через катушки, и ферромагнитным материалом, находящимся в движущейся части механизма. Под воздействием магнитного поля ферромагнитный материал изменяет свои магнитные свойства, что вызывает движение подвижной части механизма и перемещение стрелки. Достоинства: высокая чувствительность, возможность измерения малых токов и напряжений, относительно низкая зависимость от внешних условий. Недостатки: сложность конструкции, необходимость использования качественных материалов для ферромагнитного элемента, подверженность старению материалов.

13. Электростатический измерительный механизм. Принцип действия: основан на взаимодействии электростатических сил между заряженными электродами. Он состоит из двух электродов (один из которых подвижный), между которыми приложено измеряемое напряжение. Взаимодействие зарядов на этих электродах вызывает движение подвижного электрода, что используется для определения величины напряжения. Достоинства: высокая точность измерений, независимость от частоты измеряемого напряжения, отсутствие механического износа. Недостатки: сложность конструкции, необходимость работы при высоких напряжениях, влияние влажности и загрязнений на точность измерений.

14. Компенсатор постоянного тока. Назначение: используется для точного измерения малых напряжений, сопротивлений и токов. Он компенсирует измеряемую величину известным значением, создаваемым внутренними элементами, и позволяет точно определить разницу между ними. Принцип действия: компенсатор состоит из измерительного моста и нулевого индикатора. Измеряемая величина вводится в один из плеч моста, а известная величина - в другое. При равенстве этих величин мост уравновешивается, и ток через нулевой индикатор отсутствует. Измеряемая величина определяется по известному значению компенсации.

15. Назначение и классификация электронных приборов. Назначение: используются для измерения, контроля, управления и обработки различных электрических величин, а также для преобразования сигналов. Они находят применение в различных областях, включая промышленность, медицину, науку, телекоммуникации и бытовую технику. Классификация: по назначению: измерительные (вольтметры, амперметры, осциллографы), контрольные (сигнализаторы, индикаторы), управляющие (регуляторы, контроллеры), преобразующие (трансформаторы, выпрямители). По типу сигнала: аналоговые, цифровые. По принципу действия: электронные (на основе электронных компонентов), электромеханические (с применением механических частей). По области применения: промышленные, медицинские, научные, бытовые.

16. Электронные вольтметры постоянного тока. Назначение: для измерения напряжения постоянного тока. Они используются в различных областях техники и науки, где необходимо точно измерять постоянные напряжения. Принцип действия: входное напряжение подается на прецизионный делитель, уменьшающий его до безопасного уровня для измерительных схем. Затем напряжение усиливается и поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который может быть обработан микропроцессором. Этот код отображается на дисплее вольтметра, показывая величину напряжения.

17. Электронные вольтметры переменного тока. Назначение: для измерения напряжения переменного тока. Эти приборы используются в электросетях, в электронике и других областях, где необходимо контролировать параметры переменного напряжения. Принцип действия: вольтметр измеряет напряжение, преобразуя его в постоянное для точного измерения. Сначала переменное напряжение проходит через делитель, затем поступает на выпрямитель, где преобразуется в пульсирующее постоянное напряжение. Это напряжение фильтруется для уменьшения пульсаций и подается на усилитель постоянного тока. Усиленное напряжение, пропорциональное среднеквадратичному значению входного сигнала. Затем напряжение усиливается и поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который может быть обработан микропроцессором. Этот код отображается на дисплее вольтметра, показывая величину напряжения.

18. Универсальные электронные вольтметры. Назначение: измерять как постоянное, так и переменное напряжение. Они часто обладают дополнительными функциями, такими как измерение сопротивления и тока, и поэтому называются мультиметрами. Принцип действия: автоматическое переключение (входное напряжение автоматически анализируется для определения его типа (постоянное или переменное)), выпрямление и фильтрация (переменное напряжение выпрямляется и фильтруется, если необходимо), усиление и обработка (сигнал усиливается и обрабатывается с использованием аналогово-цифрового преобразования (АЦП) для цифровых вольтметров), индикация (результат измерения отображается на цифровом дисплее).

