Изучение основных измерительных приборов и измерение основных параметров сигналов и цепей (стр. 1 )

Министерство образования и науки Российской федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Казанский национальный исследовательский технический университет им.

(КНИТУ – КАИ)

________________________________________________________________

Кафедра радиоэлектроники и информационно-измерительной техники

Изучение основных измерительных приборов

и измерение основных параметров сигналов и цепей

Методическое пособие к лабораторной работе № 000

по дисциплине Электротехника и электроника

Автор-составитель:

Казань - 2012 г.

Цель работы - изучение основных характеристик и порядок работы с контрольно–измерительными приборами (генератором, осциллографом и цифровым мультиметром) при измерении основных параметров сигналов и цепей.

1. Основные понятия и расчетные соотношения

1. Основные параметры сигналов и цепей

1.1. Основные параметры сигналов

В электротехнике простейшим переменным сигналом является гармонический (ЭДС - е(t), напряжение - (u(t), ток - i(t)). Аналитически гармонический сигнал (например, напряжение) записывается выражением:

u(t) = Umcos(ω0t+φ0) , (1.1)

где u(t) – мгновенное значение напряжения – напряжение в момент времени t.

Временная диаграмма гармонического сигнала приведена на рис.1.1. Он характеризуется следующими тремя основными параметрами:

1. um – амплитуда, величина наибольшего отклонения от нуля, (В - вольт);

2. Т – период, наименьший интервал времени, по истечении которого мгновенные величины повторяются, измеряется в (сек), с ним связаны f=1/Т – циклическая частота, измеряется в (Гц) и ω0 =2πf – угловая частота - (рад/с);

3. φ0 – начальная фаза, (рад). Выражение в скобках - (ω0t+φ0)= ψ(t) называют полная фаза. Отсюда φ0 = ψ(t=0).

Рис.1.1. Временная диаграмма гармонического сигнала

Рис. 1.2. Временные диаграммы двух гармонических сигналов

Кроме амплитуд о величине периодических сигналов судят по их среднеквадратичным (действующим) значениям за период, I, U, E –

, , . (1.2)

Например, действующее значение периодического тока равно такому значению постоянного тока, который, проходя через сопротивление r, за период Т выделяет то же количество тепла, что и данный переменный ток i.

Связь между амплитудным и действующим значениями синусоидального тока равна

.() (1.3)

Иногда гармонические сигналы характеризуют средним значением. Среднее значение синусоидальной величины за период равно нулю, поэтому за среднее значением гармонического тока принимают среднее значение за положительный полупериод:

. (1.4)

Разность фаз колебаний. При совместном рассмотрении двух гармонических сигналов (рис.1.2) одной частоты разность их начальных фаз, называют сдвигом фаз и обозначают

, где . (1.5)

Если φ=0,то напряжение и ток совпадают по фазе, если - находятся в противофазе, если - в квадратуре. Если φ>0, то отстает от по фазе на угол , если , то опережает по фазе на угол .

В электронике часто используются импульсы прямоугольной формы рис. 1.3. Они характеризуется следующими основными параметрами: um, –амплитуда, В; Т– период, cек; и τ – длительность импульса, cек.

Кроме них используют следующие параметры: 1. скважность - θ=Т/τ; 2. коэффициент заполнения - (τ/Т)100%; 3. постоянная составляющая (среднее значение за период) сигнала (напряжения) - .

Рис. 1.3. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов

1.2. Основные параметры электрических цепей

Большинство электрических цепей служит средством передачи сигналов от источника сигнала в нагрузку (рис. ). При этом сигнал на входе цепи х(t) называют – воздействием или входным сигналом, а сигнал на выходе у(t) (на нагрузке)– откликом, реакцией или выходным сигналом.

Параметром цепи Н называют отношение величины выходного сигнала У, к величине входного сигнала Х,

Н=У/Х. (1.7)

В зависимости от вида входного сигнала различают три параметра цепи:

1. Статический параметр Нст =У0/Х0, где Х0 и У0 - постоянные величины;

2. Дифференциальный параметр H0 есть отношение приращения отклика ΔY к приращению воздействия ΔX в заданной рабочей точке X0 - Н0=(ΔY/ ΔX) при X= X0.

3. Комплексный параметр. Если входной сигнал гармонический с комплексной амплитудой Хm=Хmеjφх, а цепь линейная, то выходной сигнал всегда гармонический с комплексной амплитудой Уm=Уmеjφу. При этом параметр цепи становится комплексным числом - Н=У/Х = Hеjφ - комплексный параметр цепи, где H=Ym/Xm – модуль, а φ = φ2- φ1 - аргумент комплексного параметра.

Для двухполюсника основным параметром является сопротивление Z=Um/Im, причем воздействием считают ток I, а откликом напряжение U. Иногда пользуются проводимостью двухполюсника – Y= Im /Um.

Для четырехполюсника основным параметром считают коэффициент передачи по напряжению Кu=U2m/U1m, где U2m и U1m – комплексные амплитуды выходного и входного напряжений. Здесь К=Кеjφк, где К=U2m/U1m и φк – модуль и аргумент коэффициента передачи.

Рис.1.4. Схема замещения источника сигнала с нагрузкой.

В простейшей электрической цепи, состоящей из генератора и нагрузки (рис.1.4), протекает гармонический ток:

i(t)= e(t)/(RГ+RН)=(Em/(RГ+RН)) cos(wt+j)

Напряжение на нагрузке:

При RН>>RГ амплитуда напряжения на нагрузке достигает максимальной величины, стремясь к амплитуде Em–это режим согласования по напряжению.

Активная мощность, выделяемая в нагрузке, определяется соотношением:

Мощность PН достигает максимального значения Pн max когда RН = RГ. Это режим согласования по мощности,.

