В ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМАХ.
Целью работы является изучение способов и средств измерения амплитудных и временных параметров сигналов в электронных цепях.
Задание.
1. Ознакомиться с имеющейся на рабочем месте аппаратурой и получить у преподавателя конкретные пункты задания для выполнения.
2. Измерить режим работы усилителя на постоянном токе; оценить погрешность измерений.
3. Измерить коэффициент усиления усилителя.
4. Измерить коэффициенты формы и амплитуды сигналов специальной формы на двух (трёх) частотах; оценить погрешности результатов.
5. Измерить постоянную времени интегратора. Оценить погрешность результата.
Описание и порядок выполнения работы
Измерение режимов работы усилителя производится в контрольных точках КТ2¸КТ4 относительно отрицательного потенциала питания. Особенностью предлагаемого усилителя (см. рис. 7.2) является сравнительно большое входное сопротивление, что затрудняет измерение смещения на базе входного транзистора VT 1 (напряжение контрольной точки КТ2).
Перед исследованием усилителя необходимо подать на него питание напряжением 9¸10 В с источника постоянного напряжения стенда, обязательно соблюдая полярности указанные на схеме. Для удобства изложения все точки, имеющие одинаковый с минусом питания потенциал, в дальнейшем именуются шиной.
Влияние средств измерений на режим работы и характеристики усилителя можно наблюдать подключив к его входу (к точке КТ1 и шине) генератор сигналов, а к выходу (между шиной и точкой КT5) – осциллограф (общий провод осциллографа подключается к шине). Подать на вход усилителя сигнал синусоидальной формы и частотой 1000 Гц и установить значение сигнала, при котором выходной сигнал был бы максимальной амплитуды и неискажённой формы (искажения не должны быть заметны на глаз). Подключение вольтметра между базой транзистора VT 1 (КТ2) и шиной или плюсом источника питания вызывает изменение выходного сигнала. Подобные явления, вызванные внесением изменений в режим работы полупроводниковых элементов, зачастую сопровождают процесс отладки электронного оборудования.
Напряжение смещения на базе транзистора VT 1 равное
, (7.1)
где R Э – эквивалентное входное сопротивление относительно базы транзистора VT 1, можно определить косвенно.
В этом случае не потребуется знаний ни о значениях параметров элементов схемы, ни о значении сопротивления вольтметра. Достаточна уверенность в их постоянстве. Для обеспечения применения способа к объекту сделаем два допущения. Для уяснения их сути обратимся к эквивалентной схеме по постоянному току относительно точки КТ2 (см. рис. 7.3). На рисунке: RU – сопротивление источника E; RЭ – эквивалентное входное сопротивление схемы без учёта элементов R1 и R2; RV – сопротивление вольтметра; U1, U2 – результаты измерения одним вольтметром падений напряжения на сопротивлениях R1 и R2.Значением RU можно пренебречь, поскольку при проектировании стремятся обеспечить RU®0. Второе допущение обусловлено влиянием на величину RЭ значения приложенного к нему напряжения из-за нелинейных свойств, входящих в него полупроводниковых переходов. При измерении U1 образуется делитель из групп параллельно соединённых сопротивлений R1||RV и R2||RЭ(1), а, при измерении U2 делитель образован R1 и RV||R2||RЭ(2) (верхний индекс символизирует номер измеряемого напряжения). Очевидно, что напряжение на RЭ меняется в зависимости от схемы подключения вольтметра, т.е. U2(1)¹U2(2)¹U2И (U2И – истинное значение). Поэтому RЭ(1)¹RЭ(2)¹ RЭ. Для режима работы схемы близкого к линейному, указанными отличиями можно пренебречь и считать RЭ неизменным.
Принятые допущения позволяют результаты измерения трёх напряжений объединить системой из трёх уравнений (измерения производить вольтметром постоянного тока):
, 
, 
,
где U – результат измерения напряжения источника E; R=R2||RЭ. Уравнения позволяют установить равенство отношений: U1/U2=R1/R и выразить искомую величину (7.1).
Приведённые курсивом соображения позволяют выразить искомую величину (7.1):
,
где E – э.д.с. источника питания – при малом внутреннем сопротивлении источника питания принимается равной напряжению на его выходных зажимах, U 1, U 2 – напряжения, измеренные на сопротивлениях R 1, R 2.
