Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Кафедра ИИСТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам по курсу

«Метрология, стандартизация и сертификация»

2008

Работа 1. Исследование основных метрологических характеристик электромеханических измерительных приборов

Цель работы - ознакомление с методикой поверки аналоговых электромеханических приборов и определение их основных метрологических характеристик. аналоговый вольтметр метрологический измерение

Задание

1. Ознакомиться с имеющейся на рабочем месте аппаратурой и получить у преподавателя конкретное задание для выполнения лабораторной работы. Подготовить образцовые средства к работе.

2. Определить основную погрешность комбинированного измерительного прибора (тестера) в следующих режимах работы:

а) вольтметра постоянного тока,

б) миллиамперметра постоянного тока.

3. Для каждого из поверяемых режимов построить на одном графике зависимости относительной и приведенной погрешностей прибора от показаний поверяемого прибора.

4. . Определить амплитудно-частотную характеристику АЧХ вольтметра переменного тока. Построить график АЧХ, определить рабочую полосу частот вольтметра.

5. На основе анализа полученных данных сделать вывод о соответствии поверяемого прибора его классу точности.

Описание и порядок выполнения работы

Поверкой средств измерений называют определение погрешностей средства и установление его пригодности к применению. Погрешности определяют по результатам конечного числа экспериментов по сравнению показаний поверяемого прибора и образцового средства измерений. .При этом отношение пределов допускаемых абсолютных основных погрешностей образцовых средств измерений и поверяемых приборов для каждой поверяемой отметки шкалы должно быть не более 1:5 (в ряде случаев допускается 1:3) при поверке приборов всех классов точности.

Поверка вольтметров и амперметров методом сличения. В основе поверки методом сличения лежит одновременное измерение одной и той же величины поверяемым прибором и образцовым средством измерений.

Перед началом поверки необходимо:

а) установить поверяемый прибор в нормальное для него положение в соответствии с условным обозначением на шкале прибора,

б) с помощью корректоров установить указатель прибора на начальную отметку шкалы.

Используемые приборы

Универсальный электромеханический прибор (поверяемый) -тип YX-360TR;

Универсальный электронный прибор (образцовый) -тип GDM-8135 ;

Генератор низкочастотный -тип SFG-2120;

Источник питания;

Лабораторный стенд.

Описания приборов прилагаются на стенде

1. Выполнение поверки прибора YX-360TR в режиме измерения напряжения постоянного тока

Собрать схему (рис. 1.1), соблюдая полярность, где ИП- источник постоянного тока;

V1 и V_об -поверяемый и образцовый вольтметры; R1, R2, R3 - ограничительный и регулировочные резисторы стенда



Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рис. 1.1

Установить на приборах :

режим измерения «Напряжение пост.тока»

пределы измерения : YX-360TR = 10V; GDM-8135 =x20 V;

Включить питание. Убедиться в правильности направлений реакций приборов.

Установить на источнике питания напряжение 12 В

Поверку прибора YX-360TR производить в точках шкалы: 2; 4; 6; 8; 10 В при подходе стрелки к отметкам слева (Хув) и справа (Хум).

Для всех поверяемых отметок по образцовому средству измерений определяют действительные значения измеряемой величины Хо _ув и Хо _ум.

Абсолютную погрешность при увеличении и уменьшении показания определяют по формулам: x_ув=Х-Хо _ув; х_ум=Х-Хо _ум, где Х - показание поверяемого прибора; Хо _ув - показание образцового средства измерений при увеличении показаний; Хо _ум - показание образцового средства измерений при уменьшении показаний. Относительная погрешность:

= 100х/Х, (%).

Приведенная погрешность:

= 100х/Х_N, (%),

где Х_N - нормирующее значение.

Относительную и приведённую погрешности определяют для всех поверяемых отметок шкалы, выбирая наибольшее по модулю значение абсолютной погрешности, определяют также максимальную приведенную погрешность _max = Мах{|_i|} и максимальную вариацию H_max = Мах{H_i}, полученные в результате эксперимента.

Вариацию показаний прибора на поверяемой отметке шкалы определяют как выраженное в процентах отношение разности действительных значений измеряемой величины при одном и том же показании прибора, полученном при плавном подводе указателя сначала со стороны меньших, а затем со стороны больших значений, к нормирующему значению измеряемой величины:

Н = 100(Хо _ув - Хо _ум)/ Х_N, (%).

Результаты эксперимента и расчётов заносят в табл. 1.

Таблица 1.

Показания поверяемого прибора, Х	Показания образцового средства измерения:	Погрешность:
		абсолютная:	относительная, %	приведённая, %	вариация,Н%
	при увеличении ХД ув	при уменьшении ХД ум	при увеличении хув	При уменьшении хум
В единицах измеряемой величины.	%	%	%

Показания поверяемого и образцового приборов и абсолютная погрешность приводятся в единицах измеряемой величины.

2. Выполнение поверки прибора YX-360TR в режиме измерения постоянного тока

Собрать схему.(рис. 1.2), соблюдая полярность, где ИП- источник постоянного тока; А1 и А_об -поверяемый и образцовый амперметры; R4, R5, R6 - ограничительный и регулировочные резисторы стенда

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Установить на приборах :

режим измерения «Постоянный ток»

пределы измерения : YX-360TR - X_N= 25 mA ; GDM-8135 - X_N= 200 mA

В режиме измерения тока к прибору GDM-8135 подключаться через клеммы “Com” и “T2A”

Включить питание. Убедиться в правильности направлений реакций приборов.

