Поверка генераторов низкой частоты

Министерство образования Российской Федерации
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА
ПОВЕРКА ГЕНЕРАТОРОВ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
Методические указания к лабораторной работе
Казань 2014
Министерство образования Российской Федерации
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА
Кафедра электронного приборостроения
ПОВЕРКА ГЕНЕРАТОРОВ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
Методические указания к лабораторной работе по дисциплине
“Прикладная метрология, стандартизация и сертификация”
Казань 2014
3
Составитель: старший преподаватель И.А. Горбунов
УДК 621.313.13
Поверка генераторов низкой частоты: Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Прикладная метрология, стандартизация и
сертификация»/Казан. гос. техн. ун-т; Сост. старший преподаватель И.А.
Горбунов, Казань, 2014 г./.
Рассматриваются вопросы выполнения лабораторной работы по поверке генераторов низкой частоты в соответствии с существующей научнотехнической документацией. Предназначено для специальности 200700 «Радиотехника», специализация «Информационно-измерительная техника».
Табл. 6 . Ил. 1 . Библиог.: 7 назв.
Рецензент: к.т.н. М.И. Нургалиев. Кафедра теоретической радиотехники и электроники.
4
Целью настоящих методических указаний является овладение студентами практических навыков при проведении поверочных и калибровочных работ, а также правил оформления протоколов поверки и калибровки генераторов низкой частоты.
1. ЗАДАНИЕ
Перед выполнением работы студенту необходимо:
1.1. Изучить функциональную схему поверяемого генератора низкой
частоты (ГНЧ) и назначение его составных узлов, используя при этом техническое описание на поверяемый ГНЧ и рекомендуемую литературу.
1.2. Ознакомиться с ГОСТ 8.314–78.
1.3. Ознакомиться с техническими и метрологическими характеристиками (параметрами) поверяемого ГНЧ и величинами допустимых погрешностей, при которых может быть обеспечена нормальная работа ГНЧ.
1.4. Ознакомиться с техническими описаниями на образцовые средства
измерений.
1.5. Подготовить рабочее место к выполнению лабораторной работы:
– подвести питание к поверяемому ГНЧ и средствам его поверки;
– провести внешний осмотр в соответствии с ГОСТ 8.314–78.
1.6. Провести поверку ГНЧ в соответствии с ГОСТ 8.314–78.
2. ОПЕРАЦИИ ПОВЕРКИ
Стандартом 8.314–78 предусмотрены следующие операции:
2.1. Проверка исправности – опробование.
2.2. Определение погрешности установки частоты по шкале частот.
2.3. Определение погрешности установки частоты по шкале интерполяции.
2.4. Определение нестабильности частоты.
2.5. Определение погрешности установки выходного напряжения.
2.6. Определение погрешности выходного регулятора (ослабителя, делителя) напряжения.
2.7. Определение коэффициента гармоник выходного напряжения.
5
3. СРЕДСТВА ПОВЕРКИ
В качестве средств поверки параметров ГНЧ, которые позволяют определить поверяемый параметр с погрешностью, составляющей не более одной
трети допустимой, используются следующие образцовые приборы:
3.1. Для определения частотных погрешностей – электронно-счетный
частотомер (ЭСЧ) типа Ч3-24 (или Ч3-41). Погрешность измерения частоты 
110-8  1 счета. Диапазон измеряемых частот 10 Гц  200 МГц. Используется при операциях поверки 2.2, 2.3 и 2.4.
3.2. Для определения погрешностей выходных напряжений – электронный вольтметр типа В3-24 или аналогичный. Его основные технические характеристики:
 диапазон измерения напряжения 10 мВ  100 В;
 диапазон частот 20 Гц  1 ГГц;
 погрешность измерения, зависят от частоты измеряемого сигнала, в
следующих пределах:
– на частотах 20Гц  10МГц составляет  0,2 В + В;
– на частотах 300  500 МГц составляет  2,5 В + В;
– на частотах 900  1000МГц составляет  4,0 В + В,
где В 
0,08
, В; при условии индивидуальной аттестации.
U вх
Вольтметр В3-24 используется при операциях поверки 2.5 и 2.6.
3.3. Образцовый измеритель коэффициента гармоник типа С6-5 – (ИНИ
– измеритель нелинейных искажений). Известно, что идеальную форму синусоидального сигнала радиотехническими средствами получить нельзя из-за
наличия в схемах формирования синусоиды нелинейных элементов. Сформулированный синусоидальный сигнал всегда будет искажен, то есть иметь
форму, несколько отличную от идеальной синусоиды, и степень этого отличия определяется коэффициентом гармоник. Всякий сложный периодический
сигнал может быть, согласно теореме Фурье, представлен суммой гармонических составляющих:

