Методичка к лабораторной работе № 4: Исследование электронных вольтметров

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение принципов построения, основных характеристик и особенностей электронных вольтметров; выяснение возможностей их применения в различных условиях.

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

Ознакомиться с функциональными схемами электронных вольтметров, изучить основы резонансного метода измерения параметров цепей, сделать заготовку отчета, изучить контрольные вопросы.

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

1. Снять частотную и амплитудную характеристики выпрямительного вольтметра.

• Измерить

Rвх , Свх

вольтметров типа В3-38 и В7-17 (В7-26).

ра.

• Снять частотную характеристику вольтметра типа В3-38.
  • Снять амплитудную и частотную характеристики пикового детекто-

• Исследовать временные диаграммы напряжений на элементах пико-

вого детектора при синусоидальном и импульсном входных сигналах (по указанию преподавателя). Рассчитать постоянную разряда конденсатора.

• Исследовать осциллограммы напряжений на элементах детектора размаха при различных входных сигналах (по указанию преподавателя).
  • Снять амплитудную характеристику квадратичного детектора.

УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ

Снятие частотной и амплитудной характеристик выпрямительного вольтметра

Для исследования частотной и амплитудной характеристик выпрями- тельного вольтметра собрать схему, изображенную на рис. 1.

Выпрямительный вольтметр представляет собой двухполупериодный выпрямитель, собранный на диодах VD₁ ¸ VD₄ по мостовой схеме, добавоч-

ный резистор

R₁ и измерительный прибор ИП магнитоэлектрической систе-

мы. В качестве последнего используется ампервольтомметр типа Ц-20 (в ре- жиме миллиамперметра постоянного тока на пределе 3 мА).

Источником синусоидальных сигналов служит низкочастотный генера- тор типа GAG-810. В качестве образцового используют электронный вольт- метр типа В3-38, с помощью которого при снятии частотной характеристики необходимо поддерживать амплитуду напряжения генератора, являющегося

входным (Uвх ) для исследуемого вольтметра, неизменной и равной Uвх = 4 В

= const. Частотную характеристику снимают дважды:

а) при отключенной корректирующей емкости Ск

(ключ в верхнем по-

ложении) – выпрямительный вольтметр без частотной коррекции;

б) при включенной корректирующей емкости Ск

(ключ в нижнем по-

ложении), образующей вместе с резистором

R₁  корректирующую   RC —

цепочку, – выпрямительный вольтметр с частотной коррекцией.

Результаты измерений выходного напряжения U=    выпрямительного преобразователя для различных частот занести в табл. 1.

Таблица 1

(Uвх = 4 В = const)

Амплитудную характеристику выпрямительного вольтметра снимают

для различных значений входного напряжения

Uвх

при фиксированном зна-

чении частоты F = 1000 Гц (корректирующая емкость Cк

отключена, т.е.

ключ в верхнем положении). Результаты измерений занести в табл. 2.

Таблица 2

Измерение входного сопротивления Rвх и входной емкости Cвх электронного вольтметра типа В7-17 (или типа В3-38)

• Измерение входной емкости электронных вольтметров произво- дится по схеме, изображенной на рис. 2 (при этом ключ замкнут – нижнее положение).

На  схеме   обозначено:

L₀ = 12   мкГн   –   образцовая  индуктивность;

C₀ = (24…700) (на каждом рабочем месте установлено свое значение емко- сти). Для измерения настраивают генератор типа GRG-450B в резонанс (из-

меняют частоту генератора) с частотой контура, состоящего из элементов L₀

и Cк

(суммарная емкость контура), что фиксируется по максимальному пока-

к

занию вольтметра. При этом частота генератора дет равна:

f₁ (примерно 2…7 МГц) бу-

f1 =

1       , С

= С0

• Сп + Свх1

• Свх 2

,                          (1)

где C0

устанавливается вблизи своего минимального значения (50…100 пФ);

CП   – паразитная емкость монтажа;

Свх1 и

Свх 2

– входные емкости вольтмет-

ров В7-17 и В3-38 соответственно.