Установить на источнике питания напряжение 12 В

Поверку производить в точках шкалы прибора YX-360TR : 5; 10; 15; 20; 25 mA при подходе стрелки к отметкам слева (Хув) и справа (Хум).

Запись результатов измерения производить в таблицу , аналогичную табл. 1.

По результатам испытаний и расчетов строят на одном графике зависимости относительной и приведенной погрешностей от показаний поверяемого прибора, = F (Х_п), = F (Х_п); на графике также проводят линии, определяющие границы предельно допустимой приведенной погрешности, соответствующей классу точности поверяемого прибора.

На основании анализа данных об основной погрешности и вариации показаний делают вывод о соответствии указанных характеристик требованиям, определяемым классом точности поверяемого прибора.

3. Определение амплитудно-частотной характеристики АЧХ вольтметра переменного тока проводят по схеме, представленной на рис. 1.1.

В качестве источника питания используется генератор переменного тока, работающего в режиме синусоидальных колебаний.

Предварительно установить указатель вольтметра на оцифрованную отметку в диапазоне (0,5 0.8) от выбранного предела измерений. Затем, не меняя выходного напряжения генератора, уменьшить его частоту до нескольких герц (2…5 Гц). При этом будут наблюдаться колебания указателя. Увеличивая плавно частоту входного напряжения определить ее минимальное значение, при котором колебания прекращаются.

Далее увеличивая частоту входного напряжения до 10 - 20 кГц, снять зависимость показания поверяемого вольтметра от частоты.

При этом следует предварительно определить, при какой приблизительно частоте изменения показаний вольтметра будут заметными. До этой частоты достаточно снять показания в 3…4 точках (в том числе на частоте 50 Гц), а после нее - не менее, чем в 5…7 точках.

Результаты эксперимента и расчётов заносят в таблицу, где f - устанавливаемые частоты, U(f)- показания поверяемого прибора на соответствующих частотах, K(f) = U(f) / U(f =50 Гц) - относительные значения АЧХ.

f, Гц	f1	……..	50	……	fm
U, B		……..		……..
K(f)		……..	1	……..

По полученным данным построить АЧХ вольтметра и определить нижнюю f_н и верхнюю f_в границы частотного диапазона в соответствии требованиями допустимого спада АЧХ для поверяемого вольтметра.

Дополнительную погрешность вольтметра от изменения частоты определяют на частотах f_min, f_max, соответствующих границам установленного рабочего диапазона, по формулам:

_Д(f_min) =(f_min) - (f_Н), _Д(f_min) = 100_Д(f_min) /Х_N (%),

_Д(f_max) =(f_max) - (f_Н), _Д(f_max) = 100_Д(f_max) /Х_N (%).

Литература

Метрология, стандартизация и сертификация : учебник для студ. высш. учеб. заведений/[Б.Я.Авдеев, В.В.Алексеев, Е.М.Антонюк и др.]; под ред В.В.Алексеева. - М. : Издательский центр «Академия», 2007. стр. 110-115, 121-124.

Работа 2. Электронные аналоговые вольтметры

Цель работы - исследование метрологических характеристик электронных вольтметров

Задание

Ознакомиться с используемой аппаратурой и инструкциями по ее применению. Получить у преподавателя конкретное задание по выполнению работы.

Определить основную погрешность электронного вольтметра на диапазоне измерений, указанном преподавателем. Построить на одном графике зависимости относительной и приведенной погрешностей от показаний электронного вольтметра. Сделать вывод о соответствии поверяемого вольтметра своему классу точности.

Определить амплитудно-частотную характеристику АЧХ электронного вольтметра. Построить график АЧХ и определить рабочую полосу частот вольтметра на уровне затухания АЧХ, определяемом нормативно-технической документацией на поверяемый вольтметр.

Экспериментально оценить АЧХ цифрового вольтметра. Провести сравнительный анализ амплитудно-частотных характеристик электронного, цифрового и электромеханического¹¹ Примечание 1. Результаты исследований по электромеханическим вольтметрам взять из лабораторной работы №1, если она предварительно выполнялась. вольтметров. Построить графики АЧХ исследуемых приборов.

Измерить электронным вольтметром напряжения различной формы (синусоидальной, прямоугольной и треугольной) с одинаковой амплитудой на частотах, лежащих в рабочей полосе частот этого прибора. Объяснить и подтвердить расчетами полученные результаты. Сделать вывод о влиянии формы измеряемого напряжения на показания электронного вольтметра.

Описание и порядок выполнения работы

Используемые приборы

Электронный вольтметр с аналоговым выходом - GVT-417В

Прибор измерительный универсальный с цифровой индикацией - GDM-8135

Генератор гармонических сигналов - SFG-2120

Осциллограф электронный - GOS-620

Описания приборов прилагаются на стенде.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Для выполнения работы применяют схему, представленную на рис. 2.1, где ГС - генератор (синтезатор) сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы ,ЦВ - цифровой вольтметр, ЭВ - электронный вольтметр, ЭЛО - электронно-лучевой осциллограф .

1. Основную погрешность электронного вольтметра определяют методом сличения, т.е. сравнением его показаний с показаниями образцового, в данном случае цифрового вольтметра, при синусоидальном напряжении. Показания образцового вольтметра принимаются за действительные значения напряжения.

