Измерение электрических и магнитных величин. Лабораторный практикум

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Информационно-измерительная техника»

О.Г. КОРГАНОВА, Е.И. ТАТАРЕНКО

ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ВЕЛИЧИН

Лабораторный практикум

Самара Самарский государственный технический университет

2018

Печатается по решению ученого совета СамГТУ (протокол № 9 от

27.04.2018 г.).

УДК 621.317

К66

К66 Измерение электрических и магнитных величин: лаб. практикум /

О.Г. Корганова, Е.И. Татаренко. – 3- е изд. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т,

2018. – 68 с.: ил.

Рассматриваются общие вопросы метрологии и принципы построения и практического использования конкретных типов электроизмерительных приборов.

Изучаются и исследуются аналоговые и цифровые приборы различного типа. Предназначен для студентов направления «Приборостроение».

Рецензент: д-р техн. наук, профессор П.К. Ланге

УДК 621.317 К 66

©О.Г. Корганова, Е.И. Татаренко, 2018

©Самарский государственный технический университет, 2018

ВВЕДЕНИЕ

Изучение курса «Измерение электрических и магнитных величин» сопровождается проведение лабораторного практикума, на котором студенты изучают в лаборатории основные разделы лекционного курса с помощью исследования средств измерения в лаборатории.

Курс «Измерение электрических и магнитных величин» является одним из основных при подготовке студентов бакалавриата по направлению 12.03.01 «Приборостроение».

Лабораторный практикум этого курса основан на изучении измерительных устройств разного типа и методов измерения. Он сопровождается допусковым контролем, сборкой схемы и её дальнейшим исследованием.

Допусковый контроль необходим в связи с тем, что лабораторный практикум выполняется фронтально и требуется дополнительная подготовка для выполнения этих работ. Допусковый контроль проводится на компьютерах в аудитории 401 кафедры ИИТ.

Работы достаточно сложны, и их выполнение сопровождается по технике безопасности проверкой со стороны преподавателя и инженера кафедры и их же наблюдении при необходимых переключениях в процессе работы.

Затем студенты выполняют отчёты и защищают свои исследования перед преподавателем.

Выполнение лабораторных работ осуществляется пригодным методом, отчёт проводится индивидуально.

3

Лабораторная работа № 1

ЭЛЕКТРОННЫЙ ОСЦИЛЛОГРАФ

Цель работы – изучение устройства и основных характеристик электронного осциллографа, особенностей работы с ним и методик измерения параметров электрических сигналов.

Электронный осциллограф (ЭО) является универсальным измерительным прибором, предназначенным для измерения, наблюдения и записи изменяющихся во времени электрических сигналов [1, 2, 3, 6].

Он может быть использован для измерения напряжений, токов, сопротивлений, частоты, фазы, длительностей временных интервалов. Основные характеристики осциллографов – чувствительность, полоса пропускания, число лучей электронно-лучевой трубки, погрешность измерений, входное сопротивление, размер изображения.

ЭО разделяются на низкочастотные с полосой пропускания до 1 МГц; импульсные с полосой пропускания 10 МГц и более; стробоскопические, применяемые для исследования импульсов, длительность которых измеряется единицами и даже десятыми долями наносекунд; цифровые с дискретным перемещением луча; одно- и многолучевые.

Погрешность измерения параметров электрических сигналов осциллографом с непрерывным отклонением луча в рабочем диапазоне частот составляет 2...10 %.

Основным узлом ЭО является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Чувствительность ее составляет от нескольких десятых долей миллиметра на вольт до нескольких миллиметров на вольт. Обычно ЭЛТ имеют полосу пропускания до 200 МГц. ЭЛТ специальной конструкции позволяют получить полосу пропускания до нескольких тысяч МГц.

Одним из важнейших узлов ЭО является генератор линейной развертки. Меняя частоту генератора развертки, добиваются синхронизации частот, т.е. такого соотношения частот развертки и сигнала, при котором изображение получается неподвижным и охватывающим целое число периодов.

Для поддержания стабильности настройки дополнительно применяется принудительная синхронизация воздействием на генератор развертки сигналов с частотой входного напряжения. Такая синхронизация называется внешней. При внешней синхронизации к генера-

4

тору развертки подключается внешнее синхронизирующее напряжение. Внешняя синхронизация используется при исследовании сигналов сложной формы или малой амплитуды.

Генератор развертки может работать в непрерывном и ждущем режимах. Периодическая развертка предназначена для наблюдения периодических сигналов, а ждущая – для непериодических и импульсных сигналов с большой скважностью.

Для исключения влияния на изображение сигнала обратного хода луча вводится схема гашения, которая на время обратного хода луча запирает трубку. Наряду с линейной разверткой применяются и другие виды развертки.

1.1. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка состоит из электронного осциллографа GOS6030, генератора синусоидального напряжения ГЗ-33, генератора прямоугольных импульсов Г5-54, однозвенного RC-фильтра нижних частот.

