Лабораторна робота № 1 Основні радіоелектронні вимірювання та вимірювальні прилади (стор.
| З-за великого обсягу цей матеріал розміщений на декількох сторінках: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 |
Лабораторна робота №1
ОСНОВНІ РАДІОЕЛЕКТРОННІ ВИМІРИ ТА ВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИЛАДИ
Вивчення пристрою, принципу дії та застосування вимірювальних генераторів, осцилографів, вольтметрів, частотомірів.
2. Короткі теоретичні відомості
2.1. Загальні відомості про вимірювання та вимірювальні прилади.
Радіоелектронні вимірювання та радіовимірювальні прилади широко використовуються в роботі фізика-експериментатора та інженера-дослідника будь-якої спеціальності. Вимір - це знаходження значення фізичної величини досвідченим шляхом за допомогою спеціальних технічних засобів. У радіоелектроніці об'єктами вимірювань є параметри та характеристики радіоелектронних ланцюгів та сигналів, а засобами вимірювань є радіовимірювальні прилади. Радіоелектронні виміри мають такі особливості.
1. Різноманітність характером.
З цього погляду радіоелектронні вимірювальні прилади поділяються на чотири групи:
Перша група – вимірювальні генератори. Вони служать для імітації сигналів при налагодженні та налаштуванні радіоелектронної апаратури, вимірювання деяких параметрів сигналів методами порівняння, живлення та калібрування вимірювальної апаратури.
Друга група – прилади для вимірювання параметрів та характеристик сигналів. Особливістю цієї групи приладів є необхідність подачі на вхід приладу сигналів, що вимірюються. На виході приладу виходить кількісна інформація про те чи іншепараметр сигналу. До цієї групи належать такі вимірювальні прилади, як осцилографи, електронні вольтметри, частотоміри, фазометри, аналізатори спектра та ін.
Третя група - прилади для вимірювання характеристик та параметрів чотириполюсників, а також різних вузлів радіоелектронних схем. Особливістю приладів цієї групи є наявність у них генераторів сигналів певної форми, що живлять досліджуваний чотириполюсник або вузол, і вимірювальних пристроїв, що дозволяють оцінювати проходження цих коливань через чотириполюсник або вузол. Прикладом приладів третьої групи є вимірювальні мости, Q-метри, вимірювачі частотних характеристик (характеріографи) та ін.
Четверта група – елементи вимірювальних схем. До неї відносяться виконані окремо і прокалібровані атенюатори, фазообертачі, вимірювальні трансформатори та ін.
2. Широкий діапазон вимірювальної величини, що іноді досягає 10-12 порядків.
3. Мала потужність вимірюваних сигналів.
У процесі вимірювання визначається величина порівнюється з відомою величиною, прийнятою за одиницю і званою зразковою мірою. Для цього шкала вимірювальних приладів калібрується. При вимірі знімається відлік — число, яке вказує індикатор приладу. Показання - фізична величина, що відповідає відліку та одержувана в результаті множення відліку на переказний множник.
2.2. Вимірювальні генератори.
У вимірювальному генераторі частота, форма і напруга сигналу, що імітується, встановлюються рівними необхідному значенню і можуть перебудовуватися в широких межах. За формою вихідних сигналів вимірювальні генератори поділяються на генератори синусоїдальних сигналів, генератори імпульсних сигналів та генератори шумових сигналів.
Генератори синусоїдальних сигналіву свою чергу поділяються на низькочастотні (звукові) з частотою 20 Гц ÷ 200 кГц, високочастотні з частотою 100 кГц ÷ 30 МГц і надвисокочастотні.
Звукові генератори (ГЗ) виробляють сигнал напругою від десятків мікровольт до 30 вольт. Ці генератори зазвичай виконані за багатокаскадною схемою (рис. 1), що дозволяє усунути вплив навантаження на стабільність сигналу, що виробляється і отримати на навантаженні достатню потужність. Задає генератор зазвичай є двокаскадний RС-автогенератор з ланцюжком Вина у зворотному зв'язку. Ступінчаста зміна частоти здійснюється перемиканням ємності С, а плавне - зміною опору R. Широкосмуговий підсилювач являє собою двотактний підсилювач потужності, пов'язаний із автогенератором, що задає, через фазоінверсний каскад.