U (t )   U n ( ) cos( nt   n ) ,
(3.1)
n 0
где, кроме основной частоты первой гармоники U1(), в сигнале присутствуют ряд ее гармонических составляющих с различными амплитудами и
частотами, краткими основной.
Коэффициент гармоник есть отношение среднеквадратического значения искаженного сигнала, кроме первой, к среднеквадратическому значению
напряжения первой гармоники:
6

U  U  ...  U
2
2
K f1 
3
3
2
n

U1
 U n2
n2
.
U1
(3.2)
Схемная реализация прибора на основе этого соотношения встречает затруднения. Измеритель коэффициента гармоник наиболее просто строится
для выражения:

U  U  ...  U
2
2
K f2 
3
3
2
n
U 12  U 22  U 33  ...  U n2
U
n2

2
n
,

. U
n 1
(3.3)
2
n
в котором среднеквадратическое значение всех гармоник, кроме первой, отнесено к среднеквадратическому значению полного сигнала.
Коэффициенты K f и K f связаны простыми соотношениями:
1
2
K f1 
K f2
K f2 
;
1  K 2f 2
K f1
1  K 2f1
.
(3.4)
Из последней формулы видно, что если K f не превышает 10 %, то обакоэффициента примерно равны, и погрешность определения коэффициента
гармоник K f по формуле для K f не больше 0,5 %. Это легко показать, если в
формуле (3.4) разложить знаменатель в ряд, учитывая только первые два
1
1
2
члена разложения K f 
2
K f1
1  K 2f1
2

K 2f1 


  K f 1  0.1
 K f1 1 
1 

2 
2



  0.995K f .
1


При измерении коэффициента гармоник больше 10% необходимо производить пересчет K f в K f по формуле (3.4).
2
1
Методом измерения коэффициента гармоник является «метод подавления основной частоты». Выражение (3.3) можно представить в виде:
K f2 

