1. Ознакомиться с лабораторной установкой. Собрать схему исследования динамического режима 2-го порядка.
2. Исследовать динамический режим заданных средств измерений при входном воздействии в виде единичного скачка, подавая на вход динамического звена импульсные сигналы с частотой собственных колебаний f 0 и коэффициент демпфирования b (степень успокоения) по заданию преподавателя.
3. Определить динамическую погрешность при заданных параметрах звена 2-го порядка и заданных амплитуде и частоте входных сигналов. Построить графики входного и выходного сигналов исследуемого средства. Построить графики динамической погрешности.
4. Определить зависимость времени установления t у выходного сигнала для различных частот собственных колебаний при заданном преподавателем коэффициенте демпфирования. Построить график выходных сигналов (по одному периоду) для разных частот собственных колебаний.
5. Определить время установления t у выходного сигнала при различных коэффициентах демпфирования для указанной преподавателем частоты собственных колебаний. Построить график зависимости t у= F (b i).
6. Исследовать динамический режим средств измерений при синусоидальном входном воздействии.
6.1. Определить погрешности в динамическом режиме для разных частот собственных колебаний и с b= 0,7 при заданной частоте входного сигнала в 8-10 точках на периоде сигнала. Построить график динамической погрешности для одной из частот собственных колебаний на одном периоде входного сигнала. Построить график зависимости максимальной динамической погрешности от частоты собственных колебаний.
6.2. Определить зависимость максимальной динамической погрешности от коэффициентов демпфирования при заданной частоте собственных колебаний. Построить график найденной зависимости.
В специализированном горизонтальном пульте находится объект исследования – фильтр нижних частот ФНЧ 2-го порядка с возможностью вручную дискретно устанавливать частоту собственных колебаний (4 положения), и отдельно - коэффициент демпфирования (или степень успокоения), так же 4 положения.
Этим, в совокупности, достигается достаточно широкий диапазон изменения динамических характеристик объекта. Ручки переключения соответствующих параметров установлены на лицевой панели пульта в правой верхней его части.
Структурная схема лабораторной установки представлена на рис. 3, где: ЭЛО – двухканальный электронно-лучевой осциллограф с возможностью управления (модуляции) лучом по оси Z; приборы, установленные на вертикальном стенде: ГС – генератор сигналов прямоугольной, синусоидальной и треугольной формы, ЦВ1 и ЦВ2 – цифровые вольтметры, ЦЧ – цифровой частотомер в старт-стопном режиме работы; устройства, встроенные в настольный пульт (на схеме обведены пунктирной линией):
ФНЧ – фильтр нижних частот, УВХ1 и УВХ2 – устройства выборки и хранения соответственно для входного и выходного сигналов ФНЧ, блок синхронизации («Синхронизация»), блок управления выборкой (БУВ). Управление временем выборки осуществляется двумя потенциометрами, установленными в нижней правой части передней панели пульта.
Рис. 3 Структурная схема лабораторной установки
Рекомендации по сборке схемы. При сборке принципиальной схемы соответствующей структурной схеме, приведенной на рис. 3, все связи реализуются двухпроводными линиями с соблюдением «земляных» зажимов. Входы Y1, Y2, Z осциллографа имеют коаксиальные кабели.
Перед проведением экспериментов необходимо совместить начальную установку лучей по обоим каналам осциллографа и установить одинаковые коэффициенты отклонений, удобные для визуального наблюдения. Установить коэффициент развертки, при котором на экране осциллографа наблюдается один период (или полупериод) входного сигнала.
Лабораторная установка позволяет одновременно наблюдать входные и выходные сигналы объекта исследований – фильтра нижних частот (ФНЧ) на экране двухканального осциллографа и измерять мгновенные значения напряжения этих сигналов в определенные моменты времени, устанавливаемые в процессе измерений. Таким образом, на установке реализуются дискретные измерения переменных во времени сигналов.