2. Основные измерительные приборы

2.1. Функциональный генератор сигналов GFG-8215А

Генератор предназначен для создания электрических сигналов, которые используются для исследования электрических цепей и электронных устройств.

Основные технические характеристики

1. Генерация сигналов различной формы - синусоидальной, треугольной (пилообразной) и прямоугольной.

2. Амплитуда выходное напряжение генератора регулируется от 4мВ – 10В.

3. Частота выходного сигнала регулируется в пределах от 0,3 Гц до 3 МГц.

4. Смещения выходного сигнала в пределах -10В ÷ +10В.

5. Регулировка коэффициента заполнения для импульсных сигналов.

6. Управление частотой генератора внешним источником напряжения.

7. Выходное сопротивление по основному выходу – 50 Ом.

8. Дополнительный выход для подключения ТТЛ или КМОП - схем.

9. Напряжение питающей сети - ~ 230В+15%, 50/60Гц.

Основные органы управления и индикации

Они расположены на передней панели генератора (рис.1.5).

Рис.1.5. Передняя панель генератора GFG-8215А

1. Кнопка включения питания «POWER». Для включения питания кнопку вжать.

2. Ручка «FREQUENCY» - плавной регулировки частоты выходного сигнала от 0.3 до 3 ее максимального значения в выбранном диапазоне частот.

3. Разъем «CMOC/TTL» дополнительного выходы c сигналами КМОП/ТТЛ уровня.

4. Разъем «VCF» для управления частотой генератора внешним сигналом.

5. Ручка «DUTY» - плавной регулировки скважности цифровых сигналов. Для регулировки - ручку вытянуть на себя и вращая ее, установить нужную скважность выходного импульсного сигнала.

6. Ручка «CMOC/TTL» - управляет сигналом на дополнительном выходе. При вжатой положение ручки сигнал на выходе «CMOC/TTL» совместим с уровнями ТТЛ. Если вытянуть и вращать ручку, то сигнал на этом выходе совместим с уровнями КМОП элементов и регулируемый по величине 5 – 15В.

7. Ручка «OFFSET» - плавной регулировки смещения выходного сигнала в диапазоне В, при отжатом положении этой ручки, путем ее вращения. Если ручка вжата, то напряжение смещения равно нулю.

8. Ручка «AMPL» - плавной регулировки амплитуда выходного напряжения, в диапазоне (1 – 10)В, когда ручка вжата, путем ее вращения. При отжатом положении ручки, выходной сигнал ослабляется в 10 раз (на -20дБ).

9. Трехкнопочный переключатель «Выбор формы выходного сигнала». Для выбора - необходимо вжать соответствующую кнопку.

10. Разъем «OUTPUT» - основного выхода генератора.

11. Семикнопочный переключатель «Выбор диапазона частот». Для выбора диапазона частот вжать кнопку, указывающую множитель частоты: 1, 10,…106(1М). Частота на выходе генератора определяется как показание ручки плавной регулировки в Гц умноженное на множитель частоты (1….106).

12. Кнопка «ANN -20дБ» - дополнительного ослабления амплитуды выходного сигнала на -20дБ (в 10 раз). Для ослабления амплитуды кнопку вжать.

Подготовка к работе и порядок работы с генератором

1. Подключите прибор к электрической сети 220В+15%, 50/60Гц с помощью поставляемого в комплекте сетевого шнура.

2. Нажмите кнопку «POWER» (1) и убедитесь, что все вращающиеся ручки вжаты; затем поверните регуляторы AMPL (5) и FREQ (3) до отказа влево.

3. Подсоедините основной выход (10) генератора к нагрузке.

4. Выберете форму выходного сигнала, нажав соответствующую кнопку в поле выбора формы сигнала (2).

5. Установите необходимую частоту выходного сигнала. Для этого выберите частотный диапазон, нажав клавишу в поле множителя частоты (4) и, вращая ручку «FREQUENCY» (3), установите необходимую частоту. Частота на выходе генератора определяется как показание ручки плавной регулировки в Гц умноженное на множитель частоты (1….106). Точное значение установленной частоты можно определить с помощью внешнего частотомера.

6. Установите необходимую амплитуду сигнала на выходе, вращая ручку AMPL (5) и контролируя ее величину осциллографом или вольтметром, подключенным к выходу генератора. Для ослабления сигнала на -20дБ, вытяните ручку AMPL (5), для дополнительного ослабления на -20дБ нажмите кнопку (7).

7. Для смещения сигнала по постоянной составляющей, вытяните и вращайте регулятор «OFFSET».

8. Для регулировки скважности импульсных сигналов вытянуть на себя ручка «DUTY» и вращая ее, установить нужную скважность выходного сигнала, контролирую ее с помощью осциллографа.

Управление частотой внешним напряжением

Этот режим позволяет настраивать частоту генератора внешним управляющим постоянным напряжением.

1. Нажмите клавишу поля выбора формы сигнала (2); затем выберите частотный диапазон (4) и вращая регулятор FREQ (3) установите нужную частоту.

2. Подайте внешнее управляющее напряжение (0+10В) на разъем VCF и снимайте выходной сигнал с выхода (10).

3. Остальные регулировки параметров сигнала, такие как амплитуда AMPL (5), смещение Offset (7), скважность Duty (8) т. д, остаются без изменения.

2.2. Универсальный вольтметр В7-58/2

Универсальный вольтметр В7-58/2 предназначен для измерения:

- постоянного (в диапазоне 0,4mV – 1000V) и действующего значения переменного напряжения (в диапазоне 2mV – 700V на частотах от 20Гц до 100 кГц);