Затем один из вольтметров, входная емкость которого измеряется, на- пример В3-38, отключается. При этом контур расстраивается, поскольку ем-

кость контура станет равной:

Ск = С0 + Сп + Свх1 . После этого генератор вновь

настраивают в резонанс с частотой контура, которая будет равна

f₂ . По зна-

чениям частот

f1 и

f₂ находят входную емкость отключенного вольтметра

В3-38 в соответствии с выражением:

1    æ f ² — f ² ö

ç                               ÷вх 2

С    =             2              1       .                                      (2)

4π ²L     f ² f ²

0 è    1     2      ø

Аналогично находят входную емкость другого вольтметра.

• Измерение входного сопротивления

Rвх

электронного вольтметра

осуществляют по схеме на рис. 2 (при этом ключ разомкнут – верхнее поло-

жение).

К контуру, состоящему из элементов

L0 и

C₀ , подключают образцовый

вольтметр (в данном случае В7-17) и при замкнутом ключе (нижнее положе- ние) настраивают генератор в резонанс с частотой контура и фиксируют зна-

чение напряжения U1 на емкости Cк

контура:

U1 =

e ×   1

r   ωС

,                                               (3)

к             к

где e – э.д.с., наводимая в контуре, постоянная по амплитуде при постоянном

значении Uвых

генератора GRG-450B; rк

– сопротивление потерь контура.

Затем в контур включают малое сопротивление

Rx = 40 Ом (ключ в

верхнем положении), что вызывает увеличение сопротивления потерь

rк + Rx

и некоторую расстройку контура. После настройки резонанса (изменением

частоты генератора или емкости ным:

C₀ ) показание вольтметра В7-17 станет рав-

e

1

U2 = r + R × ωС

.                                           (4)

Из выражений для U₁ и U₂

к           x             к

определяют значение rк

по формуле:

r = R

U2      .                                              (5)

к           x U

₁ — U2

Далее необходимо вновь перевести ключ в нижнее состояние (отклю-

чить

Rx ) и подключить к контуру входное сопротивление

Rвх

исследуемого

вольтметра (например, В3-38). После настройки контура в резонанс получа- ют следующее значение напряжения на контуре, которое необходимо зафик- сировать:

e

U3 = r  + r

×   1   ,                                           (6)

ωC

где

rЭВ

к        ЭВ             к

• вносимое в контур исследуемым вольтметром сопротивление по-

терь, значение которого определяют по формуле:

r    = r U1 — U3 .                                             (7)

U

ЭВ        к

3

По найденному значению ние исследуемого вольтметра:

rЭВ

можно рассчитать входное сопротивле-

вх

R   = L0 × 1

.                                               (8)

Cк     rЭВ

Емкость контура Cк

контура.

легко найти по значению

L₀ и резонансной частоте

Для определения входного сопротивления вольтметра В7-17 проделы- вают все те же операции, считая при этом В3-38 образцовым прибором.

Снятие частотной характеристики вольтметра типа В3-38

Частотную характеристику электронного вольтметра типа В3-38 снимают по схеме рис. 4.

Вольтметр типа В7-17 используется в качестве образцового, с помощью которого поддерживается постоянное значение амплитуды входного напряжения. Значения частот и соответствующие им показания исследуемого вольтметра В3-38 (Ux ) занести в табл. 3 и построить АЧХ.

Таблица 3

Снятие частотной и амплитудной характеристик пикового детектора

Снятие частотной и амплитудной характеристик пикового детектора с открытым (или с закрытым) входом производится по схеме, изображенной на рис. 5.

Частотная характеристика снимается в диапазоне частот (20…2·10⁵) Гц

(генератор типа GAG-810). Амплитуда входного напряжения

Uвх

пикового

детектора поддерживается постоянной и равной

Uвх = 4 В с помощью вольт-

метра типа В3-38. Выходное напряжение детектора

Uвых

измеряется с помощью электронного вольтметра постоянного напряжения ЭВПН (на стенде – ламповый вольтметр). Результаты эксперимента занести в табл. 4.

