Метод Указ к лаб раб по МСС 2010. Методические указания к лабораторным работам по мсс. Электронная версия 2010г порядок выполнения лаб работ

• Название: Методические указания к лабораторным работам по мсс. Электронная версия 2010г порядок выполнения лаб работ
• Анкор: Метод Указ к лаб раб по МСС 2010.doc
• Дата: 26.04.2018
• Размер: 0.94 Mb.
• Имя файла: Метод Указ к лаб раб по МСС 2010.doc
• Тип: Методические указания; #18503
• страница: 8 из 9

7. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВОГО СДВИГА

Цель работы

Изучить основные методы измерения фазового сдвига:

• 
  осциллографический,
  
• 
  времяимпульсный.
  

Разобраться в принципах работы цифрового фазометра времяимпульсного типа путем моделирования его работы с использованием электронно-счетного частотомера.

Ознакомиться с простым методом оценки характеристики группового времени прохождения четырехполюсника с использованием фазометра и электронно-счетного частотомера.

Получить практические навыки выполнения фазовых измерений.
Используемые приборы и оборудование

1. 
   Цифровой фазометр Ф2-34.
   
2. 
   Универсальный электронно-лучевой осциллограф С1-67.
   

2. Электронно-счетный (цифровой) частотомер Ч3-33.

3. Генератор измерительных сигналов низкочастотный Г3-109.

4. Исследуемый четырехполюсник.
Лабораторное задание

1. 
   Определить фазочастотную характеристику четырехполюсника осциллографическим методом и с использованием фазометра.
   
2. 
   Промоделировать работу цифрового фазометра времяимпульсного типа с помощью цифрового частотомера.
   
3. 
   Снять характеристику группового времени прохождения четырехполюсника с использованием фазометра и электронно-счетного частотомера.
   

Подготовка к работе (домашнее задание)

1. Изучить теоретический материал по литературе [1,2] и конспект лекций.

2. Проработать краткое техническое описание фазометра Ф2-34 [4] и заполнить табл.7.1.

Таблица 7.1

Основные метрологические характеристики фазометра Ф2-34

Диапазон рабочих частот, МГц
Диапазон измерения углов фазового сдвига сигналов в рабочем диапазоне частот, град
Разрешающая способность индикатора, град
Основная абсолютная погрешность измерения фазового сдвига в диапазоне 5 Гц - 5 МГц, град
Диапазон входных напряжений на частотах 5 Гц - 5 МГц (без выносных делителей), В
Входное сопротивление, МОм
Входная емкость, пФ

3. Изучить описание данной работы и заготовить в рабочей тетради формы таблиц в соответствии с указаниями к отчету.
Сформулировать ответы на следующие вопросы, которые могут быть заданы при допуске к работе и при ее защите:

1. 
   Нарисуйте схему измерения фазочастотной характеристики четырехполюсника с использованием осциллографа. Какой режим работы канала X следует при этом установить? Какая формула лежит в основе осциллографического метода фазовых измерений?
   
2. 
   Назовите источники систематической и случайной составляющих погрешности осциллографического метода измерения фазового сдвига. Каким образом их можно уменьшить?
   
3. 
   Выведите формулу для оценки погрешности косвенных измерений фазового сдвига осциллографическим методом.
   
4. 
   Какое уравнение положено в основу измерения фазового сдвига времяимпульсным методом. Назовите источники случайных и систематических составляющих погрешности. Каким образом можно уменьшить погрешность времяимпульсных фазометров?
   
5. 
   Нарисуйте структурную схему цифрового фазометра времяимпульсного типа с измерением за один период. Каким фактором ограничен частотный диапазон таких фазометров?
   
6. 
   Надо ли использовать в фазометрах времяимпульсного типа высокостабильные опорные генераторы?
   
7. 
   Каким образом можно получить характеристику группового времени прохождения четырехполюсника? В чем ее преимущество перед фазочастотной характеристикой?
   

