Лабораторный практикум по дисциплине "Электротехнические измерения"

Министерство образования и науки Самарской области

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение

среднего образования

                          «Тольяттинский индустриально-педагогический колледж»

                         (ГАПОУ СО «ТИПК»)

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

по дисциплине «Электротехнические измерения»

для студентов специальности

09.02.03. Компьютерные системы и комплексы.

Тольятти 2016 г.

Еремеева В.В.. Лабораторный практикум по дисциплине «Электротехнические измерения» для студентов специальности среднего профессионального образования 09.02.03. Компьютерные системы и комплексы. Тольятти, Изд-во ТИПК, 2016.- 43 с.

Практикум содержит методические рекомендации для студентов к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электротехнические измерения». Раскрывает методы сборки и тестирования реальных и виртуальных электрических схем, способы измерений электротехнических величин, методы учета погрешностей измерений с помощью лабораторного оборудования и виртуальных схем, описывает использование инновационных педагогических технологий при проведении лабораторных работ в лаборатории «Электротехники, электроники и автоматизации производства».

Утверждено

протокол заседания научно-методического совета ГАПОУ СО «ТИПК»

№____ от «____»______________ 2016 г.

Председатель Чернова С.Н.___________________ /

© ГАПОУ СО «ТИПК»

Содержание

Введение. 4

Лабораторная работа №1 «Измерение параметров электрических сигналов комбинированным прибором». 6

Лабораторная работа №2 «Измерение переменных напряжений цифровым вольтметром». 11

Лабораторная работа №3 «Изучение органов управления ГВЧ и контроль режимов работы». 15

Лабораторная работа №4 «Изучение органов управления и контроль режима работы генератора импульсных сигналов». 21

Лабораторная работа №5 «Измерение электронным осциллографом параметров непрерывных и импульсных сигналов». .24

Лабораторная работа №6 «Измерение двухлучевым осциллографом параметров различных сигналов»……………………………………………………………….32

Лабораторная работа №7 «Измерение частоты и интервалов времени электронно-счётным частотомером»……………………………………………...36

Список источников и литературы. 43

Список оборудования. 43

Введение

Цель проведения лабораторного практикума по дисциплине «Электротехнические измерения» - выработка практических навыков и умений по измерению, расчетам электрических параметров различных схем и устройств, по сборке электрических схем, по проектированию, измерению и расчетам электронных устройств.

В результате  выполнения лабораторного практикума  обучающийся должен уметь:

классифицировать основные виды средств измерений;

применять основные методы и принципы измерений;

применять методы и средства обеспечения единства и точности измерений;

применять аналоговые и цифровые измерительные приборы, измерительные генераторы;

применять генераторы шумовых сигналов, акустические излучатели, измерители шума и вибраций, измерительные микрофоны, вибродатчики;

применять методические оценки защищённости информационных объектов.

должен знать:

основные понятия об измерениях и единицах физических величин;

основные виды средств измерений и их классификацию;

методы измерений;

метрологические показатели средств измерений;

виды и способы определения погрешностей измерений;

принцип действия приборов формирования стандартных измерительных сигналов;

влияние измерительных приборов на точность измерений;

методы и способы автоматизации измерений тока, напряжения и мощности.

Общие компетенции, формируемые в результате выполнения лабораторного практикума:

ОК-2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК-3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность.

ОК-6. Работать в коллективе и в команде, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК.7. Брать на себя ответственность за работу членов команды (подчинённых), за результат выполнения заданий.

ОК.9. Ориентироваться в условиях частой смены технологий в профессиональной деятельности.

Лабораторный практикум рассчитан на 14 часов аудиторных занятий.

Занятия проводятся в специально оборудованной лаборатории, оснащение которой позволяет провести все виды указанных работ.

Перед выполнением лабораторных работ необходимо ознакомиться с инструкцией по технике безопасности, проверить рабочее место на наличие опасных факторов, подготовить рабочее место к работе, подготовить ручку и бланк отчета по лабораторной работе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1.

Тема  «Измерение параметров электрических сигналов комбинированным прибором».

Цель лабораторной работы: научиться измерять параметры электрических сигналов комбинированным прибором.

Содержание работы.

1.1. Теоретические сведения.

Измерение силы тока

Амперметр – прибор для измерения силы тока в амперах. Шкалу амперметров градуируют в микроамперах, миллиамперах, амперах или килоамперах в соответствии с пределами измерения прибора. В электрическую цепь амперметр включается последовательно с тем участком электрической цепи, силу тока в котором измеряют; для увеличения предела измерений — с шунтом или через трансформатор.

Наиболее распространены амперметры, в которых движущаяся часть прибора со стрелкой поворачивается на угол, пропорциональной величине измеряемого тока.

Амперметры бывают магнитоэлектрическими, электромагнитными, электродинамическими, тепловыми, индукционными, детекторными, термоэлектрическими и фотоэлектрическими.

Магнитоэлектрическими амперметрами измеряют силу постоянного тока; индукционными и детекторными — силу переменного тока; амперметры других систем измеряют силу любого тока. Самыми точными и чувствительными являются магнитоэлектрические и электродинамические амперметры.

Принцип действия магнитоэлектрического прибора основан на создании крутящего момента, благодаря взаимодействию между полем постоянного магнита и током, который проходит через обмотку рамки. С рамкой соединена стрелка, которая перемещается по шкале. Угол поворота стрелки пропорционален силе тока.

Электродинамические амперметры состоят из неподвижной и подвижной катушек, соединённых параллельно или последовательно. Взаимодействия между токами, которые проходят через катушки, вызывает отклонения подвижной катушки и соединённой с нею стрелки. В электрическом контуре амперметр соединяется последовательно с нагрузкой, а при высоком напряжении или больших токах — через трансформатор.

Измерение напряжения.

Вольтметр- измерительный прибор непосредственного отсчёта для определения напряжения или ЭДС в электрических цепях. Подключается параллельно нагрузке или источнику электрической энергии

По принципу действия вольтметры разделяются на: электромеханические — магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, выпрямительные, термоэлектрические; электронные — аналоговые и цифровые. По назначению: постоянного тока; переменного тока; импульсные; фазочувствительные; селективные; универсальные. По конструкции и способу применения: щитовые; переносные; стационарные.

Комбинированные приборы магнитоэлектрической системы.

Для измерения в цепях постоянного тока используются комбинированные приборы магнитоэлектрической системы ампер-вольтметры. Технические данные о некоторых типах приборов приведены в таблице 1.

Магнитоэлектрические механизмы конструктивно могут быть выполнены с неподвижным магнитом и подвижной рамкой или с подвижным магнитом и неподвижной рамкой. Более широкое применение находят механизмы с неподвижным магнитом. Устройство такого измерительного механизма показано на рис. 1.1.

 

Рис. 1.1. Устройство магнитоэлектрического измерительного механизма с неподвижным магнитом.

Таблица 1.1. Комбинированные приборы магнитоэлектрической системы.