Относительная погрешность измерения U X:
,
где dU – оценка относительной погрешности результата измерения U; dотн=d× Um ×(1/ U 1+1/ U 2) – относительная погрешность отношения U 1/ U 2. Для предела измерения вольтметра “стенда” 20 В погрешность вольтметра определяется c=1.5, d=0.2. При dотн £ 0.1×dU можно не учитывать оценку dотн и считать: dХ»dU.
Измерение режима работы усилителя в остальных контрольных точках (узлах) схемы не вызывает затруднений, поскольку сопротивление вольтметра в этом случае существенно больше выходных сопротивлений цепей относительно этих точек.
Определить коэффициент усиления предлагаемого устройства можно для двух выходов (контрольные точки КТ3 или КТ4 на рис. 7.2) с помощью генератора ГС и осциллографа. Для этого следует подключить к входу усилителя источник сигнала, а выбранный выход усилителя подключить к входу CH1 (CH2) осциллографа. Установив частоту синусоидального сигнала равной 1 кГц, следует отрегулировать амплитуду сигнала таким образом, чтобы изображение сигнала на экране осциллографа казалось неискажённым. После определения размера изображения двойной амплитуды L ВЫХ (в делениях сетки экрана) оценивают значение сигнала: U ВЫХ= k о1× L ВЫХ, где k о1 – коэффициент отклонения осциллографа. Затем, подключив осциллограф к входу усилителя, подбирают значение коэффициента отклонения k оХ, обеспечивающее удобное наблюдение входного сигнала. Значение входного сигнала: U ВХ= k оХ× L ВХ, где L ВХ – размер изображения двойной амплитуды входного сигнала, в делениях. Коэффициент усиления оценивается по формуле:
K = U ВЫХ/ U ВХ.
Относительная погрешность результата (в процентах):
d K = dКо1+dКоХ+d L вых+d L вх,
где dКо1=dКоХ=3% – относительные погрешности коэффициентов отклонения k о1, k оХ; d L вых, d L вх – визуальные погрешности определения размеров L ВЫХ и L ВХ, каждую из которых находят по формуле: 
%,
где b – толщина следа луча на экране, в долях делений.
Измерение коэффициентов формы и амплитуды. Одним из способов измерения коэффициентов является сравнение действующих, средневыпрямленных и амплитудных оценок одного и того же сигнала, полученных с помощью вольтметров переменного тока с соответствующими способами преобразования входного переменного сигнала.
Источником испытательных сигнала является генератор сигналов специальной формы (синусоидальной, прямоугольной, треугольной) входящий в “стенд” лабораторного комплекта.
Измерение коэффициентов формы и амплитуды в лабораторной работе проводится с помощью встроенных в стенд преобразователей переменного напряжения в постоянное и вольтметров постоянного тока. Чтобы собрать вольтметр, показания которого пропорциональны действующему, средневыпрямленному или амплитудному значению сигнала следует выход соответствующего преобразователя соединить с входом вольтметра постоянного тока; вход преобразователя при этом становится входом соответствующего вольтметра переменного тока. Следует отметить, что в отличие от промышленных вольтметров в данном случае показания прибора не градуируются в действующих значениях синусоидального напряжения. Это упрощает решение поставленной задачи.
Каждый из преобразователей передаёт значение параметра входного сигнала с коэффициентом преобразования k =0.1 при диапазоне входных напряжений | Um |£ 10 В и предельной допускаемой приведённой (к Um =10В) погрешностью g; для соответствующих преобразователей gА=1.5, gср=1.5, gд=2.5 в диапазоне частот от 20 Гц до 50 кГц.
Относительная погрешность преобразования 
, где U П – показание вольтметра, подключенного к выходу преобразователя; U П/ k – приведённое ко входу выходное напряжение преобразователя, измеренное вольтметром.
Для измерения коэффициента формы (амплитуды) собрать схему изображённую на рис. 7.1,
где ГС– генератор сигналов; ПАЗ – преобразователь амплитудного значения; В1, В2 – вольтметры постоянного тока; ВАЗ – вольтметр амплитудного значения; ПСЗ – преобразователь среднего выпрямленного значения; ПДЗ – преобразователь действующего значения; П – переключатель преобразователей; ВСВЗ, ВДЗ – вольтметры средневыпрямленного и действующего значений.