19. Цифровые измерительные приборы времяимпульсного метода преобразования. Принцип действия: измеряемая аналоговая величина преобразуется в пропорциональный временной интервал. Это достигается путем зарядки или разрядки конденсатора под воздействием измеряемого сигнала. Время, необходимое для достижения определенного уровня напряжения на конденсаторе, используется для формирования импульса определенной длительности. Затем этот временной интервал измеряется с помощью высокоточного генератора тактовых импульсов и счетчика. Количество тактовых импульсов, попавших в этот временной интервал, пропорционально величине измеряемого сигнала. Далее цифровое значение, соответствующее числу импульсов, преобразуется в удобную для пользователя форму и выводится на дисплей прибора. Входное напряжение -> Генератор импульсов -> Импульсы -> Счетчик -> Цифровое значение -> Дисплей.

20. Цифровые измерительные приборы кодоимпульсного метода преобразования. Принцип действия: физическая величина, которую нужно измерить, преобразуется в аналоговый сигнал, пропорциональный этой величине. Этот аналоговый сигнал поступает на вход устройства, где его преобразуют в последовательность импульсов. Количество этих импульсов за определённый промежуток времени пропорционально величине измеряемого параметра. Счётчик импульсов фиксирует их число, после чего результат обработки отображается на цифровом индикаторе.

21. Принцип действия цифрового измерительного прибора частотно-импульсного метода преобразования. Аналоговый сигнал преобразуется в последовательность импульсов с частотой, пропорциональной его величине, с помощью аналого-цифрового преобразователя частотно-импульсного типа. Эти импульсы подсчитываются за фиксированный интервал времени цифровым счетчиком. Число импульсов представляет собой цифровое значение аналогового сигнала, которое отображается на экране прибора, обеспечивая точность и удобство измерений.

22. Назначение, классификацию и основные параметры измерительных генераторов. Назначение: предназначены для создания сигналов определенной формы, частоты и амплитуды, которые используются в различных приложениях, таких как калибровка и тестирование электронных устройств, проведение измерений, исследование и разработка новых электронных схем и систем. Классификация: по форме выходного сигнала: генераторы гармонических колебаний, генераторы импульсных сигналов, сигналов особой формы (например, шумовых). По диапазону частот: инфранизкочастотные (до 20 Гц), низкочастотные (от 20Гц до 300Гц), генераторы высокой частоты (ВЧ) от 300 кГц до 300МГц, сверхвысокочастотные (СВЧ) свыше 300МГц, специальные генераторы (генераторы случайных колебаний (шума), линейно изменяющихся напряжений и т. д.). Основные параметры: параметр нестабильной частоты; параметр выходного напряжения, которые зависят от назначения генератора; постоянство выходного напряжения.

23. Основные характеристики измерительных генераторов: диапазон частот (определяет, в каком диапазоне частот генератор способен работать), стабильность частоты (характеризует стабильность частоты выходного сигнала во времени), амплитуда выходного сигнала (максимальное и минимальное значение выходного сигнала), форма выходного сигнала (тип формы сигнала (синусоидальный, прямоугольный, пилообразный и т.д.)), гармонические искажения (процент искажений основной частоты выходного сигнала), импеданс выхода (сопротивление на выходе генератора).

24. Низкочастотные генераторы – устройства, генерирующие электрические сигналы в диапазоне частот до 20 кГц. Низкочастотные генераторы используются в различных устройствах, таких как звуковые системы, источники питания, системы управления. Принцип действия: основаны резистивно-емкостные (RC) или индуктивно-емкостные (LC) цепях. Основные элементы генераторов включают усилитель и частотно-задающую цепь, которая определяет частоту колебаний. Усилитель обеспечивает положительную обратную связь, усиливая и стабилизируя начальные шумы или случайные колебания, превращая их в устойчивые сигналы заданной частоты. В зависимости от конструкции применяются различные схемы, такие как мостовые генераторы Вина, фазосдвигающие и кварцевые генераторы.

