МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФГБОУ ВПО СЕВЕРО–КАВКАЗСКИЙ ГОРНО– МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФГБОУ ВПО СЕВЕРО–КАВКАЗСКИЙ ГОРНО–
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Факультет электронной техники
Кафедра электронных приборов
А.В. ШИРЯЕВ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО
ДИСЦИПЛИНЕ
«ОСНОВЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И РАДИОИЗМЕРЕНИЙ»
для направления подготовки (специальности)
210100 «Электроника и наноэлектроника»
2013 г.
Пособие содержит описания лабораторных работ, выполняемых при
изучении курса «Основы радиоэлектроники и радиоизмерений». К каждой
работе даются методические указания, порядок выполнения работы,
требования к отчету и приводится перечень контрольных вопросов,
подготовка ответов на которые способствует успешному усвоению
изучаемого материала.
Одобрено методическим советом ФЭТ
Составитель: А.В. Ширяев
Заказ____. Тираж 30 экз. Объем 2,5 п.л.
Издательство СКГТУ «Терек». Подразделение оперативной полиграфии.
362021, г. Владикавказ, ул. Николаева,44.
2
Содержание
стр.
Лабораторная работа №1. Исследование усилителя низкой
частоты на транзисторах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Лабораторная работа №2. Исследование RC – генератора . . . . . . . . 9
Лабораторная работа №3. Исследование мультивибратора . . . . . . . 14
Лабораторная работа №4. Исследование триггера . . . . . . . . . . . . . . . 19
Лабораторная работа №5. Исследование триггера Шмитта . . . . . . . 24
Лабораторная работа №6. Исследование параметрического
стабилизатора напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Лабораторная работа №7. Исследование компенсационного
стабилизатора напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Лабораторная работа №8. Измерение параметров сигнала
с помощью осциллографа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Лабораторная работа №9. Измерение тока и напряжения . . . . . . . . . 42
Лабораторная работа №10. Измерение мощности . . . . . . . . . . . . . . . 54
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3
Лабораторная работа №1
Исследование усилителя низкой частоты на транзисторах
Цель работы – ознакомиться с принципом действия и основными
характеристиками низкочастотного усилителя переменного напряжения с
резистивно – емкостными связями.
Пояснения. Усилители низкой частоты (УНЧ) используются для
усиления электрических сигналов в полосе частот от 20 до 20000Гц.
Рассмотрим параметры транзисторного усилителя напряжения низкой
частоты с резистивно – емкостными связями, схема которого представлена на
рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема УНЧ
Как видно из схемы, связи между источником усиливаемого напряжения
и входом усилителя, между каскадами и между выходом усилителя и
нагрузкой осуществляются цепочками RC. Наличие конденсаторов С1 и С2
позволяет разделить каскады по постоянному току (т.е. режим покоя каждого
каскада не зависит от параметров и режима покоя другого каскада) и
обеспечить связь по переменному. Цепь нагрузки R12 отделена по
постоянному току от выходного каскада конденсатором С3, т.е. напряжение
покоя выходного каскада не создает постоянного тока в нагрузке.
Свойства усилителя, так же как и свойства составляющих его каскадов,
характеризуются следующими показателями: коэффициентами усиления по
напряжению, мощности или току, полосой пропускания, номинальным
выходным напряжением или мощностью, КПД, коэффициентом вносимых
искажений (частотных, фазовых, нелинейных), входным и выходным
сопротивлениями, динамическим диапазоном (амплитудная характеристика) и
собственными помехами.
4
Амплитудная характеристика – это зависимость выходного напряжения
усилителя от уровня входного. По этой характеристике судят о линейности
усилителя, т.е. о постоянстве коэффициента усиления для разных уровней
входного сигнала. Нелинейность транзисторного усилителя обусловлена
зависимостью параметров усилительного элемента (в основном коэффициента
усиления базового тока и входного сопротивления) от режима работы.
Непостоянство коэффициента усиления при изменении уровня входного
напряжения приводит к появлению нелинейных искажений.
Частотная характеристика – это зависимость коэффициента усиления от
частоты усиливаемого сигнала. По этой характеристике судят о постоянстве
коэффициента усиления в рабочей полосе частот входного сигнала. Снижение
коэффициента усиления на низких частотах обусловлено в основном ростом
емкостных сопротивлений разделительных конденсаторов и конденсаторов в
цепях автоматического смещения, а на высоких – уменьшением коэффициента
передачи базового тока, влиянием емкости коллекторного перехода и
паразитных емкостей.
Для низкочастотных усилителей рабочий диапазон частот занимает
полосу от десятков герц до десятков килогерц, а для широкополосных – он
еще более широкий. Поэтому построение частотных характеристик для таких
усилителей в обычном линейном масштабе неудобно и нецелесообразно, так
как, если масштаб по оси частот будет составлять десятки или сотни герц на
единицу длины, для всей характеристики потребуется очень большой размер
графика, а при масштабе единицы или десятки килогерц на единицу длины
будет невозможно проследить ход кривой частотной характеристики в каком –
нибудь узком (но необходимом) диапазоне частот. Поэтому частотные
характеристики усилительных каскадов и многокаскадных усилителей обычно
строят в полулогарифмическом или логарифмическом масштабе. При этом
для любого из этих масштабов по оси абсцисс откладывают числа, равные
десятичным логарифмам от значений частот, т.е. lgf. Масштабным в этом
случае будет отрезок, соответствующий десятикратному изменению частоты
(рисунок 2). Эти равные отрезки (интервалы) между частотами,
отличающимися в 10 раз, называются декадами. На оси частот обычно сверху
указывают числа, соответствующие логарифмам значений частот (или номера
декад), а снизу— значения частот в герцах.
Рисунок 2 – Частотная характеристика усилителя в полулогарифмическом
масштабе
5
Для полулогарифмического масштаба на оси ординат откладывают
натуральные значения коэффициента усиления, а для логарифмического —
значения коэффициента усиления в децибелах, т. е. k = 20lgK, где К =
Uвых!Uвх; Uвх и UВЫХ соответственно входное и выходное напряжения усилителя.
Следует отметить, что построение частотных характеристик в полном
логарифмическом масштабе удобнее, так как, если известны логарифмические
характеристики отдельных каскадов усилителя, его полную логарифмическую
характеристику находят сложением характеристик отдельных звеньев. Кроме
того, уровню усиления в 0 децибел соответствует коэффициент усиления,
ратный 1.
Для улучшения показателей работы усилителя применяют обратные
связи. Передачу части энергии из выходной цепи усилителя па его вход
называют обратной связью. Обратная связь бывает положительной и отрицательной в зависимости от того, совпадают по фазе или находятся в
противофазе входной сигнал и сигнал обратной связи. Если напряжение
обратной связи пропорционально напряжению на нагрузке, имеет место
обратная связь по напряжению, а если напряжение обратной связи
пропорционально току нагрузки – это обратная связь по току. Если на входе
усилителя происходит алгебраическое суммирование входного напряжения и
напряжения обратной связи, – это последовательная обратная связь. При
суммировании на входе усилителя входного тока и тока цепи обратной связи
имеет место параллельная обратная связь.
Наличие обратных связей в усилителе существенно влияет на его
амплитудную и частотную характеристики, а также на значения входного и
выходного сопротивлений. Так, отрицательная обратная связь увеличивает
входное и уменьшает выходное сопротивления, повышает стабильность
коэффициента усиления и расширяет полосу пропускании усилителя, что
является положительным свойством отрицательной обратной связи. В то же
время введение отрицательной обратной связи снижает коэффициент
усиления, что является ее отрицательным свойством. Положительная обратная
связь в усилителях применяется сравнительно редко, но широко используется
при создании разного рода генераторов.
На схеме исследования транзисторного усилителя напряжения низкой
частоты (см. рисунок 1) показан трехкаскадный усилитель с резистивно–
емкостными связями. Емкости конденсаторов С1–С6 имеют такие значения,
что их емкостными сопротивлениями в диапазоне частот от 100 Гц и выше
можно пренебречь, т. е. в этой области частот они не оказывают влияния на
фазовые характеристики усилителя. Последний каскад – эмиттерный
повторитель. Включение цепи обратной связи (C6R6) производится
переключателем П1. Переключатель П2 обеспечивает подключение вольтметра
к входу или выходу усилителя. Входное напряжение подается от генератора
напряжения низкой частоты ГЗ—36. Форму выходного напряжения усилителя
контролируют с помощью осциллографа.
6
Порядок выполнения работы
1. Подключить к исследуемому усилителю (см. рисунок 1) измерительную
аппаратуру и блок питания, установив на его выходе напряжение 12В.
2. Снять амплитудную характеристику усилителя без обратной связи. Для
этого, разомкнув переключатель П1, установив частоту напряжения
генератора, равную 1000Гц, и изменяя выходное напряжение генератора
примерно одинаковыми интервалами от нуля до значения, при котором
появляются искажения на выходе усилителя, измерить и записать в таблицу 1
соответствующие друг другу значения входного и выходного напряжений. По
данным таблицы 1 подсчитать значения коэффициентов усиления по
напряжению и занести в эту же таблицу.
Таблица 1 – Амплитудная характеристика усилителя без обратной связи
Uвх,В
Uвых,В
КU
3. Снять частотную характеристику усилителя без обратной связи. Для чего,
установив и поддерживая выходное напряжение генератора на уровне,
соответствующем максимальному (без искажений) выходному напряжению, и
изменяя частоту генератора от нижнего до верхнего предела, измерить и
записать в таблицу 2 значения входного и выходного напряжений. По данным
таблицы 2 подсчитать значения коэффициентов усиления по напряжению для
разных частот и записать в эту же таблицу.
Таблица 2 – Частотная характеристика усилителя без обратной связи
f, Гц
20
50
100
200
500
1.
103
3.
103
5.
103
10.
103
20.
103
25.
103
Uвх=...В Uвых,В
КU
4. Снять амплитудную характеристику усилителя с отрицательной обратной
связью по напряжению. Характеристику снимают при включенном
переключателе П1. Остальные операции аналогичны указанным в п. 2.
Показания приборов занести в таблицу 3.
Таблица 3 – Амплитудная характеристика усилителя с обратной связью
Uвх,В
Uвых,В
КU
7
5. Снять частотную характеристику усилителя с отрицательной обратной
связью и занести результаты измерений и расчетов в таблицу 4.
Таблица 4 – Частотная характеристика усилителя с обратной связью
f, Гц
20
50
100
200
500
1.
103
3.
103
5.
103
10.
103
20.
103
25.
103
Uвх=...В Uвых,В
КU
По данным таблиц 1– 4 построить характеристики усилителя с обратной
и связью и без обратной связи, причем частотные характеристики построить в
полулогарифмическом масштабе.
Методические указания
1. При выполнении работы используют: VT1 – VT3 – транзисторы КТ361А,
резисторы: R1 = R7 = 12 кОм; R2 = R8 = 4,3 кОм; R3 = R10 = 1,5 кОм; R4 =
520 Ом; R5 = 750 Ом; R9 = R11 = 1,2 кОм; R6 = 10 кОм; R12 = 8,2 кОм;
конденсаторы: С1=С2 = 10 мкФ; С4 = С5 = С6 =50 мкФ; С3 = 1 мкФ,
тумблеры П1, П2 типа ТВ–2 –1; генератор низкой частоты Г3–35 (Г3–36),
электронный осциллограф типа С1 – 49; блок питания Б5 – 47; цифровой
мультиметр G–890; электронный вольтметр В3 – 38.
Содержание отчета
1. Наименование отчета.
2. Название и технические данные использованных измерительных приборов.
3. Схема низкочастотного усилителя, исследованного в работе.
4. Таблицы 1 – 4 с результатами снятия частотных и амплитудных
характеристик.
5. Амплитудные и частотные характеристики исследованного усилителя.
Контрольные вопросы
1. Назовите основные показатели усилителей.
2. Дайте определение коэффициентам усиления по току, по напряжению и по
мощности, какая связь между ними?
3. Какие требования предъявляются к цепям межкаскадной связи в
усилителях?
4. Как создается отрицательная обратная связь в схеме усилителя?
5. Как сказывается на коэффициенте усиления введение отрицательной
обратной связи?
6. Какая характеристика усилителя называется амплитудной и какая
частотной?
7. Что такое динамическая характеристика усилителя?
8
8. Какие элементы схемы влияют на АЧХ усилителя в области нижних
(верхних) частот сигнала?
9. Как определятся полоса пропускания усилителя?
10. Чем вызываются нелинейные искажения в усилителе?
11. Каким параметром характеризуют нелинейные искажения в усилителях?
12. Для чего в исследуемом усилителе используется эмиттерный повторитель?
13. Сравните характеристики усилительных каскадов на биполярных
транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером, общей базой, общим
коллектором.
14. Что такое собственные помехи в усилителях?
Лабораторная работа №2
Исследование RC – генератора
Цель работы – изучение принципа действия двухкаскадного RC –
генератора; определение условий его самовозбуждения и получения
минимальных нелинейных искажений выходного сигнала.
Пояснения. RC – генераторы применяют главным образом для
радиотехнических измерений в диапазонах звуковых и ультразвуковых
частот. На этих частотах они по сравнению с LC –генераторами обладают
существенными преимуществами, поскольку на звуковых частотах элементы
колебательного контура получаются громоздкими (прежде всего катушка
индуктивности) и нестабильными, что определяет низкую стабильность
частоты генерируемого сигнала. Кроме того, в LC – генераторах затруднена,
а в некоторых случаях невозможна перестройка частоты выходного сигнала.