Поверку электронного вольтметра GVT-417B проводят при частоте 1кГц на шкалах с верхними пределами 1В или 3В, что обусловлено диапазоном регулирования выходного напряжения используемого генератора.

Поверку проводят для n = (610) отметок шкалы, равномерно распределенных по шкале прибора, при плавном увеличении и уменьшении его показаний

Поверяемые точки напряжения U_п устанавливают на поверяемом электронном вольтметре, а действительные значения напряжений U_{о ув} , U_{о ум} снимают с образцового цифрового вольтметра соответственно при подходе к поверяемой отметке U_п шкалы при увеличении и уменьшении показаний.

Результаты измерений и расчетов представляют в виде таблицы.

Показания поверяемого Электронного вольтметра, Uп , В	Показания образцового цифрового вольтметра	Погрешность:
		абсолютная:	относительная, , %	приведённая, , %	вариация, Н, %
	при увеличении Uо ув , В	при уменьшении Uо ум, В	при увеличении Uув , В	при уменьшении Uум, В
max =……. , Hmax = …….

Абсолютную, относительную, приведенную погрешности и вариацию показаний определяют по формулам, приведенным в лабораторной работе 1 или в [1]; определяют также максимальную приведенную погрешность _max = Мах{|_i|} и максимальную вариацию H_max = Мах{H_i}, полученные в результате эксперимента.

По результатам испытаний и расчетов строят на одном графике зависимости относительной и приведенной погрешностей от показаний электронного вольтметра, = F (U_п), = F (U_п); на графике также проводят линии, определяющие границы предельно допустимой приведенной погрешности, соответствующей классу точности поверяемого прибора.

На основании анализа данных об основной погрешности и вариации показаний делают вывод о соответствии указанных характеристик требованиям, определяемым классом точности поверяемого прибора.

2. Амплитудно-частотную характеристику электронного вольтметра определяют как зависимость показаний вольтметра от частоты входного синусоидального сигнала при постоянном значении его напряжения.

На практике широко используют понятие рабочей полосы частот средства измерений. Под рабочей полосой частот вольтметра понимают диапазон частот f, для которого неравномерность АЧХ вольтметра не превосходит некоторой заранее установленной допустимой величины. Так, для электронного вольтметра GVT-417B в пределах рабочей полосы допускается не более чем 10-ти процентное изменение показаний прибора от показания на частоте f₀ = 1КГц.

Крайние значения диапазона частот, удовлетворяющего указанному требованию, называются нижней f_Н и верхней f_В граничными частотами рабочей полосы электронного вольтметра.

Определение АЧХ проводят также по схеме, представленной на рис. 2.1. В качестве источника сигналов используют генератор SFG-2120, который обеспечивает постоянство амплитуды выходного сигнала при изменении частоты в его рабочем диапазоне.

Предварительно на генераторе ГС устанавливают частоту f₀=1кГц при синусоидальной форме сигнала. С помощью регулятора выходного напряжения генератора ГС устанавливают показание электронного вольтметра на отметке шкалы в диапазоне (0.7-0.9) от верхнего предела измерений и записывают установленное значение напряжения U_П(f₀=1кГц) = … .

В дальнейшем при определении АЧХ изменяют только частоту генератора сигналов ГС, а напряжение, снимаемое с генератора, не изменяют.

Для контроля уровня сигнала и его формы используют электронно-лучевой осциллограф. На экране осциллографа, путем выбора коэффициентов (VOLTS/DIV) отклонения и коэффициентов (TIME/DIV) развертки, получают удобную для наблюдений и измерений осциллограмму - изображение нескольких периодов синусоиды с достаточно большой амплитудой; записывают амплитуду l_А (или l_2А - двойную амплитуду) изображения сигнала для последующего контроля уровня сигнала.

АЧХ удобно определять отдельно для области верхних и области нижних частот.

В области верхних частот АЧХ начинают снимать с шагом 100 кГц: 1 кГц (начальная частота), 100 кГц, 200 кГц, … до частоты, при которой показания электронного вольтметра упадут до величины порядка 0,8-0,9 от первоначально установленного показания U_П(f₀=1кГц). Для уточнения верхней частоты f_в рабочей полосы частот f электронного вольтметра в районе 10-ти процентного спада АЧХ необходимо дополнительно снять несколько точек АЧХ с меньшим шагом изменения частоты входного сигнала.

В процессе проведения испытаний постоянный уровень выходного сигнала ГС контролируют электронным осциллографом.

Результаты испытаний и расчетов записать в таблицу:

область верхних частот
f, КГц	1	100	200	………………..
Электронн. вольтметр	UП (f), В
	K(f)	1
Цифровой вольтметр	UП (f), В
	K(f)	1

Для ЭВ f_В = … для ЦВ f_В = …

где U_П(f) - показания вольтметра на частоте f ; K(f) = U_П(f) /U_П(f_о = 1 кГц) - АЧХ вольтметра, представленная в относительных единицах для соответствующих частот, f_в - верхняя граничная частота рабочей полосы вольтметра, найденная в эксперименте.