Наименование	Тип	Класс точности	Пределы измерения
Милливольт-миллиамперметр	М82	0,5	15-3000 мВ; 0,15-60 мА
Вольтамперметр	М128	0,5	75 мВ-600 В; 5; 10; 20 А
Ампервольтметр	М231	1,5	75-0-75 мВ; 100-0-100 В; 0,005-0-0,005 А; 10-0-10 А
Вольтамперметр	М253	0,5	15 мВ-600 В; 0,75 мА-3 А
Милливольт-миллиамперметр	М254	0,5	0,15-60 мА; 15-3000 мВ
Микроампервольтметр	М1201	0,5	3-750 В; 0,3-750 мкА
Вольтамперметр	М1107	0,2	45 мВ-600 В; 0,075 мА-30 А
Миллиампервольтметр	М45М	1	7,5-150 В; 1,5 мА
Вольтомметр	М491	2,5	3-30-300-600 В; 30-300-3000 кОм
Ампервольтомметр	М493	2,5	3-300 мА; 3-600 В; 3-300 кОм
Ампервольтомметр	М351	1	75 мВ-1500 В; 15 мкА-3000 мА; 200 Ом-200 Мом

Технические данные о комбинированных приборах –ампервольметрах и ампервольтваттметрах для измерения напряжения и тока, а также мощности в цепях переменного тока.

Комбинированные переносные приборы для измерения в цепях постоянного и переменного токов обеспечивают измерение постоянных и переменных токов и сопротивлений, а некоторые – также емкость элементов в весьма широком диапазоне, отличаются компактностью, имеют автономное питание, что обеспечивает их широкое применение. Класс точности этого типа приборов на постоянном токе2,5; на переменном – 4,0.

Эти измерительные приборы находят широкое применение для измерения электрических величин. Эти приборы позволяют, как правило, измерять в исключительно широких пределах переменные и постоянные напряжения и токи, сопротивления, в некоторых случаях частоту сигналов. В литературе их часто называют универсальными вольтметрами, в силу того, что любая измеряемая приборами величина так или иначе преобразуется в напряжение, усиливается широкополосным усилителем. Приборы имеют стрелочную шкалу (прибор электромеханического типа), либо дисплей с жидкокристаллическим индикатором, в некоторых приборах имеются встроенные программы, обеспечивается математическая обработка результатов.

1.2. Экспериментальная часть

1.2.1. Измерить комбинированным прибором силу тока, данные записать в таблицу.№1.2.

1.2.2. Измерить комбинированным прибором напряжение, данные записать в таблицу.№1.2.

1.2.3. Измерить комбинированным прибором сопротивление, данные записать в таблицу.№1.2.

Таблица №1.2 Результаты измерений.

Наименование физической величины	№ опыта
	1	2	3	4	5
Сила тока, А.
Напряжение, В.
Сопротивление, Ом.

1.3. Содержание отчета

Отчет по данной лабораторной работе должен содержать:

1) титульный лист по стандартной форме;

2) цель работы;

3) исходные данные (эквивалентные схемы исследуемых цепей и параметры их элементов);

4) таблицы с результатами вычислений и измерений;

5) основные расчетные формулы и уравнения;

6) графические диаграммы функций;

7) выводы и заключение о степени соответствия расчетных и экспери­ментальных результатов.

Контрольные вопросы

1. В каких единицах измерений измеряют силу тока?

2. Как называется прибор для измерения сопротивления?

3. Классификация приборов по классу точности.

4. Назовите системы, по которым изготавливаются средства измерений.

5. Сколько классов точности средств измерений Вы знаете?

Примечание.

Лабораторная работа рассчитана на 2часа.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2.

Тема «Измерение переменных напряжений цифровым вольтметром».

Цель лабораторной работы:  научиться измерять переменные напряжения цифровым вольтметром.

Содержание работы.

2.1    Краткие теоретические сведения.

Для приборов, измеряющих напряжение переменного тока, характерны три варианта  структурной схемы, что зависит от  типа преобразователя (рис.2.1, а – в). Принцип действия  вольтметра, построенного по схеме на рис.2.1,а, заключается в преобразовании напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока, которое измеряется стрелочным электроизмерительным прибором. Такие приборы пригодны лишь для измерения напряжения значительной амплитуды (их используют для контроля напряжения в низкочастотных   и высокочастотных измерительных генераторах, модуляторах мощных генераторов и т.п.), так как для  измерения малых напряжений они недостаточно чувствительны. Поэтому в подобных случаях применяют вольтметры, у которых после преобразователя (рис.2.1,б) либо до него (рис.2.1,в) дополнительно включен усилитель.

Вход

		а)

 

Вход

 

Вход

 

Вход

Рис 2.1.структурные схемы вольтметров.

Сравнивая структурные схемы на рис2.1,б и в, можно ее до изучения конкретных схемных решений установить ряд свойств приборов, оценить их достоинства и недостатки. Вольтметры, построенные по первой схеме, отличаются очень широким диапазоном частот: они позволяют измерять напряжения высоких частот вплоть до 1 ГГц. Приборы же, выполненные по второй схеме, имеют более узкую полосу, ограниченную полосой пропускания усилителя напряжения  переменного тока (как правило, до 10…50 МГц). Зато схема, показанная на рис.2.1,в, позволяет получить более высокую чувствительность, чем предыдущая, поскольку усилитель включен перед преобразователем. Такие схемы используют в милли- и микровольтметрах.  Причем  основным фактором, ограничивающим нижний предел измеряемого напряжения, являются собственные шумы усилителя. Следует отметить, что в схеме с предварительным усилителем возможны искажения формы напряжения (нелинейные искажения), которые практически отсутствуют в схеме, начинающейся с преобразователя.

 

Вход

Рис. 2.2. Структурная схема вольтметра.

При сопоставлении схем, изображенных на рис.2.1, б и рис.2.2, видно, что их можно сочетать в одном приборе. Такой универсальный вольтметр (рис.2.1,г) служит для измерения напряжений как переменного, так и постоянного тока.

Следует отметить, что стрелочные электронные вольтметры характеризуются сравнительно невысокой точностью (по отношению к цифровым вольтметрам): у лучших типов приборов приведенная погрешность 1…2,5 %. Однако при решении многих практических задач такой точности вполне достаточно.

2.2 Перечень используемого оборудования.

   2.2.1     Вольтметр GDM8145.

  2.2.2   Генератор измерительный GAG - 810.

  2.2.3   Персональный компьютер и аналого – цифровой преобразователь Handyprobe HP2.

2.3. Задание.

2.3.1 Изучить функциональную схему вольтметра В3-38А.

2.3.2 Изучить и знать назначение органов управления вольтметра.

2.3.3 Определить зависимости показаний вольтметра от частоты измеряемого напряжения.

2.3.4 Проверить правильность градуировки шкал вольтметра В3-38А.

2.3.5 По результатам измерений и вычислений сделать  выводы о качестве параметров вольтметра.

2.4. Схема проведения опыта.

 

Рис. 2.3. Структурная схема вольтметра.

 

Рис. 2.4. Структурная схема вольтметра.

2.5. Работа в лаборатории.

2.5.1. Подготовка прибора к работе.

2.5.1.1. Проверить заземление прибора.

2.5.1.2. Проверить механический пульт прибора и при необходимости скорректировать нулевое показание стрелки.

2.5.1.3. Переключатель пределов измерений установить в положение 300В.

2.5.1.4. Включить прибор в сеть.

2.5.1.5. После этого прибор готов для проведения измерений.

2.5.2. Определить зависимость показаний вольтметра от частоты измеряемого напряжения.