RC – генератор (рисунок 1) состоит из усилителя звуковой частоты с
коэффициентом усиления К и фазовым сдвигом φус и связывающей выход
усилителя с его входом цепи положительной обратной связи с
коэффициентом передачи β и фазовым сдвигом φос.
Рисунок 1 – Функциональная схема генератора
Схема усилителя, как и схема β – цепи, может быть любой, но
неизменным остается общее требование, выполнение которого позволяет
получить синусоидальный выходной сигнал; генерация должна возникать и
поддерживаться на одной единственной частоте, для которой выполняются
условия самовозбуждения К. β = 1 (условие баланса амплитуд) и φус + φос =
=2π (условие баланса фаз). Особенно широко распространены
RC –
генераторы с мостом Вина, показанном на рисунке 2, представляющим
9
Рисунок 2 – Мост Вина
собой четырехплечий мост переменного тока, два плеча которого содержат
частотозависимые элементы, а два других состоят из резисторов. Существует
единственная частота, на которой мост балансируется
f К  1/ (2 С1С 2  R1  R2  ( R3  R4)) .
(1)
На частоте fк коэффициенты передачи левой и правой ветвей моста
одинаковы и равны 1/3, а фазовый сдвиг между подводимым к мосту
выходным напряжением Uвых генератора и его входным напряжением Uвх,
действующим на выходе моста, равен нулю.
При малейшем отклонении частоты сигнала вверх или вниз
относительно частоты fк на выходе моста появляется сигнал с фазовым
сдвигом относительно входного сигнала на ±900. Мост Вина в RC –
генераторах немного расстраивают, увеличивая сопротивление резистора R8
(или уменьшая сопротивление резистора R7). В этом случае напряжение UA
больше напряжения UБ, а входное напряжение усилителя представляет собой
разность Uвх = UA – UБ. Учитывая, что на частоте fк напряжение UA
совпадает по фазе с напряжением Uвых , его используют для создания ПОС
(положительной обратной связи), а несколько меньшее напряжение UБ – для
ООС (отрицательной обратной связи).
В схеме, показанной на рисунке 3, RC – ветвь моста Вина, по которой
Рисунок 3 – Схема RC – генератора с мостом Вина
10
на вход усилителя (базу транзистора VT1) поступает сигнал ПОС, состоит из
конденсатора С1 и С2 и резисторов R1, R2, R3 и R4. Параллельно резистору
R4 по переменному току включен резистор R5, а нижнему плечу RC – ветви
моста Вина – входное сопротивление Rвх.тр транзистора VT1.
Резисторная ветвь, по которой на вход усилителя (эмиттер транзистора
VT1) поступает несколько меньший по амплитуде сигнал ООС, состоит из
резисторов R7 и R8.
Двухкаскадный усилитель выполнен на транзисторах VT1 и VT2,
включенных по схеме ОЭ. Следовательно, полный фазовый сдвиг от базы
транзистора VT1до коллектора транзистора VT2 составляет 3600. Мост Вина
на частоте fк не дает фазового сдвига, поэтому сигнал UA является сигналом
ПОС, а сигнал UБ – сигналом ООС.
В каскад на транзисторе VT2 введена дополнительная внутрикаскадная
ООС, сигнал которой образуется на резисторе R12. Резистор R13 служит
нагрузкой генератора. Конденсаторы С3 и С4 – разделительные. Постоянное
режимное напряжение поступает на базу транзистора VT1 с резистора R4
через резистор R3. Так ослабляют влияние базового делителя на RC – ветвь
моста Вина.
Минимальные нелинейные искажения выходного сигнала получают при
одинаковых номиналах резисторов и конденсаторов RC – ветви моста Вина:
R1 + R2 = R3 + R4R5/(R4+R5) = R; C1 = C2 = C.
В этом случае генератор возбуждается на частоте
fк = 1/(2πRC).
Элементы резисторной ветви моста Вина выбирают в соответствии с
выражением 0,5R8 = (1 + ∆)R7, где ∆ – часть сопротивления, на которую
необходимо увеличить сопротивление резистора R7, чтобы получить
необходимый разбаланс моста. Обычно ∆ = 0,01 ÷ 0,1. Коэффициент
усиления усилителя при ∆ = 0,01 должен превышать 900, а при ∆ = 0,1 –
только 90. Лишь при таких значениях коэффициента усиления напряжения
усилитель превращается в генератор.
Обычно частота RC – генераторов плавно перестраивается в пределах
заданного диапазона, для чего используют сдвоенные переменные резисторы
R2 и R3 или сдвоенный блок конденсаторов переменной емкости С1 и С2, но
в этом случае транзистор VT1 должен быть обязательно полевым.
Достижимый коэффициент нелинейных искажений в рассматриваемом
RC – генераторе при тщательной его регулировки равен 1 – 2%.
Нередко в качестве резистора R8 используют термистор – прибор,
сопротивление которого определяется проходящим током и, следовательно,
рассеиваемой мощностью. При увеличении амплитуды выходного сигнала
генератора ток через резистор R8 увеличивается, а сопротивление
уменьшается, что увеличивает глубину ООС и снижает усиление, так как
коэффициент передачи цепи ООС β = R7/(R7 + R8). Таким образом,
11
нелинейная ООС способствует стабилизации амплитуды выходного сигнала
и одновременно уменьшает коэффициент нелинейных искажений.
Порядок выполнении работы
1. Вычертить таблицы 1 и 2 для записи результатов измерений, расчетов и
режимов по постоянному току.
2. Зарисовать электрическую схему исследуемого генератора (см. рисунок 3)
и собрать схему для измерения характеристик генератора.
Таблица 1 – Результаты измерений и расчетов параметров генератора
Емкость конденсаторов С1 = С2
1000 пФ 0,01мкФ 0,033мкФ 0,1мкФ
Частота генерации, кГц,
1
при R2 = R3, кОм
3
10
Амплитуда неискаженного
1
сигнала, В, при R2 = R3, кОм
3
10
Частота генерации расчетная, 1
кГц, при R2 = R3, кОм
2
10
Таблица 2 – Режимы работы схемы по постоянному току
Гнездо
Х3 Х4 Х5 Х7 Х8
Напряжение,В
Х9
«–Ек»
3. Измерить частоты генерации и максимальные амплитуды неискаженного
сигнала при включении различных элементов схемы, приведенных в таблице
1 и занести результаты в эту таблицу.
4. Рассчитать частоты генерации, пользуясь формулой
(1), занести
результаты расчетов в таблицу 1 и сравнить их с экспериментальными
данными.
5. Снять и зарисовать осциллограммы напряжений в гнездах схемы, измерить
постоянные составляющие напряжений и занести результаты измерений в
таблицу 2.
Методические указания
1. При выполнении работы используют: R1 = 2 кОм; R2 = R3 = 1,3 и 10 кОм,
R4 = 2,4 кОм; R5 = 24 кОм; R6 = 20 кОм; R7 = 1,2 кОм; R8 = 10 и 22 кОм
(оба резистора переменные); R9 = 51 кОм; R11 = 3,9 кОм; R12 = 510 Ом; R13
= 15 кОм; С1= С2 = 1000 пФ, 0,01, 0,033 и 0,1 мкФ; С3 = С4 = 20 мкФ; VT1 и
VT2 – транзисторы КТ361А.
12
2. Подключают схему генератора к источнику питания 12В.
3. Для возбуждения схемы ручку резистора R8 поворачивают по часовой
стрелке до упора, что соответствует его максимальному сопротивлению.
Сначала используют резистор R8 =22 кОм, получая выходное напряжение
генератора, нелинейные искажения которого малозаметны, а затем резистор
R8 = 10 кОм.
4. Для наблюдения формы выходного напряжения вход осциллографа
подключают к гнезду 1, а вывод «┴» – к гнезду Х10.
5. Для измерения частоты генерируемых колебаний вход частотомера «fx»
подключают к гнезду 1, а зажим «┴» – к гнезду Х6.
6. Затем следует убедиться, что уменьшение сопротивление резистора R8 не
только уменьшает амплитуду и нелинейные искажения выходного сигнала,
но и изменяет его частоту. Изменение частоты в этом случае объясняется
тем, что глубина ООС сказывается на входном сопротивлении первого
каскада генератора, которое шунтирует нижнюю часть полосового фильтра
цепи положительной обратной связи.
Содержание отчета
1. Наименование отчета.
2. Схема исследуемого RC – генератора.
3. Формулы, использованные в работе, и значения расчетных и
экспериментально определенных параметров.
4. Таблицы со снятыми характеристиками.
5. Осциллограммы напряжений генератора на гнездах Х3, Х4, Х5, Х7, Х8, Х9.
Контрольные вопросы
1. Каков принцип действия RC – генератора с мостом Вина?
2. Как выполняют условия баланса фаз и амплитуд в исследуемом
генераторе?
3. Чем объяснить, что частота исследуемого генератора близка к избираемой
частоте fк звена обратной связи?
4. Каковы условия возбуждения усилителя?
5. Каков приблизительный коэффициент усиления напряжения усилителя без
обратной связи?
6. Во сколько раз надо изменить сопротивление резисторов R2 и R3, чтобы
частота генерации увеличилась (уменьшилась) в 10 раз?
7. В чем состоит стабилизирующее действие термистора, включенного
вместо резистора R8?
8. Как и почему изменится форма выходного напряжения генератора при
отключении конденсатора С2?
9. Как определяется номинальная выходная мощность генератора при
известном сопротивлении нагрузки?
13
Лабораторная работа №3
Исследование мультивибратора
Цель работы – изучение принципа действия мультивибратора,
работающего в автоколебательном режиме, наблюдение его работы в
режимах синхронизации и деления частоты (рисунок 1).
Рисунок 1 – Схема мультивибратора
Пояснения. Мультивибратор представляет собой импульсный
автогенератор и предназначен для генерации периодической импульсной
последовательности. Форма выходных импульсов мультивибратора близка к
прямоугольной, а скважность находится в пределах от 2 до 20. Для таких
генераторов характерно чередование интервалов времени, когда напряжение
на выводах транзисторов изменяется медленно или не изменяется вовсе, с
моментами лавинообразного и быстрого его изменения – перепадами,
которые на экране осциллографа наблюдаются как разрывы.
Рассмотрим работу мультивибратора в автоколебательном режиме (рис.
2,а – г). Электрическое состояние схемы, соответствующее моменту а, через
определенный промежуток времени повторяется, что свидетельствует об
автоколебательном характере процессов в мультивибраторе.
Рисунок 2 – Эпюры напряжений в мультивибраторе по схеме на рисунке 1
14
В момент а транзистор VT1 открыт (см. рис. 1) насыщен и напряжение
UкVT1 на его коллекторе мало. При этом конденсатор С2 разряжен почти до
нуля, а конденсатор С4 заряжен почти до напряжения Ек источника, причем
его электрод, подключенный к базе транзистора VT1, заряжен положительно.
Транзистор VT2 закрыт, напряжение на его коллекторе близко к напряжению
источника Ек. Напряжение на базе VT2 приближается к нулю.
Сразу же вслед за моментом а напряжение на базе транзистора VT2
становится отрицательным, так как завершается разряд конденсатора С2
через насыщенный транзистор VT1, источник питания Ек и резистор R2.
Появляется ток базы транзистора VT2, он начинает открываться. Напряжение
на его коллекторе уменьшается из – за падения напряжения на резисторе R4,
вследствие чего начинает закрываться транзистор VT1, так как напряжение
на его базе также уменьшается. При этом напряжение на коллекторе
транзистора VT1 увеличивается, что приводит к увеличению напряжения на
базе транзистора VT2 и увеличению его базового тока IБ2, проходящего по
цепи: +Ек
(корпус), эмиттер – база транзистора VT2, параллельно
включенные резисторы R1 и R2. В результате транзистор VT2 переходит в
насыщение и напряжение на его коллекторе уменьшается до UКЭVT2min. К базе
транзистора VT1 через насыщенный транзистор VT2 подключается
заряженный почти до напряжения источника Ек конденсатор С4, и
транзистор VT1 закрывается.
Процесс переключения мультивибратора в новое временно устойчивое
состояние происходит лавинообразно и завершается в момент b (см. рис. 2,
а–г).
В интервале времени bc в схеме происходят следующие процессы:
напряжение на коллекторе транзистора VT1 сначала увеличивается по
экспоненте, так как ток заряда Iз конденсатора С2 создает падение
напряжения на резисторе R1, уменьшающееся по мере заряда, а затем по
окончании заряда коллекторное напряжение транзистора VT1 становится
близким к напряжению источника Ек;
напряжение UКЭVT2min на коллекторе транзистора VT2 мало;
напряжение на базе транзистора VT1 положительное и уменьшается по
экспоненте в соответствии с разрядом конденсатора С4 током Iр по цепи:
+С4, R3, –Ек, +Ек (корпус), насыщенный VT2, –С4;
напряжение на базе транзистора VT2 сначала увеличивается (точка b на
рис. 2,г), а затем уменьшается по экспоненте до уровня, определяемого
током, проходящим через резистор R2. Выброс и экспоненциальный спад
напряжения объясняются тем, что ток заряда конденсатора С2 через переход
эмиттер – база транзистора VT2 сразу же вслед за моментом а близок к току
коллектора транзистора VT1 в режиме насыщения, а затем по мере заряда
конденсатора С2 этот ток уменьшается по экспоненте, при этом
одновременно уменьшается напряжение на
эмиттерном
переходе
транзистора VT2;
по окончании заряда конденсатора С2 ток базы транзистора VT2
определяется сопротивлением резистора R2; этот ток должен быть
достаточным для удержания транзистора VT2 в насыщении.
