1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1. Изучить методики аппаратурного анализа спектров сигналов и измерения нелинейных искажений.
1.2. Приобрести практические навыки работы с селективным микровольтметром, измерителем нелинейных искажений анализатором спектра.
1.3. Научиться обрабатывать и оформлять результаты экспериментального анализа спектров и измерения нелинейных искажений.
2. УКАЗАНИЯ ПО ПОДГОТОВКЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
В процессе подготовки к лабораторной работе, выполняемой до начала лабораторного занятия, студент должен:
2.1. Усвоить теоретический материал по разделам "Методы анализа спектра сигнала" и "Измерение нелинейных искажений в электрических цепях" по [1], с. 232-243 и с.278-286 или по [2], с. 225-263 или по [3], с. 154-176.
2.2. Изучить принципы действия приборов, применяемых при выполнении лабораторной работы.
2.3. Ознакомиться с лабораторным заданием и усвоить порядок его выполнения.
2.4. Сделать бланк отчета по лабораторной работе (каждый студент индивидуально) в соответствии с требованиями раздела 7 настоящих методических указаний и объемом лабораторного задания.
Бланк обязательно должен содержать наименование лабораторной работы, формулировку цели работы, структурные схемы анализаторов спектров последовательного анализа и измерителей нелинейных искажений. Он также должен содержать по каждому пункту лабораторного задания схемы соединений приборов, выполненные в соответствии с требованиями ГОСТов группы Т52, а также таблицы для записей экспериментально и теоретически полученных данных.
2.5. Решить задачи и ответить на контрольные вопросы. Ответы на задачи фиксируются в заготовке отчета в виде сводной таблицы (таблица 1), а ответы на контрольные вопросы, вторые цифры которых соответствуют последней цифре зачетной книжки, готовятся письменно (в бланке).
Таблица 1 - Ответы по задачам
|
№ задачи |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
Ответы |
|
|
|
|
3. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
3.1.1. Какие методы аппаратурного анализа спектров Вы знаете? Их сравнительная характеристика.
3.1.2. В чем сущность спектрального представления сигналов?
3.2.1. В чем заключается принцип работы избирательного измерителя уровня с однократным преобразованием частоты?
3.2.2. Почему при изменении частоты следования импульсов меняется число линий в изображении спектра?
3.3.1. Что характеризует собой коэффициент гармоник, и в каких случаях приходится его измерять?
3.3.2. Что понимают под разрешающей способностью анализатора спектра?
3.4.1. Чем определяется диапазон качания частоты гетеродина в анализаторах спектра?
3.4.2. В чем заключается принцип работы измерителя нелинейных искажений, реализующего одночастотный метод?
3.5.1. В чем заключается принцип работ анализатора спектра последовательного типа?
3.5.2. Какие существуют методы измерения нелинейных искажений?
3.6.1. Почему в измерителе нелинейных искажений, реализующем одночастотный метод, применен вольтметр с квадратичным детектором?
3.6.2. Чем определяется частотный интервал между соседними гармониками в спектре периодического сигнала?
3.7.1. Объясните принцип получения изображения частотного спектра на экране электронно-лучевой трубки анализатора спектра последовательного типа?
3.7.2. В чем преимущество и недостатки параллельного и последовательного методов спектрального анализа?
3.8.1. Поясните методику измерения коэффициента гармоник с помощью измерителя нелинейных искажений.
3.8.2. Что такое чувствительность анализатора спектра и зависит ли она от вида анализируемого сигнала?
ЗАДАЧИ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
3.9. До начала лабораторного занятия каждый студент должен решить четыре задачи своего варианта, соответствующего последней цифре зачетной книжки.
3.9.1. ЗАДАЧА № 1. С помощью осциллографа наблюдают периодический сигнал. Осциллограмма изображена на рис.1.
|
|
|
|
а) |
б) |
При условиях, заданных в таблице 2, определить:
- значения частот, на которых будут первые семь гармоник спектра;
- значение частоты, на которую следует настраивать режекторный фильтр измерителя нелинейных искажений.
Таблица 2 - Исходные данные к задаче №1
|
Вид параметра |
№№ вариантов |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Номер осциллограммы |
8.а |
8.б |
8.а |
8.б |
8.а |
8.б |
8.а |
8.б |
8.а |
8.б |
|
|
Коэффициент развертки, мкс/см |
1 |
5 |
10 |
5 |
1 |
5 |
10 |
5 |
1 |
5 |
|
3.9.2. ЗАДАЧА № 2. Изобразить спектр амплитуд, рассчитать коэффициент гармоник и коэффициент нелинейных искажений для сигнала, мгновенное значение напряжения которого отменяется по закону, заданному в таблице 3.