В нормальной области частот приведенная погрешность прибора не превышает максимальной допустимой основной приведенной погрешности. В расширенной области частот дополнительная погрешность прибора не должна превышать основной приведенной погрешности.  Ширина диапазона частот измеренных  напряжений определяется системой вольтметра.

2.5.2.1. Соберите схему 2.4.2.

2.5.2.2. В соответствии  с указанным  вариантом произведите измерения.

2.5.2.3. В таблице 5.2.1 приведены измерительные частоты пределы шкалы вольтметра и исходное напряжение при частоте 45Гц

2.5.2.4. Настройте генератор на частоту 45Гц и изменяя напряжение на выходе генератора, установите стрелку вольтметра В3-38А на указанную в таблице 2.5.2.1 величину U45.

Таблица 2.5.2.1.

№ Ва- рианта	Предел шкалы, В	f, кГц	0,02	0,045	0,2	1	2	5	10	20	100	200
1	1			0,5В
2	3			1,5В
3	3			2,5В
4	10			4В
5	10			5В

2.5.2.5. Измените частоту генератора (см. табл.5.2.1) и запишите показания вольтметра.

2.5.2.6. Заданные, измеренные и рассчитанные величины заносите в табл.2.5.2.2

Таблица 2.5.2.2

№ Ва- рианта	f, кГц	0,02	0,045	0,2	1	2	5	10	20	100	200
	U,В
	ΔU,В
	d,%

2.5.2.7. Рассчитайте абсолютные и относительные погрешности в сравнении с напряжением, установленным при частоте 45Гц по формулам:

        ΔU= Uf–U45   

                                                            Δ U

        ΔU= Uf–U45                        δ =  ───      •   100%

                                                             U45

2.5.3.8. Заданные, измеренные и рассчитанные величины занести в таблицу.

2.6. Содержание отчета

Отчет по данной лабораторной работе должен содержать:

1) титульный лист по стандартной форме;

2) цель работы;

3) исходные данные (эквивалентные схемы исследуемых цепей и пара­метры их элементов);

4) таблицы с результатами вычислений и измерений;

5) основные расчетные формулы и уравнения;

6) графические диаграммы функций;

7) выводы и заключение о степени соответствия расчетных и эксперимен­тальных результатов.

Контрольные вопросы

1. Каковы достоинства цифровых вольтметров?

2. Область применения цифровых вольтметров?

3. По каким основным схемам строятся цифровые вольтметры?

4. Какие требования предъявляются к усилителю переменного тока цифрового вольтметра?

Примечание.

Лабораторная работа рассчитана на 2часа.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3.

Тема «Изучение органов управления ГВЧ и контроль режимов работы».

Цель лабораторной работы:

1.1. Изучить функциональную схему генератора.

1.2. Знать технические характеристики.

1.3. Знать назначение органов управления.

1.4. Научиться пользоваться и приобрести навыки в работе с генератором типа RC.

Содержание работы.

3.1 Краткие теоретические сведения.

 

              R1                                                                                                                            

 

                C1              

Усилитель

Усилитель

                                                       

                     C2

    R2  

Рис. 3.1 Структурная схема RC – генератора.

Задающий генератор типа RC представляет собой двухкаскадный усилитель на резисторах с положительной обратной связью. Она осуществляется с помощью делителя, плечи которого образованы: одно – последовательным соединением конденсатора С1 с сопротивлением  R1, второе – параллельным соединением конденсатора С2 с сопротивлением  R2 (R1=R2 и C1=C2). Можно показать, что при такой схеме условие фаз, соблюдение которого необходимо для самовозбуждения генератора, выполняется только для одной частоты

                                                             1

                                                    F =  ──          ,где

                                                          2 πRC

R=R1=R2 и C=C1=C2. Изменением сопротивления изменяют диапазон генерируемых частот (ступенчатая регулировка), а изменяя емкость, получают плавное изменение частоты в поддиапазоне.

Усилитель обычно является многокаскадным, один из каскадов которого фазоинвертор, превращающий выходное напряжение задающего генератора в двухтактное, представляющее собой на выходе каскада два одинаковых по амплитуде и обратных по фазе напряжения. Для повышения качественных показателей генератора в усилителе применена отрицательная обратная связь.

Измеритель выхода представляет собой электронный вольтметр, который может быть выполнен по различным схемам со стрелочным магнитоэлектрическим индикатором. Его шкалы могут быть проградуированы в вольтах или в децибелах.

                       Uвых

Pвых = 20lg   ────

                          0,775В

  Аттенюатор – резисторный делитель напряжения, выполняет две функции:

а) согласование сопротивления нагрузки Rн и выходного сопротивления генератора Rвых зг.

б) ступенчатая регулировка выходного напряжения.

3 .2 Перечень используемого оборудования.

3.2.1     Исследуемый генератор GAG-810.

3.2.2       Персональный компьютер.

3.3 Задание.

3.3.1       Изучить функциональную схему генератора GAG-810.

3.3.2       Изучить и знать назначение органов управления генератора.

3.3.3       Проверить с помощью ПК и АЦП правильность установки частоты генератора.

3.3.4       Проверить с помощью ПК и АЦП правильность установки напряжения (уровня) на выходе генератора.

3.3.5       По пунктам 3.2, 3.3, результаты измерений и вычислений занести в соответствующие таблицы.

3.3.6       По результатам измерений и вычислений сделать выводы о качестве параметров исследуемого генератора.

3.4 Схема проведения опыта.

GAG-810		ПК и АЦП

Рис.3.1 Структурная схема проверки градуировки шкалы частот.

GAG-810		ПК и АЦП

Рис.3.2  Структурная схема проверки правильности установки напряжений.

3.5 Работа в лаборатории.

3.5.1             Подготовка прибора к работе.

3.5.1.1    Проверить заземление прибора.

3.5.1.2    Включить прибор тумблером «Сеть», при этом должна загореться красная лампочка.

3.5.1.3    Дать прибору нагреться в течение 15 минут, после чего можно приступать к измерениям.

3.5.1.4    Установить с помощью переключателя «Множитель» и ручки «Частота» требуемую частоту.

3.5.2             Проверка градуировки шкалы частот.

3.5.2.1       Подключить к выходу генератора АЦП. Запуск рабочей программы  Handyprobe осуществляется из меню «Программы», кнопки «Пуск». Получить на экране монитора стартовое меню (рис.3.3)

Рис 3.3 Стартовое меню

Для измерения частоты произвести запуск главного окна осциллографа с помощью кнопки «Scope». Измерить частоту с помощью больших курсоров, вызываемых из главного рабочего окна «Осциллоскоп» (рис. 3.4) в соответствии с заданным вариантом и результаты занести в таблицу 3.1.

Рис. 3.4.

Табл.3.1

№ Варианта	fуст, кГц
	fд, кГц
	D f, кГц
	d, %

Величина абсолютной погрешности определяется по формуле:

∆f = fуст - f д , кГц

Величина относительной погрешности определяется по формуле:

d =   100%

3.6.   Проверка правильности установки напряжений.

3.6.1.   Подключить на выход генератора АЦП. Запуск главного окна цифрового вольтметра осуществляется путём нажатия кнопки “VOLT”(рис.3.5)

Рис 3.5.

3.6.2       В соответствии с указанным вариантом установить частоту и изменяя с помощью ручки «Рег.вых» напряжение вольтметра генератора, как указано в табл.5.3.1, снять показания с вольтметра, включенного на выход генератора.

