Измерения напряжений электрических сигналов электронными вольтметрами 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. 1.1. Изучить: параметры переменных напряжении и токов; методы измерения параметров переменных напряжений и токов; принцип действия, устройство и метрологические характеристики электронных вольтметров; особенности измерения напряжения электроники вольтметрами переменного тока; источники погрешности при измерении электронными вольтметрами. 1.2. Получить навыки работы с измерительными приборами. 1.3. Приобрести умение обрабатывать и оформлять результаты измерении, выполненных с помощью электронных вольтметров. 2. ПРОГРАММА ЛAБOPATOPHOЙ РАБОТЫ. 2.1.  Зафиксировать основные метрологические характеристики электронных вольтметров и заводские номера всех измерительных приборов в протоколе измерении. 2.2. Измерить параметры напряжения сигнала произвольной формы: среднеквадратическое значение; средневыпрямленное значение; пиковое значение. 2.3. Измерить значения коэффициентов амплитуды, формы и усреднения сигналов различной формы. 2.4. Измерить среднее значение напряжения сигнала с помощью пикового вольтметра. 2.5. Экспериментально определить зависимость систематической составляющей погрешности измерения, вызванной влиянием вольтметра на исследуемый объект, от значения внутреннего сопротивления генератора в области низких частот. 2.6. Разработать методику измерения входного сопротивления вольтметра на низких частотах и реализовать ее. 2.7. Разработать методику и исследовать зависимость погрешности измерения напряжения в области высоких частот и реализовать ее. 2.6. Разработать методику и исследовать зависимость погрешности измерения напряжения в области высоких частот от длины соединительных проводников. Программой минимум является выполнение 5 пунктов. Студенты, выполнившие самостоятельно 7 пунктов задания и правильно оформившие отчет, освобождаются от защиты работы. 3. ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ. 3.1. Основное оборудование. Аналоговые электронные вольтметры переменного тока: а) средневыпрямленного значения; б) амплитудного значения; в) среднеквадратического значения. Цифровые вольтметры переменного тока. 3.2. Вспомогательные приборы. Генератор сигналов специальной формы (функциональный генератор). Генератор измерительных сигналов низкочастотный. Генератор измерительных сигналов высокочастотный. Электронно-лучевой осциллограф. Лабораторный макет. 4. ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ. (Домашнее задание). 4.1. Изучить теоретически материал, относящийся к данной работе по литературе /1/(с. 65-93,95-97, 102-112), /2/(с.54-72, 100-110), конспекту лекции, методическим указаниям к настоящей лабораторной работе. 4.2. Разработать схемы измерений, таблицы для записи результатов наблюдений и результатов их обработки по каждому пункту программы, лабораторной работы, заготовить их в отчете по лабораторной работе. Привести в отчете необходимые формулы по обработке результатов измерений и оценке погрешности измерении. 4.3. Для самопроверки готовности к выполнению работы сформулировать ответы на следующие вопросы к коллоквиуму: параметры напряжения сигналов переменного тока: среднее, средневыпрямленное, среднеквадратическое и пиковое значения. основные типы преобразователей, применяемых в электронных аналоговых вольтметрах, их назначение, схемы и графики, пояснявшие работу. градуировка электронных вольтметров, определение, параметров напряжения сигнала по показаниям вольтметра. структурные схемы аналоговых электронных вольтметров переменного тока. особенности измерения импульсных напряжении. источники погрешностей, в аналоговых электронных вольтметрах, оценка погрешности измерения напряжения. основные достоинства цифровых вольтметров. основные метрологические характеристики вольтметров переменного тока. 4.4. Решить три измерительные задачи из приведенных ниже. Вариант задания совпадает с двумя последними цифрами номера зачетки. Правильное решение задач и наличие всех необходимых заготовок в отчете является основным условием