Контрольная работа по "Метрологии и Измерениям"

     

В соответствии с выражением (1) сдвиг получается при частоте, отвечающей условию:

Произведение (постоянная времени) RC получаем частоту генерации:

Подставляем (2) в (1), получим:

В стационарном режиме модуль коэффициента передачи усилителя должен быть равен (баланс амплитуд):

Условием самовозбуждения  является неравенство  .

В подобном RC-автогенераторе можно использовать цепочку, составленную из трёх «дифференцирующих» RC-звеньев. В этом случае частота генерации равна:

а модуль коэффициента передачи усилителя, обеспечивающий баланс амплитуд, не изменяется:

 

2. Типовая функциональная  схема генератора сигналов изображена  на рис.3. Генератор состоит из  блока ВЧ, автогенератора ВЧ, генератора звуковой частоты (ЗЧ) с НЧ автогенератором, системы контроля и управления и блока питания. Блок ВЧ заключает в себя задающий генератор и блок усилителей, состоящий из усилителей основного и вспомогательного каналов, модулятора системы стабилизации и регулирования выходного напряжения. Первый широкополосный усилитель обеспечивает получение вспомогательного сигнала напряжением 1 В.

 

 

 

Рисунок 3. – Функциональная схема измерительного

низкочастотного генератора.

 

Система установки коэффициента модуляции состоит из ВЧ-модулятора и НЧ части формирования калиброванного модулирующего сигнала. Модулятор представляет собой широкополосный усилитель с нелинейной передаточной характеристикой. На входе его суммируется большой модулирующий сигнал и ВЧ-сигнал с значительно меньшей амплитудой. Модулирующий сигнал перемещает рабочую точку усилителя по нелинейной характеристике на участки с различной крутизной, изменяя коэффициент передачи каскада. Выходной сигнал после фильтрации модулирующей частоты оказывается модулированным по амплитуде. Глубина модуляции полученного сигнала не зависит от напряжения несущей, а определяется параметрами модулятора и амплитудой модулирующего сигнала. Это обстоятельство позволяет вести регулировку и отсчёт коэффициента модуляции, изменяя и измеряя величину напряжения звуковой частоты. Модулирующее напряжение формируется встроенным генератором ЗЧ (обычно 1 кГц) либо в режиме внешней модуляции, поступает от внешнего источника. Выбор режима модуляции осуществляется с помощью переключателя S1. Регулирование и отсчёт величины модулирующего сигнала, необходимой для получения требуемой глубины модуляции, производится двумя ступенями: сначала устанавливается определённое опорное значение модулирующего сигнала по индикаторному прибору PVI, затем оно делится ступенчатым аттенюатором НЧ.

Система обеспечения  и регулирования выходных сигналов состоит из двух широкополосных усилителей, аттенюатора, детектора ВЧ-колебаний и дифференциального УПТ с регулируемым опорным напряжением. Первый широкополосный усилитель обеспечивает получение вспомогательного немодулированного сигнала с напряжением 1В. Второй широкополосный усилитель усиливает модулированный сигнал. Выходной сигнал основного канала в режиме непрерывной генерации 0,5В. При модуляции, в режиме пика модуляция напряжения на выходе основного канала возрастает до 1В.

Стабилизация уровня выходного сигнала осуществляется следующим образом. Выходной сигнал основного канала выпрямляется первым детектором и поступает на один из выходов дифференциального УПТ. На второй вход этого усилителя поступает сигнал от регулятора опорного напряжения. Если напряжение на выходе  детектора отличается  от опорного, то разность напряжений усиливается в УПТ. Сигнал рассогласования поступает на модулятор и изменяет уровень выходного сигнала. При постоянном опорном напряжении схема обеспечивает стабилизацию выходного уровня сигнала. Изменяем величины опорного напряжения осуществляет также установка уровня выходного напряжения в пределах 10 дБ. Если необходимо изменять уровень в больших пределах, то это делается с помощью ступенчатого аттенюатора ВЧ.

Система индикации обеспечивает установку опорного напряжения модулирующего сигнала, контроль наличия напряжения выходного сигнала и контроль напряжения питания.

Как ясно из рис.3 и описания принципа действия прибора, генератор ВЧ является сложным прибором. Существенные трудности конструирования генератора ВЧ вызываются необходимостью получения малых напряжений выходного сигнала (около 1 мкВ). Для этого требуется тщательная экранировка отдельных узлов, обеспечивающих развязку выходных цепей генератора от сравнительно мощных источников колебаний ВЧ.