Таблица 3.2

№ Варианта	Частота на генераторе,   Гц	Величина напряжения, устанавливаемая на  вольтметре генератора (уст.)
1;4;7;10	1000	0,005	0,015	0,15	0,4	1,2	4,5	7
2;5;8;11	5000	0,008	0,2	0,25	0,8	2,5	5,5	8
3;6;9;12	10000	0,01	0,03	0,3	1,0	2,8	6,5	9

  Показания вольтметра, а также рассчитанные значения абсолютной и относительной погрешности  записать в таблицу 3.2.

  Величины ΔU;  рассчитываются, как в предыдущем случае.

Таблица 3.3

№ Варианта	Частота	Uуст, В
		Uг, В
		DU, В
		d, %

3.7 Содержание отчета.

Отчёт должен содержать

3.7.1                   Цель работы.

3.7.2.                 Задание.

3.7.3.                 Схема проведения опыта.

3.7.4.                 Перечень оборудования и приборов.

3.7.5. Таблицы измерений и расчетов.

3.7.6.                 Вывод о проделанной работе.

Контрольные вопросы.

1. Какие требования предъявляют к измерительным генератором?

2. Преимущества и недостатки генератора типа RC?

3. Условия работы задающего генератора.

4. За счет каких параметров в генераторе могут возникнуть погрешности при установке частоты?

5. Из каких узлов состоит измерительный генератор типа RC?

Примечание.

Лабораторная работа рассчитана на 2часа.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4.

Тема «Изучение органов управления и контроль режима работы генератора импульсных сигналов».

Цель лабораторной работы: изучение органов управления и контроль режима работы генератора импульсных сигналов.

Содержание работы.

4.1. Краткие теоретические сведения

По широте использования генераторы прямоугольных импульсов уступают только генераторам синусоидальных сигналов. Они используются для настройки узлов аппаратуры связи с импульсно – кодовой модуляцией, систем радиолокации и т.п. Различают генераторы прямоугольных импульсов, серий импульсов, кодовых импульсных последовательностей, псевдослучайных последовательностей. Основными параметрами генераторов одиночных и парных импульсов, которые устанавливают ГОСТ, являются: длительность, амплитуда, частота, временный сдвиг импульса (относительно синхроимпульсов), длительность фронта и среза, неравномерность вершины. Нормируются погрешность установки параметров импульсов и нестабильность параметров основных импульсов. Класс точности генератора определяется пределом допускаемой погрешности параметров сигнала и пределами допускаемых значений искажений сигнала.

Рис. 4.1 Типичная структурная  схема простого генератора импульсов.

Типичная структурная  схема простого генератора импульсов представлена на рисунке. Задающий генератор выполняется либо по схеме синусоидального, либо импульсного генератора. Его частота и стабильность определят частоту и стабильность выходного сигнала. Практически все генераторы импульсов могут работать как в режиме внешнего запуска, так и режиме разового запуска от кнопки на передней панели. Задающий генератор при этом отключаются. Для измерения амплитуды применяется пиковые или компенсационные вольтметры. Генераторы импульсов, построенные по данной схеме, обеспечивают погрешность установки частоты, длительность и временной задержки 3 – 10 %, а нестабильность этих параметров, а за час работы 1-3%.

Для создания прецизионных генераторов импульсов по частоте, длительности и временной задержки используют кварцевый опорный генератор, метод синтеза частот и полностью цифровой принцип формирования выходного сигнала. В этом случае период, длительность и временная задержка выходного импульсного сигнала устанавливаются дискретно с шагом, равным периоду сигнала опорной частоты. Нестабильность всех этих параметров также полностью определяется характеристиками нестабильности опорного кварцевого генератора. Большим достоинством такого построения генераторов является возможность дистанционного и программного управления прибором с помощью цифровых сигналов.

4.2. Перечень используемого оборудования

4.2.1.Генератор Г5 – 54

4.2.2.   Техническое описание и инструкция по эксплуатации.  (заводской паспорт прибора)

4.3.Задание

4.3.1.   Изучить технические данные генератора импульсов Г5 – 54

4.3.2.   Изучить структурную схему генератора и знать назначение отдельных узлов

4.3.3.   Изучить конструкцию генератора и назначение органов управления прибора.

4.4.          Содержание отчета

Отчет должен содержать:

4.4.1.   Цель работы

4.4.2.   Задание

4.4.3.   Перечень оборудования

4.4.4.   Основные технические параметры прибора

4.4.5.   Структурная схема генератора

4.4.6.   Ответы на контрольные вопросы

Контрольные вопросы

1. Назначение генератора Г5 – 54

2. Пользуясь структурной схемой, пояснение работу генератора

3. Какие режимы работы допускает прибор по роду запуска?

4. Как установить необходимые параметры импульсов (амплитуду, частоту, длительность)?

Примечание.

Лабораторная работа рассчитана на 2часа.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5.

Тема «Измерение электронным осциллографом параметров непрерывных и импульсных сигналов».

Цель лабораторной работы  научиться измерять электронным осциллографом параметры непрерывных и импульсных сигналов.

Содержание работы.

5.1. Теоретические сведения.

Электронный осциллограф – это прибор, служащий для наблюдения и измерения параметров электрических сигналов. В нем используется отклонение электронного луча для получения изображения мгновенных значений функциональных зависимостей переменных величин, одной из которых обычно является время.

Для исследования зависимости электрического напряжения от времени исследуемое напряжение подается на вход "Y" осциллографа и включается генератор развертки, вырабатывающий линейно изменяющееся напряжение.

Для исследования зависимости одного напряжения (тока) от другого первое из указанных напряжений подается на вход "Y", а второе – на вход "Х", генератор развертки в этом случае отключается.

Существуют многолучевые и многоканальные осциллографы. В многолучевых осциллографах применяются специальные многолучевые электронные трубки, а в многоканальных – специальные коммутаторы электрических сигналов, позволяющие наблюдать несколько сигналов на экране однолучевой ЭЛТ.

Понять принцип работы электронного осциллографа поможет рисунок 5.2., на котором приведена структурная схема осциллографа.

Рис 5.2. Структурная схема осциллографа.

Структурная схема осциллографа включает:

·  электронно-лучевую трубку  (ЭЛТ);

·  канал "Y" (канал вертикального отклонения луча), содержащий входное устройство, предварительный усилитель Y, линию задержки сигнала, оконечный усилитель Y;

·  канал "Х" (канал горизонтального отклонения луча), содержащий генератор развертки по оси Х, устройство синхронизации, предварительный и оконечный усилители Х;

·  канал  Z (канал управления яркостью луча); 

·  калибровочное устройство.

Кроме этого в состав электронного осциллографа входят не показанные на структурной схеме низковольтный и высоковольтный выпрямители.