допуска к выполнению лабораторной работы. Задача 1. Определить пиковое (амплитудное), средневыпрямленное, среднеквадратическое (действующее) значения напряжений, если вольтметр проградуирован в среднеквадратических значениях для гармонического сигнала, в соответствии с заданием, приведенным в табл. 1.1 и 1.2. Таблица 1.1 - Тип преобразователя и показание Uv вольтметра к задаче 1. Вид информации Последняя цифра номера студенческого билета 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Uv, B 10 15 12 20 18 25 40 30 50 80 Тип преобр. Среднеквадр. Средневыпрямленный Пиковый Таблица 1.2 - Значения коэффициента амплитуды Ка и формы Кф к задаче 1 Вид парам. Последняя цифра номера студенческого билета 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ка 4 1.41 2 1.73 3 5 1.8 2.5 4 3.4 Кф 3 1.11 1.2 1.16 2 3 1.2 1.5 2.4 2.3 Задача 2. Определить ЭДС источника (Еист), абсолютную и относительную погрешности измерения напряжения, выполненного согласно схеме рис. 1. Исходные данные к решению задачи 2 приведены в табл. 2.1 и 2.2. Рис. 1. Схема измерения к задаче 2. Таблица 2.1 - Входное сопротивление вольтметра Rv к задаче 2 Вид парам. Последняя цифра номера студенческого билета 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Rv, МОм 1.5 2.0 3.0 2.5 1.0 0.5 5.0 4.0 10.0 6.0 Таблица 2.2. - Значение выходного сопротивления источника сигнала Rист, и показание вольтметра Uv к задаче 2 Вид параметра Последняя цифра номера студенческого билета 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Rист, КОм 10 25 100 250 200 500 400 50 800 75 Uv, B 16 20 40 70 50 30 90 100 60 10 Задача 3. Определить показания вольтметра Uv и погрешность измерения для сигнала, указанного в табл. 3.1. Метрологические характеристики вольтметра приведены в табл. 3.1 и 3.2. Таблица 3.1. - Форма, амплитудное значение Urn сигнала конечное значение шкалы вольтметра Uк к задаче 3 Таблица 3.2 - Метрологические характеристики вольтметра к задаче 3 Вид параметра Предпоследняя цифра номера студенческого билета 0 1 2 3 4 Класс точности 1.5 1.0 2.0 2.5 4.0 Вид входа откр. откр. закр. откр. откр. Тип преобраз. квадр. средне-выпр. пиков. средне-выпр. пиков. Вид градуир. в среднеквадратическ. гармонического в пико-вых Вид параметра Предпоследняя цифра номера студенческого билета 5 6 7 8 9 Класс точности 6.0 0.5 0.25 0.2 0.4 Вид входа закр. откр. откр. закр. откр. Тип преобраз. пиков средне-выпр. квадр. пиков. пиков. Вид градуир. в среднеквадратическ. гармонического в пиковых значениях 5. МЕТОДИЧЕСНИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ. 5.1. Для выполнения п. 2.1 программы занести информацию о метрологических характеристиках вольтметров в подготовленную заранее таблицу (см. табл. 4). Таблица 4 - Основные метрологические характеристики вольтметров Наименование метрологической характеристики Амплитудный вольтметр Вольтметр средневыпрям-ленного значения Вольтметр среднеквадра-тического значения Вольтметр цифровой                   В таблице должны быть отражены следующие параметры вольтметров: тип прибора и его заводской номер; пределы измерения; рабочий диапазон частот; вид преобразователя; вид градуировки; вид входа (закрытый, открытый); входное сопротивление, входная емкость; пределы допускаемой основной и дополнительной погрешности (класс точности); условия эксплуатации. 5.2. Выполнение п. 2.2 программы осуществляют путем последовательного подключения к источнику сигнала произвольной формы вольтметров с различными типами преобразователей. Измерение каждого из интегральных параметров напряжения сигнала произвольной формы возможно только вольтметром с адекватным преобразователем. Результаты измерений и расчетов занести в табл. 5. Таблица 5 - Результаты измерений пикового Um, средневыпрямленного Uсp.в и среднеквадратического U значений напряжения Вид из-меряемо-го пара-метра Тип вольт-метра Тип преобра-зователя Вид градуи-ровки Граду-иров. коэфф. Показания вольтмет-ра, В Значение пара-метра, В Погреш-ность измерения, % Um                           U                           Uср.