3. Работа комплекса в режиме источника питания

Органы управления и отображения источника питания (рис. 5): 1 и 2 – ручки управления напряжением (VOLTAGE) и током

(CURRENT);

3, 4 и 5 – выходные клеммы 5 В /2 А, 15 В /1 А, 0 – 30 В /3 А;

6– клемма заземления (GND);

7– индикатор перегрузки по току;

8– кнопка включения/выключения питания (POWER);

9– кнопка выбора режима Вольт/Ампер;

10– ЖК-дисплей источника питания.

1

2

3

4

10

9

8

7

6

5

Рис. 5. Внешний вид лицевой панели источника питания

Внимание! Не закорачивайте положительную и отрицательную выходные клеммы. Во избежание повреждения прибора не подключайте к выходной клемме 15 В/1 А (рис. 5, поз. 4) нагрузку менее 2,5 Ом и к клемме 0 – 30 В/3 А (рис. 5, поз. 5) – менее

15 Ом.

Проведение измерений источником питания

1.Перед началом работы с источником питания убедитесь, что нагрузка отсоединена от всех выходных клемм.

2.Поверните ручку управления током (рис.5, поз. 2) по часовой стрелке до предела для установки максимального значения выходного тока.

11

3.Подключите шнур питания переменного тока к сетевой розетке и соответствующему разъему на задней панели прибора.

4.Нажмите кнопку Power ON/OFF (рис. 5, поз. 8) для включения питания прибора. При этом загорятся светодиодные индика-

торы «5V 2А» и «15V 1А».

5.Наблюдая за показаниями на цифровом дисплее, установите нужное Вам напряжение, вращая ручку управления напряжением (рис. 5, поз. 1). При работе с регулируемым напряжением или током используйте кнопку выбора режима«Вольт/Ампер» (рис. 5, поз. 9).

6.При необходимости ограничения тока в целях защиты тестируемого оборудования установите максимально допустимый ток посредством ручки управления током (рис. 5, поз. 2). В режиме источника питания избыточный ток приведет к падению напряжения, при этом загорится индикатор перегрузки по току (рис. 5, поз. 7).

4.Работа комплекса в режиме цифрового мультиметра

Мультиметр питается от батареи 9 В и полностью изолирован от частотомера, функционального генератора, источника питания и корпуса.

Органы управления и отображения цифрового мультиметра

(рис. 6):

1 – ЖК-дисплей цифрового мультиметра (более подробно см. на рис. 8);

1

2

3

4

5

6

7

13

12

11

10

9

8

Рис. 6. Внешний вид лицевой панели цифрового мультиметра

12

2 – кнопка AC/DC (Ω/) для выбора режима либо измерения постоянного/переменного напряжения, либо сопротивления/прозвона цепи;

3– кнопка RANGE-H (MIN/MAX) для установки функции либо ручного выбора диапазона измеряемых данных, либо нахождения минимального/максимального значения;

4– кнопка DATA-H (MEM) для выбора функции либо фиксирования текущих данных на первом дополнительном дисплее (рис. 8, поз. 10), либо записи данных в одну из 10 ячеек памяти на выбор;

5– кнопка REL (RCL) для выбора функции либо определения величины относительного смещения между текущим и опорным измерениями, либо чтения данных одной из 10 ячеек памяти на выбор;

6– кнопка SHIFT для задействования дополнительных функций цифрового мультиметра (нахождение минимума/максимума, запись и чтение данных из памяти);

7– поворотный переключатель функций (рис. 7);

8– 11 – клеммы V/Ω, COM, mA и 20А;

12 – гнездо для измерения температуры и емкости

(TEMP/CAP);

13 – кнопка включения/выключения питания мультиметра

(DMM POWER).

Список возможных функций поворотного переключателя

(рис. 7):

1 − измерение постоянного/переменного напряжения;

2 − измерение сопротивления/прозвон цепи;

Рис. 7. Внешний вид поворот-	Рис. 8. Внешний вид ЖК-дисплея
ного переключателя функций	цифрового мультиметра

13

3 − проверка диодов;

4 − логический тест;

5 − измерение температуры;

6 − измерение ёмкости; 7 − измерение постоянного/переменного тока в диапазоне до

400мА; 8 − измерение постоянного/переменного тока в диапазоне до

20 А.

Совместно с поворотным переключателем для выбора рабочего режима мультиметра используются кнопки 2–6 (рис. 6). При нажатии на них издается сигнал встроенного зуммера и сигнализаторы на дисплее показывают тот режим или функцию, которая была выбрана. Чтобы быстро установить все кнопки в исходное состояние, нужно установить поворотный переключатель на соседнюю функцию и вернуться назад на используемую пользователем функцию.

Районы индикации и отображения режимов дисплея цифрового мультиметра (рис. 8):

1 – основной цифровой дисплей с автоматической индикацией полярности и расстановкой десятичной точки;

2– аналоговая шкала;

3– шкала для абсолютных данных (её сегменты подсвечиваются слева направо в зависимости от возрастания уровня сигнала на входе);

4– индикатор переполнения;

5– район индикации десятичной точки;

6– индикатор автоматического выбора диапазона;

7– индикатор отрицательной полярности;

8– индикатор задействования дополнительных функций

«SHIFT»;

9– район индикации дополнительных функций цифрового мультиметра (нахождение минимума/максимума, запись и чтение данных из памяти);

10и 11 – первый и второй дополнительные дисплеи для отображения вспомогательных данных при выборе той или иной функции;

12– сигнализаторы единиц измерения дополнительных дисплеев цифрового мультиметра;

13– сигнализаторы единиц измерения основного дисплея цифрового мультиметра;

14– индикатор заряда батареи.

14

Внимание! 1. Во избежание удара электрическим током не измеряйте напряжение более 1000 В постоянного тока или 750 В переменного тока.

2.Будьте особо внимательны при работе с напряжением более 35 В постоянного тока или 25 В переменного тока.

3.Во избежание повреждения прибора не подавайте напряжение на клеммы 20 А или mA и СОМ.

4.Во избежание повреждения прибора и возможного удара электрическим током не превышайте максимально допустимые пределы на входных клеммах прибора (табл. 5).

Та б л и ц а 5

Максимально допустимые пределы на входных клеммах цифрового мультиметра

	Функции	Используемые	Максимально допустимые
			значения
		клеммы
	Постоянное напряжение	V/Ω + COM	1000 В пост. тока
	Переменное напряжение	V/Ω + COM	750 В перем. тока
	Сопротивление	V/Ω + COM	250 В пост./перем. тока
	Постоянный/переменный ток	mA + COM	400 мА пост./перем. тока
	в диапазоне мА
	Постоянный/переменный ток	20А + COM	20 А пост./перем. тока
	в диапазоне до 20 А
	Емкость	гнездо для контак-	СКО менее чем 25 В или
		тов емкости	30 В пост. тока

5. Не подключайте клемму СОМ мультиметра (рис. 6, поз. 9) к цепи под напряжением более 500 В по отношению к земле. Это может привести к повреждению прибора и тестируемой цепи.

6.В процессе измерений не дотрагивайтесь до металлических наконечников щупов.

7.Перед проведением измерений убедитесь, что изоляция измерительных щупов не нарушена.

В табл. 6 приведены точностные характеристики цифрового мультиметра.

15

Т а б л и ц а 6

Точности измерений цифрового мультиметра

	Функция	Диапазон			Точность	Разрешение
		400 мВ			± 0,5 %	100 мкВ
	Постоянное на-		4 В			1	мВ
		40 В				10 мВ
	пряжение				± 0,8 %
		400 В				100 мВ
		1000 В				1 В
			4 В		± 2,5 %	1	мВ
	Переменное на-				(40 Гц – 5 кГц)
		40 В				10 мВ
	пряжение
	(СКО)	400 В			± 2,5 %	100 мВ
		750 В			(40 Гц – 1 кГц)	1 В
	Постоянный	400 мА		40 мА	± 1,5 %	20	мкА
				400 мА		200 мкА
	ток
		20 А		20 А	± 2,0 %	2	мА
	Переменный	400 мА		40 мА	± 2,5 %	20	мкА
				400 мА		200 мкА
	ток
		20 А		20 А	± 3,0 %	2	мА
		400 Ом			± 0,8 %	0,1 Ом
		4 кОм				1	Ом
	Сопротивление	40 кОм			± 0,8 %	10 Ом
		400 кОм				100 Ом
		4 МОм			± 2,0 %	1 кОм
		40 МОм			± 3,0 %	10	кОм
		4 нФ				1	пФ
		40 нФ			± 2,0 %	10 пФ
	Емкость	400 нФ				100 пФ
		4 мкФ			± 3,0 %	1 мкФ
		40 мкФ				10	мкФ
		400 мкФ			± 5,0 %	100 мкФ

16

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

СТАНДАРТНАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ПРЯМЫХ ИЗМЕРЕНИЙ С МНОГОКРАТНЫМИ НАБЛЮДЕНИЯМИ

Цель работы – ознакомиться с методикой выполнения прямых измерений с многократными наблюдениями, получить навыки стандартной обработки результатов наблюдений, оценить погрешности и представить результаты измерений.

