Измерение параметров сигналов

В электронных схемах

 

Цель работы: изучить методы и средства измерения амплитудных и временных параметров сигналов в электронных цепях.

Приборы: вольтметр, преобразователь амплитудного, среднего, среднеквадратичного значений, усилитель.

Теоретические сведения

В силу большого разнообразия средств измерения существует довольно широкий набор их классификационных признаков.

По функциональному назначению все средства измерения делятся: мера, измерительный прибор, измерительный преобразователь, вспомогательное средство измерения, измерительная установка, измерительная система.

По принципу измерений различают электроизмерительные и радиоизмерительные приборы.

Электроизмерительные приборы применяются для измерений на постоянном токе и в области низких частот (20 - 2500 Гц) токов, напряжений, электрических мощностей, частоты, фазовых сдвигов, сопротивлений, емкостей и других величин, характеризующих режим работы электрических цепей и параметры их элементов. Обозначение таких приборов состоит из буквы русского алфавита, характеризующей тип измерительного механизма, и числа, определяющего вид и тип прибора: Д - электродинамические; И - индукционные; М - магнитоэлектрические; Н - самопишущие; Р - меры, измерительные преобразователи, приборы для измерения параметров элементов электрических цепей; С - электростатические; Т – термоэлектрические т.д.; Например: С197 - киловольтметр электростатический. К обозначению могут добавляться буквы М (модернизированный), К (контактный) и др., отмечающие конструктивные особенности или модификации приборов.

Радиоизмерительные приборы применяются для измерения разнообразных электрических и радиотехнических величин как на постоянном токе, так и в широком диапазоне частот, а также для наблюдения и исследования формы радиосигналов и характеристик радиоэлектронных устройств, генерации испытательных сигналов и питания измерительных устройств. Система обозначений данных приборов соответствует ГОСТ 15094-86 и состоит из буквы русского алфавита, определяющей характер измерений и вид измеряемых величин (таблица 1); цифры (от 1 до 9), обозначающей тип измерительного прибора, и через дефис n -значного числа (n = 1, 2, 3), указывающего порядковый номер модели. Например: В7-65 - вольтметр (подгруппа В) универсальный (тип В7) модели номер 65.

По методу измерений измерительные устройства бывают прямого действия, реализующие метод непосредственной оценки, и устройства, использующие метод сравнения.

По точности измерений измерительные средства можно разделить: на эталоны, образцовые и рабочие средства измерений.

По способу обработки сигнала измерительной информации приборы делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых приборах показания являются непрерывной функцией размера измеряемой величины, т.е. могут, как и измеряемая величина, принимать бесконечное множество значений. В цифровых приборах непрерывная измеряемая величина дискретизируется по времени, квантуется по уровню, кодируется и в виде цифрового кода отображается на цифровом отсчетом устройстве. В результате показания цифрового прибора могут принимать лишь конечное число

значений. Цифровые средства измерения обеспечивают, как правило, большую точность и быстродействие. Однако не всегда цифровое устройство лучше аналогового. При большом числе одновременно измеряемых величин (контроль сложного объекта) или при динамическом изменении входной величины показания аналоговых приборов воспринимаются легче, обеспечивая оперативность анализа контролируемого процесса.

По способу отображения результата измерения аналоговые и цифровые приборы принято разделять на показывающие, допускающие только отсчитывание показаний, и регистрирующие, в которых предусмотрена возможность автоматической и (или) ручной регистрации показаний.

По способу применения и по конструкции измерительные устройства делятся на щитовые, переносные (портативные) и стационарные.

Технические характеристики вольтметра: пределы допускаемой приведенной (к пределу измерения 20 В) основной погрешности измерения γ = ±1 % в диапазоне входных напряжений ±7 В, в диапазоне частот от 20 Гц до 50 кГц.

Для измерения коэффициента формы (или амплитуды) собрать схему, изображенную на рис. 1.

Рис. 1. Схема измерения коэффициента формы (или амплитуды)

 

Поскольку выходной сигнал любого из преобразователей приведен к действующему значению синусоидального сигнала, то коэффициенты формы k _ф и амплитуды k _аопределяются отношениями:

k _ф = 1,1· U _д.з. / U _с.к.з. , k _а= 1,41· U _а.з. / U _д.з.,

где U _д.з., U _с.в.з., U _а.з. - показания (соответственно) вольтметров действующего значения, среднего квадратичного и амплитудного значений.

Относительная погрешность измерения δ _k, %, любого из коэффициентов

δ_k = ± 40 / U,

где U - показание (в вольтах) любого из двух вольтметров.

Схема измерения усилителем представлена на рис. 2.

Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) линейной цепи называют модуль ее комплексной частотной характеристики. Для четырехполюсного устройства это модуль коэффициента передачи. Из определения следует наиболее простой метод измерения АЧХ: снятие зависимости отношения амплитуд выходного и входного напряжений гармонического сигнала в отдельных частотных точках (“по точкам”) с последующей интерполяцией.

 

Рис. 2. Схема измерения усилителем

На практике обычно снимают зависимость напряжения на выходе исследуемого устройства от частоты при постоянной амплитуде гармонического напряжения на входе.

Описанный метод измерения АЧХ “по точкам” основан на использовании перестраиваемого генератора гармонических колебаний и вольтметра.

Данный способ обеспечивает достаточно высокую точность измерений. Основные источники погрешностей:

1) погрешность установки частоты генератора;

2) погрешность установки амплитуды напряжения на выходе генератора и его нестабильность в процессе измерения АЧХ;

3) погрешность вольтметра, измеряющего напряжение на выходе цепи;

4) искажения АЧХ, связанные с влиянием выходного сопротивления генератора и входного импеданса вольтметра на параметры исследуемой цепи.

Приборы для исследований амплитудно-частотных характеристик линейных цепей и устройств называют измерителями АЧХ. Их широко используют в лабораториях и производственных условиях для настройки и контроля радиоаппаратуры.

Описание прибора

Для измерения коэффициентов формы и амплитуды можно воспользоваться встроенными в установку преобразователями переменного напряжения в постоянное и вольтметрами постоянного тока. Чтобы собрать вольтметр действующего значения (или среднего выпрямленного, или амплитудного значений) сигнала, следует выход соответствующего преобразователя соединить с входом вольтметра постоянного тока; вход преобразователя при этом становиться входом вольтметра действующего значения (или иного).

При измерении амплитудно-частотной характеристики усилителя на его вход подают с выхода генератора НЧ сигнал синусоидальной формы, частоту которого устанавливают по показаниям частотомера. Значения ряда частот указываются или выбираются. Измерение амплитуд (или других характеристик сигнала) на входе и выходе усилителя производят либо осциллографом, либо вольтметрами постоянного тока с преобразователями.