При выполнении задания аналогичным образом при тех же частотах оценивается АЧХ цифрового вольтметра. Результаты испытаний заносятся в ту же таблицу. Поскольку в данной работе требуется сравнить рабочие полосы частот электронного и цифрового вольтметров в качественном смысле, не обязательно уточнять АЧХ цифрового вольтметра в дополнительных точках по частоте. При этом значения граничных частот цифрового вольтметра будут определены с меньшей точностью.

Нижняя граничная частота f_н рабочей полосы f для электронных вольтметров переменного тока обычно находится в области единиц и первых десятков Гц. Поэтому процедура определения АЧХ в области нижних частот может быть следующей: сначала уменьшают частоту от исходной f₀ =1000Гц через 200Гц, а затем от 50Гц - через 10Гц. При необходимости уточняют нижнюю частоту f _н рабочей полосы, при которой АЧХ падает до уровня 0.9 от ее значения при f₀ =1000Гц, снятием дополнительных точек с шагом 1Гц.

Оценка АЧХ цифрового вольтметра проводится при тех же частотах.

Результаты испытаний и расчетов представляют в виде таблицы:

Область нижних частот
f, Гц	1000	800	…..	50	40	…..	10	8	…..
Электронн. вольтметр	UП (f), В
	K(f)	1
Цифровой вольтметр	UП (f) , В
	K(f)	1

Для ЭВ f_н = …Гц, для ЦВ f_н = …Гц.

По результатам проведенных исследований строятся графики АЧХ для верхних и нижних частот. По оси частот графики удобно строить в логарифмическом масштабе.

3. Определение влияния формы входного сигнала на показания вольтметров переменного тока.

В электронных вольтметрах переменного тока применяют преобразователи Пр переменного напряжения в постоянное, как, например, показано на рис. 2.2, где: u_вх(t) - входное напряжение, У - усилитель переменного тока, ИМ - магнитоэлектрический измерительный механизм, - угол отклонения измерительного механизма.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Используют преобразователи амплитудного, средневыпрямленного или действующего значений переменного напряжения в постоянное. В то же время все электронные вольтметры переменного тока, не зависимо от вида преобразователя, градуируются в действующих значениях синусоидального напряжения. Это может привести к появлению дополнительных погрешностей при измерении несинусоидальных напряжений.

Электронный вольтметр GVT-417B имеет преобразователь средневыпрямленного значения. Для таких вольтметров угол отклонения указателя пропорционален средневыпрямленному значению U_ср входного напряжения

,

где: k_V - коэффициент преобразования вольтметра, u_вх(t) - входное переменное напряжение с периодом Т.

Показания U_п вольтметра градуируются в действующих U значениях синусоидального напряжения

,

где: k_Ф = U/U_СР - коэффициент формы напряжения, для синусоидального напряжения k_Ф = 1,11. Следовательно, для другой формы напряжения (k_Ф ? 1,11) показания вольтметра могут значительно отличаться от его действующего значения, что приводит к появлению дополнительной погрешности результата измерений.

В таких случаях искомые напряжения при известной форме сигналов можно находить расчетным путем.

Исходя из принципа действия вольтметра и принятой градуировки можно по показаниям U_П прибора определить средневыпрямленное значение любого (в пределах АЧХ вольтметра) измеряемого напряжения

U_СР = U_П/1,11.

Действующее значение U несинусоидального напряжения может быть определено только в том случае, когда известен коэффициент k_Ф формы кривой напряжения, k_Ф= U/ U_СР (или известна форма сигнала, по которой может быть определен этот коэффициент)

U= k_Ф U_СР.

Численные значения коэффициентов формы для некоторых сигналов представлены в таблице.

Коэффициенты kФ формы для сигналов
синусоидального	прямоугольного	треугольного
21/2/41,11	1	2/31/21,15

Для экспериментальной оценки влияния формы напряжения на показания электронного вольтметра последовательно измеряют сигналы синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы при их одинаковой амплитуде.

Предварительно на синусоидальном сигнале устанавливают показания вольтметров в диапазоне 0.5 - 0.6 от верхнего предела измерений выбранной шкалы при номинальной частоте f_н=1 кГц, а затем при той же амплитуде входных сигналов измеряют вольтметром напряжения при других формах сигнала. Формы сигналов (синусоидальная , треугольная , прямоугольная) устанавливается нажатием на клавишу “Wave” на генераторе.

По показаниям U_П вольтметра определяют среднее U_СР и действующее U значения напряжений для всех форм сигналов.

Для оценки влияния формы напряжения на показания электронного вольтметра с преобразователем средневыпрямленного напряжения определяют дополнительную относительную погрешность (в процентах)

=100(U_П- U)/ U.

Результаты измерений и расчетов записывают в таблицу.

Форма сигналов	синусоидальная	прямоугольная	треугольная
UП (показания вольтметра), В
UСР (расчет), В
U (расчет), В
, %

Следует заметить, что дополнительная погрешность войдет в результат измерений, если действующие значения напряжений несинусоидальной формы определять непосредственно по показаниям вольтметра без учета формы сигнала и проведения соответствующих расчетов.

По результатам исследований сделать вывод о влиянии формы кривой напряжения на результаты его измерения электронным вольтметром.

Литература

Метрология, стандартизация и сертификация : учебник для студ. высш. учеб. заведений/[Б.Я.Авдеев, В.В.Алексеев, Е.М.Антонюк и др.]; под ред В.В.Алексеева. - М. : Издательский центр «Академия», 2007. стр. 136-140.