Одним из основных узлов осциллографа является электронно-лучевая трубка. Она представляет собой стеклянный баллон с высоким вакуумом, в котором имеется система электродов и экран, покрытый люминофором. При попадании на экран электронов наблюдается свечение. В цилиндрической части  трубки  расположены  катод,  модулятор,  первый  и второй аноды, две пары отклоняющих пластин. Источником электронов является оксидный катод. Катод подогревается с помощью нити накала, изолированной от катода. Систему электродов (катод, цилиндрический модулятор, первый и второй аноды) называют электронной пушкой. На модулятор относительно катода подают отрицательный потенциал, величину которого регулируют переменным резистором и этим самым изменяют яркость светящегося пятна на экране ЭЛТ. Первый анод используется для фокусировки электронного луча. Второй анод служит для ускорения электронов. Некоторые трубки имеют третий анод, позволяющий повысить яркость свечения экрана. Последняя буква в условном обозначении ЭЛТ указывает тип люминесцентного покрытия  экрана: А – покрытие дает голубое свечение и малую продолжительность послесвечения, В – длительное послесвечение (порядка нескольких секунд), И – покрытие дает зеленое свечение средней продолжительности. Длительность послесвечения ЭЛТ можно оценить экспериментально, не подключая ЭЛТ. С этой целью освещают в течение нескольких секунд экран ЭЛТ карманным фонариком и, выключив фонарик, наблюдают в темноте уменьшение с течением времени яркости свечения экрана. Покрытие типа И благоприятно для визуального наблюдения сигналов с частотой выше 10 Гц.

Входное устройство канала "Y" включает в себя соединительный кабель, переключатель входа и входные делители напряжения.

Соединительный кабель служит для согласования выхода источника сигнала со входом осциллографа во всем рабочем диапазоне частот (согласование характеризуют коэффициентом стоячих волн), а также защиты от влияния внешних мешающих электромагнитных полей. Соединительный кабель обычно является коаксиальным.

Рис. 5.2.Схема коаксиальный кабеля.

Коаксиальный кабель (рис. 5.2) имеет внутренний проводник 1, который цилиндрическим изолятором 2 отделен от внешней проводящей оболочки 3 (оплетки). Эта оболочка обычно также покрывается защитной изоляцией 4. Оплетка изготавливается из большого числа тонких медных проводников. Один конец коаксиального кабеля обычно имеет разъем для подключения к прибору, а ко второму присоединяются два проводника. Проводник, соединенный с оплеткой, выбирается, как правило, с изоляцией черного цвета. Проводник, подключаемый к центральной жиле кабеля, называют сигнальным. Проводящая оболочка кабеля подключается к корпусу измерительного прибора. С помощью переключателя входа  можно выбрать один из двух способов подачи сигнала к предварительному усилителю: через конденсатор (закрытый вход) или непосредственно – для сигналов постоянного тока и импульсов большой длительности (открытый вход).

Некоторые осциллографы имеют только встроенные входные делители напряжения.  Выносной входной делитель напряжения называют пробником. Входные делители требуют сложной настройки при изготовлении осциллографа, чтобы они передавали сигнал без искажений независимо от амплитуды и формы во всем диапазоне частот данного прибора. Делители напряжения строят с использованием резисторов и конденсаторов. Схема одного из вариантов простого частотно-компенсированного делителя напряжения приведена на рисунке 5.3. Настраивают такие делители напряжения с помощью генераторов прямоугольных импульсов напряжения и осциллографа. Делитель настраивают подстроечным конденсатором так, чтобы на выходе делителя импульсы были прямоугольными, так же, как и на его входе.

Рис. 5.3 Схема одного из вариантов простого частотно-компенсированного делителя напряжения.

Предварительный усилитель канала вертикального отклонения предназначен для усиления исследуемого сигнала, преобразования сигнала из несимметричного в симметричный, установки изображения сигнала (совместно с аттенюатором во входном устройстве) в пределах рабочей части экрана по вертикали, обеспечения совместной работы с коммутатором в многоканальных осциллографах.

Линия задержки, включаемая в канал вертикального отклонения осциллографов, позволяет задержать сигнал на время, необходимое для запуска генератора развертки. При отсутствии линии задержки на экране осциллографа не будет виден передний фронт исследуемого сигнала. Линия задержки не должна искажать форму исследуемого сигнала.

Оконечный усилитель канала вертикального отклонения луча обеспечивает усиление исследуемого сигнала до значения, достаточного для отклонения луча ЭЛТ по вертикали в пределах рабочей части экрана.

Коммутатор сигналов (на структурной схеме осциллографа не показан) позволяет использовать усилитель канала Y в следующих режимах: только канал Y1, только канал Y2, одновременная работа обоих каналов (сложение сигналов с возможностью изменения полярности сигнала в одном из каналов), поочередная работа обоих каналов (переключение каналов обратным ходом развертки), прерывистый режим (переключение каналов с частотой несколько десятков или сотен килогерц от специального генератора прямоугольных импульсов напряжения).

Если исследуемое напряжение (при необходимости оно усиливается усилителем) подано только на  пластины “У”, то  на экране осциллографа будет

видна вертикальная линия, длина которой равна удвоенной амплитуде колебаний. Для изучения изменения сигнала с течением времени необходимо подать напряжение на горизонтально отклоняющие пластины. Напряжение для отклонения луча в горизонтальном направлении подается с выхода канала "Х", содержащего генератор развертки, устройство синхронизации, предварительный (на структурной схеме не показан) и оконечный усилители Х.

Генератор развертки вырабатывает пилообразное (линейно изменяющееся напряжение), которое предназначено для равномерного перемещения луча вдоль оси Х от левого до правого края экрана, а затем быстрого возвращения его в крайнее левое положение. Обратный ход луча на экране соответствует участкам быстрого изменения пилообразного напряжения.

Частоту напряжения, вырабатываемого генератором развертки, можно ступенчато и плавно менять в достаточно больших пределах (как правило, от 10 Гц до 1 МГц и более).

Если напряжение на входе “У” равно нулю, но включен генератор развертки, на экране будет видна горизонтальная линия. При наличии двух напряжений одновременно (входного и с генератора развертки) на экране будет видна осциллограмма исследуемого сигнала.  

Генератор развертки в канале Х может иметь три режима работы: автоколебательный, т.е. периодический (для наблюдения синусоидальных и импульсных сигналов с небольшой скважностью), ждущий (для наблюдения исследуемых сигналов с большой и переменной скважностью), одиночной – разовой развертки (для фотографирования, а в запоминающих осциллографах и для непосредственного изучения одиночных сигналов). В ждущем режиме генератор развертки начинает вырабатывать пилообразное напряжение, если на вход “У” осциллографа поступает исследуемый сигнал достаточной амплитуды (в этом режиме, например, не удается обеспечить внутреннюю синхронизацию при исследовании выпрямленного напряжения с малым коэффициентом пульсаций). В некоторых осциллографах имеется режим растяжки развертки, позволяющий получить более крупный масштаб изображения по горизонтальной оси за счет увеличения усиления в конечном усилителе X.

Чтобы получить неподвижное изображение, частота генератора развертки должна быть равна или в целое число раз меньше частоты исследуемого сигнала. С этой целью осуществляют синхронизацию частоты генератора развертки (согласовывают во времени) с частотой исследуемого сигнала. Когда частота генератора развертки близка частоте исследуемого напряжения, то это напряжение изменяет частоту генератора развертки до точного совпадения с частотой исследуемого сигнала.