Таблица 3 - Законы изменения напряжения к задаче № 2
|
№ вариантов |
Закон изменения напряжения |
|
1 |
10sinwt+3sin2wt+sin3wt |
|
2 |
12sinwt+4sin2wt+2sin3wt |
|
3 |
14sinwt+5sin2wt+3sin3wt |
|
4 |
16sinwt+6sin2wt+4sin3wt |
|
5 |
18sinwt+7sin2wt+5sin3wt |
|
6 |
20sinwt+8sin2wt+6sin3wt |
|
7 |
22sinwt+9sin2wt+7sin3wt |
|
8 |
24sinwt+10sin2wt+8sin3wt |
|
9 |
26sinwt+11sin2wt+9sin3wt |
|
0 |
28sinwt+12sin2wt+10sin3wt |
3.9.3. ЗАДАЧА № 3. При значениях напряжений калибровки и первой гармоники, определяемых по таблице 4, найти показание измерителя нелинейных искажений с заграждающим фильтром.
Таблица 4 - Исходные данные к задаче № 4
|
Варианты |
Последняя цифра номера зачетной книжки |
|||||||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
Напряжение при калибровке |
2.00 |
3.00 |
3.50 |
4.00 |
4.50 |
5.00 |
5.50 |
6.00 |
6.50 |
7.00 |
|
Напряжение первой гармоники |
1.95 |
2.75 |
3.25 |
3.75 |
4.25 |
4.75 |
5.25 |
5.75 |
6.25 |
6.75 |
3.9.4. ЗАДАЧА № 4. Оценить относительные погрешности измерения коэффициента гармоник одночастотным методом с помощью частотно- избирательного вольтметра и измерителя нелинейных искажений режекторного типа, если применяемые приборы имеют погрешности, определяемые по таблице 5, где Кг- коэффициент гармоник в процентах, определяемый по формуле
=
,
Кг- показание измерителя нелинейных искажений в процентах
Таблица 5 - Погрешности приборов
|
Варианты |
Последняя цифра номера зачетной книжки |
|||||||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
Погрешности селективного микровольт-метра, % |
3 |
5 |
10 |
5 |
3 |
5 |
10 |
5 |
3 |
5 |
|
Абсолютные погрешности измерителя нелинейных искажений |
0.10* Кг |
0.15* Кг |
0.20* Кг |
0.25* Кг |
0.20* Кг |
0.15* Кг |
0.10* Кг |
0.15* Кг |
0.20* Кг |
0.25* Кг |
|
Показания измерителя нелинейных искажений, % |
5 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
35 |
30 |
25 |
4. ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Рабочее место оборудовано анализатором спектра, генератором сигналов специальной формы, генератором прямоугольных импульсов, генератором сигналов низкочастотным, генератором сигналов высокочастотным, измерителем нелинейных искажений, селективным микро-вольтметром и универсальным осциллографом.
Генератор сигналов специальной формы и генератор прямоугольных импульсов являются источниками анализируемых сигналов. Генератор сигналов высокочастотный служит источником AM - колебаний.
Осциллограф позволяет наблюдать временные диаграммы исследуемых колебаний и убедиться, что форма сигнала соответствует заданию.
5. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ
5.1. Измерить нелинейные искажения сигналов лабораторного макета с помощью измерителя нелинейных искажений.
5.2. Измерить напряжения (уровни) и частоты первых семи гармоник сигналов, измеренных в п.5.1, с помощью избирательного вольтметра и по ним рассчитать коэффициент гармоник.
5.3. Произвести амплитудную и частотную калибровку анализатора спектра.
5.4. Получить изображения спектров прямоугольного, симметричного треугольного и пилообразного сигналов заданной частоты. Измерить частотный интервал между соседними гармониками и отношение амплитуд высших гармоник к амплитуде первой гармоники.
5.5. Получить изображение огибающей спектра периодической последовательности прямоугольных видеоимпульсов при заданной их длительности и периоде следования. Измерить ширину каждого лепестка спектра видеоимпульсов и отношение максимумов первого и второго лепестков. Сравнить изображения спектров периодической последовательности видеоимпульсов при различной частоте следования.
5.6. Получить изображение спектра АМ-колебания при заданной частоте несущей и заданной частоте модулирующего колебания и по нему рассчитать коэффициент амплитудной модуляции.
6. ПОРЯДОК И МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
6.1. Выполнить измерения в соответствии с п.5.1 лабораторного задания. Для этого использовать генератор сигналов специальной формы, осциллограф и измеритель нелинейных искажений. Измерения проводить в следующей последовательности:
6.1.1. Собрать схему, приведенную на рис.2.