Включить приборы для прогрева. Проработать краткое техническое описание фазометра Ф2-34 [4] и ознакомиться с его органами управления. Провести операцию калибровки фазометра.
Порядок выполнения работы и методические указания

1. Измерение фазочастотной характеристики четырехполюсника

осциллографическим методом и с использованием фазометра

1. 
   Подключить генератор сигналов Г3-109 к входам Y и X осциллографа. В канале Хосциллографа установить режим внешней развертки. На частоте 1кГц отрегулировать уровень сигнала генератора и коэффициенты усиления каналов осциллографа таким образом, чтобы на экране была видна наклонная прямая линия. Постепенно увеличивая частоту генератора, оценить и записать в отчет граничную частоту, выше которой собственный фазовый сдвиг между каналами осциллографа достигает значений 3 - 5 градусов. Эта частота должна быть выше максимальной частоты 10 кГц, до которой предполагается измерять фазочастотную характеристику исследуемого четырехполюсника (табл. 7.2).
   
2. 
   Собрать схему измерения рис. 7.1. Фазометр к четырехполюснику пока не подключать.
   

y


а)





Рис. 7.1. К измерению фазового сдвига: а - схема; б - осциллограмма

б)

3. 
   Изменяя частоту генератора, записать в табл. 7.2 исходные данные для получения фазочастотной характеристики четырехполюсника ₀(f) осциллографическим методом на частотах, указанных в табл. 7.2.
   

Указание. Измерение фазового сдвига осциллографическим методом произвести в соответствии с указаниями п. 2.4 лабораторной работы 4.

4. 
   Подключить фазометр к исследуемому четырехполюснику (рис.7.1) с помощью делителей 1:15 или 1:100 таким образом, чтобы его Входы 1 и 2 были бы соединены с выходом четырехполюсника. Убедиться, что показания фазометра близки к 0, в противном случае повторить операцию калибровки фазометра.
   
5. 
   Подключить Вход 1 фазометра ко входу четырехполюсника, Вход2 оставить подключенным к его выходу и снять фазочастотную характеристику четырехполюсника _ф(f) на тех же частотах, что и в п.1.3. Результаты записать в табл. 7.2.
   

Таблица 7.2

Результат измерения фазового сдвига осциллографическим методом

и с использованием фазометра

f, кГц	Осциллографический метод						Фазометр
	2Y, дел	2В, дел	Y/В	0, град	0, град	, град	ф , град	ф, град
0,5
1,0
2,0
5,0
10,0

6. 
   Рассчитать основную абсолютную погрешность измерения фазового сдвига с использованием фазометра _ф по его метрологическим характеристикам, приведенным в табл. 7.1.
   
7. 
   Оценить погрешность косвенного измерения фазового сдвига осциллографическим методом ₀, обусловленную погрешностью измерения отрезков 2Y и 2Бпо шкале экрана осциллографа ( 0,1 деления). Записать результаты расчета в табл. 7.2.
   
8. 
   Оценить для каждой частоты (табл. 7.2) абсолютную погрешность  измерения фазового сдвига осциллографическим методом, приняв показания фазометра за действительные значения фазового сдвига:  = ₀ – _ф.
   
9. 
   Сопоставить три полученные оценки погрешностей _ф , ₀ и . Какая из этих оценок должна быть больше?
   
10. 
    Построить графики фазочастотной характеристики четырехполюсника по результатам ее измерения двумя способами.
    

2. Моделирование цифрового фазометра времяимпульсного типа

с использованием электронно-счетного частотомера

1. 
   Собрать схему измерения рис.6.2.
   

Рис. 7.2. Схема измерения фазового сдвига с помощью цифрового частотомера



Рис. 7.3. Осциллограммы сигналов на входах А и Б
цифрового частотомера при измерении фазового сдвига
Указание. Работа цифрового фазометра времяимпульсного типа основана на методе дискретного счета. В основу положено уравнение (рис.7.3):

(7.1)

где t_ - интервал времени, соответствующий измеряемому фазовому сдвигу; Т - период исследуемого синусоидального сигнала; К - градуировочный коэффициент, задающий размерность результата измерения (если К = 360, то размерность - градусы, если К = 2π, то - радианы).

