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

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 режим работы усилителя на постоянном токе; оценить погрешность измерений.

3. Измерить коэффициент усиления усилителя.

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

5. Измерить постоянную времени интегратора. Оценить погрешность результата.

Описание и порядок выполнения работы

Измерение режимов работы усилителя производится в контрольных точках КТ2¸КТ4 относительно отрицательного потенциала питания. 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 схеме. 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⁾¹U₂⁽²⁾¹U_2И (U_2И – истинное значение). Поэтому R_Э⁽¹⁾¹R_Э⁽²⁾¹ 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 вольтметром постоянного тока):

, , ,

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).

Приведённые 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 сопротивлениях R₁, R₂.

Относительная погрешность измерения U_X:

,

где d_U – оценка относительной погрешности результата измерения U; d_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 d_отн £ 0.1×d_U можно не учитывать оценку d_отн и считать: d_Х»d_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.

Определить коэффициент усиления предлагаемого устройства можно для двух выходов (контрольные точки КТ3 или КТ4 на рис. 7.2) с помощью генератора ГС и осциллографа. Для этого следует подключить к входу усилителя источник сигнала, а выбранный выход усилителя подключить к входу CH1 (CH2) осциллографа. Установив частоту синусоидального сигнала равной 1 кГц, следует отрегулировать амплитуду сигнала таким образом, чтобы изображение сигнала на экране осциллографа казалось неискажённым. После определения размера изображения двойной амплитуды L_ВЫХ (в делениях сетки экрана) оценивают значение сигнала: U_ВЫХ=k_о1×L_ВЫХ, где k_о1 – коэффициент отклонения осциллографа. Затем, подключив осциллограф к входу усилителя, подбирают значение коэффициента отклонения k_оХ, обеспечивающее удобное наблюдение входного сигнала. Значение входного сигнала: U_ВХ=k_оХ×L_ВХ, где L_ВХ – размер изображения двойной амплитуды входного сигнала, в делениях. Коэффициент усиления оценивается по формуле:

K=U_ВЫХ/U_ВХ.

Относительная погрешность результата (в процентах):

d_K = d_Ко1+d_КоХ+d_Lвых+d_Lвх,

где d_Ко1=d_КоХ=3% – относительные погрешности коэффициентов отклонения k_о1, k_оХ; d_Lвых, d_Lвх – визуальные погрешности определения размеров L_ВЫХ и L_ВХ, каждую из которых находят по формуле: %,

где b – толщина следа луча на экране, в долях делений.

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 является генератор сигналов специальной формы (синусоидальной, прямоугольной, треугольной) входящий в “стенд” лабораторного комплекта.

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 предельной допускаемой приведённой (к U_m=10В) погрешностью g; для соответствующих преобразователей g_А=1.5, g_ср=1.5, g_д=2.5 в диапазоне частот от 20 Гц до 50 кГц.

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

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

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

d_k = d_А(С)+d_Д+d_ВА(С)+d_ВД (%),

где d_А(С) – относительная погрешность амплитудного (средневыпрямленного) преобразования; d_Д – относительная погрешность преобразователя действующего значения; d_ВА(С), d_ВД – относительные погрешности измерений напряжения вольтметрами.

Относительные погрешности вольтметров определяются 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

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

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/t₁₍₂₎, (7.2)

где t₁₍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 DU_ВХзначение DU_ВЫХ будет меняться согласно (7.2) в течение интервала времени Dt 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_DUвх, L_DUвых, L_Dt, значениям коэффициентов отклонения каналов k_о1, k_о2 и коэффициента развёртки k_p осциллографа:

DU_ВХ= k_о1 L_DUвх; DU_ВЫХ= k_o2 L_DUвых; Dt= k_p L_Dt.

Относительная погрешность каждой составляющей с размерностью напряжения (индекс “1” соответствует DU_ВХ, а “2” – величине DU_ВЫХ): d_U1(2)=d_k1(2)+d_1(2)в, где d_1(2)в=100×b₁₍₂₎/L₁₍₂₎ – визуальная погрешность (в %); b₁₍₂₎

– толщина линии канала CH1 (CH2); d_k1(2)=3% – погрешность любого из коэффициентов отклонения. Для Dt:

d_Dt=d_вDt+d_Кр+d_НР,

где d_вDt=100×b₁/L_Dt – визуальная погрешность (в %); d_Кр=3% – погрешность коэффициента развёртки k_p; d_НР=2% – погрешность из-за нелинейности развёртки.

Относительная погрешность измерения постоянной времени интегратора:

d_t=d_Uвх+d_Uвых+d_Dt.

Работа 8.ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Цель работы – изучение средств и методов измерения параметров электрических цепей; оценка результатов и погрешностей измерений.

Задание

1. Ознакомится со средствами измерений параметров электрических цепей в лабораторной работе и соответствующими инструкциями пользователей. Получить у преподавателя конкретное задание по используемым средствам измерений и объектам измерений.

2. Измерить и оценить погрешности результатов измерений сопротивления резисторов, встроенных в лабораторный стенд, следующими приборами:

– измерителем импеданса («измерителем иммитанса»),

– универсальным электронным вольтметром в режиме измерения сопротивления,

– универсальным цифровом вольтметром в режиме измерения сопротивления,

– комбинированным магнитоэлектрическим измерительным прибором (тестером) в режиме измерения сопротивления (режиме омметра).

Определить погрешности измерений сопротивления резисторов различными приборами. Провести сравнительный анализ полученных результатов.

3. Измерить емкость С и тангенс угла потерь конденсатора, индуктивность L и добротность Q катушки измерителем импеданса по параллельной и последовательной схемам замещения; оценить погрешности результатов измерений.