Работа 3. Цифровые измерительные приборы

Цель работы- изучение методов экспериментального определения метрологических характеристик цифровых приборов, а также их применение для измерения физических величин и оценка погрешностей результатов измерений.

Задание

1. Ознакомиться с инструкцией по применению исследуемого цифрового измерительного прибора ЦИП.

2. Определить шаг квантования (квант) исследуемого ЦИП в режиме омметра для различных (по указанию преподавателя) пределов измерения.

3. Экспериментально определить следующие метрологические характеристики цифрового измерительного прибора в режиме омметра:

- статическую характеристику преобразования; построить график зависимости показания R_П прибора от значений R измеряемых сопротивлений R_П = F(R);

- погрешности квантования для начального участка статической характеристики преобразования; построить график погрешности квантования;

- инструментальную погрешность по всему диапазону измерений для выбранного предела измерений; построить график инструментальной погрешности, определить аддитивную и мультипликативные составляющие инструментальной погрешности.

4. Измерить сопротивления ряда резисторов и оценить основную погрешность результатов измерения.

Описание и порядок выполнения работы

В ЦИП результаты измерений представлены в цифровом виде; при этом, в отличие от аналоговых приборов, показания ЦИП меняются дискретно на единицу младшего разряда. Это приводит к ряду особенностей определения и представления метрологических характеристик цифровых измерительных приборов.

К основным метрологическими характеристиками ЦИП относятся: статическая характеристика преобразования, шаг квантования (квант) или единица младшего разряда показаний, основная инструментальная погрешность.

Статическая характеристика преобразования устанавливает связь между преобразуемой величиной Х и показанием ЦИП, которое может принимать только квантованные значения Х_П = Nq, где N - десятичное целое число, q - шаг квантования (квант) величины Х. В этом отличие ЦИП от аналоговых средств измерений. Отсюда следует ступенчатая форма представления статической характеристики преобразования.

Статическая характеристика преобразования идеального ЦИП (рис.3.1) получается при квантовании измеряемой величины путем отождествления её с ближайшим по значению уровнем квантования. Изменения показаний идеального ЦИП на единицу младшего разряда q происходят при фиксированных значениях входной величины равных (N - 0.5)q, где N = 1, 2, 3 …. (целое число).

Статическая характеристика преобразования идеального ЦИП определяется значением единицы младшего разряда показаний (используется также термин разрешение), равным кванту q.

Значение кванта q для идеального ЦИП связано с пределом измерений Х_max и максимальным числом N_max уровней квантования соотношением:

q = Х_max / N_max.

Например, для прибора GDM-8135

q = X_макс /(210ⁿ),

где X_макс - предел измерения, n - число разрядов отсчётного устройства.

Статическая характеристика преобразования реального ЦИП отличается от идеальной. Причина этого - наличие инструментальных погрешностей ЦИП. Различие проявляется в том, что смена показаний ЦИП происходит при значениях входной величины Х_N, отличных от значений (N - 0.5)q.

В общем случае абсолютная основная погрешность ЦИП равна

X = Х_П - Х,

где Х_П - показание ЦИП, Х - действительное значение измеряемой величины.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Для реального ЦИП эта погрешность включает как методическую погрешность квантования, так и инструментальную погрешность. Абсолютная инструментальная погрешность определяется для конкретных показаний Х_П = Nq (рис. 3.1) по отличию реальной характеристики ЦИП от идеальной

X_иN = Х_П - 0,5q - Х_N , (3.1)

где Х_N - значение входной величины, при котором происходит смена показаний ЦИП (показания Х_П меняются на единицу младшего разряда).

Для экспериментального определения статической характеристики ЦИП в режиме омметра необходимо подключить к его входу магазин сопротивлений. Предел измерения ЦИП выбрать по указанию преподавателя, определить для этого предела значение единицы младшего разряда q. Определить единицу младшего разряда магазина q_м, проверить выполнение условия q >> q_м, при этом условии можно пренебречь дискретным характером изменения сопротивления магазина.

Для определения начального участка статической характеристики (рис. 3.1) установить нулевое значение сопротивления магазина R, затем при плавном изменении сопротивления магазина (менять сопротивление магазина с минимально возможным шагом) следить за изменением показаний, фиксируя при этом значения сопротивления магазина R, при которых показание ЦИП R_П меняется на единицу младшего разряда.

Например, на пределе 2 кОм при появлении показаний R_П = 0,001; 0,002; 0,003…… кОм (всего 8-9 значений) фиксировать соответствующие значения сопротивлений магазина R. Результаты измерений записать в таблицу.

№	RП, кОм	R, кОм
1
2
…

По этим значениям построить начальный участок графика статической характеристики ЦИП в режиме омметра R_П = F(R) и график абсолютной основной погрешности ДR(R) = F(R) - F_И(R), где F_И(R) - характеристика идеального (без квантования) омметра в виде прямой линии R_П = R.

Абсолютную инструментальную погрешность определяют для 8-10 точек равномерно распределенных по выбранному диапазону измерений. Инструментальная погрешность определяется по формуле (3.1), при этом RN - значение сопротивления магазина, при котором происходит смена показаний ЦИП на единицу младшего разряда в выбранной точке, например, на пределе 2 кОм, со значения 1,435 кОм на значение 1,436 кОм.

