10 Описание и порядок выполнения работы

Рис. 2.1

При ознакомлении с используемой в работе аппаратурой обратить внимание на рекомендации по включению электронных приборов, изучить градуировки шкал, переключатели вида и диапазонов измерений, освоить приемы установки "нуля" и калибровки чувствительности. При исследовании электронных вольтметров используется схема, приведенная на рис. 2.1, где G - источник напряжения - генератор синусоидального напряжения; PV₁ — образцовый прибор; PV₂ - испытуемый прибор. Основная погрешность образцового прибора должна быть в 3—5 раз меньше основной допустимой погрешности

испытуемого прибора. Основную погрешность определяют в 6-10 числовых отметках шкалы испытуемого прибора путем сличения показаний этого прибора с показаниями образцового прибора. Полученные результаты занести в таблицу.

Показания поверяемо-го прибора U, В	Показания образцового прибора U0 , В		Погрешность					Наибольшее значение приве­денной по­грешности γ, %		Вариа­ция в, %
			Абсолютная А, В			Относитель­ная δ, %
	при увеличе­нии	при умень­шении	при увеличе­нии	при умень­шении

Абсолютная, относительная и приведенная погрешности и вариация показаний определяются по формулам, указанным в работе 1.

Определение АЧХ проводят при постоянном показании испытуемого вольтметра. При этом снимают показания образцового прибора для различных частот в указанном преподавателем диапазоне изменения частоты. Результаты измерений U и U₀ заносят в таблицу.

Частота, кГц		Показания приборов, В			U/U0
		U		U0

Для определения входного сопротивления и емкости вольтметра можно использовать схему (рис. 2.2), где G - генератор переменного напряжения с выходным сопротивлением R_i и ЭДС Е; V - испытуемый вольтметр; С_вх и R_вх -

11

\ искомые параметры входной цепи вольтметра; R - резистор с известным значением

сопротивления.

При R_i << |R_вх | падение напряжения на входе вольтметра определяется выражением

(2.1)

Для определения трех неизвестных, Е, R_BX и С_вх, следует провести эксперимент в следующей последовательности:

1. При R = 0 и частоте f=f₁ = 100...200 Гц измерить U₁ = Е, так как R_i<<R_BX

2. При той же частоте f₁ подобрать R = R₁ ≠0 так, чтобы показанияиспытуемого вольтметра были равны U₂ = (0,7...0,9)E. На низких частотах1/ωС_вх >>R_вх, поэтому влиянием сопротивления входной емкости на входнойимпеданс испытуемого вольтметра можно пренебречь (рис. 2.2).

Тогда U₂ - ER_BX/(R₁ + R_BX), откуда непосредственно можно найти R_вх.

3. При R = 0 и частоте f=f₂ = 10...30 кГц установить на испытуемом вольтметрезначение, полученное в п. 1, т. е. Е.

4. При частоте f₂ подобрать R = R₂ так, чтобы показания испытуемоговольтметра были бы равны U₃ ⁼ (0,7...0,9) Е.

Для определения С_вхнеобходимо преобразовать

комплексное выражение (2.1) в выражение, представляющее собой модуль напряжения U, и подставить в него /2, R = R₂, R_BX, E и U = U₃.

Для выполнения п. 4исследуемый вольтметр

подключается к генераторуимпульсов специальной формы.Рис. 2.2 При использовании вольт-

метра, показания которого пропорциональны среднему значению измеряемого напряжения, U_ср = U_п/k_ф1 где U_п - показания вольтметра, k_ф1 = 1,11 -коэффициент формы кривой синусоидального напряжения; действующее значение измеряемого напряжения U = U_cрk_ф, где k_ф - коэффициент формы кривой измеряемого напряжения (для прямоугольной формы k_ф = 1, для треугольной формы k_ф = 2/3^0,5); амплитудное значение измеряемого напряжения U_m = Uk_a, где k_a -коэффициент амплитуды (для прямоугольной формы k_а= 1, для треугольной формы k_a= 3^0,5).

При использовании вольтметра, показания которого пропорциональны амплитудному значению измеряемого напряжения, U_m = U_nk_a1, где k_a1 = 2^0,5 -коэффициент амплитуды синусоидального напряжения.

Работа 3 ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Цель работы - изучение принципа действия и свойств время-импульсного цифрового вольтметра (ВИЦВ).