в                           Оценка погрешности измерения напряжения вольтметром осуществляется путем отыскания пределов допускаемой погрешности ∆пред по классу точности вольтметра (класс точности указывается на шкале прибора, в паспорте и техническом описании прибора). Если значение параметра равно показанию вольтметра (градуировочный коэффициент С равен 1), то погрешность измерения параметра ∆U равна погрешности показаний вольтметра ∆Uv. Если градуировочный коэффициент С не равен 1, то ∆U = ∆Uv/C. 5.3. Измерение значении коэффициентов амплитуды Ка, формы Кф, усреднения Ку (п. 2.3 программы) можно осуществить косвенным путем согласно выражениям: где Urn - пиковое, U - среднеквадратическое, Uср.в - средневыпрямленное значения напряжений. Методика измерения Um , U , Uср.в описана в п. 5.2, а схема измерения приведена на рис. 2. Рис.2 Схема измерения коэффициентов амплитуды, формы и усреднения. Результаты измерений для сигналов различной формы рекомендуется свести в табл. 6 и 7. Измерение выполнить для четырех сигналов различной формы. Таблица 6 - Результаты измерения параметров Urn, U, Uср.в для сигналов различной формы Форма сигнала Пиковый вольтметр Вольтметр средневыпр.знач. Вольтметр среднеквадр.знач. Uv,В Um,B ∆Um, B Uv,В Uср.в,В ∆Uср.в, B Uv,В U, В ∆U, В                                       Таблица 7 - Результаты измерения параметров Ка, Кф, Ку сигналов различной формы •* •' Форма сигнала Ка ∆Ка δΚа,% Кф ∆Кф δΚф,% Ку ∆Ку δΚу,%                                       Оценку погрешности измерения параметров Ка, Кф, Кy выполнить по методике оценки погрешности косвенных измерении (с. 80-82 /1/, с.47 /2/). 5.4. Измерение среднего значения напряжения пиковым вольтметром (п. 2.4 программы) возможно, если есть возможность измерения с закрытым и открытым входами. При измерении с открытым входом показание пикового вольтметра Un откр равно истинному значению амплитуды сигнала, умноженному на градуировочный коэффициент Сn: В случае закрытого входа показание вольтметра определяется выражением: Таким образом: откуда Самостоятельно разработайте схему измерений, учитывая при этом отсутствие закрытого входа в вольтметре и необходимость контроля формы сигнала осциллографом. Проведите измерение для однополярных импульсов с различной скважностью (2¸ 4 варианта). Результаты наблюдений сведите в табл. 8. Таблица 8 - Результаты наблюдений и измерений среднего значения Uср пиковым вольтметром Форма сигнала Un закр., В ∆Un закр., В Un откр., В ∆Un откр., В Сn Ucp ∆Ucp δUρр                                   Поскольку среднее значение напряжения находят косвенным путем, то оценку погрешности производят по методике оценки погрешности косвенных измерении (c.80-82 /1/, с.47 /2./). 5.5. Так как входное сопротивление вольтметра не равно бесконечности, из-за этого возникает погрешность, которая тем больше, чем больше внутреннее сопротивление объекта измерения. Входное сопротивление вольтметра носит комплексный характер, однако, в области низких частот влиянием входной емкости можно пренебречь, т.е. считать его чисто активным и равным Rv. Эквивалентная схема измерения напряжения для этого случая показана на рис. 1, а на рис. 3 - схема эксперимента для выполнения п. 2.5 программы лабораторного задания. С помощью переключателя на лабораторном макете можно изменять выходное сопротивление источника сигнала Rист от нуля до максимального значения. При Rист = 0 систематическая погрешность отсутствует, поэтому показание вольтметра Uv(0) в этом случае можно принять за действительное значение, а абсолютную систематическую погрешность измерения напряжения ∆Uc, вызванную влиянием входного сопротивления вольтметра Rv на объект измерения, определить из выражения: Рис. 3. Схема измерения систематической погрешности, вызванной влиянием вольтметра на исследуемый объект. Измерения выполнить при частоте гармонического сигнала 1000 Гц. Достоверность измерений будет максимальна, если R(0) установить равным конечному значению шкалы вольтметра (с помощью регулятора на генераторе сигнала). Измерения выполнить для трех вольтметров при 4-5 значениях сопротивления источника. Результаты наблюдений занести в табл. 9. Таблица 9 - Результаты исследования систематической погрешности измерения напряжения ;f = ... Гц; гармонический сигнал Тип вольтметра       Rv, МОм       Rucт, МОм Uv, В δс, % Uv, B δс, % Uv, В δс, % 0 …             Построить графики зависимости относительной систематической погрешности измерения от значений сопротивления источника сигнала (обратить внимание на знак). На основе анализа полученных результатов сделать выводы. 