Федеральное агентство связи

ГОУ ВПО Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики

Кафедра ПДС и М

, ,

,

Измерение напряжения электрических сигналов

методические указания к лабораторной работе № 3.4

по курсам

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

МЕТРОЛОГИЯ И РАДИОИЗМЕРЕНИЯ

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ

И ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Новосибирск

2009 г.

УДК 621.

, , В. Б., Сметанин напряжения электрических сигналов. Методические указания к лабораторной работе по курсам «Метрология, стандартизация и сертификация», «Метрология и радиоизмерения», «Метрология, стандартизация и технические измерения» // СибГУТИ. – Новосибирск 2009 г. – 22 с

В методических указаниях приведены задания на выполнение лабораторной работы по разделу «Измерение напряжения электрических сигналов» курса «Метрология, стандартизация и сертификация», «Метрология и радиоизмерения», «Метрология, стандартизация и технические измерения». Предложены экспериментальные задачи для решения в лаборатории и индивидуальные тестовые домашние задания для контроля теоретической подготовки студента к выполнению лабораторной работы. Приведены подробные методические рекомендации по проведению экспериментов и обработке их результатов. Предложены вопросы для самоконтроля самостоятельной работы и рекомендации по оформлению отчета. Выполнение работы способствует закреплению теоретических знаний, развитию навыков работы со средствами измерений, приобретению умений по обработке и оформлению результатов экспериментальных исследований.

Каф. ПДС и М

Ил., 7 табл.11

Рецензент:

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Цель работы 4

2. Программа лабораторной работы 4

3. Перечень лабораторного оборудования 4.

4. Подготовка к работе. (Домашнее задание). 4

4.1. Ознакомиться с теоретическим материалом 4.

4.2. Подготовка протоколов измерения. 11

4.3. . Самоконтроль подготовки к лабораторной работе. 11

4.4 Решить три измерительные задачи 12

5. Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы. 14

5.1. Подготовьте стенд к работе 14

5.2 .Описание лабораторного стенда. 14

5.3. Ознакомьтесь с расположением моделей отдельных средств измерений и других устройств на рабочем столе. 17

5.4. Опробуйте органы управления моделями 17

5.5. Исследование частотных характеристик вольтметров переменного тока 17

5.6. Измерение параметров напряжения сигнала произвольной формы 20

5.7 Измерение значения коэффициентов амплитуды, формы и усреднения сигналов различной формы. 22

6. Требования к отчету. 22

7. Приложение. Основные метрологические характеристики вольтметров.23

8. Литература. 29

1. Цель работы

1.1. Изучить:

1.1.1 Параметры переменных напряжений и токов;

1.1.2 Методы измерения параметров переменных напряжений и токов;

1.1.3 Принцип действия, устройство и метрологические характеристики электронных вольтметров;

1.1.4 Особенности измерения напряжения электронными вольтметрами переменного тока;

1.1.5 Источники погрешности при измерении электронными вольтметрами.

1.2. Получить навыки работы с измерительными приборами.

1.3.Приобрести умение обрабатывать и оформлять результаты измерений, выполненных с помощью электронных вольтметров.

2. Программа лабораторной работы.

2.1. Изучение основных метрологических характеристик электронных вольтметров.

2.2. Исследование частотных характеристик вольтметров переменного тока

2.3. Измерение параметров напряжения сигнала произвольной формы:

·  среднеквадратическое значение;

·  средневыпрямленное значение;

· пиковое значение;

2.4. Измерение значений коэффициентов амплитуды, формы и усреднения сигналов различной формы.

3. Перечень лабораторного оборудования.

3.1. Основное оборудование.

Аналоговые электронные вольтметры переменного тока:

3.1.1 средневыпрямленного значения;

3.1.2 пикового значения;

3.1.3 среднеквадратического значения;

3.2. Вспомогательные приборы.

3.2.1 Генератор сигналов специальной формы (функциональный генератор).

3.2.2 Электронно-лучевой осциллограф.

4. Подготовка к работе. (Домашнее задание).

4.1. Ознакомиться с теоретическим материалом к данной работе по литературе /1/(с.85-93,95-97,102-112), /2/(с.54-72,100-110), электронному конспекту лекций, методическим указаниям к настоящей лабораторной работе. Ниже приведены сведения, минимально необходимые для выполнения лабораторной работы.

4.1.1. Параметры напряжения сигналов переменного тока.

Рисунок 4.1

На рисунке 4.1 показана временная диаграмма напряжения сигнала. Для характеристики напряжения сигнала произвольной формы нормативными документами рекомендованы следующие параметры.