В соответствии с (7.1) в цифровом фазометре величиныt_и Т преобразуются в цифровой код, с помощью процессора определяется их отношение, результат умножается на К и выводится на отсчетное устройство. Работа такого цифрового фазометра может быть промоделирована с помощью электронно-счетного частотомера (ЭСЧ), так как этот прибор измеряет каквременной интервал t_ , так и период сигнала Т. На основе этих измерений разность фаз двух синусоидальных сигналов можно рассчитать по (7.1).

При измерении временной задержки t_ может возникнуть систематическая погрешность _с , связанная с неодинаковой установкой уровней запуска (порогов срабатывания) формирующих устройств каналов А и Б частотомера (уровни 1 и 2 на рис.7.3). Для обнаружения, уменьшения и исключения этой погрешности целесообразно перед началом измерения фазового сдвига подать на входы А и Б частотомера один и тот же синусоидальный сигнал (например, подключить вход Б частотомера к выходу четырехполюсника) и с помощью регуляторов уровня запуска формирователей каналов А и Б добиться минимального значения _с по показаниям частотомера. В дальнейшем эту систематическую погрешность нужно исключить из результата измерения.

2.2. Установить частотомер в режим измерения периода. Для уменьшения погрешности квантования (дискретности) выбрать период меток времени Т₀ минимально возможным.

Установить частоту сигнала генератора 0,5 кГц, измерить период Т и записать полученное значение во второй столбец табл. 7.3.
Указание. Для устойчивой работы частотомера уровень сигнала на его входе должен быть не ниже 1 В.

2.3. Переключить частотомер в режим измерения интервалов времени (Т_А-Б). Установить тумблеры запуска каналов А и Б в одинаковые положения запуска (положительными или отрицательными фронтами входных сигналов), а регуляторы уровня запуска - в среднее положение.

Подключить вход Б частотомера к выходу четырехполюсника, т.е. подать на оба входа частотомера один и тот же сигнал. Регулировкой уровней запуска каналов А и Б установить минимальное значение _с по показаниям частотомера. Значение _с записать в табл. 7.3.

Указание. Следует иметь в виду, что если в процессе уменьшения _с уровень запуска канала Б станет ниже уровня запуска канала А, то показания частотомера изменятся скачком от величины _с до (Т – _с ). Поэтому не следует добиваться очень малого значения _с . Кроме того, при измерении величины _с может возникнуть случайная погрешность, обусловленная нестабильностью уровней запуска. В этом случае за оценку _с следует принять среднее арифметическое значение из ряда нескольких (3 - 5) измерений.

2.4. Подключить вход Б частотомера ко входу четырехполюсника. Показания частотомера при этом будут соответствовать временной задержке синусоидального сигнала в четырехполюснике на данной частоте. Эти показания могут иметь разброс, связанный с наличием случайной погрешности уровня запуска, поэтому в табл. 7.3 нужно записать результаты 5 измерений , вычислить среднее арифметическое и вычесть _с. В итоге временная задержка

Указание. Обратите внимание, что изменение показаний в пределах 1 (единицы) младшего разряда - это погрешность квантования (дискретности).

2.5. Повторить измерения Т, _с и t_ на других частотах, указанных в табл. 7.3, в соответствии с п.п. 2.2 - 2.4.

2.6. Оценить для каждой частоты из табл. 7.3 погрешность уровня запуска

,

где , и суммарную погрешность частотомера при измерении задержки t_:



Примечание. Следует обратить внимание, что погрешность опорного генератора частотомера принципиально не влияет на результат измерения фазового сдвига, поскольку эта величина определяется отношением величин t_ и Т и значение периода меток времени T₀ не входит в результат измерения. Именно поэтому в цифровых фазометрах времяимпульсного типа не используют высокостабильные опорные генераторы.

2.7. Вычислить суммарную абсолютную погрешность измерения фазового сдвига  на каждой частоте по формуле (7.1)



Значение фазового сдвига следует округлить с учетом полученного значения суммарной абсолютной погрешности _.

