Длаба. Лаб_работа_4_6. Исследование метрологических характеристик осциллографа и измерение амплитудных и временных параметров электрических сигналов различной формы

• Название: Исследование метрологических характеристик осциллографа и измерение амплитудных и временных параметров электрических сигналов различной формы
• Анкор: Длаба
• Дата: 18.11.2020
• Размер: 0.58 Mb.
• Имя файла: Лаб_работа_4_6.doc
• Тип: Исследование; #151503
• страница: 3 из 3

Лабораторная работа 6.

ДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Цель работы  изучение динамического режима средств измерений.

Задание

1. 
   Ознакомиться с лабораторной установкой. Собрать схему исследования динамического звена 2-го порядка. Получить у преподавателя задание на выполнение лабораторной работы. Записать частоту f₀ собственных колебаний и коэффициент  демпфирования (степень успокоения)для заданных вариантов реализации динамического звена.
   
2. 
   Исследовать динамический режим заданных средств измерений при ступенчатом изменении входного сигнала.
   

2.1. Определить динамическую погрешность при заданных параметрах звена 2-го порядка и выбранных амплитуде и частоте входных сигналов  прямоугольных импульсов; погрешность определить в 6…10 точках на одном полупериоде входного сигнала. Построить графики входного и выходного сигналов исследуемого средства. Построить графики динамической погрешности. По результатам исследований сделать выводы о влиянии f₀ и/или  на характер изменения выходного сигнала и динамическую погрешность.

2.2. Определить время t_у установления выходного сигнала для различных частот f_0i собственных колебаний при заданном коэффициенте демпфирования . Построить график зависимости t_у = F(f_0i) при  = const. При определении времени установления принять погрешность асимптотического приближения переходного процесса, равную 5 % от установившегося значения.

2.3. Определить время t_у установления выходного сигнала для различных коэффициентов _i демпфирования при заданной частоте f₀ собственных колебаний. Построить график зависимости t_у = F(_i) при f₀ = const. По результатам пунктов 2.2, 2.3 сделать выводы о влиянии f₀ и  на время установления t_у.

3. 
   Исследовать динамический режим средств измерений при синусоидальном входном воздействии. Определить погрешности в динамическом режиме при указанных параметрах (f₀, ) звена 2-го порядка и заданной частоте входного сигнала; погрешности определить в 8…10 точках на одном периоде сигнала. Построить графики входного и выходного сигналов, график динамической погрешности. Сделать вывод о характере изменения динамической погрешности и оценить ее максимальное (амплитудное) значение.
   

Описание и порядок выполнения работы

Общие сведения. Изменение входного сигнала во времени может значительно повлиять на результаты измерений. Важными при этом являются, во-первых, характер изменения сигнала, т. е. его динамические свойства, и, во-вто­рых, «скорость реакции» средства измерений на входное воздействие, определяемая динамическими характеристиками этого средства. В таких случаях говорят о динамическом режиме средства измерений.

При анализе динамического режима средств измерений оказывается весьма удобным рассматривать идеальные и реальные средства измерений, сопоставляя реакцию этих средств на одни и те же входные воздействия.

Идеальные в динамическом смысле средства измерений СИ_и, иначе безынерционные, имеют, как правило, линейную зависимость выходного сигнала y_и(t) от входного x(t): y_и(t) = k_нx(t), где k_н – номинальный коэффициент преобразования. Очевидно, что в таких средствах измерений выходной сигнал во времени полностью повторяет входной с точностью до множителя k_н.

В
реальных средствах измерений СИ_р выходной сигнал y(t) в силу указанных причин будет иметь более сложную зависимость от входного сигнала, в частности, описываемую дифференциальными уравнениями соответствующего порядка.

Разность между выходным сигналом y(t) реального средства измерений и выходным сигналом y_и(t) (сигнал идеального средства измерений) при одном и том же входном сигналеx(t) определяет динамическую погрешность по выходу реального средства СИ_р измерений:

y(t) = y(t) – y_и(t).¹ (6.1)

Рисунок 6.1 иллюстрирует возможный вариант входногоx(t) и выходных y_и(t), y(t) сигналов идеального и реального средств измерений и возникающую при этом динамическую погрешность y(t). На рис. 6.2 показана структурная схема, удобная для интерпретации и оценки возникающей динамической погрешности.