Таблица 4

Амплитудную характеристику снимают для трех фиксированных час- тот 10², 10³ и 10⁴ Гц. Результаты экспериментов занести в табл. 5. Построить частотную и амплитудные характеристики пикового детектора.

Таблица 5

Исследование временных диаграмм напряжений на элементах пикового детектора. Расчет постоянной разряда τ разр конденсатора

Получить и зарисовать осциллограммы напряжений на элементах пикового детектора, используя схему на рис. 5 (частоту и форму входного сиг- нала выбрать по указанию преподавателя). По осциллограммам рассчитать

постоянную времени разряда конденсатора браженной на рис. 6, и выражением:

—

τ разр , пользуясь моделью, изо-

t

m                          m

U   — DU = U   e ^τ разр ,                                         (9)

где Um

• амплитудное значение входного сигнала; DU

• амплитуда пульса-

ции. Тогда

τ        = t

1         ,                                       (10)

разр

1 ln     Um Um — DU

где t1

• время разряда конденсатора (рис. 6,а,б).

При наблюдении пульсирующего напряжения на выходе пикового де-

тектора (Uвых ) осциллограф С1-72 необходимо перевести в режим работы с закрытым входом и, увеличивая чувствительность, получить на экране ос- циллографа четкое изображение пульсаций, как это показано на рис. 6,б.

U

а                                                                        t

Uвых

б

t

б — увеличенное изображение выходного напряжения (вход осциллографа — закрытый)

Исследование осциллограмм напряжений на элементах детектора размаха при различных входных сигналах

Изучение форм сигналов на элементах детектора размаха при различ- ных входных сигналах производят с помощью схемы согласно рис. 7.

Детектор размаха состоит из двух последовательно соединенных пиковых детекторов: C₁, VD₁ (с закрытым входом) и VD₂, C₂ (с открытым вхо- дом). Для изучения детектора размаха получить и зарисовать осциллограммы в точках “1”, “3”, “5”.

Снятие амплитудной характеристики квадратичного детектора

Для снятия амплитудной характеристики квадратичного детектора собрать схему, изображенную на рис. 8.

состоит из резисторов R₁, R₂ и диодной цепочки, диоды VD₁ ¸ VD₄ которой питаются через резистивные делители R₃-R₇, R₄-R₈, R₅-R₉, R₆-R₁₀ от источника напряжения 0…15 В блока питания БП лабораторного стенда.

Входное переменное напряжение Uвх

(в частности, синусоидальное на-

пряжение от генератора типа GAG-810), которое измеряется электронным вольтметром типа В3-38, подается на двухполупериодный выпрямитель. Вы-

Uвых

прямленное напряжение поступает на вход квадратичного детектора (клем- мы “1” и “2”) и на вход “Х” осцилло- графа ОСУ-20. Выходное напряже-

ние

Uвых

квадратичного  детектора,

U₁               U₂         U₃

Uвх

снимаемое с резистора R₁ (клеммы “3” и “4”), подается на вход “Y” ос- циллографа и на электронный вольтметр постоянного напряжения ЭВПН лабораторного стенда.

Подбирая параметры входного напряжения Uвх и чувствительность по входу “Y” осциллографа, получаем на экране изображение амплитудной характеристики квадратичного детектора, имеющей несколько (три — четыре) изломов, как это показано на рис. 9. Показаниями электронного вольтметра В3-38 зафиксировать напряжения изломов. Задавая значения входного напряжения (частота F = 1000 Гц), измерить соответствующие им значения выходного напряжения. Данные экспериментов занести в табл. 6. По данным таблицы построить амплитудную характеристику квадратичного детектора и сравнить ее с полученной на осциллографе.

