Лабораторная работа 4 Изучение измерительных генераторов
1 Цель работы
1.1 Изучить:
функциональные и конструктивные особенности измерительных генераторов (ИГ);
метрологические характеристики измерительных генераторов;
1.2 Получить навыки:
подготовки измерительных генераторов к работе;
оценка основных характеристик измерительных генераторов.
2 Программа лабораторной работы
2.1 Изучение особенностей функционального генератора.
2.2 Изучение особенностей генератора сигналов произвольной формы.
2.3 Изучение метрологических характеристик измерительных генераторов.
2.4 Изучение конструкции и органов управления измерительных генераторов.
2.5 Подготовка измерительных генераторов к работе.
2.6 Анализ точности установки и стабильности частоты и напряжения на выходе измерительного генератора.
2.7 Спектральный анализ напряжения на выходе измерительного генератора.
2.8 Исследование АЧХ генератора.
3 Перечень лабораторного оборудования
Основное оборудование:
функциональный генератор;
генератор сигналов произвольной формы.
Вспомогательное оборудование:
осциллограф;
цифровой вольтметр;
цифровой частотомер;
анализатор спектра.
4 Подготовка к работе
4.1 Изучите материал по теме «Измерительные генераторы».
4.2 Подготовьтесь к коллоквиуму по следующим вопросам:
назначение, классификация и требования к измерительным генераторам;
основные метрологические характеристики измерительных генераторов;
построение генераторов основных колебаний, назначение элементов схемы.
4.3 Решите задачи:
4.3.1 Задача. Оцените погрешность установки частоты генератора в целом, если по результатам эксперимента для разных диапазонов генератора получены значения, приведенные в таблице 4.1.
Таблица 4.1 – Результаты измерения частота генератора
F установленное, Гц |
20 |
500 |
7000 |
40 000 |
130 000 |
F измеренное, Гц |
20,05 |
499,90 |
6999,30 |
40 001,05 |
129 998,9 |
F Гц |
|
|
|
|
|
F % |
|
|
|
|
|
4.3.2 Задача. Рассчитайте максимально допустимую погрешность установки амплитуды синусоидального напряжения на выходе генератора, если максимальный размах напряжения составляет 5 В, для кодирования величины напряжения используется 8-разрядный код.
5 Методические указания по выполнению работы
5.1 Изучите техническое описание измерительных генераторов, указанных преподавателем.
5.2 Запишите основные метрологические характеристики генераторов в таблицу 4.2.
Таблица 4.2 – Метрологические характеристики генераторов
Метрологические характеристики |
Функциональный генератор |
Генератора сигналов произвольной формы |
Форма выходного напряжения |
|
|
Диапазон частот
|
|
|
Программно управляемое разрешение по частоте |
|
|
Погрешность установки частоты |
|
|
Погрешность невоспроизводимости частоты |
|
|
Диапазон регулировки длительности импульса |
|
|
Диапазон регулировки амплитуды напряжения |
|
|
Диапазон регулировки постоянной составляющей напряжения |
|
|
Продолжение таблицы 4.2
Выходной ток
|
|
|
Программное разрешение по амплитуде |
|
|
Выходное сопротивление
|
|
|
Условия эксплуатации
|
|
|
5.3 Изучите конструктивные особенности функционального генератора и заполните таблицу 4.3.
Таблица 4.3– Основные органы управления функционального генератора
Выполняемые операции |
Орган управления |
Выходные гнезда генератора на макетной плате |
|
Включение генератора |
|
Выбор формы сигнала |
|
Установка частоты сигнала: |
|
|
|
|
|
Регулировка напряжения: |
|
|
|
|
|
Установка длительности импульса |
|
Развертка частоты (Frequency Sweep): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Установка выходного сопротивления
|
|
Калибровка генератора
|
|
5.4 Пользуясь встроенным частотомером (частота измерена с использованием счетчиков на устройстве DAQ), проведите анализ точности установки частоты сигнала на выходе функционального генератора в каждом частотном диапазоне, а также для разной формы сигнала.
Функциональный генератор рабочей станции NI ELVIS II не имеет деления шкалы частот на поддиапазоны, поэтому возьмите 10 значений частот во всем диапазоне.
Таблица 4.4 – Оценка точности установки частоты функционального генератора
Форма сигнала
|
Синусоидальная |
|||||||||
Поддиапазон частот |
до 50 Гц |
до 500 Гц |
|
|
|
|||||
Установленная частота |
2 Гц |
50 Гц |
51 Гц |
500 Гц |
|
|
|
|
|
|
Показание встроенного частотомера |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вывод: дайте заключение о точности установки частоты генератора и её частотной зависимости.