Мал. 1. Структурна схема генератора синусоїдальних сигналів
Далі сигнал надходить на вихідний пристрій, що складається з атенюатора та узгоджувального пристрою. Атенюатор - дільник напруги з коефіцієнтом ослаблення сигналу, що не залежить від частоти. Вихідний атенюатор змінює напругу ступенями, а в межах кожного ступеня (діапазону) плавне регулювання здійснюється в широкосмуговому підсилювачі. Вимірник напруги включений до виходу підсилювача, що спрощує його конструкцію, так як в цьому випадку він працює тільки в одному діапазоні напруг сигналу. Напруга на виході дорівнює напрузі на вимірнику, помноженому на коефіцієнт розподілу атенюатора. Для стабільності коефіцієнта поділу атенюатора навантаження з його виході має бути постійної (зазвичай 600 Ом). При відмінності опору навантаження від цього значення воно узгоджується з атенюатором за допомогою узгоджувального пристрою, що складається зтрансформатора та внутрішнього навантаження. Внутрішнє навантаження включається, якщо опір навантаження з урахуванням коефіцієнта трансформації значно перевищує 600 Ом. Трансформаторний вихід, крім того, дозволяє отримати симетричний вихід. У разі заземляється середина вторинної обмотки вихідного трансформатора. При вимірах часто використовується не напруга сигналу, яке рівень в децибелах, який визначається за формулою:
За нульовий рівень приймають найчастіше таку напругу U0, яка на опорі 600 Ом створює розсіювану потужність 1 мВт. Іноді за нульовий рівень приймають напругу, що дорівнює одному вольту.
Генератори стандартних сигналів (ГСС, група Г4)видають калібровані за частотою, вихідною напругою та формою синусоїдальні сигнали високої частоти (несучої), які можуть бути промодельовані як від внутрішнього, так і від зовнішнього генератора низької частоти. Джерелом високочастотної напруги є автогенератор високої частоти, що перебудовується (рис. 2), який являє собою LС-генератор синусоїдальних коливань.
Мал. 2. Структурна схема генератора стандартних сигналів
Підсилювач-модулятор являє собою підсилювач високої частоти, який у режимі модуляції виконує функції модулятора. Вихідний пристрій складається з плавного атенюатора, потім ступінчастого та іноді виносного дільника, що знаходиться на кінці кабелю. Положення плавного атенюатора калібрується за допомогою шкали. Вимірювач напруги несучої та глибини модуляції є електронним вольтметром з детекторами високочастотного (ВЧ) і низькочастотного (НЧ) сигналів. Вихідний опір ГСС у більшості випадків становить десятки Ом та узгоджено з кабелем.
Генератори імпульсів(ГІ,група Г5) є джерелом імпульсних сигналів певної форми (найчастіше прямокутної). Схема типового ГІ наведено на рис. 3. генератор, Що Задає, виробляє імпульси, необхідні для запуску блоку формування імпульсів, а також для виходу синхроімпульсів від даного приладу. Як генератор, що задає, можуть використовуватися автогенератори синусоїдальних коливань з наступним двостороннім обмеженням або релаксаційні генератори. Запуск формувача основного імпульсу здійснюється з затримкою в часі щодо виходу імпульсу синхронізації. Затримка основного імпульсу щодо імпульсу синхронізації широко використовується під час застосування генераторів. Так, при використанні осцилографа синхроімпульсом запускається розгортка осцилографа, а основний імпульс подається на схему, що досліджується, і через неї на осцилограф. При цьому на екрані осцилографа добре видно фронт фронту імпульсу.
Мал. 3. Структурна схема генератора імпульсів
Принцип дії блоку формування імпульсів ось у чому. Запускаючий імпульс, надаючи релаксатор і викликаючи його перекидання, формує передній фронт вимірювального імпульсу. Одночасно запускаючий імпульс, проходячи через внутрішню лінію затримки, що дорівнює тривалості імпульсу τ, подається на інший вхід даного релаксатора, викликаючи його перекидання в початковий стан і тим самим формуючи задній фронт основного імпульсу тривалістю τ. Вихідний підсилювач є широкосмуговим підсилювачем, що забезпечує отримання на виході вимірювальних імпульсів потрібної амплітуди. Вихідний пристрій складається з фазоінверсного каскаду для отримання на виході імпульсів потрібної полярності, емітерного повторювача для забезпечення заданої величини внутрішнього опоругенератора та атенюатора. Вимірники амплітуди працюють зазвичай за методом порівняння із зразковою напругою.
2.3. Електронно-променеві осцилографи.
Осцилограф призначений для візуального спостереження електричних сигналів та вимірювання їх параметрів. Це універсальний прилад, що дозволяє вимірювати напругу, частоту, різницю фаз, часові інтервали та інші параметри сигналів. На рис. 4 наведено структурну схему осцилографа. Основним вузлом осцилографа є електронно-променева трубка, що формує вузький електронний промінь, що потрапляє на люмінесцентний екран і описує форму досліджуваного сигналу, що подається на вертикально відхиляють пластини за умови, що на горизонтально відхиляють пластини подано лінійно змінюється напруга, постійною швидкістю, тобто прямо пропорційно часу. Формування електронного променя здійснюється модулятором (М), що працює за аналогією з сіткою електронної лампи, що управляє, і регулюючим кількість електронів у промені (яскравість). Аноди A1 та А2 призначені для фокусування електронів на екрані трубки. Анод АЗ служить для збільшення швидкості електронів у промені, що важливо для збудження люмінофора екрану.