 

3. Схема установки  представлена на рис.4.

 

Рисунок 4. Схема подключения нагрузки к генератору

 

Рассчитаем уровень  напряжения на выходе аттенюатора:

Уровень мощности определим  по выражению:

Определим теперь уровень  мощности в нагрузке:

Так как нагрузка не согласована, то рассчитаем уровень напряжения на нагрузке.

Зная уровень, определим  значение напряжения на нагрузке:

Ответ:

 

 

 

 

 

 

 

Задача №6

 

Приведите полную структурную схему электронного осциллографа. Объясните принцип получения изображения на экране осциллографа. Нарисуйте осциллограмму, получаемую на экране осциллографа за один период развертки, для 4 случаев Вашего варианта.

Вид развертывающего  напряжения U_x, подаваемого на горизонтально отклоняющие пластины, приведен на рис. 5.

Значение частоты f_y исследуемого синусоидального напряжения, подаваемого на вертикальный вход, и период развёртки T_x – приведены в табл. 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5. Осциллограммы отклоняющих напряжений

 

Таблица 6

 

	Вариант
	7
Частота fy,кГц	4
Tk, мс	0.5
Tпр, мс	0.4
Тобр, мс	0.1

 

Решение:

Структурные схемы осциллографов  могут в некоторых деталях  отличатся одна от другой, однако они  соответствуют обобщённой структурной  схеме, изображённой на рисунке 6. Осциллограф содержит три канала `X Y Z. Канал Y, являющийся каналом вертикального отклонения, содержит аттенюатор, предварительный и оконечный усилители, линию задержки. Линия задержки служит для задержки сигнала, что, как будет показано далее, иногда требуется при измерении импульсных сигналов.

Рисунок 6. Полная структурная  схема осциллографа.

 

Канал Х содержит переключатель  входа, усилитель горизонтального  отклонения, устройство запуска, генератор  развёртки и оконечный усилитель. Через переключатель входа сигнал синхронизации подаётся либо с предварительного усилителя канала Y, либо с входного зажима Х. На вход канала Х может подаваться либо сигнал внешней синхронизации, либо исследуемый сигнал. При работе с генератором развёртки осциллографа переключатель S1и S2 устанавливаются в нижнее положение, сигнал синхронизации поступает на устройство запуска развёртки. Пилообразное напряжение с оконечного усилителя поступает на Х-пластины ЭЛТ. Отключается генератор развёртки при переходе переключателя S1 и S2 в верхнее положение. В этом случае сигнал с входа канала Х через переключатели входа и каскады усилителей поступает на ЭЛТ. Переключатели S3 и S4 служат для отключения отклоняющих пластин от оконечных усилителей. При этом сигналы можно подавать непосредственно на пластины X и Y, минуя соответствующие каналы. Отключение выходных цепей усилителей необходимо для исключения искажений полезного сигнала при его подаче непосредственно на отклоняющие пластины.

Канал Z предназначен для управления яркостью ЭЛТ. Он содержит усилитель-ограничитель и устройство управления яркостью. Сигнал с выхода канала поступает на модулятор ЭЛТ. Для повышения точности измерений параметров сигнала в состав осциллографа включается калибратор амплитуды и длительности. Сигнал калибратора обычно выводится на переднюю, панель осциллографа и с помощью соединительного кабеля может быть подан на вход канала Y.

2.Принцип получения  сигнала изображения заключается  в следующем.

Для получения осциллограммы  исследуемого сигнала необходимо управлять  движением светового пятна на экране ЭЛТ в горизонтальном и  вертикальном направлениях. Смещение пятна в вертикальном направлении осуществляется сигналом, а в горизонтальном – напряжением развёртки. Генератор развёртки вырабатывает колебания пилообразной формы, показанные на рис.7.

Рисунок 7. Напряжение развёртки.

 

На участке ас напряжение u_р  развёртки линейно нарастает. Время Т_пр в течение которого u_р изменяется от минимального значения до максимального, называется временем прямого хода развёртки. Участок cd соответствует обратному ходу развёртки. Время Т_пр и Т_обр составляют период развёртки Т_Р. Если приложить напряжение u_р к горизонтальным отклоняющим пластинам, отключив сигнал от пластин вертикального отклонения, электронный пучок ЭЛТ будет отклоняться только в горизонтальной плоскости. При этом светящееся пятно на экране будет занимать следующее положение. При максимальном отрицательном значении  u_р (точка а на рис.8) святящееся пятно находится в крайнем левом положении (точка а’) на экране.