1.1.Задание

1.Вычислить оценку среднего квадратического отклонения результата измерения.

2.Проверить гипотезу о том, что результаты наблюдений принадлежат нормальному распределению.

3.Вычислить доверительные границы погрешности результата измерения.

4.Представить результат измерения в соответствии с установленными требованиями.

1.2.Краткие теоретические сведения

В измерительной практике для повышения качества измерений часто обращаются к измерениям с многократными наблюдениями, т.е. к повторению одним и тем же оператором однократных наблюдений в одинаковых условиях, с использованием одного и того же средства измерений. В результате соответствующей обработки полученных данных удается уменьшить влияние случайной составляющей погрешности на результат измерений. При этом могут быть использованы различные процедуры обработки. В данной лабораторной работе кратко описана стандартная методика выполнения прямых измерений с многократными, независимыми наблюдениями и основные положения по обработке результатов наблюдений и оцениванию погрешностей результатов измерений. Эта методика соответствует рекомендациям действующего ГОСТ 8.207-76 «Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений».

При использовании данной методики руководствуются следующими правилами:

17

1. Проверку гипотезы о принадлежности результатов наблюдений нормальному распределению проводят с помощью критерия

χ2 (Пирсона) с уровнем значимости α , выбираемым в диапазоне от 0,01 до 0,1 (табл. 7).

					Т а б л и ц а 7
	Значения χкр2 для χ2 -распределения
Кол-во степеней			Уровень значимости α
свободы ν
		0,01		0,05	0,1
1		0,00016		0,00393	0,0158
2		0,0201		0,103	0,211
3		0,115		0,352	0,584
4		0,297		0,711	1,06
5		0,554		1,15	1,61
6		0,872		1,64	2,2
7		1,24		2,17	2,83
8		1,65		2,73	3,49
9		2,09		3,33	4,17
10		2,56		3,94	4,87
11		3,05		4,57	5,58
12		3,57		5,23	6,3
13		4,11		5,89	7,04
14		4,66		6,57	7,79
15		5,23		7,26	8,55

2. При определении доверительных границ погрешности результата измерения значение доверительной вероятности PД при-

нимают равной 0,95.

3. В тех случаях, когда измерения нельзя повторить, помимо доверительных границ, соответствующих вероятности PД = 0,95 ,

допускается указывать границы для PД = 0,99 .

Вычисление среднего арифметического ряда наблюдений.

Среднее арифметическое ряда наблюдений (результатов наблюдений) рассчитывают по формуле

18

x = 1 ∑n xi ,

n i=1

где x – среднее арифметическое ряда наблюдений, xi – i-й результат наблюдения, n – число результатов наблюдений.

Вычисление оценки среднего квадратического отклонения ряда наблюдений. Среднее квадратическое отклонение ряда на-

блюдений S(x) рассчитывают по формуле

			1		n
	S(x) =				∑(xi − x)2 .
			n −1
					i−1

Оно является основной характеристикой размера случайных погрешностей результатов наблюдений.

Вычисление среднего квадратического отклонения резуль-

тата измерения. Для расчета среднего квадратического отклонения результата измерения S(x) используется формула

S(x)=	1					∑n (xi − x)2
				S(x) =		i=1		.
						n	(n −1)
		n

Проверка гипотезы о принадлежности результатов наблюдений нормальному распределению. Чтобы установить, при-

надлежат (или не принадлежат) результаты наблюдений тому или иному распределению, необходимо сравнить экспериментальную функцию распределения с предполагаемой теоретической. Сравнение осуществляется с помощью критериев согласия.

В случае проверки принадлежности результатов наблюдений к нормальному распределению предпочтительным, при числе ре-

зультатов n ≥ 50 , является один из критериев: χ2 Пирсона или ω2

Мизеса – Смирнова. В настоящей работе используется критерий Пирсона.

При числе результатов наблюдений 15 < n < 50 производят приближенную проверку их принадлежности к нормальному распределению путем оценки коэффициента асимметрии и эксцесса.

19

При n ≤15 гипотеза о принадлежности результатов наблюдений к какому-либо распределению не проверяется. Если при этом имеется априорная информация о том, что нет причин, которые могли бы вызвать заметное отклонение распределения результатов от нормального закона, для обработки результатов наблюдений используется распределение Стьюдента.

Для проверки принадлежности результатов наблюдений к нормальному распределению с помощью критерия согласия Пирсона необходимо сначала построить гистограмму.

Построение гистограммы включает в себя следующие этапы.

1.Результаты наблюдений располагаются в порядке возрастания: x1 , x2 ,…, xn , где xi ≤ xi+1 .

2.Вычисляется диапазон изменения значений результатов на-

блюдений: Rn = xn − x1 .

3. Весь этот диапазон разбивается на r интервалов одинаковой ширины. Необходимое количество интервалов разбиения можно оценить по формуле

r =1+3,32 lg n

(1)

с последующим округлением в большую сторону до ближайшего целого нечетного числа (обычно r лежит в диапазоне от 7 до 15).

4.Определяется ширина интервала: ∆ = Rrn = xn r− x1 .

5.Определяются границы интервалов [x j −1, x j ] так, чтобы верхняя граница j-го интервала x j В = j ∆ , а нижняя граница сов-

падала с верхней границей (j-1)-го интервала: x j н = x( j−1)в .

6.Для каждого j-го интервала (j = 1,2,..., r ) вычисляются числа n j – частость попадания результата наблюдений в j-й интервал.

7.Строится гистограмма. Для этого по оси результатов наблюдений в порядке возрастания номеров откладываются интер-

валы ∆ j [x j−1, x j ] и на каждом интервале строится прямоугольник, высота которого пропорциональна n j .

По результатам анализа гистограммы высказывается гипотеза о виде закона распределения экспериментальных данных и о численных характеристиках этого закона (для нормального распреде-

20

ления такими характеристиками являются математическое ожидание и дисперсия). После этого используют критерий согласия для проверки гипотезы.

Критерий согласия χ2 Пирсона имеет вид [2]

	r	(n	j	−n P )2
χ2	= ∑			j	,
				n P
	j=1
				j

где величина χ2 характеризует меру отклонения результатов наблюдений от теоретически предсказанных, n j – частость попадания результатов наблюдений в j-й интервал, Pj – теоретические

значения вероятности попадания результатов в j-й интервал, которые вычисляются по формуле

Pj = Ф(z j В )−Ф(z( j−1)В ),

где Ф(z) – функция Лапласа, z j В = x Sj В(x−)x , а P1 = Ф(z1В ). После вычисления значения χ2 для заданного уровня значи-

мости α и числа степеней свободы ν по таблицам χ2 -распре- деления находят критическое значение критерия согласия χкр2 . Число степеней свободы рассчитывают по формуле

ν = r −k −1,	(2)
где r – количество интервалов разбиения, k	– число параметров,

необходимых для определения теоретической функции распределения (для нормального закона распределения k = 2 ).

Втехнической практике обычно задаются уровнем значимости

α= 0,05. Значения χкр2 для этого уровня значимости приведены в табл. 7.

Если χ2 < χкр2 , то принимают гипотезу о том, что результаты

наблюдений принадлежат нормальному распределению, характеризующемуся математическим ожиданием и дисперсией. В про-

тивном случае, если χ2 > χкр2 , гипотеза отвергается.