Указание. При расчете _ , в общем случае, нужно было бы учесть и погрешность измерения периода Т, значение которого входит в формулу (7.1). Поскольку Т, как правило, заметно больше t_ , эту составляющую погрешности в данном эксперименте не учитывать.

0. 
   Результаты измерения фазочастотной характеристики четырехполюсника, полученные с использованием частотомера, нанести на график, построенный при выполнении п.1.10.
   

Таблица 7.3

Моделирование цифрового фазометра с помощью частотомера

Метка времени Т₀ = мкс

f, кГц	Эксперимент			Расчет
	Т, мс	с, мс	t, мс	t, мс	зап, мс	t, мс	, град	, град
0,5
1,0
2,0
5,0

0. 
   Сделать вывод об изменении вклада погрешности уровня запуска и погрешности квантования (дискретности) в суммарную абсолютную погрешность измерения фазового сдвига _ времяимпульсным методом с увеличением частоты сигнала. Каким образом можно уменьшить погрешность измерения фазового сдвига времяимпульсным методом и в результате расширить частотный диапазон таких фазометров? Какой диапазон частот имеет цифровой фазометр Ф2-34, использованный при выполнении п.1 данной работы?
   

3. Измерение группового времени прохождения

Указания. При исследовании каналов связи различного типа вместо фазочастотных характеристик (ФЧХ) часто используют характеристику группового времени прохождения (ГВП), которая является производной от ФЧХ по круговой частоте

t_гр=- d/d =-d/2df.

При практических измерениях ГВП операцию дифференцирования можно приближенно заменить вычислением отношения приращения фазового сдвига _ (в градусах!) к небольшому приращению частоты _f:

t_гр = -_/(360_f).

Если приращение частоты в кГц, то ГВП будет оценено по этой формуле, в мс.

Когда фазочастотная характеристика линейно изменяется с частотой, то фазовые искажения в канале отсутствуют. Этому случаю соответствует постоянство характеристики ГВП, которое в некоторой полосе частот по графику оценить проще, чем степень линейности ФЧХ.

0. 
   Собрать схему рис. 7.4.
   
1. 
   Установить на частотомере время измерения 10 с.
   

Рис. 7.4. Схема измерения группового времени запаздывания

0. 
   Установить по показаниям частотомера частоту генератора Г3-109 приблизительно на 20 Гц меньше значения частоты f₀, на которой измеряется ГВП (указано в первой строке первого столбца табл. 7.4). Записать измеренное значение частоты f₁ и показания фазометра ₁ в соответствующие столбцы табл.7.4.
   

Экспериментальные и расчетные данные измерения Таблица 7.4

f0 , кГц	f1, кГц	f2, кГц	Δf, Гц	1, град	2, град	Δ2, град	T, с
0,20
0,50
1,00
2,00
5,00

Изменить частоту генератора Г3-109 таким образом, чтобы она стала приблизительно на 20 Гц больше значения частоты f₀. Записать измеренное частотомером значение частоты f₂ и показания фазометра ₂ в соответствующие столбцы табл.7.4.

0. 
   Повторить эти измерения для всех значений частот, указанных в табл. 7.4.
   
1. 
   Рассчитать значения приращений частоты _f = f₂ – f₁и фазового сдвига _ = ₂ – ₁ и вычислить для всех строк табл. 6.4 групповое время прохождения:
   

t_гр = -_/(360_f).

Указание. Обратите внимание, что наличие множителя 1/360 в этой формуле обусловлено тем, что показания фазометра выражены в градусах.

0. 
   Построить график зависимости ГВП от частоты f₀ для исследуемого четырехполюсника.
   

Отчет должен содержать:

1) номер и наименование работы;

2) цель работы;

3) заполненные табл. 7.1 - 7.4 с их заголовками;

4) схемы измерений с соответствующими подписями;

5) графики фазочастотных характеристик исследуемого четырехполюсника, полученных в пп.1.10 и 2.8, и график характеристики ГВП, полученной в п. 3.4;

6) Выводы по пп. 1.9, 2.9 и 3.5.