Метрология - указания лабораторным работам

3.ИЗМЕРЕНИЯ

СИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УНИВЕРСАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Цельработы

Изучить принцип действия и структурную схему аналогового осциллографа.

Ознакомитьсясосновнымиметрологическимихарактеристикамиисследуемого осциллографа.

Получитьнавыкииспользованияосциллографадляисследованияформыэлектрическихсигналовиизмеренияихпараметров.

Исследуемыйприбор

Универсальныйэлектронно-лучевойосциллограф типаС1-67.

Вспомогательныеприборыиустройства

ГенераторизмерительныхсигналовнизкочастотныйтипаГ3-109. Генераторизмерительныхсигналов высокочастотныйтипаГ4-158. Генераторимпульсов типаГ5-63.

Фазовращатель – устройство, вносящеерегулируемыйфазовыйсдвиг. Исследуемыйчетырехполюсник.

Лабораторноезадание

1.Ознакомитьсясоструктурнойсхемойиорганамиуправленияисследуемого осциллографа.

2.Выполнить измерения напряжения, частоты, интервала времени и фазового сдвига с помощью осциллографа.

4.Определить погрешностивыполненныхизмеренийипроизвестиих сравнение, когда параметризмерялся различнымиспособами.

Подготовкакработе(домашнеезадание)

Изучитьтеоретическийматериал[1, 2, 5, 6] иконспектлекций. Проработать описание данной работы и заполнить бланки таблиц в

соответствиисуказаниямиксодержаниюотчета.

Ознакомиться с метрологическими характеристиками осциллографа С1-67 [3], заполнитьтабл. 3.1, изучитьструктурнуюсхемуприбора, расположениеиназначениевсехорганов управления.

Длясамопроверкиготовностиквыполнениюработысформулировать ответы на следующие вопросы, которые могут быть заданы при допуске к работе.

21

Вопросыдлясамопроверки

1.Назначениеэлектронно-лучевогоосциллографа.

2.Принцип полученияосциллограммы на экране аналоговогоосцил-

лографа.

3.Структурнаясхема аналоговогоосциллографа.

4.Основныеметрологическиехарактеристикиосциллографа.

5.Режимыработы генератораразвертки.

6.Требованияксигналугенератораразвертки.

7.Условиенеподвижностиосциллограммы.

8.Синусоидальнаяразвертка иееприменение.

9.Зачем нужналиниязадержкив каналеY?

Порядоквыполненияработыиметодическиеуказания

Включить питание исследуемого осциллографа и вспомогательных приборов. Пократкомутехническомуописаниюосциллографаознакомиться с расположением и назначением органов управления на его передней панели.

Таблица 3.1 Основные метрологические характеристики осциллографа С1-67

ШиринаполосыпропусканияканалаY, МГц

Диапазон значений коэффициентаотклонения, В/дел

Основнаяпогрешностьизмерениянапряжения, %

ВходноесопротивлениеканалаY, Оми входная емкость, пФ

Времянарастанияпереходной характеристики каналаY, нс

Диапазон значений коэффициентаразвертки, с/дел

Основнаяпогрешностьизмеренияинтервалов времени, %

Установить с помощью регулятора Стабильность режим непрерывнойразвертки, проверить наличиелиниигоризонтальнойразверткинаэкране электронно-лучевой трубки, регулировку яркости и фокусировку луча, регулировкусмещения луча погоризонтали ивертикали.

1.Измерениепараметров электрическихсигналов

2.1.ИзмерениепараметровпрямоугольногоимпульсаспомощьюкалиброванныхзначенийкоэффициентовотклоненияКотк иразверткиКх.

2.1.1.Изучитьопределения измеряемых параметров прямоугольного импульса(рис. 3.1) ипоместитьрисуноквотчет.

22

Рис. 3.1. К определению параметров прямоугольного импульса

1.1.2.Установитьна генератореимпульсов Г5-63 сигнал положительной полярностидлительностью 1 мкс, частотой следования 10 или 100 кГц. ПодсоединитьгенераторковходуканалаY (входнойпереключательвположенииОткрытыйвход). Установитьгенераторразверткиосциллографавждущийрежим(регуляторомСтабильность), апереключательВидсинхрониза-

ции– вположениеВнутренняясинхронизация.

1.1.3.ЗафиксироватьрегуляторыУсилениеиДлительностьвкрайнем правом положении(дощелчка – механическойфиксации). Обратить внимание, чтотолькопрификсированныхположенияхэтихрегуляторовможнопроводить измеренияразмаха и длительностисигналов. Используяпереключатель входного аттенюатора Вольт/дел, добиться размаха исследуемого импульсавпределах2/3 высотыэкрана. Используяпереключательдлительности развертки Время/дел, добитьсяположения, чтобы исследуемый импульспо длительностизанимал приблизительнополовинушириныэкрана. ДляполученияустойчивойосциллограммыимпульсаиспользоватьрегулировкиСтабильностьиУровень. Записатьустановленныезначениякоэффициентовот-

клоненияКотк (В/дел) иразвертки Кх (мкс/дел).