21

Вычисление доверительных границ случайной погрешности результата измерения. Доверительные границы случайной по-

грешности результата измерения ε (без учета знака) находят по формуле

ε =t S(x),

где t – квантиль распределения Стьюдента, который зависит от доверительной вероятности Pд и числа наблюдений n . Значения

величины t приведены в табл. 8.

Т а б л и ц а 8

Значения квантиля распределения Стьюдента

n				Pд
	0,75	0,875	0,95		0,975	0,99	0,995
16	0,690	1,194	1,746		2,120	2,583	2,921
17	0,689	1,191	1,740		2,110	2,567	2,898
18	0,688	1,189	1,734		2,101	2,552	2,878
19	0,688	1,187	1,729		2,093	2,539	2,861
20	0,687	1,185	1,725		2,086	2,528	2,845
21	0,686	1,183	1,721		2,080	2,518	2,831
22	0,686	1,182	1,717		2,074	2,508	2,819
23	0,685	1,180	1,714		2,069	2,500	2,807
24	0,685	1,179	1,711		2,064	2,492	2,797
25	0,684	1,178	1,708		2,060	2,485	2,787
26	0,684	1,177	1,706		2,056	2,479	2,779
27	0,684	1,176	1,703		2,052	2,473	2,771
28	0,683	1,175	1,701		2,048	2,467	2,763
29	0,683	1,174	1,699		2,045	2,462	2,756
30	0,683	1,173	1,697		2,042	2,457	2,750
40	0,681	1,167	1,684		2,021	2,423	2,704
50	0,679	1,164	1,676		2,009	2,403	2,678
100	0,677	1,157	1,660		1,984	2,364	2,626
∞	0,674	1,150	1,645		1,960	2,326	2,576

22

Представление результата измерений. Результат измерения записывается в виде x = x ±ε при доверительной вероятности Pд ,

где x – среднее арифметическое ряда наблюдений.

Числовое значение результата измерения должно оканчиваться цифрой того же разряда, что и значение погрешности ε .

Если данные о виде функции распределения случайной величины отсутствуют, то результаты измерения представляют в виде x ; S(x) ; n ; ε .

1.3. Описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд представляет собой LabVIEW компьютерную модель, располагающуюся на рабочем столе персонального компьютера. На виртуальном стенде (рис. 9) находятся модель электронного цифрового мультиметра, модель устройства цифровой обработки измерительной информации (УЦОИИ), модель универсального источника питания (УИП).

Поле №1

Поле №2

Поле №3 Поле №4

Рис. 9. Окно виртуального стенда

Модель электронного цифрового мультиметра используется для прямых измерений постоянного электрического напряжения методом непосредственной оценки.

23

В процессе выполнения работы измеряется постоянное напряжение, значение которого лежит в диапазоне от 0 до 10 В. Для уменьшения трудоемкости измерений выбран такой режим работы, когда по стандартному интерфейсу осуществляется автоматическая передача результатов наблюдений от модели цифрового мультиметра к модели УЦОИИ (рис. 10).

Рис. 10. Структура взаимодействия моделей на виртуальном лабораторном стенде

Модель УЦОИИ используется для моделирования следующих процессов:

•автоматический сбор измерительной информации от цифрового мультиметра;

•цифровая обработка собранной измерительной информа-

ции;

•отображение результатов обработки измерительной информации.

1.4. Порядок выполнения работы

Задание 1. Выполнение многократных независимых наблюдений в автоматическом режиме

1. С помощью регулятора выходного напряжения УИП («Амплитуда») установить на его выходе напряжение в соответствии с Вашим вариантом задания (табл. 9).

24

Т а б л и ц а 9

Варианты заданий

	Параметры							Номер варианта
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
	Напря-	1	2	3	4	5	6	7	8	9	2,5	3,5	4,5	5,5	6,5	7,5
	жение, В
	Коли-
	чество	50	60	70	80	90	100	200	20	30	40	50	60	70	80	90
	измере-
	ний

2.Ввести количество измерений, соответствующее Вашему варианту в поле 1 (рис. 9).

3.Рассчитать по формулам (1) и (2) количество интервалов разбиения и степеней свободы. Ввести полученные значения в соответствующие поля 2 и 3 (рис. 9).

4.В соответствии с количеством измерений и выбранной доверительной вероятностью найти по табл. 8 квантиль распределения Стьюдента и ввести его в поле 4 (рис. 9).

5.Нажатием на кнопку «Произвести наблюдения» на лицевой панели устройства (рис. 9) запустить режим сбора данных. УЦО-

ИИначнет моделирование режима получения измерительной информации от цифрового мультиметра, причем по мере их поступления результаты будут отображаться на графическом индикаторе устройства.

6.После окончания сбора данных изучить результаты наблюдений, представленные на графическом индикаторе.

Задание 2. Выполнение автоматизированной стандартной процедуры обработки результатов многократных независимых наблюдений

1. Оценить среднее арифметическое и среднее квадратическое отклонения результатов многократных наблюдений:

• дождаться появления в окне УЦОИИ результатов обработки, а именно, значения среднего арифметического результатов наблюдений и среднего квадратического отклонения результата измерения;

25

•записать в отчёт показания УЦОИИ, результаты обработ-

ки, а также представить результат измерения в виде x = x ±ε, где ε – средняя квадратическая ошибка результата измерений при заданной доверительной вероятности;

2.Проверить по критерию Пирсона гипотезу о нормальности закона распределения результатов наблюдений.

1.5.Содержание отчёта

1.Результаты расчета параметров, результаты работы программы выполнения многократных автоматических наблюдений, выводы.

2.Показания модели устройства цифровой обработки измерительной информации, результаты измерений и расчетов.

3.Результаты проверки гипотезы о нормальности закона распределения по критерию Пирсона, выводы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ЦИФРОВОЙ МУЛЬТИМЕТР

Цель работы – изучить характеристики и приобрести навыки работы с цифровым мультиметром, входящим в состав лабораторного измерительного комплекса, для решения практических задач.

2.1.Задание

1.Изучить основные возможности цифрового мультиметра, входящего в состав лабораторного измерительного комплекса.

2.Освоить основные приемы работы с цифровым вольтметром, амперметром, омметром и измерителем ёмкости.

3.Научиться измерять параметры пассивных элементов электрических цепей.

4.Определить полосу пропускания цифрового вольтметра.

5.Исследовать зависимость точности измерения напряжения от используемого диапазона измерений.

26

2.2. Краткие теоретические сведения

Цифровые мультиметры – это многоцелевые измерительные приборы для измерения различных параметров электрических цепей. В настоящее время существует большое многообразие мультиметров различающихся между собой количеством выполняемых функций. Функции мультиметра (рис. 11), входящего с состав лабораторного измерительного комплекса, перечислены на с. 13-14. Рассмотрим основные режимы работы мультиметра, используемые при выполнении данной работы.

8

7

1

2

3

4

5

6

Рис. 11. Мультиметр

Измерение напряжения

Внимание! Не проводите измерение напряжений более 1000 В постоянного тока или 750 В переменного тока. Это может привести к повреждению прибора или создать опасную ситуацию – удар электрическим током. Если входная нагрузка на клеммах прибора превышает максимально допустимые пределы, все индикаторы дисплея замигают. Срочно отсоедините измерительные щупы от тестируемой нагрузки!

1. Установить поворотный переключатель (рис. 11, поз. 7) в положение V .

27

2.Использовать кнопку AC/DC (Ω/) (рис. 11, поз. 8) для выбора режима измерения постоянного или переменного напряжения.

3.Подключить чёрный измерительный щуп к клемме COM (рис. 11, поз. 5) и красный измерительный щуп к клемме V/Ω (рис. 11, поз. 6).

4.Подключить щупы к нагрузке.

П р и м е ч а н и я. 1. Если полярность измеряемого напряжения отрицательная, на дисплее появится соответствующий индикатор « − ».

2. Для получения более точных результатов измерений выберите наименьший диапазон измерений, при измерениях в котором на дисплее не появится индикатор выхода за пределы диапазона « OL ».

Измерение тока

1.Установить поворотный переключатель в требуемое положение в зависимости от диапазона измерения.

2.Использовать кнопку AC/DC (Ω/) (рис. 11, поз. 8) для выбора режима измерения постоянного или переменного тока.

