Лабораторные работы / Lab_rabota_7_Stepanov

4

Работа 7. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ В ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМАХ.

Целью работы является изучение способов и средств измерения амплитудных и временных параметров сигналов в электронных цепях.

ЗАДАНИЕ.

1. Ознакомиться с имеющейся на рабочем месте аппаратурой и получить у преподавателя конкретные пункты задания для выполнения.

2. Измерить коэффициенты формы и амплитуды сигналов специальной формы на двух (трёх) частотах; оценить погрешности результатов.

3. Измерить режим работы усилителя на постоянном токе; оценить погрешность измерений.

4. Измерить постоянные времени интегратора. Оценить погрешность результатов.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ.

Измерение коэффициентов формы и амплитуды. Одним из способов измерения коэффициентов является сравнение действующих, средневыпрямленных и амплитудных оценок одного и того же сигнала, полученных с помощью вольтметров переменного тока с соответствующими способами преобразования входного переменного сигнала

Источником испытательных сигнала может является генератор сигналов специальной формы (синусоидальной, прямоугольной, треугольной) входящий в “стенд” лабораторного комплекта. При этом следует контролировать форму получаемого сигнала с помощью осциллографа.

Измерение коэффициентов формы и амплитуды в лабораторной работе проводится с помощью встроенных в стенд преобразователей переменного напряжения в постоянное и вольтметров постоянного тока. Чтобы собрать вольтметр, показания которого пропорциональны действующему, средневыпрямленному или амплитудному значению сигнала следует выход соответствующего преобразователя соединить с входом вольтметра постоянного тока; вход преобразователя при этом становится входом соответствующего вольтметра переменного тока. Следует отметить, что в отличие от промышленных вольтметров в данном случае показания прибора не градуируются в действующих значениях синусоидального напряжения. Это упрощает решение поставленной задачи.

Каждый из преобразователей передаёт значение параметра входного сигнала с коэффициентом преобразования k=0.1 при диапазоне входных напряжений |U_m|10 В и пределом допускаемой приведенной (к U_m=10В) погрешность ; для соответствующих преобразователей _А=1.5, _ср=1.5, _д=2.5 в диапазоне частот от 20 Гц до 50 кГц.

Относительной погрешность преобразования , где U_П – показание вольтметра, подключенного к выходу преобразователя; U _П/ k – приведенное ко входу выходное напряжение преобразователя, измеренное вольтметром.

Для измерения коэффициента формы (амплитуды) собрать схему изображённую на рис. 7.1,

где Г С– генератор сигналов; ПДЗ – преобразователь действующего значения; В1, В2 – вольтметры постоянного тока; ВДЗ – вольтметр действующих значений; ПСЗ – преобразователь среднего выпрямленного значения; ПАЗ – преобразователь амплитудного значения; П – переключатель преобразователей; ВСВЗ, ВАЗ – вольтметры средневыпрямленного и амплитудного значений.

Коэффициенты формы k_ф и амплитуды k_A определяются отношениями: k_ф= U_Д.З /U_С.В.З , k_A= U_А.З /U_Д.З , где U_Д.З , U_С.В.З, U_А.З – действующее значение, средневыпрямленное и амплитудное. Относительная погрешность измерения любого из коэффициентов:

_k = _А(С)+_Д+_ВА(С)+_ВД (%),

где _А(С) – относительная погрешность амплитудного (средневыпрямленного) преобразования; _Д – относительная погрешность преобразователя действующего значения; _ВА(С), _ВД – относительные погрешности измерений напряжения вольтметрами

Относительная погрешность вольтметров определяется по двучленной формуле с коэффициентами с/d, с=0.5, d=0.2 для предела измерений – 2В

Рекомендуемые частоты сигнала генератора: 50 Гц, 400 Гц и 1000 Гц. Выбранные значения устанавливаются с помощью частотомера “стенда”. Желательно с помощью осциллографа проверить форму выходного сигнала генератора. Рекомендуемый диапазон амплитуд входного сигнала преобразователей: 510 В.

Теоретические значения коэффициентов формы и амплитуды приведены в таблице 7.1

Таблица 7.1

Коэффициент:	Значения коэффициентов для видов периодического сигнала:
	синусоидального	прямоугольного	треугольного
амплитуды:	21/21,41	1	31/21,73
формы:	21/2/41,11	1	2/31/21,15

Измерение режимов работы усилителя. Особенностью предлагаемого усилителя (см. рис. 7.2) является сравнительно большое входное сопротивление, что затрудняет измерение смещения на базе входного транзистора VT₁ (напряжение контрольной точки КТ2).

Перед исследованием усилителя необходимо подать на него питание напряжением 910 В с источника постоянного напряжения стенда, обязательно соблюдая полярности указанные на схемах. Для удобства изложения все точки, имеющие одинаковый с минусом питания потенциал, в дальнейшем именуются шиной.

Влияние средств измерений на режим работы и характеристики усилителя можно наблюдать подключив к его входу (к точке КТ1 и шине) генератор сигналов, а к выходу (между шиной и точкой КT5) – осциллограф (общий провод осциллографа подключается к шине). Подать на вход усилителя сигнал синусоидальной формы и частотой 1000 Гц и установить значение сигнала, при котором выходной сигнал был бы максимальной амплитуды и неискажённой формы (искажения не должны быть заметны на глаз). Подключение вольтметра между базой транзистора VT₁ (КТ2) и шиной или плюсом источника питания вызывает изменение выходного сигнала. Подобные явления, вызванные внесением изменений в режим работы полупроводниковых элементов, зачастую сопровождают процесс отладки электронного оборудования.

