Принципы радиоизмерений Исследование стабилизированного выпрямителя Исследование усилительных каскадов Расчет трехфазной цепи Исследование нелинейных цепей постоянного тока Исследование электрических фильтров

Лабораторные работы по электронике и электротехнике

 Лабораторная работа №1.

Принципы радиоизмерений (авометры, аналоговые и цифровые вольтметры, осциллографы и измерительные генераторы)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Знакомство с устройством и принципом действия авометра и лампового вольтметра, осциллографа, генератора стандартных сигналов, генератора прямоугольных импульсов; получение навыков из­мерения различных электрических величин с помощью этих приборов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 2.1. Авометры (тестеры)

Постоянные и переменные напряжения и токи, а также размер соп­ротивлений можно измерить авометром- универсальным многопредельным прибором для измерения токов, напряжений и сопротивлений. В совре­менных авометрах в качестве измерителя обычно применяют прибор маг­нитоэлектрической системы, ток полного отклонения стрелки которого не более 100 мкА. Многопредельность прибора достигается подключени­ем через многоконтактный переключатель к измерительному стрелочно­му прибору определенного набора дополнительных сопротивлений в слу­чае режима вольтметра (рис.2.1) или определенного набора шунтов в случае режима амперметра (рис. 2.2).

Рис. 2.1 Принципиальная схема Рис.2.2 Принципиальная схема

 многопредельного вольтметра многопредельного амперметра

2.1.1. Измерение постоянных и переменных напряжений авометром

При использовании авометра в режиме вольтметра его следует подключить к исследуемому участку цепи параллельно. При этом внут­реннее (входное) сопротивление прибора, подключенное параллельно, шунтирует исследуемый участок цепи, т.е. суммарное сопротивление рассматриваемого участка уменьшается. Это приводит к увеличению тока через цепь и вольтметр поэтому покажет меньшее напряжение, чем было в действительности до его подключения (рис.2.3).

 

Действительно, в цепи схемы до

подключения вольтметра протекал ток I=E/(Ri+R), где E — ЭДС источника; Ri — внутреннее сопротивление источника. При этом напряжение на резисторе R составля­ет U - IR = ER/(Ri + R).

  Рис. 2.3.

После подключения вольтметра с внутренним сопро­тивлением Rv сопротивление внешней цепи (относитель­но источника энергии) уменьшается и становится равным RRV/(R+Rv) < R, вследствие чего ток в неразветвленной цепи увеличивается. Из-за увеличения тока в неразветвленной части цепи возрастает падение напряжения на внутреннем сопро­тивлении источника Ri и соответст­венно уменьшается падение напря­жения на резисторе R. Таким об­разом, за счет подключения вольт­метра падение напряжения на ре­зисторе R уменьшается и показа­ние вольтметра Uv оказывается меньше падения напряжения на нем при отключенном вольтметре.

Погрешность будет тем значительнее, чем меньше входное сопротивление вольтметра по сравнению с сопротивлением того участка цепи, который он при изме­рении шунтирует. Чтобы эта погрешность была возможно меньшей, вход­ное сопротивление вольтметра должно быть по крайней мере в 10-20 раз больше сопротивления участка цепи. Но и такого входного сопро­тивления часто бывает недостаточно, потому что вольтметр может не только изменить общее сопротивление измеряемого участка, но и вооб­ще изменять характер работы каскада, особенно если цепь содержит нелинейный участок, как это имеет место, например, при измерении напряжения на коллекторе транзистора. В этом случае измерения будут вообще далеки от действительности.

Таким образом, для достаточно точного измерения напряжения на участке цепи необходимо знать входное сопротивление прибора. Оно определяется наибольшим током его стрелочного прибора Iип. Зная этот ток, нетрудно определить RВх вольтметра на данной шкале:

,

где  Umax - верхний предел, напряжения на данной шкале.

Очевидно, что на разных пределах измерения входное сопротивле­ние вольтметра различно, поэтому и погрешности измерений, обуслов­ленные его щунтирующим действием, будут на разных шкалах неодинако­выми . 

Известно, что точность стрелочных приборов определяется клас­сом точности. Стрелочные измерительные приборы изготавливают 8 клас­сов точности от 0,05 до 4,0 (0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1,0, 1,5, 2,5 и 4,0). Номер класса характеризует относительную погрешность прибора в процентах, отнесенную к предельному значению шкалы.

