Описание и порядок выполнения работы. Общие сведения. Изменение входного сигнала во времени может значительно повлиять на результаты измерений
Общие сведения. Изменение входного сигнала во времени может значительно повлиять на результаты измерений. Важными при этом являются, во-первых, характер изменения сигнала, т. е. его динамические свойства, и, во-вторых, «скорость реакции» средства измерений на входное воздействие, определяемая динамическими характеристиками этого средства. В таких случаях говорят о динамическом режиме средства измерений.
При анализе динамического режима средств измерений оказывается весьма удобным рассматривать идеальные и реальные средства измерений, сопоставляя реакцию этих средств на одни и те же входные воздействия.
Идеальные в динамическом смысле средства измерений СИи, иначе безынерционные, имеют, как правило, линейную зависимость выходного сигнала yи(t) от входного x(t): yи(t) = kнx(t), где kн – номинальный коэффициент преобразования. Очевидно, что в таких средствах измерений выходной сигнал во времени полностью повторяет входной с точностью до множителя kн.
В реальных средствах измерений СИр выходной сигнал y(t) в силу указанных причин будет иметь более сложную зависимость от входного сигнала, в частности, описываемую дифференциальными уравнениями соответствующего порядка.
Разность между выходным сигналом y(t) реального средства измерений и выходным сигналом yи(t) (сигнал идеального средства измерений) при одном и том же входном сигнале x(t) определяет динамическую погрешность по выходу реального средства СИр измерений:
 |
Dy(t) = y(t) – yи(t).1 (6.1)
Рисунок 6.1 иллюстрирует возможный вариант входного x(t) и выходных yи(t), y(t) сигналов идеального и реального средств измерений и возникающую при этом динамическую погрешность Dy(t). На рис. 6.2 показана структурная схема, удобная для интерпретации и оценки возникающей динамической погрешности.
Структурная схема лабораторной установки.Лабораторная установка состоит из трех основных блоков:
– унифицированной вертикальной стойки, включающей источники питания, генератор сигналов прямоугольной, синусоидальной и треугольной формы и измерительные приборы – цифровой частотомер и два цифровых вольтметра;
– двухканального электронно-лучевого осциллографа;
– специализированного горизонтального модуля, предназначенного для выполнения конкретной лабораторной работы – исследования динамического режима средств измерений.
В специализированном горизонтальном модуле находится объект исследования – фильтр нижних частот (ФНЧ) 2-го порядка, в котором предусмотрена возможность дискретного изменения частоты собственных колебаний - 4 положения, и коэффициента демпфирования (или степени успокоения) - так же 4 положения. Различным сочетанием этих параметров достигается широкий диапазон изменения динамических характеристик объекта исследования. Ручки переключения соответствующих параметров установлены на лицевой панели пульта в правой верхней его части.
Структурная схема лабораторной установки представлена на рис. 6.3, где ЭЛО – двухканальный электронно-лучевой осциллограф, имеющий вход по оси Z; приборы, установленные на вертикальном стенде: ГС – генератор сигналов прямоугольной, синусоидальной и треугольной формы, ЦВ1 и ЦВ2 – цифровые вольтметры, ЦЧ – цифровой частотомер; устройства, встроенные в горизонтальный пульт (на схеме обведены штриховой линией): ФНЧ – фильтр нижних частот, УВХ1 и УВХ2 – устройства выборки и хранения мгновенных значений напряжений входного и выходного сигналов ФНЧ соответственно, блок синхронизации («Синхронизация»), блок управления выборкой («Управление выборкой»). Управление временем выборки осуществляется двумя потенциометрами, установленными в нижней правой части передней панели модуля.
Рекомендации по сборке схемы. При сборке принципиальной схемы, соответствующей структурной схеме (рис. 6.3), все связи реализуются двухпроводными линиями с соблюдением «земляных» зажимов. Входы Y1, Y2, Z осциллографа имеют коаксиальные кабели.
Перед проведением экспериментов необходимо совместить начальную установку лучей по обоим каналам осциллографа и установить одинаковые коэффициенты отклонений, удобные для визуального наблюдения. Установить коэффициент развертки, при котором на экране осциллографа наблюдается один период (или полупериод) входного сигнала.
Принцип работы схемы и методические указания. Лабораторная установка позволяет одновременно наблюдать входные и выходные сигналы объекта исследования – фильтра нижних частот на экране двухканального осциллографа и измерять мгновенные значения напряжения этих сигналов в определенные моменты времени, устанавливаемые в процессе измерений. Таким образом, на установке реализуются дискретные измерения переменных во времени сигналов.
Выходные сигналы генератора ГС используются как испытательные сигналы для ФНЧ, относительно которых реализуется общая синхронизация работы всей установки. Вид сигналов, их частота и амплитуда определяются заданием.
Для визуального наблюдения входного и выходного сигналов ФНЧ эти
сигналы подаются соответственно на входы Y1 и Y2 двухканального осциллографа, работающего в режиме внешней синхронизации. Для запуска развертки блоком «Синхронизация» при положительном фронте входного сигнала
(см. также рис. 6.4) вырабатывается импульс синхронизации, который подается на вход «Вн. синхр» осциллографа и запускает генератор развертки. Этим достигается устойчивое изображение сигналов на экране при заданном моменте начала развертки, совпадающим с передним фронтом входного импульса. Фрагмент такого изображения, а также управляющие импульсы представлены на рис. 6.4.
Измерение сигналов проводят в некоторые дискретные моменты времени. Выбор точек измерений проводится из соображений возможности восстановления непрерывных кривых сигналов, как, например, показано на рис. 6.4, где измерения проводятся в точках 1, 2, …, 7, определяющих экстремумы и точки пересечения кривых изображения сигналов.
Момент времени измерений определяется импульсом управления выборкой, который вырабатывается блоком «Управление выборкой» с некоторой временной задержкой t относительно импульса синхронизации. Величина этой задержки (t = var) регулируется вручную на пульте управления. Для визуального наблюдения положения импульса на осциллограмме этот импульс подается на вход Z осциллографа и запирает электронный луч, что
наблюдается в виде «пробела» на осциллограмме (см. т. 3 на рис. 6.4). Установленное время задержки t измеряют цифровым частотомером ЦЧ в режиме измерения временного интервала при старт-стопном запуске.
Измерение мгновенных значений напряжений осуществляется с помощью устройств выборки и хранения УВХ и цифровых вольтметров ЦВ, установленных в цепях входа (УВХ1, ЦВ1) и выхода (УВХ2, ЦВ2) ФНЧ.
С приходом импульса управления выборкой в УВХ запоминается текущее мгновенное значение напряжения и сохраняется в течение достаточно большого времени, необходимого для измерения напряжения цифровым вольтметром ЦВ.
Таким образом проводятся измерения входных uвхi и выходных uвыхi сигналов ФНЧ в выбранных дискретных точках ti, где ti – моменты времени измерения напряжений, отсчитываемые от импульса синхронизации. Результаты измерений по каждому эксперименту заносятся в таблицу.
| ti | t1 | t2 | … | tn |
| uвх i | uвх1 | uвх2 | … | uвх n |
| uвых i | uвых1 | uвых2 | … | uвых n |
По полученным дискретным точкам строятся требуемые по заданию графики. Приводятся выводы по работе.
Лабораторная работа 7.