15
В момент c (см. рис. 2,в) конденсатор С4 разряжается до нуля и
начинается процесс опрокидывания схемы в первое временно устойчивое
состояние. При этом появляются токи базы и коллектора транзистора VT1,
уменьшается напряжение на его коллекторе, он открывается и переходит в
насыщение, а конденсатор С4 заряжается через эмиттерный переход
транзистора VT1. Временно устойчивое состояние длится до момента е (см.
рис. 2,г), пока конденсатор С2 не разрядится до нуля. Таким образом,
электрическое состояние мультивибратора в момент е такое же, как в момент
а, т.е. в схеме происходит автоколебательный процесс. Длительности
импульсов мультивибратора
 È 1  0,7R3C 4;  È 2  0,7R2C 2 ,
а частота и период их следования
f  1/0,7R3C4  R2C2 ,
Т  0,7  R3C 4  R2C 2  .
(1)
(2)
Если номинальные значения времязадающих элементов схемы попарно
одинаковы, т.е. R2 = R3 = R и С2 = С4 = С, мультивибратор становится
симметричным и генерирует импульсы со скважностью 2. Временные
параметры выходного сигнала симметричного мультивибратора определяют
по формулам
 И 1  0, 7 RC; Т  1,4 RC; f = 1/(1,4 RC).
Длительность фронтов отрицательных перепадов на коллекторах
транзисторов определяют по формулам
 Ф1  2,3R1C 2;  Ф 2  2,3R4C 4;
Мультивибратор хорошо синхронизируется импульсами внешнего
генератора, частота которых несколько выше частоты свободных колебаний
(рисунок 3,а,б).
Рисунок 3 – Синхронизация мультивибратора (а,б) и работа в режиме
деления частоты (в,г)
16
В автоколебательном режиме транзистор открывается в момент b.
Синхроимпульс открывает транзистор несколько раньше – в момент а. При
этом схема принудительно переходит во второе временно устойчивое
состояние, при котором транзистор VT1 открыт и насыщен, а транзистор VT2
закрыт. Продолжительность этого состояния определяется постоянной цепи
разряда конденсатора С2 через резистор R2. Затем схема возвращается в
первое временно устойчивое состояние. При очередном импульсе
синхронизации процесс повторяется. Таким образом, стабильность частоты
колебаний мультивибратора определяется стабильностью частоты
синхроимпульсов.
Мультивибратор способен работать в режиме деления частоты (рис. 3,
в,г). На базу транзистора VT1 подается импульсная последовательность Uвх,
частота которой в несколько раз выше частоты свободных колебаний.
Амплитуду
импульсов
подбирают
так,
чтобы
принудительное
опрокидывание схемы происходило под действием второго, третьего,
четвертого импульса и т.д. Соответственно частота выходного сигнала будет
ниже частоты входной импульсной последовательности Uвх в два, три,
четыре раза и т.д.
Мультивибратор работает устойчиво при коэффициенте деления менее
10.
Порядок выполнения работы
1. Вычертить таблицы 1 и 2 для записи результатов измерений, расчетов и
режимов по постоянному току.
Таблица 1 – Результаты расчетов и измерений
Емкость конденсаторов
1000 пФ
0,01 мкФ
С2 = С4
Сопротивление резисторов
51
33
51
33
R2=R3, кОм
Период
измеренный
следования
импульсов
расчетный
Т, мс
Частота
измеренная
следования
расчетная
импульсов f,
кГц
0,1 мкФ
51
33
Таблица 2 – Режимы работы схемы мультивибратора по постоянному току
Гнездо
Х1
Х2
Х4
Х5
« – Ек»
Напряжение, В
2. Зарисовать электрическую схему исследуемого мультивибратора (см.
рисунок 1).
17
3. Измерить временные параметры выходного сигнала мультивибратора для
приведенных в таблице 2 номиналов элементов схемы и занести результаты
измерений в эту таблицу. Рассчитать эти же параметры схемы, пользуясь
формулами (1) и (2), занести результаты расчетов в таблицу 1 и сравнить их с
измеренными.
4. Измерить постоянные составляющие напряжений на выводах транзисторов
мультивибратора в автоколебательном режиме и занести результаты в
таблицу 2.
5. Наблюдать и зарисовать осциллограммы напряжений в гнездах Х1, Х3, Х4,
Х5 и 3.
6. Наблюдать работу мультивибратора в режимах синхронизации и деления
частоты. Зарисовать осциллограммы напряжений, действующих на базах
транзисторов, в едином масштабе времени. Убедиться, что изменение
времязадающих элементов цепей в определенных пределах не нарушает
синхронизацию
Методические указания
1. При выполнении работы используют: R1=R4 = 2 кОм; R2 = 33, 51 и 100
кОм (переменный); R3 = 51 и 33 кОм; С1=С2= 0,022 мкФ; С2 =С4 = 1000 пФ,
0,01 и 0,1 мкФ; С5 = 0,033 мкФ; VT1 и VT2 – транзисторы КТ361А,
перемычку.
2. Для измерения временных параметров колебаний мультивибратора вход
осциллографа подключают к гнезду 3, а вывод «┴» – к гнезду Х9.
3. Для наблюдения осциллограмм используют открытый вход осциллографа.
4. Для синхронизации мультивибратора используют элементы R2 = R3 =
= 51кОм, С2 = С4 = 0,01 мкФ. Частоту синхроимпульсов устанавливают
равной 2 кГц., при этом выход генератора импульсов подключают к гнезду 2,
а зажим « ┴ » – к гнезду Х2.
5. Для наблюдения эффективности синхронизации устанавливают резистор
R2 =100 кОм (переменный). Сняв импульс синхронизации, регулируют
сопротивление переменного резистора R2
до получения импульсной
последовательности со скважностью 2. Затем вводят синхронизацию и
убеждаются, что при небольшом повороте движка резистора R2
синхронизация сохраняется. Уменьшая до нуля амплитуду синхроимпульсов,
убеждаются, что мультивибратор возвращается в автоколебательный режим.
6. Для наблюдения режима деления частоты увеличивают частоту
синхроимпульсов и сравнивают полученную осциллограмму с временной
диаграммой, показанной на рисунке 3,г. Наблюдают деление частоты на 2,3,4
и т.д.
Содержание отчета
1. Наименование отчета.
2. Схема исследуемого мультивибратора.
3. Формулы, использованные в работе, и значения расчетных и
экспериментально определенных параметров.
18
4. Таблицы со снятыми характеристиками.
5. Осциллограммы напряжений на базах и коллекторах транзисторов.
Контрольные вопросы
1. Каково назначение мультивибратора?
2. Какие элементы схемы мультивибратора определяют временные
параметры его выходного сигнала?
3. Как регулируют частоту и скважность импульсной последовательности на
выходе мультивибратора?
4. Какова максимальная скважность выходного сигнала мультивибратора?
5. Поясните процессы синхронизации и деления частоты.
Лабораторная работа №4
Исследование триггера
Цель работы – изучение принципа действия симметричного триггера со
счетным входом в режиме деления частоты (рисунок 1).
Рисунок 1 – Схема триггера
Пояснение. Триггерами называют электронные устройства, обладающие
двумя устойчивыми состояниями, что обусловливает их использование в
качестве элементов памяти. В первом устойчивом состоянии триггера
транзистор VT1 открыт и насыщен, напряжение на базе транзистора VT2
положительное; следовательно, этот транзистор закрыт и напряжение на его
коллекторе близко к Ек. Во втором устойчивом состоянии, наоборот,
транзистор VT2 открыт и насыщен, а транзистор VT1 закрыт.
Насыщение транзистора VT1 в первом устойчивом состоянии
обеспечивается его током базы, состоящим из двух токов, один из которых
Iотп, (отпирающий) проходит по цепи: +ЕК, корпус, эмиттер – база
транзистора VT1, резисторы R6 и R8, – Ек. Другой ток – запирающий Iзап –
19
обеспечивается источником напряжения смещения +Есм и проходит по цепи:
+ Есм, резистор R3, база – эмиттер транзистора VT1, корпус, –Есм. Для того
чтобы транзистор был открыт и насыщен, необходимо, чтобы отпирающий
ток был больше запирающего.
Открытое и насыщенное состояние транзистора VT1 возможно лишь в
том случае, если транзистор VT2 закрыт положительным напряжением на его
базе, поступающим с делителя R4R7 от источника +Есм. Напряжение,
запирающее транзистор VT2, не компенсируется значительно меньшим
отпирающим напряжением, поступающим с коллектора открытого и
насыщенного транзистора VT1.
Для переключения триггера во второе устойчивое состояние необходимо
воздействовать на него одним из трех способов:
– подать на базу транзистора VT1 импульс положительной полярности,
который его закроет, вследствие чего откроется транзистор VT2;
– подать на базу транзистора VT2 импульс отрицательной полярности,
который его откроет, вследствие чего закроется транзистор VT1;
– подать одновременно положительный импульс на базу транзистора VT1
и отрицательный на базу транзистора VT2.
Пусть на базу транзистора VT1 поступит положительный импульс,
амплитуда которого достаточна для его закрытия. При этом на коллекторе
транзистора VT1 появится отрицательный перепад напряжения, в результате
чего на базу транзистора VT2 через конденсатор С2 поступит короткий
отрицательный импульс и откроет его. Напряжение на коллекторе
транзистора VT2 уменьшится, соответственно уменьшится отпирающий ток
базы транзистора VT1 и увеличится напряжение на его коллекторе. Процесс
переключения происходит лавинообразно и завершается переходом триггера
во второе устойчивое состояние.
Цепь коллекторного счетного запуска, при котором триггер
переключается каждым входным импульсом, состоит из конденсатора С1,
резистора R1 и диодов VD1 и VD4. Конденсатор С1 разделяет по
постоянному току источник входной импульсной последовательности и
триггер, а также может служить конденсатором дифференцирующей цепи,
пропускающей на вход триггера только фронты входных импульсов.
Резистор R1 образует цепь разряда конденсатора С1 в интервалы времени
между входными импульсами и одновременно фиксирует на уровне –Ек
потенциал общей точки диодов VD1 и VD4.
Временные диаграммы триггера, работающего в режиме коллекторного
счетного запуска, показаны на рисунке 2, а – е.
Пусть к моменту а появления входного импульса транзистор VT1
открыт, а транзистор VT2 закрыт. Диод VD1 при этом закрыт напряжением,
близким к напряжению источника Ек (см. рисунок 1 и рисунок 2, а – д), так
как на его p – область через резистор R1 поступает напряжение – Ек, а n –
область через насыщенный транзистор VT1 соединена с корпусом.
Следовательно, входной импульс, имеющий амплитуду, меньшую
напряжения источника Ек через диод VD1 не пройдет. Диод VD4 также
закрыт, но значительно меньшим напряжением, действующим на резисторе
20
R8. Так как обычно R8 <<R7, то UR8 << ЕК, поэтому входной импульс,
амплитуда которого превышает напряжение UR8, пройдет через диод VD4.
Этот импульс поступает через конденсатор С4 на базу транзистора VT1 и
закрывает его, что приводит к увеличению напряжения на коллекторе этого
транзистора. В результате открывается транзистор VT2. К моменту b
опрокидывание схемы во второе устойчивое состояние завершается.
Выброс и экспоненциальный спад напряжения на базе транзистора VT1
объясняются подключением к ней заряженного конденсатора С4, который
перезаряжается через насыщенный транзистор VT2 до запирающего
напряжения + Есм.
Рисунок 2 – Временные диаграммы триггера, работающего в режиме
коллекторного счетного запуска
Следующий входной импульс поступает через диод VD1 на базу
транзистора VT2, закрывает его, и схема возвращается в первое устойчивое
состояние. Небольшой выброс отрицательного напряжения в момент d на
базе транзистора VT1 и последующий его экспоненциальный спад
свидетельствуют о заряде конденсатора С4 током базы транзистора VT1 (в
это время резистор R6 шунтируется заряженным конденсатором С4 и
постоянная цепи заряда в момент d определяется только сопротивлением
резистора R8).
Схема базового счетного запуска состоит из диодов VD2 и VD3,
разделительного конденсатора СЗ, а также резистора R5, образующего цепь
разряда конденсатора СЗ и фиксирующего нулевой потенциал общей точки
диодов VD2 и VD3. В отличие от схемы коллекторного запуска в этой схеме
только один диод (подключенный к базе закрытого транзистора) закрыт
небольшим положительным напряжением, а другой открыт, но прямой ток
через него невелик. Входные импульсы при базовом запуске могут иметь
21
значительно меньшую амплитуду, чем при коллекторном. При счетном
запуске триггера частота импульсной последовательности делится на 2. Так,
продифференцировав коллекторное напряжение любого транзистора, можно
убедиться, что частота положительных импульсов уменьшилась в два раза
(см. рисунок 2,е). Эти импульсы могут быть использованы для запуска
аналогичного триггера, на выходе которого частота положительных
импульсов будет еще вдвое меньше, и т. д. Таким образом, коэффициент
деления частоты схемы, состоящей из п последовательно включенных
триггеров, будет равен 2n.
Порядок выполнения работы
1. Вычертить таблицу 1 для записи напряжений на выводах транзистора
триггера в статическом режиме.
Таблица 1 – Напряжения на выводах транзисторов триггера в статическом
режиме
Транзистор
Характеристика
VT1
коллектор
база
VT2
коллектор
база
Напряжение, В
Состояние
В таблице в графе «Состояние» для открытого транзистора записать
«Открыт», для закрытого – «Закрыт».
2. Вычертить таблицу 2 для записи средних значений напряжений на выводах
транзисторов триггера, работающего в режиме деления частоты.
