Разработка на лабораторно упражнение за измерване параметрите на модулирани трептения

Факултет: “Електротехника и електроника”

Катедра “Комуникационна техника и технологии”

Д И П Л О М Н А Р А Б О Т А

ТЕМА: “Разработка на лабораторно упражнение за измерване параметрите на модулирани трептения

Изготвил: Ръководител:

Милена Милкова Кавръкова гл.ас.д-р инж. Пенчо Колев Пенчев

Габрово

Развитието на науката и техниката е свързано с развитието на измерванията. Може да се каже, че най-бързият начин за оценка на състоянието на науката и техниката в дадена страна се получава от оценката на измерванията, които се правят, и от начина, по който получените данни от тях се използват.

Най-важното изискване към информацията, която се получава от измерителния уред, е сигурността, която потребителят трябва да има в нейната точност. Измерването на електрически величини е било усъвършенствано през годините, но необходимостта от постигането на още по-голяма точност се е увеличила, т.е границите на несигурността е трябвало да се намалят и да се дефинират по-точно.

Много от измерванията в комуникациите изискват да се определят параме-трите на модулирани трептения.

Целта на настоящата дипломна работа е да се илюстрират осцилоскопните методи за измерване параметрите на модулирани трептения.

За постигане на тази цел е направено следното:

1. 
   Направен е обзор в областта на измерванията.
   
2. 
   Описани са начините за измерване на модулация. Представени са методите за тяхното измерване.
   
3. 
   За илюстриране на осцилоскопните методи е разработена опитна постановка, на която се провеждат измерванията. Измерванията cа направени с цифров осцилоскоп TDS 1002, TDS 3014B и аналогов – Voltcraft 668.
   
4. 
   Направен е анализ и изводи на базата на разработката. Като се акцентува на това, че ще послужи за обучения на студентите.
   

1. 
   Измерванията и развитието на науката
   

Причините за това са ясни. С напредъка на науката и техниката се откриват явления и съотношения, които изискват нови начини на измерване. Същевременно развитието на науката и техниката предоставя средства за осъществяване на нови начини за измерване, което задълбочава изучаването на проблемите. Това от своя страна води към открития, които правят по-нататъшните измервания възможни и желани.

С развитието на измерванията измерителната техника все повече се опира на електрически и електронни методи на измерване. Причините за това са две: Първо, след като информацията е превърната в електрическа форма, тя лесно може да се преработи по различни начини. Второ, повечето явления, като температура, скорост, разстояние, светлина, звук и налягане, могат лесно да се трансформират в електрически величини за по-нататъшна обработка и интерпретация.

През последните 40 години са създадени голям брой електронни измерителни уреди, които непрекъснато се усъвършенствуват с развитието на науката и дават възможност поставените задачи да се решават по-лесно и с по-голяма точност.

Типичните съвременни електронни измерителни уреди са с пряко отчитане на резултата от измерването, с което се избягва необходимостта от градуировъчни криви. Все по-често отчетите от измерванията се получават в цифров вид, при което не е необходимо да се следят показанията на стрелката на измерителния уред или на скалата на електронно-лъчевата тръба. Данните в цифров вид могат да се обработят с РС, което може мигновено да изпълни допълнителните изчисления, като се премахват възможностите за грешки и се пести времето на скъпо платения персонал. Чрез използването на записващи уреди и електронно-лъчеви осцилографи е възможно крайните резултати да се получат във формата на изчертани криви, като по този начин процесът на събиране и анализиране на данните се ускорява.

Преди около четиридесет години повечето електронни измервания се провеждаха с уреди, конструирани от самите изследователи: често тези уреди биваха не само неудобни, но и безполезни, освен ако с тях работеше висококвалифициран персонал (обикновено тези, които са ги конструирали).

Състоянието на нещата сега е напълно променено. Понастоящем може да се купи далеч по-съвършен в конструктивно и по-прост в експлоатационно отношение измерителен уред, за чието използване не е необходим висококвалифициран персонал.

Същевременно големият брой промишлено произвеждани електронни измерителни уреди дават възможност за избор на начина на въвеждане на информацията, с което предоставяните от тях възможности се използват по-пълноценно. Операторът трябва да знае какво могат да измерват уредите, които той ще използва, трудностите, които могат да възникнат при осъществяване на измерванията в специални или непривични условия: възможностите и ограниченията; грешките, които могат да се получат при нарушение на формата на сигнала от шум, от паразитни електрически токове и др. Операторът също така трябва да взема под внимание характеристиките на величините, които ще измерва, и след това да съпостави тези характеристики със свойствата и възможностите на измервателния уред, който ще използва.

