Техника работы с электрорадиоизмерительной аппаратурой.

-1-
Техника работы с электрорадиоизмерительной аппаратурой.
Задача 1. Техника измерения активных сопротивлений.*
Задача посвящена знакомству с техникой выполнения простейших электроизмерений –
измерений активных сопротивлений с помощью четырёх типов приборов: стрелочным
омметром, комбинированным прибором (тестером), электронно-цифровым омметром и
измерительным мостом.
Общие сведения.
Для измерения активных сопротивлений применяют приборы – омметры, в основу работы которых положено измерение силы тока в цепи, содержащей исследуемый объект.
При постоянном значении ЭДС, действующей в этой цепи, и неизменном сопротивлении
прибора, ток в цепи однозначно определяется сопротивлением исследуемого резистора.
Обычно омметр представляет собой прибор, измеряющий силу постоянного тока (амперметр, миллиамперметр, микроамперметр), в корпус которого вмонтированы источник постоянного тока (батарея или аккумулятор) и переменный резистор. Шкала прибора, проградуированная непосредственно в единицах сопротивления (омах, килоомах или мегаомах), будет неравномерной. Погрешность измерений, связанная со считыванием показаний, зависит от самих измеряемых значений. Практически для измерений можно использовать центральный участок шкалы, составляющий примерно 9.10 её длины. Для уменьшения погрешности измерений в зависимости от величины измеряемых сопротивлений
применяют две различные схемы включения омметров: для измерения сопротивлений
≥100 Ом – схему последовательного включения (рис. 1) и <100 Ом – схему параллельного
включения (рис. 2).
В первом случае, при замкнутых накоротко клеммах прибора (RX = 0) стрелка индикатора отклоняется на максимальный угол, то есть через прибор протекает максимальный
ток. Во втором случае стрелка отклоняется на максимальный угол лишь при разомкнутых
клеммах (RX = ∞). Поэтому нулевое значение на шкале омметра последовательного включения расположено справа, параллельного включения – слева. С помощью переменного
резистора R и в том и в другом случае осуществляется регулировка максимального значения силы тока, протекающего через прибор, т.е. регулировка крайнего правого положения
стрелки индикатора.
A
R
RX R
A
GB
И
Рис 1. Омметр последовательного
GB
И параллельного вклюРис 2. Омметр
включения: GB – источник постоянного тока, R – переменный резистор, RX – исследуемый резистор, A
– прибор, измеряющий силу тока.
чения: GB – источник постоянного
тока, R – переменный резистор, RX
– исследуемый резистор, A – прибор, измеряющий силу тока.
RX
Ручка переменного резистора R выводится на лицевую панель прибора. При выполнении измерений это положение устанавливается один раз и дальнейшей регулировке, как
правило, не подлежит. Со временем ЭДС источника постоянного тока уменьшается, что
ведёт к уменьшению максимального значения силы тока, протекающего через прибор.
Стрелка индикатора перестаёт отклоняться на максимальный угол, поэтому правильность
установки крайнего правого положения стрелки необходимо периодически проверять. В
противном случае показания прибора будут ошибочными.
Нередко внутри корпуса омметра размещают несколько добавочных резисторов и коммутирующие переключатели. Это позволяет, применяя один и тот же стрелочный индика-
-2тор (а точнее – один и тот же прибор, измеряющий силу тока), получить прибор с несколькими различными диапазонами измерений. С помощью отдельного переключателя
может быть осуществлён выбор одной или другой схемы включения омметра. Такие омметры универсальны и являются составной частью многих комбинированных электроизмерительных приборов (тестеров). Заметим, что точность измерений с помощью описанных омметров невысока. Однако, благодаря простоте и быстроте проведения измерений,
они получили очень широкое распространение.
