Лабораторная работа по теме «№ 2. Работа с комплектом измерительных приборов» для КГТУ им. А. Н. Туполева

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Основная цель лабораторной работы – научить студентов работать с различными приборами для измерения электрических сигналов.

Данная лабораторная работа показывает, почему необходимо наличие в лаборатории комплекта разнообразных измерительных приборов, а также демонстрирует возможность различных способов измерения одного и того же сигнала. Основной упор в данной лабораторной работе делается на проведении некоторых измерений, которые не удастся осуществить с традиционным лабораторным оборудованием. Таким образом, студенты увидят пределы применимости существующих приборов. В ходе работы студенты изучат функциональные возможности следующих приборов: цифровых универсальных измерительных приборов (мультиметров), цифрового осциллографа, генератора стандартных сигналов, частотомера и виртуальных приборов LabVIEW.

2.2 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В данной лабораторной работе вы проведёте серию измерений одного и того же сигнала, используя различные типы измерительных приборов. Инженеры и научные сотрудники применяют различные типы измерительных приборов для измерения разнообразных параметров и характеристик входного сигнала. Вы будете определять форму сигнала, измерять его частоту, период и амплитудное и среднеквадратическое значение напряжения. Определение формы сигнала по осциллограмме – это качественное измерение, а все остальные – количественные. Вспомните, что период и частота – взаимообратные величины. Это означает, что вы можете измерить одну величину, а затем вычислить другую (косвенные измерения). По возможности вы измерите их непосредственно (прямые измерения).

На первый взгляд, кажется, что самый простой объект измерения – это значение напряжения. Но это не совсем верно. Уровень напряжения не всегда представляет собой однозначно определённое значение. Для сигналов, изменяющихся во времени, принципиально важно, как и в какой момент времени вы производите измерение напряжения. Вы можете измерять напряжение в отдельные моменты времени (еще говорят – производить выборку значений), усреднять несколько точек или выполнить измерение среднеквадратического (эффективного) значения. Термин среднеквадратическое означает, что измерительный прибор определяет среднее значение из суммы квадратов напряжений, а затем извлекает корень этой величины. Когда цифровой мультиметр измеряет переменное (AC) напряжение, он определяет именно его среднеквадратическое значение.

Измерительные приборы, используемые в этой лабораторной работе, представлены цифровым осциллографом, частотомером и цифровым мультиметром. Вы будете измерять один и тот же сигнал, используя все эти приборы. Методические указания к лабораторной работе помогут вам предпринять необходимые действия при каждом измерении при помощи каждого из устройств.

ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Осциллографы (рис. 2.1) предназначены для графического отображения зависимости величины напряжения исследуемого сигнала от времени. Экран осциллографа разбит на квадраты (или деления шкалы) сеткой. Вы можете масштабировать как вертикальную шкалу, устанавливая различные значения Вольт на Деление (Volts per Division), так и горизонтальную шкалу, посредством изменения значения Время на Деление (Time per Division).

Рис. 2.1. Цифровой осциллограф MS – 2000

Современные осциллографы обычно двухканальные, т.е. имеют два луча с одинаковой развёрткой во времени, но с отдельной для каждого регулировкой вертикальной развёртки. Указанные свойства описывают лишь малую часть сервисных возможностей современных (особенно цифровых) осциллографов, однако они наиболее принципиальны для типичных применений этого типа электроизмерительного прибора. Используя осциллограф, вы сможете измерить период и амплитуду напряжения осциллограммы. Зная период, можно вычислить частоту; по известной амплитуде напряжения и осциллограмме сигнала, вы сможете вычислить среднеквадратическое напряжение. Например, среднеквадратическое напряжение синусоидального сигнала получается умножением его амплитуды на корень из двух. Заранее перед лабораторной работой получите формулу для среднеквадратического значения треугольной и прямоугольной волны.

ЦИФРОВЫЕ МУЛЬТИМЕТРЫ

Не так давно цифровые мультиметры (ЦММ) были дорогими и мало функциональными приборами, которые выполняли функций не больше, чем их аналоговые эквиваленты (измеряли напряжение, силу тока и сопротивление).