6.1.2. Установить переключатель формы сигналов на синусоидальную форму, а частоту выбрать так, чтобы она входила в частотные диапазоны применяемых измерителя нелинейных искажений и селективного микровольтметра. Проконтролировать с помощью осциллографа форму исследуемого сигнала, зарисовать ее в табл.6, чтобы потом сопоставить визуальную информацию о степени искажения сигналов с показаниями измерителя нелинейных искажений.
6.1.3. В соответствии с инструкцией по эксплуатации измерителя нелинейных искажений выполнить измерения, согласовать с преподавателем результаты измерений и записать их в табл.6.
Рис.2. Схема для измерения коэффициента нелинейных искажений.
6.1.4. Пользуясь метрологическими характеристиками измерителя нелинейных искажений, оценить инструментальную погрешность измерения коэффициента гармоник и записать результат расчета в табл.6 (выполняется при оформлении отчета).
Таблица 6 - Результаты измерений с помощью измерителя нелинейных искажений
|
Форма исследуемого сигнала |
Частота следования сигнала, кГц |
Показание измерителя Кг, % |
Абсолютная погрешность Кг, % |
Результат измерения Кг |
|
|
|
|
|
|
6.l.5. Все измерения, выполненные для синусоидального сигнала, повторить для сигналов другой формы (2-3 вида сигналов) при той же частоте генератора. Результаты измерений записать в табл.6.
Примечание. При изменении формы или напряжения сигналов необходимо производить каждый раз калибровку измерителя нелинейных искажений.
6.1.6. По результатам измерений, представленным в табл.6, сформулировать вывод и записать его в отчете (выполняется при оформлении отчета).
6.2. Выполнение п.5.2 лабораторного задания следует производить для тех же сигналов, что и в п.5.1. При этом использовать генератор сигналов специальной формы, осциллограф и селективный микровольтметр.
6.2.1. Собрать схему, приведенную на рис.3
Рис. 3. Схема для измерения напряжения гармоник с помощью селективного микровольтметра.
6.2.4. По результатам измерений напряжений (уровней) гармоник рассчитать коэффициент гармоник, коэффициент нелинейных искажений и затухания нелинейностей по второй и третьей гармоникам. Сформулировать соответствующие выводы.
Таблица 7 - Результаты измерений с помощью селективного микровольтметра
|
№№ гармоник |
Частоты, кГц |
Уровень, дБ |
Напряжение, мкВ |
Абсолютная погрешность |
Результат измерения |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к п.6.2
При измерении гармонических составляющих следует помнить, что частоты гармоник периодических сигналов кратны частоте сигнала:
,
где 
- частота периодического сигнала;
n – номер гармоники;
- частота n-ой гармоники.
6.3. Для выполнения п.5.3 лабораторного задания используются анализатор спектра, генератор сигналов низкочастотный и милливольтметр.
6.3.1. Собрать схему, приведенную на рис.4.
Рис. 4. Схема для проверки амплитудной и частотной градуировки.
6.3.2. Установить на генераторе синусоидальную форму сигнала. По указанию преподавателя установить частоту и уровень выходного напряжения генератора. Настроить анализатор спектра по методике, изложенной в инструкции по применению прибора. Совместить изображение первой гармоники спектре с центральной вертикальной линией масштабной сетки на экране анализатора. Произвести отсчет напряжения по калиброванной шкале анализатора спектра и сравнить его с показаниями милливольтметра.
6.3.3. Изменить частоту генератора так, чтобы изображение первой гармоники спектра на экране анализатора переместилось на две клетки масштабной сетки. Отсчитать новую частоту по шкале генератора и вычислить масштаб по оси частот на экране анализатора. Сравнить вычисленный масштаб с установленным на приборе.
6.3.4. По результатам измерений по п.6.3.2 и 6.3.3. сформулировать соответствующие выводы.
6.4. Для выполнения п.5.4. лабораторного задания используются генератор сигналов специальной формы и анализатор спектра.
6.4.1. Собрать схему, приведенную на рис.5 и произвести наблюдения спектров сигналов, исследованных в пп. 6.1 и 6.2.
Рис. 5. Схема для измерения спектров сигналов различной формы.
6.4.2. Установить переключатель формы сигнала генератора на требуемую форму. Выбрать масштаб по частоте в анализаторе спектра так, чтобы наблюдать на экране не менее семи гармоник анализируемого сигнала, и чтобы они занимали около двух третей ширины экрана. Измерить среднеквадратические значения напряжения гармоник и их частоты. Измерить интервал между гармониками. Результаты измерений и расчетов занести в табл.8. Зарисовать спектр.