3.Подключить чёрный измерительный щуп к клемме COM (рис. 11, поз. 5) и красный измерительный щуп в зависимости от диапазона измерений либо к клемме mA (рис. 11, поз. 4), либо к клемме 20А (рис. 11, поз. 3).

4.Отключить питание тестируемой цепи и разомкнуть цепь на требуемом участке.

5.Подключить щупы последовательно к тестируемой нагрузке.

Измерение ёмкости

1.Разрядить тестируемые ёмкости путём закорачивания выводов конденсатора. Будьте осторожны при работе с силовыми конденсаторами!

Внимание! Тестирование неразряженных конденсаторов может привести к повреждению прибора.

2.Установить поворотный переключатель (рис. 11, поз. 7) в положение CAP.

3.Установить выводы конденсатора в разъёмы « − » и « + » гнезда для тестирования ёмкости (рис. 11, поз. 2). Снять показания на дисплее прибора.

П р и м е ч а н и е. Следите за полярностью подключения при тестировании полярных конденсаторов.

28

Измерение сопротивления

Внимание! Не подключайте измерительные щупы к источнику напряжения, если поворотный переключатель функций (рис. 11, поз. 7) установлен в положение для измерения сопротивления, а щупы подсоединены к клемме V/Ω (рис. 11, поз. 6). Убедитесь, что питание тестируемой цепи отключено и все конденсаторы полностью разряжены.

1.Установить поворотный переключатель (рис. 11, поз. 7) в положениеΩ.

2.Использовать кнопку AC/DC (Ω/) (рис. 11, поз. 8) для выбора режима измерения.

3.Подключить измерительные щупы последовательно к тестируемой нагрузке.

Пр и м е ч а н и я. 1. Если измеряемое сопротивление превышает максимально допустимое для данного диапазона измерений, на дисплее прибора появится индикатор OL и загорится полная линейка шкалы.

2.Собственное сопротивление измерительных щупов может повлиять на

точность результатов измерений. Обычно погрешность составляет 0,2 – 1 Ом для стандартной пары щупов. Для определения погрешности закоротите щупы и снимите показания на дисплее. Полученную погрешность вычтите из действительных результатов измерений.

Одной из характеристик, исследуемых в данной работе, является полоса пропускания (частотный диапазон) мультиметра в режиме вольтметра. Частотный диапазон вольтметров имеет ниж-

нюю Fн и верхнюю Fв границы. Понятие «частотный диапазон»

непосредственно ориентировано на синусоидальное измеряемое напряжение. Для аналоговых (стрелочных) вольтметров обычно

Fн = 20Гц; при F < Fн стрелка прибора начинает дрожать, тем

самым затрудняя процесс снятия показаний. Верхняя граница связана с тем, что с ростом частоты возрастает реактивное сопротивление катушки электромагнитного механизма, следовательно, при том же значении напряжения U на зажимах вольтметра уменьшается ток в его цепи и уменьшается показание. Частотный диапазон указывается на самом вольтметре, причём различают основной диапазон, в котором погрешность вольтметра не выходит за пределы основной, и расширенный, в котором допускается дополнительная частотная погрешность. Основной диапазон подчёркивается, например: 20 – 50 – 1000 – 2000 Гц.

29

Цифровой вольтметр, входящий в состав измерительного комплекса, в отличие от аналоговых вольтметров не имеет механических подвижных частей. Любой цифровой вольтметр содержит преобразователь постоянного напряжения в электрический кодовый сигнал, который управляет цифровым отсчётным устройством. Кроме него, могут быть усилители, делители напряжения и детекторы, так же как и в аналоговых электронных вольтметрах. Тогда именно они определяют чувствительность и частотный диапазон. Таким образом, частотный диапазон цифрового вольтметра расширяется до мегагерц и выше.

2.3. Порядок выполнения работы

Измерение характеристик компонентов электрической цепи

1.Измерить параметры предложенных преподавателем пассивных радиоэлектронных компонентов (резисторов, конденсаторов и др.).

2.Измерить напряжение на клеммах источника питания, входящего в состав лабораторного измерительного комплекса.

3.Изменяя диапазон измерения цифрового вольтметра при неизменном значении напряжения на клеммах источника питания, записать показания вольтметра. На основе полученных данных сделать вывод о характере изменения точности показаний.

Определение полосы пропускания цифрового вольтметра

1.Установить на цифровом вольтметре один из следующих диапазонов: 400 мВ, 4 В или 40 В.

2.Установить на генераторе, входящем в состав измерительного комплекса, синусоидальный вид выходного сигнала с частотой 1 кГц.

3.Подсоединить выход генератора к цифровому вольтметру и записать показания.

4.Изменяя частоту генератора в диапазоне от 1 Гц до 10 МГц, записывать показания цифрового вольтметра. На основе полученных данных сделать вывод о ширине полосы пропускания цифро-

вого вольтметра. Оценить Fн и Fв .

30

2.4.Содержание отчёта

1.Результаты измерения параметров радиоэлектронных компонентов, сравнение с номинальными значениями, выводы.

2.Результаты измерений напряжения на клеммах источника питания, выводы о влиянии диапазона измерения цифрового вольтметра на точность показаний.

3.Частотная характеристика цифрового вольтметра, выводы

оширине полосы пропускания цифрового вольтметра.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ПРИМЕНЕНИЕ ЦИФРОВОГО ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКОГО МОДУЛЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ

Цель работы – получить навыки работы с цифровым осциллографическим модулем, работающим совместно с лабораторным измерительным комплексом, для решения практических задач.

3.1.Задание

1.Изучить основные возможности цифрового осциллографического модуля.

2.Проверить соотношение между амплитудным и действующим значениями синусоидального сигнала.

3.Изучить режим спектроанализатора осциллографического модуля.

3.2.Описание цифрового осциллографического модуля

Внешний вид цифрового осциллографического модуля PCS 500 представлен на рис. 12. В сочетании с программой Oscilloscope

Pc-Lab2000™ фирмы Velleman® Instruments, работающей под управлением операционной системы Windows 2000/XP, указанный модуль приобретает возможности цифрового запоминающего осциллографа. Все основные настройки прибора осуществляются с помощью «мыши». Связь прибора с персональным компьютером осуществляется через параллельный порт, подключение через который оснащено оптронной развязкой, предназначенной для защи-

31

ты от повреждения устройств, вызванного разностью потенциалов их корпусов.

Рис. 12. Цифровой осциллографический модуль PCS 500

Изображение на экране прибора может быть дополнено горизонтальными и вертикальными маркерами, указывающими напряжение, время или частоту. Прибор является двухканальным, оснащён режимом анализатора спектра и позволяет сохранять осциллограммы в виде файла

3.3.Порядок выполнения работы

1.Освоение цифрового осциллографического модуля.

1.1.Исследование режима осциллографа.

1.2.Установить на функциональном генераторе, входящем в

состав лабораторного измерительного комплекса, форму выходного сигнала в соответствии с номером варианта:

1, 4, 7, 10 – синусоидальная форма. 2, 5, 8 – прямоугольная форма.

3, 6, 9 – треугольная форма.

Частоту сигнала выбрать произвольно из диапазона 100 Гц –

20кГц.

1.3.Подключить генератор к цифровому осциллографу с помощью кабеля с разъёмами BNC-BNC, как показано на рис. 13. Получить на экране компьютера осциллограмму сигнала. Откорректировать параметры сигнала и настройки осциллографа так, чтобы на экране отображались 2 – 3 полных периода сигнала с размахом не менее 2/3 экрана.

32

Рис. 13. Подключение функционального генератора к осциллографу

1.4.При помощи маркеров (рис. 14) точно определить амплитуду и частоту сигнала, а в случае входного сигнала в виде последовательности прямоугольных импульсов дополнительно определить длительность импульсов и величину паузы между импульсами. Результаты измерений занести в отчёт.

1.5.Установить на генераторе синусоидальный сигнал с произвольной частотой в диапазоне 40 Гц – 20 кГц.

Маркеры

Рис. 14. Отображение маркеров напряжения и времени

33

1.6.Определить при помощи маркеров амплитуду сигнала. Результат измерения занести в отчёт. После этого следует отключить функциональный генератор от осциллографа.