Задание

1. Ознакомиться со структурной схемой и принципом действия ВИЦВ, срасположением на лабораторном макете его узлов, а также с возможностямиизменения характеристик этих узлов.

2. Наблюдать с помощью осциллографа выходные сигналы узлов ВИЦВ приноминальных характеристиках узлов. По результатам наблюдений построитьвременную диаграмму работы ВИЦВ.

3. Наблюдать изменения во временной диаграмме при поочередномизменении:

• входного напряжения U_x;

• коэффициента наклона К линейно изменяющегося напряжения (ЛИН);

• частоты /о генератора импульсов стабильной частоты (ГИСЧ);

• порога срабатывания U_c сравнивающего устройства (СУ).

Измерить осциллографом измененные (отличающиеся от номинальных) значения коэффициента К' и частоты f₀', рассчитать относительное изменение этих характеристик.

4. Определить зависимость погрешности квантования ΔU ВИЦВ от входногонапряжения U_x, изменяя последнее в указанном преподавателем диапазоне.Построить в этом диапазоне график U_п =f₁(U_x) зависимости показаний U_n ВИЦВ отвходного напряжения U_x (ступенчатая функция), график аналогичной зависимостидля "идеального" (без квантования) вольтметра U_{п. и} = f₂ (U_x) (прямая линия) играфик погрешности квантования ΔU = f₁(U_x) - f₂(U_x) = f₃(U_x). Определитьноминальный порог срабатывания U_{с. н} СУ.

5. Повторить п. 4, изменив порог срабатывания СУ. Определить измененныйпорог U_c и значение изменения ΔU_С = U_c - U_{c. н}.

12

13

6. Определить абсолютную и относительную погрешности результатовизмерений для заданных преподавателем показаний ВИЦВ при следующихусловиях:

• характеристики всех узлов номинальные;

• изменен коэффициент наклона ЛИН;

• изменена частота ГИСЧ;

• изменен порог срабатывания СУ.

Определить дополнительные погрешности из-за изменения характеристик узлов, сделать выводы о влиянии этих изменений на характер и значения дополнительных погрешностей.

Описание и порядок выполнения работы

Основными узлами ВИЦВ (рисунок) являются пусковое устройство ПУ, триггер Т, генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН, сравнивающее устройство СУ, генератор импульсов стабильной частоты ГИСЧ, ключ К, пересчетная схема ПС и отсчетное устройство ОУ.

С помощью первых четырех узлов (ПУ, Т, ГЛИН, СУ) осуществляется преобразование измеряемого (входного) напряжения U_x в пропорциональный ему интервал времени t_x, остальные узлы (ГИСЧ, К, ПС, ОУ) служат для преобразования длительности этого интервала в показание U_n ВИЦВ [см. лит.].

В макете ВИЦВ предусмотрено изменение (с помощью переключателей) следующих параметров:

• коэффициента наклона ЛИН;

• линейности ЛИН;

• частоты импульсов ГИСЧ;

• порога срабатывания СУ.

Влияние нелинейности компенсирующего напряжения U_K (ЛИН) в данной лабораторной работе не исследуемся, поэтому положение переключателя "Линейность" на всех этапах работы должно соответствовать номинальному.

В макет встроен источник регулируемого напряжения (ИРН), который позволяет воспроизводить входное напряжение U_x с двумя диапазонами изменения напряжения 0...1 В и 0...10 В. Для наблюдения выходных сигналов узлов ВИЦВ и для измерения наклона ЛИН и частоты ГИСЧ необходимо предварительно ознакомиться с осциллографом, имеющимся в составе лабораторной установки. При проведении экспериментов на входе ВИЦВ устанавливается напряжение U_x, равное приблизительно половине диапазона измерений. Для получения устойчивых изображений на экране осциллографа следует использовать внешнюю синхронизацию запуска развертки от импульса "Пуск". При изменении частоты ГИСЧ внешняя синхронизация осуществляется от самих импульсов ГИСЧ либо используется ждущая развертка осциллографа. На временной диаграмме необходимо отобразить сигналы выходов ПУ, Т, ГЛИН, СУ, ГИСЧ, К.

Коэффициент наклона К ЛИН определяется по формуле К' = U_K'/t_x', где U_K ' -напряжение на выходе ГЛИНа в момент совпадения U_x = U_K'; t_x' — интервал времени от начала цикла измерения до момента указанного совпадения.

Частота f₀' ГИСЧ, интервал t_x' и напряжение U_K' измеряются осциллографом с использованием его калибраторов по длительности и амплитуде.