Значительно большей точности измерений при сохранении простоты и быстроты их
проведения можно достигнуть, если использовать электронно-цифровые омметры. Принцип их работы аналогичен описанному выше. Ток, протекающий в цепи, в которую включается исследуемый объект, подвергается измерению с помощью специальной электронной схемы. Измеренные значения кодируются и поступают в цифровой индикатор, на котором высвечиваются значения измеренных сопротивлений в омах, килоомах или мегаомах. Как правило, электронно-цифровые омметры имеют несколько диапазонов измерений. При измерении активных сопротивлений с помощью таких приборов необходимо обращать внимание на выбор диапазона измерений. Если величина измеряемого сопротивления значительно меньше величины, которая может быть измерена на данном диапазоне,
то исходный результат будет получен с большой ошибкой, ввиду ограниченности числа
цифровых индикаторов прибора. Так, например, при определении сопротивления резистора, величина которого составляет 680 Ом, на разных диапазонах измерений, показания
индикатора будут следующими:
Диапазон измерений
до 1 кОм
до 10 кОм
до 100 кОм
до 1 МОм
до 10 МОм
Показания индикатора
682.5 Ом
0.682 кОм
0.068 кОм
.0006 МОм
0.000 МОм
Ясно, что выполнять измерения сопротивления указанного резистора на двух последних диапазонах совершенно бессмысленно.
Вместе с тем, если величина измеряемого сопротивления превышает максимальное
значение, которое может быть измерено на данном диапазоне, то сила тока, протекающего
через исследуемый объект, будет меньше того значения, которое может быть измерено
электронной схемой. Показания индикатора в этом случае будут ошибочными; нередко на
индикаторе будут высвечиваться произвольные цифры. При этом на табло прибора загорается специальный индикатор, указывающий на нарушение нормального режима измерений, то есть на неправильный выбор диапазона измерений.
Для измерения величины активного сопротивления с высокой степенью точности применяют специальные методы, среди которых наиболее широкое распространение получило применение мостовых схем измерения. Схема моста постоянного тока, с помощью которого можно измерять величину активного сопротивления некоторого объекта (резистора R), представлена на рис.3.
GB
И
R1
R2
G
R3
RX
Рис. 3. Схема моста постоянного
тока: GB - источник постоянного тока, G – прибор, регистрирующий малые токи, R1, R2 –
постоянные резисторы, R3 – переменный резистор, RX – исследуемый резистор.
-3В качестве источника питания GB применяется источник постоянного тока, ЭДС которого не меняется во время измерений. Индикатором G служит прибор, позволяющий регистрировать малые токи – микроамперметр или гальванометр, нулевое положение,
стрелки которого находится посередине шкалы.
Если выполняется условие
R X R2

,
R3 R1
то ток через индикатор протекать не будет (мост сбалансирован). Поэтому измерение неизвестного сопротивления сводится к подбору сопротивления резистора R3, при котором
наступает баланс моста. В измерительных мостах в качестве постоянных резисторов R1 и
R2 применяют такие, сопротивление которых известно с высокой степенью точности.
Ручка, связанная с осью переменного резистора R3, выводится на лицевую панель прибора. Значения его сопротивления определяют по шкале, нанесённой рядом с ручкой и проградуированной в единицах сопротивления. В качестве индикаторов применяют приборы
с зеркальными шкалами, класс точности которых не ниже, чем 0,5.
Применение различных резисторов R1 и R2 и коммутирующих переключателей позволяет существенно расширить пределы измерений одного и того же прибора. Во избежании
выхода из строя чувствительного индикатора при сильной разбалансировке моста (когда
ток через индикатор имеет большую величину) он постоянно отключен от цепи и подключается к ней с помощью кнопочного выключателя лишь при выполнении измерений. Как
правило, в измерительных мостах предусмотрены два способа подключения индикатора –
с параллельным шунтом и без него. При первом подключении («грубое» измерение), когда параллельно прибору, измеряющему силу тока подключается шунт, добиваются приблизительного баланса моста с помощью резистора R3. Лишь после этого, отключив шунт
(“точное” измерение), добиваются окончательного баланса – отсутствия тока через индикатор. Величину активного сопротивления исследуемого объекта находят из соотношения
R 2  R3
RX 
.
R1
Практическая часть
При выполнении задачи производится измерение сопротивлений различных элементов
радиотехнических цепей, установленных на трёх учебных платах. Описания приборов,
используемых для выполнения измерений, находятся на рабочих местах. Приступать к
выполнению измерений можно лишь после ознакомления с этими описаниями и получения разрешения преподавателя.
Упражнение 1. Измерение сопротивлений резисторов с помощью омметра последовательного включения.
При выполнении этого упражнения необходимо измерить сопротивления нескольких
резисторов, расположенных в левом вертикальном ряду первой учебной платы. Перед
началом измерений необходимо проверить правильность установки нулевого положения
стрелки. Для этого необходимо замкнуть коротким проводником клеммы прибора, т.е.
