Измерения в радиоэлектронике (стр. 1 )

Министерство образования и науки Российской Федерации

Балтийский государственный технический университет «Военмех»

Кафедра радиоэлектронных систем управления

Измерения
в радиоэлектронике

Методические указания к лабораторным работам

Под редакцией

Санкт-Петербург

2009

Составители: , канд. техн. наук, доц.;
, канд. техн. наук, доц.; , канд. техн. наук;

, канд. техн. наук; , канд. техн. наук;

, магистр

УДК 621.317

И37

лабораторного оборудования, порядок проведения работы и требования к отчету. Для студентов всех специальностей дневного и вечернего отделений института систем управления. " width="380" height="190"/>

И37

 

УДК 621.317

Р е ц е н з е н т канд. физ.-мат. наук, доц. каф. Н1 БГТУ

Утверждено

редакционно-издательским

советом университета

© БГТУ, 2009

© Составители, 2009

П р е д и с л о в и е

Измерительные приборы играют в радиотехнике и электронике исключительную роль, так как позволяют получать информацию о параметрах сигналов, о характеристиках электронных устройств и систем различного назначения при их создании, изготовлении и эксплуатации. Составители настоящего практикума ставили целью дать студентам возможность получить реальные навыки работы с разнообразными по назначению современными измерительными средствами и технологиями, при объединении аналоговой и цифровой измерительной техники современного уровня, сопрягаемой с компьютером. При этом студент должен работать не в виртуальном пространстве, а с реальными действующими макетами электронных устройств, используя современное программное обеспечение при обработке результатов измерений.

Исследуемые макеты являются аналоговыми, но измерительная техника цифровая. Многообразие отдельных измерительных приборов заменено универсальным комплексом, включающим в себя управляемый цифровой генератор функций (сигналов различной формы), цифровой частотомер, многофункциональный мультиметр, сопряженный с компьютером, и встроенный источник питания с индикацией напряжений. Для визуализации сигналов к комплексу прилагается осциллографическая приставка, которая может переводиться в режим спектроанализатора, что позволяет исследовать сигналы как во временной, так и в частотной областях. При выполнении работ студент измеряет, исследует, анализирует и самостоятельно интерпретирует полученные результаты. Одновременно он получает навыки практического применения специального универсального программного обеспечения – LabVIEW.

Лабораторные работы выполняются фронтально. В перспективе предполагается, используя опыт данного практикума, создать аналогичный практикум по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы».

Описание лабораторного измерительного комплекса

Лабораторный измерительный комплекс (рис. 1) является настольным измерительным прибором, предназначенным для проведения лабораторных и настроечных работ, а также профессиональных измерений.

Рис. 1. Внешний вид лабораторного измерительного комплекса

Комплекс сочетает в себе функции четырех приборов: частотомера, функционального генератора, источника питания и цифрового мультиметра.

1.  Универсальный цифровой частотомер позволяет измерять частоту сигнала в диапазоне от 1 Гц до 2,7 ГГц.

2.  Функциональный цифровой генератор работает со следующими формами сигналов: синусоидальным, прямоугольным, треугольным, пилообразным, сигналом с линейно-частотной модуляцией и TTL-сигналом в семи частотных диапазонах от 1 Гц до 10 МГц.

3.  Источник питания обеспечивает на выходе постоянные
напряжения 5 В/2 А, 15 В/1 А и регулируемые напряжения
0 − 30 В/3 А.

4.  Цифровой мультиметр проводит измерения:

• постоянного/переменного напряжения до 1000 В для постоянного тока и 750 В для переменного тока;

• постоянного/переменного тока до 20 А;

• сопротивления до 40 МОм;

• емкости до 400 мкФ и логики (C-MOS/TTL).

Данные измерений цифрового мультиметра могут быть переданы по интерфейсу USB на персональный компьютер, принтер или плоттер для последующего анализа.

1. Работа комплекса в режиме частотомера

Органы управления и отображения частотомера лабораторного комплекса (рис. 2):

1 – ЖК дисплей частотомера;

2 – входной разъем канала A (CH-A);

3 – входной разъем канала В (CH-B);

4 – кнопка фильтра низких частот (LPF-A) (используется для устранения влияния высокочастотных помех на измерение прибором частот ниже 300 кГц в канале A частотомера);

5 – кнопка выбора канала (CHAN) (канал А позволяет измерять частоту сигнала от 1 Гц до 20 МГц с автоматическим выбором предела диапазона, а канал B – от 01.01.01 МГц);

Рис. 2. Внешний вид лицевой панели частотомера

6 – переключатель времени стробирования (GATE) (используется для изменения точности измерения частоты в соответствии
с табл. 1). Если входной сигнал ниже частоты 1 кГц, то рекомендуется выбрать время стробирования либо 1 с, либо 10 с. Если Вы установили 0,1 с, то для получения правильного результата измеренную величину следует умножить на 10. При этом ошибка может составить 10 % или более;