Согласование частоты генератора развертки с частотой исследуемого сигнала обеспечивает блок синхронизации.  Существует три варианта синхронизации: внешняя, внутренняя и от сети. Синхронизацию от сети применяют для исследования сигналов, частота которых равна или кратна частоте питающей сети (50 Гц). Наиболее часто используют внутреннюю синхронизацию. В этом случае часть исследуемого напряжения подается в блок синхронизации, в котором вырабатываются импульсы, управляющие работой генератора развертки. Исследуемое напряжение как бы “навязывает” свой период генератору развертки. Если при этом период собственных колебаний генератора развертки почти равен (или почти кратен) периоду колебаний исследуемого напряжения, то колебания генератора синхронизируются и происходят в такт с исследуемым напряжением. Осциллографы снабжаются переключателем вида синхронизации и переключателем полярности синхронизирующего напряжения.

Оконечный усилитель канала Х предназначен для усиления напряжения развертки или внешнего сигнала до значения, достаточного для отклонения луча в пределах экрана по горизонтали.

Канал Z в основном предназначен для подсветки прямого хода развертки и гашения луча во время обратного хода. Канал Z позволяет модулировать яркость изображения внешним модулирующим сигналом. Если на входы  X и Y  подать сигналы одной и той частоты, а на канал Z напряжение более высокой известной частоты, то по прерывистой эллиптической развертке можно определить частоту сигнала, подаваемого на входы X и Y.  

Встроенные в осциллограф калибраторы повышают точность измерения частоты  и амплитуды сигнала. Калибратор представляет собой генератор напряжения с известной амплитудой и частотой. Чаще всего используются постоянные напряжения и напряжения в виде меандра (прямоугольные импульсы напряжения со скважностью равной двум, т.е. длительность импульса равна длительности паузы).

Высоковольтный  выпрямитель блока питания служит для питания электродов электронно-лучевой трубки, а низковольтный для питания всех узлов осциллографа.

Осциллографы, выпускаемые в последние годы, имеют, как правило, калиброванную длительность развертки по оси Х и калиброванный коэффициент усиления усилителя “У”. Это позволяет легко определять частоту и напряжение исследуемого сигнала.

5.2. Экспериментальная часть.

При проведении исследований с помощью электронного осциллографа обязательно надо обращать внимание на полосу пропускания канала вертикального отклонения. Проведем эксперимент с осциллографами ОМЛ-3М и ОМШ-3М.

Электронный осциллограф ОМЛ-3М имеет полосу пропускания канала “У” от 0 до 5 МГц,  а осциллограф ОМШ-3М  -  от 0 до 25 кГц. На входы вертикального отклонения обоих осциллографов подадим одновременно прямоугольные импульсы длительностью 2-3 микросекунды со скважностью равной двум. На экране осциллографа ОМЛ-3М форма импульсов прямоугольная, а на экране осциллографа ОМШ-3М импульсы имеют форму, аналогичную форме импульсов на выходе интегрирующей RC - цепи при подаче на ее вход прямоугольных импульсов напряжения (рис. 2.19)

Рис. 5.4. Форма импульсов на выходе интегрирующей RC.

При изменении в широких пределах частоты следования прямоугольных импульсов, подаваемых на вертикальные входы осциллографов, наблюдаем изменение формы сигнала на экранах. Полученные результаты можно объяснить, анализируя спектральный состав прямоугольных импульсов. Результаты проведенного эксперимента убеждают в необходимости  учета  полосы пропускания канала вертикального отклонения осциллографа для наблюдения без искажений прямоугольных импульсов.

5.3. Содержание отчета

Отчет по данной лабораторной работе должен содержать:

1) титульный лист по стандартной форме;

2) цель работы;

3) исходные данные (эквивалентную схему исследуемой цепи и параметры ее элементов);

4) таблицы с результатами вычислений и измерений;

5) основные расчетные формулы и уравнения;

6) векторные диаграммы токов и напряжений;

7) выводы и заключение о степени соответствия расчетных и экспериментальных результатов.

Контрольные вопросы

1. Что называют осциллографом?

2. Какие параметры электрических сигналов можно измерить при помощи осциллографа?

3. Сколько каналов имеет осциллограф?

4. Что называют развёрткой в осциллографе?

5. Для чего предназначен канал вертикального отклонения луча?

6. Для чего предназначен канал горизонтального отклонения луча?

7. Для чего предназначен канал управления яркостью?

Примечание.

Лабораторная работа рассчитана на 2часа.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6.

Тема «Измерение двухлучевым осциллографом параметров различных сигналов».

Цель лабораторной работы  научиться измерять двухлучевым осциллографом параметры  различных сигналов.

Содержание работы.

6.1. Теоретическая часть.

Двухканальные и двухлучевые осциллографы. Двухканальные и двухлучевые осциллографы — применяются для одновременного наблюдения осциллограмм двух сигналов на экране одной электронно-лучевой трубки. Такая необходимость возникает при сопоставлении выходных сигналов устройств с входными, исследовании разнообразных преобразователей сигналов, схем задержки импульсов, анализе искажений формы сигнала при прохождении через электрические и радиотехнические цепи, исследовании фазовых сдвигов, сравнении сигналов в различных сечениях сложной системы и т.п.

Рис. 1. Функциональная схема осциллографа

Двухканальный осциллограф содержит два канала вертикального отклонения и электронный переключатель, который попеременно подает выходные сигналы каналов I и II на одни и те же вертикально отклоняющие пластины обычной электронно-лучевой трубки.

Каналы I к II идентичны; в составе каждого из них аттенюатор, эмиттерный повторитель предварительный усилитель (с ним связан орган перемещения изображения по вертикали) и двухтактный фазоинвертор, преобразующий несимметричные входные сигналы в симметричные. Выходы фазоинверторов обоих каналов соединены со входами электронного коммутатора, после которого включены общие для обоих каналов предоконечный усилитель, линия задержки и оконечный усилитель (с ним связан орган поиска луча), выходное напряжение которого поступает на вертикально отклоняющие пластины трубки.

Обычно предусматривают четыре режима работы каналов:

одноканальный (работает либо канал I , либо канал II  );

чередования каналов (поочередное включение каналов после каждого хода развертки);

прерывания (работают оба канала, но переключения производятся с частотой 500 кГц-1 МГц);

алгебраического сложения (одновременная работа обоих каналов на одну нагрузку).

Рис. 2. Принципиальная схема осциллографа

Рис. 3. Принципиальная схема осциллографа

В двухканальных осциллографах имеются две развертки:

основная;

задержанная (создаваемые с помощью двух генераторов развертки и схемы сравнения).

Развертка А служит для обычных наблюдений, а развертка Б — для получения растянутых участков кривых, наблюдаемых на развертке А.

На основе двухканального принципа строят и многоканальные осциллографы, в которых число используемых каналов доходит до восьми. В последнее время получили распространение трехканальные осциллографы: третий канал служит для наблюдения сигнала внешней синхронизации. Это дает возможность судить о временных соотношениях между сигналами. В качестве примеров двухканальных осциллографов можно назвать приборы С1-64, С1-75, С1-82.

Двухлучевой осциллограф имеет специальную электронно-лучевую трубку с двумя лучами. Ее конструкция состоит из стеклянной колбы, внутри которой помещены две раздельные электронно-оптические системы и соответственно две независимые системы отклоняющих пластин. Совокупность этих систем образует два электронных луча, действующих на один общий экран, что позволяет наблюдать одновременно две осциллограммы.

В осциллографе два полностью независимых канала вертикального отклонения: каждый содержит все узлы канала У однолучевого осциллографа — от входных зажимов до «своей» пары вертикально отклоняющих пластин.