Результаты измерений и расчетов занести в таблицу

№	RП, кОм	RN, кОм	RиN, кОм
1
2
…

Определение аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности. В зависимости от характера изменения по диапазону измерения погрешности делятся на аддитивные и мультипликативные. Аддитивные погрешности не зависят от значения измеряемой величины X, мультипликативные растут с увеличением X. Обычно для ЦИП погрешность задается в виде модели X = a +bX, где a и bX - соответственно аддитивная и мультипликативная составляющие погрешности.

Постройте график зависимости RиN = F(RN) для выбранного диапазона ЦИП. По графику определите аддитивную и мультипликативную составляющие погрешности ЦИП.

Измерение сопротивлений. Измерьте по заданию преподавателя сопротивления резисторов, вмонтированных в лабораторный стенд, при различных диапазонах измерения ЦИП.

Оцените основную погрешность измерения по формулам, приведенным в описании GDM-8135.

Результаты представьте в таблице

№ резистора	Диапазон измерения:	Значение кванта для диапазона измерения, Ом:	Показания ЦИП R, кОм:	Абсолютная погрешность измерения R, кОм:	Относительная погрешность измерения, %:	Результат измерения R ± R, кОм:
1
2
…

Сделайте выводы о характере изменения погрешности в зависимости от соотношения значений измеряемой величины и диапазона измерения, дайте рекомендации по выбору предела измерения.

Работа 4. Электронно-лучевой осциллограф

Цель работы: исследование характеристик осциллографа и измерение амплитудных и временных параметров электрических сигналов различной формы.

Задание

Ознакомиться с органами управления осциллографа и аппаратуры, применяемой для его исследования

Определить основные погрешности коэффициентов отклонения и коэффициентов развёртки.

Определить характеристики нелинейных искажений изображения по осям Y и X.

Определить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ)-канала вертикального отклонения.

Измерить амплитудные и временные параметры сигналов по указанию преподавателя.

Оценить погрешности измерений, используя результаты исследования характеристик осциллографа и его метрологические характеристики.

Описание и порядок выполнения работы

Включить осциллограф и подготовить его к работе согласно инструкции. При включении осциллографа на его экране должно появиться изображение луча или двух лучей в зависимости от режима его работы (включен один канал или включены два канала); при «заземленных» входах осциллографа (переключатель AC-DC-GND установлен в положении GND) на экране должны наблюдаться соответственно одна или две горизонтальные линии.

При отсутствии изображения необходимо установить ручки управления яркостью (INTER) и фокусом (FOCUS) в среднее положение и убедится, что включен автоколебательный режим работы генератора развертки (переключатель MODE установлен в положении AUTO). Затем регулировкой смещения лучей по вертикали (POSITION ¦) и горизонтали (POSITION ) добиться появления их на экране. После этого сфокусировать изображение и установить необходимую для наблюдения яркость.

Для начальной установки лучей при «заземленных» входах (переключатель AC-DC-GND в положение GND) совместить (POSITION ¦) изображение каждого луча со средней линией сетки на экране и установить (POSITION ) начало развертки луча у левого края экрана, отступив на 0.5-1 деления сетки от края.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Схема испытания осциллографа приведена на рис. 4.1, где: ЭЛО - электронно-лучевой осциллограф GOS-620, ГС - генератор сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы SPG-2120, V - электронный вольтметр GVT-417B; используемые средства соединены в соответствии со схемой коаксиальными кабелями.

Основные погрешности коэффициентов k_o отклонений и коэффициентов k_p развёртки определяются путем сравнения номинальных значений коэффициентов, устанавливаемых на осциллографе (переключателями VOLTS/DIV и TIME/DIV), с их действительными (реальными) значениями, найденными экспериментально.

Погрешности коэффициентов отклонения определяют при номинальных значениях k₀: 0,1; 0.5; 1 (В/дел.). Для этого на вход 1 канала вертикального отклонения с ГС подают синусоидальный сигнал частотой 1 кГц и устанавливают такое его напряжение, при котором размер изображения двойной амплитуды L_2A синусоиды составлял бы 6 (больших) делений сетки (для осциллографа GOS-620). Напряжение, необходимое для получения такого изображения, измеряют электронным вольтметром. Коэффициент k_p развёртки в этом эксперименте может быть любым, при котором удобно наблюдать синусоидальный сигнал и измерять его амплитуду

Результаты измерений записать в таблицу вида:

Коэффициент Отклонения В/дел	L2A Дел.	U2A В
0.1
0.5
1

Действительный коэффициент k₀^* отклонений определяется выражением:

k₀^*=U_2А/L_2А [В/дел.],

где U_2А - напряжение, равное двойной амплитуде, рассчитываемое на основании показаний вольтметра; напомним, что электронный вольтметр измеряет действующее значение синусоидального напряжения; L_2А - размер изображения двойной амплитуды сигнала.

Относительная погрешность коэффициента отклонения

% ,

где k₀ - установленный номинальный коэффициент отклонения.

Оценка погрешностей коэффициентов k_р развертки проводится также для 1-2 его номинальных значений. При этом коэффициент k₀ отклонений устанавливается удобным для наблюдений сигналов на экране.