выполнить условие RX = 0 и убедиться в том, что стрелка расположится против нулевого
значения на шкале прибора. Если этого не произошло, необходимо отрегулировать величину силы тока, протекающего через прибор при RX = 0, с помощью резистора R (рис. 1).
Ручка, связанная с его осью, обозначается на корпусе прибора термином «Установка 0».
Если изменением величины сопротивления R не удаётся установить стрелку индикатора
против нулевого значения, то следует заменить источник постоянного тока, находящийся
внутри корпуса прибора.
Выполнив измерения сопротивлений каждого резистора, необходимо оценить погрешность измерений, учитывая при этом ошибку, вносимую самим прибором (определяемую
классом точности прибора), и ошибку, связанную с визуальной регистрацией показаний
прибора (определяемую ценой деления шкалы в той её части, в которой располагалась
-4стрелка во время измерения). Результаты измерений следует представить в виде
R X  Rи  R ,
где RX – искомое значение сопротивления резистора, Rи – измеренное значение его сопротивления, R – суммарная ошибка измерения.
Упражнение 2. Измерение сопротивлений резисторов с помощью комбинированного
прибора.
При выполнении этого упражнения необходимо определить сопротивления резисторов,
расположенных в центральном вертикальном ряду первой учебной платы. Для выполнения измерений используется комбинированный прибор (тестер). С его помощью можно
выполнять измерения сопротивлений, применяя различные диапазоны и разные схемы
включения омметра (последовательную и параллельную). Величины сопротивлений резисторов в центральном вертикальном ряду учебной платы подобраны таким образом, чтобы
в процессе выполнения упражнения было бы необходимо использовать обе схемы включения прибора. Перед началом измерений переключатель рода работы, расположенный на
лицевой панели прибора, следует установить в одно из положений, соответствующих измерению малых или больших сопротивлений. При этом комбинированный прибор будет
представлять собой омметр последовательного или параллельного включения. Затем
необходимо проверить правильность установки крайнего правого положения стрелки индикатора (против «0» или «» на шкале, в зависимости от схемы включения прибора).
При необходимости, выполняют регулировку этого положения с помощью резистора R
(рис. 1,2). Затем выполняют измерения сопротивлений каждого резистора. Если измеренное значение не превышает 100 Ом, то применяют только параллельную схему прибора.
При больших значениях сопротивление каждого резистора определяют при двух различных диапазонах измерений омметра последовательного включения. На большинстве комбинированных приборов выбор диапазонов измерений сопротивлений осуществляется
установкой переключателя пределов измерений в положение «кОм» с одним из множителей: x1; x10; x100; x1000. При этом показания прибора необходимо умножать на соответствующий множитель. Как правило, для измерения очень больших сопротивлений (более
1МОм) последовательно с комбинированным прибором необходимо включать дополнительный источник постоянного тока, величина ЭДС которого указывается в описании
прибора. В противном случае сила тока, протекающего через резистор с большим сопротивлением и подвергающаяся измерению самим прибором, будет недостаточной, чтобы
вызвать заметное отклонение стрелки индикатора. Подключив внешний источник тока,
необходимо с помощью переменного резистора R отрегулировать максимальное отклонение стрелки.
Напомним, что при изменении диапазонов измерений или схемы включения прибора
следует каждый раз проверить правильность установки «0» или «».
Выполнив измерения, необходимо определять погрешность полученных результатов
так же, как и при выполнении первого упражнения, и представить результаты всех измерений в виде
Во избежании преждевременного выхода из строя источника постоянного тока не следует на длительное время оставлять прибор включённым в режиме измерения сопротивлений.
Упражнение 3. Измерение активных сопротивлений с помощью электронно-цифрового
омметра.
При выполнении этого упражнения необходимо определить сопротивления резисторов,
расположенных в правом вертикальном ряду первой учебной платы. Для измерений используются универсальные электронно-цифровые вольтомметры. Приступать к измерения
можно лишь ознакомившись с их описаниями и инструкциями по эксплуатации.
Перед началом измерений следует, включив прибор, дать ему прогреться 1-2 минуты и
установить переключатель рода работы в положение, соответствующее измерению сопротивлений. Затем проверяют работу прибора в двух режимах: в режиме установке нуля и в
-5режиме калибровки. Переключатель режимов выведен на лицевую панель прибора. Нередко он бывает объединён с переключателем рода работы. В первом режиме на цифровом индикаторе должны высвечиваться нули. При необходимости этого добиваются вращением ручки переменного резистора «установка нуля». Допускается лишь незначительное отклонение он нулевого значения в последнем (крайне правом) цифровом разряде. Во
втором режиме на индикаторе должно высвечиваться определённое число, указанное в
описании прибора или на его корпусе. При необходимости это число устанавливается
вращением ручки соответствующего переменного резистора, против которой указан термин «калибровка».