Генераторы развертки (иногда один генератор) у большинства приборов общие. Встречаются двухлучевые осциллографы с коммутатором. Такие приборы получаются четырехканальными. В качестве примеров двухлучевых универсальных осциллографов можно назвать приборы С1-16, С1-18, С1-55 и др.

У каждой разновидности осциллографов — двухлучевых или двухканальных — имеются свои преимущества.

Первые позволяют наблюдать два сигнала раздельно и совместно. Поэтому такие осциллографы применяют для исследования двух неповторяющихся сигналов малой длительности (если двухлучевая трубка имеет независимые пары горизонтально отклоняющих пластин, то имеется возможность наблюдать неповторяющиеся сигналы при различных развертках). Незаменимы двухлучевые приборы и при детальном изучении нестационарных процессов.

Преимуществом двухканальных осциллографов является более низкая стоимость и существенно лучшие характеристики, чем у двухлучевых.

6.2. Содержание отчета

Отчет по данной лабораторной работе должен содержать:

1)   титульный лист по стандартной форме;

2)   цель работы;

3)   исходные данные (эквивалентную схему исследуемой цепи и параметры ее элементов);

4)   таблицы с результатами вычислений и измерений;

5)   основные расчетные формулы и уравнения;

6)   векторные диаграммы токов и напряжений;

7)   выводы и заключение о степени соответствия расчетных и экспериментальных результатов.

Контрольные вопросы

1. Преимущества двухканальных осциллографов.

2. Преимущества двухлучевых осциллографов.

3. Особенности двухлучевых осциллографов с коммутатором.

Примечание.

Лабораторная работа рассчитана на 2часа.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7.

Тема «Измерение частоты и интервалов времени электронно-счётным частотомером».

Цель лабораторной работы  научиться измерять частоту следования периодического сигнала и интервалы времени электронно-счётным частотомером.

Содержание работы.

7.1. Измерение частоты следования импульсов.

Формируют временные ворота калиброванной и известной длительности Δtk .

Принцип измерения частоты дискретного счета

Их заполняют импульсами, следующими с неизвестной частотой Fx (периодом Тх). Подсчет числа импульсов, попадающих в интервал Δtk, дает:

n = Δtk / Tx = ΔtkFx,

откуда

Fx = n / Δtk.

7.2. Измерение частоты гармонического напряжения.

В этом случае необходимо предварительно преобразовать гармоническое напряжение частотой f изм (период Тизм) в периодическую последовательность коротких импульсов, положение которых на оси времени соответствует точкам перехода гармонического напряжения через ось с производной одного знака (рис. б). Очевидно, частота следования этих импульсов равна f изм.

Реализуется метод в приборах, получивших название электронно-счетных или цифровых частотомеров (вид ЧЗ). Они считывают число импульсов, равное числу периодов сигнала измеряемой частоты, за строго калиброванный интервал времени Δ tk, например за 1с. Если в течении интервала Δ tk сосчитано n импульсов, то среднее значение измеряемой частоты за время Δ tk

Временные ворота выбирают так, чтобы Δ tk = 10b c, где b = 0; ±1.; ±2 и т. п. Тогда fизм = n•10-b Гц.

В случае, когда Δtk = 1 с, fизм = n, Гц.

Результаты измерений фиксируются в цифровой форме.

Сигнал, частоту которого необходимо измерить, поступает на вход А прибора.

Рис.1. Схема электронно-счетного частотомера (режим измерения частоты).

Формирователь преобразует синусоидальное напряжение измеряемой частоты в последовательность однополярных импульсов, частота следования которых равна частоте синусоидального сигнала. Эти импульсы поступают на вход 1 временного селектора. Они проходят в счетчик лишь тогда, когда на входе 2 селектора действует стробирующий импульс (временные ворота) строго определенной длительности. Последний задается кварцевым генератором и окончательно формируется в схеме формирования и управления. Счетчик подсчитывает число импульсов, проходящих на его вход за время действия калиброванного стробирующего импульса.

Делитель частоты представляет собой набор k декад, каждая из которых уменьшает частоту следования импульсов в 10 раз. Общий коэффициент деления получается равным 10k. В зависимости от числа используемых декад с различных выходов делителя могут сниматься импульсы напряжения с различными частотами следования. Так, при fкв = 10 МГц эти частоты составят 1 МГц; 100, 10 и 1 кГц; 100, 10, 1 и 0,1 Гц. Периоды следования импульсов определяют продолжительности интервалов времени счета. При этом используются временные ворота с длительностями 0,0001; 0,001; .0,01; 1; 10 с.

Схема формирования и управления содержит формирователь временных ворот, реле времени индикации и сброса показаний счетчика на нуль, переключатель видов измерений.

Погрешности измерения частоты электронно-счетным частотомером:

погрешность меры определяется нестабильностью частоты кварцевого генератора, погрешностью установки частоты генератора по образцовой частоте при выпуске с завода-изготовителя и погрешностью образцовой меры, по которой устанавливалась частота. Например, средняя относительная нестабильность частоты кварцевого генератора частотомера ЧЗ-39 не превышает следующих значений: ± 1•10-10 за 1 с; ± 5•10-9 за сутки;

погрешность преобразования связана с формированием импульсов из напряжения гармонического сигнала;

погрешность сравнения определяется главным образом погрешностью дискретности, обусловленной тем, что фронт и срез временных ворот не синхронизированы с моментами появления заполняющих ворота импульсов. Максимальное значение абсолютной погрешности дискретности составляет ±1 младшего разряда счета.

Абсолютная погрешность дискретности

причем значение Δf  выражено в герцах, если интервал Δtk выражен в секундах.

Относительная погрешность дискретности

δf = ±1 / n.

Погрешность фиксации результата сравнения может иметь место только при ненормальном функционировании счетчика (предполагается, что он правильно выбран по емкости и быстродействию).

где  δкв — общая погрешность меры (кварцевого генератора).

Соответственно предел допускаемой относительной погрешности, выраженной в процентах от измеряемого значения,

В области низких частот погрешность дискретности является определяющей.

7.3. Уменьшение погрешности дискретности.

 Из-за больших погрешностей дискретности низкие частоты непосред-

ственно измеряются электронно-счетным частотомером с невысокой точностью.

Известны несколько способов повышения точности измерения:

Увеличение продолжительности временных ворот Δtk. В частотомерах предусматривают максимальные длительности ворот Δtk = 10 с и редко Δtk = 100 с.

Применение умножителей частоты. Например, умножитель частоты ЯЗЧ-28 уменьшает погрешность измерения в 103 раз.

Синхронизация фронта временных ворот с импульсом, задающим начало периода Тx = 1 / Fx, а также измерение дробной части отношения Δtk / Tx. Аппаратурная реализация этого способа сравнительно сложна.

Переход от измерения частоты синусоидального сигнала к измерению его периода.

Измерение периода принципиально не отличается от измерения интервалов времени. Оно сводится к подсчету числа импульсов, следующих с частотой, равной частоте напряжения кварцевого генератора частотомера, и заполняющих измеряемый период Tизм.

Сигнал подается на вход Б прибора.

Рис. 2. Схема частотомера в режиме измерения периода.