Если, например, прибор на шкале 10 В имеет класс точности 1,5, то это означает, что при отклонении стрелки прибора на всю шкалу (до отметки 10 В) он будет иметь относительную погрешность 1,5%, а абсолютную

∆U=

Эту абсолютную ошибку в 0,15 В прибор может допустить в любой точке шкалы. Но если по отношению к 10 В (на отметке шкалы 10 В) ошибка составит всего 1,5 %, то на отметке 0,5 В ошибка будет равна 30 %. Поэтому надо предпочитать такой предел измерений, при котором стрелка отклоняется до последней трети шкалы.

Итак, входное сопротивление вольтметра должно быть как можно больше, У современных авометров в режиме вольтметра входное сопро­тивление составляет от 10 до 20 и даже до 50 кОм на I В шкалы. Одна­ко в высокоомных цепях, потребляющих малые токи, как, например, в цепи базы транзистора, такого входного сопротивления недостаточно. : Для таких измерений нужны электронные вольтметры, обладающие вход­ным сопротивлением (5÷10) МОм и более.

Таким образом, для измерений на­пряжений следует пользоваться вольт­метрами с достаточно большими входными сопротивлениями. Вольтметры подразделяют на две группы — не имеющие и имеющие электронные усилители. У прибо­ров, не содержащих усилителей, входное сопротивление ма­ло, поэтому их применение для измерения напряжений в ра­диотехнических цепях ограничено. Вольтметры со специаль­ными усилительными устройствами называют электрон­ными. Такие вольтметры имеют большие входные сопротив­ления и потребляют во входной цепи очень малую мощность, обладают небольшой входной емкостью (рис. 2.3), что дает возможность измерять напряжения в широком диапа­зоне частот. Комплексное входное сопротивление вольт­метра

ZВх=

  = (2.1)

откуда модуль входного сопротивления

  ZВх=. (2.2)

Из выражений (2.1) и (2.3) следует, что с увеличением частоты входное сопротивление вольтметра уменьшается из-за снижения емкостного сопротивления. Следовательно, чем меньше входная емкость, тем больше частота, на кото­рой входное сопротивление прибора еще достаточно велико. В электронных вольтметрах входное резистивное сопротив­ление составляет единицы (иногда десятки) мегаОм, а вход­ная емкость — десятки пикофарад. Такими приборами мож­но, измерять напряжения в диапазоне от десятков герц до единиц—десятков (при малых входных емкостях до сотен) мегагерц. Наличие электронного усилителя позволяет изго­товлять приборы многопредельными, причем входное сопро­тивление на каждом пределе измерения оказывается доста­точно большим (у приборов, не имеющих усилителей, с уменьшением номинального напряжения входное сопротив­ление прибора, как правило, снижается).

Уточним, каким образом следует правильно выбирать пределы измерений напряжений. Каждый вольтметр харак­теризуется классом точности прибора К и номинальным на­пряжением Uном, которое можно измерить на данном пре­деле. При измерении напряжения U возникает погрешность, обусловленная несовершенством работы прибора: δ = βK =

 Таким образом, чем ближе измеряемое напря­жение U к номинальному Uном , при прочих равных условиях меньше погрешность δ. (Не путайте погрешность, обусловленную несовершенством работы измерительной ап­паратуры, с методической погрешностью, вызванной реак­цией прибора на измерительную цепь.) Следовательно, при­боры и их пределы измерений следует выбирать так, чтобы при измерении стрелка отклонялась на возможно больший угол. В современных электронных вольтметрах пределы из­мерений изменяются через  (округленно 3), поэтому их часто выбирают по схеме 1—3—10—30—100... и т. д. В этом случае всегда можно подобрать предел, при котором β <3, а погрешность δ≤3К.

У электронных вольтметров имеются два входных зажима, к которым подводится измеряемое напряжение U.

Линейная непрерывная развертка Для того, чтобы получить на экране осцилллографическое изобра­жение исследуемых процессов используется второе напряжение, обеспе­чивающее перемещение пятна на экране в горизонтальном направлении

Измерительные генераторы представляют собой маломощные источники переменных напряжений с регулируемой амплитудой и частотой. По диапазону генерируемых частот их разделяют на звуковые и высокочастотные

 


Исследование выпрямителя однофазного и трехфазного токов