Рис. 2.2. Цифровой мультиметр UT83

Сегодня ЦММ представлены обширным рядом от недорогих карманных моделей с базовыми свойствами до моделей с графическим отображением данных, которые выглядят и функционируют подобно осциллографу. Цифровой мультиметр UT83, представленный на рис. 2.2, обладает некоторыми дополнительными возможностями, которые вы изучите в данной лабораторной работе. С помощью своего ЦММ вы проведёте измерения напряжения переменного (AC) и постоянного (DC) тока и частоты. Вы на практике оцените пределы возможностей цифровых мультиметров.

ГЕНЕРАТОРЫ ФУНКЦИЙ

Генератор функций (функциональный генератор) дает на выходе сигналы определённой частоты и заданной формы. Он может генерировать три основные типа сигналов – синусоидальный, треугольный (пилообразный) и прямоугольный. Генератор Г6 – 26 работает в диапазоне частот от 0,001 Гц до 10 кГц.

ЧАСТОТОМЕРЫ

Работа с частотомером достаточно проста: подключите его к источнику сигнала, и он выдаст вам численное значение частоты сигнала. Лицевая панель частотомера MXC160 представлена на рис. 2.3. Принцип построения этого прибора также несложен. Плата ввода – вывода аналоговых сигналов (Data Acquisition – DAQ) преобразовывает периодический сигнал в последовательность импульсов, каждый из которых генерируется на нарастающем фронте сигнала при переходе через нулевое напряжение. Затем счётчик подсчитывает эти импульсы в течение заданного периода времени. Зная количество импульсов за интервал времени (pulses per time period), счетчик может легко вычислить количество периодов в секунду, Гц (cycles per second) и вывести на экран численное значение частоты. Обычно для подсчета пользователь должен задать интервал времени накопления импульсов, именуемый также временными воротами (gate time).

Рис. 2.3. Лицевая панель частотомера MXC160

ВИРТУАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Семь несложных виртуальных приборов (ВП), созданных в программной среде LabVIEW, предлагаются Вашему вниманию в конце этой лабораторной работы. Как правило, каждый виртуальный прибор представляет собой измерительный комплекс, аналогичные комплексы мы собирали в предыдущих заданиях этой лабораторной работы.

2.3 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

КОМПОНЕНТЫ РАБОЧЕГО МЕСТА

На вашем рабочем столе должно быть следующее:

компьютер с установленной средой LabVIEW;

генератор функций (Г6 – 26);

цифровой осциллограф (MS – 2000) в комплекте с соединительными проводами и щупами;

цифровой мультиметр UT83 или M830B или M226C или 3211D в комплекте с соединительными проводами и щупами;

кабель, на одном конце которого байонетный соединитель (СР50), на другом конце однополюсные вилки.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

В данной лабораторной работе вы будете определять форму сигнала, частоту, период и уровни напряжений (амплитудное, среднеквадратическое и постоянное), используя различные измерительные приборы. По возможности, проводите прямые (непосредственные) измерения. Если непосредственное измерение величины невозможно, ее значение необходимо вычислить по косвенному измерению. Если величину невозможно измерить ни прямым, ни косвенным видом, укажите, какой из параметров нельзя измерить с помощью имеющегося оборудования.

Далее представлены последовательности проведения эксперимента для каждого измерительного прибора. Подразумевается, что у вас имеется некоторый опыт проведения измерений напряжения и осциллограмм. Каждым из приборов на заданной частоте следует измерить все параметры по очереди, и только потом переходить к измерению следующим прибором. Например, установив на генераторе первую из пяти предлагаемых частот, исследуйте амплитуду сигнала, его форму, частоту и период с помощью осциллографа, затем попытайтесь сделать то же самое с помощью мультиметра и частотомера. Установив на генераторе вторую из предлагаемых пяти частот, повторите все измерения, и т.д.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Опишите следующим образом все устройства измерения, имеющиеся в наличии на вашем рабочем месте:

название и тип устройства;

изготовитель и номер модели;

входной диапазон напряжения (если имеется);

входной частотный диапазон (если используется);

период синхронизации входного диапазона (если используется);

класс точности, сведения о поверке.

Опишите следующим образом используемый генератор функций:

название и тип устройства;

изготовитель и номер модели;

диапазон частот генерируемых сигналов;

типы генерируемых сигналов;

класс точности, сведения о поверке.

ВЫПОЛНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Так как основная цель лабораторной работы – научиться работать с различными приборами для измерения электрических сигналов, то порядок проведения лабораторной работы приводится не поэтапно. Вместо этого, предоставляется информация о принципах функционирования каждого из приборов и указано, какие измерения необходимо провести. Прочитайте порядок выполнения и постарайтесь самостоятельно изучить данное оборудование. Если не ясны какие-то детали, проконсультируйтесь у преподавателя.

Начертите в черновике (или получите у преподавателя) таблицу данных.

Таблица данных 1

Измеряемая ФВ, параметры измеряемого сигнала | Комплект измерительных приборов

Частотомер | Осциллограф | Цифровой мультиметр

Знач.ФВ | Ед. ФВ | Вид | Знач.ФВ | Ед. ФВ | Вид | Знач.ФВ | Ед. ФВ | Вид

Частота | 10,0 кГц | синус | 1,0 кГц | синус | 1,0 кГц | прямоуг. | 6,0 Гц | синус | 0,1 Гц | синус | Период | 10,0 кГц | синус | 1,0 кГц | синус | 1,0 кГц | прямоуг. | 6,0 Гц | синус | 0,1 Гц | синус | Амплитуда | 10,0 кГц | синус | 1,0 кГц | синус | 1,0 кГц | прямоуг. | 6,0 Гц | синус | 0,1 Гц | синус | Напр. перем. | 10,0 кГц | синус | 1,0 кГц | синус | 1,0 кГц | прямоуг. | 6,0 Гц | синус | 0,1 Гц | синус | Напр. пост. | 10,0 кГц | синус | 1,0 кГц | синус | 1,0 кГц | прямоуг. | 6,0 Гц | синус | 0,1 Гц | синус |

Далее перечислены задания, затем описывается процедура сбора всех данных, необходимых для выполнения лабораторной работы, порядок проведения экспериментов и описание работы отдельных измерительных приборов.

Задание 1. Установите генератор функций для генерации следующей волны:

10,0 кГц, синусоидальная форма.

Задание 2. Измерьте значения физических величин (частота, период, напряжение), используя каждое из последующих устройств:

частотомер;

осциллограф;

цифровой мультиметр.

Зарегистрируйте измеренные значения в таблице данных.

Таблица данных содержит колонку для каждого измерительного прибора. Запишите значения каждого параметра, указанного в таблице. Укажите в колонке «Вид» измерили ли вы величину непосредственно (прямое измерение) или косвенно, или данный параметр вообще не может быть измерен. Используйте литеру «П» для прямого измерения, «К» для косвенных (вычисленных) значений, и «Н», если параметр невозможно измерить.

Задание 3. Проверьте, согласуются ли измеренные значения друг с другом. Отметьте, что некоторые результаты измерений не совпадают, и придется проводить повторные измерения (проведите их после того, как будут выполнены все пять заданиий).

Задание 4. Продемонстрируйте методику измерений преподавателю.

Попросите преподавателя проверить ваши измерения и подписать вашу таблицу данных.

Задание 5. Выполните пункты 1 ÷ 4 для каждого из сигналов:

10,0 кГц синусоидальная форма;

1,0 кГц синусоидальная форма;

1,0 кГц прямоугольная форма;

6,0 Гц синусоидальная форма;

0,1 Гц синусоидальная форма.

Далее изложен порядок выполнения эксперимента с помощью каждого измерительного прибора

ЧАСТОТОМЕР

Частотомер измеряет только частоту и период. Он не предназначен для измерения никаких других параметров. Ниже приведены этапы измерения. Тщательно изучите их и попытайтесь реализовать. Если в течение самостоятельной работы с данным прибором у вас возникнут вопросы – задайте их преподавателю.

Включите генератор функций.

Включите частотомер.

На генераторе функций установите напряжение не более 30 мВ.

Кабелем с байонетным разъёмом соедините выходное гнездо генератора функций со входом частотомера CH A.

Используя частотомер, проверьте частоту и период сигнала, поступающего с генератора функций:

клавишей CHAN выберите канал A;

выберите режим измерения частоты, нажав клавишу FREQ.