Для определения действительного значения коэффициента развертки на вход осциллографа подается сигнал прямоугольной (можно и синусоидальной) формы ) с известным периодом Т. При установленном коэффициенте развертки k_р изменением частоты f генератора сигналов ГС добиваются изображения n = (5-10) целых периодов входного сигнала. На экране осциллографа определяют размер L_nT изображения n целых периодов, выраженный в делениях шкалы. Действительный коэффициент развертки определяется выражением:

,

где f и Т - частота и период входного сигнала, при котором на экране осциллографа наблюдались n его целых периодов.

Относительная погрешность коэффициента развертки

% ,

где k_р - установленный номинальный коэффициент развертки. Примечание. При установке номинальных коэффициентов развертки необходимо следить, чтобы ручка плавной регулировки этих коэффициентов находилась в крайнем правом (по часовой стрелке) положении.



Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Определение характеристик нелинейных искажений изображения. Эффекты искажения формы сигнала, вызванные нелинейностью функций преобразования напряжений и интервалов времени в соответствующие им размеры изображения сигналов на экране осциллографа, характеризуют максимальной нелинейностью амплитудной характеристики канала и максимальной нелинейностью развёртки. Оценить оба параметра можно с помощью сигнала прямоугольной формы скважностью q=0.5. Для этого следует установить такое значение амплитуды сигнала, чтобы размер изображения по оси Y в центре экрана занимал не менее 6 делений. Установить частоту генератора, при которой по оси Х полностью разместились бы 5 полупериодов сигнала (точную установку размера можно обеспечить изменением частоты генератора сигналов или регулятором плавного изменения коэффициента развёртки осциллографа). Вариант наблюдаемой осциллограммы представлен рис. 4.2.

Нелинейность амплитудной характеристики канала вертикального отклонения оценивают отношением

%,

где max(L_Y1, L_Y2) - максимальный из двух крайних размеров изображения амплитуды сигнала по вертикали, в делениях, L_Y - размер амплитуды в центре экрана.

Нелинейность развёртки определяют отношением

%,

где max (L_Х1, L_Х2) - максимальный из крайних размеров изображений полупериодов сигнала, L_Х - размер изображения полупериода в центре экрана

Определение амплитудно-частотной характеристики АЧХ канала вертикального отклонения. АЧХ канала вертикального отклонения определяют как зависимость размера L_y изображения по оси Y амплитуды синусоидального сигнала на экране ЭЛТ от его частоты при неизменном напряжении сигнала на входе канала.

Рабочей полосой пропускания канала считают диапазон частот f, для которого неравномерность АЧХ не превосходит некоторой заранее установленной величины. Например, часто используется величина допустимого спада АЧХ при изменении частоты, равная 3 дБ, что соответствует уменьшению размера изображения сигнала до 0.707 от его значения на некоторой номинальной частоте, определенной для каждого типа осциллографа. Крайние значения диапазона частот, удовлетворяющего указанным требованиям, являются верхней f_В и нижней f_Н граничными частотами рабочей полосы пропускания канала осциллографа.

Определение АЧХ проводят также по схеме, представленной на рис. 4.1. В качестве источника сигналов используется генератор SFG-2120, который обеспечивает постоянство амплитуды выходного сигнала при изменении частоты в его рабочем диапазоне. В этом эксперименте электронный вольтметр не является образцовым прибором, поскольку частотный диапазон его уже частотного диапазона осциллографа.

Сначала регулировкой выходного напряжения ГС устанавливают размер L_2А =6 дел. изображения по вертикали двойной амплитуды сигнала на номинальной частоте f_н = 1КГц для осциллографа GOS-620. В дальнейшем при определении АЧХ выходное напряжение генератора не изменяют.

АЧХ удобно определять отдельно для области верхних и области нижних частот. В области верхних частот АЧХ начинают снимать с шагом 2МГц: 1КГц (номинальная частота), 2МГц, 4МГц, … до частоты, при которой амплитуда изображения сигнала упадет до величины порядка 0,5-0,7 от первоначально установленной при f = 1КГц. Для уточнения верхней частоты f _в рабочей полосы частот f осциллографа необходимо в районе предположительного спада АЧХ до 0,707 (3дб) дополнительно снять АЧХ с меньшим шагом изменения частоты входного сигнала.¹¹ Примечание. Поскольку верхняя частота f _в полосы пропускания осциллографа соизмерима с максимальной. частотой генератора, то в случае, если не достигается требуемого спада АЧХ осциллографа, принять для данного эксперимента за верхнюю частоту f _в максимальную частоту генератора с указанием уровня спада АЧХ. Результаты испытаний записать в таблицу,

Область верхних частот
f, МГц	0,001	2	4	………………..
L2A(f), дел.
K(f)
k0 = …..В/дел	fв = ….. МГц

где L_2А(f) - размер изображения сигнала на частоте f, K(f) - АЧХ, представленная в относительных единицах для соответствующих частот f , K(f) = L_2А(f) / L_2А(f_оп ), k₀ - коэффициент отклонений, при котором проводился эксперимент, f_в- верхняя граничная частота рабочей полосы пропускания канала, найденная в эксперименте.

В области нижних частот АЧХ определяют отдельно для закрытого (AC) и открытого (DC) входов канала вертикального отклонения. Поскольку нижняя частота f_н рабочей полосы частот f для закрытого входа у осциллографов обычно находится в области единиц и первых десятков Гц, процедура определения АЧХ для закрытого входа может быть следующей: сначала уменьшают частоту от опорной (1000Гц) через 200Гц, а затем от 50Гц - через 10Гц. При необходимости можно уточнить нижнюю частоту f _н рабочей полосы, при которой АЧХ падает до 0.707, снятием дополнительных точек при уменьшении частоты с шагом 1Гц.