Таблица 2 – Напряжения на выводах транзисторов триггера в режиме
деления частоты
Транзистор
Характеристика
VT1
коллектор
база
VT2
коллектор
база
Напряжение, В
Состояние
3. Зарисовать электрическую схему исследуемого триггера (см. рисунок 1).
4. Собрать схему для исследования триггера без цепей запуска и убедиться в
устойчивости двух его состояний, измерить постоянные напряжения на
выводах транзистора и занести результаты в таблицу 1, указав знак
напряжения относительно корпуса.
5. Собрать схему коллекторного счетного запуска и наблюдать работу
триггера в режиме деления частоты. Измерить параметры запускающих
22
импульсов и напряжение коллекторного питания, при котором триггер
работает устойчиво. Построить осциллограммы в едином масштабе времени
относительно линий нулевого потенциала.
6. Собрать схему базового счетного запуска, наблюдать работу триггера в
режиме деления частоты во всем диапазоне работы запускающего
импульсного генератора и построить осциллограмму выходного напряжения
при частоте запускающих импульсов 100 кГц.
7. Измерить постоянные составляющие напряжений на выводах транзисторов
триггера при его работе в режиме деления частоты и занести результаты в
таблицу 2, указав знак измеренного напряжения относительно корпуса.
Методические указания
1. При выполнении работы используют: R1 = R5 = 51кОм; R2 = R8 = 2 кОм;
R3 = R7 = 12 кОм; R4 = R6 = 8,2 кОм; С2 = С4 = 510 пФ; С1 = С3 = 0,01 мкФ;
VD1 и VD4 (VD2,VD3) – диоды КД103А; VT1 и VT2 – транзисторы КТ361А;
две перемычки.
2. Подключают триггер к источнику питания с напряжением 10В.
3. Для измерения постоянных напряжений на выводах транзисторов зажим
«–» электронного вольтметра поочередно подключают к гнездам Х1, Х3, Х5 и
Х6, а зажим «+» – к гнезду Х9. При измерении положительного напряжения
на базе закрытого транзистора зажим «+» вольтметра подключают к базе
транзистора (гнездо Х3 или Х5), а зажим «–» – к гнезду Х9.
( для измерения постоянных напряжений на выводах транзисторов можно
использовать цифровой мультиметр, например, типа G –890).
4. Уменьшают напряжение источника питания до 5В и собирают схему
коллекторного запуска, установив съемные элементы R1, C1, VD1 и VD4.
5. Устанавливают на выходе импульсного генератора частоту 1 кГц
амплитудой 5 – 10В и подключают генератор к схеме, подключив зажим
« ⌐ » подключают к гнезду 1 исследуемого триггера, а зажим «┴» – к гнезду
Х2.
6. Открытый вход осциллографа подключают к гнездам Х1, Х3, Х5, Х6, а
вывод «┴» – к гнезду Х4.
7. Для исследования схемы базового запуска элементы схемы коллекторного
запуска переносят в базовые цепи транзисторов, а зажим генератора « ⌐ »
переключают в гнездо 3.
Содержание отчета
1. Наименование отчета.
2. Схема исследуемого триггера.
3. Таблицы результатов измерений напряжений на выводах транзисторов в
статическом режиме и при работе триггера в режиме деления частоты.
4. Осциллограммы напряжений, действующих в гнездах Х1, Х3, Х5, Х6.
23
Контрольные вопросы
1. Каким условиям должны отвечать параметры резисторов в схеме триггера?
2. Почему каждое состояние триггера устойчиво?
3.Каким способом можно переключить триггер из первого устойчивого
состояния во второе?
4. Каково назначение ускоряющих конденсаторов в схеме триггера?
5. Каково назначение источника смещения?
6. Поясните процесс деления частоты с помощью триггера.
7. Чем определяется длительность импульсов на выходе триггера?
8. В каком режиме запуска триггер критичен к длительности и амплитуде
входных импульсов?
Лабораторная работа №5
Исследование триггера Шмитта
Цель работы – изучение триггера Шмитта в режимах преобразования
медленно изменяющегося напряжения в напряжение прямоугольной формы.
Схема триггера Шмита представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема триггера Шмитта
Пояснения. Триггер Шмитта, или триггер с эмиттерной связью,
применяют для преобразования медленно меняющегося напряжения в
импульсное напряжение прямоугольной формы с крутыми фронтами и
срезами. Схема обладает двумя устойчивыми состояниями: транзистор VT1
открыт и насыщен, а транзистор VT2 закрыт; транзистор VT1 закрыт, а
транзистор VT2 открыт и насыщен.
Первое устойчивое состояние обеспечивается, если на базе транзистора
VT1 по отношению к его эмиттеру будет отрицательное напряжение, т.е.
U R 2 > U R 4 , а на базе транзистора VT2 по отношению к его эмиттеру –
положительное, т.е. U R 6
< U R4 . Второе устойчивое состояние
обеспечивается, если U R 2 < U R4 , а U R 6 > U R4 .
24
Входной сигнал выводит триггер Шмита из устойчивого состояния, в
которое схема возвращается при снятии сигнала. Таким образом, триггер
Шмита не запоминает введенную в него информацию.
Рассмотрим процесс опрокидывания схемы во временно устойчивое
состояние под действием входного сигнала. Пусть в устойчивом состоянии
транзистор VT1 открыт и насыщен, а транзистор VT2 закрыт. Изменение
состояния схемы произойдет при подаче на базу транзистора VT1 сигнала
положительной полярности, под действием которого он начнет закрываться,
его коллекторный ток будет уменьшаться, а коллекторное напряжение –
увеличиваться. Неравенство напряжений в устойчивом состоянии U R 2 >
U R 4 сначала превращается в равенство, так как из – за уменьшения
коллекторного тока транзистора VT1
уменьшается общее эмиттерное
напряжение UR4 , а из – за увеличения коллекторного напряжения этого
транзистора увеличивается напряжение UR6. Затем напряжение UR6
становится больше напряжения UR4 , вследствие чего транзистор VT2
откроется, появится его эмиттерный ток и увеличится напряжение UR4, что
равносильно появлению дополнительного положительного напряжения на
базе транзистора VT1.
В момент а (рисунок 2,а,б) триггер лавинообразно перейдет во
временно устойчивое состояние, при котором транзистор VT1 закрыт, а
транзистор VT2 открыт и насыщен. Это состояние будет длиться до тех пор,
пока на входе схемы присутствует входной сигнал. Уменьшение
положительного напряжения на входе схемы завершиться обратным
переключением триггера, но уже в момент b, которому соответствует
большее отрицательное напряжение на базе транзистора VT1. Разность
между напряжениями перехода во временно устойчивое состояние и
возвращения в устойчивое называют гистерезисом.
Рисунок 2 – Процессы, происходящие в триггере Шмитта
Лавинообразный характер переключения триггера Шмитта объясняется
положительной обратной связью, охватывающей схему при переходном
процессе, когда оба транзистора ненадолго оказываются в активном режиме.
Конденсатор С2 способствует ускорению переключения триггера Шмитта и
называется ускоряющим.
25
Порядок выполнения работы
1. Вычертить таблицу 1 для записи напряжений на выводах транзисторов при
двух устойчивых состояниях схемы.
Таблица 1 – Напряжения на выводах транзисторов в двух устойчивых
состояниях
Гнездо
Х1 Х3 Х4 Х6 Х9 «–Ек»
Напряжение, В
1 –е состояние
2–е состояние
2. Зарисовать электрическую схему триггера Шмита (см. рисунок 1) и
подключить ее к источнику питания.
3. Измерить напряжения на выводах транзисторов в двух устойчивых
состояниях схемы, занести результаты в таблицу 1 и убедиться, что переход
из одного состояния в другое происходит скачкообразно.
4. Наблюдать работу триггера при преобразовании синусоидального
напряжения в напряжение прямоугольной формы, снять и зарисовать
осциллограммы. Убедиться в работоспособности триггера до самых высоких
частот входного напряжения и в возможности регулирования временных
параметров выходного напряжения.
5. Наблюдать дифференцирование выходного напряжения триггера
конденсатором С3 и зарисовать осциллограммы выходного напряжения для
трех номиналов этого конденсатора.
Методические указания
1. При выполнении работы используют: R1 =10, 20, 22 кОм (переменный); R2
= 7,5 кОм; R3 = 2,4 кОм; R4 = 100 Ом; R5 = 8,2 кОм; R6 = 12 кОм;
R7 = 2 кОм; С1 = 0,1 мкФ, C2 = 100, 510 и 1000 пФ; С3 = 0,01, 0,1 и 5 мкФ;
VT1 и VT2 – транзисторы КТ361А; перемычку.
2. Подключают исследуемую схему к источнику питания Ек = 12В (гнезда «–
Ек» и Х10.
3. Подключают вход электронного вольтметра к гнездам Х9 – Х5 и
устанавливают предел измерения напряжения «30В». Плавно изменяя
сопротивление резистора R1, следует убедиться в скачкообразном переходе
схемы из одного устойчивого состояния в другое и наоборот.
4. Подключают выход измерительного генератора звуковой частоты ко
входу триггера (гнезда 1 – Х2) и регулятором выходного напряжения этого
генератора устанавливают такое напряжение на входе схемы, при котором
скважность выходного напряжения близка к 2. Чтобы зарисовать
осциллограммы напряжений, действующих в гнездах Х1, Х3, Х4, Х6 и Х9,
поочередно подключают к эти гнездам осциллограф. Вывод «┴»
осциллографа подключают к гнезду Х5.
5. Для наблюдения дифференцирования выходного сигнала подключают
вход осциллографа к гнезду 2.
26
Содержание отчета
1. Наименование отчета.
2. Схема исследуемого триггера Шмитта.
3. Таблица результатов измерений напряжений на выводах транзисторов.
4. Осциллограммы напряжений, действующих в гнездах Х1, Х3, Х4, Х6 и Х9.
Контрольные вопросы
1.Каково назначение триггера Шмитта?
2. Как осуществляется положительная обратная связь в триггере Шмитта?
3. Поясните процесс дифференцирования прямоугольного импульса.
4. Как изменяют скважность выходной импульсной последовательности
триггера Шмитта?
Лабораторная работа №6
Исследование параметрического стабилизатора напряжения
Цель работы
– изучение принципа действия параметрического
стабилизатора напряжения, его исследование при изменении входного
напряжения и нагрузки, расчет коэффициента стабилизации и выходного
сопротивления (рисунок 1).
Рисунок 1 – Схема простейшего параметрического стабилизатора
напряжения
Пояснения.
Для питания радиоэлектронной аппаратуры обычно
используют стабилизированные источники. Особенно широко их применяют
в аппаратуре на транзисторах и микросхемах. Идеальный стабилизатор
должен обеспечивать абсолютное постоянство выходного напряжения. В
реальном стабилизаторе выходное напряжение все же зависит от входного.
Стабильность
выходного
напряжения
оценивают
коэффициентом
стабилизации:
kст = ∆Uвх Uвых / (∆Uвых Uвх),
(1)
где ∆Uвх – изменение входного напряжения; ∆Uвых – изменение выходного
напряжения, вызванное изменением входного.
27
Стабилизаторы одновременно со стабилизацией сглаживают пульсации
выпрямленного напряжения, т.е. являются активными фильтрами.
В параметрических стабилизаторах напряжения используется малая
зависимость напряжения на стабилитроне от проходящего через него тока
(см. ВАХ стабилитрона на рисунке 2).
Рисунок 2 – ВАХ стабилитрона
Входное напряжение Uвх (рисунок 3) распределяется между
ограничивающим резистором Rогр
и параллельно включенными
стабилитроном VD и резистором нагрузки Rн.
Рисунок 3 – К объяснению работы параметрического стабилизатора
напряжения
Изменение входного напряжения сопровождается изменением входного
тока Iвх. При этом изменяются напряжения на ограничивающем резисторе
URогр и незначительно на стабилитроне и нагрузке, поскольку рабочий
участок стабилитрона все же имеет некоторый наклон по отношению к оси
Iобр. При изменении нагрузки происходит перераспределение токов Iст и Iн
между стабилитроном и нагрузкой, а общий ток Iвх остается неизменным.
Другими словами, подключение стабилитрона параллельно нагрузке
препятствует изменению напряжения, поддерживая его на уровне Uст. При
этом изменению тока через резистор Rогр соответствует примерно такое же
изменение тока через стабилитрон, а ток в нагрузке изменяется
незначительно. В этом заключается стабилизирующее свойство схемы
данного стабилизатора.
Стабилитрон работает нормально, если при полном изменении входного
напряжения и нагрузки ток через стабилитрон Iст остается в пределах Iстmin –
Iстmax , которыми ограничивается рабочий участок ВАХ.
28
Параметрический стабилизатор позволяет получить kст = 25 – 30.
Больший kст можно получить, включив последовательно два стабилизатора
(при таком включении второй низковольтный стабилизатор будет питаться
предварительно стабилизированным выходным напряжением первого
высоковольтного). Однако при этом чрезвычайно низок КПД схемы
(несколько процентов).
Короткое замыкание на выходе стабилизатора не выводит его из строя, а
лишь увеличивает мощность, рассеиваемую на резисторе Rогр:
РRогр max = (Uвх + ∆Uвх)2/Rогр .
(2)
Отключение нагрузки (холостой ход на выходе схемы) переводит
стабилизирующий элемент в наиболее тяжелый режим, так как через него
протекает весь выходной ток Iвх, а напряжение остается прежним.
Максимальную мощность стабилитрона рассчитывают по формуле
Рст max = Uст (Uвх + ∆Uвх – Uст)/Rогр
Важным параметром
сопротивление
стабилизатора
является
(3)
его
выходное
Rвых = ∆U/Rн/∆Iн ,
(4)
– изменение напряжения на нагрузке, вызванное изменением ее
где ∆U/Rн
тока ∆Iн.