Относительные изменения коэффициента наклона ЛИН и частоты ГИСЧ рассчитываются по формулам δ_К = 100 % (К' - К_Н)/К_Н , δ_f= 100 % (f₀' -f_{0. н}) /f_{0. н}, где номинальные значения К_н и f_{0. н} известны и указаны на макете ВИЦВ.

При определении погрешности квантования данного ВИЦВ входное напряжение U_x изменяется в диапазоне, соответствующем 7-8 единицам младшего разряда показаний ВИЦВ. Фиксируются значения U_x, при которых происходит смена показаний.

Пороги срабатывания СУ U_{c. н} и U_c определяются как разность между показанием ВИЦВ и значением U_x при смене показаний ВИЦВ.

Погрешности результатов измерений в п. 6 определяются следующим образом. На входе ВИЦВ устанавливается такое напряжение U_x', при котором на отсчетном устройстве начинает появляться заданное показание U_n. Далее входное напряжение плавно увеличивается до значения U_x'', при котором показание ВИЦВ начинает увеличиваться на единицу младшего разряда. За действительное значение измеряемого напряжения принимается среднее значение U_XC=(U_X '+ U_x'')/2.

Абсолютные и относительные погрешности результатов испытаний по п. 6 вычисляются по формулам А = U_n - U_xc и 8 = 100 % Δ/U_п.

Работа 4. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Цель работы - ознакомление с методами и средствами измерений параметров электрических цепей и методикой оценки погрешностей результатов измерений.

14

15

Задание

1. Определить погрешности комбинированного магнитоэлектрическогоизмерительного прибора (тестера) в режиме омметра в 4 - 6 числовых отметкахшкалы (по указанию преподавателя). Сделать вывод о соответствии омметра своемуклассу точности.

2. Измерить сопротивления двух резисторов (по указанию преподавателя) иоценить погрешности результатов измерений, используя комбинированный прибор(тестер) в режиме омметра, способ амперметра и вольтметра по выбранной схемевключения, универсальный мост.

3. Провести сравнительный анализ результатов, полученных в п. 2.

4. Измерить емкость и тангенс угла потерь указанного преподавателемконденсатора универсальным мостом и оценить погрешности результатовизмерений.

5. Измерить индуктивность и добротность указанной преподавателем катушкиуниверсальным мостом и оценить погрешности результатов измерений.

Описание и порядок выполнения работы

Поверка комбинированного прибора (тестера) в режиме омметра. Перед началом работы убедиться, что при отключенном питании указатель прибора стоит на начальной отметке шкалы, и при необходимости установить начальную отметку с помощью корректора. Включить источник питания. Для шкал с диапазоном показаний (∞...о) закоротить входные зажимы тестера и с помощью ручки "Установка 0" установить указатель в положение "О"; для шкал с диапазоном показаний(0...∞) при разомкнутых входных зажимах той же ручкой установить указатель в положение "∞".

Входные зажимы поверяемого омметра подключают к образцовой мере -магазину сопротивлений. Изменяя сопротивление R₀ магазина, устанавливают указатель омметра на выбранные числовые отметки R шкалы прибора. Результаты испытаний и расчетов заносят в таблицу.

R, Ом	Ro, Ом	ΔR, Ом	ДОС, дел	γ, %

В таблице ΔR = R - R₀ — абсолютная погрешность омметра в омах; Δа - та же погрешность омметра, но выраженная в делениях равномерной шкалы комбинированного прибора, эквивалентная ΔR.

Необходимость определения погрешности Да обусловлена тем, что в омметрах со шкалами (0, ∞) и (∞, 0) отсутствует понятие нормирующего значения шкалы, выраженное в омах, и, следовательно, не может быть определена приведенная погрешность по ΔR. Выход из такого положения - оценка абсолютной погрешности в делениях равномерной шкалы и определение отношения этой погрешности к длине шкалы, также выраженной в делениях.

Погрешность Да можно оценить, используя следующий подход. Комбинированный прибор имеет равномерную шкалу для измерения постоянных токов и напряжений и неравномерную шкалу для измерения сопротивлений. Из-за неравномерности шкалы чувствительность S(R) омметра является величиной переменной, нелинейно зависящей от измеряемого сопротивления R:

При показании омметра, равном чувствительности для данной точки шкалы:

где ΔR - разность между двумя соседними отметками шкалы омметра в окрестности точки R_n , Ом; Δα - изменение угла поворота указателя, соответствующее ΔR, выраженное в делениях равномерной шкалы (рис. 4.1).