Таблица 6

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие вам известны схемные решения выпрямительных вольтметров?
2. Чем определяется нелинейность выпрямительных приборов?
3. От чего зависит частотная погрешность выпрямительного вольтметра? Как расширить полосу пропускания выпрямительного прибора?
4. Какие вам известны структурные схемы электронных вольтметров?
5. На что влияют значения входных параметров вольтметров?
6. Почему входное сопротивление у вольтметра В7-17 больше, чем у В3-38?
7. Почему у вольтметра В7-17 при использовании высокочастотного пробника входная емкость существенно меньше, чем при подключении соединительными проводниками?
8. В чем отличие пикового детектора с открытым входом от детектора с закрытым входом? В каких вольтметрах и для измерения каких параметров используются эти детекторы?
9. Чем определяется погрешность измерения при использовании пикового детектора?
10. В чем проявляются особенности работы детектора размаха? Какое практическое применение детектора размаха?
11. Поясните принцип работы квадратичного детектора на диодной це- почке.
12. Какой параметр переменного напряжения измеряют с помощью квадратичного детектора? Чем определяются погрешности вольтметра с квадратичным детектором на диодной цепочке?

ПРИЛОЖЕНИЕ

Органы управления и контроля генератора GAG-810

1. Лампа загорается, когда переключатель POWER находится в поло- жении ON (включено).
2. POWER SWITCH (переключатель питания). Этот переключатели включает и отключает питание.
3. ATTENUATOR (аттенюатор). Обеспечивает ослабление выходного сигнала с соответствующим шагом.
4. OUTPUT TERMINAL (выходной разъем). Выходной разъем ис- пользуется как для синусоидальной, так и для прямоугольной волны.
5. WAVE FORM. Переключатель формы выходной волны.
6. FREQ. RANGE. Переключатель диапазона частоты генерации.
7. AMPLITUDE. Регулятор амплитуды выходного напряжения.
8. FREQUENCY DIAL (шкала частот). Шкала регулирует частоту ге- нерации. Вы можете считывать частоты, умножая на шкале коэффициент FREQ. RANGE.
9. DIAL SCALE. Указатель обозначает частоты на шкале.

Органы управления и контроля генератора GRG-450B

1. Переключатель питания. Нажмите для включения генератора.
2. Сигнальная лампа. Горит непрерывно, когда генератор включен.
3. Переключатель INT/EXT. Положение INT обеспечивает внутренне моделированный выход 1кГц. Положение EXT обеспечивает внешне моду- лированный выход.
4. INPUT/OUTPUT. Для внешней модуляции входа или выхода с внутреннего осциллографа 1кГц.
5. INT MOD AMPLITUDE. Регулирование модулированного процен-та.

• Hi/L0, Fine. Устанавливает уровень выхода ВЧ-диапазона; при ус-

тановки L0 выход снижается на 1/10. Fine непрерывно регулирует напряже- ние выхода ВЧ-диапазона.

• RF OUTPUТ. Разъем для выходного сигнала.
• Freq monitor. Контроль частоты выхода ВЧ-диапазона.
• RANGE. Переключатель частотного диапазона для выходного сиг-

нала.

1. Частотная шкала. Показывает частоту выходного сигнала. Исполь-

зуется масштаб, соответствующий положению переключателя RANGE.

Органы управления и контроля частотомера GFC-8131H

1. Power. Нажатие кнопки (On) обеспечивает включение частотоме- ра. Нажатие кнопки (Off) обеспечивает выключение частотомера.
2. Reset. Сброс показаний частотомера на ноль и начало нового цикла измерений.
3. FREQ A. Выбирается режим измерения частоты по каналу А.
4. PRID A. Выбирается режим измерения периода по каналу А.
5. FREQ В. Выбирается режим измерения частоты по каналу В.
6. GATE TIME. Индикатор включается, когда начинается измерение.
7. GATE TIME. Регулятор плавной установки времени счета.
8. TRIG LEVEL. Индикатор мигает при включении/выключении схе- мы запуска. Светится непрерывно, если уровень входного сигнала больше или меньше уровня запуска.
9. TRIG LEVEL. Установка уровня запуска.
10. LPF/ON. Включение (ON) в канале А фильтра низких частот с час- тотой среза 100 кГц.
11. ATT х1/х20. Включение/ выключение входного аттенюатора в ка- нале А. (х1 – сигнал поступает на входной усилитель без изменений; х20 – сигнал предварительно ослабляется на 20 дБ).
12. COUP DC/AC. Выбирается тип входа канала А (DC – открытый; АС – закрытый).
13. INPUT А. Разъем для канала А.
14. INPUT В. Разъем для канала В.
15. s. Индикатор единицы измерения периода (секунда).
16. Hz. Индикатор единицы измерения частоты (герц).
17. Индикаторы множителей для единицы измерения.
18. Дисплей, отображающий результат измерения.
19. OVFL. Индикатор переполнения показывает, что один или более старших разрядов не отображаются.