Т а б л и ц а 1

Точность измерения частоты (в Гц) при различном времени стробирования

Время стробирования, с	Канал A	Канал B
0,1	10	1000
1	1	100
10	0,1	10

7 – кнопка режима удерживания показаний на дисплее (HOLD) (активизирует режим, при котором показания на ЖК-дисплее сохранятся даже в том случае, если измерительный кабель будет отключен от тестируемой нагрузки);

8 – кнопка обнуления показаний частотомера (RESET);

9 – индикатор выхода за пределы диапазона (OFL) (начинает мигать, если измеренное значение превышает 8-значное число).

Проведение измерений частотомером

1.  Включите сетевой переключатель ON-OFF (UNIVERSAL COUNTER) на задней панели измерительного комплекса.

2.  Включите питание прибора (кнопку POWER). На дисплее частотомера отобразится нулевое значение и появятся индикаторы: CHAN A, GATE 1, Hz.

Настройки по умолчанию:

·  рабочий канал – A,

·  время стробирования – 1 с,

·  кнопки HOLD и LPF-A находятся в положении «не нажато».

3.  Подключите один конец измерительного кабеля к входному разъему соответствующего канала, а другой – к тестируемой нагрузке.

4.  Настройте частотомер для проведения измерений требуемой точности, задав переключателем GATE необходимое время стробирования.

5.  Снимите показания на дисплее частотомера.

2. Работа комплекса в режиме функционального генератора

Органы управления функционального генератора (рис. 3):

1 – ручка управления размахом выходного напряжения (AMP). При нажатом положении данной ручки управления размах выходного напряжения (от пика до пика) плавно изменяется при вращении ее по часовой стрелке от 2 до 20 В. Если же она находится в положении «не нажато», то размах в 10 раз меньше и изменяется от 0,2 до 2 В.

Рис. 3. Внешний вид лицевой панели функционального генератора

2 – ручка управления постоянным напряжением смещения (OFFSET). Функциональный генератор позволяет добавить в выходной сигнал, содержащий только переменную составляющую, постоянное напряжение смещения в диапазоне ±10 В. Для регулировки уровня постоянного напряжения смещения отожмите ручку управления OFFSET и медленно поверните её либо по часовой стрелки (вводится положительное смещение), либо против (отрицательное смещение). Если она находится в нажатом положении, то в выходном сигнале будет содержаться только напряжение переменного тока.

3 – ручка управления формой сигнала (SYM). Для изменения формы генерируемого сигнала отожмите данную ручку управления и вращайте ее либо по часовой, либо против часовой стрелки в зависимости от необходимого Вам вида сигнала (табл. 2).

Т а б л и ц а 2

Изменение формы сигналов с помощью ручки управления SYM

Форма сигнала	Поворот по часовой стрелке	Поворот против часовой стрелки
синус	скошенный синус	скошенный синус
меандр	импульсный	импульсный
треугольный	пилообразный	пилообразный

После вращения ручки управления формой частота выходного сигнала может измениться, поэтому необходимо произвести перенастройку частоты.

4 – ручка управления глубиной девиации частоты (WIDTH SWEEP). Для изменения глубины девиации частоты отожмите данную ручку управления и вращайте ее либо против часовой стрелки (для уменьшения глубины), либо по часовой стрелке (для увеличения). Для установки максимальной глубины девиации частоты необходимо полностью повернуть ручку точной настройки частоты (рис. 3, поз. 6) против часовой стрелки, а ручку управления WIDTH SWEEP – по часовой стрелке.

5 – ручка управления шагом перестройки частоты (RATE SWEEP). Для регулировки шага перестройки частоты следования импульсов медленно вращайте данную ручку управления по часовой стрелке (для уменьшения шага) или против (для увеличения). В нажатом положении ручки управления шаг перестройки частоты изменяется по линейному закону, а в отжатом – по логарифмическому.

6 – ручка точной настройки частоты (в пределах границ выбранного частотного диапазона).

7 – кнопка выбора режима дисплея частотомера (рис. 2, поз. 1) (в отжатом состоянии на табло отображаются измерения частотомера, а в нажатом – частота, выдаваемая функциональным генератором).

8 – кнопка выбора выходного импеданса. Выходное сопротивление функционального генератора принимает значение 50 Ом при нажатом или 600 Ом при отжатом положениях данной кнопки. При выборе режима 600 Ом выходная частота отвечает требованиям нормальной синусоидальной формы в диапазоне от 1 Гц до 100 кГц.

9 – кнопки выбора диапазона частот генерируемого сигнала (FREQUENCY) (табл. 3).