Значение Да можно определить либо визуальным переносом отметок шкалы омметра на равномерную шкалу, либо последовательным изменением входного сопротивления так, чтобы показания поочередно совпадали с выбранными отметками шкалы омметра; при этом по равномерной шкале с помощью указателя определяется соответствующее Да.

Полученная оценка чувствительности позволяет найти изменение угла Да поворота указателя, соответствующее погрешности ΔR в каждой конкретной точке R_n шкалы омметра:

Заметим, что значения чувствительности, определяемые по отметкам шкалы слева или справа от R_n , будуг отличаться. Для оценки класса точности омметра следует выбрать наибольшую из них, что приведет к определению наибольшего возможного отклонения Да = max {Δα_сл, Δα_спр}; это

значение Да записывается в таблицу.

При таком подходе приведенная Рис. 4.1

погрешность определяется по формуле у = Δα/α_N 100 %, где a_N - длина равномерной шкалы, выраженная в делениях.

1

716

Омметр соответствует своему классу точности, если приведенные погрешности по модулю во всех точках меньше указанного для прибора класса.

Измерение тестером (омметром) сопротивления постоянному току.

Неизвестное сопротивление подключают к входу омметра. Изменяя положение множителя xl, ..., х1000, подбирают такое значение, при котором положение указателя будет наиболее близко к середине шкалы. С учетом выбранного множителя снимаются показания R омметра. Результат измерений записывают в виде R_х = R ± ΔR , где ΔR определяют по классу точности. При этом сначала определяется максимальная погрешность омметра, выраженная в делениях равномерной шкалы: Δa_mах = Ka_N /100, где К - класс точности омметра, а затем либо визуально погрешности ± Δa_мах переносятся на шкалу омметра в окрестности показаний прибора и определяются погрешности ± ΔR, либо по указанной выше методике оценивается погрешность по формуле ΔR = Δa_max /S *(R), где R -показание омметра.

Измерение сопротивления способом амперметра и вольтметра. Схемы измерения сопротивления с помощью амперметра и вольтметра приведены на рис. 4.2.

Рис. 4.2

Для схемы на рис. 4.2, а неизвестное сопротивление определяется по формуле

R_x = U/I_X= U/(I - I_V)=U/(I - U/R_V),

где U, I - показания вольтметра и амперметра; 1_Х - ток, протекающий через неизвестное сопротивление; 1у - ток, протекающий через вольтметр; R_V -сопротивление вольтметра.

Относительная погрешность измерения R_x вычисляется по формуле

где δ_U, δ_U - предельные относительные погрешности измерения напряжения и тока, определяемые классами точности и показаниями приборов (см. (В.1)).

Для схемы, представленной на рис. 4.2, б, применяют следующие формулы:

R_x=U/l-R_A,

где R_a - сопротивление амперметра.

Формулы для δR_X приведены в предположении, что погрешности определения R_V и R_A пренебрежимо малы.

Из приведенных формул видно, что для уменьшения погрешностей измерений схему, представленную на рис. 4.2, а, следует применять для измерения относительно малых сопротивлений, а схему, представленную на рис. 4.2, б, - для измерения относительно больших сопротивлений.

Если R_x < R_V /10 для схемы на рис. 4.2, а или R_x > 10 R_A для схемы на рис. 4.2, б, то с достаточной для практики точностью (погрешность определения δR_X не превысит 10 %) можно использовать упрощенные соотношения R_X=U/I, δR_X=δ_U+δ₁.

Во всех случаях для уменьшения δ_U и δ₁ следует выбирать такие пределы измерений приборов и устанавливать такое напряжение питания, при которых отклонения указателей приборов были бы максимально возможными.

Результаты измерений необходимо записывать в виде

R = R_x ± ΔR_x ,

Измерения универсальным мостом. Измерения сопротивления постоянному току, емкости и тангенса угла потерь конденсаторов, индуктивности и добротности катушек проводят в соответствии с прилагаемой инструкцией; в ней же приводятся формулы для оценки погрешностей измерений.

Работа 5 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ СЛУЧАЙНЫХ ПОГРЕШНОСТЯХ

Цель работы - ознакомление с методами обработки результатов наблюдений при прямых и косвенных измерениях; оценка результата измерений и его погрешности.