1.1.4. ОтсчитатьзначенияразмахаНидлительностиl импульсавделенияхшкалы(значениеl отсчитать науровне0,5 Н); вычислитьпоустановленным значениям коэффициента отклонения Котк(В/дел) икоэффициента разверткиКх (мкс/дел), значенияразмахаидлительностиизмеряемогоимпульса:

23

U (В) = Котк(В/дел)·Н(дел), τ(мкс) = Кх(мкс/дел)·l(дел).

1.1.5. Изменив значениеКх, добиться, чтобы фронтимпульсазанимал приблизительнополовинушириныэкрана. Определить длительностьфронта импульсаtфи поосциллограммевделенияхшкалыlф(дел) ивединицахвреме-

ни τфи =Кх·lф.

Указание. В большинстве осциллографов предусмотрена возможность изменения скорости развертки не только с использованием регулировки Кх , но и путем переключения тумблера Множитель развертки в положение ×0,2. При этом размах напряжения пилообразной развертки увеличивается, а коэффициент развертки Кх уменьшается в 5 раз. Использование быстрой развертки позволяет увеличить масштаб изображения и уменьшить погрешность измерения малых интервалов времени.

1.1.6. Переключить усилительсинхронизацииосциллографа врежим запускаотрицательнымиперепадамисигнала, отрегулировать порогзапуска сиспользованием регулировкиУровень, получитьнаэкранеосциллограмму заднегофронта импульсаиизмерить длительностьспадавделенияхlсп иеди-

ницахвремениτспи = Кх·lсп.

Исключить систематическую погрешность измерения длительности фронтов, обусловленнуюконечнымвременемнарастанияпереходнойхарактеристикиканалаY.

Указание. Длительности фронта и спада определяются как интервалы времени, втечениекоторыхпроисходитотклонениелучаот0,1 до0,9 размахаимпульсаиот 0,9 до 0,1 соответственно. Измеренные значения длительностей фронтов τф и τсп включают в себя и время нарастания переходной характеристики τпх канала Y.

Влияние этого фактора следует исключить путем введения соответствующихпоправок:

τф = τфи2 −τпх2 ,

τсп = τспи2 −τпх2 .

(3.4)

2.2. Измерениенапряжениясинусоидальногосигнала.

Примечание. Поднапряжениемсинусоидальногосигналапонимаетсяегосреднеквадратическое значение, если другое не оговорено особо.

УстановитьнавспомогательномгенератореГ4-158 режимвнутренней амплитудной модуляции. Подать сигнал неизвестной частоты с гнезда Внешняя модуляциягенератораГ4-158 навходY осциллографа; установитьпереключательразверткиВремя/делвтакоеположение, прикоторомнаэкране видны5–8 периодовсигнала. Регулировкойпереключателявходногоаттенюатора Вольт/дел установить размах осциллограммы по вертикали Нсигн 0,7–0,8 высотыэкрана, записатьустановленноезначениекоэффициента отклонения Котк сиг, В/дел, размах осциллограммы сигнала на экране

Нсиг, дел.

24

Размахсигнала: Uразм = Нсиг·Котклсиг.		(3.5)
Среднеквадратическоезначение напряжениясинусоидального сигна-
лав2 2меньшеегоразмаха:
Uсиг =	1 HсигKоткл сиг.	(3.6)
2	2

2.3. Измерениечастоты синусоидальногосигнала.

2.3.1. Измерить частоту отображаемого на экране синусоидального

сигнала(совспомогательноговыходагенератораГ4-158) врежимелинейной развертки путем измерения его периода и при известном значении коэффициентаразверткиКx .Измеритьотрезокl, дел, в которомукладываетсяцелое

числоn периодов сигнала, ивычислить егочастоту f c = l nKx .

Оценить погрешность таких измерений, и записать полученный результат измерения частоты с учетом этой погрешности.

2.3.2. Измеритьчастотутогожесигналаfc методомсравнениясчастотойэталонногосигналаfэт свыходагенераторанизкойчастотыГ3-109 врежимевнешнейгоризонтальнойразвертки.

ПодатьнавходY осциллографасигнализмеряемойчастотыfс, анавход X – сигнал эталонной частоты fэт. Установить в канале Х режим внешней (в данном случае – синусоидальной) развертки.

Указание. Обратить внимание, что в таком режиме генератор пилообразной развертки осциллографа отключен от отклоняющих пластин Х электронно-лучевой трубки.

