Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный технический университет

гражданской авиации

Кафедра основ радиотехники и защиты информации

Контрольная работа

Радиоизмерения

Выполнил: студент 3 курса гр. РС

Севостьянов Д.А

Москва 2015

Содержание

• Введение
• 1. Цифровой мультиметр
• 2. Метод преобразования фазового сдвига во временной интервал
• 3. Задача
• Заключение
• Список литературы

Введение

Установлено, что более чем за четыре тысячелетия до новой эры (Рождества Христова) в Вавилоне и Египте уже проводили астрономические измерения. На протяжении всей истории развития науки и техники перед человеком возникало и возникает множество проблем, для решения которых необходимо располагать количественной информацией о том или ином свойстве объектов материального мира (явлении, процессе, теле, веществе, изделии и пр.).

Основным способом получения такой информации являются измерения, при правильном выполнении которых находится результат измерения с большей или меньшей точностью, отражающий интересующие свойства объекта познания. Измерения играют важнейшую роль в жизни человека и являются начальной ступенью познания, которые часто не превышают уровня эмпирических. Здесь очень к месту подходит выражение: "Теория без практики - мертва, практика без теории - слепа".

Поскольку критерием истины всегда служит практика (эксперимент), результаты измерений очень часто выступают в качестве критерия истины. Измерения делают представления о свойствах окружающего нас мира более полными и понятными. Без преувеличения можно сказать, что прогресс науки и техники определяется степенью совершенства измерений и измерительных приборов.

Итак, измерения служат источником нашего научного и практического познания. По этому поводу великий Макс Планк сказал: "В физике существует только то, что можно измерить".Основы отечественной метрологии заложил русский ученый Д.И. Менделеев (1834 - 1907). Роль и значение измерений Д.И. Менделеев определял так: "В природе мера и вес суть главное орудие познания. Наука начинается с тех пор, как начинают измерять, точная наука немыслима без меры".

Зарождение в нашей стране метрологической службы следует отнести к 1842 г., в котором был издан закон о мерах и весах, предусматривающий создание первого в России метрологического учреждения - Депо образцовых мер. В 1893 г. Д.И. Менделеев основал Главную палату мер и весов, в задачи которой входило не только хранение эталонов и обеспечение поверки по ним средств измерений, но и продление научных исследований в области метрологии. Затем в стране стали создаваться местные поверочные палаты.

1. Цифровой мультиметр

Цифровые вольтметры (ЦВ) являются наиболее распространенными цифровыми приборами. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра представлена на (рис. 1)

Рис. 1. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра.

Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преобразователь переменного тока в постоянный. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представленный цифровом кодом. Использование в АЦП двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование цифрового кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством. Узлы схемы соединены с управляющим устройством.

По типу АЦП цифровые вольтметры могут быть разделены на четыре группы:

кодоимпульсные (с поразрядным уравновешиванием);

времяимпульсные;

частотно-импульсные;

пространственного кодирования.

В настоящее время цифровые вольтметры строятся чаще на основе кодоимпульсного и времяимпульсного преобразования.

АЦП вольтметров преобразуют сигнал постоянного тока в цифровой код, поэтому и вольтметры также считаются приборами постоянного тока. Для измерения напряжения переменного тока на входе вольтметра ставится преобразователь, чаще всего средневыпрямленного значения. Прежде чем перейти к рассмотрению отдельных типов цифровых вольтметров постоянного тока, проанализируем основные технические характеристики среднестатистического цифрового вольтметра постоянного тока:

диапазон измерения: 100 мВ, 1 В, 10 В, 100 В, 1000 В;

порог чувствительности (квант или единица дискретности) на диапазоне 100 мВ может быть 1мВ, 100 мкВ, 10 мкВ;

количество знаков (длина цифровой шкалы) - отношение максимальной измеряемой величины на этом диапазоне к минимальной. Например: диапазону измерения 100 мВ при кванте 10 мкВ соответствует 10⁴ знаков;

входное сопротивление - высокое, обычно более 100 МОм;

помехозащищенность: так как цифровые вольтметры обладают высокой чувствительностью, очень важно обеспечить хорошую помехозащищенность.

Упрощенная структурная схема, характеризующая принцип возникновения помех на входе цифрового вольтметра показана на (рис. 2)

Рис. 2. Схема возникновения помех на входе цифрового вольтметра.

Здесь Е_с - источник сигнала; Е_НВ - помеха, приложенная ко входу. вольтметра (помеха нормального вида, наводки); Е_ОВ - помеха общего вида, возникающая из-за разности потенциалов корпусов источника сигнала и вольтметра; R_i - внутреннее сопротивление источника сигнала; R_вх - входное сопротивление вольтметра. Помеха общего вида возникает из-за несовершенства источников питания на частотах 50 и 100 Гц и создает падение напряжения на сопротивлении r₀ соединительного провода и переходит во входную цепь вольтметра, если сопротивление утечки R_ут между клеммами и корпусом невелико. Если же одну из клемм заземлить, то доля помехи общего вида, переходящая во входную цепь, увеличится. Поэтому при измерении малых сигналов пользуются изолированным от земли (корпуса) входом вольтметра.