1.7.Перевести мультиметр, входящий в комплекс, в режим измерения переменного напряжения, выбрать оптимальный диапазон в соответствии с амплитудой сигнала, определённой на предыдущем шаге.

1.8.Подключить выход генератора к мультиметру, используя кабель с разъёмами BNC-«два штырьковых контакта» (рис. 15).

Определить величину амплитуды сигнала. Сравнить амплитуду, измеренную при помощи маркеров на цифровом осциллографе

имультиметром, объяснить различие между полученными величинами. Вывод занести в отчёт.

Рис. 15. Подключение функционального генератора к мультиметру

2. Исследование режима спектроанализатора.

2.1.Перевести прибор в режим спектроанализатора, как показано на рис. 16.

2.2.Подключить генератор к цифровому осциллографу. Изменяя основные параметры сигнала и его форму, наблюдать за изменением спектра.

2.3.Объяснить и занести в отчёт наблюдаемые изменения в спектре. Для сигналов всех форм изменять амплитуду и частоту. Для сигнала прямоугольной формы дополнительно изменять длительность импульса.

34

Кнопка включения режима спектроанализатора

Рис. 16. Включение режима спектроанализатора

3.4.Содержание отчёта

1.Результаты измерения параметров сигнала.

2.Сравнительные результаты измерений амплитуды сигнала заданной формы, выполненные с помощью осциллографа и мультиметра.

3.Вывод, объясняющий различие полученных амплитуд сиг-

нала.

4.Исходное изображение спектра сигнала и изображения спектра, полученные при изменении параметров сигнала, дополненные объяснением полученных результатов.

35

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛОСОВОГО ФИЛЬТРА

Цель работы – ознакомиться с методами анализа амплитуд- но-частотных характеристик (АЧХ) фильтров, исследовать виртуальную модель фильтра, построить и исследовать АЧХ реального активного полосового фильтра.

4.1.Задание

1.Используя функциональный генератор лабораторного измерительного комплекса и цифровой осциллограф, наблюдать осциллограмму сигнала на выходе полосового фильтра при перестройке генератора по частоте.

2.Наблюдать изменение спектра выходного сигнала при использовании режима свипирования (генератора качающейся частоты).

3.Построить график АЧХ полосового фильтра и определить его полосу пропускания.

4.2.Краткие теоретические сведения

При передаче информационных сигналов, как правило, возникает необходимость их обработки, которая часто осуществляется посредством фильтрации – целенаправленного изменения спектра сигнала, направленного на подавление нежелательных составляющих (шумов, помех) и сохранение (или усиление) информативных составляющих. Так, например, в аппаратуре дальней связи при частотном разделении каналов на приемном конце возникает необходимость выделить из суммарного сигнала сигналы, соответствующие каждому из каналов.

Фильтрация сигналов реализуется с помощью специальных частотно-зависимых устройств – электрических фильтров. Их классификация обычно проводится по следующим признакам: по характеру используемых сигналов (аналоговые, цифровые или дискретные) и по виду частотной характеристики (фильтры низких частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полоснопропускающие или полосовые (ПФ), полосно-задерживающие, заграждающие или режекторные (РФ)).

36

В свою очередь аналоговые фильтры классифицируются на пассивные и активные. Пассивные фильтры состоят только из пассивных элементов электрических цепей: резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, трансформаторов. Фильтры этого типа хорошо работают на высоких частотах, однако в низкочастотном диапазоне (до 500 кГц) им свойственны существенные недостатки: уменьшается добротность и, наоборот, возрастают габариты и стоимость катушек индуктивности; низкое входное и высокое выходное сопротивления затрудняют согласование фильтра по входу и выходу; элементы фильтра становятся восприимчивыми к таким внешним факторам, как изменение температуры, вибрация и т.п.

Таким образом, основные недостатки пассивных фильтров обусловлены сложностями изготовления катушек индуктивности, а также трудностями стабилизации параметров фильтров для работы в низкочастотной области.

Активные аналоговые фильтры содержат активные электронные элементы, например транзисторы или операционные усилители, а также резисторы и конденсаторы. Кроме устранения низкотехнологичных катушек индуктивности, применение активных элементов позволяет практически исключить проблему согласования фильтров с внешними устройствами, поскольку необходимые значения входного и выходного сопротивлений достигаются достаточно просто.

При исследовании фильтров любых видов наиболее часто применяются АЧХ и фазочастотные характеристики (ФЧХ). АЧХ определяет фильтрующие свойства по амплитуде, проявляющиеся в том, что гармонические составляющие сигнала, имеющие различные частоты, ослабляются фильтром в разной степени. АЧХ строится на основании отношения амплитуд или мощностей сигналов на выходе и входе фильтра. ФЧХ характеризует сдвиг фазы выходного сигнала фильтра по отношению к входному, вызванный тем, что составляющие входного сигнала, имеющие различные частоты, будут сдвигаться (задерживаться) фильтром по фазе в разной степени. В данной работе исследуется только АЧХ.

Область частот пропускаемых колебаний, для которых АЧХ фильтра, построенная на основании отношения мощностей, изменяется в пределах не более 0,5 от своего максимального значения,

37

называется полосой пропускания. Таким образом, в пределах полосы пропускания мощность сигнала на выходе фильтра изменяется не более чем в два раза.

Для построения АЧХ может использоваться логарифмическая шкала. В этом случае отношение мощностей или амплитуд сигналов указывают в децибелах по следующей формуле:

F(ω)= 20

Uвых (ω)

Pвых (ω)

=10

,

lg

U

вх

(ω)

lg

P

(ω)

вх

где F(ω) − АЧХ в децибелах; Uвх(ω), Pвх(ω), Uвых (ω), Pвых(ω) − амплитуды и мощности сигнала на входе и выходе фильтра на час-

тоте ω.

Нетрудно подсчитать, что в пределах полосы пропускания изменение значения ∆F(ω) не превышает примерно 3 дБ. Предел

изменения уровней сигнала, используемый для оценки полосы пропускания, принято называть неравномерностью. Следовательно, полоса пропускания оценивается при неравномерности 3 дБ.

На рис. 17 приведены примеры АЧХ для ФНЧ, ФВЧ, ПФ и РФ. Пунктирными линиями показаны идеальные АЧХ, полоса пропускания заштрихована на соответствующем участке оси частот. Из рисунка следует, что реальная АЧХ лишь приближённо представляет (аппроксимирует) идеальную.

Рис. 17. АЧХ различных фильтров

38

4.3. Описание лабораторной установки

Исследуемый в данной работе фильтр является активным полосовым, построенным с использованием операционного усилителя (рис. 18). Для настройки центральной частоты полосы пропускания и калибровки фильтра используются резисторы R2 и R3, выведенные в виде регуляторов на лицевую панель прибора. При выполнении работы нет необходимости изменять положения этих регуляторов. Питание фильтра осуществляется от однополярного источника постоянного напряжения 15 В, входящего в состав измерительного комплекса. Для подключения входного и выходного сигналов на корпусе фильтра предусмотрены разъёмы BNC.

Рис. 18. Структура исследуемого ПФ

Помимо реального ПФ в работе исследуется программная модель полосового фильтра «Фильтр.exe», выполненная на персональном компьютере с использованием программного пакета LabView. Эта программа позволяет осуществить построение АЧХ двумя способами:

1) использованием гармонического сигнала. Изменяя частоту входного гармонического сигнала, можно наблюдать изменение амплитуды выходного сигнала как во временной, так и в частотной областях. Таким образом, следует произвести несколько замеров амплитуды сигнала на входе и выходе фильтра при различной частоте сигнала. Имея в наличии полученный массив данных, построить АЧХ фильтра в виде графика функции. Используя режим автоматической перестройки по частоте, можно получить дина-

39

мичную картину движения спектральной составляющей вдоль частотной оси с одновременным изменением её амплитуды;

2) использованием белого шума. Идеальный белый шум характеризуется постоянством спектральной плотности вне зависимости от частоты. Спектральная плотность представляет собой сплошную горизонтальную линию, идущую параллельно оси частот. При прохождении такого сигнала через фильтр на его выходе формируется сигнал, спектр которого повторяет по форме АЧХ фильтра, т.е. является ее «отпечатком».