5.6. Измерение входного сопротивления вольтметров в области низких частот. 5.6.1. Разработать методику и схему измерения входного сопротивления электронного вольтметра, используя приборы, перечисленные в методических указаниях, и резисторы лабораторного макета. 5.6.2. Разработать таблицу для записи результатов наблюдений и расчетов. 5.6.3. Провести эксперимент по измерению входных сопротивлений для различных вольтметров, обработать результаты наблюдений. 5.6.4. Оценить погрешность измерения. 5.6.5. Сравнить полученные результаты с паспортными данными, сделать выводы. 5.7. Исследование частотной погрешности электронного вольтметра. 5.7.1. По техническим характеристикам выявить наименее широкополосный вольтметр и использовать его в качестве исследуемого. В качестве образцового вольтметра выбрать наиболее широкополосный вольтметр из имеющихся. 5.7.2. Разработать схему измерений для исследования частотной погрешности путем сравнения показаний исследуемого и образцового вольтметров. 5.7.3. Разработать таблицу для записи результатов наблюдении и расчетов при исследовании зависимости относительной погрешности измерения напряжения от частоты. 5.7.4. Заполнить таблицу, проведя измерения на 7–10 частотах в рабочем диапазоне частот испытуемого вольтметра и на 4–6 частотах за его пределами. 5.7.5. Построить график зависимости . 5.7.6. По результатам исследования сделать выводы, указав причины частотных погрешностей в электронных вольтметрах. 5.8. Исследование влияния длины соединительных проводников на показания вольтметра на высоких частотах. 5.8.1. На высоких частотах на показания вольтметра существенно начинает оказывать влияние емкость и индуктивность входной цепи электронного вольтметра, в состав которой входит емкость и индуктивность соединительных проводников. Разработать методику исследования зависимости погрешности измерений от длины соединительных проводников для самого высокочастотного электронного вольтметра. 5.8.2. Разработать схему экспериментальных исследований и таблицу для записи результатов наблюдений и измерений. 5.8.3. Провести эксперимент при минимально возможной длине проводников и при длине 1-2 м в широком диапазоне частот. Обработать результаты наблюдений. 5.8.4. Сделать выводы. 6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА. 6.1. Отчет по лабораторной работе должен быть оформлен в соответствии с СТП НЭИС 01.07.86 каждым членом бригады. 6.2. В отчете необходимо отразить: результаты выполнения домашнего задания; метрологические характеристики всех используемых измерительных приборов; электрические схемы измерений средств измерений по каждому пункту программы лабораторной работы, выполненные в соответствии с требованиями ГОСТов группы Т-52; формулы обработки результатов наблюдении и измерений по каждому пункту программы; результаты наблюдения, расчетов и измерений, которые, как правило, должны быть сведены в таблицы; графики и схемы должны быть снабжены подрисуночными подписями; по каждому пункту программы лабораторном работы на основе анализа результатов должны быть сделаны выводы. 7. ЛИТЕРАТУРА Метрология, стандартизация и измерения в технике связи: Учеб. пособие для вузов Б.П.Хромой, А.Б.Кандинов, А.Л.Сенявски и др.; Под ред. Б.П.Хромого. – М .: Радио и связь, 1986. - 424 с. Ф.В.Кушнир, В.Г.Савенко, С.М.Берник. Измерения в технике связи: Учебник для вузов. – М .: Связь, 1976. - 432 с. Ф.В.Кушнир. Электроизмерения: Учеб. пособие для вузов. – Л .: Энергоатомиздат. Ленинград, отд-ние, I983. - 320 с. Технические описания измерительных приборов.

назад | оглавление | вперёд