Способы уменьшения влияния помех:

* использование экранированных проводов и изолированного входа

вольтметра;

*применение интегрирующих вольтметров; при этом период помехи

кратен времени измерения и помеха устраняется по периоду:

(4.9)

* на вход вольтметра ставится фильтр с большим коэффициентом подавления помехи (60...70 дБ).

Коэффициент подавления помехи определяется следующим образом:

,

где U_пвх - амплитуда помехи на входе фильтра, U_пвых - амплитуда помехи на его выходе.

Точность цифровых вольтметров. Распределение погрешности по диапазону измерения определяется в соответствии с формулой (2.77), характеризующих класс точности СИ:

(4.10)

где и - измеряемое напряжение; м_к - конечное значение диапазона измерений; d, с - соответственно относительные приведенные аддитивная и суммарная составляющие погрешности. Числовые значения end для диапазонов измерения 0,1... 1 В находятся в пределах 0,001...0,5 % причем всегда с > d.

Быстродействие. Современные схемы АЦП, применяемые в цифровых вольтметрах, могут обеспечить очень большое быстродействие, однако из соображений точной регистрации полученного результата и усреднения сетевой помехи у цифровых вольтметров оно уменьшается примерно до 20...50 измерений в секунду.

Кодоимпульсные вольтметры. В кодоимпульсных цифровых вольтметрах реализуется принцип компенсационного метода измерения напряжения. Упрощенная структурная схема такого вольтметра представлена на рис. 4.12.

Измеряемое напряжение U'_x, полученное с входного устройства, сравнивается с компенсирующим напряжением U_K, вырабатываемым прецизионным делителем. Компенсирующее напряжение имеет несколько уровней, квантованных в соответствии с двоично-десятичной системой счисления. Например, двухразрядный цифровой вольтметр, предназначенный для измерения напряжений до 100 В, может включать следующие уровни: 80,40, 20,10 и 8,4, 2,1 В.

Сравнение по величине двух напряжений (измеряемого U'_x и компенсирующего U_K) производится последовательно по команде с управляющего устройства.

Вольтметры наивысшего класса точности создаются комбинированными: в схемах сочетаются методы поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования.

Большинство серийных цифровых вольтметров переменного тока строятся с применением преобразователей переменного тока в постоянный (детекторов) средневыпрямленного и действующего значения. И как было отмечено ранее, свойства этих приборов будут во многом определяться детекторами. вольтметр цифровой напряжение микропроцессор

Цифровые мультиметры. Включение в структурную схему цифрового вольтметра микропроцессора и дополнительных преобразователей позволяет превратить его в универсальный измерительный прибор - мультиметр. Цифровые мультиметры измеряют постоянное и переменное напряжение, силу тока, сопротивления резисторов, частоту электрических колебаний и т.д. При совместном использовании с осциллографом мультиметры позволяют измерять временные интервалы (период, длительность импульсов и т.д.). Наличие в схеме вольтметра микропроцессора позволяет осуществлять автоматическую коррекцию погрешностей, автокалибровку и диагностику отказов.

2. Метод преобразования фазового сдвига во временной интервал

Гетеродинное преобразование частоты исследуемых сигналов используется для расширения диапазона частот, в котором измеряются фазовые сдвиги.

Структурная схема фазометра с таким преобразованием приведена на рис. 8.11.

Предположим, что через входные цепи ВЦ1 и ВЦ2 на смесители СМ1 и СМ2 преобразователя частоты поступают соответственно сигналы

u₁=U_m1sinщt и u₂=U_m2sinщ(t - ц),

имеющие друг относительно друга фазовый сдвиг Дц = ц, а также гармоническое напряжение гетеродина

u_г==U_mгsin(щ_гt+ц_г).

Рис. 8.11. Фазометр с гетеродинным преобразованием частоты

Рис. 8.11. Фазометр с гетеродинным преобразованием частоты

Рис. 8.11. Фазометр с гетеродинным преобразованием частоты

Рис. 8.11. Фазометр с гетеродинным преобразованием частоты.