1
 U n2  K

U
n 1
2
n
n2

U
n2
2
n
,
(3.5)
где К – постоянный коэффициент.
Следовательно, если нормировать среднеквадратическое значение полного сигнала, то шкалу вольтметра среднеквадратических значений, измеряющего среднеквадратическое значение суммы гармонических составляющих
высших гармоник, за исключением первой, можно проградуировать в значениях коэффициента гармоник K f .
2
Формула (3.5) служит основанием для построения структурной схемы
измерителя коэффициента гармоник (рис.1). Измерение коэффициента гар-
7
моник прибором, выполненным по этой схеме, сводится к следующим операциям:
 ключ В3 ставят в положение «калибровка» и, подав на вход измеряемый сигнал U(t), регулируют значение коэффициента усиления предварительного усилителя так, чтобы стрелку квадратичного электронного вольтметра установить на нормированную отметку шкалы (это соответствует постоянству знаменателя выражения для K f ). В приборе эта операция называется «калибровкой».
 ключ В3 переводят в положение Кг , то есть включают заградительный фильтр, подавляющий напряжение первой гармоники. Квадратичный
вольтметр измеряет при этом среднеквадратичное значение суммы всех гармоник, кроме первой, что эквивалентно измерению числителя выражения для
Kf .
2
2
Заграждающий фильтр для первой гармоники выполнен по схеме резистивно-емкостного моста, одна диагональ которого служит входом, куда поступает весь сигнал, другая – выходом, с которого снимается напряжение
суммы всех гармоник, кроме первой.
Мост включается в обратную связь схемы усилителя, что улучшает избирательные свойства и увеличивает коэффициент передачи на высших гармониках.
Квадратичный вольтметр измерителя гармоник может быть использован
для измерения:
 уровня шумов;
 переменного напряжения в широком диапазоне частот и уровней измеряемых сигналов.
3.3.1. Некоторые технические характеристики прибора С6-5:
 возможность измерения коэффициента гармоник в пределах 0,03 
100% на несимметричном входе;
 диапазон рабочих частот 20Гц  200кГц;
 основная погрешность измерения коэффициента гармоник
 K f = 0,02 K f + 5 %;
2
2
 уровень исследуемых сигналов 100 мВ  100 В;
 диапазон частот вольтметра 20 Гц  1 МГц;
 основная погрешность вольтметра  4 %.
В лабораторной работе может применяться измеритель коэффициента
гармоник типа С6-1А, который работает по такой же схеме, как и прибор С65, но имеет несколько отличные технические характеристики:
 диапазон измерения коэффициента гармоник 0,1  100 %;
 диапазон рабочих частот 20 Гц  200 кГц;
 основная погрешность измерения коэффициента гармоник
8
 K f =  0,05 K f + 0,05 %;
2
2
 уровень исследуемых сигналов 100 мВ  100 В;
 диапазон частот вольтметра 20 Гц  1000 кГц;
 основная погрешность вольтметра  4%.
9
10
4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ПОВЕРКИ
4.1. Общие условия поверки:
 поверяемый генератор должен быть прогрет в течение времени, указанного в технической документации;
 все параметры следует поверять при номинальной нагрузке и максимальном выходном напряжении.
4.1.1. Опробование следует производить при включенном питании генератора, при этом проверяется его работоспособность по техническому описанию и инструкции по эксплуатации (раздел «Подготовка к работе»).
4.2.
Определение погрешности установки частот по шкале частот
проводят непосредственным измерением частоты выходных напряжений:
 не реже, чем через четыре числовые отметки шкалы частот и не менее,
чем в пяти числовых отметках каждого поддиапазона, включая в обоих случаях крайние отметки частот;
 измерения проводят дважды – при подходе к поверяемой отметке со
стороны больших и меньших значений частоты;
 для каждого измерения рассчитывают погрешность, то есть отклонение частоты поверяемого генератора от образцовой, по формулам:
абсолютную погрешность в герцах:
f  f ном  f д ;
(4.1)
относительную погрешность в процентах:
f 
f ном  f д
f
 100 % 
 100 ,
fд
fд
(4.2)
где fном – номинальное значение частоты, установленное по шкале поверяемого генератора, Гц; fд – действительное значение частоты, измеренное образцовым частотомером.
За погрешность установки частоты принимают максимальное значение,
полученное расчетом, которое не должно превышать допустимого, указанного в нормативно-технической документации.
4.3.
Определение погрешности установки частоты по шкале интерполяции проводят:
 измерением частот выходных напряжений при помощи ЭСЧ;
 на любой частоте диапазона генератора;
 на всех числовых отметках шкалы интерполяции;
 рассчитывая погрешность для каждого измерения.
Если шкала интерполяции проградуирована в герцах, погрешность рассчитывается по следующим формулам:
11
абсолютная погрешность в герцах
f ши  f ном  f1  f 2 ;
(4.3)
относительная погрешность в процентах
f ши 
f ном  f 1  f 2
f1  f 2
 100% 
f ши
 100% ,
f1  f 2
(4.4)
где  fном – номинальное значение частоты, установленное по шкале интерполяции в поверяемой отметке, Гц; f1 – измеренная ЭСЧ частота генератора, когда шкала частоты интерполяции установлена на «0»; f2 – измеренная ЭСЧ
частота генератора в поверяемой отметке шкалы интерполяции.
Если шкала интерполяции проградуирована в процентах, погрешность
рассчитывается по следующим формулам:
абсолютная погрешность
f ши  f % 
f1  f 2
f1
 100 % ;
(4.5)
относительная погрешность
 f ши 
f % f1
 100 % ,
f1  f 2
(4.6)
где  f % – номинальное значение отклонения частоты, установленное в поверяемой отметке по шкале интерполяции.
4.4. Определение нестабильности частоты проводят измерением частоты при
помощи ЭСЧ:
 через каждые 1 – 3 мин. в течение 15 мин. (при определении нестабильности за 15 мин.);
 через каждые 30 мин. в течение 3 ч. (при определении нестабильности
за 3 ч.);
 нестабильность частоты в герцах определяют по формуле:
f н  f max  f min ;
(4.7)
где fmax, fmin – соответственно максимальное и минимальное значение частоты, измеренные ЭСЧ в течение 15 мин. или 3 ч.;