Изменять эталонную частоту fэт генератора Г3-109 до тех пор, пока осциллограмма не примет вид медленно вращающегося эллипса; добиться егоостановки. Принеподвижнойосциллограммеможнополагать, чтоfс = fэт. Зарисовать полученную фигуру и записать значение fс.

Повторить измерения при подаче на вход X сигнала с частотой fэт в целоечислораз (2, 3, 4) вышеинижеизмеренной; добитьсянеподвижности осциллограммы, зарисовать этуосциллограмму(фигуруЛиссажу) иопределитькратностьчастот. Оценитьпогрешностьизмерениячастоты такимметодом сравнения, изаписать результатсоценкойпогрешности.

Указание. Погрешность измерения частоты способом синусоидальной развертки (по фигурам Лиссажу) практически не зависит от характеристик осциллографа и определяется двумя факторами: погрешностью эталонной частоты, т. е. погрешностью установки частоты генератора Г3-109; скоростью изменения полученной фигуры Лиссажу. Если период изменения фигуры будет более 1 с, то погрешность сравнения частот не будет превышать 1 Гц.

2.4. Измерениеразностифазсинусоидальныхсигналов(фазовогосдви-

га, вносимого четырехполюсником) способом синусоидальной развертки.

25

2.4.1. Собратьсхемуизмерений(рис. 3.2).

Установить частотусигнала генератора Г3-109 в диапазоне1–2 кГц в пределахполосы пропусканияисследуемогочетырехполюсника.

Рис. 3.2. Схема измерения фазового сдвига способом круговой развертки

2.4.2. Регулируя напряжениена выходегенератора, а также пользуясь переключателями«ВОЛЬТ/ДЕЛ», «ВРЕМЯ/ДЕЛ», получитьнаэкранеосциллограммуввидеэллипса, размеры которогонаходятсяв пределах2/3 размеровэкрана, а осиориентированыпоегодиагоналям(рис. 3.3).

Рис. 3.3. Измерение фазового сдвига в режиме синусоидальной разворотки

26

2.4.3. Измерить длину отрезков 2A, 2Х0, и 2B, 2Y0 в делениях шкалы осциллографа.

Вычислитьзначениефазовогосдвига, вносимогочетырехполюсником:

ϕ = arcsin	2Y 0	;	ϕ = arcsin	2X0	.	(3.7)
	2B			2A

Примечание. Изменяя частоту генератора и измеряя ϕ, можно построить фазочастотную характеристику исследуемого четырехполюсника.

2.4.4. Сравнитьполученныезначения, которыемогутразличатьсявследствиепогрешностиизмеренияуказанныхотрезков. Оценитьпогрешностьизмерения фазового сдвига. Записать результат измерения j вместе с оценкой погрешности, используяправила представлениярезультатовизмерений.

Указание. Перед проведением измерений необходимо убедиться, что разностьфазовыхсдвигов, вносимыхканаламиX иY осциллографа, достаточномала. Для этого надо подать на оба входа осциллографа один и тот же сигнал. Что за осциллограмма при этом получится на экране? Каким образом по этой осциллограмме можно оценить разность фазовыхсдвигов каналов? Как учесть влияние этой инструментальной погрешности на результаты измерения фазового сдвига?

Содержаниеотчета

1.Номер и наименование лабораторной работы.

2.Цель работы.

3.Заполненныетабл. 3.1 и3.2 сзаголовками.

4.Схемыизмеренийссоответствующимиподписями.

5.Результаты измерений всех параметров прямоугольного импульса п. 2.1 ирис. 3.1.

6.Результаты измеренийвсех параметров синусоидальногосигнала с оценками погрешностей и осциллограммы, полученные при выполнении пп. 2.2–2.4.

27

4.ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНЕМ ЭЛЕКТРОННО-СЧЕТНОГО (ЦИФРОВОГО)

ЧАСТОТОМЕРА

Цельработы

Изучить метрологические характеристики, принципы работы, структурную схему, источники погрешностей электронно-счетного частотомера.

Научиться оценивать абсолютные и относительные погрешности результатовизмерениячастотыипериода, обусловленныепогрешностямичастотомера.

Получить практическиенавыки работы с частотомером.

Используемыеприборы

Основной: электронно-счетныйчастотомер(ЭСЧ) Ч3-33. Вспомогательный: генераторизмерительныхсигналовнизкочастотный

Г3-109.

Лабораторноезадание

1.Ознакомитьсясметрологическимихарактеристикамиисследуемого электронно-счетного частотомера.

2.Рассчитать впроцессеподготовкикработепределы ожидаемойабсолютной погрешностиизмерения заданногозначения частоты.

3.Проверить работучастотомера в режиме самоконтроля.

4.Исследоватьзависимостьпоказанийипогрешностичастотомераот значения параметра «время измерения» в режиме измерения частоты.