Частотомер позволит вам непосредственно измерить частоту входного сигнала. Наиболее трудно бывает подобрать временной интервал, в котором значения частоты можно зарегистрировать с наибольшим числом значащих цифр (максимальным разрешением). Частотомеры и генераторы функций обычно имеют серию кнопок или переключатель для выбора временных ворот (gatetime). Выбранное значение задаёт время считывания импульсов. Подсчитав количество импульсов, поступивших за данный период времени, устройство определяет частоту (количество импульсов в секунду) в Герцах.

Клавишей GATE выберите минимальную величину временных ворот и зафиксируйте (не записывая в таблицу данных) измеренное значение.

Выберите следующее, большее значение интервала накопления и зафиксируйте (не записывая в таблицу данных) измеренное значение. Попробуйте все возможные значения временных ворот. Зарегистрируйте в таблице данных значение с наивысшим разрешением (при максимальном значении временных ворот).

Выберите режим измерения периода, нажав клавишу PERI.

Зарегистрируйте в таблице данных значение с наивысшим разрешением (при максимальном значении временных ворот).

ОСЦИЛЛОГРАФ

Включите осциллограф.

2 .Соедините выход генератора функций и вход осциллографа.

Используя осциллограф, проверьте период, частоту и амплитудное значение сигнала, поступающего с генератора функций.

Для автоматической настройки (выбор пределов измерения, синхронизация) нажмите клавишу AUTO. При этом автоматически изменится положение переключателя чувствительности: Вольт-на-Деление (Volts/Division) так, чтобы на экране была отчётливо видна осциллограмма. Осциллограмма должна полностью умещаться на экране и занимать большую его часть. Автоматически изменится значение Время-на-Деление (Time/Division), чтобы вы могли отчётливо видеть не менее одного полного периода осциллограммы. Будут задействованы такие значения Время-на-Деление, чтобы один полный период занимал максимум горизонтальной шкалы. Автоматически осциллограф переключится в режим измерения переменного напряжения.

Подсчитайте количество горизонтальных делений (квадратов) в одном полном периоде. Используя заданные значения временной развёртки, вычислите и запишите в свою таблицу данных временной интервал, соответствующий одному полному периоду (если на экране отображено несколько полных периодов, то вы можете определить полное время всех этих периодов, а затем вычислить среднее время периода).

Подсчитайте количество вертикальных делений на полной амплитуде сигнала (размах сигнала), начиная отсчёт от минимальной точки осциллограммы и заканчивая на максимальной. Амплитудное значение составляет половину размаха сигнала. Зная чувствительность вертикальной развёртки, подсчитайте и запишите амплитудное значение сигнала.

Вопрос: какая физическая величина отображена осциллограммой?

В правой нижней части дисплея индицируется в цифровой форме измеренное значение напряжения. Зафиксируйте это значение, сравните его с записанным амплитудным значением. Сделайте вывод о том, какое значение индицируется – амплитудное или среднеквадратическое или постоянное?

В левой нижней части дисплея индицируется в цифровой форме измеренное значение частоты. Запишите это значение.

Из значений периода вычислите и запишите значение частоты для проведённых выше измерений. Сравните полученное значение с записанным ранее значением, индицированным в цифровой форме.

Вычислите и запишите среднеквадратическое значение напряжения для проведенных выше измерений.

Исследуйте ту же осциллограмму, переключив осциллограф в режим измерения постоянного напряжения.

Нажмите клавишу GPRL и выберите режим измерения постоянного напряжения (DC).

В данном режиме измерьте амплитуду сигнала. Для этого подсчитайте число делений между линией нулевого значения (делит экран пополам) и максимальным по модулю значением сигнала.

Вопрос: полученное амплитудное значение отличается от значения, полученного в режиме измерения переменного напряжения? Объясните, почему?

ЦИФРОВОЙ МУЛЬТИМЕТР

Цифровой мультиметр (ЦММ) позволяет измерять постоянное (DC) и переменное (AC) напряжение, а также частоту переменного напряжения.

Измерение постоянного и переменного напряжения. Цифровые мультиметры имеют несколько диапазонов для измерения напряжения, тока и сопротивления. Чтобы обеспечить наивысшее разрешение, некоторые измерители имеют автоматический выбор предела (АВП) измерения. Однако устройство UT83 не располагает функцией АВП. Для получения наивысшего разрешения при измерениях, выполните следующие действия.

Определите максимальное значение физической величины, которую вы хотите измерять (постоянного или переменного напряжения, тока или сопротивления).