25. Высокочастотные генераторы – устройства, генерирующие электрические сигналы в диапазоне частот свыше 300 МГц. Принцип действия заключается в создании и поддержании колебаний электрического тока на высокой частоте. Основные компоненты включают активный элемент (транзистор или лампу) и резонансную цепь из индуктивных и емкостных элементов. Активный элемент усиливает сигналы и поддерживает колебания в резонансной цепи благодаря ПОС. Частота сигнала определяется параметрами резонансной цепи (L и C). При запуске активный элемент усиливает начальные колебания, возникшие из-за теплового шума или других сигналов, и стабилизирует их, что приводит к генерации устойчивого высокочастотного сигнала.

26. Генераторы импульсов — это устройства, предназначенные для формирования электрических сигналов в виде импульсов различной формы, длительности и амплитуды. Основной принцип их действия заключается в использовании тактового генератора, который генерирует основной сигнал. Этот сигнал затем поступает на делитель частоты, который уменьшает его частоту до нужного значения. После этого сигнал поступает на формирователь импульсов

27. Параметры идеального и реального прямоугольного импульса. Идеальный прямоугольный импульс: мгновенное нарастание и спад, постоянная амплитуда в течение всего импульса, нулевые фронты. Реальный прямоугольный импульс: нарастание и спад имеют конечное время (фронты не идеальны), могут быть небольшие колебания амплитуды, возможны шумы и искажения, время нарастания, время спада, длительность импульса, амплитуда.

28. Генераторы шумовых сигналов — это устройства, которые создают электрические сигналы, напоминающие случайный шум (например, белый шум). Принцип действия: Задающим генератором здесь является первичный источник шума, в качестве которого могут использоваться нагретый непроволочный резистор, вакуумные и полупроводниковые шумовые диоды, фотоэлектронные умножители, тиратроны, газоразрядные трубки. Действие первичных источников шума базируется на физических явлениях, связанных с неравномерным движением носителей электрических зарядов в элементах электрических цепей. Резисторы создают шумы за счет хаотического движения электронов.

29. Генераторы сигналов специальной формы создают электрические сигналы заданной сложной формы (треугольные, пилообразные, синусоидальные и т.д.). Принцип действия: генератор шума содержит источник шума, который может быть реализован, с использованием термоэлектрического элемента или полупроводниковых устройств. Этот источник создает случайные колебания напряжения или тока. Сгенерированный шумовой сигнал затем усиливается с помощью усилителя, чтобы обеспечить необходимый уровень мощности для последующего использования. Иногда применяется фильтрация для ограничения диапазона частот шума или для удаления нежелательных составляющих.

30. Назначение и классификация электронно-лучевых осциллографов. Назначение: используются для визуализации электрических сигналов, измерения их параметров и анализа поведения в различных временных интервалах. Классификация: По способу управления: аналоговые осциллографы, цифровые осциллографы. По числу каналов: одноканальные, многоканальные (двух-, четырехканальные и т.д.). По частотному диапазону: низкочастотные (до 100 МГц), высокочастотные (выше 100 МГц). По предназначению: лабораторные осциллографы, переносные осциллографы.

31. Классификацию осциллографов по числу наблюдаемых сигналов: одноканальные осциллографы (эти осциллографы позволяют наблюдать только один сигнал одновременно. Они обычно имеют один вход для подключения сигнала), двухканальные осциллографы (эти осциллографы могут отображать и анализировать два сигнала одновременно; они имеют два входа для подключения сигналов, что позволяет сравнивать их характеристики и отношения), многоканальные осциллографы (эти осциллографы обеспечивают возможность одновременного отображения и анализа нескольких сигналов. Они имеют несколько входа для подключения сигналов, что особенно полезно для одновременного наблюдения и сравнения нескольких сигналов или компонентов системы)

32. Электронный луч генерируется в катодной части трубки при помощи нагреваемого элемента, который испускает электроны термоэлектронной эмиссией. Эмиссию электронов контролируют через накаливание катода для регулировки их количества в луче. Электроны ускоряются к аноду под действием электрического поля между катодом и анодом за счёт разности потенциалов. Проходя через систему фокусировки, электроны формируют узкий пучок, направляемый на экран трубки, покрытый фосфором. Фосфорное покрытие светится при попадании электронов, излучая разноцветный свет в зависимости от типа фосфора. Управляющая система регулирует положение и интенсивность электронного луча, формируя изображение на экране трубки путём сканирования по его поверхности для наблюдения или захвата изображения.