1.  Пиковое значение напряжения – максимальное значение напряжения сигнала за период T :

2.  Средневыпрямленное значение напряжения – среднее значение модуля напряжения сигнала за период T :

3.  Среднее значение напряжения – среднее значение напряжения сигнала за период T :

физический смысл этого параметра – постоянная составляющая напряжения сигнала. В литературе можно встретить его обозначения U0 и Uп. с.

4.  Среднеквадратическое значение напряжения – среднеквадратическое значение напряжения сигнала за период T :

физический смысл этого параметра – энергетическая характеристика сигнала, используемая при энергетических расчетах. На рисунке и в формулах T – период сигнала или интервал времени измерения.

Если известен спектр сигнала, можно применить формулу:

где Ui – среднеквадратическое значение напряжения i-ой составляющей спектра сигнала, n – число гармоник сигнала.

4.1.2. Безразмерные параметры сигналов.

Коэффициент амплитуды (пик-фактор)

Коэффициент формы

Коэффициент усреднения

Справедливо следующее соотношение:

Таблица 4.1

№ п/п	ka	kф	kу	Форма сигнала
1	1	1	1
2	1	1	1
3
4
5			2

В таблице 4.1 приведены значения безразмерных параметров сигналов, которые часто встречаются в практической деятельности.

4.1.3. Виды входов вольтметров.

Существует два вида входа вольтметра:

- открытый – вольтметр реагирует на весь сигнал U(t) (постоянную и переменную составляющую);

- закрытый - вольтметр реагирует только на переменную составляющую сигнала ;

Вольтметр с закрытым входом (рисунок 4.3) отличается от вольтметра с открытым входом (рисунок 4.2) тем, что у него во входной цепи включен разделительный конденсатор, который не пропускает постоянную составляющую сигнала. На рисунке 4.4 показаны временные диаграммы сигнала U(t), и его переменной составляющей.

Вольтметр с закрытым входом измеряет параметры только переменной составляющей сигнала . Для определения параметров напряжения переменной составляющей сигнала , , , нужно в формулы 4.1 ¸ 4.4 подставить аналитическое выражение переменной составляющей сигнала , которое легко найти, вычтя из сигнала среднее значение напряжения Uср :

;

(4.11)

4.1.4. О градуировке электронных вольтметров.

Из изложенного выше следует, что для измерения разных параметров сигнала применяют различные вольтметры, которые реагируют либо на пиковое, либо на средневыпрямленное, либо на среднеквадратическое значения напряжения измеряемого сигнала. Вид измеряемого параметра определяется типом применяемого в вольтметре преобразователя. При измерении пикового значения используют вольтметр с пиковым преобразователем, для измерения средневыпрямленного значения используют вольтметр с преобразователем средневыпрямленных значений, а для среднеквадратического значения используют вольтметр с квадратичным преобразователем. Тем не менее, шкалы большинства электронных вольтметров переменного тока градуируют, как правило, в среднеквадратических значениях напряжения гармонического сигнала (синусоидальной формы). В указанном случае только показания вольтметра с преобразователем среднеквадратического значения равны измеряемому параметру для любой формы измеряемого сигнала. Показания вольтметров с другими типами преобразователей определяются соотношением:

UVi = Cгр i × Ux ;

(4.12)

где UVi – показание соответствующего вольтметра; Cгр i – градуировочный коэффициент этого вольтметра; Ux – параметр напряжения, на который реагирует этот вольтметр.

Таблица 4.2

№ п/п	Тип преобразователя	Вольтметр измеряет параметр напряжения сигнала произвольной формы	Наиболее часто встречающаяся градуировка	Градуировочный коэффициент Cгр i
1	Среднеквадратических значений	Среднеквадратическое	В среднеквадратических значениях гармонического (синусоидального) сигнала	1
2	Средневыпрямленных значений	Средневыпрямленное
3	Пиковых значений	Пиковое
4	В пиковых значениях	1

В таблице 4.2 приведены значения градуировочных коэффициентов для наиболее распространённых видов градуировки электронных вольтметров.

1) UV1 = Cгр1 × U; 2) UV2 = Cгр2 × Uср. в; 3) UV3 = Cгр3 × Um ; 4) UV4 = Cгр4 × Um.

Для вольтметров с закрытым входом:

1) UV1 = Cгр1 × ; 2) UV2 = Cгр2 × ; 3) UV3 = Cгр3 × ; 4) UV4 = Cгр4 × .

Таким образом, чтобы определить значения параметра, который измеряет данный вольтметр, необходимо о нём знать:

1)  тип преобразователя;

2)  вид градуировки;

3)  вид входа;

4.1.5. Методическая погрешность при измерении напряжения.