Выходное сопротивление позволяет оценить нагрузочную способность
стабилизатора: чем оно меньше, тем меньше выходное напряжение зависит
от нагрузки.
Для расчета коэффициента стабилизации исследуемой схемы можно
применить формулу, вытекающую из (1):
kст = ∆Uвх URнср / (∆U//Rн Uвх.ср ),
где Uвх.ср и URнср – средние входное и выходное напряжения; ∆U//Rн –
вызванное изменением входного ∆Uвх.
(5)
Порядок выполнения работы
1. Вычертить таблицу 1 для записи напряжений и токов в различных точках
схемы стабилизатора, а также координатные оси (рисунок 4) для построения
зависимости мощности, выделяющейся на стабилитроне, от сопротивления
нагрузки для двух значений входного напряжения: U1 =15В и U2 =17,25В
Таблица 1 – Напряжения и токи в схеме стабилизатора
Напряжение сети
U1 =15В
R2(Rн), кОм
0,51
1
1,6
∞
0,51
Iн, мА
UR2(URн),В
∆UR2,мВ
29
U1 =17,25В
1
1,6
∞
Uc1,В
∆ Uc1, мВ
UR1 = Uc1– UR2,В
Iвх=UR1/R1, мА
Iст = Iвх – Iн, мА
Рст = IстUR2, мВт
Рст, мВт
200
150
100
50
0
0,5
1
1,5
2
R2, кОм
Рисунок 4 – Зависимость мощности, выделяющейся на стабилитроне от
сопротивления нагрузки
2. Зарисовать электрическую схему стабилизатора напряжения.
3. Измерить ток нагрузки Iн и напряжение UR2(URн) на ней, а также
напряжение пульсаций на нагрузке
∆UR2, напряжение на первом
конденсаторе фильтра UС1 и напряжение пульсаций на этом конденсаторе
∆UС1. Результаты измерений занести в таблицу 1.
4. Вычислить напряжение UR1 на ограничивающем резисторе (на рисунке 3 –
это резистор Rогр), входной ток Iвх стабилизатора, ток Iст через стабилитрон и
рассеиваемую на нем мощность Рст.
5. Построить графики зависимости мощности, рассеиваемой на
стабилитроне, от сопротивления нагрузки для двух значений напряжения
сети.
6. Рассчитать максимальную мощность, рассеиваемую на ограничивающем
резисторе R1
при коротком замыкании на выходе стабилизатора и
максимальном напряжении сети (17,25В), пользуясь формулой (2), в которой
Rогр = R1.
7. Рассчитать максимальную мощность, рассеиваемую на стабилитроне при
холостом ходе на выходе стабилизатора (при отключенном резисторе
нагрузки R2) и максимальном напряжении сети (17,25В), пользуясь
формулой (3).
8. Вычислить выходное сопротивление и коэффициент стабилизации схемы,
используя формулы (4) и (5), измерив предварительно основные
составляющие нестабильности выходного напряжения ∆U/Rн и ∆U//Rн.
Методические указания
1. При выполнении работы используют: R1 = 510 Ом; R2 = 510 Ом; 1 кОм; 1,6
кОм; С1 = С2 = 50 мкФ; диоды Д220 (КД103А); VD5 – стабилитрон Д814А.
30
2. Ток нагрузки Iн и напряжения на элементах схемы измеряются цифровым
мультиметром G–890. Пульсации напряжений
∆UC1
и
∆UC2
на
конденсаторах С1 и С2 измеряют осциллографом. Напряжения UC2, Uст и
URн одинаковы, так как их измеряют на параллельно включенных элементах
схемы.
3. Выходное сопротивление стабилизатора рассчитывают по формуле (4), где
∆Iн – приращение тока нагрузки, соответствующее условиям измерения
∆U/Rн(∆Iн равен току нагрузки при R2 = 510 Ом, так как минимальный ток
нагрузки при R2 = ∞ равен нулю)
4. Коэффициент стабилизации рассчитывают по формуле (5), составляющие
которой вычисляют следующим образом:
∆Uвх = U//C1 – U/C1,
где U/C1, U//C1 – напряжения на конденсаторе С1 при напряжении 15 и 17,25В
на входе выпрямителя;
Uвх. ср = (U/C1 + U//C1)/2; URн ср = URн min + ∆U//Rн/2,
где URн min – напряжение на выходе стабилизатора при напряжении на входе
выпрямителя 15В и R2 = 510 Ом.
Содержание отчета
1. Наименование отчета.
2. Схема исследуемого параметрического стабилизатора напряжения.
3. Таблица результатов измерений напряжений и токов на элементах схемы.
4. График зависимости Рст = f(R2).
Контрольные вопросы
1. Что называется динамическим сопротивлением стабилитрона?
2. Почему пульсации напряжения на стабилитроне невелики?
3. Каков принцип действия параметрического стабилизатора напряжения на
полупроводниковом стабилитроне?
4. Почему короткое замыкание на выходе не выводит параметрический
стабилизатор из строя?
5. Почему КПД параметрического стабилизатора невысок?
6. Как изменяется режим работы стабилитрона при перегрузке?
Лабораторная работа №7
Исследование компенсационного стабилизатора напряжения
Цель работы – изучение принципа действия компенсационного
стабилизатора напряжения и его исследование при изменении входного
31
напряжения и нагрузки; расчет коэффициента стабилизации и выходного
сопротивления.
Пояснения. Стабилизаторы напряжения компенсационного типа
получили свое название в соответствии с принципом действия, согласно
которому выходное напряжение стабилизатора сравнивается с эталонным и
возникающая при этом разница напряжений стремится изменить
сопротивление регулирующего элемента таким образом, чтобы это
изменение сопротивления приводило к компенсации (устранению) указанной
разницы.
Компенсационные стабилизаторы напряжения обладают значительно
лучшими параметрами, чем параметрические: их коэффициент стабилизации
может достигать сотен и даже тысяч единиц. Наиболее распространен
компенсационный стабилизатор напряжения, регулирующий элемент
которого включен последовательно нагрузке (рисунок 1). На вход схемы
подается отфильтрованное нестабилизированное напряжение Uвх
(его
предельные отклонения от среднего значения ±U), которое распределяется
между регулирующим транзистором VT1 и сопротивлением нагрузки R4, т.е.
Uвх = UКЭVT1 + Uвых.
(1)
Принцип действия стабилизатора состоит в следующем. Если
увеличится Uвх, то автоматически почти на столько же увеличится
UКЭVT1, а Uвых – незначительно. При уменьшении Uвх уменьшается UКЭVT1, а
Uвых – незначительно.
Усилитель сигнала рассогласования выполнен на транзисторе VT2, на
эмиттерный переход которого поступает два напряжения: опорное Uоп,
вырабатываемое параметрическим стабилизатором на стабилитроне VD,
Рисунок 1 – Схема компенсационного стабилизатора напряжения
и напряжение αUвых, пропорциональное выходному напряжению (α –
коэффициент деления делителя, выполненного на потенциометре R3).
Сигнал рассогласования складывается из этих двух напряжений:
Uр = UБЭVT2 = αUвых – Uоп ,
(2)
усиливается и поступает на базу регулирующего транзистора VT1, потенциал
эмиттера которого равен выходному напряжению Uвых стабилизатора.
32
Напряжение в эмиттерной цепи транзистора складывается из двух напряжений:
UБЭVT1 = UКVT2 – Uвых.
(3)
Увеличение входного напряжения сопровождается увеличением
выходного, а, следовательно, напряжения αUвых. При этом напряжение
UБЭVT2 и ток коллектора транзистора VT2 увеличиваются, а напряжения UКVT2
и UБЭVT1 в соответствии с формулой (3) уменьшаются. Одновременно
уменьшается коллекторный ток транзистора VT1, что равноценно
увеличению сопротивления его промежутка коллектор–эмиттер и,
следовательно, напряжения UКЭVT1 . Таким образом, почти все приращение
напряжения Uвх приходится на регулирующий транзистор VT1, а напряжение
Uвых в соответствии с формулой (1) остается неизменным. Выходное
напряжение стабилизатора все же изменяется, так как для поддержания
нового электрического состояния транзистора VT1 необходим некоторый
сигнал рассогласования, тем меньший, чем выше коэффициент усиления
усилителя сигнала рассогласования.
Уменьшение входного напряжения схема компенсирует уменьшением
сопротивления промежутка коллектор–эмиттер транзистора VT1, напряжение
на котором уменьшается, а выходное напряжение стабилизатора изменяется
незначительно. Аналогично стабилизатор реагирует на пульсации входного
напряжения, значительно ослабляя их на выходе.
При изменении положения движка потенциометра R3 изменяется
выходное напряжение Uвых стабилизатора. Это происходит потому, что в
схеме автоматически поддерживается соотношение между напряжениями в
эмиттерной цепи транзистора VT2 в соответствии с формулой (2). Из этой
формулы следует, что Uвых ≈ Uon/α. Если движок потенциометра R3
сместить к верхнему по схеме выводу (α =1), то выходное напряжение
стабилизатора приблизится к опорному.
При уменьшении α (смещение движка потенциометра R3 к нижнему
выводу) выходное напряжение увеличивается и соответственно уменьшается
напряжение UКЭVT1, пока транзистор VT1 не перейдет в насыщение. Тогда
Uвых = Uвх – UКЭVT1нас ≈ Uвх.
В этом режиме транзистор VT1 перестает управляться, а стабилизатор –
стабилизировать напряжение. Обычно напряжение на промежутке коллектор
эмиттер транзистора VT1 составляет не менее 3 – 5В при максимальном
напряжении на выходе схемы. Такое же минимальное напряжение UКЭVT1
необходимо для сглаживания пульсаций.
Порядок выполнения работы
1. Вычертить таблицу 1 для записи электрических режимов схемы
стабилизатора.
33
Таблица 1 –Электрические режимы схемы компенсационного стабилизатора
Напряжения
Напряжение сети
R6(Rн), кОм
UС1,В
∆UС1,мВ
UКVT2,В
UКЭVT1,В
∆ UКЭVT1, мВ
UR6 ( Uвых),В
Iн, мА
UБЭVT2,В
РКVT1 = Iн. UКЭVT1,
мВт
0,51
U1 =15В
1
1,6
∞
0,51
U1 =17,25В
1
1,6
∞
2. Зарисовать электрическую схему исследуемого стабилизатора (см. рис. 2).
3. Подключить к схеме источник питания и измерительные приборы,
выполнить измерения и занести результаты в таблицу 1.
4. Рассчитать мощность, рассеиваемую транзистором VT1, при всех режимах
работы стабилизатора и определить режим, когда она максимальна.
Рисунок 2 – Схема исследуемого компенсационного стабилизатора
напряжения
Методические указания
1. При выполнении работы используют: R1 = 1,6 кОм; R2 = 7,5 кОм; R3 = 200
Ом; R4 = 2,2 кОм (переменный); R5 = 1 кОм; R6 = 510 Ом, 1 кОм, 1,6 кОм;
С1 = 50 мкФ; С2 = 20 мкФ; VD1 – VD4 – диоды Д220 (КД103А); VT1 и VT2
– транзисторы КТ361А; VD5 – стабилитрон Д814А.
2. На гнезда 1 и 2 исследуемой схемы подают переменное напряжение ~15В.
34
3. Ток нагрузки Iн, напряжения на элементах схемы, пульсации напряжения
(действующее значение) измеряют цифровым мультиметром G–890;
амплитудное значение, форму пульсаций и их частоту измеряют и
наблюдают с помощью осциллографа.
4. Выходное сопротивление стабилизатора рассчитывают по формуле
Rвых = ∆Uвых /∆Iн при Uвх = const
(4)
где ∆Iн – изменение тока нагрузки, вызвавшее изменение выходного
напряжения на ∆Uвых, в данном случае ∆Iн – разность между токами
нагрузки Iн при R6 = 510 Ом и Iн при R6 = 1 кОм, ∆Uвых – соответствующее
изменение выходного напряжения стабилизатора.
5. Устанавливают резистор R6 = 510 Ом, изменяют напряжение на входе
стабилизатора на величину
∆Uвх и, измеряя изменение выходного
напряжения стабилизатора ∆Uвых определяют коэффициент стабилизации
стабилизатора
КСТ 
U ВХ / U ВХ
при Rн = const
U ВЫХ / U ВЫХ
(5)
6. Включив на входе стабилизатора амперметр и измерив входной ток Iвх и
входное напряжение Uвх определить КПД стабилизатора η
η = Uвых Iн / Uвх Iвх
(6)
Содержание отчета
1. Наименование отчета.
2. Схема исследуемого компенсационного стабилизатора напряжения.
3. Таблица результатов измерений напряжений и токов на элементах схемы.
4. Результаты расчетов коэффициента стабилизации, выходного
сопротивления и коэффициента полезного действия.
5. Осциллограммы напряжения пульсаций на входе и выходе стабилизатора.
Контрольные вопросы
1. Каков принцип действия компенсационного стабилизатора напряжения?
2. Какие максимальное и минимальное напряжения можно получить на
выходе исследуемой схемы?
3. Что характеризует коэффициент стабилизации?
4. Как определяют коэффициент полезного действия стабилизатора?
5. Почему компенсационный стабилизатор сглаживает пульсации?
6. В каком режиме мощность, рассеиваемая транзистором, минимальна?
35
Лабораторная работа №8
Измерение параметров сигнала с помощью осциллографа
Цель работы – ознакомиться с устройством и принципом действия
электронно – лучевого осциллографа и освоить методы измерений
напряжения, частоты, разности фаз электрических колебаний и параметров
импульса.