Т а б л и ц а 3

Частотные диапазоны функционального генератора

Кнопка выбора диапазона частот	Частотный диапазон
Х 10	1 − 10 Гц
Х 100	10 − 100 Гц
Х 1К	0,1 − 1 кГц
X 10K	1 − 10 кГц
X 100K	10 − 100 кГц
Х 1М	0,1 − 1 МГц
X 10M	1 − 10 МГц

П р и м е ч а н и я. Выходная частота функционального генератора рассчитывается путем перемножения значений ручки точной настройки частоты (рис. 3, поз. 6) и нажатой кнопки выбора диапазона частот (рис. 3, поз. 9). Например: 1 кГц =1,0 (на ручке) × 1К (на кнопке).

10 – кнопки выбора типа генерируемого сигнала (FUNCTION). На рис. 4 представлены типы выходных сигналов и соотношения по фазе для них.

Рис. 4. Типы выходных сигналов

11 – выходной разъем функционального генератора (OUTPUT).

12 – выходной разъем TTL-логики.

13 – входной разъем (VCF IN) для управления выходной частотой генератора посредством внешнего напряжения постоянного тока. Для запуска данного режима работы поверните ручку точной настройки частоты (рис. 3, поз. 6) против часовой стрелки до упора и подключите внешнее напряжение к входному разъему VCF IN. В этом случае выходная частота для входного напряжения от 0 до 10 В будет изменяться в пределах от 1 % до 100 % максимальной частоты выбранного диапазона.

Проведение измерений функциональным генератором

1.  Включите питание прибора (кнопку POWER).

2.  Включите кнопку питания для FUNCTIONAL GENERATOR на задней панели прибора.

3.  Произведите настройки, приведенные в табл. 4.

Т а б л и ц а 4

Начальные настройки функционального генератора

Управление	Положение настройки
Кнопки выбора типа сигнала (рис. 3, поз. 10)	Синусоидальный сигнал
Кнопки выбора диапазона частот (рис. 3, поз. 9)	Х 1К
Ручка точной настройки частоты (рис. 3, поз. 6)	1,0
Ручка управления размахом выходного напряжения (рис. 3, поз. 1)	Положение «нажато»
Ручка управления постоянным напряжением смещения (рис. 3, поз. 2)	Положение «нажато»
Ручка управления формой сигнала (рис. 3, поз. 3)	Положение «нажато»
Ручка управления глубиной девиации частоты (рис. 3, поз. 4)	Положение «нажато»
Ручка управления шагом перестройки частоты (рис. 3, поз. 5)	Положение «нажато»

4.  Нажмите кнопку выбора выходного импеданса (рис. 3, поз. 8) для согласования выходных сопротивлений генератора и тестируемого объекта.

5.  Для измерения выходной частоты функционального генератора смотрите инструкции в разд. 1.

3. Работа комплекса в режиме источника питания

Органы управления и отображения источника питания (рис. 5):

1 и 2 – ручки управления напряжением (VOLTAGE) и током (CURRENT);

3, 4 и 5 – выходные клеммы 5 В /2 А, 15 В /1 А, 0 – 30 В /3 А;

6 – клемма заземления (GND);

7 – индикатор перегрузки по току;

8 – кнопка включения/выключения питания (POWER);

9 – кнопка выбора режима Вольт/Ампер;

10 – ЖК-дисплей источника питания.

Рис. 5. Внешний вид лицевой панели источника питания

Внимание! Не закорачивайте положительную и отрицательную выходные клеммы. Во избежание повреждения прибора не подключайте к выходной клемме 15 В/1 А (рис. 5, поз. 4) нагрузку менее 2,5 Ом и к клемме 0 – 30 В/3 А (рис. 5, поз. 5) – менее 15 Ом.

Проведение измерений источником питания

1.  Перед началом работы с источником питания убедитесь, что нагрузка отсоединена от всех выходных клемм.

2.  Поверните ручку управления током (рис. 5, поз. 2) по часовой стрелке до предела для установки максимального значения выходного тока.

3.  Подключите шнур питания переменного тока к сетевой розетке и соответствующему разъему на задней панели прибора.

4.  Нажмите кнопку Power ON/OFF (рис. 5, поз. 8) для включения питания прибора. При этом загорятся светодиодные индикаторы «5V 2А» и «15V 1А».

5.  Наблюдая за показаниями на цифровом дисплее, установите нужное Вам напряжение, вращая ручку управления напряжением (рис. 5, поз. 1). При работе с регулируемым напряжением или током используйте кнопку выбора режима «Вольт/Ампер» (рис. 5, поз. 9).

6.  При необходимости ограничения тока в целях защиты тестируемого оборудования установите максимально допустимый ток посредством ручки управления током (рис. 5, поз. 2). В режиме источника питания избыточный ток приведет к падению напряжения, при этом загорится индикатор перегрузки по току (рис. 5, поз. 7).

