Преобразователи электрических и неэлектрических величин

Преобразователи электрических и неэлектрических величин

Лабораторная работа

Преобразователи электрических и неэлектрических величин

Определение параметров электрических сигналов

Цель работы: знакомство с параметрами синусоидального и импульсного напряжения. Ознакомление с работой симметричного мультивибратора-генератора прямоугольных импульсов. Измерение параметров прямоугольных импульсов при помощи осциллографа и измерителя временных интервалов.

Приборы и оборудование: генератор прямоугольных сигналов Г5-53, осциллограф С1-68, измеритель временных интервалов И2-26, электронный вольтметр В7-27А, симметричный мультивибратор.

Основные понятия

Электрические сигналы (напряжение или ток) характеризуются мгновенным U, средним Uср, средневыпрямленным Uсрв, среднеквадратичным Uскв (для периодического сигнала) и пиковым Uп, а также амплитудным значением Uм (рис.1а, б, в).

Мгновенное значение напряжения определяется видом соответствующей осциллограммы. Для гармонического сигнала (рис.1а):

Рис.1

где Uм - амплитуда колебаний;

w = 2pn =  - частота;  - начальная фаза.

Средним значением периодического сигнала Uс называется его среднеарифметическое значение за период:

Для симметричного (1) относительно оси времени напряжения Uc=0 (в чем можно убедиться подстановкой (1) во (2)), поэтому для характеристики таких сигналов используется средневыпрямленное значение напряжения UСВ, где |Uсвр (t)| - среднее значение модуля напряжения (рис.1б)

 Ucв =.

Среднеквадратичное (действующее) значение напряжения (за период):

Подставляя в (4) выражение (1) для гармонического сигнала, получим:

 Uскв =  =.

Под импульсом следует понимать кратковременное отклонение напряжения или тока от некоторого постоянного уровня (рис.1в).

Импульсное напряжение является частным случаем несинусоидального периодического напряжения. Оно характеризуется тем, что период повторения оказывается больше длительности самого импульса, чтобы радиотехническое устройство, на вход которого поступают импульсы, успело прийти в исходное состояние. Иначе говоря, в нем не должно накапливаться энергии вследствие действия предыдущих импульсов. Фронтом импульса называется его боковая сторона (рис.2б). Различают передний (момент t1) и задний (момент t2) фронты. На рис.2а изображен один прямоугольный импульс напряжения положительной полярности с некоторыми его отклонениями от прямоугольной формы, характерными для реальных генераторных устройств. Перечислим основные параметры импульсного напряжения (прямоугольного, трапециидального, линейного, экспоненциального (рис.2а, б, в, г)).

Периодом повторения импульсов Т называется интервал времени от начала переднего фронта импульса до переднего фронта следующего импульса (рис. 2в).

Под длительностью импульса τи понимается интервал времени от конца нарастания переднего фронта до начала спада заднего фронта.

Длительностью фронта ф1 или ф2 называется время его нарастания или спада.

Скважностью импульсов  называется отношение периода повторения Т к длительности импульса и:

Крутизной импульса S называется отношение пика импульса к длительности фронта:

Средним (действующим) значением импульса (напряжения, тока, мощности) называется такое его значение, которое получается, если напряжение, ток или мощность распределить на весь период (рис. 1в).

Среднее значение импульсного напряжения Uд связано с амплитудным (пиковым) значением импульса Un и скважностью  соотношением:

электрический сигнал напряжение импульсный

Мультивибратор

Мультивибратор - это релаксационный генератор прямоугольных импульсов с самовозбуждением. Он представляет собой двухкаскадный реостатно-емкостной усилитель на транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером (рис.3).

Методика эксперимента

С помощью координатной сетки осциллографа определяется амплитудное (пиковое) напряжение прямоугольного импульса Uп (рис.2а), длительность импульса , длительность нарастания фронта импульса ф1, период следования импульсов Т. В течение времени  напряжение в импульсе уменьшается от пикового значения Uп на величину U, называемую спадом напряжения в импульсе. Идеальный прямоугольный импульс с длительностями нарастания и спада напряжения равными нулю, имеет бесконечно широкий спектр частот 0. Усиливать и передавать импульсы со столь широким спектром частот практически невозможно, поэтому вместо идеальных прямоугольных импульсов в реальных устройствах приходится иметь дело с импульсами, содержащими ограниченный спектр частот и с формой, отличной от идеально прямоугольной (рис.2а). Параметры ф1 и U связаны с границами частотного спектра реального импульса. Верхняя граница частотного спектра определяется длительностью  по формуле:

а нижняя граница - величиной относительного спада импульса δ:

и длительностью импульса τи по формуле:

Определение амплитуды импульса Uп можно проконтролировать с помощью электронного осциллографа.

Действующее значение импульсного напряжения можно измерить с помощью электронного вольтметра. Связь между амплитудным Uп и действующим (среднеквадратичным) значением напряжения Uд определяется выражением:

где σ - скважность импульсов.

Обработка результатов эксперимента

Измеряемые характеристики импульсного напряжения:

Ø  период

Ø  длительность импульса

Ø  длительность нарастания переднего фронта

Ø  длительность спада заднего фронта

Ø  спад напряжения в импульсе

Расчетные характеристики импульсного напряжения:

Ø  скважность

Ø  среднее (действующее) значение импульсного напряжения

Ø  нижняя граница спектра

Ø  верхняя границу спектра