Пояснения. Осциллографом называется прибор, предназначенный для
наблюдения, регистрации и измерения параметров исследуемого сигнала, как
правило, напряжения, зависящего от времени.
Осциллограф может также использоваться для исследования
неэлектрических процессов при условии, что последние преобразуются в
электрический сигнал.
Имеется два основных класса осциллографов: светолучевые,
предназначенные для наблюдения медленных процессов, и электронно –
лучевые (ЭЛО), способные отображать как медленные, так и
быстропротекающие процессы.
В данной работе рассматриваются только ЭЛО, так как именно они
получили наибольшее применение в радиоэлектронике.
Основным узлом ЭЛО является электронно – лучевая трубка (ЭЛТ),
представляющая собой вакуумированную колбу, внутри которой имеется
источник электронов, система формирования электронного луча,
отклоняющие пластины и люминисцентный экран (рисунок 1).
Источником электронов является оксидный катод 1 с подогревателем 2.
Число электронов, из которых затем формируется узкий электронный пучок,
зависит от напряжения между катодом 1 и модулятором 3.
Рисунок 1 – Устройство электронно – лучевой трубки
При изменении этого напряжения меняется интенсивность электронного
пучка, выходящего за пределы модулятора. Дальнейшее формирование пучка
происходит под воздействием напряжений, приложенных к двум анодом 4,
один из которых является фокусирующим, а другой – ускоряющим. Часть
ЭЛТ, включающая в себя катод, модулятор и два анода, называется
электронной пушкой. Назначение электронной пушки – сформировать узкий
электронный пучок (луч) необходимой интенсивности. Этот пучок затем
проходит между двумя парами взаимно перпендикулярных металлических
отклоняющих пластин: вертикально отклоняющих 5 и горизонтально
36
отклоняющих 6, а затем попадает на люминисцентный экран 7 ЭЛТ, образуя
на нем яркое светящееся пятно. Если к отклоняющим пластинам приложить
электрическое напряжение, то между ними будет существовать
электрическое поле, которое приведет к горизонтальному (вдоль оси Х) или
вертикальному (вдоль оси Y) отклонению электронного луча. Это
отклонение прямо пропорционально напряжению, приложенному к
пластинам.
Осциллографические ЭЛТ характеризуются чувствительностью, полосой
пропускания, длительностью послесвечения, рабочей площадью экрана,
цветом свечения люминофора и др.
Структурная схема ЭЛО представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Структурная схема осциллографа
Кроме ЭЛТ VL она содержит канал вертикального отклонения (канал Y),
канал горизонтального отклонения (канал Х), канал управления яркостью
(канал Z), а также калибратор амплитуды и длительности. Исследуемое
напряжение поступает на входное устройство канала Y, которое включает в
себя аттенюатор, позволяющий при необходимости ослабить сигнал и
согласовать сопротивление канала с сопротивлением источника сигнала.
Усилители А1 и А2 являются предварительным и оконечным усилителями
соответственно. Линия задержки ЕТ используется при работе осциллографа
в импульсном режиме. Она позволяет подавать исследуемый импульсный
сигнал на пластины Y
с задержкой относительно начала периода
пилообразного напряжения развертки. Это дает возможность наблюдать
фронт исследуемого импульса неискаженным. Без линии задержки не
удалось бы наблюдать часть импульса, которая приходится на время,
необходимое для формирования напряжения развертки.
Канал Х служит для формирования и (или) усиления напряжения,
поступающего затем на горизонтально отклоняющие пластины и
вызывающего горизонтальное перемещение луча. Канал Х содержит
предварительный и оконечный усилители (А3 и А4 соответственно), цепь
синхронизации и запуска, а также генератор развертки G. Переключатель S1
служит для подачи синхронизирующего напряжения с канала Y (внутренняя
37
синхронизация) или со входа Х (внешняя синхронизация). Если
переключатели S1 и S2 находятся в левом положении, то генератор развертки
отключается и на пластины Х поступает (через усилители А3 и А4)
напряжение со входа Х.
Канал Z служит для управления яркостью свечения экрана ЭЛТ.
Управление производится как вручную, так и автоматически. Например,
производится автоматическое подсвечивание прямого хода ждущей
развертки. В промежутке между импульсами, запускающими ждущую
развертку, яркость пятна снижена во избежание прожигания люминофорного
слоя.
Калибратор амплитуды и длительности является источником
напряжений с известной амплитудой и длительностью. Эти напряжения
подаются с выхода калибратора на вход Y для контроля масштабов
(коэффициентов отклонения) по осям Y ( В/см или В/деление) и Х (мкс/см,
мс/см или с/см). Знание масштабов необходимо для измерения напряжений и
интервалов времени, поскольку непосредственно оператору доступно
считывание только расстояний (сантиметры, деления) по масштабной сетке
на экране. В некоторых современных осциллографах измерение
осуществляется автоматически при помощи цифрового устройства. Результат
отображается на экране в цифровой форме.
Основной функцией осциллографа является отображение формы
исследуемого напряжения на экране. Требуемое отображение достигается
перемещением электронного луча в вертикальном и горизонтальном
направлениях. Перемещение по вертикали происходит под влиянием
исследуемого напряжения, приложенного к пластинам Y, а по горизонтали –
приложенного к пластинам Х напряжения пилообразной формы, называемого
напряжением развертки (рисунок 3), вырабатываемого генератором
развертки (ГР).
Рисунок 3 – Форма напряжения линейной развертки
Под действием этого напряжения за время tпр , называемое временем
прямого хода, луч перемещается по экрану слева направо с постоянной
скоростью. За время tобр (время обратного хода) луч перемещается обратно.
Так как каждый последующий цикл напряжения повторяется, то развертка
кажется непрерывной. Для того чтобы во время обратного хода луч не
вычерчивал линии на экране, его гасят путем подачи отрицательного
импульса на модулятор ЭЛТ.
38
Для получения устойчивого изображения на экране осциллографа
служит (цепь) блок синхронизации. Блок синхронизации осуществляет
изменение частоты генератора (ГР) в соответствии с частотой исследуемого
процесса. Для этого сигнал из канала вертикального отклонения подается на
блок синхронизации, на выходе которого вырабатываются импульсы
синхронно с изменением исследуемого сигнала. Такой режим работы
генератора развертки, называемый непрерывным, применяется для
наблюдения периодических сигналов.
При исследовании непериодической последовательности импульсов или
одиночных импульсов используется ждущий режим (см. выше).
Методические указания
1. Собрать схему измерительной установки, показанную на рисунке 4.
1
Y
X
3
fx
2
f0
Рисунок 4 – Структурная схема измерительной установки
1 – электронно – лучевой осциллограф; 2 – генератор сигналов Г3 –118;
3 – генератор сигналов Г3 –112
2. Включить приборы измерительной установки.
3. Провести калибровку осциллографа.
4. Подать на вход «Y» осциллографа непрерывный синусоидальный сигнал от
одного из генераторов сигналов. Пользуясь ручкой аттенюатора входа «Y»
осциллографа и переключателем длительности развертки, получить на экране
осциллографа неподвижное изображение сигнала, содержащее 2 – 3 периода
исследуемого колебания (см. рисунок 5). При помощи ручек смещения
изображения по вертикали и горизонтали сигнал совмещают с делениями
шкалы и измеряют размах изображения по вертикали и горизонтали в
делениях.
39
Рисунок 5 – Эпюра напряжения, поясняющая и методику измерения
амплитуды и частоты гармонических сигналов
5.Определить амплитуду и частоту исследуемого
определяют следующим образом:
Um = Sy. hy,
f 
1
1

,
T S X  hХ
сигнала,
которые
(1)
(2)
где
Um – амплитуда сигнала;
f – частота сигнала;
Т – период сигнала;
SY – чувствительность канала вертикального отклонения осциллографа, В/см;
hy – размер величины изображения в делениях (или см) на экране
осциллографа;
SX – чувствительность канала горизонтального отклонения осциллографа,
время /см (с/см, мс/см или мкс/см);
hX – размер периода сигнала на экране осциллографа в делениях (или см).
6. Измерить частоту сигнала методом сравнения с помощью фигур Лиссажу.
Для этого на входы усилителей вертикального «Y» и горизонтального «Х»
отклонения подают напряжения измеряемой и образцовой частоты (см. рис.
5). Генератор развертки осциллографа при этом выключается. Плавным
изменением частоты образцового генератора добиваются появления на
экране неподвижной фигуры Лиссажу (фигуры кратности). Кратность частот
по фигурам Лиссажу определяется по следующему правилу. На полученной
фигуре мысленно проводится горизонтальная прямая, не пересекающая узлы
(рис.6,а), подсчитывается число пересечений Nг этой прямой с линиями
фигуры Лиссажу. Аналогично находится число пересечений Nв вертикальной
прямой с линиями фигуры Лиссажу.
Рисунок 6 – Фигуры Лиссажу, поясняющие принцип определения кратности
частот
Из уравнения
Nг. f0 = Nв . fх,
40
(3)
определяется значение измеряемой частоты. При этом если подавать на вход
«Х» осциллографа сигнал с частотой fх , а на вход «Y» с частотой f0, то
соответственно и в уравнении (3) поменяются местами частоты fх и f0.
С увеличением отношения между частотами усложняется фигура
Лиссажу, что затрудняет отсчет числа пересечений. При измерениях
целесообразно выбирать возможно меньшее соотношение частот. В частном
случае при равенстве частот изображение имеет вид эллипса.
7. Измерить разность фаз между двумя синусоидальными напряжениями.
В случае однолучевого осциллографа используют поочередную
регистрацию двух процессов. Для этого на вход «Y» поочередно подают
сигналы от каждого из двух генераторов сигналов, используемых в
измерительной установке, при этом на каждом из генераторов должно быть
установлено примерно одно и то же значение частоты синусоидального
напряжения.
Располагая осциллограммами двух колебаний (см. рис.7) можно найти
искомую разность фаз по формуле:

а b
 3600 .
ac
(4)
Рисунок 7 – Эпюры напряжений, поясняющие методику измерения разности
фаз
8. Измерить параметры импульсного сигнала.
Для измерения параметров импульсного сигнала от измерительного
генератора на вход «Y» осциллографа подается импульсный сигнал.
При импульсных измерениях обычно оценивается форма импульса и
измеряется его амплитуда, длительность импульса, фронта и спада, частота
повторения.
Форма импульса оценивается по его изображению на экране ЭЛТ
осциллографа. Методика измерения амплитуды и частоты аналогична
методике измерения амплитуды и частоты гармонического сигнала (см. п.5).
Следует иметь в виду, что в случае импульса трапециидальной формы
длительность фронта и спада импульса определяется в пределах уровней от
0,1Um до 0,9 Um, а длительность всего импульса – на уровне 0,5 Um (см.
рис.8).
41
Рисунок 8 – Эпюра, поясняющая принцип измерения параметров импульса:
τи – длительность импульса;
τф – длительность переднего фронта импульса;
τс – длительность заднего фронта (спада или среза) импульса
Содержание отчета
1. Наименование отчета.
2. Структурная схема измерительной установки.
3. Осциллограмма синусоидального напряжения и результаты определения
его амплитуды и частоты.
4. Изображения фигур Лиссажу при соотношениях частот f0/fx = 1:1, 1:2, 1:3,
2:1, 3:1.
5. Эпюры напряжений двух генераторов, с помощью которых определялась
разность фаз их колебаний.
5. Осциллограмма импульсного сигнала и результаты определения его
длительности, длительности фронта и среза импульса.
Контрольные вопросы
1. Принцип получения изображения на экране осциллографа.
2. Структурная схема осциллографа и назначение его узлов.
3. Работа осциллографа в режиме непрерывной развертки:
а) требования к амплитуде развертки;
б) требования к линейности напряжения развертки;
в) требования к длительности развертки;
г) режимы синхронизации развертки.
4. Работа осциллографа в режиме ждущей развертки.
5. Осциллографические методы измерения параметров сигнала.
Лабораторная работа №9
Измерение тока и напряжения
Цель работы – изучить методы измерения тока и напряжения, способы
расширения пределов их измерения, а также ознакомиться с измерительными
механизмами аналоговых электроизмерительных приборов прямого действия
и принципами построения цифровых измерительных приборов.
42
Пояснения. Сила тока является одной из важнейших характеристик
сигнала, особенно в диапазоне низких и высоких частот. В диапазоне
сверхвысоких частот сигнал характеризуют не током, а мощностью,
напряженностью поля и т.д., измерение которых более доступно.
Приборы, предназначенные для измерения силы тока, называются
амперметрами.
В соответствии с государственным стандартом амперметры
классифицируются по типу применяемого измерительного механизма:
магнитоэлектрические (МЭ), электродинамические (ЭД) и электромагнитные
(ЭМ). Для расширения частотного диапазона магнитоэлектрические
амперметры дополняются преобразователями.
В зависимости от типа преобразователей различают термоэлектрические
амперметры
(ТЭА)
и
выпрямительные
амперметры
(ВА)
с
полупроводниковыми выпрямителями.
По максимальной приведенной погрешности все амперметры делятся на
следующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.
Основные параметры амперметров обозначаются условными знаками,
приведенными выше в таблице, которые наносятся на лицевой стороне
прибора или на корпусе.
Независимо от диапазона частот сила тока может быть определена в
результате прямых или косвенных измерений. При прямых измерениях
амперметры включаются последовательно с нагрузкой Rн в цепь тока
(рис.1,а). При косвенных измерениях последовательно в цепь тока
включается образцовое сопротивление R0 (рис. 1,б), на котором с помощью
прибора измеряется напряжение U0. По этим величинам рассчитывается
искомый ток.