Для начала работы с виртуальным макетом фильтра запустите файл «Фильтр.exe», при этом на экране компьютера появится окно, представленное на рис. 19, где 1 – графические индикаторы, отображающие сигнал на входе фильтра во временной и частотной областях; 2 – регулятор частоты входного сигнала (используется только для гармонических сигналов); 3 – тумблер, позволяющий включить режим свипирования генератора или режим ручной перестройки (при помощи регулятора 2) частоты генератора; 4 – тумблер,

Рис. 19. Лицевая панель виртуальной модели фильтра

40

отвечающий за вид сигнала, подаваемого на вход фильтра (гармонический сигнал или белый шум); 5 – графические индикаторы, отображающие сигнал на выходе фильтра во временной и частотной областях; 6 – таблица отсчётов частоты и амплитуды сигнала на выходе фильтра, используемых для построения АЧХ; 7 – кнопка, автоматически заполняющая таблицу (поз. 6); 8 – кнопка, формирующая АЧХ по данным таблицы (поз. 6); 9 – кнопка, очищающая таблицу (поз. 6); 10 – графический индикатор, отображающий построенную АЧХ.

4.4. Порядок проведения лабораторной работы

Исследование виртуального макета

При помощи виртуального макета исследовать два метода анализа АЧХ.

I. Использование гармонического сигнала.

1.Подать на вход фильтра гармонический сигнал. Изменяя частоту входного сигнала, наблюдать изменение амплитуды выходного сигнала фильтра во временной и в частотной областях.

2.Определить и занести в отчёт значение амплитуды сигнала на входе фильтра.

3.Произвести не менее десяти замеров частоты и амплитуды сигнала на выходе фильтра. Результаты занести в табл. 10.

Та б л и ц а 10

Экспериментальная зависимость амплитуды сигнала на выходе фильтра от частоты

fвх , Гц

Uвых , В

4.Построить АЧХ фильтра в виде графика функции в отчёте рядом с табл. 10. Для расчёта АЧХ использовать отношения значений амплитуды сигнала на выходе фильтра из табл. 10 к амплитуде сигнала на входе фильтра.

5.Определить по построенному графику АЧХ полосу пропус-

кания фильтра и занести полученные значения fв и fн в отчёт.

6. Используя режим автоматической перестройки по частоте, получить динамичную картину движения спектральной состав-

41

ляющей вдоль частотной оси с одновременным изменением её амплитуды. Занести в отчёт изображение полученного спектра.

II. Использование белого шума.

1.Подать на вход фильтра шумовой сигнал. Наблюдать спектр сигнала на выходе фильтра.

2.Занести в отчёт изображение полученного спектра сигнала.

Исследование реального макета

1. Собрать экспериментальную установку, как показано на рис. 20. Для подключения выходного сигнала генератора к фильтру и выходного сигнала фильтра к осциллографу использовать кабели с разъёмами BNC-BNC.

Рис. 20. Структура лабораторной установки

2.Включить приборы и персональный компьютер, запустить программу Oscilloscope Pc-Lab2000™.

3.Установить с помощью органов управления на функциональном генераторе гармонический сигнал с частотой в диапазоне от 100 Гц до 5 кГц.

4.Наблюдать осциллограмму выходного сигнала ПФ.

5.Плавно изменяя частоту функционального генератора, наблюдать изменение амплитуды и частоты выходного сигнала во

42

временной и частотной областях. Для отображения спектра следует переключить прибор PCS500 в режим спектроанализатора.

6.Зафиксировать в отчёте десять значений частоты входного сигнала и соответствующие им уровни спектральных составляющих выходного сигнала. Для фиксации использовать таблицу, аналогичную табл. 10. По полученным данным построить в отчёте график АЧХ.

7.Определить по построенному графику АЧХ полосу пропус-

кания фильтра и занести полученные значения fв и fн в отчёт.

8.Переключить функциональный генератор в режим генератора качающейся частоты и наблюдать фильтрующие свойства исследуемого четырёхполюсника. Для этого перевести цифровой осциллограф в режим спектроанализатора, занести в отчёт изображение спектра сигнала на выходе фильтра. Занести объяснение полученного эффекта в отчёт.

9.Занести в отчёт вывод о свойствах фильтра, в котором отметить, какие диапазоны частот фильтр пропускает, а какие задерживает.

4.5. Содержание отчёта

1.Результаты исследования виртуального макета: значение амплитуды сигнала на входе фильтра; таблица экспериментальной зависимости амплитуды выходного сигнала фильтра от частоты; график АЧХ фильтра; значения граничных частот полосы пропускания фильтра; изображение спектра сигнала на выходе фильтра при использовании режима автоматической перестройки по частоте; изображение спектра сигнала на выходе фильтра при использовании шумового входного сигнала.

2.Результаты исследования реального макета: таблица экспериментальной зависимости амплитуды выходного сигнала фильтра от частоты; график АЧХ фильтра; значения граничных частот полосы пропускания фильтра; изображение спектра сигнала на выходе фильтра при использовании генератора качающейся частоты; объяснение полученного результата при использовании генератора качающейся частоты; вывод о фильтрующих свойствах фильтра.

3.Сравнительная оценка реального и виртуального фильтров по результатам проведённого исследования.

43

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕНЕРАТОРА ИМПУЛЬСНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

Цель работы – ознакомиться с методами анализа характеристик импульсных сигналов во временной и частотной областях, исследовать виртуальную модель генератора импульсных сигналов, исследовать влияние частоты и длительности импульсов сигнала на вид его спектра.

5.1.Задание

1.Наблюдать на экране цифрового осциллографа сигнал, полученный с выхода генератора импульсных сигналов.

2.Проанализировать влияние длительности импульсов и периода их следования на огибающую спектра импульсной последовательности.

3.Объяснить полученные результаты.

5.2.Краткие теоретические сведения

Импульсными генераторами называют устройства, преобразующие энергию источников постоянного напряжения в энергию электрических импульсов. В зависимости от формы вырабатываемых импульсов выделяют генераторы прямоугольных импульсов, генераторы линейно изменяющегося напряжения и генераторы импульсов специальной формы.

Форма импульсного сигнала, представленного на рис. 21, определяется рядом параметров, основными из которых являются следующие:

•амплитуда импульса Uм – максимальное значение напря-

жения;

•длительность фронта импульса tфр – интервал времени, в

течение которого выходное напряжение нарастает от 0,1·Uм до

0,9·Uм;

• длительность среза импульса tср – интервал времени, в те-

чение которого выходное напряжение убывает от 0,9·Uм до 0,1·Uм ;

44

•длительность импульса tи – интервал времени от момента

появления импульса до его окончания, измеренный по уровню

0,5·Uм;

•период следования T – промежуток времени, через который повторяется импульс;

•частота следования импульсов f – параметр, связанный с

периодом следования импульсов соотношением: f =1T ;

•скважность – Q =Ttи .

Рис. 21. Вид генерируемых импульсов

5.3. Описание лабораторной установки

Исследуемый в данной работе реальный макет генератора построен на микросхеме K1561АГ1 (рис. 22).

Структура исследуемого макета содержит регулируемые резисторы R3 и R4, предназначенные для изменения соответственно

длительности импульсов tи и частоты их следования f. Ручки

управления сопротивлением резисторов R3 и R4 выведены на лицевую панель макета.

Питание макета генератора осуществляется с помощью однополярного источника постоянного напряжения 9 В, входящего в состав лабораторного измерительного комплекса. Для снятия выходного сигнала с генератора на корпусе макета предусмотрен разъём BNC.

45

В данной работе, помимо анализа параметров реального макета импульсного генератора, исследуются программная модель прибора, реализующего функции генератора прямоугольных импульсов, а также виртуальный осциллограф и спектроанализатор. Виртуальная модель построена с использованием программного пакета LabVIEW. Для работы с виртуальной моделью необходимо запустить на персональном компьютере файл “Генератор.exe”.

Рис. 22. Структура исследуемого генератора

Для того чтобы активизировать модель генератора, необходимо нажать кнопку Run Continuously, находящуюся под основным меню модели.

Лицевая панель программной модели измерительного стенда для исследования характеристик импульсных сигналов представлена на рис. 23.