Напряжение смещения на базе транзистора VT₁ равное

, (7.1)

где R_Э – эквивалентное входное сопротивление относительно базы транзистора VT₁, можно определить косвенно.

В этом случае не потребуется знаний ни о значениях параметров элементов схемы, ни о значении сопротивления вольтметра. Достаточна уверенность в их постоянстве. Для обеспечения применения способа к объекту сделаем два допущения. Для уяснения их сути обратимся к эквивалентной схеме по постоянному току относительно точки КТ2 (см. рис. 7.3). На рисунке: R_U – сопротивление источника E; R_Э – эквивалентное входное сопротивление схемы без учёта элементов R₁ и R₂; R_V – сопротивление вольтметра; U₁, U₂ – результаты измерения одним вольтметром падений напряжения на сопротивлениях R₁ и R₂.Значением R_U можно пренебречь, поскольку при проектировании стремятся обеспечить R_U0. Второе допущение обусловлено влиянием на величину R_Э значения приложенного к нему напряжения из-за нелинейных свойств входящих в него полупроводниковых переходов. При измерении U₁ образуется делитель из групп параллельно соединённых сопротивлений R₁||R_V и R₂||R_Э⁽¹⁾, а, при измерении U₂ делитель образован R₁ и R_V||R₂||R_Э⁽²⁾ (верхний индекс символизирует номер измеряемого напряжения). Очевидно, что напряжение на R_Э меняется в зависимости от схемы подключения вольтметра, т.е. U₂⁽¹⁾U₂⁽²⁾U_2И (U_2И – истинное значение). Поэтому R_Э⁽¹⁾R_Э⁽²⁾ R_Э. Для режима работы схемы близкого к линейному, указанными отличиями можно пренебречь и считать R_Э неизменным.

Принятые допущения позволяют результаты измерения трёх напряжений объединить системой из трёх уравнений (измерения производить при отсутствии входного сигнала):

; ; ,

где U – результат измерения напряжения источника E; R=R₂||R_Э. Уравнения позволяют установить равенство отношений: U₁/U₂=R₁/R и выразить искомую величину (7.1):

Приведенные курсивом соображения позволяют выразить искомую величину (7.1):

,

где: E – э.д.с. источника питания - при малом внутреннем сопротивлении источника питания принимается равной напряжению на его выходных зажимах, U₁, U₂ – напряжения, измеренные на сопротивления R₁ R₂

Относительная погрешность измерения U_X :

,

где _U – оценка относительной погрешности результата измерения U; _отн=dU_m(1/U₁+1/U₂) – относительная погрешность отношения U₁/U₂. Для предела измерения вольтметра “стенда” 20 В погрешность вольтметра определяется c=1.5, d=0.2.

При _отн  0.1_U можно не учитывать оценку _отн и считать: _Х_U.

Измерение режима работы усилителя в остальных контрольных точках (узлах) схемы не вызывает затруднений, поскольку сопротивление вольтметра в этом случае существенно больше выходных сопротивлений цепей относительно этих точек.

Измерить постоянные времени интегратора (см. рис. 7.4) можно косвенным способом на основании зависимости выходного напряжения интегратора при постоянном входном воздействии (U_ВХ):

U_ВЫХ(t)= -U_ВХt/₁₍₂₎, (7.2)

где ₁₍₂₎=R₁₍₂₎C – постоянные времени интегратора по входу 1 (2). Приведённое соотношение, точное при идеальных элементах схемы, на практике сохраняет хорошую линейность. При скачкообразном изменении входного напряжения на величину U_ВХ значение U_ВЫХ будет меняться согласно (7.2) в течение интервала времени t действия скачка.

Экспериментально определить можно с помощью генератора прямоугольных импульсов и осциллографа. Для этого необходимо сигнал генератора прямоугольной формы подать на один из входов интегратора и вход CH1 канала осциллографа, а его 2-й канал соединить с выходом интегратора. Регулировками осциллографа добиться устойчивого изображения аналогичного рис. 7.5. Значения составляющих определяются по соответствующим размерам изображения L_Uвх, L_Uвых, L_t, значениям коэффициентов отклонения каналов k_о1, k_о2 и коэффициента развёртки k_p осциллографа:

U_ВХ= k_о1 L_Uвх; U_ВЫХ= k_o2 L_Uвых; t= k_p L_t.

Относительная погрешность каждой составляющей с размерностью напряжения (индекс “1” соответствует U_ВХ, а “2” – величине U_ВЫХ): _U1(2)=_k1(2)+_1(2)в, где _1(2)в=100b₁₍₂₎/L₁₍₂₎ – визуальная погрешность (в %); b₁₍₂₎ – толщина линии канала CH1 (CH2); _k1(2)=3% – погрешность любого из коэффициентов отклонения. Для t:

_t=_вt+_Кр+_НР,

где _вt=100b₁/L_t – визуальная погрешность (в %); _Кр=3% – погрешность коэффициента развёртки k_p; _НР=2% – погрешность из-за нелинейности развёртки.

Относительная погрешность измерения постоянной времени интегратора:

_=_Uвх+_Uвых+_t.

Литература

Метрология, стандартизация и сертификация : учебник для студ. высш. учеб. заведений/[Б.Я.Авдеев, В.В.Алексеев, Е.М.Антонюк и др.]; под ред В.В.Алексеева. – М. : Издательский центр «Академия», 2007. стр. 136-140, 67-68.