Структурная схема лабораторной установки. Лабораторная установка состоит из трех основных блоков:

• 
  унифицированной вертикальной стойки, включающей источники питания, генератор сигналов прямоугольной, синусоидальной и треугольной формы и измерительные приборы – цифровой частотомер и два цифровых вольтметра;
  
• 
  двухканального электронно-лучевого осциллографа;
  
• 
  специализированного горизонтального модуля, предназначенного для выполнения конкретной лабораторной работы – исследования динамического режима средств измерений.
  

В специализированном горизонтальном модуле находится объект исследования – фильтр нижних частот (ФНЧ) 2-го порядка, в котором предусмотрена возможность дискретного изменения частоты собственных колебаний  4 положения, и коэффициента демпфирования (или степени успокоения)  так же 4 положения. Различным сочетанием этих параметров достигается широкий диапазон изменения динамических характеристик объекта исследования. Ручки переключения соответствующих параметров установлены на лицевой панели пульта в правой верхней его части.

Структурная схема лабораторной установки представлена на рис. 6.3, где ЭЛО – двухканальный электронно-лучевой осциллограф, имеющий вход по оси Z; приборы, установленные на вертикальном стенде: ГС – генератор сигналов прямоугольной, синусоидальной и треугольной формы, ЦВ1 и ЦВ2 – цифровые вольтметры, ЦЧ – цифровой частотомер; устройства, встроенные в горизонтальный пульт (на схеме обведены штриховой линией): ФНЧ – фильтр нижних частот, УВХ1 и УВХ2 – устройства выборки и хранения мгновенных значений напряжений входного и выходного сигналов ФНЧ соответственно, блок синхронизации («Синхронизация»), блок управления выборкой («Управление выборкой»). Управление временем выборки осуществляется двумя потенциометрами, установленными в нижней правой части передней панели модуля.

Рекомендации по сборке схемы. При сборке принципиальной схемы, соответствующей структурной схеме (рис. 6.3), все связи реализуются двухпроводными линиями с соблюдением «земляных» зажимов. Входы Y1, Y2, Z осциллографа имеют коаксиальные кабели.

Перед проведением экспериментов необходимо совместить начальную установку лучей по обоим каналам осциллографа и установить одинаковые коэффициенты отклонений, удобные для визуального наблюдения. Установить коэффициент развертки, при котором на экране осциллографа наблюдается один период (или полупериод) входного сигнала.

П ринцип работы схемы и методические указания. Лабораторная установка позволяет одновременно наблюдать входные и выходные сигналы объекта исследования – фильтра нижних частот на экране двухканального осциллографа и измерять мгновенные значения напряжения этих сигналов в определенные моменты времени, устанавливаемые в процессе измерений. Таким образом, на установке реализуются дискретные измерения переменных во времени сигналов.

Выходные сигналы генератора ГС используются как испытательные сигналы для ФНЧ, относительно которых реализуется общая синхронизация работы всей установки. Вид сигналов, их частота и амплитуда определяются заданием.

Для визуального наблюдения входного и выходного сигналов ФНЧ эти
сигналы подаются соответственно на входы Y1 и Y2 двухканального осцилло­графа, работающего в режиме внешней синхронизации. Для запуска развертки блоком «Синхронизация» при положительном фронте входного сигнала
(см. также рис. 6.4) вырабатывается импульс синхронизации, который подается на вход «Вн. синхр» осциллографа и запускает генератор развертки. Этим достигается устойчивое изображение сигналов на экране при заданном моменте начала развертки, совпадающим с передним фронтом входного импульса. Фрагмент такого изображения, а также управляющие импульсы представлены на рис. 6.4.

Измерение сигналов проводят в некоторые дискретные моменты времени. Выбор точек измерений проводится из соображений возможности восстановления непрерывных кривых сигналов, как, например, показано на рис. 6.4, где измерения проводятся в точках 1, 2, …, 7, определяющих экстремумы и точки пересечения кривых изображения сигналов.

Момент времени измерений определяется импульсом управления выборкой, который вырабатывается блоком «Управление выборкой» с некоторой временной задержкой  относительно импульса синхронизации. Величина этой задержки (  var) регулируется вручную на пульте управления. Для визуального наблюдения положения импульса на осциллограмме этот импульс подается на вход Z осциллографа и запирает электронный луч, что



наблюдается в виде «пробела» на осциллограмме (см. т. 3 на рис. 6.4). Установленное время задержки  измеряют цифровым частотомером ЦЧ в режиме измерения временного интервала при старт-стопном запуске.