4. Работа комплекса в режиме цифрового мультиметра

Мультиметр питается от батареи 9 В и полностью изолирован от частотомера, функционального генератора, источника питания и корпуса.

Органы управления и отображения цифрового мультиметра (рис. 6):

1 – ЖК-дисплей цифрового мультиметра (более подробно
см. на рис. 8);

Рис. 6. Внешний вид лицевой панели цифрового мультиметра

2 – кнопка AC/DC (Ω/) для выбора режима либо измерения постоянного/переменного напряжения, либо сопротивления/проз-вона цепи;

3 – кнопка RANGE-H (MIN/MAX) для установки функции либо ручного выбора диапазона измеряемых данных, либо нахождения минимального/максимального значения;

4 – кнопка DATA-H (MEM) для выбора функции либо фиксирования текущих данных на первом дополнительном дисплее (рис. 8, поз. 10), либо записи данных в одну из 10 ячеек памяти на выбор;

5 – кнопка REL (RCL) для выбора функции либо определения величины относительного смещения между текущим и опорным измерениями, либо чтения данных одной из 10 ячеек памяти на выбор;

6 – кнопка SHIFT для задействования дополнительных функций цифрового мультиметра (нахождение минимума/максимума, запись и чтение данных из памяти);

7 – поворотный переключатель функций (рис. 7);

8 – 11 – клеммы V/Ω, COM, mA и 20А;

12 – гнездо для измерения температуры и емкости (TEMP/CAP);

13 – кнопка включения/выключения питания мультиметра (DMM POWER).

Список возможных функций поворотного переключателя (рис. 7):

1 −   измерение постоянного/переменного напряжения;

2 −   измерение сопротивления/прозвон цепи;

3 −   проверка диодов;

4 −   логический тест;

5 −   измерение температуры;

6 −   измерение ёмкости;

7 −   измерение постоянного/переменного тока в диапазоне до 400 мА;

8 −   измерение постоянного/переменного тока в диапазоне до 20 А.

Совместно с поворотным переключателем для выбора рабочего режима мультиметра используются кнопки 2–6 (рис. 6). При нажатии на них издается сигнал встроенного зуммера и сигнализаторы на дисплее показывают тот режим или функцию, которая была выбрана. Чтобы быстро установить все кнопки в исходное состояние, нужно установить поворотный переключатель на соседнюю функцию и вернуться назад на используемую пользователем функцию.

Районы индикации и отображения режимов дисплея цифрового мультиметра (рис. 8):

1 – основной цифровой дисплей с автоматической индикацией полярности и расстановкой десятичной точки;

2 – аналоговая шкала;

3 – шкала для абсолютных данных (её сегменты подсвечиваются слева направо в зависимости от возрастания уровня сигнала на входе);

4 – индикатор переполнения;

5 – район индикации десятичной точки;

6 – индикатор автоматического выбора диапазона;

7 – индикатор отрицательной полярности;

8 – индикатор задействования дополнительных функций «SHIFT»;

9 – район индикации дополнительных функций цифрового мультиметра (нахождение минимума/максимума, запись и чтение данных из памяти);

10 и 11 – первый и второй дополнительные дисплеи для отображения вспомогательных данных при выборе той или иной функции;

12 – сигнализаторы единиц измерения дополнительных дисплеев цифрового мультиметра;

13 – сигнализаторы единиц измерения основного дисплея цифрового мультиметра;

14 – индикатор заряда батареи.

Внимание! 1. Во избежание удара электрическим током не измеряйте напряжение более 1000 В постоянного тока или 750 В переменного тока.

2. Будьте особо внимательны при работе с напряжением более 35 В постоянного тока или 25 В переменного тока.

3. Во избежание повреждения прибора не подавайте напряжение на клеммы 20 А или mA и СОМ.

4. Во избежание повреждения прибора и возможного удара электрическим током не превышайте максимально допустимые пределы на входных клеммах прибора (табл. 5).

Т а б л и ц а 5

Максимально допустимые пределы на входных клеммах
цифрового мультиметра

Функции	Используемые клеммы	Максимально допустимые значения
Постоянное напряжение	V/Ω + COM	1000 В пост. тока
Переменное напряжение	V/Ω + COM	750 В перем. тока
Сопротивление	V/Ω + COM	250 В пост./перем. тока
Постоянный/переменный ток в диапазоне мА	mA + COM	400 мА пост./перем. тока
Постоянный/переменный ток в диапазоне до 20 А	20А + COM	20 А пост./перем. тока
Емкость	гнездо для контактов емкости	СКО менее чем 25 В или 30 В пост. тока

5. Не подключайте клемму СОМ мультиметра (рис. 6, поз. 9)
к цепи под напряжением более 500 В по отношению к земле.
Это может привести к повреждению прибора и тестируемой
цепи.