Рисунок 1 – Измерение силы тока
а – прямое измерение; б – косвенное измерение
В обоих случаях изменяется электрический режим в цепи в результате
потребления мощности приборами, что приводит к появлению погрешности
метода измерения тока. Определим эту погрешность для схемы,
изображенной на рисунке 1,а.
До включения амперметра действительное значение тока
I
U
.
RН
После включения амперметра измеренное значение тока
IИ 
U
.
RА  RН
Относительная погрешность метода равна (в процентах)
43
I 
IИ  I
 100  
I
1
 100 .
RН
1
RА
(1)
Отсюда видно, что погрешность метода тем меньше, чем меньше
сопротивление амперметра по сравнению с сопротивлением нагрузки. Знак
минус показывает, что измеренные значения тока меньше действительного.
Следует подчеркнуть, что погрешность метода не связана с классом
точности амперметра и уменьшение ее может быть достигнуто только
соответствующим выбором прибора, когда RА << RН.
Поскольку эта погрешность систематическая, ее можно исключить из
результатов измерений.
Конструкции и схемы амперметров в значительной степени зависят от
диапазона часто, поэтому амперметры необходимо рассматривать по
частотному диапазону их применения.
2. Измерение постоянного тока и тока низкой частоты
Для измерения постоянного тока могут быть использованы МЭ, ЭД и ЭМ
амперметры, однако предпочтительными являются МЭ амперметры, так как
они обладают лучшей точностью. Конструктивно амперметры не отличаются
от соответствующих измерительных механизмов, рассмотренных в курсе
лекций.
Условное обозначение амперметра в электрических схемах имеет вид,
изображенный на рисунке 2,а.
Рисунок 2 –Схема включения амперметра
а – условное обозначение амперметра; б – соединение катушек ЭД
амперметра при малых токах; в – соединение катушек ЭД амперметра при
больших токах
Сопротивление RА между зажимами А и Б включает в себя активное
сопротивление катушки и спиральных пружин, через которые подводится ток
к катушке.
Для измерения тока НЧ могут быть использованы ЭМ и ЭД амперметры.
Электрическая схема ЭМ амперметра аналогична схеме рисунке 2,а, где RА –
сопротивление катушки.
Схема включения катушек ЭД амперметра зависит от величины
измеряемого тока. При малых токах (до 0,5А) подвижная 2 и неподвижная 1
катушки измерительного механизма соединяются последовательно (рисунок
2,б).
При больших токах эта схема непригодна, так как будут перегреваться
спиральные пружины, через которые подводится ток к подвижной катушке.
В этом случае катушки соединяются параллельно по схеме, изображенной на
рисунке 2,в.
44
ЭД амперметры могут измерять как постоянный, так и переменный ток,
однако наиболее широко они применяются для измерения переменного тока
низкой частоты (50 –1000 Гц), где они являются самыми точными (класс
точности 0,1). На высоких частотах они не применяются, так как
сопротивление катушек сильно зависит от частоты, и появляются большие
дополнительные частотные погрешности. По этой же причине ЭМ
амперметры применяются в основном для измерения тока частотой 50Гц и
погрешностью (1–1,5%).
Расширение пределов амперметров достигается с помощью шунтов и
измерительных трансформаторов тока.
Схема включения амперметра с шунтом приведена на рисунке 3,а.
Рисунок 3 – Расширение пределов амперметра
а – с помощью шунта; б – с помощью измерительного трансформатора тока
Шунт представляет собой резистор Rш, включенный параллельно
амперметру. Если необходимо расширить пределы измерения амперметра в n
– раз, где
n
I
– шунтовый коэффициент, то сопротивление шунта на
IА
основании соотношений
Iш = I – IА, IАRА = IшRш
будет равно
Rш 
RА
,
n 1
(2)
где RА – сопротивление амперметра,
I, IА, Iш – токи в общей цепи, амперметра и шунта соответственно.
Из формулы (6) видно, что расширения пределов измерения амперметра
в 10, 100, 1000 и т.д. раз необходимо включить шунт, сопротивление
которого в 9, 99, 999 и т.д. раз меньше сопротивления амперметра.
Шунты применяются в основном для расширения пределов амперметров
постоянного тока. Для расширения пределов на переменном токе чаще
используются трансформаторы тока (особенно при больших токах),
включаемые по схеме рисунка 3,б. При этом уменьшается мощность потерь
преобразования тока.
45
С помощью трансформатора тока Тр1 большой ток I1 в первичной цепи
преобразуется в малый ток I2 во вторичной, что достигается определенным
подбором числа витков первичной и вторичной обмоток (W1<W2).
Для определения тока I1 в первичной цепи показания амперметра
умножаются на номинальный коэффициент трансформации, его значение
указывается на щитке трансформатора в виде дроби:
КI 
I1н
,
I 2н
(3)
I1н,I2н – номинальное значение тока в первичной цепи и во вторичной цепи
соответственно.
Для трансформаторов тока установлены следующие классы точности:
0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 3 и 10.
3. Измерение переменного тока высокой частоты
Для измерения переменного тока в диапазоне частот применяются МЭ
приборы с преобразователями: ТЭА и ВА.
3.1. Термоэлектрические амперметры (ТЭА)
ТЭА представляют собой соединение одной или нескольких термопар,
используемых в качестве преобразователей переменного тока в постоянный,
и МЭ амперметра. Схемы таких преобразователей и их включение с
прибором показаны на рисунке 4.
Рисунок 4 – Схемы термоэлектрических амперметров
а – с контактной термопарой; б – с термокрестом; в – с бесконтактной
термопарой; г – с термобатареей
Термопары могут быть контактными (рис. 4,а,б) и бесконтактными
(рис.4,в,г).
Контактные преобразователи состоят из подогревателя АБ, двух
разнородных проводников MN (например, медь–константан), спаянных в
точке С. На схеме на рисунке 4,б подогреватель образован самими
проводниками термопары. Такой преобразователь называют «термокрестом».
Бесконтактные преобразователи отличаются тем, что в них отсутствует
гальваническая связь между подогревателем и термопарой, а механическая
связь обеспечивается изолирующей бусинкой. В связи с этим в таких
преобразователях измеряемый ток Iх не ответвляется в цепь прибора А.
Кроме того, термопары можно соединить в термобатареи для увеличения
46
термоЭДС. В этом преимущество бесконтактных преобразователей по
сравнению с контактными, однако, они имеют большую инерционность, так
как требуют определенного времени для прогрева бусинки.
Следует отметить, что ТЭА пригодны для измерения как постоянного,
так и переменного тока, так как при изменении направления тока
направление отклонения стрелки прибора не меняется.
Шкала ТЭА квадратичная, что является его недостатком.
Достоинством ТЭА является возможность измерения тока в широком
частотном диапазоне (20Гц – 100МГц) при удовлетворительной точности
(погрешность не превышает ±2 – 5%).
ТЭА широко применяются для измерения действующего значения
переменного тока в диапазоне высоких частот, где они являются единственно
пригодными.
3.2. Выпрямительные амперметры (ВА)
ВА представляют собой соединение полупроводникового выпрямителя с
МЭ амперметром. В зависимости от схемы соединения амперметра с
выпрямителем различают амперметры с однополупериодным (рис. 5,а) и
двухполупериодным выпрямлением (рис. 5,б,в,г).
В однополупериодной схеме ток через прибор А протекает только в
течение одного полупериода, а в течение второго, когда ток меняет
направление, прибор шунтируется цепью R1 и В2.
Рисунок 5 – Схемы выпрямительных амперметров
а– с однополупериодным выпрямлением; б,в,г – с двухполупериодным
выпрямлением
Вентиль В2 предохраняет В1 от пробоя при обратной полуволне, а
резистор R1 = RA выравнивает сопротивление цепей при прямой и обратной
полуволне тока. В двухполупериодной схеме (рис. 5,б) ток через прибор А
протекает в течение обоих полупериодов, в результате чего чувствительность
ВА увеличивается вдвое. На практике двухполупериодные выпрямители
выполняются чаще по схемам рис.5, в,г с двумя вентилями (диодами), а два
47
других заменяются резисторами R. При этом уменьшается погрешность
амперметра, вызванная нестабильностью характеристик вентилей, однако в
этом случае в цепь прибора ответвляется лишь часть тока, поэтому МЭ
амперметр А должен иметь высокую чувствительность.
Необходимо отметить, что ВА измеряют среднее значение тока. Однако
в цепях переменного тока часто измеряют действующее значение I, которое
связано с Iср через коэффициент формы
КФ 
I
I СР
.
(4)
Коэффициент формы зависит от формы измеряемого тока, поэтому если
амперметр проградуирован в действующих значениях, то он пригоден для
измерения только того тока, на который градуировался. В противном случае
амперметр требует переградуировки.
Точность ВА из–за многочисленных источников погрешностей (в
основном температурных и частотных) относительно невелика. Погрешность
измерения тока не менее ±1,5%. Обычными ВА без специальной частотной
коррекции можно пользоваться для измерения силы тока в диапазоне частот
500–2000Гц, а с частотной коррекцией – до 10000Гц. На высоких частотах
погрешность возрастает до ±5%.
4. Классификация вольтметров и методов измерения напряжения
Напряжение, как и сила тока, является важнейшей характеристикой
сигнала в диапазоне низких и высоких частот. Приборы, предназначенные
для измерения напряжения, называются вольтметрами.
Вольтметры, применяемые для измерения напряжения в электрических
цепях, классифицируются в зависимости от применяемого измерительного
механизма на следующие группы: МЭ, ЭД, ЭМ и ЭЛСТ. МЭ вольтметры с
преобразователями, как и амперметры, делятся на термоэлектрические (ТЭВ)
и выпрямительные (ВВ).
Вольтметры, измеряющие напряжение в электрических цепях,
выполняются следующих классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.
Электронные вольтметры, предназначенные для измерения напряжения
в радиосхемах, делятся на следующие классы точности: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5;
2,5; 4,0, 6,0. Кроме того, для селективных вольтметров и приборов,
предназначенных для измерения неэлектрических величин электрическими
методами, допускаются классы 10; 15; 25.
Основные параметры электроизмерительных вольтметров обозначаются
условными знаками, приведенными выше в таблице.
Независимо от диапазона частот напряжение может быть измерено
методом непосредственной оценки или методом сравнения. В обоих случаях
вольтметры включаются параллельно с нагрузкой или участком цепи, на
которых измеряется напряжение (рис.6).
48
Рисунок 6 – Включение вольтметра при измерении напряжения
Поскольку вольтметр потребляет некоторую энергию, возникает
погрешность метода. До включения вольтметра действительное напряжение
на нагрузке Rн равно
U
ERн
,
R0  Rн
где R0 – внутреннее сопротивление источника ЭДС Е.
После подключения вольтметра измеренное напряжение
U изм 
RR
Е
 н v .
RR
Rн  Rv
R0  н v
Rн  Rv
Погрешность метода (в процентах)
U , % 
U изм  U
100  
U
1
R
R
1 v  v
Rн R0
 100
(5)
Чем больше сопротивление вольтметра по сравнению с сопротивлением
нагрузки (Rv >> Rн), тем меньше погрешность метода. Знак минус
показывает, что измеренное напряжение меньше действительного.
Конструкции и схемы вольтметров в значительной степени зависят от
диапазона частот и метода измерения напряжения.
2. Измерение постоянного напряжения и напряжения низкой частоты.
Электронные вольтметры постоянного тока
Для измерения постоянного и переменного напряжения низкой частоты
могут быть использованы МЭ, ЭД, ЭМ и электростатические (ЭЛСТ)
вольтметры. Такие вольтметры выполняются на основе соответствующих
амперметров с последовательным включением добавочного сопротивления
R0 (рис. 7,а), за исключением электростатического, измерительный механизм
которого непосредственно реагирует на измеряемое напряжение (см. выше).
Условное обозначение вольтметров показано на рисунке 7,б. Полное
сопротивление вольтметра RV = RA + R0 .
49
Рисунок 7 – Электрическая схема вольтметра и расширение пределов
измерения:
а – электрическая схема; б – условное обозначение вольтметра; в –
расширение пределов с помощью добавочного сопротивления; г –
расширение пределов с помощью измерительного трансформатора
напряжения
Вольтметр, включаемый параллельно нагрузке, должен иметь большое
входное сопротивление, только при этом он не шунтирует исследуемую цепь.
Ток, протекающий через вольтметр:
I
U
,
RV
где U – измеряемое напряжение.
Основные свойства этих вольтметров аналогичны свойствам
соответствующих амперметров, за исключением внутреннего сопротивления
(RV>>RA).
Для расширения пределов измерения и построения многопредельных
вольтметров изменяют чувствительность вольтметров путем включения
добавочных сопротивлений (Rд) по схеме, изображенной на рисунке 7,в.
Для этой схемы
U = Uv+Uд ;
UV U Д

,
RV
RД
где Uv и Uд – падения напряжения на вольтметре и добавочном
сопротивлении соответственно.
Решив эту систему уравнений относительно Rд, можно получить:
Rд= Rv(m – 1),
(6)
где m 
U
– коэффициент расширения пределов вольтметра.
Uv
Отсюда видно, что для расширения пределов вольтметра в 10,100,1000… раз
необходимо включить последовательно с вольтметром добавочное
сопротивление в 9, 99, 999 … раз больше сопротивления прибора.
Расширение пределов измерения на переменном токе возможно с
помощью измерительных трансформаторов напряжения, включаемых по
схеме рис.7,г.