Выходные сигналы генератора ГС используются как испытательные сигналы для ФНЧ, относительно которых реализуется общая синхронизация работы всей установки. Вид сигналов, их частота и амплитуда определяются заданием.
Для визуального наблюдения входного и выходного сигналов ФНЧ эти сигналы подаются соответственно на входы Y1 и Y2 двухканального осциллографа, работающего в режиме внешней синхронизации. Для запуска развертки блоком «Синхронизация» при положительном фронте входного сигнала, см. также рис. 4, вырабатывается импульс синхронизации, который подается на вход «Вн. синх» осциллографа и запускает генератор развертки. Этим достигается устойчивое изображение сигналов на экране при заданном моменте начала развертки. Фрагмент такого изображения, а также управляющие импульсы представлен на рис. 4.
Измерение сигналов проводят в некоторые дискретные моменты времени. Выбор точек измерений проводится из соображений возможности восстановления непрерывных кривых сигналов, как, например, показано на рис. 4., где измерения проводятся в точках 1,2,…7, определяющих экстремумы и точки пересечения кривых изображения сигналов.
Рис. 4 Изображение управляющего импульса
Момент времени измерений определяется импульсом управления выборкой, который вырабатывается блоком «Управление выборкой» с некоторой временной задержкой t относительно импульса синхронизации. Величина этой задержки (t = var) регулируется вручную на пульте управления. Для визуального наблюдения положения импульса на осциллограмме этот импульс подается на ось Z осциллографа и запирает электронный луч, что наблюдается в виде «пробела» на осциллограмме, см. точку 3 на рис 4. Установленное временя задержки t измеряют цифровым частотомером ЦЧ в режиме измерения временного интервала при старт-стопном запуске.
Измерение мгновенных значений напряжений осуществляется с помощью устройств выборки и хранения УВХ и цифровых вольтметров ЦВ постоянного тока, установленных в цепи входа ФНЧ (УВХ1, ЦВ1) и в цепи его выхода (УВХ2, ЦВ2).
С приходом импульса управления выборкой в УВХ запоминается текущее значение напряжения и в дальнейшим сохраняется достаточно большое время, необходимое для измерения напряжения цифровым вольтметром ЦВ.
Таким образом проводятся измерения входных и выходных сигналов ФНЧ в выбранных дискретных точках для указанных пунктов задания. Результаты измерений по каждому эксперименту заносятся в таблицу.
Таблица
| ti | t1 | t2 | ………. | tn |
| u ВХ i | u ВХ1 | u ВХ2 | ………. | u ВХ n |
| u ВЫХ i | u ВЫХ1 | u ВЫХ2 | ………. | u ВЫХ n |
где: ti – моменты времени измерения напряжения, отсчитываемые от импульса синхронизации, u ВХ i, u ВЫХ i – результаты измерений входного и выходного сигналов ФНЧ.
По полученным дискретным точкам строятся требуемые по заданию графики. Приводятся выводы по работе.
В содержание отчета необходимо включить:
1. Таблицы значений напряжения для разных коэффициентов демпфирования и частот.
2. Расчеты динамической погрешности. Графики входного и выходного сигналов исследуемого средства. Графики динамической погрешности.
3. График выходных сигналов (по одному периоду) для разных частот собственных колебаний.
4. График зависимости t у= F (b i).
5. График динамической погрешности для одной из частот собственных колебаний на одном периоде входного сигнала. График зависимости максимальной динамической погрешности от частоты собственных колебаний.
6. Выводы по работе.
Контрольные вопросы и задания
1. Перечислить динамические характеристики средств измерений.
2. Причины возникновения динамической погрешности.
3. Структурная схема лабораторной установки.
4. Правила пользования осциллографом.
5. Зависимость динамической погрешности от коэффициента демпфирования.
6. Описание процесса измерения сигналов в некоторые дискретные моменты времени.
Лабораторная работа № 9