Поле 1 позволяет просматривать временную реализацию последовательности импульсов, формируемую виртуальным генератором. Поле 2 отображает спектр текущей последовательности импульсов. С помощью этого поля можно наблюдать за изменени-

46

ем спектрального состава импульсной последовательности при изменении параметров сигнала. Органы управления 3 и 4 позволяют задать амплитуду импульсов и скважность. С помощью поворотной ручки 5 задается частота следования импульсов. При этом период следования импульсов имеет обратно пропорциональную зависимость от установленной частоты. Значения частоты, длительности импульсов и периода их следования можно контролировать с помощью индикаторов 6 − 8.

Рис. 23. Интерфейс виртуальной модели генератора

5.4. Порядок выполнения лабораторной работы

Исследование виртуального макета

При помощи виртуальной модели исследовать влияние длительности и частоты следования прямоугольных импульсов на спектр сигнала.

47

1.Установить амплитуду генерируемых импульсов на уровне не менее 6 В.

2.Установить частоту следования импульсов 10 Гц.

3.Для установленной частоты сформировать последовательность импульсов со скважностью, равной 10.

4.Наблюдать спектр полученной импульсной последователь-

ности.

5.Определить наименьшую из частот спектра сигнала, при которой амплитуда гармоники равна нулю. В дальнейшем эту частоту будем называть частотой первого нуля спектра импульсной последовательности.

6.Занести найденное значение частоты в ячейку табл. 11, соответствующую установленной частоте следования импульсов и заданной скважности.

Та б л и ц а 11

Определение частоты первого нуля спектра импульсной последовательности

Частота следования импульсов, Гц		10	12	13	14	15
	10,0
Заданная скважность	5,0
	3,0
	2,0

7.Повторить пп. 3− 6 для всех значений скважности из табл. 11. Найденные значения частоты первого нуля спектра импульсной последовательности занести в табл. 11.

8.Повторить пп. 2 − 8 при других значениях частоты следования импульсов из табл. 11.

9.Проанализировать зависимость полученных частот первого нуля спектра импульсной последовательности от частоты следования импульсов и заданной скважности.

10.Занести в отчёт не менее двух пар изображений сигнала и его спектра с указанием установленных значений скважности и частоты следования импульсов.

Исследование реального макета

48

Для исследования реального макета генератора собрать экспериментальную установку согласно схеме, приведенной на рис. 24. Для подключения выходного сигнала генератора к осциллографической приставке использовать кабель с разъёмами BNC-BNC. После сборки экспериментальной установки подать на генератор напряжение постоянного тока 9 В.

PS SCOPE	PCS 500
CH1	EXT CH2

частотомер	мультиметр
CHA CHB		генератор
генератор	источник питания
функциональный
VCF IN
TTL
OUTPUT

Рис. 24. Схема лабораторной установки

Исследование импульсной последовательности при неизменном периоде следования импульсов

1.Переключить осциллограф в режим наблюдения временного сигнала (режим Oscilloscope).

2.С помощью ручек управления макетом генератора задать последовательность импульсов с минимальной длительностью и минимальной частотой повторения импульсов.

3.Наблюдать на экране цифрового осциллографа выходной сигнал генератора (рис. 25).

49

Рис. 25. Последовательность импульсов минимальной длительности

смаксимальным периодом

4.С помощью маркеров измерить значение длительности им-

пульсов и периода их следования. Занести полученные значения в табл. 12 (период следования импульсов записать над ней).

Т а б л и ц а 12

Параметры сигнала при изменении длительности импульсов

Период следования импульсов T =

Длительность импульса

Частотный интервал между нулевыми гар-

мониками в спектре сигнала

Частотный интервал между основными

спектральными линиями

5.Занести в отчёт изображение наблюдаемого временного сигнала.

6.Переключить осциллограф в режим наблюдения спектра (режим Spectrum Analyzer) и подобрать масштабные коэффициенты таким образом, чтобы можно было наблюдать два − три нуля в спектре сигнала (рис. 26). Занести изображение спектра сигнала в отчёт.

50

Рис. 26. Спектр последовательности импульсов минимальной длительности

смаксимальным периодом

7.Измерить частотный интервал между нулевыми гармониками в спектре и между основными спектральными линиями сигнала. Полученные значения занести в табл. 12.

8.Не меняя частоту следования импульсов, только при помощи ручки изменения их длительности, расположенной на лицевой панели макета генератора, получить на экране осциллографа спектр с пятью нулями (рис. 27). Занести изображение спектра сигнала в отчёт.

Рис. 27. Спектр на экране осциллографа, содержащий пять нулей

9. Измерить с помощью осциллографа и занести в табл. 12 значения длительности импульсов сигнала, а также значения час-

51

тотных интервалов между нулями в спектре и между спектральными линиями.

10.Повторяя пп. 8 и 9, получить на экране осциллографа спектр

свосемью нулями (рис. 28), а параметры спектра занести в табл. 12.

Рис. 28. Спектр на экране осциллографа, содержащий восемь нулей

11. Сделать вывод о связи длительности импульсов с частотами гармоник спектра, амплитуды которых равны нулю.

Исследование импульсной последовательности при неизменной длительности импульсов

1.С помощью ручек управления макетом генератора задать последовательность импульсов с минимальной длительностью и минимальной частотой повторения (см. рис. 25). Полученный таким образом сигнал будет иметь максимальную скважность.

2.Рассчитать период повторения импульсов и занести в табл. 13 значения параметров сигнала и его спектра, соответствующие максимальной скважности (длительность импульсов записать над табл. 13).

Таблица 13

Параметры сигнала при изменении периода следования импульсов

Длительность импульсов tи		=
	Скважность		Max	6	3
	Период повторения импульсов
	Частотный интервал между нулями в спектре
	сигнала

52

Частотный интервал между основными спек-

тральными линиями

3.Установить на осциллографе режим наблюдения сигнала во временной области.

4.Не меняя длительности импульсов, только при помощи ручки изменения частоты повторения импульсов, расположенной на лицевой панели макета генератора, получить на экране осциллографа временной сигнал со скважностью, равной 6.

5.Повторить п. 2. Полученные изображения сигнала и его спектра занести в отчёт.

6.Повторить пп. 3 − 5 при скважности 3.

5.5.Содержание отчёта

1.Таблицы, содержащие измеренные значения параметров наблюдаемых сигналов и их спектров.

2.Вывод о зависимости между параметрами последовательности прямоугольных импульсов во временной и частотной областях.

3.Изображения сигналов и их спектров.

4.Сравнительный анализ реального и виртуального макетов генератора.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА НА ВЫХОДЕ УСИЛИТЕЛЯ

Цель работы – ознакомиться с работой усилителя напряжения в режимах отсечки и насыщения, исследовать влияние режима работы усилителя на форму и спектр выходного сигнала на реальном и виртуальном макетах, произвести измерения параметров сигнала на выходе усилителя.

6.1.Задание

1.Наблюдать форму и спектр сигнала на выходе генератора с помощью цифрового осциллографа. В качестве источника входного сигнала усилителя использовать функциональный генератор лабораторного измерительного комплекса.

2.Переводя усилитель в режим отсечки или насыщения,

53

проследить изменение формы и спектра сигнала на выходе усилителя.

3.Наблюдать изменение формы и спектра сигнала при изменении величины амплитуды входного напряжения, а также величины напряжения питания.

4.Объяснить полученные результаты.

6.2. Краткие теоретические сведения

Усилителем электрических сигналов называется устройство, предназначенное для усиления мощности сигнала, поданного на его вход. Процесс усиления основан на преобразовании активным элементом (биполярным или полевым транзистором) энергии источника постоянного напряжения в энергию переменного напряжения на нагрузке.

Работа усилительных устройств описывается рядом параметров и характеристик.

Коэффициент усиления – отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного в установившемся режиме при гармоническом входном сигнале. Сигнал может описываться напряжением, током или мощностью, поэтому различают коэффициенты усиления K :

•по напряжению KU =Uвых Uвх ;

• по току KI = Iвых Iвх ;

•по мощности KP = Pвых Pвх ,

где Uвх , Iвх , Pвх , Uвых , Iвых , Pвых – напряжения, токи и мощности на входе и выходе усилителя.

Входное сопротивление усилителя (полное Zвх или резистивное Rвх ) представляет собой сопротивление между входными

зажимами усилителя и определяется отношением входного напряжения к входному току. Характер входного сопротивления зависит от диапазона усиливаемых частот.