Таблица 8 - Результаты исследования спектров сигналов различной формы
|
Форма и частота сигнала |
Номер гармоники L |
Частота гармоники |
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
1 2 3 4 5 6 7 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 2 3 4 5 6 7 |
|
|
|
|
|
6.4.3. Выполнить измерения для трех видов форм сигналов. Результаты измерений и расчетов записать в табл.8.
6.5. Для выполнения п.5.5 лабораторного задания используются генератор импульсов, анализатор спектра и осциллограф.
6.5.1. Собрать схему, приведенную на рис.6.
6.5.2. Установить по заданию преподавателя на импульсном генераторе частоту следования импульсов, их длительность и амплитуду.
6.5.3. В осциллографе включить внешний запуск развертки и подать синхроимпульсы генератора на вход блока развертки. Отрегулировать скорость развертки так, чтобы изображение импульса занимало около двух сантиметров на горизонтальной оси.
6.5.4. Настроить анализатор спектра так, чтобы на экране были видны три лепестка спектра, и чтобы они занимали около двух третей ширины экрана. Измерить ширину каждого лепестка спектра видеоимпульсов и отношение максимумов первого и второго лепестков. Зарисовать спектрограмму.
6.5.5. По заданию преподавателя изменить частоту следования импульсов и повторить измерения п. 6.5.4.
Рис. 6. Схема для исследования огибающей спектра периодической последовательности прямоугольных видеоимпульсов.
6.5.6. По результатам измерений п.6.5.4 и 6.5.5 сформулировать и записать вывод.
6.6. Для выполнения п.5.6 лабораторного задания используются генератор сигналов высокочастотный, осциллограф и анализатор спектра.
6.6.1. Собрать схему, приведенную на рис.7.
6.6.2. Установить по заданию преподавателя на генераторе сигналов высокочастотном частоту высокочастотного заполнения и коэффициент амплитудной модуляции.
6.6.3. На экране осциллографа получить устойчивое изображение АМ-колебания и по осциллограмме измерить коэффициент амплитудной модуляции. Зарисовать осциллограмму АМ-колебания.
6.6.4. Настроить в соответствии с инструкцией по эксплуатации анализатор так, чтобы на экране были видны изображения гармоник, соответствующих основной частоте и боковым составляющим. Необходимо, чтобы анализируемый спектр занимал около двух третей ширины экрана.
Рис. 7. Схема для исследования спектра АМ-колебаний.
6.6.5. Измерить амплитуды основной частоты и боковых составляющих, по ним рассчитать коэффициент амплитудной модуляции. В отчете зарисовать спектр АМ-колебания.
6.6.6. По спектрограмме определить частоту модулирующего колебания.
6.6.7. По результатам измерений и расчетов п.6.6.5 и п. 6.6.6
сформулировать и записать вывод.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Коэффициент амплитудной модуляции по спектру рассчитывается по формуле
;
где 
- амплитуда боковой гармоники;
- амплитуда гармоники, соответствующей несущей частоте.
Коэффициент амплитудной модуляции по осциллограмме определяется по формуле
,
где 
и 
определяются из рис.8
Рис.8. Осциллограмма амплитудно-модулированного колебания.
7. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
7.1. Отчет по лабораторной работе должен быть оформлен в соответствии с СТП НЭИС 01.07.86 каждым членом бригады.
7.2. Он должен содержать:
- название работы, фамилию студента и номер группы;
- лабораторное задание;
- письменные ответы на два контрольных вопроса и решение четырех задач;
- метрологические характеристики всех используемых измерительных приборов;
- электрические схема соединений измерительных приборов для всех пунктов лабораторного задания, выполненные в соответствии с требованиями ГОСТов группы Т52;
- формулы обработки результатов наблюдений и измерений по каждому пункту лабораторного задания;
- рисунки спектрограмм анализируемых колебаний;
- таблица с результатами расчетов и измерений;
- анализ полученных результатов с письменным объяснением расхождений между расчетом и экспериментом;
- выводы по каждому пункту лабораторного задания, сформулиро-ванные на основе анализа полученных результатов.
Примечание: все графики и схемы должны быть снабжены подрисуночными подписями, a таблицы - названиями, отражающими их содержание.
ЛИТЕРАТУРА
- Метрология, стандартизация и изменения в технике связи: учеб. пособие для вузов / Б.П.Хромой, А.В.Кандинов, А.Л.Синявский и др.; Под ред. Б.П.Хромого.-М.: Радио и связь, 1986.-424 с.: ил..
- Мирский Г.Я. Электронные измерения: 4-е изд., перераб. и доп.-М.: Радио и связь, 1956.- 440 с., ил.
- Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения: Учебное пособие для вузов.-Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1983.-320 с., ил.