5.5 Пользуясь Digital Multimeter NI ELVIS проведите анализ точности установки напряжение на выходе генератора на заданной частоте (по одному значению для каждого диапазона) для разной формы сигнала.
При измерении мультиметром NI ELVIS необходимо учитывать следующее:
в рабочей станции NI ELVIS представлен квадратичный вольтметр с закрытым входом;
режим измерения переменной и постоянной составляющих разделены;
перед началом измерений оцените собственный шум вольтметра (при закороченном входе VOLTAGE H1-LO);
оцените уровень шума на входе вольтметра без короткого замыкания на входе и при выключенном генераторе;
при необходимости можно воспользоваться режимом «Null» - при этом напряжение шума запоминается и вычитается из значения измеренного напряжения;
для выбора предела измерения рекомендуется использовать режим «Auto».
Для визуального контроля формы измеряемого сигнала воспользуйтесь осциллографом. При работе с осциллографом необходимо учитывать вид входа – «открытый» или «закрытый».
Результаты измерений оформите в таблицах 4.5 и 4.6.
Таблица 4.5 – Оценка точности установки амплитуды напряжения на выходе функционального генератора
Форма сигнала |
___________________
|
||||
Частота генератора |
|
|
|
|
|
Установленное значении Um |
|
|
|
|
|
Расчетное значение действующего напряжения U |
|
|
|
|
|
Показание вольтметра U изм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Um% |
|
|
|
|
|
Um |
|
|
|
|
|
Вывод: дайте заключение о точности установки амплитуды напряжения и её частотной зависимости.
При оценке результата необходимо учитывать, что на генераторе задается амплитуда напряжения Um, а вольтметр оценивает действующее значение U.
Для оценки погрешности установки амплитуды воспользуйтесь методикой расчета погрешности косвенных измерений.
Например, для синусоидального сигнала:
Погрешность установки действующего напряжения и амплитуды связаны выражением:
По результатам эксперимента определите Um%, а затем Um.
Допустимое значение погрешности установки амплитуды задается в паспорте или рассчитывается.
Таблица 4.6 – Оценка точности установки постоянной составляющей напряжения на выходе функционального генератора
Форма сигнала |
__________________________
|
||||
Частота генератора |
|
|
|
|
|
Установленное значение Uo |
|
|
|
|
|
Измеренное значение Uo |
|
|
|
|
|
Uo=Uо изм - Uо устан |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вывод: дайте заключение о точности установки постоянной составляющей переменного напряжения и её частотной зависимости.
5.6 Используя анализатор спектра, проведите спектральный анализ синусоидального напряжения функционального генератора на выбранной частоте, рассчитайте коэффициент нелинейных искажений и коэффициент гармоник.
Таблица 4.7 – Оценка нелинейных искажений синусоидального напряжения
Fиг=_____, кГц |
F1 (основная гармоника) |
F2 |
F3 |
F4 |
F5 |
Lн, dB
|
|
|
|
|
|
По результатам измерения сделайте вывод о соответствии генератора паспортным характеристикам.
5.7 Изучите описание и конструктивные особенности генератора напряжения произвольной формы. Заполните таблицу 4.8.
Таблица 4.8 - Основные органы управления генератора сигналов произвольной формы
Выполняемые операции |
Орган управления |
Выходные гнезда генератора на макетной плате |
|
Выбор выхода генератора
|
|
Выбор формы электрического сигнала
|
|
Формирование напряжения произвольной формы |
|
Регулировка коэффициента приращения амплитуды |
|
Регулировка коэффициента приращения частоты |
|
Установка режима непрерывной генерации |
|
Запуск генератора
|
|
Выбор отображения загруженного Waveform, как временной характеристики или спектральной |
|
Изменение масштаба отображения загруженного сигнала |
|
5.8 Используя редактор Waveform, создайте переменное напряжение произвольной формы с использование библиотеки функций и путем рисования эскиза. Сохраните файл в папке Waveform под своим именем.
Загрузите разработанное Waveform в генератор и получите изображение данного напряжения на экране осциллографа.
Зарисуйте изображение сформированного напряжения.
5.9 Используя вольтметр измерьте действующее напряжение и постоянную составляющую сформированного напряжения. Исследуйте его спектрограмму.
Запишите результаты исследований:
U =
Uo =
F осн гармоники =
Зарисуйте график и спектрограмму загруженного Waveform.