Рисунок 8. Пилообразная развёртка.

 

При линейном напряжении u_р пятно постепенно переместится в точку b’ после изменения полярности u_р в точку c’. На участке a’c’ скорость движения пятна будет постоянной, так как u_р нарастает по линейному закону и, согласно имеется линейная зависимость между смещением пятна на экране и напряжением приложенным к пластинам. После достижения точки c святящееся пятно начнёт движение в обратном направлении (обратный ход). В исходное состояние луч возвращается за время Т_обр<< Т_пр поэтому скорость движения пятна в обратном направлении значительно выше.

Траектория движения пятна на время обратного хода показана на рис.8 штриховой линей (для наглядности эта линия несколько смещена вниз относительно линии прямого хода). Для получения осциллограммы необходимо, чтобы напряжение u_р, за время обратного хода не имеет принципиального значения. Важно только, чтобы длительность обратного хода минимальным. Таким образом при подаче u_р на горизонтальные Х-пластины, ось Х является одновременно осью времени, причём при постоянной скорости движения святящееся пятна на участке a’c’масштаб вдоль оси t является постоянным. Искажение формы u_р на интервале прямого хода вызывает нелинейность развёртки, проявляющуюся в неравномерной

скорости движения пятна по экрану и в искажении осциллограмм. Неравномерность скорости вызывает неравномерность масштаба вдоль оси х, что затрудняет, как будет показано далее, оценку параметров сигнала.

Образование изображения  на экране ЭЛТ при воздействии  напряжения развёртки u_р и напряжения сигнала (u_с соответственно на Х-и Y-пластины) показано на рис.9.

 

Рисунок 9. Формирование траектории луча

в зависимости от поданных напряжений.

 

При построении осциллограммы  примем, что период пилообразного  напряжения развёртки равен периоду сигнала, а Т_обр=0. Период развёртки условно разделён на четыре равных интервала с границами t₀, t₁, t₂, t₃, t₄. В момент t₀  u_с=0, u_р имеет максимальное отрицательное значение и световое пятно находится в точке а. В момент t₁ напряжение сигнала имеет максимальное положительное значение, а u_p=1/4U_pm, и пятно находится в точке b.

Аналогично можно найти положение точек c, d, и e на экране ЭЛТ. По окончании развёртки световое пятно по прямой линии СА мгновенно возвращается в исходное положение. Направление движения пятна во время прямого и обратного хода показано стрелками. В последующие циклы развёртки осциллограммы получаются так же, причём все её точки совпадут с аналогичными точками осциллограммы, изображённой на рис. 9. Таким образом, оператор видит изображение, образованное наложением на одни и те же места экрана целой серии осциллограмм. Число таких первичных изображений, зафиксированных в зрительном образе, зависит от периода развёртки, длительности послесвечения люминофора и зрительной памяти человека. Наложение осциллограмм с образованием неподвижного изображения возможно при выполнении условия, принятого при построении (см. рис.9.), т. е., когда Т_с=Т_р, периодический сигнал делится на временные интервалы, в пределах которых «отрезки» сигнала полностью идентичны и при наложении осциллограмм образуют неподвижное изображение. Так же образуется изображение осциллограммы, когда Т_р=nT_c. Если n – целое число, то в одном периоде напряжения укладывается ровно n периодов сигнала. Осциллограмма будет отличаться от изображённой на рис. 9 числом периодов сигнала (2,3…), отложенных вдоль оси Х. Выполнение условия Т_р=nT_c требует, чтобы период развёртки Т_р был равен или кратен периоду сигнала.

 

3. Изобразим вид осциллограммы для четырёх случаев развёртки.

Период синусоидального  сигнала равен:

За один период развёртки будет отображаться два периода колебания.

 

Случай «а» (рис. 10 ) – развертка равномерная в течение всего периода колебания, обратного хода нет.

Рисунок 10. Развёртка для случая (а)

 

 

Случай «б» (рис. 11) – развёртка равномерная, в течение прямого хода развёртки разворачивается 0,4 периодов колебания, в течении обратного хода – 0,1 период колебаний.