Выходное сопротивление (полное Zвых или резистивное Rвых )

определяется между выходными зажимами при отключенном сопротивлении нагрузки.

Коэффициент демпфирования – отношение сопротивления нагрузки Rн к выходному сопротивлению: KД = Rн Rвых . Для

54

усилителей высшего класса он лежит в пределах от 10 до 100. Выходная мощность – мощность на выходе усилителя при ра-

боте на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений.

Коэффициент полезного действия (КПД) – отношение выход-

ной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания.

Чувствительность (минимальное входное напряжение Uвх.мин ) – напряжение, которое нужно подать на вход усилителя,

чтобы получить на выходе заданную мощность.

Динамический диапазон – отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения Uвх.макс к его наименьшему

допустимому значению: D =Uвх.макс Uвх.мин .

Диапазон частот усиливаемых сигналов – разность между верхней и нижней граничными частотами f = fв − fн , в которой

коэффициент усиления усилителя изменяется по определенному закону с заданной точностью.

Коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармо-

ник) определяет отличие формы реального сигнала от «идеальной» синусоиды. Коэффициент гармоник – величина, выражающая степень нелинейных искажений устройства (усилителя и др.), равная отношению среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала к напряжению первой гармоники при воздействии на вход устройства синусоидального сигнала. Таким образом, коэффициент гармоник определяется по формуле

		n
		∑Ui2
KГ =		i=2		100% ,	(3)
		U1

где Ui – действующее значение напряжения соответствующей

гармоники сигнала.

Источником нелинейных искажений является нелинейность вольт-амперных характеристик (ВАХ) активных элементов усилителя. Различают несколько режимов работы усилителя.

Режим неискаженного усиления. При усилении сигнала ма-

лой амплитуды рабочая точка покоя выбирается так, что входной

55

сигнал полностью помещается на линейном участке входной характеристики, а значение тока покоя располагается на середине этого участка (рис. 29).

Рис. 29. Работа усилителя в режиме неискаженного усиления

Режим искаженного усиления. Если амплитуда напряжения,

действующего на входе усилителя, достаточно велика, то сигнал на выходе усилителя имеет нелинейные искажения, которые вызываются различными причинами. Так, при низких напряжениях на входе усилителя он может переходить в режим отсечки, где входной ток почти не зависит от изменения входного напряжения. С другой стороны, при больших значениях входного напряжения на выходе усилителя наблюдаются малые значения напряжения и усилитель может перейти в режим насыщения, где выходной ток слабо зависит от входного.

Режим неискаженного усиления характеризуется работой транзистора на почти линейных участках ВАХ. В связи с этим нелинейные искажения сигнала минимальны (коэффициент гармо-

ник KГ ≤1% ), а КПД менее 50 %.

Режим искаженного усиления характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала (коэффициент гармоник

KГ >1% ) вследствие работы на нелинейных начальных участках ВАХ усилителя, при этом КПД лежит в пределах 60 … 70 %.

6.3. Описание лабораторной установки

56

Исследуемый в данной работе усилитель напряжения построен с использованием схемы операционного усилителя КР140УД708 (рис. 30).

					C3
					R3
Ui C1			DA1
	R1 1 R2	2	КР140УД708			Y 6	C5	R8 Uo
			2	X1	>
GND			3	X2			R7
			1	B1		+Uss 7		GND
		5	5	B2		-Uss 4
GND
	R4	3 R5		4 R6			+Ucc
						C2	C4

Рис. 30. Структура усилителя напряжения

Структура исследуемого усилителя содержит регулируемые резисторы R2 и R5, предназначенные для изменения соответственно уровня усиления входного сигнала и баланса нуля. Ручки управления сопротивлением резисторов R2 и R5 выведены на лицевую панель макета.

Питание макета усилителя осуществляется с помощью однополярного источника постоянного напряжения 15 В, входящего в состав лабораторного измерительного комплекса. Для снятия выходного сигнала с генератора на корпусе макета предусмотрен разъём BNC.

Для исследования спектра сигнала на выходе усилителя в режимах отсечки и насыщения разработан виртуальный макет усилителя (рис. 31).

57

1

Рис. 31. Лицевая панель виртуального макета усилителя

На его лицевой панели можно наблюдать как исходный входной сигнал 1 и его спектр 7, так и усиленный выходной сигнал 2 и его спектр 8. С помощью ручки 3 можно установить амплитуду сигнала на входе усилителя в диапазоне от нуля до 1 В. Границы режимов насыщения и отсечки изменяются с помощью соответствующих ползунков 4 и 5, а коэффициент усиления регулируется ручкой 6 в диапазоне значений от единицы до 10.

6.4. Порядок проведения работы

Исследование виртуального макета

Для проведения исследования режимов отсечки и насыщения, их влияния на форму и спектр выходного сигнала следует подать на вход виртуального усилителя гармонический сигнал.

1. Установить амплитуду входного сигнала в диапазоне от 0,5 до 1,0 В. Установить значение усиления, равное 8. Занести в отчёт изображения сигналов и их спектров на входе и выходе усилителя.

58

2.Задать границу режима насыщения на таком уровне, чтобы появились нелинейные искажения усиленного сигнала, приводящие к обогащению спектра сигнала дополнительными спектральными составляющими. Занести в отчёт изображения сигнала и его спектра на выходе усилителя.

3.Произвести оценку коэффициента гармоник с помощью виртуального спектроанализатора сигнала с выхода усилителя, работающего в режиме насыщения, используя формулу (3).

4.Установить границу режима насыщения на уровне среднего значения выходного сигнала. Наблюдать изменение количества спектральных составляющих в спектре усиленного сигнала. Занести в отчёт изображения выходного сигнала и его спектра.

5.Перевести виртуальный усилитель в режим неискаженного усиления сигнала. Повторить пп. 2 – 4, изменяя уровень границы режима отсечки.

Исследование реального макета

Собрать лабораторную установку в соответствии со структурой, представленной на рис. 32.

1.Установить амплитуду выходного сигнала функционального генератора лабораторного измерительного комплекса в диапазоне от 1,0 до 3,5 В. Задать частоту сигнала в диапазоне от 1 до 10 кГц. Параметры сигнала измерить с помощью осциллографической приставки.

2.Установить режим неискаженного усиления. Для этого ручкой уровня выходного сигнала, находящейся на лицевой панели макета усилителя, задать максимальное усиление, при котором выходной сигнал не искажен. При необходимости с помощью ручки баланса нуля добиться неискаженной формы сигнала. Наблюдать сигнал без искажений (рис. 33) и его спектр. Занести в отчёт изображения сигнала и его спектра.

59

PS SCOPE	PCS 500
CH1	EXT CH2

частотомер мультиметр

CHA CHB		усилитель
функциональный	источник питания
генератор		вход
VCF IN
TTL
OUTPUT

Рис. 32. Структура лабораторной установки

Рис. 33. Сигнал на выходе усилителя без нелинейных искажений

3.Измерить коэффициент передачи по напряжению.

4.С помощью ручки балансировки нуля перевести сигнал в режим насыщения (рис. 34). Наблюдать спектр искаженного сигнала. Занести в отчёт изображения сигнала и его спектра на выходе усилителя.

60

Рис. 34. Сигнал на выходе усилителя в режиме насыщения

5.Оценить коэффициент гармоник по видимой части спектра на выходе усилителя.

6.Наблюдая спектр выходного сигнала усилителя в режиме насыщения и плавно поворачивая ручку баланса нуля, необходимо получить спектр сигнала, в котором амплитуды паразитных нечетных составляющих приближены к нулю (рис. 35).

Рис. 35. Спектр сигнала в режиме насыщения

7. Перевести усилитель в режим отсечки и повторить пп. 4 – 6

(рис. 36, 37).

61

Рис. 36. Сигнал на выходе усилителя в режиме отсечки

Рис. 37. Спектр сигнала в режиме отсечки

8. Вернуться в режим неискаженного усиления сигнала. С помощью ручки изменения уровня выходного сигнала, расположенной на лицевой панели макета, добиться одновременной работы усилителя и в режиме отсечки, и в режиме насыщения (рис. 38). Полученные изображения выходного сигнала и его спектра занести в отчёт.

62