При измерении напряжения вольтметр подключают к исследуемой цепи. Если вольтметр имеет бесконечно большое входное сопротивление, то режим работы исследуемой цепи не нарушается и показание вольтметра будет верно отражать параметры напряжения исследуемой цепи. Реальные вольтметры имеют конечное значение входного сопротивления ZV , поэтому показание реального вольтметра будет отличаться от идеального. Разница между показаниями реального и идеального вольтметров является методической погрешностью измерения напряжения вольтметром. На рисунке 4.5 приведена эквивалентная схема измерения напряжения реальным вольтметром V.

Эквивалентная схема

Zi – комплексное внутреннее сопротивление источника сигнала;

ZV – комплексное входное сопротивление вольтметра.

Исследуемая цепь представлена эквивалентным источником с внутренним сопротивлением Zi и ЭДС Е.

У идеального вольтметра ZV ® ¥ . В этом случае показание вольтметра равно ЭДС источника Е.

Показание реального вольтметра UV равно падению напряжения на сопротивлении ZV

;

(4.11)

.

Отсюда можно найти методическую погрешность измерения напряжения:

DE = UV - E

методическая погрешность может быть как положительной, так и отрицательной, так как Zi может носить индуктивный характер, а ZV – емкостной, поэтому на высокой частоте возможен резонанс и тогда UV > Е.

Относительная погрешность:

4.1.6. Входные параметры вольтметра.

вх

Рассмотрим эквивалентную схему входной цепи вольтметра, показанную на рисунке 4.6.

На рисунке:

СвхV – емкость входной цепи вольтметра;

RV – резистивная составляющая входного сопротивления вольтметра;

Lвх – индуктивность входной цепи вольтметра.

Входную емкость вольтметра указывают без учета емкости соединительных проводников для подключения вольтметра к исследуемому объекту.

С целью уменьшения влияния емкости соединительных проводников и входной емкости вольтметра СвхV в вольтметрах применяют выносные «пробники», в которых помещают входной усилитель с очень высоким входным и малым выходным сопротивлением.

У рядовых вольтметров СвхV =20 ÷ 100 пФ, с пробником – единицы пикофарад.

При СвхV =20 пФ на частоте 50 МГц емкостная составляющая входного сопротивления вольтметра составит

.

Отсюда видно, что реактивные элементы входной цепи могут вносить очень большую методическую погрешность измерения.

4.2. Подготовка протоколов измерения.

Заготовить в отчете по лабораторной работе таблицы для записи результатов наблюдений и результатов их обработки по каждому пункту программы лабораторной работы. Привести в отчете необходимые формулы по обработке результатов измерений и оценке погрешности измерений.

4.3. Самоконтроль подготовки к лабораторной работе.

Для самопроверки готовности к выполнению работы сформулировать ответы на следующие вопросы:

·  параметры напряжения сигналов переменного тока: среднее, средневыпрямленное, среднеквадратическое и пиковое значения;

·  устройство, принцип действия и основные характеристики электромеханических вольтметров переменного тока;

·  устройство, принцип действия и основные характеристики электронных (аналоговых и цифровых) вольтметров переменного тока;

·  структурные схемы аналоговых электронных вольтметров переменного тока;

·  основные типы преобразователей, применяемых в электронных аналоговых вольтметрах, их назначение, схемы и графики, поясняющие работу;

·  градуировка электронных вольтметров, определение параметров напряжения сигнала по показаниям вольтметра;

·  особенности измерения импульсных напряжений;

·  источники погрешностей в аналоговых электронных вольтметрах, оценка погрешности измерения напряжения вольтметрами;

·  основные достоинства цифровых вольтметров;

·  основные метрологические характеристики вольтметров переменного тока;

·  какими вольтметрами измеряют среднеквадратическое значение напряжения гармонических сигналов? Какие из них наиболее точны и почему?

·  какими вольтметрами измеряют средневыпрямленное значение напряжения электрических сигналов?

·  нужно измерить среднее значение напряжения сигнала. Какое средство измерений Вы выберите?

·  в каком диапазоне частот могут измерять напряжение гармонических сигналов электронные вольтметры?

·  как зависит погрешность показаний вольтметров различного типа от частоты измеряемого сигнала?

4.4. Решить три измерительные задачи.

Вариант задания совпадает с двумя последними цифрами номера зачетной книжки (студенческого билета (пароля)).

Задача 1. Определить пиковое, средневыпрямленное, среднеквадратическое (действующее) значения напряжений, если известно показание вольтметра Uv, который проградуирован в среднеквадратических значениях для гармонического сигнала. Исходные данные приведены в табл. 3.4.2 и 3.4.3.

Таблица 3.4.2

Измеряемый параметр напряжения вольтметром

и показание вольтметра к задаче 1.

Вид параметра	Последняя цифра номера студенческого билета (пароля)
0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Показание Uv, В	10	15	12	20	18	25	40	30	50	80
Вольтметр измеряет параметр напряжения	Средне- квадратическое	Средне- выпрямленное	Пиковое

Таблица 3.4.3

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3