Выберите на мультиметре диапазон измерений, в который укладывается максимальное значение физической величины.

Соедините мультиметр и генератор функций.

Измените выбранный диапазон на пониженный и проведите отсчёт измеренного значения.

Повторяйте предыдущий этап до тех пор, пока на дисплее вместо числа не покажется строка «OL» (OvelLoad – Перегрузка).

Увеличьте выбранный диапазон на одно деление.

Считайте показания с дисплея и запишите их в свою таблицу данных.

Измерение частоты. Прибор UT83 позволяет измерить значение частоты сигнала в одном фиксированном диапазоне. Измерение производится в следующем порядке.

Установите переключатель, расположенный на передней панели мультиметра, в положение kHz.

Соедините мультиметр и генератор функций.

Считайте значение на дисплее и запишите в свою таблицу данных.

ВИРТУАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Загрузите программу LabVIEW.

Откройте файл 1_Function Generator example.vi (Пример функционального генератора). Убедитесь в работоспособности функционального генератора, щёлкнув клавишу . Определите на лицевой панели виртуального прибора поле элементов, относящихся к функциональному генератору и поле элементов, относящихся к осциллографу. Проверьте взаимное соответствие заданных на генераторе и полученных на осциллографе параметров сигнала. Зафиксируйте эти действия в отчёте, в виде двух столбиков: слева — задано (форма, амплитуда и частота, установленные на генераторе); справа — получено (форма, амплитуда и частота, полученные на осциллографе).

Откройте файл 2_Sin.vi. Комплекс каких приборов представлен на лицевой панели виртуального средства измерений? Щёлкните клавишу . Заполните таблицу данных 2, кроме последней строки.

Таблица данных 2

Амплитуда сигнала

(U_A) | Форма сигнала | Значение напряжения на аналоговом вольтметре (U_V) | Значение напряжения на цифровом вольтметре (U_V)

1 В | Синусоидальный | Треугольный | Пилообразный | Прямоугольный | Синусоидальный | 220 В | Прокомментируйте различие измеренных значений напряжений для сигналов одинаковой амплитуды, но разной формы.

Какие формы сигналов соответствуют следующим функциональным зависимостям?

Подтвердите свои выводы соответствующими вычислениями и зафиксируйте эти действия в отчёте.

Заполните последнюю строку таблицы. Объясните причину возникновения погрешности моделирования.

Откройте файл 3_FormulaWaveformexample.vi (Пример назначения формы волны через формулу). Запустите виртуальный прибор клавишей . При необходимости синхронизации изображения, щёлкните тумблер «reset signal». Выбирайте спектр сигнала, переключая поле «formula selection». Прокомментируйте изменение формы сигнала в зависимости от числа гармонических составляющих (гармоник) в спектре сигнала, задаваемых формулой. Обратите внимание, что уже при двух гармониках, определённым образом подобранных по амплитуде и частоте, сигнал начинает приобретать прямоугольную форму. Можете поэкспериментировать с формой сигнала, набирая формулу в окне «user formula».

Откройте файл 4_SignalGenerationandProcessing.vi (Генерирование и обработка сигнала). Комплекс приборов, представленных на лицевой панели виртуального средства измерений, можно разделить на два блока. Слева — два задающих генератора (Inputsignal 1 и Inputsignal 2). Справа (сверху вниз) два осциллографа и анализатор спектра.

Этим комплексом приборов выполним моделирование измерительных процессов. Проследим трансформацию сигнала в процессе измерения его параметров. При этом будем рассматривать сигнал, влияющую физическую величину внешнюю (помеха) и внутреннюю (полоса пропускания средства измерения).

Пусть Inputsignal 1 имитирует сигнал, Inputsignal 2 имитирует помеху; первый осциллограф показывает состояние сигнала и помехи на входе средства измерения; второй осциллограф показывает их состояние на выходе средства измерения; анализатор спектра показывает полосу пропускания средства измерения (вертикальная красная линия) и спектры сигнала и помехи. Спектральные составляющие (гармоники), расположенные левее вертикальной красной линии, находятся в полосе пропускания средства измерения и оказывают влияние на результат измерения. Гармоники, расположенные справа, находятся вне полосы пропускания средства измерения (отфильтровываются), их влияние на результат измерения оказывается незначительным.

Анализируя картину на втором осциллограф