Формирователь 2 канала Б преобразует синусоидальное напряжение в последовательность коротких импульсов с периодом следования Тизм. В схеме управления из них формируется стробирующий импульс длительностью Тизм, подводимый ко входу 2 временного селектора. На формирователь 1 (канала А) подается напряжение кварцевого генератора, из которого формируются короткие импульсы с периодом следования 1 / fкв. Эти импульсы поступают на вход f селектора. Измеряемый период Tизм связан с показанием счетчика m и частотой кварцевого генератора fкв соотношением

Погрешность меры при измерении периода та же, что и при измерении частоты, т. е. δкв.

Погрешность дискретности получается во много раз меньшей, чем при измерении частоты. Она тем меньше, чем больше Тизм и выше fкв. Поэтому в схеме кварцевого генератора предусмотрены умножители, увеличивающие частоту fкв.

При измерении периода значительный вес может иметь погрешность преобразования, обусловленная действием шумовых помех при формировании временных ворот (ее называют погрешностью запуска триггера). Среднеквадратическая относительная погрешность запуска триггера при измерении периода

где Uпом — среднеквадратическое значение напряжения помехи; Uм — амплитуда напряжения сигнала; h = Uм / Uпом — отношение сигнал/помеха.

Эта погрешность получается в q раз меньшей, если измеряются q периодов.

При отношении сигнал/помеха 40 дБ (h = 100) среднеквадратическая относительная погрешность запуска

Предел относительной  допускаемой погрешности измерения периода, выраженной в процентах от измеряемого значения, определяется формулой

Для получения прямопоказывающего цифрового измерителя низких и инфранизких частот применяют схемы, автоматически выполняющие операцию нахождения обратной величины fизм = 1 / Тизм.

7.4. Возможности электронно-счётных частотомеров.

Современные цифровые частотомеры могут быть применены для решения многих измерительных задач. Основные из них:

Измерение частоты гармонического напряжения.

Измерение частоты следования импульсов. В этом случае сигналы подают на вход А и процесс измерений не отличается от измерения частоты синусоидального напряжения.

Измерение периода гармонического сигнала.

Измерение периода следования импульсов.

Измерение длительности импульса. Сигнал подают на вход Б; измерения аналогичны измерению периода.

Измерение интервала времени, заданного двумя импульсами одного источника. Импульсы подводятся ко входу Б прибора. Из них формируется стробирующий импульс, заполняемый импульсами, которые формируются из напряжения кварцевого генератора частотомера.

Измерение интервалов времени между двумя импульсами, поступающими от двух источников. Импульсы подаются соответственно на входы А и Б. Узлы частотомера переключаются таким образом, что оба импульса подаются на вход формирователя временных ворот. Последние имеют длительность, равную измеряемому интервалу, и заполняются импульсами одной из стандартных частот кварцевого генератора.

Измерение отношения двух частот f1 : f2. Ко входу А подводят напряжение частоты f1 а ко входу Б — частоты f2 (f1 > f2). Период более низкочастотного напряжения задает временные ворота. Из сигнала более высокой частоты формируются импульсы, подсчитываемые за время, пока открыты временные ворота.

Показание счетчика дает непосредственно отношение f1 : f2. Возможно измерение и значения qf1 / f2, где q = 10k.При этом временные ворота расширяются в q раз с помощью декадного делителя частоты, предусмотренного в канале Б.

Измерение вариации частоты.

Применение в качестве счетчика импульсов с ручным и автоматическим сбросом показаний.

Счет числа N событий (импульсов) с предварительной установкой числа N и выдачей командных сигналов начала и конца счета.

Применение как делителя частоты. В некоторых частотомерах с этой целью на переднюю панель выведены гнезда входа и выхода делителя частоты, включенного после кварцевого генератора. Переключатель количества декад в делителе позволяет регулировать коэффициент деления.

Использование в качестве источника напряжений стабильных частот. Напряжения всех частот кварцевого генератора — основной, а также получаемых на выходах делителей и умножителей — могут быть сняты со специальных гнезд. Необходимая частота устанавливается с помощью переключателя.

Самоконтроль работы всех узлов, за исключением кварцевого генератора.

Кроме того, возможности частотомера расширяются при работе с дополнительными блоками (для некоторых типов приборов, например Чз-38, -сменными):

широкополосным усилителем, повышающим чувствительность (например, усилитель ЯЗЧ-31 повышает чувствительность прибора до 1мВ в диапазоне 0,1-50МГц).

компаратором, повышающим разрешающую способность при сличении частот, измерении долговременной нестабильности частоты высокостабильных источников сигналов (например, компаратор ЯЗЧ-27 повышает разрешающую способность до 1•10-9 за 1с);

преобразователем напряжение — частота, превращающим частотомер в цифровой интегрирующий вольтметр (например, с преобразователем ЯЗЧ-25 частотомер ЧЗ-38 образует вольтметр постоянного тока с пределами измерения 100 МВ-10 В и погрешностью не более 0,1%);

преобразователями частоты сравниваемых по фазе сигналов, которые в сочетании с частотомером образуют фазометр (например, преобразователь ЧК5-24);

аналого-цифровым преобразователем, превращающим частотомер в измеритель отношения двух напряжений, и т. п.

7.5. Содержание отчета

Отчет по данной лабораторной работе должен содержать:

1)      титульный лист по стандартной форме;

2)      цель работы;

3)      исходные данные (эквивалентную схему исследуемой цепи и параметры ее элементов);

4)      таблицы с результатами вычислений и измерений;

5)      основные расчетные формулы и уравнения;

6)      векторные диаграммы токов и напряжений;

7)      выводы и заключение о степени соответствия расчетных и экспериментальных результатов.

Контрольные вопросы

1. Для чего применяются электронно-счётные осциллографы.

2. Можно ли применять частотомер в качестве счетчика импульсов с ручным и автоматическим сбросом показаний.

3. Можно ли использовать частотомер в качестве источника напряжений стабильных частот.

Примечание.

Лабораторная работа рассчитана на 2часа.

Список источников и литературы

Основные источники:

1. Нефедов В.И., Хахин В.И., Федорова Е.В. «Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах». -М.: Высшая школа, 2009.

2. Панфилов В.А. «Электрические измерения» -М.: Издательский центр «Академия», 2011.

Дополнительные источники:

1. Берёзкина Т.Ф., Гусев Н.Г.  Масленников В.В. Задачник по общей электротехнике с основами электроники: Учебное пособие для студентов неэлектротехнических специальностей средних специальных учебных заведений. – М.: Высшая школа, 2007.

2. Данилов И.А., Иванов П.М.  Общая электротехника с основами электроники: Учебное пособие для студентов неэлектротехнических специальностей средних специальных учебных заведений. – М.: Высшая школа, 2008.

3. Касаткин А.С. Основы электротехники: Учебное пособие для средних профессионально-технических училищ. – М.: Высшая школа, 2007.

4. Синдеев Ю.Г. Электротехника (с основами электроники): Учебное пособие для профессиональных училищ и колледжей. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2006.

Список оборудования

- мультимедийный учебный комплекс по темам:

«Цепи постоянного тока», «Цели переменного тока», «Электронные устройства», «Цифровая электроника», «Операционные усилители».

- стационарные лабораторные стенды;

- набор измерительных приборов и оборудования стендов;

- комплект приборов по направлению «Физические основы электротехники и электроники;

- комплект экспериментальных панелей по направлению «Электротехника и электроника»;

- педагогические программные средства вычислительной техники:

встроенные персональные компьютеры;

- оверхед-проектор «Горизонт»-250 Х.