Структурная схема осциллографа представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Структурная схема электронного осциллографа:

1 – входной аттенюатор; 2 – входной каскад; 3 – предварительный усилитель; 4 – оконечный каскад усилителя; 5 – калибратор; 6 – схема формирования блокирующих импульсов;

7 – селектор синхронизации; 8 – усилитель синхронизации; 9 – формирователь импульсов синхронизации; 10 – триггер управления разверткой; 11 – ГПН; 12 – усилитель горизонтального отклонения; 13 – блокиратор запуска; 14 – узел питания

5

Исследуемый сигнал подается на гнездо («CH1-X»). При помощи входного аттенюатора, представляющего собой частотнокомпенсированный делитель напряжения, выбирают величину сигнала, удобную для наблюдения и исследования на экране ЭЛТ.

Чтобы отделить постоянную составляющую исследуемого сигнала от переменной, выбирают закрытый вход усилителя с помощью кнопки «AC/DC» («~»). При этом исследуемый сигнал пойдет через разделительный конденсатор.

Для запуска и синхронизации развертки может быть использован исследуемый сигнал при внутренней синхронизации или внешний сигнал, поданный на гнездо («EXT TRIG» – вход синхронизации), при внешней синхронизации.

Схема синхронизации и запуска развертки вырабатывает прямоугольные импульсы постоянной амплитуды независимо от величины и формы приходящего сигнала. Это обеспечивает устойчивый запуск генератора развертки, вырабатывающего пилообразное напряжение.

Генератор развертки можно переводить в автоколебательный или ждущий режим, используя кнопку «ATO/NML».

В режиме «АТО» (автоматический режим) происходит запуск развертки независимо от наличия синхронизирующего сигнала. В режиме «NML» (ждущая синхронизация) запуск развертки будет осуществляться только при наличии входного сигнала. Уровень запуска устанавливается ручкой «TRIGGER LEVEL».

Схема управления яркостью луча ЭЛТ вырабатывает прямоугольные импульсы, которые поступают на специальные блокирующие пластины и гасят луч ЭЛТ во время обратного хода развертки.

Калибратор вырабатывает прямоугольные импульсы частотой 1 кГц и амплитудой 0,5 В, которые используются для калибровки усилителя вертикального отклонения и для калибровки длительности развертки.

Измерение амплитуды исследуемых сигналов осуществляется следующим образом.

6

Подайте на гнездо «СН1» () исследуемый сигнал. Установите переключателем «VOLTS/DIV» размах изображения измеряемого сигнала в пределах рабочей части экрана по возможности большим, (не менее 30 мм), что уменьшает погрешность измерения.

Совместите при помощи ручек « » и « ↔ » изображение сигнала с делениями шкалы и отсчитайте размер изображения по вертикали в делениях.

Величина исследуемого сигнала (в вольтах) равна произведению измеряемой величины (в делениях) на коэффициент отклонения (масштаб по оси у, который высвечивается в служебной части экрана «V» или «mV»). Измерение и калибровку следует проводить с учетом толщины линии луча.

Измерение временных интервалов производится в следующем порядке.

Установите ручку «TIME/DIV» в такое положение, чтобы измеряемый интервал занимал длину на экране не менее 30 мм шкалы.

Измеряемый временной интервал определяется умножением длины измеряемого интервала времени на экране по горизонтали (в делениях шкалы) на значения коэффициента развертки (цифровое значение масштаба по горизонтальной оси «mc», «mkc» высвечивается в служебной части экрана).

Если при измерении периодических сигналов малой длительности производится измерение длительности нескольких его периодов, то длительность одного периода определяется дополнительным делением указанного произведения на число измеряемых периодов.

При линейной развертке фазовый сдвиг φ определяется косвенно, через временной интервал t2 – t1 сдвига двух синусоид во времени [2]:

7

1.2.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Подготовить осциллограф к работе.

Установите органы управления в следующие положения:

2.Подать на вход осциллографа «CH1» сигнал с выхода калибратора и измерить амплитуду и частоту сигнала. Амплитуда сигнала должна быть равна 0,5 В, частота – 1 кГц.

3.Повторить п. 2 для входа «СН2». Если указанные условия выполняются, то осциллограф готов к работе.

4.Измерить амплитуду и длительность напряжения развертки осциллографа, используя дополнительный осциллограф.

С этой целью напряжение развертки подайте с выхода генератора развертки дополнительного осциллографа на вход «СН1» исследуемого ЭО. Устойчивое изображение получается выбором вида и регулировкой режима синхронизации. Размер изображения одного периода напряжения развертки на экране установите не менее 3 делений по вертикали и не менее 3 делений по горизонтали. Зарисуйте эпюры напряжения развертки при открытом и закрытом входе.

5.Измерить период, длительности импульсов и их фронтов, зарисовать осциллограммы импульсов.

Подайте на вход осциллографа калиброванный сигнал размахом 1 В через RC-цепочку (рис. 1.4). Для этого соедините клемму 1 на плате цепочки с гнездом « 1V», клемму 2 – с общей шиной осциллографа, клеммы 3, 4 – с гнездом «СН1», используя соединительный кабель и проводники.

9