Убедившись в нормальной работе прибора, переключатель режимов устанавливают в
положение «измерение» и подключают ко входу прибора через специальный разъём соединительный кабель, к которому, в свою очередь, поочерёдно подключают исследуемые
резисторы.
Измерения значений сопротивлений электронно-цифровым прибором будут производиться или автоматически, или по команде экспериментатора. Соответствующий переключатель также расположен на лицевой панели прибора. В первом случае на цифровом
индикаторе через равные промежутки времени будут высвечиваться измеренные значения. Длительность этих промежутков («частоту» измерений) можно регулировать вращением ручки переменного резистора «время индикации». Во втором случае измерение выполняется лишь после того, как нажата кнопка «пуск».
В силу конструктивных особенностей прибора показания индикатора могут несколько
отличаться для каждого отдельного измерения сопротивления одного и того же резистора.
Поэтому для повышения точности определения искомых сопротивлений, каждое измерение следует повторять 5-6 раз и затем находить среднее арифметическое значение. При
определении погрешности результата измерений необходимо учитывать также ошибку,
вносимую самим прибором. Её величина для каждого диапазона измерений указана в описании прибора.
Измерения сопротивлений всех резисторов, расположенных в правом вертикальном ряду учебной платы следует выполнить по крайней мере на двух различных диапазонах измерений. Все результаты измерений должны быть представлены в виде таблицы, в которой следует указать порядковый номер исследуемого резистора, использованные диапазоны измерений полученные результаты (5-6 значений) для каждого диапазона. Окончательные результаты должны быть представлены в виде
RX  Rср.  R ,
где R - суммарная ошибка результата, Rср. – среднее арифметическое значение отдельных результатов измерений для каждого диапазона.
Упражнение 4. Определение функциональной характеристики переменного резистора.
При выполнении этого упражнения используется вторая учебная плата с установленным на ней переменным резистором. Для удобства подключения приборов на платах
установлены три клеммы. Две крайние соединены с концами дужки переменного резистора, на которую нанесён токопроводящий слой. По этой дужке перемещается токосъёмная
щётка – подвижный контакт, соединённый со средней клеммой платы. Подвижный контакт закреплён на оси переменного резистора, выведенной на лицевую поверхность платы.
С этой же осью соединена стрелка, которая при повороте оси перемещается относительно
шкалы, нанесённой на плату. Сопротивление между центральной и любой из крайних
клемм зависит от положения ползунка на токопроводящем слое дужки. Зависимость этого
сопротивления от угла поворота оси (функциональная характеристика переменного резистора) может иметь вид линейной функции (рис. 4, кривая А), логарифмической функции
(рис. 4, кривая Б), показательной функции (рис. 4,кривая В) или вид функций, представленных на рис. 5 (кривые Е и И). В зависимости от вида функциональной характеристики
переменные резисторы принято называть резисторами типа А, Б, В, Е и И соответственно.
-6На рис. 4 и 5 по оси абсцисс отложена величина отношения /max, по оси ординат –
величина отношения R/Rmax, где max – полный угол поворота оси резистора (в зависимости от конструкции max может составлять 220о – 290о),  - угол поворота оси от начального положения, при котором R = 0, Rmax – сопротивление между крайними выводами
резистора (номинальное сопротивление переменного резистора), R – сопротивление между одним из крайних выводов, соединённых с концами дужки, и выводом, соединённым с
подвижным контактом.
R 100
,
Rmax 90
%
80
R 100
,
Rmax 90
Б
%
70
60
А
80
70
60
50
50
40
40
30
В
Е
30
20
20
10
10
0
И
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
/max, %
/max, %
Рис 4. Функциональные характеристики переменных резисторов типа А, типа Б и типа В.
Рис 5. Функциональные характеристики переменных резисторов типа Е и типа И.