50
В трансформаторах напряжения U1>U2 , поэтому W1>W2, где W – число
витков. Аналогично трансформаторам тока трансформаторы напряжения
характеризуют номинальным коэффициентом трансформации
КU Н 
U1 Н
,
U2Н
где U1н, U2н – номинальные напряжения первичной и вторичной цепей.
C учетом этого измеряемое напряжение U1 определяется по следующему
выражению:
U1 = U2 KUн,
где U2 – показание вольтметра.
Применение измерительных трансформаторов увеличивает погрешность
измерения напряжения. Трансформаторы изготавливаются следующих
классов точности: 0,2; 0,5; 1,0; и 3,0.
Для измерения напряжения на высокоомных нагрузках (в радиосхемах)
входное сопротивление электроизмерительных вольтметров (в частности,
МЭ) оказывается недостаточным, в результате чего вольтметр шунтирует
нагрузку. Увеличение добавочных сопротивлений в вольтметрах приводит к
снижению их чувствительности.
Поэтому для повышения чувствительности последовательно с МЭ
вольтметром включают усилитель постоянного тока (УПТ). Такие
вольтметры называются электронными вольтметрами постоянного тока.
Порядок выполнения работы
1. Собрать измерительную установку для измерения силы тока, структурная
схема которой представлена на рисунке 8.
1
4
3
2
Рисунок 8 – Структурная схема измерительной установки для измерения
силы тока:
1 – источник питания Б5–47; 2 – универсальный вольтметр В7–21;
3 – амперметр М24; 4 – нагрузочный резистор
2. По формуле (2) рассчитать сопротивление шунтов Rш к исследуемому в
работе амперметру с известным сопротивлением RA для расширения
пределов измерения в 5 и 10 раз.
3. Включить источник питания 1 и универсальный вольтметр 2. Регулируя
выходное напряжение источника питания установить желаемую величину
51
тока через исследуемый амперметр, отметив при этом показания
универсального вольтметра, работающего в режиме измерения тока.
4. Вычислить абсолютную и относительную погрешности измерения тока,
погрешность метода и приведенную погрешность амперметра. Расчет вести
по следующим формулам:
абсолютная погрешность:
∆I = IМ24 – IВ7-21,
относительная погрешность:

I
I В 7  21
приведенная погрешность:
 
 100% ,
I
 100% ,
IN
погрешность метода:
 
1
 100% ,
RН
1
RА
где IМ24 – показания исследуемого амперметра;
IВ7-21 – показания универсального вольтметра В7 –21;
IN – длина шкалы исследуемого амперметра;
Rн – сопротивление нагрузки.
5. Выключить источник питания и подсоединить к амперметру 3 параллельно
его клеммам сопротивление шунта Rш1 для n =5. Включив источник питания,
повторить измерения по п.3. Те же операции проделать и при подключении
Rш2 для n=10. Отметить значения токов и рассчитать погрешности.
6. Собрать схему по рисунку 9.
1
2
4
3
Рисунок 9 – Структурная схема измерительной установки для измерения
напряжения:
1 – источник питания Б5 –47; 2 – универсальный вольтметр В7 – 21;
3 – вольтметр М2001; 4 – нагрузочный резистор
7. По формуле (6) рассчитать добавочное сопротивление RД к исследуемому
в работе вольтметру с известным сопротивлением Rv для расширения
пределов измерения в 5 и 10 раз.
8. Включить источник питания 1 и универсальный вольтметр 2. Регулируя
выходное напряжения источника питания установить произвольное значение
52
напряжения на шкале исследуемого вольтметра 3, отметив при этом
показания вольтметра 2.
Вычислить абсолютную и относительную погрешность измерения
напряжения, погрешность метода и приведенную погрешность вольтметра.
Расчет вести по следующим соотношениям:
абсолютная погрешность:
∆U = UМ2001 – UВ7-21,
относительная погрешность:

U
 100% ,
U В 7  21
приведенная погрешность:
 
U
 100% ,
UN
погрешность метода:
 
1
R
R
1 V  V
Rн R0
 100% ,
где UМ2001 – показания исследуемого вольтметра;
UВ7-21 – показания универсального вольтметра В7 –21;
UN – длина шкалы исследуемого вольтметра;
Rн – сопротивление нагрузки;
R0 – внутреннее сопротивление источника питания.
Выключить приборы и подсоединить к вольтметру 3 последовательно с
ним добавочное сопротивление Rд1 для m =5. Включив приборы, повторить
измерения по п.8. Подключив Rд2 для m = 10, повторить измерения. Отметив
установленные значения напряжений, рассчитать погрешности.
Содержание отчета
1. Наименование отчета.
2. Структурные схемы измерительных установок.
3. Результаты расчетов шунтов и добавочных сопротивлений.
4. Результаты измерений и расчетов погрешностей.
Контрольные вопросы
1. Конструкции и принцип действия измерительных механизмов аналоговых
электроизмерительных приборов прямого действия.
2. Классификация амперметров и методов измерения силы тока.
3. Измерение постоянного тока и тока низкой частоты.
4. Измерение переменного тока высокой частоты.
5. Расширение пределов измерения амперметров.
6. Классификация вольтметров и методов измерения напряжения.
7. Измерение постоянного напряжения и напряжения низкой частоты.
8. Измерение переменного напряжения высокой частоты.
9. Расширение пределов измерения вольтметров.
53
10. Принцип действия электронных цифровых вольтметров.
11. Погрешности средств измерений.
12. Погрешности методов измерения тока и напряжения.
13. Обозначения амперметров и вольтметров.
14. Условные обозначения на шкалах измерительных приборов.
Лабораторная работа №10
Измерение мощности
Цель работы – изучение измерения мощности на постоянном токе
прямым и косвенным методом.
Пояснения. В практике измерений требуется измерять мощность на
постоянном токе, токе промышленной частоты и в диапазоне СВЧ. В
диапазоне низких и высоких частот для оценки уровня сигнала чаще всего
измеряют силу тока или напряжение. Уровень измеряемой импульсной
мощности изменяется в широких пределах от 10–16 до 107Вт, а непрерывных
колебаний в пределах от 5.10–2 мВт до 2.103 Вт.
Методы измерения мощности в большой степени зависят от ее значения
и частотного диапазона.
На постоянном токе и в диапазоне частот мощность можно измерять
прямыми или косвенными измерениями. На постоянном токе при прямых
измерениях применяются ваттметры ЭД системы, а при косвенных
амперметры и вольтметры МЭ, ЭМ и ЭД систем. На переменном токе
обычно применяются ваттметры ЭД системы.
По максимальной приведенной основной погрешности все ваттметры
делятся на следующие классы точности: 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0; 15,0 и
25,0.
По характеру измеряемой величины ваттметры делятся на:
– на измерители среднего значения мощности;
– на измерители импульсной мощности.
Наибольшее распространение получили ваттметры, предназначенные для
измерения средней мощности (Рср). Импульсная мощность может быть
рассчитана по формуле
Римп  Рср
Т

,
где Т – период следования импульсов;
τ – длительность прямоугольных импульсов, измеренная на уровне 0,5 от
амплитуды.
Мощность в цепи постоянного и однофазного переменного тока низкой
частоты можно измерить прямо или косвенно. При прямых измерениях
результат получается на основании показаний одного прибора – ваттметра.
При косвенных измерениях результат находится на основании нескольких
54
прямых измерений с последующим расчетом мощности по известным
выражениям.
Например, для измерения мощности постоянного тока можно
воспользоваться выражением Р=U.I, а для измерения напряжения амперметр
и вольтметр включают по одной из двух схем (рис. 1,а,б). В обеих схемах за
счет потребления мощности приборами имеет место погрешность метода
измерений. Например, в схеме рис. 1,а измеряет общий ток I, протекающий
как через вольтметр Iв, так и через нагрузку Iн, т.е.
I = Iв + Iн.
Вольтметр измеряет только напряжение Uн
на нагрузке, поэтому
мощность, потребляемая амперметром от источника не учитывается.
Рисунок 1 – Схемы включения амперметра и вольтметра при косвенном
измерении мощности
а – с амперметром на входе; б – с вольтметром на входе
Погрешность метода измерения мощности, потребляемой нагрузкой,
можно определить из выражения
Р 
РИЗМ  РН
,
РН
где Ризм – измеренная мощность;
Рн – действительная мощность, потребляемая нагрузкой.
Очевидно, что
 Ра 
U н I  U н I н U н ( I н  I В )  U н I н I В Rн
.



Uн Iн
Uн Iн
I н Rv
Аналогично можно получить
измерении по схеме рис. 1,б:
выражение
 Рб 
RA
.
Rн
для
погрешности
(1)
при
(2)
В этом случае не учитывается мощность, потребляемая вольтметром, так как
амперметр измеряет лишь ток, протекающий через нагрузку.
Из формул (1) и (2) видно, что погрешности метода зависят в обоих
случаях от соотношения сопротивлений нагрузки Rн и приборов RA или Rv
(рис. 2). При некотором значении сопротивления нагрузки Rн0 погрешности
обеих схем одинаковы. Значение этого сопротивления можно найти,
приравняв выражения (1) и (2):
55
Rно  RA RV .
Рисунок 2 – Графики зависимости погрешности метода измерения мощности
от сопротивления нагрузки
Если Rн < Rн0 , то для уменьшения погрешности метода следует
пользоваться схемой рис. 2,а, а если Rн > Rн0 – cхемой рис. 2,б.
При прямых измерениях мощности ваттметр ЭД системы может быть
включен по одной из двух схем, изображенных на рисунках 3,а,б.
Рисунок 3 – Схемы включения ваттметра при прямом измерении мощности
Неподвижная обмотка измерительного механизма (см. ЭД механизм)
включается в цепь тока, потребляемого нагрузкой Rн, а подвижная –
параллельно нагрузке через большое добавочное сопротивление R0.Ток,
протекающий через неподвижную катушку для схемы рис. 3,а, практически
равен току нагрузки I, т.е. I1 = I, а ток через подвижную катушку
I2 
U
.
R0
Тогда из формулы (13) лекции 14 при измерении мощности в цепях
постоянного тока

где Ср =
М12
М12
1
,
UI
 СР Р
КУ R0


1
– коэффициент пропорциональности.
КУ R0
Отсюда видно, что угол отклонения стрелки прибора пропорционален
мощности, потребляемой нагрузкой. Шкала ваттметра нелинейная и
определяется видом функции
М 12
.

56
В отношении погрешности метода и целесообразности использования
той или иной схемы остаются в силе соображения, приведенные выше. При
этом за сопротивление амперметра RA
принимается сопротивление
катушки, включенной последовательно с нагрузкой Rн, а вольтметра
соответственно сопротивление подвижной
катушки R/v и добавочное
сопротивление R0, которые включены параллельно нагрузке (Rv = R/v+R0).
По аналогичным схемам включаются приборы и для измерения
мощности в цепях переменного тока, однако учет погрешностей значительно
сложнее.
Определение погрешности метода для измерения мощности имеет смысл
только для маломощных цепей, т.е. когда
мощность, потребляемая
нагрузкой, соизмерима с мощностями, потребляемыми приборами. В
противном случае погрешности настолько малы, что их можно не учитывать
Для расширения пределов измерений ваттметров на постоянном токе
используются переключаемые добавочные сопротивления R0 (рис. 3). На
переменном токе расширение пределов достигается применением
измерительных трансформаторов (рис. 4).
Рисунок 4 – Схема включения измерительных трансформаторов тока и
напряжения для расширения пределов измерения ваттметров
Токовая обмотка включается через трансформатор тока, а обмотка
напряжения – через трансформатор напряжения. Мощность в первичной
цепи рассчитывается с учетом номинальных коэффициентов трансформации
по току и напряжению.
Порядок выполнения работы
1. По заданным значениям сопротивлений амперметра RА и вольтметра RV
рассчитать значение Rн0.
2. Сравнить полученное значение Rн0 с заданным сопротивлением нагрузки
Rн; если Rн0 < Rн, собрать схему по рисунку 1,а, если Rн0 > Rн – схему по
рисунку 1,б.
3. Подать на схему напряжение от источника питания, отметить его значение
и измерив ток и напряжение на нагрузке рассчитать мощность по формуле
Р=U.I и погрешность измерения по формуле (1) и (2).
4. Собрать схему для прямого измерения мощности по рисунку 3.
57
5. Подать на схему напряжение от источника питания, равное его значению
при косвенных измерениях (см. п.3), и измерить мощность на сопротивлении
нагрузки. Сравнить результаты измерения по п.3 и п.5.
Содержание отчета
1. Наименование отчета.
2. Схемы измерений.
3. Результаты измерений и расчетов погрешностей.
Контрольные вопросы
1. Классификация методов измерения мощности.
2. Измерение мощности постоянного тока и тока низкой частоты.
3. Рекомендации по выбору методов и ваттметров для измерения мощности.
4. Расширение пределов измерения ваттметров.
5. Измерение мощности в диапазоне СВЧ.
58
Литература
1. Нефедов В.И., Сигов А.С. Основы радиоэлектроники и связи. – М.:
Высшая школа, 2009.
2. Щука А.А. Электроника. Учебное пособие /Под ред. проф. А.С. Сигова. –
СПб. БХВ – Петербург, 2006.
3. Шишмарев В.Ю. Электрорадиоизмерения. Практикум. Учебное пособие
для ССУЗОВ. – М.: Academia, 2006.
4. Нефедов В.И., Сигов А.С., Битюков В.К., Хохин В.И. Метрология и
радиоизмерения. – М.: Высшая школа, 2003.
5. Евтихиев Н.Н., Купершмидт Я.А. и др. Измерение электрических и
неэлектрических величин. – М.: Высшая школа, 1990.
59