33. Универсальный осциллограф — это электронный измерительный прибор, предназначенный для визуализации и измерения временных зависимостей переменных электрических сигналов. Основное назначение осциллографа заключается в отображении формы и параметров электрических сигналов в виде графиков на экране. Принцип действия: входное устройство преобразуют электрический сигнал в аналоговую форму, подходящую для дальнейшей обработки. Горизонтальное отклоняющее устройство управляет горизонтальным движением электронного луча, что позволяет отобразить изменение сигнала по времени. Вертикальное отклоняющее устройство управляет вертикальным движением электронного луча, что позволяет отобразить амплитуду сигнала. Генератор развертки обеспечивает синхронизацию осциллографа с входным сигналом, что позволяет стабильно отображать сигнал на экране. Экран отображает форму и параметры входного сигнала в виде временных графиков.

34. Принцип создания изображения на экране ЭЛТ: электроны вырываются с катода под воздействием высокого напряжения и направляются в узкий пучок и фокусируются магнитным полем на экране. При столкновении с фосфорным покрытием на внутренней поверхности экрана, электроны вызывают свечение. Управляющие сигналы, подаваемые на отдельные части экрана, регулируют интенсивность свечения пикселей. Использование различных фосфоровых покрытий на экране и три отдельных электронных пушки позволяют создавать цветное изображение. Изображение обновляется путем перерисовки каждой строки экрана за очень короткое время, что создает эффект непрерывного изображения. Благодаря быстрой реакции ЭЛТ на изменения управляющих сигналов, возможно отображение быстро движущихся изображений без размытия.

35. Линейная развёртка – создаётся путём подачи пилообразного напряжения на Х пластины, напряжение формируется генератором развёртки. Напряжение должно иметь достаточную амплитуду для отклонения луча на всю ширину экрана, высокую степень линейности прямого ходу луча и малое время обратного ходу луча. Режимы развёртки генератора развёртки: ждущий, автоматический, задерживающий. Синусоидальная развёртка – если на Х пластины подать синусоидальное напряжение, то на экране будет прочерчиваться прямая линия, отклонение луча вправо или влево зависит от амплитуды поданного напряжения. Эллиптическая (круговая) развёртка – если на Х и У пластины подать синусоидальные напряжения одинаковые по амплитуде и частоте, то сдвинутые по фазе на 90, то на экране получим окружность, если сдвиг фаз равен 45 то – эллипс. Спиральная развёртка – применяется в специальных осциллографах для больших интервалов времени. Используется два синусоидальных напряжений одинаковой частоты сдвинутой по фазе на 90, амплитуда изменяется по линейному закону.

36. Сравнительный анализ универсального, скоростного, стробоскопического и запоминающего осциллографов. Сравнение: частотные характеристики: Универсальные и скоростные осциллографы часто имеют широкий диапазон частот, тогда как стробоскопические могут быть ограничены периодическими сигналами. Запоминающие осциллографы могут покрывать широкий диапазон в зависимости от модели. Отображение: Универсальные и скоростные осциллографы позволяют реальное временное отображение сигналов, в то время как стробоскопические и запоминающие осциллографы могут обрабатывать данные для последующего анализа. Применение: Каждый тип осциллографа имеет свои уникальные преимущества в зависимости от конкретной задачи. Универсальные осциллографы подходят для широкого спектра измерений, скоростные — для быстро меняющихся сигналов, стробоскопические — для периодических сигналов, а запоминающие — для долгосрочного мониторинга или глубокого анализа.