Измерение мгновенных значений напряжений осуществляется с помощью устройств выборки и хранения УВХ и цифровых вольтметров ЦВ, установленных в цепях входа (УВХ1, ЦВ1) и выхода (УВХ2, ЦВ2) ФНЧ.

С приходом импульса управления выборкой в УВХ запоминается текущее мгновенное значение напряжения и сохраняется в течение достаточно большого времени, необходимого для измерения напряжения цифровым вольтметром ЦВ.

Таким образом проводятся измерения входных u_вхi и выходных u_выхi сигналов ФНЧ в выбранных дискретных точках t_i, где t_i – моменты времени измерения напряжений, отсчитываемые от импульса синхронизации. Результаты измерений по каждому эксперименту заносятся в таблицу.

ti	t1	t2	…	tn
uвх i	uвх1	uвх2	…	uвх n
uвых i	uвых1	uвых2	…	uвых n

По полученным дискретным точкам строятся требуемые по заданию графики. Приводятся выводы по работе.

Лабораторная работа 7.

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ
В ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМАХ

Цель работы  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 режим работы усилителя на постоянном токе; оценить погрешности измерений.
   
3. 
   Измерить коэффициент усиления усилителя.
   
4. 
   Измерить коэффициенты формы и амплитуды сигналов специальной формы на двух (трех) частотах; оценить погрешности результатов.
   
5. 
   Измерить постоянную времени интегратора. Оценить погрешность результата.
   

Описание и порядок выполнения работы

Измерение режимов работы усилителя на постоянном токе. Объектом исследования является усилитель переменного тока, схема которого представлена на рис. 7.1.Перед исследованием необходимо подать на усилитель питание напряжением U_п = 9…10 В с источника постоянного напряжения стенда, обязательно соблюдая полярности указанные на схеме.

Р ежим усилителя по постоянному току определяется в контрольных точках КТ2…КТ4 относительно отрицательного потенциала питания; для удобства изложения все точки, имеющие в данном случае одинаковый с минусом питания потенциал, часто именуются шиной (или общей шиной).

Измерения напряжений проводят вольтметром постоянного тока, находящимся на стенде, или электроннолучевым осциллографом, работающим в режиме с открытым входом.

Результаты измерений должны быть представлены в виде

,

где  значения напряжений, измеренные вольтметром или осциллографом в соответствующих контрольных точках,  абсолютные погрешности измерения напряжений (измерение напряжений соответствующими средствами и способы оценки погрешностей представлены в инструкциях пользователей к соответствующим приборам; в разделе «Применение осциллографа для измерения параметров сигналов» лаб. раб. 4 и во введении).

Прямые измерения напряжений в контролируемых точках возможны, если входное сопротивление вольтметра/осциллографа существенно больше сопротивлений участков цепи, где проводятся измерения; в этом случае шунтирующим влиянием средств измерений можно пренебречь.

Особое внимание необходимо уделять измерению напряжений во входных цепях усилителей, которые часто делают высокоомными. В этом случае прямые измерения напряжения в контрольной точке КТ2 могут привести к большой погрешности измерений из-за шунтирующего влияния самих средств измерений.

1 При установке номинальных коэффициентов отклонения и развертки необходимо следить, чтобы ручки плавной регулировки этих коэффициентов находились в крайнем правом (по часовой стрелке) положении.

1Поскольку верхняя частота f_в полосы пропускания осциллографа соизмерима с максимальной частотой генератора, то в случае, если не достигается требуемый спад АЧХ осциллографа, принять для данного эксперимента за верхнюю частоту f_в максимальную частоту генератора с указанием уровня спада АЧХ.

1 В обозначение мощности «Р» искусственно введен индекс «m» c целью отличия от такого же общепринятого обозначения вероятности Р.

2 Для иллюстрации достоинств многократных измерений эксперименты пп. 4 и 5 по указанию преподавателя могут быть проведены дважды: при небольшом числе измерений (5…7) и числе измерений 20…25. Число измерений и количество экспериментов задаются преподавателем.

1 В общем случае выражение (6.1) включает динамическую и статическую погрешности средств измерений. Однако в данной работе будем считать, что статическая погрешность пренебрежимо мала.

- -