Органы управления и контроля осциллографа ОСУ-20

1. FOCUS. Регулировка фокуса изображения.
2. INTEN. Регулирует яркость изображения.
3. х5. Увеличение чувствительности в 5 раз.
4. POSITION. Регулировка положения луча канала 1 по вертикали.
5. MODE. Переключатель режима работы усилителя (CH1 – на экране наблюдается сигнал канала 1; СН2 – на экране наблюдается сигнал канала 2; DUAL – одновременное наблюдение на экране сигналов 1 и 2 каналов; ADD

– на экране наблюдается алгебраическая сумма или разность (при нажатии кнопки СН2 INV) сигналов 1 и 2 каналов.

• INV CH2. Инвертирование сигнала в канале 2.
• POSITION. Регулировка положения луча канала 2 по вертикали.
• SLOPE. Переключатель полярности синхронизирующего сигнала («+» – развертки синхронизируются положительным перепадом исследуемо- го сигнала; «–» – развертки синхронизируются отрицательным перепадом исследуемого сигнала).
• TRIG LEVEL. Выбирает уровень исследуемого сигнала, при кото- ром происходит запуск развертки.
• POSITION. Перемещает изображение по горизонтали.
• х10. Скорость развертки увеличивается в 10 раз.
• VARIABLE. Обеспечивает плавную регулировку коэффициента развертки.
• CAL или VAR
• MODE. Выбор режима работы запуска развертки (AUTO – автоко- лебательный режим; NORM – развертка запускается только при наличии входного сигнала; TV-V – синхронизация по вертикали; TV-H – синхрониза- ция по горизонтали).

1. TIME/DIV. Устанавливает коэффициент развертки по ступеням. В положении Х-Y обеспечивается наблюдение фигур Лиссажу.
2. POWER. Включение осциллографа.
3. PROBE-5V_P-P.
4. TRIGGER SOURCE. Выбор источника синхронизации (VERT – развертка синхронизируется от каналов 1 или 2; СН1 – развертка синхрони- зируется сигналов от канала 1; EXT – развертка синхронизируется внешним сигналов; LINE – развертка синхронизируется от питающей сети).
5. EXT TRIG IN. Разъем для внешней синхронизации.
6. VARIABLE. Плавное изменение коэффициентов отклонения кана- ла 2. Установка в крайне правое положение обеспечивает калибровочное значение положений переключателя VOLTS/DIV.
7. AC-DC-GND. Переключатель режима входов усилителя канала 2 (AC – закрытый вход; DC – открытый вход; GND – вход усилителя заземля- ется).
8. CH2. Вход канала 2. В режиме Х-Y, входной канал Y-оси.
9. VOLTS/DIV. Устанавливает коэффициент отклонения канала 2.
10. CH1. Вход канала 1. В режиме Х-Y, входной канал X-оси.
11. AC-DC-GND. Переключатель режима входов усилителя канала 1 (AC – закрытый вход; DC – открытый вход; GND – вход усилителя заземля- ется).
12. VOLTS/DIV. Устанавливает коэффициент отклонения канала 1.
13. VARIABLE. Плавное изменение коэффициентов отклонения кана- ла 1. Установка в крайне правое положение обеспечивает калибровочное значение положений переключателя VOLTS/DIV.
14. GND. Земля.
15. TRACE ROTATION. Регулировка изображения параллельно лини- ям шкалы.