2. 
   Определение, задачи, особености.
   

Пред електронно-измервателна техника се поставят важни и отговорни задачи за точно, бързо и навременно извършване на всички видове измервания, които трябва да дадат информация, обхващаща следния кръг от въпроси:

1. 
   Определяне параметрите и характеристиките на електрическите сигнали (ток, напрежение, мощност, честота, спектър, форма, коефициент или индекс на модулацията и др.).
   
2. 
   Определяне параметрите и характеристиките на пасивни и активни двуполюсници, четириполюсници и вериги (характеристично или вълново съпротивление, първични и вторични параметри, амплитудни, честотни и преходни характеристики, вътрешно и входно съпротивление, затихване и усилване и др.).
   
3. 
   Определяне параметрите, характеризиращи изкривяванията на сигналите (нелинейни изкривявания, фазови изкривявания, честотни изкривявания).
   
4. 
   Определяне на различни видове смущения и предизвикващите ги фактори (псофометрично напрежение, преходен разговор и др.).
   
5. 
   Определяне характера и мястото на повредите (късо съединение, прекъсване, сплитане и др.).
   

1. 
   Широк честотен обхват, използван при предаване на информация.
   
2. 
   Голямо разнообразие и широки граници на измерваните величини и параметри.
   
3. 
   Голямо разнообразие на сигнали (синусоидални, правоъгълни, трионообразни, шумови и др.).
   
4. 
   Голяма чувствителност и голямо входно съпротивление на измервателните уреди и др.
   

3. 
   Категории измервания
   

1. 
   Лабораторни измервания, провеждани при различни изследвания и разработки. При тях като правило се използва по-сложна и по-точна измервателна апаратура.
   
2. 
   Производствени измервания, извършвани във фирмите и сервизите и при приемателно-предавателните изпитания. При тях широко се използват специализирани (технологични) измервателни устройства, осигуряващи простота и бързодействие при измерванията.
   
3. 
   Измервания, извършвани при строително-монтажни работи на станционни и линейни съоръжения.
   
4. 
   Експлоатационни измервания, които от своя страна биват:
   

б/ контролно-изпитателни – провеждани ежедневно за контролиране изправността на съоръженията;

в/ оперативни – провеждани съобразно работните инструкции в процеса на експлоатация;

г/ аварийни – провеждани при установяване характера и мястото на повредата.

5. 
   Измервания за проверка на измервателни уреди – провеждани в опре-делен ред и срок с цел да се установи съответствието на проверяваните уреди с изискванията на стандартите, инструкциите и нормите.
   

4. 
   Методи на измерване. Класификация
   

а/ методите на непосредствена оценка (непосредствено сравняване с еталонни мерки или отчитане по непосредствено показващи стрелкови, записващи и цифрови уреди);

б/ нулеви методи (мостови и компенсационни методи, при които измерваната величина се уравновесява чрез еднородна еталонна величина);

в/ диференциални методи (определяне на измерваната величина по разликата между едновременно действащите върху показващия уред измервана и еталонна величина);

г/ методите на съвпадение (определяне на измерваната величина чрез заместването й с еталонна при еднакво показание на индикатора).

Нулевите методи, диференциалните методи и методите на съвпадение се наричат общо методи на сравнението (сравнителни методи).

Измерванията могат да се подразделят още на статични и динамични (според режима на работа на измервания обект), на непрекъснати и дискретни (според това, дали се извършват непрекъснато във времето или в определени моменти) и др.

Основните елементи и характеристики на измерванията са: 1) обект на измерването; 2) измервателно средство; 3) условия на измерването; 4) човекът-оператор, извършващ измерването (субект на измерването); 5) принцип на измерването; 6) метод на измерването; 7) точност на измерването.

Обектът на измерването трябва да бъде оценен на основата на априорни (пред-шествуващи опита и независими от него) данни и отъждествен с един от моделите, идеализиращи същия. Тази задача решава човекът-оператор, който в съответствие с приетото отъждествяване избира един или друг измервателен уред. Например, ако в качеството на модел на напрежение е прието постоянно напрежение, то следва да се избере волтметър, а не спектроанализатор.

1. 
   Директен метод. При него измерваната величина се определя непосредствено с мерки или измервателни уреди – например измерването на напрежение с волтметър, на ток с амперметър и т.н. Методът е прост, бърз и удобен. Точността му се ограничава от точността на използвания измервателен уред и субективния фактор (човекът-оператор).
   
2. 
   Индиректен метод. При този метод търсената величина се определя по изчисли-телен (косвен) път въз основа на директно измерени величини. Например коефициентът на усилване на един усилвател се изчислява по директно измерените стойности на входното и изходното напрежение.
   
3. 
   Методи на сравнението. Към тях се причисляват следните методи:
   

• 
  Нулев метод. При него измерваната и еталонната величина се сравняват до пълното им изравняване, което се фиксира от нулевото показание на индикатора на измервателното средство. Типичен пример на приложение на нулевия метод са измерванията на различни величини чрез мостови измервателни уреди. Методът се характеризира с висока точност на измерване.
  
• 
  Диференциален метод. Тук неизвестната величина се сравнява с известната величина (мярката), като измервателният уред отчита разликата между тях (например измерване на честоти по метода на двойното биене). Точността на диференциалния метод нараства с намаляването на разликата между сравняваните величини.
  
• 
  Метод на заместването (съвпадението). При него въздействието на измерваната величина върху измервателния уред се заменя с въздействието на еталонна величина до получаване на същото показание (например измерването на затихване с помощта на изкуствена линия и др.). Точността на метода се ограничава от точното отчитане на заместващата величина.
  
• 
  Резонансен метод. Основава се на резонансните явления в дадена електрическа трептяща система. Характерно за него е, че в повечето случаи индикаторът на измервателния уред показва максимално отклонение (противоположно на нулевия метод). Точността на измерването зависи главно от вида на резонансната характеристика на трептящата система, която за всеки конкретен случай може да бъде твърде различна.
  

Когато се посочват качествените показатели на дадена апаратура или комплексно съоръжение, необходимо е да се посочи и методиката на измерването, по която са получени тези показатели, тъй като при използването на друга методика могат да се получат резултати, които значително да се различават от посочените. Особено е необходимо да се посочва методиката на измерване на нестандартни съоръжения и на параметри, за които не се дават препоръки от Международните консултативни комитети.

За добро познаване на всички въпроси в областта на измерванията, инженерът по електронна техника трябва да има солидна подготовка по специалнитe дисциплини. Това до известна степен налага в някои от тези дисциплини да се изучават специализирани въпроси от областта на измерванията.

Съвкупността от редица измервания, които се извършват върху едно комплексно съоръжение, условията, при които се извършват измерванията (постановката), тяхната последователност, използваната апаратура и измервателните методи определят така наречената методика на измерване на дадено съоръжение, тракта или група съоръжения. Когато се дават качествените показатели на дадена апаратура или комплексно съоръжение, необходимо е да се даде и методиката на измерването, по която са получени тези резултати, тъй като при използване на друга методика може да се получат резултати, които значително да се отклоняват от дадените. Особено е необходимо да се дава методиката на измерване на нестандартни съоръжения и за параметри, за които няма препоръка.
1.6. Обобщена класификация на измерителните уреди

Средствата за измерване са технически средства, чрез които се извършват измерванията и чиито метрологични свойства се знаят. Тези свойства се наричат нормирани, когато са вписани в нормативни документи (стандарти, нормали и др.).

Най-общо средствата за измерване (СИ) се разпределят на две големи групи – елементарни и комплексни – фиг. 1.1. Елементарните са тези, чрез които не може да се проведе цялостен завършен измервателен процес. Към тях се отнасят мерките, измервателните преобразуватели и устройствата за сравняване (компараторите).

Мярката е средство за измерване, което възпроизвежда дадена физична величина със зададен размер. Мерките, изработени с най-голяма точност за даден момент в страната се наричат еталони.

Мерките могат да бъдат веществени (например маса), енергийни (например електрическо напрежение), параметрични (например честота) и се основават на различни физични принципи и закономерности. Класифицират се по различни признаци, например нерегулируеми и регулируеми; едноканални и многоканални (многовходови) и др.

Съвкупността от измервателните уреди и спомагателните технически устройства, с помощта на които се извършват измерванията, се нарича измервателна апаратура. Основните електронни измервателни уреди могат условно да се подразделят на следните четири групи:

1. Измервателни генератори – широко разпространени измервателни уреди, които служат като източници на сигнали за захранване на измервателни сис-теми, градуиране на уреди, настройка на различни апаратури и други. На фиг. 1.2 е дадена обобщена функционална схема на измервателния генератор. Задаващият генератор е основният възел на измервателния генератор, който определя формата и честотата на сигнала. Преобразувателят служи за повишаване на нивото на сигнала (усилвател) или за преобразуване на неговата форма (формиращо устройство, модулатор).

Изходното устройство има предназначение да регулира нивото на изходния сигнал, да изменя изходното съпротивление, да превключва поляритета и др. В неговия състав обикновено влизат атенюатор (делител, затихвател), съгласуващ трансформатор, катоден (емитерен) повторител, инвертор.

Захранващото устройство служи за захранване на различните електронни възли на уреда.
Фиг. 1.1 Класификационна схема на средствата за измерване
Измервателното устройство служи за контролиране на параметрите на сигнала – напрежение, мощност, коефициент на модулация и др. Използват се най-често стрелкови и по-рядко визуални индикатори.


Фиг. 1.2 Обобщена функционална схема на измервателния генератор
2. Уреди за измерване на параметрите и характеристиките на сигналите. Тази група обединява голям брой прибори, като електронни волтметри, честотомери, осцилографи, спектроанализатори и др. Обобщената функционална схема на тези уреди е дадена на фиг. 1.3.

Входното устройство служи за осигуряване на високо входно съпротивление, необходимо ниво на изходния сигнал. В неговия състав влизат входни делители, катодни (емитерни) повторители, закъснителни линии и др.

Устройството за преобразуване, сравнение или анализ представлява основният възел на тези уреди, изпълняващ различни функции – детектиране, усилване, преобразуване на напрежението във временен интервал, сравнение с еталонна величина, извършване на математични операции и др.


Фиг. 1.3.Обобщена функционална схема на уреди за измерване на параметрите и характеристиките на сигналите
Регистриращото устройство служи за представяне на резултатите от преобразуването във форма, удобна за възприемане от оператора или за по-нататъшна обработка. Най-често то е стрелкови уред, телефонна слушалка, електронно лъчева тръба, цифров индикатор и др.

Захранващото устройство освен функциите, които изпълнява при уредите от първа група, често служи и като източник на калибриращо напрежение, необходимо за калибриране на уреда или за сравнение.

3. Уреди за измерване на параметрите и характеристиките на отделни елементи, двуполюсници, четириполюсници и вериги. Към тази група спадат различни измерватели на съпротивления, индуктивности, куметри, измерватели на честотни и преходни характеристики и други. Характерна особеност за тези уреди е, че в техния състав влизат както източници на сигнали, така и индикатори. Обобщената блокова схема е показана на фиг. 1.4 в два варианта: а – за двуполюсници и б – за четириполюсници.

4. Допълнителни елементи на измервателните схеми. Тук спадат спомагателни устройства, като атенюатори, декадни затихватели, симетриращи трансформатори и дросели, измервателни филтри, регулируеми дефазатори и др. Тези устройства се използват за регулиране нивото и фазата на сигналите, ограничаване и изменение на честотния спектър, в това число намаляване нелинейните изкривявания на измервателните генератори, симетриране на измервателните схеми и т.н.

Измервателните уреди се характеризират със следните по важни характеристики:

1. 
   входно съпротивление;
   
2. 
   изходно съпротивление;
   
3. 
   чувствителност;
   
4. 
   честотен обхват;
   
5. 
   динамичен обхват;
   
6. 
   диапазон на измерваните величини;
   
7. 
   разрешаваща (разделителна) способност;
   
8. 
   честотни изкривявания;
   
9. 
   нелинейни изкривявания;
   
10. 
    основни и допълнителни грешки.
    

При желание да се поддържа изходното ниво независимо от промяната на товара се използват генератори с малко вътрешно съпротивление, а когато необходимо, да се поддържа постоянен токът – генератори с голямо вътрешно съпротивление. За да се получи нагаждане с измервания обект, се използват генератори с определено (например 600 , 150 ) вътрешно съпротивление.

От измервателните уреди от втора група се изисква да имат максимална чувствителност (минимална входна величина, необходима за точно отчитане), максимална разрешаваща способност (минимална разлика между две съседни стойности, която може да бъде различена от уреда), определено входно съпротивление (обикновено високо, а когато уредът се използва за товар с опре-делена крайна стойност), по-голям честотен обхват, по-малка грешка на отчитане и др.

Изискванията към измервателните уреди от трета група са подобни на изискванията, които се предявяват към уредите от първа и втора група.

От уредите от четвърта група се изисква да осигуряват необходимите стъпални и плавни изменения на нивата при минимална грешка и неизменност на характеристичното съпротивление (атенюатори, декадни затихватели), необходимия брой честотни ленти със зададено затихване и постоянство на характеристичното съпротивление (измервателни филтри), необходимото симетриране (симетриращи трансформатори и дросели), необходимия диапазон на изменение на фазата с минимална грешка при отчитане на фазата и при зададено входно и изходно съпротивление (дефазатори) и т.н.

Измервателните преобразуватели (ИП) са елементарни средства за измерване, които преобразуват дадена входна величина Х в друга (изходна) величина Y с оглед на решаването на определена задача: съгласуване на изходното съпротивление на източника на сигнала с входното съпротивление на измервателното устройство, съгласуване на големината на Х с нужната големина на Y (мащабни преобразуватели), реализиране на определена функционална зависимост между Y и Х (функционални преобразуватели) и др. В зависимост от вида на входната и изходната величина преобразувателите са аналогови, дискретни и аналогово-цифрови (АЦП) и цифрово-аналогови (ЦАП). Освен това те служат за преобразуване на електрически величини в електрически, електрически в неелектрически, електрически в магнитни и др. Най-важната характеристика на ИП е тяхната функция на преобразуване, т.е. зависимостта на изходната величина Y от входната Х:

Y = f(Х)

Важно е да се отбележи, че ИП за разлика от преобразувателите в други области на науката имат нормирани характеристики, чрез които при зададена грешка на Х може да се определи грешката на Y.

Устройствата за сравняване (компараторите) сравняват две еднородни величини Х₁ и Х₂, като първо се намира разликата = Х₁ – Х₂ и след това се оценява нейния знак. Така се определя коя от двете величини е по-малка и коя – по-голяма. Изходният сигнал е аналогов или цифров.

Комплексните средства за измерване служат за извършване на цялостен измервателен процес. Те се подразделят на измервателни уреди (ИУ) и информационно-измервателни системи (ИИС). Измервателните уреди са предназначени за измерване на една величина в даден момент на определено място. Чрез ИИС могат да се измерват голям брой величини (едновременно или последователно) на различни места, като получената информация се запаметява, обработва и обикновено се предава на по-малки или по-големи разстояния. Може да се каже, че ИИС са най-сложните и най-съвършените съвременни измервателни средства. Уредите и системите се подразделят на аналогови и цифрови. Те от своя страна могат да бъдат показващи и регистриращи.

Измервателните уреди се строят на базата на различни физически принципи. Те се подразделят на стационарни и портативни. Стационарните се монтират най-често на станоци, маси, подвижни пултове, автомобили, образувайки по този начин комплектни измервателни устройства.

7. 
   Структурни схеми на средствата за измерване.
   

На фиг. 1.6 е показана структурната схема на уред с пряко преобразуване. При него всички преобразуватели П са свързани последователно, без разклонения. Представлява интерес каква ще бъде стойността на общия (еквивалентния) коефициент на преобразуването К, ако се знаят коефициентите К₁, К₂, ...., К_n на преобразувателите П₁, П₂, ..., П_n. Той се намира лесно, като се използва формулата и като се проследят входната и изходната величина за всеки преобразувател:

или

Веригите на правото и обратното преобразуване могат да се представят с по един еквивалентен коефициент на преобразуването – съответно К и , като съгласно с (1.1)

К = К₁. … . К_n, а .


Фиг. 1.7 Структурна схема на уред с уравновесяване
Въз основа на означенията и на начина на свързване на преобразувателите в схемата от фиг. 1.7 могат да се напишат уравненията:

и ,

където с К_F е означен еквивалентният коефициент на преобразуване на цялата схема. Тази система уравнения се решава по отношение на К_F в следната последователност:

и се намира

Уравнението (5.2) се използва широко в електроизмервателната техника и е от голямо значение по следните причини. Част от коефициентите в (1.2) са коефициенти на преобразуване на електронни преобразуватели или елементи. Техните стойности не са стабилни във времето, влияят се от температурата и други странични фактори. Поради това и еквивалентният коефициент К на правото преобразуване притежава същите недостатъци. Това е недопустимо, тъй като води до грешки при измерванията. При използване на обратни преобразуватели и реализиране на неравенството:

коефициентът К_F от (1.2) добива вида

Тъй като обратните преобразуватели се правят обикновено от пасивни елементи (резистори, кондензатори и др), които имат стабилни характеристики, коефициентът , а от там и К_F могат да бъдат много стабилни и да се избегнат грешките.

На фиг. 1.8 е показана структурна схема на уред със смесено преобразуване. За еквивалентния коефициент на преобразуването К_е в този случай е валидно равенството:

, (1.5)

където К₁ и К₃ са коефициентите на необхванатите от обратната връзка измервателни преобразуватели.