 относительную нестабильность частоты в процентах определяют по
формуле:
н 
f max  f min
f
 100%  н  100% ,
f ном
f ном
(4.8)
где fном – номинальное значение частоты, Гц.
4.5. Определение погрешности установки выходного напряжения проводят
измерением выходного напряжения при помощи образцового вольтметра:
12
 на опорной частоте, указанной в НТД, и на крайних частотах диапазона;
 если опорная частота не указана в НТД, ее выбирают из ряда 60, 400,
1000, 10000, 1000000, 2000000 Гц;
 если выходное напряжение отсчитывается по шкале встроенного в генератор вольтметра, поверяют шкалу каждого поддиапазона вольтметра не
менее чем в трех ее отметках;
 если выходное номинальное (опорное) напряжение отсчитывается по
одной отметке шкалы встроенного в генератор вольтметра, напряжение поверяется при установке вольтметра на эту отметку и не менее чем на пяти
других частотах диапазона, указанных в НТД, включая крайние частоты;
 если выходное напряжение поверяемого генератора устанавливается
по отградуированному регулятору (аттенюатору), погрешность установки
напряжения поверяется для всех числовых отметок регулятора;
 погрешность установки выходного напряжения определяют дважды –
при подходе к поверяемой отметке со стороны больших и меньших значений;
 абсолютная погрешность установки выходного напряжения каждого
измерения вычисляется по формуле
U  U ном  U д ,
(4.9)
где Uном – номинальное значение, установленное по шкале индикатора или
регулятора поверяемого прибора, В; Uд – действительное значение выходного напряжения, В;
 относительная погрешность установленного напряжения вычисляется
по формуле
U 
U ном  U д
U
 100% 
 100% ;
Uд
Uд
(4.10)
 относительная приведенная погрешность вычисляется по формуле
U прив 
U ном  U д
 100% ,
U в .п
(4.11)
где Uв.п – верхний предел измерения, В.
4.6. Определение погрешности регулятора (ослабителя, делителя) выходного
напряжения проводят при помощи образцового вольтметра:
 на всех числовых отметках регулятора;
 путем измерения установленного при помощи регулятора напряжения;
 с последующим расчетом коэффициента деления по измеренным величинам U1 и U2;
13
 если регулятор проградуирован в относительных единицах дБ, то расчет коэффициента деления в этих единицах производится по формуле:
nд  20 lg
U1
,
U2
(4.12)
где U1 – значение напряжения на выходе регулятора при начальном ослаблении сигнала, В; U2 – значение напряжения на выходе регулятора при установленном значении ослаблении сигнала, В;
 погрешность регулятора в децибелах рассчитывается по формуле:
n  nном  nд ,
(4.13)
где nном, nд – соответственно номинальное и действительное значения коэффициентов деления делителя;
 относительная погрешность регулятора в процентах рассчитывается
по формуле:
nдел 
пном  пд
 100% ,
пд
(4.14)
если регулятор состоит из нескольких самостоятельных звеньев, поверяют
каждое звено.
4.7. Определение коэффициента гармоник выходного напряжения проводят измерителем нелинейных искажений, или анализатором спектра, или
селективным вольтметром на опорной частоте и не менее чем на пяти других
частотах, указанных в НТД, включая крайние частоты диапазона.
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
5.1. Какие существуют операции поверки генераторов низкой частоты?
5.2. Как осуществляется определение погрешности установки частоты
генератора при его поверке?
5.3. Какие существуют источники погрешности установки частоты по
шкале частот измерительного генератора низкой частоты?
5.4. В чем заключается методика определения нестабильности частоты
генератора?
5.5. В чём причины нестабильности частоты выходного сигнала генератора низкой частоты?
5.6. В чем заключается методика определения погрешности установки
уровня выходного напряжения генератора при его поверке?
5.7. Какие существуют источники погрешности установки уровня выходного напряжения измерительного генератора низкой частоты?
14
5.8. Какой принцип лежит в основе определения погрешности выходного регулятора напряжения генератора?
5.9. Как определяется коэффициент гармоник выходного сигнала генератора?
6. ПРОТОКОЛ ПОВЕРКИ
В протоколе поверки должны быть включены в виде таблиц записи всех
измеряемых параметров и результатов расчета погрешностей.
Ниже приведены примеры таблиц для записи результатов наблюдений
выполненных поверок.
Таблица 6.1
Результаты поверки, выполненной по п. 2.2
Значения частот, Гц
установленной измеренной обпо шкале чаразцовым средстот, fном
ством, fд
Погрешность
абсолютная,
относительная,
f
f
допустимая
Таблица 6.2
Результаты поверки, выполненной по п. 2.3
Значения частот, Гц
fном
f1
Погрешность
f2
абсолютная,
fши
допустимая
относительная, fши
Таблица 6.3
Результаты поверки, выполненной по п. 2.4
Значения частот, Гц
fmax
fmin
Нестабильность частоты
абсолютная,
fн
относительная, fн
допустимая
15
Таблица 6.4
Результаты поверки, выполненной по п. 2.5
Уровни напряжений
Uном
Погрешность
U
Uд
Uн
допустимая
Таблица 6.5
Результаты поверки, выполненной по п. 2.6
Уровни напряжений
U1
U2
Погрешность
nд, дБ
n
nдел
nном
nд
Таблица 6.6
Результаты поверки, выполненной по п. 2.7
Частота, Гц
Значение коэффициента гармоник, %
Допустимое значение коэффициента гармоник, %
16
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Белоусов Ю.М. и др. Измерители параметров формы радиосигналов и их
поверка. – М., 1984 г.
Кушнир Ф.В., Саенко В.Г. Электрорадиоизмерения, 1983 г.
Мирский Г.Я. Радиоэлектронные измерения, 1975 г.
Справочник по радиоизмерительным приборам/Под ред. В.С. Насонова.
Т.1. – М.: Сов. Радио, 1978 г.
Справочник по радиоизмерительным приборам/Под ред. В.С. Насонова.
Т.2. – М.: Сов. Радио, 1979 г.
Сутягин В.Я., Рахимов Г.Г., Фельдман Р.В. Поверка средств измерений.
Радиотехнические измерения, 1982 г.
ГОСТ 8.314-78 “ Государственная система обеспечения единства измерений. Генераторы низкочастотные измерительные. Методы и средства
поверки”.