5.Исследоватьзависимостьпоказанийипогрешностичастотомераот частоты исследуемогосигнала в режимеизмерения периода.

6.Исследовать возможность уменьшения погрешности частотомера при использовании режима умножения периода.

Подготовкакработе(домашнеезадание)

Изучитьтеоретическийматериал[1, 2, 5, 6] иконспектлекций. Изучитьописаниеданнойработыизаготовитьв рабочейтетрадифор-

мывсехтаблицвсоответствиисуказаниямиксодержаниюотчета. Оценитьрасчетнымпутем всоответствиистребованиямип. 3.1 преде-

лы ожидаемой абсолютной суммарной погрешности цифрового частотомера при измерении одного из значений частоты в диапазоне частот (100– 200) кГц. Значениечастотыпринять равнымfx = 1ХХ кГц, гдеХХпоследние двецифры номерастуденческогобилета (зачетнойкнижки). Результатырасчетапределовсуммарнойпогрешностииеесоставляющихзаписатьвтабл. 4.3.

28

Вопросыдлясамопроверки

1.НарисоватьструктурныесхемыЭСЧврежимеизмерениячастотыи

врежимеизмеренияпериода, временныедиаграммысигналов навходечастотомера, первом ивторомвходахвременногоселектораина еговыходе.

2.Нарисовать структурную схему ЭСЧ в режиме самоконтроля. Что можно проверить в таком режиме?

3.Написать формулы, по которым оценивают пределы абсолютных и относительныхпогрешностейизмерениячастотыипериода сиспользованиемЭСЧ. Назвать составляющиесуммарнойпогрешностииобъяснитьихпроисхождение.

4.Изкаких соображенийследуетвыбиратьрежим работы цифрового частотомера – измерения частоты или измерения периода?

5.Каким образом в частотомере формируется импульс, определяющий время измерения в режиме измерения частоты?

6.Пояснитеразличиемеждупонятиями«времяизмерения» и«время индикации».

7.Изкаких соображенийследуетвыбиратьвремяизмеренияврежиме измерения частоты?

8.Каким образом в частотомере формируются метки времени?

9.Изкакихсоображенийследуетвыбиратьпериод(частоту) метоквремени в режиме измерения периода?

10.Зачем в частотомере обеспечена возможность выбора периода меток времени? Почему нельзя оставить только одно значение периода меток – самое малое?

11.Какоценитьбыстродействиечастотомеравразличныхрежимахего

работы?

12.Какимобразом спомощьючастотомера можноизмерить отношениечастотдвухсигналов?

Порядоквыполненияработыиметодическиеуказания

1. Ознакомлениесметрологическимихарактеристиками исследуемогоэлектронно-счетногочастотомера

1.1.Включитьпитаниеисследуемогочастотомера ивспомогательного генератораизмерительныхсигналов дляихпрогрева.

1.2.Прочитатькраткоетехническоеописаниеиинструкциюпоработе

сисследуемым частотомером Ч3-33 [3]. Ознакомиться с органами управления частотомера и вспомогательного генератора.

1.3.Заполнитьтабл. 4.1.

29

Таблица 4.1 Основные метрологические характеристики частотомера Ч3-33

Характеристики	Нормируемыезначения
Режимы измерения:
Диапазон измеряемых частот в режимеизмерения
частоты, Гц
Пределы установки времени измерения	t0, c

Пределы установки периодаметок времени Т0, мкс

Основнаяотносительнаяпогрешность частоты внутреннего опорного генератора, δ0

Основнаяотносительнаяпогрешность измерения частоты δf

Основнаяотносительнаяпогрешность измерения периодасинусоидального сигнала, δT

2. Проверкаработыцифровогочастотомера врежиме самоконтроля

Включитьрежимсамоконтроля; переключательВремяизмеренияустановитьнауказанныевтабл. 4.2 значениявремениизмерения t0 накаждой проверяемойчастотеизаписатьпоказанияцифровогоиндикатора всоответствующиестрокитабл. 4.2.

Проанализировать полученные данные, сделать вывод по результа-

тампроверки.

Таблица 4.2 Результаты проверки работы частотомера в режиме самоконтроля

Частота(период) меток	Показаниячастотомера, кГц при			t0, c
времени, кГц (с)
	0,01	0,1		1,0
100 (10–5)
1000 (10–6)
10000 (10–7)

Указание. При записи результатов следует фиксировать все цифры показаний прибора, включая нули.

3.Исследование зависимостипоказаний

ипогрешностичастотомераотвремениизмерения

врежиме измерениячастоты

3.1.Взятьза основуформулу, спомощьюкоторойнормируетсяосновнаяотносительнаяпогрешностьчастотомера врежимеизмерениячастоты и рассчитать (при домашней подготовке к работе) составляющие суммарной абсолютной погрешности цифрового частотомера:

30