СМ1 воздействует напряжение u₁+ u_г, а на СМ2 -u₂+u_г. На выходе каждого из смесителей (относящихся к не линейным или параметрическим каскадам) появляются колебания с суммарными, разностными и комбинационными частотами, составленными из частот анализируемых входных сигналов и напряжения гетеродина. Колебания с разностной частотой

щ_пч = щ - щ_Г,

называемой промежуточной, выделяются усилителями промежуточной частоты УПЧ1 и УПЧ2 каждого канала. Если в измерителе фазы с гетеродинным преобразованием частоты каскады ВЦ1 и ВЦ2, СМ1 и СМ2, УПЧ1 и УПЧ2 идентичны, то выходные сигналы усилителей промежуточной частоты и₁' и u'₂ после простых преобразований можно представить в виде:

u₁'=kU_m1U_mгcos(щ - щ_Г)t; u₂'=kU_m1U_mгcos[(щ - щ_Г)t; -ц].(8.21)

В этих формулах k - постоянный коэффициент, характеризующий эффект преобразования сигналов. Из (8.20) и (8.21) следует, что фазовый сдвиг сигналов на выходах УПЧ равен фазовому сдвигу исследуемых сигналов u₁ и u₂. Сигналы u₁' и u₂' поступают на низкочастотный (НЧ) фазометр, измеряющий фазовый сдвиг на промежуточной частоте. Чтобы проводить измерения в широком спектральном диапазоне сигналов u₁ и u₂, применяют гетеродин с перестраиваемой частотой. Разработаны фазометры с гетеродинным преобразованием частоты, работающие, например, в диапазоне от 20 Гц до 20 МГц, а также в диапазоне СВЧ - 0,1... 15 ГГц. Фазометры с умножением частоты применяются для измерения малых фазовых сдвигов. В фазометре используется два одинаковых умножителя, на один из которых подается сигнал u₁, а на второй - u₂. Если эти сигналы имеют фазовый сдвиг Дц, то после умножения их частоты в n раз фазовый сдвиг увеличивается и становится равным

Дц₁= nДц.

Такой фазовый сдвиг можно измерить с меньшей погрешностью. Затем искомый фазовый сдвиг определяется как

Дц = Дц₁/n.

Фазометры с умножением частоты могут иметь дополнительную погрешность измерения, вызванную усилением влияния сторонних шумов, Такие шумы, поступая на оба умножителя вместе с сигналами u₁ и u₂, вызывают случайные отклонения фазы каждого из этих сигналов. Где больше коэффициент умножения п, тем больше флюктуации фаз сигналов на выходе умножителей и погрешность измерений. Возможна также систематическая погрешность измерений, вызванная не идентичностью фазовых характеристик двух умножителей. Эту погрешность можно учесть и устранить, если подать на каждый умножитель частоты один и тот же сигнал (например, u₁). Показания фазометра, взятые с обратным знаком, следует использовать в качестве поправки для последующих измерений.

Для измерения фазового сдвига используют приборы, называемые фазометрами, а в качестве мер сдвига - фазовращатели, т.е. линейные четырехполюсники, у которых выходной сигнал задержан по фазе относительно входного. Существует регулируемые и нерегулированные фазовращатели.

Чтобы измерить фазовый сдвиг, применяют различные методы и приемы измерений: осциллографические, компенсационный, преобразования фазового сдвига во временной интервал, йифровой (дискретного счета), по геометрической сумме и разности напряжений, а также с преобразованием частоты.

Средства измерений фазового сдвига, реализующие перечисленные способы (кроме осциллографических) представлены аналоговыми и цифровыми электронными фазометрами, обеспечивающими измерения в диапазоне от инфразвуковых до высоких частот.

3. Задача

При измерении индуктивности катушки используется метод дискретного счета. Расчитать максимальное значение абсолютной погрешности дискретности, если частота счетных импульсов 1 МГц, а сопротивление образцового резистора 1 кОМ. Ответ: 1 мГн

Решение.

D = ±R0/Fсч = ±10³/10⁶ = ±0,001 Гн, отсюда 1 мГн.

Ответ: 1 мГн.

Рис. 8.11. Фазометр с гетеродинным преобразованием частоты

Заключение

Сигнал - это информационная функция, несущая сообщение о физических свойствах, состоянии или поведении какой-либо физической системы, объекты или среды, а цель обработки сигналов - извлечение сведений, которые отображены в этих сигналах и преобразование этой информации в форму, удобную для восприятия и использования. Общая классификация делит сигналы на аналоговые, дискретные и цифровые. С понятием сигнала неразрывно связан термин регистрации сигналов, использование которого также широко и неоднозначно, как и самого термина сигнал. В наиболее общем смысле под этим термином можно понимать операцию выделения информационного сигнала и его преобразования в форму, удобную для дальнейшего использования, обработки и восприятия.

Список литературы

1. Боридько С.И., Дементьева Н.В., Тихонов Б.Н., Ходжаев И.А., Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах.-М.: Горячая линия-Телеком, 2007.

2. Метрология и радиоизмерения./под ред. Проф. В.И. Нефедова.-М: Высшая школа, 2006.

3. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах./под ред.проф. В.И. Нефедова.-М: Высшая школа,2001.

4. Мирский Г.Я. Электронные измерения.-М.: Радио и связь,1986.

Размещено на Allbest.ru