Коэффициенты формы k ф и амплитуды k A определяются отношениями: k ф = U Д.З/ U С.В.З, kA= U А.З/ U Д.З, где U Д.З, U С.В.З, U А.З – действующее значение, средневыпрямленное и амплитудное. Относительная погрешность измерения любого из коэффициентов:
dk = dА(С)+dД+dВА(С)+dВД (%),
где d А(С) – относительная погрешность амплитудного (средневыпрямленного) преобразования; d Д – относительная погрешность преобразователя действующего значения; dВ А(С) , dВ Д – относительные погрешности измерений напряжения вольтметрами.
Относительные погрешности вольтметров определяются по двучленной формуле с коэффициентами с/d; с=0.5, d=0.2 для предела измерений – 2В.
Рекомендуемые частоты сигнала генератора: 50 Гц, 400 Гц и 1000 Гц. Выбранные значения устанавливаются с помощью частотомера “стенда”. Желательно с помощью осциллографа проверить форму выходного сигнала генератора. Рекомендуемый диапазон амплитуд входного сигнала преобразователей: 5¸10 В.
Теоретические значения коэффициентов формы и амплитуды приведены в таблице
| Коэффициент: | Значения коэффициентов для видов периодического сигнала: | ||
| синусоидального | прямоугольного | треугольного | |
| амплитуды: | 21/2»1,41 | 31/2»1,73 | |
| формы: | p×21/2/4»1,11 | 2/31/2»1,15 |
Измерить постоянные времени интегратора (см. рис. 7.4) можно косвенным способом на основании зависимости выходного напряжения интегратора при постоянном входном воздействии (U ВХ):
U ВЫХ(t)= - U ВХ×t/t1(2), (7.2)
где t1(2)= R 1(2)× C – постоянные времени интегратора по входу 1 (2). Приведённое соотношение, точное при идеальных элементах схемы, на практике сохраняет хорошую линейность. При скачкообразном изменении входного напряжения на величину D U ВХзначение D U ВЫХ будет меняться согласно (7.2) в течение интервала времени Dt действия скачка.
Экспериментально определить 
можно с помощью генератора прямоугольных импульсов и осциллографа. Для этого необходимо сигнал генератора прямоугольной формы подать на один из входов интегратора и вход CH1 канала осциллографа, а его 2-й канал соединить с выходом интегратора. Регулировками осциллографа добиться устойчивого изображения аналогичного рис. 7.5. Значения составляющих определяются по соответствующим размерам изображения L DUвх, L DUвых, L Dt, значениям коэффициентов отклонения каналов kо1, kо2 и коэффициента развёртки kp осциллографа:
D U ВХ= k о1 L DUвх; D U ВЫХ= k o2 L DUвых; Dt= k p L Dt.
Относительная погрешность каждой составляющей с размерностью напряжения (индекс “1” соответствует D U ВХ, а “2” – величине D U ВЫХ): dU1(2)=dk1(2)+d1(2)в, где d1(2)в=100×b1(2)/ L 1(2) – визуальная погрешность (в %); b1(2)
– толщина линии канала CH1 (CH2); dk1(2)=3% – погрешность любого из коэффициентов отклонения. Для Dt:
dDt=dвDt+dКр+dНР,
где dвDt=100× b 1/ L Dt – визуальная погрешность (в %); dКр=3% – погрешность коэффициента развёртки kp; dНР=2% – погрешность из-за нелинейности развёртки.
Относительная погрешность измерения постоянной времени интегратора:
dt=dUвх+dUвых+dDt.
Работа 8. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Цель работы – изучение средств и методов измерения параметров электрических цепей; оценка результатов и погрешностей измерений.
Задание
1. Ознакомится со средствами измерений параметров электрических цепей в лабораторной работе и соответствующими инструкциями пользователей. Получить у преподавателя конкретное задание по используемым средствам измерений и объектам измерений.
2. Измерить и оценить погрешности результатов измерений сопротивления резисторов, встроенных в лабораторный стенд, следующими приборами:
– измерителем импеданса («измерителем иммитанса»),
– универсальным электронным вольтметром в режиме измерения сопротивления,
– универсальным цифровом вольтметром в режиме измерения сопротивления,
– комбинированным магнитоэлектрическим измерительным прибором (тестером) в режиме измерения сопротивления (режиме омметра).
Определить погрешности измерений сопротивления резисторов различными приборами. Провести сравнительный анализ полученных результатов.
3. Измерить емкость С и тангенс угла потерь конденсатора, индуктивность L и добротность Q катушки измерителем импеданса по параллельной и последовательной схемам замещения; оценить погрешности результатов измерений.