Определение АЧХ для открытого входа проводится при тех же частотах.

Результаты испытаний представляют в таблицу.

Область нижних частот
f, Гц	1000	800	…..	50	40	……	9	8	….
L2A(f), закр. вх., дел.
K(f), закр. вх
L2A(f), откр. вх., дел.
K(f), откр. вх
	k0 = …В/дел	для закрытого входа fн = …Гц	для открытого входа fн = …Гц

По результатам проведенных исследований строятся графики АЧХ для верхних и нижних частот. По оси частот графики удобно строить в логарифмическом масштабе

Применение осциллографа для измерения параметров сигналов. Объекты измерений задаются преподавателем. Измеряемые сигналы подаются с помощью коаксиального кабеля на второй вход (CH 2) осциллографа и устанавливается необходимый режим работы для визуального наблюдения сигналов (переключатель MODE находится в положение CH2; регуляторы POSITION «¦ , » в положениях, обеспечивающих наблюдение луча по второму каналу; режим синхронизации: AUTO или NORM, CH2, LEVEL в положении, обеспечивающим устойчивую синхронизацию). Для измерения параметров сигналов коэффициенты развертки и отклонения канала вертикального отклонения устанавливают такими, чтобы на экране ЭЛТ появилось изображение одного - двух периодов исследуемого сигнала с достаточно большой для измерения амплитудой.

Амплитуду сигнала (в вольтах) определяют из соотношения

U = k_о L_А ,

где k_о коэффициент отклонения, В/дел., L_А размер амплитуды, в делениях,

Относительная погрешность _А измерения амплитуды

_А = _kо + _НА + _ВА ,

где _kо относительная погрешность коэффициента отклонения, _НА относительная погрешность нелинейности вертикального отклонения, _ВА относительная визуальная погрешность. Погрешности _kо и _НА (а также _kр, _НР, см. ниже) выбираются из полученных при исследовании или, если они не определялись, из технических характеристик осциллографа.

Визуальную погрешность (в процентах) находят из соотношения

_ВА = 100( b / L_А )% ,

где: L_А размер изображения амплитуды, в делениях, b абсолютная погрешность оценки L_А, зависящая от толщины линии изображения сигнала на экране (фокусировки) и от субъективной погрешности отсчитывания L_А; часто b принимают равной толщине линии изображения сигнала на экране луча, в делениях.

Длительность временных параметров (периода, длительности импульса и т.п.) сигнала вычисляют по формуле

t _Т = k _р L_T ,

где k_р коэффициента развертки, С / дел., L_T размера измеряемого параметра, в делениях, на изображении сигнала по оси X.

Относительная погрешность _Т измерения временных параметров

_Т = _kр + _НР + _ВД ,

где _kр погрешность коэффициента развертки, _НР погрешность нелинейности развертки, _ВД визуальная погрешность измерения длительности.

Погрешность _ВД (в процентах) можно найти из формулы

_ВД = 100(b / L_T) ,

где L_T размера измеряемого параметра по горизонтали, b абсолютная погрешность оценки L_Т (см. выше оценку _ВА).

Литература

Метрология, стандартизация и сертификация : учебник для студ. высш. учеб. заведений/[Б.Я.Авдеев, В.В.Алексеев, Е.М.Антонюк и др.]; под ред В.В.Алексеева. - М. : Издательский центр «Академия», 2007 ,стр. 146-154.

Работа 5. Прямые и косвенные однократные и многократные измерения

Цель работы - ознакомление с методами обработки результатов наблюдений при прямых, косвенных и совместных измерениях; оценка результата измерений и его погрешности при однократных и многократных измерениях.

Задание

1. Ознакомиться с лабораторным стендом и сменным модулем «Прямые, косвенные и совместные измерения», включающими объекты испытаний и вспомогательные устройства, предназначенные для выполнения лабораторной работы.

2. Прямые однократные измерения. Измерить напряжение на выходе резистивного делителя (по указанию преподавателя). Результат однократного измерения напряжения записать в виде Ux = U ± ДU,

3. Косвенные однократные измерения. Измерить ток I_x, протекающий через резистивный делитель, путем прямого однократного измерения напряжения на образцовом сопротивлении. Результат однократного измерения тока записать в виде I_x = I ± ДI,.

Измерить мощность P_mx Примечание 1. В обозначение мощности «Р» искусственно введен индекс «m» c целью отличия от такого же общепринятого обозначения вероятности Р., выделяемую на участке резистивного делителя с помощью цифрового вольтметра и образцового резистора известного сопротивления. Результат однократного измерения мощности записать в виде

P_mx = P_m ± ДP_m.

4. Прямые многократные измерения Примечание 2. Для иллюстрации достоинств многократных измерений эксперименты п.п. 4 и 5 по указанию преподавателя могут быть проведены дважды: при небольшом числе измерений (5 - 7) и числе измерений 20 - 25. Число измерений и количество экспериментов задаются преподавателем..Измерить несколько раз (по указанию преподавателя) напряжение, указанное в п. 2, при наличии относительно больших случайных погрешностей. Обработать полученные данные и результат измерения напряжения записать в виде: