Физика Электроника

Лабораторные работы по электронике

Методика проведения исследований и обработки результатов эксперимента.

Основная цель проведения лабораторной работы – оптимизировать частоту напряжения питания измерительной схемы индуктивного преобразователя с целью получения максимальной чувствительности.

Сущность методики исследований заключается в экспериментальном определении зависимости выходного напряжения измерительной схемы от входного перемещения (градуировочных характеристик) на частотах 60, 220, 520, 1030, 1530, 2030, 2530, 3030 Гц в диапазоне перемещений 0 – 5 мм.

На основании результатов эксперимента определяется частота питания, при которой чувствительность преобразователя имеет максимальное значение. Эта частота считается оптимальной и принимается за рабочую частоту преобразователя.

Исследования проводятся для двух вариантов измерительных схем, в которые включены обмотки измерительного преобразователя мостовой и трансформаторной (см. п.З настоящих методических указаний).

Исследования и обработка полученных результатов проводятся в указанной ниже последовательности.

4.1. Включить сетевое питание электронного вольтметра и генератора и дать им прогреться в течение 1 мин.

4.2. Установить выходную частоту генератора 60 Гц и выходное напряжение UПИТ=2В; переключатель коммутатора поставить в положение "мостовая схема включения".

4.3. Провести балансировку мостовой измерительной схемы, для чего выполнить следующие операции

- переключатель коммутатора поставить в положение “мостовая схема включения”

- вращением ручки микрометрической пары, жестко закрепленной на штативе индуктивного преобразователя, добиться минимально возможного показания на шкале электронного вольтметра, при подходе к минимуму верхний предел измерения вольтметра должен быть не более 300 мВ;

- минимальные показания вольтметра зафиксировать в графе табл. 1, соответствующей частоте питания 60 Гц и задаваемому перемещению 0 мм;

- зафиксировать по отсчетному устройству микрометрической пары положение микровинта, соответствующее минимальным показаниям вольтметра, приняв его за начало отсчета задаваемых в п.4.4. перемещений.

4.4. Определить градуировочную характеристику индуктивного преобразователя перемещений, задавая вращением микрометрического винта по часовой стрелке перемещения 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0 мм и фиксируя в табл. I выходные напряжения измерительной схемы, соответствующие каждому значению перемещения.

 

Примечание 1: один полный оборот микровинта соответствует задаваемому перемещению 0,5 мм.

4.5. Последовательно изменяя частоту генератора до значений 220; 520; 1030; 1530; 2030; 2530; 5050 Гц определить семейство градуировочных характеристик индуктивного преобразователя на этих частотах, используя методику п.п.4.3 и 4.4. Результаты измерений занести в табл.1.

Примечание 2: погрешность регулировки выходной частоты звукового генератора не должна превышать ±10 Гц.

4.6. Определить градуировочные характеристики индуктивного преобразователя при включении его обмоток в трансформаторную измерительную схему, для чего:

- переключатель коммутатора поставить в положение "трансформаторная схема включения";

- провести балансировку трансформаторной измерительной схемы при частоте питающего напряжения 60 Гц в соответствии с п.4.3;

- в соответствии с п.4.4. определить градуировочную характеристику преобразователя, зафиксировав выходные напряжения в табл.2;

- последовательно выставляя частоту питающего напряжения 110; 220; 320; 520; 1030; 1530 Гц, в соответствии с п.п.4.3, 4.4. определить семейство градуировочных характеристик на этих частотах, зафиксировав результаты измерений в табл.2.

4.7. На основании подученных результатов расчетным путем определять чувствительность индуктивного преобразователя по перемещению для каждой из частот, используя выражение

где  - приращение выходного напряжения измерительной схемы, соответствующее перемещению   =1 мм в диапазоне от 2-х до 3-х мм,

Результаты расчетов поместить в последние строки таблиц I и 2.

4.8. Построить три графика функций преобразования , соответствующие минимальной, максимальной и промежуточной чувствительности для мостовой схемы включения с указанием для каждого из них частоты питающего напряжения.

4.9. Построить три графика функции преобразования , соответствующие минимальной, максимальной и промежуточной чувствительности для трансформаторной схемы включения с указанием для каждого из них частоты питающего напряжения.

Примечание. Графики по п.4.8. и 4.9 строятся в одной системе координат.

4.10. По результатам проведенных экспериментальных исследований дать заключение об оптимальных частотах напряжения питания, исходя из критерия максимальной чувствительности для обеих исследованных измерительных схем.

Оценить, какая из схем включения имеет большую чувствительность.

4.11. Аппроксимировать функции преобразования, полученную при оптимальной частоте питающего напряжения, линейной зависимостью, используя метод наименьших квадратов. Определить диапазон измеряемых перемещений, в котором погрешность аппроксимации не превышает 2 %.

Вычисления провести по специально разработанной программе на ЭВМ “Электроника 100/2”.

5. Требования к технике безопасности при выполнении лабораторной работы.

5.1. Включения в сеть всех используемых в лабораторной работе приборов собранной схемы можно производить только с разрешения лаборанта или преподавателя после проверки ими подготовленных к включению приборов и схем,

5.2. В случае обнаружения нарушения целостности изоляции проводов, искрения в розетках сети и вилках кабелей питания прекратить выполните работы, выключить все приборы и обратиться к лаборанту или преподавателю, проводящему лабораторный практикум.

5.3. Категорически запрещается включать в сеть и пользоваться приборами в случае нарушения целостности проводов заземления их корпусов.

6. Содержание отчета

6.1. Отчет по лабораторной работе должен быть помещен в отдельной тетради, предназначенной для оформления всего цикла лабораторных работ по курсу

6.2. Отчет должен содержать

- цель работы;

- основные формулы с использованием которых можно объяснить принцип работы индуктивных преобразователей перемещений;

- две измерительные схемы, которые экспериментально исследовались в процессе выполнения лабораторной работы;

- структурную схему лабораторной установки;

- таблицу с результатами экспериментальных исследований и расчетов;

- шесть графиков функций преобразования, построенных в соответствии с п.4.8 и 4.9 настоящих методических указаний;

заключение об оптимальной частоте питающего напряжения для каждой из исследованных схем включения индуктивного преобразователя;

численное значение диапазонов измеряемых перемещений, в котором погрешность линейной аппроксимации функции преобразования не превышает 2 %.

7. Контрольные вопросы

7.1. Какова конечная цель выполненных экспериментальных исследований.

7.2. Поясните принцип работы индуктивных датчиков перемещений, используя приведенные в методических указаниях аналитические выражения.

7.3. В чем заключается отличие индуктивного преобразователя от трансформаторного?

7.4. Объясните, какими преимуществами обладает дифференциальный индуктивный преобразователь по сравнению с обычным.

7.5. Поясните принцип работы мостовой и трансформаторной измерительной схем.

7.6. Напишите и поясните условие согласования внутреннего сопротивления вольтметра с выходным сопротивлением мостовой измерительной схемы, при котором обеспечивается максимальная чувствительность измерительного устройства.

7.7. Методика проведения исследований и обработки результатов эксперимента.

7.8. Каким образом производилась балансировка исследуемых измерительных схем перед началом измерений.

7.9. Чем вызвано изменение чувствительности измерительной схемы при изменении частоты питающего напряжения.

7.10. Прокомментируйте вид градуировочных характеристик индуктивного преобразователя с позиций обеспечения постоянства чувствительности в пределах исследуемого диапазона перемещений.

Измерение выходного сопротивления ОУ.

Для измерения выходного сопротивления собрать схему, изображенную на рис. 11.9, а затем сбалансировать ее. Выполнить начальные установки частоты и величины напряжения ГНЧ аналогично п. 2 а.

Измерить напряжение на выходе ОУ без нагрузки, т. е. в режиме холостого хода (ХХ) и при подключении нагрузочного сопротивления, тогда выходное сопротивление определяется выражением

 

(11.7)

На выходе ОУ дополнительно (для его безопасности) включено сопротивление Rогр=100 Ом. С учетом этого окончательно для Rвых получим Rвых=–Rогр.

Измерение входного сопротивления ОУ по дифференциальному входу без ООС.

Данный способ измерения основан на уменьшении амплитуды выходного сигнала под действием делителя напряжения во входной цепи. Делитель состоит из внешних сопротивлений величиной 20 кОм и входного сопротивления Rвх диф ОУ.

Для измерения входного сопротивления Rвх диф ОУ собрать на монтажной плате схему рис. 11.13.


Первоначально замкнуть ключи К1 и К2. Затем подать на схему с ГНЧ напряжение частотой 1 кГц и амплитудой порядка (0,1–1) мВ и сбалансировать ОУ. В этом случае напряжение на выходе ОУ определяется выражением

 

(11.8)

Не изменяя уровня входного сигнала на входе схемы, разомкнуть ключи К1 и К2. В этом случае выходное напряжение и уменьшится и станет равным

 

(11.9)

Совместное решение уравнений (11.8) и (11.9) дает

 

(11.10)

Измерение времени восстановления ОУ.

Время восстановления обычно связано с перегрузкой ОУ, поэтому уровень входного сигнала выбирают вдвое большим, чем необходимо для насыщения.

Для определения времени восстановления ОУ собрать схему рис. 11.14.

На вход схемы подать от ГНЧ импульсы прямоугольной формы частотой 10 кГц, а к выходу схемы подключить осциллограф. Для получения необходимого насыщения, увеличивать уровень сигнала, подаваемого с генератора, от нуля до величины, при которой выходной сигнал прекратит увеличиваться.

Пользуясь рис. 11.14 б, определить по осциллограмме время восстановления ОУ.


Измерение входных токов смещения и разностного тока смещения.


Для измерения этих токов собрать на монтажной плате стенда схему повторителя по напряжению с единичным коэффициентом передачи (рис. 11.15), в которой используется цифровой вольтметр в режиме измерения постоянного напряжения. При замкнутых ключах К1 и К2 напряжение на выходе ОУ определяется напряжением смещения (Uвых=U0).

Замкнуть ключ К1 и разомкнуть ключ К2. В этом случае выходное напряжение (Uвых=U’0) определяется как напряжением смещения так и током смещения на инвертирующем входе. Величина этого тока задается выражением

 

(11.9)

Если замкнуть ключ К2 и разомкнуть ключ К1, то выходное напряжение ОУ станет равным (Uвых=U²0), а величина тока смещения по неинвертирующему входу будет равна

 

(11.10)

Пользуясь результатами этих расчетов по выражениям (11.9) и (11.10) определить разность входных токов смещения

 

 

Контрольные вопросы

Какими характеристиками должен обладать идеальный ОУ?

Какой вид и почему имеет амплитудная характеристика ОУ?

Какой вид и почему имеет АЧХ ОУ?

Какие требования предъявляются к ОУ?


Полупроводниковые выпрямители