При выполнении этого упражнения необходимо измерить сопротивления между центральной и крайними клеммами платы, соединёнными с соответствующими элементами
переменного резистора, не менее чем при 15 различных значениях угла поворота оси резистора. Для измерений применяется комбинированный прибор. При этом в зависимости
от измеряемых значений сопротивления следует использовать различные схемы включения прибора и разные диапазоны измерения. Результаты измерений должны быть представлены в виде графиков
 
Rн
 ,
 f 
Rм
 м 
где Rн – измеренное значение сопротивления между центральной и одной из крайних
клемм платы, Rм – сопротивление между крайними клеммами (номинальное
сопротивление переменного резистора),  - угол поворота оси резистора, м –
максимальный угол поворота оси. Для каждого отдельного измерения следует оценить
погрешность и указать её на графике.
Упражнение 5. Измерение активных сопротивлений с помощью моста постоянного тока.
При выполнении упражнения необходимо определить активные сопротивления различных элементов радиотехнических цепей, размещённых на третьей учебной плате. Измерения выполняются с помощью моста постоянного тока, в котором можно выбрать различные значения для отношения сопротивлений плеч моста R1/R2 (рис. 3). В качестве переменного резистора используется магазин сопротивлений, подключаемый к мосту (или
встроенный в сам прибор). Индикатором служит гальванометр, нулевое положение стрелки которого находится в середине шкалы. В зависимости от типа применяемого прибора
используется или внутренний источник постоянного тока, встроенный в сам прибор. Или
внешний – батарея, подключаемая к соответствующим клеммам прибора. Упражнение
-7начинаю с проверки начальной балансировки плеч моста. Для этого переключатель, позволяющий изменять отношение сопротивлений плеч R1 и R2, устанавливают в такое положение, при котором R1/R2 = 1, замыкают накоротко входные клеммы прибора (RX = C)
и, установив на магазине сопротивлений нулевое значение (R3 = 0), проверяют показания
гальванометра. Если они отличны от нуля, то силу тока через индикатор изменяют, вращая ручку переменного резистора, против которой на лицевой панели указано «регулировка тока», добиваясь установки стрелки против нулевого значения. Выполнив балансировку плеч моста, приступают к измерениям. Для этого к входным клеммам моста подключают объект, сопротивление которого необходимо измерить. Включив гальванометр
параллельно с шунтом (это происходит при замыкании контактов кнопочного выключателя «измерения грубо»), изменением величины сопротивления R3 (изменением сопротивления магазина) добиваются приблизительной балансировки моста. Если этого не удаётся
сделать, то следует изменить величину отношения сопротивлений плеч R1/R2, выбрав его
таким, при котором можно добиться приблизительного баланса моста. Для большинства
измерительных мостов постоянного тока величину отношения R1/R2 можно выбрать
кратной десяти: 10-2, 10-1, 1, 101, 102. Соответствующий переключатель, с помощью которого осуществляется подключение в плечи моста различных резисторов, выводится на лицевую панель прибора.
После того, как выполнена предварительная балансировка моста, гальванометр подключают непосредственно в цепь замыканием кнопочного выключателя «измерение точно». Изменяя в небольших пределах величину сопротивления R3, добиваются
окончательной установки стрелки индикатора против нулевого значения. Определив
величину сопротивления с учётом значения отношения сопротивлений плеч R1 и R2,
находят значение исходного сопротивления RX. Погрешность полученного результат
определяется погрешностями в определении величин сопротивлений плеч моста (резисторов R1 и R1) и величины сопротивления R3, которые указаны в описании используемых
измерительных мостов.
Выполнив измерения сопротивлений всех элементов, расположенных на третьей учебной плате, и определив погрешность измерений, результаты представляют в виде
R X  Rи  R ,
где Rи – измеренное значение его сопротивления, R – ошибка измерения.
По указанию преподавателя сопротивление одного или нескольких элементов, расположенных на третьей учебной плате, измеряют с помощью электронно-цифрового омметра так же, как и при выполнении третьего упражнения. Результаты измерения сопоставляют с результатами, полученными при выполнении этого упражнения (упражнение 5). В
случае получения различных результатов, причины этих различий следует объяснить.
При подготовке и оформлении отчёта о проделанной работе необходимо сопоставить
друг с другом величины погрешностей результатов измерений сопротивлений различными методами, использованными при выполнении упражнений в данной задаче.
Замечания по задаче № 1
1) Упражнения № 1 и 2 выполняются одним и тем же прибором - тестером
2) Упражнение № 4 (с переменным резистором) не выполняется
*